Reconstructing and assessing corynebacterial gene regulatory networks
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Richard Röttger
Josch Konstantin Pauling
Raquel Cardoso de Melo Minardi
Luiz Eduardo Vieira Del Bem
Siomar de Castro Soares; Thiago Luiz de Paula Castro
Josch Konstantin Pauling
Raquel Cardoso de Melo Minardi
Luiz Eduardo Vieira Del Bem
Siomar de Castro Soares; Thiago Luiz de Paula Castro
Resumo
O gênero Corynebacterium é um grupo heterogêneo de organismos de relevância biotecnológica,
médica e veterinária. A sua diversidade permite aos organismos viverem em uma grande
variedade de ambientes. Os organismos devem ser capazes de ajustar sua maquinaria de
expressão gênica para se adaptar a ambientes hostis. A regulação transcricional desempenha um
papel crucial nesse processo; permitindo à bactéria mudar rapidamente o conjunto de genes
sendo expressos para lidar com os desafios do ambiente. Compreender os mecanismos
envolvidos na regulação transcricional é um passo fundamental para compreender como os
organismos podem adaptar-se e desenvolver-se. Muitos estudos têm focado em revelar as redes
regulatórias gênicas (RRGs) transcricionais de organismos bacterianos; contudo, nosso
conhecimento está limitado a poucos organismos modelo com RRGs experimentais. Escherichia
coli é o organismo bacteriano mais estudado e, mesmo assim, é estimado que menos de 30% das
interações regulatórias entre fatores de transcrição (FTs) e genes alvo (GAs) é conhecida. Neste
contexto, abordagens computacionais permitem aos pesquisadores revelar as RRGs de muitos
organismos com base na conservação evolutiva das RRGs de organismos modelo. Considerando
o gênero Corynebacterium, pouco se conhece do seu repertório regulatório transcricional. Este
gênero é de crucial importância para a medicina, veterinária e biotecnologia por conter patógenos
que afetam a saúde humana e animal e também organismos produtores de aminoácidos.
CoryneRegNet é o banco de dados de referência em regulação transcricional do gênero
Corynebacterium desde 2006. Nesta tese, nós estendemos o conhecimento regulatório
transcricional do gênero Corynebacterium e avaliamos a consistência da RRG de
Corynebacterium glutamicum com seus dados de expressão gênica. No primeiro artigo
científico, nós apresentamos a sétima versão do CoryneRegNet, o qual atualmente armazena
RRGs transcricionais de 225 organismos do gênero Corynebacterium, representando um
aumento de 20 vezes o número de organismos deste gênero com RRGs conhecidas. O
conhecimento regulatório gerado combinado com dados oriundos da literatura resultou no
primeiro artigo de revisão da RRG transcricional de Corynebacterium pseudotuberculosis, na
qual nós apresentamos os mecanismos transcricionais conhecidos deste organismo quando
submetido a estresse osmótico, ácido, escassez de ferro e térmico. No terceiro artigo científico,
nós avaliamos a consistência entre dados de expressão gênica e a RRG de C. glutamicum
aplicando um modelo de consistência assinada. Nossos resultados mostram que a RRG de C.
glutamicum não é mais consistente que RRGs aleatórias, sugerindo que dados ômicos de outros
elementos regulatórios como regulação pós-transcricional e traducional, deveriam ser integrados
em futuros estudos de RRGs neste organismo. Nós concluímos que estamos apenas começando a
compreender o panorama regulatório do gênero Corynebacterium e que novas camadas de
regulação deveriam ser integradas às RRGs para reconstruir redes mais confiáveis para este
gênero.
Abstract
The Corynebacterium genus is a very heterogeneous group of organisms of biotechnological,
medical and veterinary relevance. Its diversity allows its organisms to live in a wide range of
environments. The organisms must quickly adapt their gene expression machinery to acclimate
to hostile environments. Transcriptional regulation plays a crucial role in this process; it allows
bacteria to quickly change the set of genes expressed to cope with the environment's challenges.
Understanding the mechanisms underlying transcription regulation is a crucial step in
understanding how organisms can adapt and thrive. Several studies have focused on unraveling
the transcriptional gene regulatory networks (GRNs) of bacterial organisms; however, our
knowledge is limited to a few model organisms with experimentally verified GRNs. Note that
Escherichia coli is the best-studied bacterial organism and yet it is estimated that our knowledge
corresponds to less than 30% of regulatory interactions between transcription factors (TFs) and
target genes (TGs). In this context, computational approaches allow researchers to unravel the
GRNs of many organisms based on the evolutionary conservation of the model organisms’
networks. Taken into account the Corynebacterium genus, little is known regarding their
transcriptional regulatory repertory. This genus is greatly relevant for medicine, veterinary and
biotechnology, comprising pathogens that affect human and animal health as well as amino acid
producer organisms. CoryneRegNet has been the reference database for corynebacterial
transcriptional regulatory knowledge since 2006. Here, we extend the transcriptional regulatory
knowledge of the Corynebacterium genus and assess the consistency of the Corynebacterium
glutamicum GRN with its gene expression data. In the first research article, we present the
seventh version of CoryneRegNet, which now holds transcriptional GRNs for 225
corynebacterial organisms, increasing by twenty times the number of organisms with known
GRNs of this genus. This regulatory knowledge combined with literature research resulted in the
first review article of the transcriptional GRN of Corynebacterium pseudotuberculosis, in which
we present the known transcriptional mechanisms of this organism under osmotic, acid,
iron-starvation and thermal stress. In the third research article, we assessed the consistency
between gene expression data and the C. glutamicum GRN by applying a conservative sign
consistency model. Our results show that the C. glutamicum GRN is not more consistent than
random GRNs, suggesting that omics data concerning other regulatory elements, such as
post-transcriptional and translational regulation, should be integrated in future GRN studies for
this organism. We conclude that we have just begun to understand the Corynebacterium genus'
regulatory landscape and that new layers of regulation should be integrated into the GRNs to
reconstruct more reliable networks for this genus.
Assunto
Redes reguladoras de genes, Elementos reguladores de transcrição, Fatores de transcrição, Corynebacterium, Regulação da expressão gênica
Palavras-chave
Transcriptional gene regulatory networks, Transcription regulation, Transcription factors, Regulatory elements, Corynebacterium