The self-organization of genomes

Menzerath-Altmann law is a general law of human language stating, for instance, that the longer a word, the shorter its syllables. With the metaphor that genomes are words and chromosomes are syllables, we examine if genomes also obey the law. We find that longer genomes tend to be made of smaller chromosomes in organisms from three different kingdoms: fungi, plants, and animals. Our findings suggest that genomes self-organize under principles similar to those of human language.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Famílies de proteïnes Hha/YmoA i H-NS: regulació de l'expressió gènica a "Escherichia coli" i paper de la conjugació plasmídica, Les

En bacteris entèrics, les proteïnes de la família Hha/YmoA estan implicades en la regulació de l'expressió gènica depenent factors ambientals. Ha estat descrit que la proteïna Hha d' Escherichia coli interacciona amb la proteïna H-NS formant un complex amb el DNA responsable de la termoregulació de l'expressió de l'operó hly d' E. coli. Altres proteïnes d'aquesta família, com YmoA i YdgT, també interaccionen amb la proteïna H-NS.La proteïna H-NS d' E. coli és una proteïna associada al nucleoide implicada en la regulació global de l'expressió gènica en funció de les condicions ambientals. H-NS es troba àmpliament distribuida entre bacteris Gram-negatius.El primer objectiu va ser determinar si la participació conjunta de les proteïnes Hha i H-NS era extensible a altres gens regulats per H-NS. Escollirerm l'operó bgl, silenciat per la proteïna H-NS. Mitjançant mesures de l'activitat i de la trasncripció de l'operó vam concloure que les proteïnes Hha i YdgT intervenen en el silenciament de l'operó bgl d'Escherichia coli.Es va analitzar la regulació de l'expressió gènica depenent de les proteïnes Hha i H-NS en diferents condicions d'osmolaritat per identificar les proteïnes diferencialment expressades. S'identificaren les proteïnes HdeA, l'expressió de la qual ja havia estat descrita com a regulada per H-NS; i HtrA, una proteasa sotmesa a osmoregulació. El complex Hha-H-NS és responsable de la repressió de l'expressió d'HtrA a baixa osmolaritat.En la seqüència completa del plàsmid R27 s'han identificat dos gens (orf182 i orf164) que codifiquen dues proteïnes homòlogues a Hha i H-NS, respectivament. Ja que la conjugació d'aquest plàsmid està sotmesa a termoregulació, i donat que les proteïnes Hha i H-NS estan implicades en la regulació de l'expressió gènica depenent de paràmetres ambientals, es va voler determinar: · A) el paper d'aquestes proteïnes, d'origen plasmídic i d'origen cromosòmic, en la regulació de la conjugació de R27,· B) i la intervenció de les proteïnes de codificació plasmídica en la fisiologia de la cèl·lula portadora del plàsmid. Es realitzaren estudis de la freqüència de conjugació del plàsmid, estudis de la transcripció dels gens de transferencia mitjançant microxips i RT-PCR, assaigs de retard en gel amb les proteïnes Hha i H-NS i observació de pilis per MET. Es va concloure que les proteïnes Hha i H-NS, tant de codificació plasmídica com cromosòmica, interven en la termoregulació de la conjugació del plàsmid, reprimint l'expressió dels gens de transferencia a elevada temperatura. En estudis de complementació s'observà que les proteïnes codificades als gens orf182 i orf164, compensen alguns fenotips causats per les mutacions dels gens hha i hns. Es va demostrar també la interacció in vitro de la proteïna H-NS plasmídica (ORF164) amb la proteïna Hha cromosòmica.Finalment, es va realitzar una anàlisi trancriptòmica de l'efecte de les mutacions hns i hha ydgT en el patró d'expressió gènica a Escherichia coli, per determinar quins gens estaven afectats en cada fons genètic i establir la relació entre la regulació per H-NS i per Hha/YdgT. La comparació dels patrons d'expressió entre la soca hns i la soca salvatge, han posat de manifest que un 7% dels gens d'E. coli presenten una alteració significativa de la seva expressió, i que un 68% dels casos corresponen a una sobreexpressió en la soca hns. L'analisi de l'expressió diferencial entre la soca hha ydgT i la soca hns demostra que la regulació de la soca hha ydgT segueix majoritàriment el mateix patró d'expressió que la soca salvatge. Es van identificar 22 gens amb expressió diferencial entre la soca hha ydgT i la soca salvatge, dels quals 18 presenten sobreexpressió en un fons genètic hha ydgT, i 12 coincideixen amb els gens regulats per H-NS.In enteric bacteria, the proteins of Hha/YmoA family play an important role in regulation of gene expression in response to environmental signals. On another part, the nucleoid-associated protein H-NS is a relevant example of a global modulator. H-NS binds to Hha, and other proteins of Hha/YmoA family, to regulate gene expression depending on environmental conditions.The first goal was to determine if Hha and H-NS participate together regulating genes known as regulated by H-NS, like "bgl" operon silenced by H-NS, or other new genes in different osmolarity conditions. We conclude that Hha play a role in silencing "bgl" operon expression in "E. Coli" and that Hha-H-NS complex is responsible for the HtrA repression at low osmolarity.R27 plasmid code two proteins homologous to Hha and H-NS, respectively. Since R27 conjugation is thermoregulated, and given the fact that Hha and H-NS regulate gene expression depending on environmental parameters, we investigated the role of these proteins, in thermoregulation of R27 conjugation. We conclude that Hha and H-NS, of plasmidic and chromosomic origin, downregulate plasmid conjugation at high temperature. As well, we studied the intervention of Hha and H-NS R27 encoded proteins in the physiology of R27 host cells. We observed that these proteins compensate some of the phenotypes caused by hha and hns mutations.Finally, a transcriptomic analysis of the effect of the mutations "hns" and "hha ydgT" in "E. coli"i was carried out to establish the relationship between H-NS and Hha/YdgT regulation. The result showed that 7% of genes were affected by "hns" mutation and that 68% of these cases corresponds to an overexpression in hns strain. The analysis of "hha ydgT" strain demonstrates that its regulation follows mostly the same pattern of expression than the wild type strain, because "hha ydgT" mutations only affected 22 genes. </I

Les famílies de proteïnes Hha/YmoA i H-NS: regulació de l'expressió gènica a "Escherichia coli" i paper de la conjugació plasmídica

[cat] En bacteris entèrics, les proteïnes de la família Hha/YmoA estan implicades en la regulació de l'expressió gènica depenent factors ambientals. Ha estat descrit que la proteïna Hha d' Escherichia coli interacciona amb la proteïna H-NS formant un complex amb el DNA responsable de la termoregulació de l'expressió de l'operó hly d' E. coli. Altres proteïnes d'aquesta família, com YmoA i YdgT, també interaccionen amb la proteïna H-NS.La proteïna H-NS d' E. coli és una proteïna associada al nucleoide implicada en la regulació global de l'expressió gènica en funció de les condicions ambientals. H-NS es troba àmpliament distribuida entre bacteris Gram-negatius.El primer objectiu va ser determinar si la participació conjunta de les proteïnes Hha i H-NS era extensible a altres gens regulats per H-NS. Escollirerm l'operó bgl, silenciat per la proteïna H-NS. Mitjançant mesures de l'activitat i de la trasncripció de l'operó vam concloure que les proteïnes Hha i YdgT intervenen en el silenciament de l'operó bgl d'Escherichia coli.Es va analitzar la regulació de l'expressió gènica depenent de les proteïnes Hha i H-NS en diferents condicions d'osmolaritat per identificar les proteïnes diferencialment expressades. S'identificaren les proteïnes HdeA, l'expressió de la qual ja havia estat descrita com a regulada per H-NS; i HtrA, una proteasa sotmesa a osmoregulació. El complex Hha-H-NS és responsable de la repressió de l'expressió d'HtrA a baixa osmolaritat.En la seqüència completa del plàsmid R27 s'han identificat dos gens (orf182 i orf164) que codifiquen dues proteïnes homòlogues a Hha i H-NS, respectivament. Ja que la conjugació d'aquest plàsmid està sotmesa a termoregulació, i donat que les proteïnes Hha i H-NS estan implicades en la regulació de l'expressió gènica depenent de paràmetres ambientals, es va voler determinar: · A) el paper d'aquestes proteïnes, d'origen plasmídic i d'origen cromosòmic, en la regulació de la conjugació de R27,· B) i la intervenció de les proteïnes de codificació plasmídica en la fisiologia de la cèl·lula portadora del plàsmid. Es realitzaren estudis de la freqüència de conjugació del plàsmid, estudis de la transcripció dels gens de transferencia mitjançant microxips i RT-PCR, assaigs de retard en gel amb les proteïnes Hha i H-NS i observació de pilis per MET. Es va concloure que les proteïnes Hha i H-NS, tant de codificació plasmídica com cromosòmica, interven en la termoregulació de la conjugació del plàsmid, reprimint l'expressió dels gens de transferencia a elevada temperatura. En estudis de complementació s'observà que les proteïnes codificades als gens orf182 i orf164, compensen alguns fenotips causats per les mutacions dels gens hha i hns. Es va demostrar també la interacció in vitro de la proteïna H-NS plasmídica (ORF164) amb la proteïna Hha cromosòmica.Finalment, es va realitzar una anàlisi trancriptòmica de l'efecte de les mutacions hns i hha ydgT en el patró d'expressió gènica a Escherichia coli, per determinar quins gens estaven afectats en cada fons genètic i establir la relació entre la regulació per H-NS i per Hha/YdgT. La comparació dels patrons d'expressió entre la soca hns i la soca salvatge, han posat de manifest que un 7% dels gens d'E. coli presenten una alteració significativa de la seva expressió, i que un 68% dels casos corresponen a una sobreexpressió en la soca hns. L'analisi de l'expressió diferencial entre la soca hha ydgT i la soca hns demostra que la regulació de la soca hha ydgT segueix majoritàriment el mateix patró d'expressió que la soca salvatge. Es van identificar 22 gens amb expressió diferencial entre la soca hha ydgT i la soca salvatge, dels quals 18 presenten sobreexpressió en un fons genètic hha ydgT, i 12 coincideixen amb els gens regulats per H-NS.[eng] In enteric bacteria, the proteins of Hha/YmoA family play an important role in regulation of gene expression in response to environmental signals. On another part, the nucleoid-associated protein H-NS is a relevant example of a global modulator. H-NS binds to Hha, and other proteins of Hha/YmoA family, to regulate gene expression depending on environmental conditions.The first goal was to determine if Hha and H-NS participate together regulating genes known as regulated by H-NS, like "bgl" operon silenced by H-NS, or other new genes in different osmolarity conditions. We conclude that Hha play a role in silencing "bgl" operon expression in "E. Coli" and that Hha-H-NS complex is responsible for the HtrA repression at low osmolarity.R27 plasmid code two proteins homologous to Hha and H-NS, respectively. Since R27 conjugation is thermoregulated, and given the fact that Hha and H-NS regulate gene expression depending on environmental parameters, we investigated the role of these proteins, in thermoregulation of R27 conjugation. We conclude that Hha and H-NS, of plasmidic and chromosomic origin, downregulate plasmid conjugation at high temperature. As well, we studied the intervention of Hha and H-NS R27 encoded proteins in the physiology of R27 host cells. We observed that these proteins compensate some of the phenotypes caused by hha and hns mutations.Finally, a transcriptomic analysis of the effect of the mutations "hns" and "hha ydgT" in "E. coli"i was carried out to establish the relationship between H-NS and Hha/YdgT regulation. The result showed that 7% of genes were affected by "hns" mutation and that 68% of these cases corresponds to an overexpression in hns strain. The analysis of "hha ydgT" strain demonstrates that its regulation follows mostly the same pattern of expression than the wild type strain, because "hha ydgT" mutations only affected 22 genes

Statistical properties of metastable intermediates in DNA unzipping

We unzip DNA molecules using optical tweezers and determine the sizes of the cooperatively unzipping and zipping regions separating consecutive metastable intermediates along the unzipping pathway. Sizes are found to be distributed following a power law, ranging from one base pair up to more than a hundred base pairs. We find that a large fraction of unzipping regions smaller than 10 bp are seldom detected because of the high compliance of the released single stranded DNA. We show how the compliance of a single nucleotide sets a limit value around 0.1 N/m for the stiffness of any local force probe aiming to discriminate one base pair at a time in DNA unzipping experiments

Statistical properties of metastable intermediates in DNA unzipping

We unzip DNA molecules using optical tweezers and determine the sizes of the cooperatively unzipping and zipping regions separating consecutive metastable intermediates along the unzipping pathway. Sizes are found to be distributed following a power law, ranging from one base pair up to more than a hundred base pairs. We find that a large fraction of unzipping regions smaller than 10 bp are seldom detected because of the high compliance of the released single stranded DNA. We show how the compliance of a single nucleotide sets a limit value around 0.1 N/m for the stiffness of any local force probe aiming to discriminate one base pair at a time in DNA unzipping experiments

The parameters of Menzerath-Altmann law in genomes

The relationship between the size of the whole and the size of the parts in language and music is known to follow the Menzerath-Altmann law at many levels of description (morphemes, words, sentences, …). Qualitatively, the law states that the larger the whole, the smaller its parts, e.g. the longer a word (in syllables) the shorter its syllables (in letters or phonemes). This patterning has also been found in genomes: the longer a genome (in chromosomes), the shorter its chromosomes (in base pairs). However, it has been argued recently that mean chromosome length is trivially a pure power function of chromosome number with an exponent of -1. The functional dependency between mean chromosome size and chromosome number in groups of organisms from three different kingdoms is studied. The fit of a pure power function yields exponents between -1.6 and 0.1. It is shown that an exponent of -1 is unlikely for fungi, gymnosperm plants, insects, reptiles, ray-finned fishes and amphibians. Even when the exponent is very close to -1, adding an exponential component is able to yield a better fit with regard to a pure power-law in plants, mammals, ray-finned fishes and amphibians. The parameters of the Menzerath-Altmann law in genomes deviate significantly from a power law with a -1 exponent with the exception of birds and cartilaginous fishes

Folding and unfolding of a triple-branch DNA molecule with four conformational states

Single-molecule experiments provide new insights into biological processes hitherto not accessible by measurements performed on bulk systems. We report on a study of the kinetics of a triple-branch DNA molecule with four conformational states by pulling experiments with optical tweezers and theoretical modelling. Three distinct force rips associated with different transitions between the conformational states are observed in the folding and unfolding trajectories. By applying transition rate theory to a free energy model of the molecule, probability distributions for the first rupture forces of the different transitions are calculated. Good agreement of the theoretical predictions with the experimental findings is achieved. Furthermore, due to our specific design of the molecule, we found a useful method to identify permanently frayed molecules by estimating the number of opened basepairs from the measured force jump values

The challenges of statistical patterns of language: the case of Menzerath's law in genomes

The importance of statistical patterns of language has been debated over decades. Although Zipf's law is perhaps the most popular case, recently, Menzerath's law has begun to be involved. Menzerath's law manifests in language, music and genomes as a tendency of the mean size of the parts to decrease as the number of parts increases in many situations. This statistical regularity emerges also in the context of genomes, for instance, as a tendency of species with more chromosomes to have a smaller mean chromosome size. It has been argued that the instantiation of this law in genomes is not indicative of any parallel between language and genomes because (a) the law is inevitable and (b) noncoding DNA dominates genomes. Here mathematical, statistical, and conceptual challenges of these criticisms are discussed. Two major conclusions are drawn: the law is not inevitable and languages also have a correlate of noncoding DNA. However, the wide range of manifestations of the law in and outside genomes suggests that the striking similarities between noncoding DNA and certain linguistics units could be anecdotal for understanding the recurrence of that statistical law.Peer Reviewe