Документ

Филогенетические транслокации сегментов генома можно проследить у микоплазм. Все 470 генов М. gerfffalium имеют гомологов в геноме М. pneumoniae (679 генов). Белки этих видов гомологичны на 67 %, что отражает их близкое родство.

Геномы ми ко плазм подразделяют на 6 сегментов с консервативным порядком генов в них, но расположение сегментов в геномах имеет различную последовательность. Возможно, что эти различия являются результатом транслокации. У Е. coli штамм W3II0 отличается от штамма К12 наличием инверсии сегмента размером 17% от всего генома. Частота других инверсий возрастает по мере приближения к локусу ter С.

Транслокации и инверсии сегментов генома изменяют порядок и ориентацию генов относительно направления репликации, что оказывает влияние на их

Влияние на функционирование. Локализация генов в разных участках хромосомы имеет важное значение для адаптации к определенным условиям роста.

Консервативная и оперативная части генома

В. А. Геодакян сформулировал принцип, в соответствии с которым эволюционирующие системы подразделяются на две части: консервативную; охраняющую эволюционные «достижения» и оперативную (поисковую), быстро меняющуюся в ходе эволюции в ответ на изменения среды.

В бактериальном геноме такие системы соотносятся следующим образом:

• консервативная часть хромосомы локализована возле участка ori С,

• оперативная часть хромосомы расположена в районе ter С.

Район ter С может играть роль «кузницы» новых генов находящиеся здесь копии генов быстро дивергируют, приобретая новые функции. При перемещении гена в более консервативные части генома скорость его эволюции снижается.

Горизонтальный перенос генов и пластичность прокариотических

геномов

"Горизонтальный" перенос генов определяется как перенос генетической информации от одного генома к другому, в особенности между двумя видами. Данный термин был придуман для того чтобы отделить этот тип переноса от обычного "вертикального" переноса, в котором предковое поколение передает генетическую информацию потомству.

Для горизонтального переноса необходимы следующие факторы:

1) некий посредник для "транспортировки" генетической информации между организмами и клетками;

2) молекулярный механизм для встраивания чужеродных кусков ДНК в хозяйский геном.

Ретровирусы способны выполнять обе эти функции, поскольку они могут включать в свой геном участки хромосомальной ДНК и "пересекать" видовые границы. В случае транспозонов и других типов ДНК - опосредованной транспозиции межклеточный транспорт должен обеспечиваться неким инфекционным агентом, таким как плазмиды. Действительно, многие встречающиеся в природе плазмиды содержат транспозиционные элементы, которые могут перемещаться из плазмид в бактериальную хромосому и наоборот.

Горизонтальный перенос генов можно обнаружить при значительном нарушении "непрерывности" филогенетического распределения

определенного гена. Например, бактерия Salmonella Typhimurium содержит гистоно-подобный ген, который, насколько известно, не имеет аналогов у других бактерий. Тот факт, что горизонтальный перенос генов имел место, можно также подозревать, когда наблюдается значительное несоответствие между генной и видовой филогенией. Особенно в том случае, когда существует предположение, что сходство последовательностей отражает

географическую близость, а не филогенетическое родство.

Горизонтально могут переноситься два типа последовательностей:

1) последовательности из транспозиционных элементов ;

2) геномные последовательности.

Существует очень мало случаев, в которых горизонтальный перенос геномных последовательностей был убедительно доказан. Многие подобные заявления в последствие не подтверждались данными на молекулярном уровне. Более того следует отметить, что горизонтально -перенесенные гены, как предполагается, сохраняют свою функциональность в новом хозяйском геноме еще реже, чем гены, перемещенные из одной геномной локазизации в другую внутри одного и того же генома.

Сравнение организации геномов энтеробактерий

(Escherichia coli,Salmonella typhimurium, Yersinia pestii)

Под понятием генома у бактерий обычно подразумевается хромосома образующая в бактериальной клетке особую органеллу -нуклеоид. Помимо хромосомы в генофонд, которым фактически располагает клетка, входит и внехромосомная ДНК, т.е. гены, находящиеся на плазмидах.

У Escherichia coli на геном приходится 4,7x1 о⁶ пн. С молекулярной точки зрения хромосома E.coli представляет собой очень длинную, замкнутую в кольцо молекулу ДНК. В расчете на В-ДНК («обычную» двуспиральную

правозакрученную ДНК) эта молекула имеет протяженность ~1 мм, что почти в 1000 раз превышает размер самой бактериальной клетки (1...2 мкм). Отсюда вытекает важная молекулярно-биологическая проблема, касающаяся выяснения механизма укладки ДНК" в нуклеоиде. Компактное, или

сконденсированное состояние ДНК в нуклеоиде, по-видимому, обеспечивается ее взаимодействием с гистоноподобными белками.

На один нуклеоид в клетках культуры E.coli в логарифмической фазе роста приходится в среднем 2,8 ДНК-эквивалента одного генома, что является следствием постепенного выщепления двух дочерних геномов, находящихся в состоянии репликации и содержащих каждый по 1,4 ДНК-эквивалента генома. Но помимо репликации ДНК и разделения дочерних геномов в нуклеоиде должны происходить сопряженные процессы транскрипции и трансляции генов т.е. синтез РНК и белка. Предположительно эти процессы осуществляются при переходе ДНК в менее сконденсированное состояние и «выпячивании» соответствующего сегмента молекулы в окружающее пространство клетки, заполненное рибосомами.

Для экспрессии генов важное значение имеет то, что ДНК нуклеоида находится в состоянии так называемой отрицательной сверхскрученности. Это означает, что на уровне третичной структуры ДНК образует супервитки, причем в противоположном направлении по отношению к двойной спирали, закрученной вправо. Один супервиток образуется на каждые 200 пар оснований, а в масштабе целой хромосомы образуются отдельные домены, или петли, в которых сверхскручивание происходит независимо. Состояние сверхскручености облегчает плавление ДНК при инициации транскрипции и тем самым способствует экспрессии генов; состояние отрицательной сверхскрученности ДНК в нуклеоиде обязано действию фермента ДНК-гиразы.

В культуре клеток E.coli, делящихся со скоростью 30 мин, на один нуклеоид образуется около 120 доменов отрицательной сверхскрученности или 43±10 доменов на геном. Отсюда на домен в среднем приходится ~100 тысяч нуклеотидных пар (тпн). Таков может быть размер гипотетической области, в которой экспрессия генов зависит от состояния сверхспирализации ДНК.

Установлено, что для синтеза белка используется только 70% от потенциальной кодирующей способности ДНК. Таким образом, не менее 25...30% ДНК бактериальной хромосомы приходится на межгенные интервалы или нетранслируемые регуляторные области. По отношению к геному E.coli всей остальной ДНК, т.е. ~ 3,5x10⁶ пн, хватило бы, по крайней мере, на 3 тыс. генов.

В самом деле, считается, что средний размер молекулы

информационной РНК в клетках E.coli и соответственно средний размер транскрибируемого «гена» - 1200 нуклеотидов. Но в геноме E.coli очень многие гены объединены в опероны и поэтому среднестатистический транскрипт в 1200 нуклеотидов заведомо соответствует более чем одному гену. Отсюда ~ 3,5x10⁶ пн ДНК может содержать 3...4тыс. генов.

Практически с помощью двухмерного электрофореза белков, образуемых одной культурой E.coli, удается различить до 1800 отдельных пятен, т.е. белков, отличающихся по электрофоретической подвижности, а в разных культурах E.coli всего обнаружено примерно 2100 таких белков — предположительных продуктов отдельных генов. Из этого числа белков пока приписано к известным генам только 200, между тем как всего на генетической карте Е. coli установлена локализация более 1000 генов.

Таким образом, для хромосом бактерий в отличие от хромосом эукариот характерно относительно высокое содержание генов в расчете на имеющуюся ДНК.

Тысячу известных генов E.coli можно грубо разделить на следующие категории: транспорт различных соединений в клетку (~ 10%), катаболизм различных соединений -источников энергии (~20%), синтез аминокислот, нуклеотидов, витаминов, компонентов оболочки, фосфолипидов и других соединений (~30%), синтез белка (~20%), синтез и репарация ДНК (~10%), прочие (10%). Из перечисленных категорий две первые (~30%), очевидно, обеспечивают экологический потенциал вида, т.е. возможность существования бактерий данного вида в разнообразных экологических ситуациях. Возможно, гены именно такого рода, которые функционируют 'редко (например, из-за катаболитной репрессии в присутствии глюкозы), составляют

большинство среди генов E.coli, остающихся неизвестными. Очень большое число генов у бактерий типа E.coli - результат естественного отбора на расширение экологического потенциала вида и соответственно прогрессивной эволюции, сопряженной с периодическими приращениями генома.

Из 1027 генов на генетической карте E.coli, по крайней мере, 374 гена относятся к 108 оперонам или тесно сцепленным группам — предположительным оперонам. Объединение функционально близких генов в опероны, видимо, постепенно сложилось в эволюции бактерий по той причине, что у них перенос генетической информации обычно осуществляется небольшими порциями (например, при трансдукции или посредством плазм ид). Значение имеет само по себе сцепление функционально родственных генов, что позволяет бактериям приобретать необходимую функцию в один этап. Таким образом, подразумевается, что в определенных ситуациях генетический обмен у бактерий сопряжен с естественным отбором форм,

приобретающих новые функции.

На каждом из двух плеч хромосомы E.coli имеются характерные скопления – области повышенной плотности генов которые занимают симметричные места слева и справа от oriC, особенно в областях полугенома, расположенных ближе к oriC, чем к terC. В половине кольцевой хромосомы E.coli, прилегающей к oriC, вообще картировано больше генов (55%), чем в «дистальной» половине генома, прилегающей к terC (45 %).

Бактерия Y. pestis содержит плазмиды pCD1. Вдобавок, она также содержит плазмиды рРСР1 и рМТ1,' которых нет у других видов рода Yersinia. Перечисленные плазмиды и остров: патогенности, названный HPI, кодируют белки, которые и являются причиной патогенности бактерии. Помимо всего прочего эти вирулентные факторы требуются для бактериальной адгезии и инъекции белков в клетку «хозяина», вторжения бактерии в клетку-хозяина захвата и связывания железа, добытого из эритроцитов. Полагают, что бактерия Y. pestis произошла от Y. pseudotuberculosis, отличие только в присутствии специфичных вирулентных плазмид.

Важнейшая особенность в организации бактериального генома состоит в его разделении на два во многих отношениях симметричных полугенома. Так, у E.coli и Salmonella typhimurium область начала двунаправленной

репликации - oriC - разделяет хромосому на два примерно равных по величине плеча, отделенных на противоположной стороне

кольцевой хромосомы областью терминации репликации - terC.

Некоторое сходство в организации полугеномов проявляется в расположении гомологичных повторов на хромосомах Е. coli и S. typhimurium. К таким повторам относятся, прежде всего, 7 rrn-оперонов, содержащих идентичные гены рибосомальных РНК - rrs (16S), rrl (23S) и rrf (5S). Опероны rrn, находящиеся по разные стороны oriC, имеют противоположное направление. Другими словами, в каждом отдельном полугеноме rrn-опероны расположены как прямые нуклеотидные повторы, и поэтому появляется возможность образования путем неравного кроссинговера между сестринскими хромосомами тандемных дупликации, включающих протяженные сегменты между rrn-оперонами. Но если происходит рекомбинационное взаимодействие между rrn-оперонами из разных полугеномов (подобных инвертированным повторам), то образуются протяженные инверсии, как, например, инверсия сегмента хромосомы между оперонами rrnD и rrnE в штамме E.coli W3110.

Haemophilus influenzae (возбудитель менингита,пневмонии)

Размер генома 1.830.137 п. н. Для него характерно относительно низкое содержание GC-nap (38 %), но при этом найдено 7 протяженных участков с более высоким содержанием GC- пар (около 50 %).

При анализе нуклеотидной последовательности обнаружен

предполагаемый ориджин репликации (область начала репликации), состоящий из 280 п. н.; 6 оперонов рРНК, 54 гена тРНК для всех 20 аминокислот. Эти данные позволили составить кольцевую карту хромосомы Н. influenzae, вычислено 1743 открытых рамки считывания (ORF), но для 736 не удалось выявить функции кодируемых ими белков. Для 78 % ORFH. influenzae обнаружена гомология с имеющимися в базах данных последовательностями других орг анизмов.

Геном Deinococcus

Radiodurans

Уникальной особенностью генома D. radiodurans является то, что каждая кольцевая молекула ДНК генома представлена в нескольких копиях и образуют вместе переплетённые кольца, каждое кольцо содержит по нескольку копий одной молекулы ДНК. Другой уникальной особенностью D. radiodurans является наличие РНК-лигаз, способных сшивать молекулы РНК в гибридном комплексе РНК-ДНК. Геном D. radiodurans штамма R1 представлен четырьмя молекулами ДНК: двумя хромосомами и двумя плазмидами — мегаплазмидой и малой плазмидой.

Хромосома 1 D. radiodurans представляет собой кольцевую двуцепочечную молекулу ДНК размером 2648638 п.н., которая содержит 2687 генов, из которых 2629 кодируют белки. Хромосома 2 меньше размерами (412348 п.н.) и содержит 369 генов, из которых 368 кодируют белки. Мегаплазмида МР1 является двуцепочечной кольцевой молекулой ДНК размером 177466 п.н. и содержит 148 генов, из которых 145 кодируют белки. Плазмида СР1 представлена кольцевой двуцепочечной молекулой ДНК размером 45704 п.н. и содержит 40 генов, из которых 39 кодируют белки. Известно также несколько плазмид. влияющих на резистентность к лизоциму и допустимую температуру роста.

Микроорганизм имеет естественную компетентность к трансформации чужеродной ДНК. Геном D. radiodurans весьма близок к геному Thermus aquaticus и сравнение геномов показывает дивергентные пути к адаптации к термофильности и устойчивости к радиации.

Геном Neisseria gonorrhoeae

Гонококк Neisseria gonorrhoeae способен вносить изменения в ген своего поверхностного белка пилина, что затрудняет выработку иммунитета у зараженных людей Согласно выдвинутой ранее гипотезе, участки пилинового гена замещаются фрагментами «псевдогенов» — многочисленных неработающих копий гена, немного различающихся своими нуклеотидными последовательностями.

Гипотетический механизм этого процесса предполагает наличие в клетке гонококка как минимум двух копий генома, хотя обычно у бактерий геном представлен в единственном экземпляре, самое зловредное свойство микроба, из-за которого люди практически не могут выработать против него устойчивый иммунитет, состоит в его способности быстро менять структуру своих поверхностных белков — тех самых, по которым клетки иммунной системы распознают паразита. Пока иммунная система учится распознавать и обезвреживать какой-то штамм гонококка, он меняется, и размножившиеся лимфоциты (с рецепторами, «настроенными» на поверхностные белки бактерии) оказываются не у дел.

Главный поверхностный белок гонококка пилин меняется не за счет обычных «случайных мутаций» — ошибок при копировании генома, а за счет контролируемого процесса генной конверсии, то есть вполне целенаправленной замены одних участков гена другими.

Можно сказать, что гонококк борется с иммунной системой ее же оружием. Однако детали механизма генной конверсии сильно различаются в иммунной системе и у гонококка. В геноме гонококка, помимо активного пилинового гена, существует множество неполных молчащих копий (инщда их не совсем корректно называют «псевдогенами»), некоторые участки которых полностью идентичны «образцу», тогда как другие сильно варьируют. Время от времени какой-либо участок активного гена может быть заменен соответствующим фрагментом одной из копий. В результате структура пилина меняется, и рецепторы иммунной системы перестают его узнавать.

Молекулярный механизм замены одних участков генома другими у гонококка пока неизвестен (это довольно трудно выяснить экспериментальным путем). Предполагают, что в каждой клетке гонококка должно присутствовать как минимум два экземпляра генома (упрощенно говоря, участки «псевдогенов» одного экземпляра вставляются в активный пилиновый ген другого экземпляра). Это противоречит устоявшимся представлениям, согласно которым бактерии являются гаплоидными организмами (то есть имеют один экземпляр генома в каждой клетке, если не считать периода, предшествующего клеточному делению).

Геном Aquifex aeolicus

Длина его генома составляет лишь около трети от длины генома Е. coli. Сравнение генома Aquifex aeolicus и других организмов показали, что около 16 % её генов происходят от царства археев. A. aeolicus имеет наименьший геном из всех известных не паразитических организмов. Он составляет 1.5 Мб и содержит 1512 генов.

Его геном представляет собой сложную мозаику, состоящую как из "собственных" генов A.aeolicus, так и генов, "позаимствованных" им у других термофильных микробов. Как минимум 10% генов появилось в геноме A.aeolicus в * результате латерального переноса.

Генетика и эволюция Mycobacterium tuberculosis

Геном М. tuberculosis complex.

Геном М. tuberculosis complex, очень консервативен. Его представители обладают гомологией ДНК в пределах 85—100%, тогда как ДНК других представителей данного рода гомологичны М. tuberculosis лишь

5-29%. Геном М. tuberculosis меньше, чем у других микобактерий В 1998 г. была опубликована нуклеотидная последовательность хромосомы штамма H37Rv М tuberculosis, являющегося музейным классическим штаммом.

Хромосома представляет собой тороидальную структуру - свыше 3500 генов, кодирующих белки, плюс 60, кодирующих функциональные компоненты РНК: уникальный рибосомальный РНК-оперон, 10Sa РНК, участвующий в деградации белков с нетипичной матричной РНК, 45 транспортных РНК (тРНК), около 100 липопротеинов. Особенность генома М. tuberculosis complex — большое число повторяющихся последовательностей ДНК. Так в хромосоме М. tuberculosis H37Rv насчитывают до 56 копий IS-элементов, которые обеспечивают ДНК-полиморфизм микобактерий туберкулёза. Большинство из них, за исключением элемента IS6110, неизменны.

В составе хромосомы различных штаммов микобактерий туберкулёза, как правило, присутствует от 5 до 20 копий IS6110, однако встречаются штаммы, не имеющие данного элемента. Различия в количестве копий и локализации на хромосоме этих генетических элементов используют для дифференциации штаммов микобактерий туберкулёза в молекулярной эпидемиологии. Наиболее совершенные схемы генотипирования микобактерий основаны на выявлении геномного полиморфизма, обусловленного элементом IS6110. Характерно, что дивергенция вида М. tuberculosis происходит, как правило, за счёт рекомбинаций между копиями элемента IS6110, которые фланкируют различные гены.

M. tuberculosis может адаптироваться к воздействию факторов иммунного ответа организма хозяина и селективному давлению антибиотиков посредством точечных мутаций.

Было показано, что М. tuberculosis сформировались в процессе эволюции из предшественника М. tuberculosis complex путем делеций крупных фрагментов генома. В то же время, на более коротких отрезках времени генетическая вариабельность М. tuberculosis достигается изменениями в минисателлитной ДНК и перемещениями коротких инсерционных последовательностей IS6J10.

Геном и эволюционное развитие Mycoplasma

Согласно одной точки зрения микоплазмы являются выжившей ветвью примитивных микроорганизмов, из которых впоследствии произошли

прокариоты и эукариоты. Они появились как продукт прогрессивной эволюции еще до образования присущей бактериям клеточной стенки.

Другая точка зрения состоит в том, что микоплазмы являются регрессивной ветвью эволюции некоторых грамположительных бактерий и (или) клостридий. Второе предположение находит экспериментальные

подтверждения и рассматривается в двух возможных вариантах. Все микоплазмы происходят либо от предка, общего с грамположительными бактериями, либо от разных бактерий. На основании проведенного сравнения

последовательностей олигонуклеотидов 16S рРНК нескольких видов микоплазм и грамположительных бактерий из родов Clostridium, Bacillus, Lactobacillus, Streptococcus.

Сравнительный анализ 16S РНК показал, что филогенетически микоплазмы ближе всего к клостридиям, а именно к С. innocuum и С. ramosum. При сравнительном анализе числа и последовательностей нуклеотидов в 5S РНК различных видов грамположительных бактерий 13 видов микоплазм было также обнаружено, что предки последних отделились от ветви клостридий, возможно, от Clostridium innocuum, имеющей 114 нуклеотидов в составе 5S РНК.

Геном микоплазм, представляющий собой замкнутую двухцепочечную молекулу ДНК, отличается небольшим размером и низким содержанием Г+Ц пар.

По величине генома представителей класса Mollicutes можно разделить на две группы. Одну составляют микоплазмы и уреаплазмы с геномом 0,45-0,55 МДа (700-900 kb), а другую - спироплазмы, ахолеплазмы и анаэроплазмы с геномом около 1 МДа (1500 kb).

Содержание Г+Ц в ДНК микоплазм колеблется от 23 до 36%. Только геном М. pneumoniae является исключением, так как Г+Ц в его составе достигает почти 41%. В разных участках ДНК содержание Г+Ц существенно различается.