Orthologous genes (bi-directional best hits)

>> Broad and narrow (promoters)

IntroductionТранскрипция гена начинается с промотора, а промоторы бывают разного типа -широкие и узкие. В этом проекте мы проанализировали консервативность шириныпромоторов у генов, сохранившихся в разных видах, чтобы лучше понять ее связь сфункциями генов.

Alisa Pozdnyakova*, Grigory Stepanov*, Olga Sigalova* equal contribution

Evolutionary conservation of promoter width

Laboratory of functional and comparative genomics

Results

References• Phantom5 http://fantom.gsc.riken.jp/5/• UCSC genome browser https://genome.ucsc.edu• DRSC integrative ortholog prediction tool https://www.flyrnai.org/cgi-bin/DRSC_orthologs.pl• ShinyGO http://bioinformatics.sdstate.edu/go/• Nepal et al 2013, Genome Research• Vorontsov et al 2018, BMC Research Notes

Transcription of a gene starts from its promoter, and promoters can be of different types, broad or narrow. In this project we analyzed the conservation of promoter width of genes present in different species to better understand its link with gene function.

DATA and Methods

human broad human narrowmouse broad 1573 (1340) 198 (430)mouse narrow 438 (670) 448 (215)

Enriched in mouse narrow vs. human broad (orthologs)

odds ratio (p-value)

Enriched in narrow vs. broadodds ratio (p-value)

TBP 2.6 (10-4) 4.8 (10-4)

SP1 0.3 (10-16) 0.4 (10-16)

CpG islands n.s. 0.4 (10-16)

CTCF n.s. 0.4 (10-16)

perspectives• Сравнение последовательностей промоторов ортологов

мыши и человека, имеющих разную ширину. Compare promoter sequences of human and mouse orthologs with different widths.

• Систематический анализ по всем доступным тканям итранскрипционным факторам. Systematic analysis for all available tissues and developmental stages.

Данные CAGE:

5 тканей человека.5 human tissues

5 тканей мыши5 mouse tissues

5 стадий эмбрионального развития мыши5 mouse embryonic stages

5 стадий эмбрионального развития рыбки Данио-рерио5 zebrafish embryonic stages

1. Широкие промоторы экспрессируются в большем количестве тканей и стадий развития. Broad promoters are expressed in more tissues and developmental stages.

Рис 1. Зависимость шириныпромотора от (A) количества тканейи (B) стадий эмбриональногоразвития мыши, в которых экспрессируется ген.

Fig 1. Relationship between promoter width and (A) number of mouse tissues and (B) developmental stages where a gene is expressed.

●

●

●

●

●

●●●●

●

●

●●

●●

●

●

●●

●

●●●

●

●●

●

●

●

●

●

●●

●●

●●

●●

●

●●

●

●

●●

●

●

●

●

●●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●●●

●●

●

●

●

●●

●

●

●

●

● ●●

●

●

●

●

●●

●

●●

●

●

●

●

●

●●

●

●●●

●

●

●●●

●

●●●

●

●

●

●

●

●

●

●●●

●

●

●

●

●●

●

●

●●

●

●

●

●

●●

●

●

●●

●

●

●

●

●

●●

●

●

●

●

●●●

●

●

●

●

●

●

●

14221157 1241 932

4158

****

****

****

0

50

100

1 2 3 4 5Number of tissues with gene expression

Prom

oter

wid

th (a

vera

ge a

cros

s tis

sues

)

Mouse tissues

A BРис 2. Корреляция ширины промоторовмежду разными тканями и стадиямиэмбрионального развития мыши.

Fig 2. Correlation of promoter widths across different mouse tissues and developmental stages.

2. Ширина промоторов сохраняется в разных тканях и на разных стадияхэмбрионального развития организма. The promoter width is similar across tissues and developmental stages of an organism.

3. Ширина промоторов консервативна у человека и мыши. The promoter width is conserved between human and mouse.

Анализ консервативности шириныпромоторов ортологичных генов

Analysis of promoter width conservation in orthologous genes

1

0.92 1

0.9 0.88 1

0.9 0.88 0.92 1

0.95 0.92 0.89 0.89 1

0.7 0.68 0.67 0.67 0.71 1

0.7 0.69 0.68 0.68 0.72 0.94 1

0.71 0.7 0.68 0.68 0.72 0.93 0.94 1

0.72 0.71 0.69 0.69 0.74 0.93 0.94 0.94 1

0.72 0.71 0.69 0.69 0.73 0.93 0.94 0.94 0.94 1

adrenal gland

aorta

cerebellum

cortex

ovary

embryo E11

embryo E13

embryo E14

embryo E16

embryo E18

adren

al gla

ndao

rta

cereb

ellum

corte

xov

ary

embry

o E11

embry

o E13

embry

o E14

embry

o E16

embry

o E18

0.000.250.500.751.00

PearsonCorrelation

●

●

●

●

●●●●

●

●

●

●●●●

●

●●

●●● ●●

●

●●

●

●

●

●

●

●

●●●

●●●

●

●

●

●

●

●●

●

●●

●

●●●

●

●●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●●

●

●

●

●

●●●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●●

●●

●

●

●

●

●

●●

●●

●●●

●

●

●

●

●

●

●●

●

●

●

●

●

913 669 601 797

4240

***

****

****

0

40

80

120

1 2 3 4 5Number of stages with gene expression

Prom

oter

wid

th (a

vera

ge a

cros

s st

ages

)

Mouse embryonic stages

Пре-процессинг данных CAGEPre-processing of CAGE data

Разделение промоторов на широкие и узкиеSeparating broad and narrow promoters

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0 25 50 75 100Promoter width (in bp.)

Den

sity

promoter widths in aorta (mouse)

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

−200−100 0 100 200Coordinate relative to TSS

Con

serv

atio

n sc

ore

groupbroad human and mousebroad human, narrow mousenarrow human and mousenarrow human, broad mouse

phyloP conservation score

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

−200−100 0 100 200Coordinate relative to TSS

Con

serv

atio

n sc

ore

groupbroad human and mousebroad human, narrow mousenarrow human and mousenarrow human, broad mouse

phyloP conservation score

Таблица 1. Количество ортологичных генов человека и мыши с определенной шириной промоторов (в скобках ожидаемое количество)Table 1. Number of human and mouse orthologous genes with different promoter widths (the expected numbers in parentheses)

4. Гены с узкими промоторами у мыши и широкими у человека обогащены регуляторами транскрипции и метаболизма, а также генами развития. The set of genes with narrow promoters in mouse and broad in human is enriched in regulators of transcription and metabolism, as well as developmental genes.

Рис. 4. Функциональное обогащениегенов, имеющих узкие промоторы у мыши и широкие у человека.

Fig 4. Functional enrichment of genes with narrow promoters in mouse and broad in human

5. Промоторы с разной шириной различаются по консервативности последовательности. Promotors of different width have different levels of sequence conservation.

narrow in all

broad in fish, narrow in human and mouse

broad in mouse, narrow in human and fish

broad in human, narrow in mouse and fish

broad in mouse and fish, narrow in human

broad in human and fish, narrow in mouse

broad in human and mouse, narrow in fish

broad in all

0 100 200 300 400Number of genes

Orthologs among zebrafish, mouse, and human

Рис. 3. Консервативность последовательностей промоторов разных групп (Таблица 1), выровненных относительно старта транскрипции

Fig 3. Conservation of promoter sequences from different groups (Table 1) aligned relative to the TSS

6. Гены, имеющие разную ширину промоторов у человека и мыши, ассоциированы с разными транскрипционными факторами. Genes with different promoter width in house and human are associated with different transcription factors

Таблица 2. Обогащение пиков транскрипционных факторов и CpG островков в разных типах промоторов(тест Фишера).Table 2. Enrichment of peaks of transcription factors and CpG islands in different types of promoters (Fisher test)

7. Широкие промоторы менее всего склонны изменяться между видами.Broad promoters are less likely to change their width in different species.

Рис. 5. Количество ортологичныхгенов, относящихся к разным группам ширины промоторов

Fig 5. Number of orthologous genes with different promoter widths

Conclusions• Ширина промоторов у генов, сохранившихся у

разных видов, консервативна. Promoter width of genes present in different species is conserved.

• Ширина промотора - устойчивая характеристика генов, связанная с их функциями и регуляцией. Promoter width is a stable characteristic of genes linked to their function and regulation.