Войти
Бактериальные геномы, как правило, меньше по размеру и имеют меньшие вариации по размеру среди видов по сравнению с геномами эукариоты. Бактериальные геномы могут иметь размер от 130 до более 14 Мбит / с. Исследование, которое включало, но не ограничивалось, 478 бактериальными геномами, пришло к выводу, что по мере увеличения размера генома количество генов увеличивается непропорционально медленнее у эукариот, чем у неэукариот. Таким образом, доля некодирующей ДНК увеличивается с размером генома быстрее у небактерий, чем у бактерий. Это согласуется с тем фактом, что большая часть ядерной ДНК эукариот не кодирует гены, тогда как большинство прокариотических, вирусных и органелларных генов кодируют. Прямо сейчас у нас есть геномные последовательности из 50 различных типов бактерий и 11 различных типов архей. Секвенирование второго поколения дало много черновиков геномов (около 90% бактериальных геномов в GenBank в настоящее время не завершены); секвенирование третьего поколения может в конечном итоге дать полный геном за несколько часов. Последовательности генома обнаруживают большое разнообразие бактерий. Анализ более 2000 геномов Escherichia coli показывает, что основной геном E. coli включает около 3100 семейств генов и в общей сложности около 89000 различных семейств генов. Последовательности генома показывают, что паразитические бактерии имеют 500–1200 генов, свободноживущие бактерии - 1500–7500 генов, а археи - 1500–2700 генов. Поразительное открытие Cole et al. описал массовый распад генов при сравнении палочки лепры с предковыми бактериями. С тех пор исследования показали, что у некоторых бактерий размер генома меньше, чем у их предков. За прошедшие годы исследователи предложили несколько теорий, объясняющих общую тенденцию распада бактериального генома и относительно небольшой размер бактериального генома. Неоспоримые доказательства указывают на то, что очевидная деградация бактериальных геномов происходит из-за делеционной ошибки.
По состоянию на 2014 г. в открытом доступе имеется более 30 000 секвенированных бактериальных геномов и тысячи проектов метагеномов. Такие проекты, как Геномная энциклопедия бактерий и архей (GEBA), намереваются добавить больше геномов.
Сравнение отдельных генов теперь заменяется более общими методами. Эти методы привели к новым взглядам на генетические взаимоотношения, которые ранее были только оценены.
Значительным достижением второго десятилетия бактериального секвенирования генома стало получение метагеномных данных, которые охватывают все ДНК присутствует в образце. Ранее было опубликовано только два метагеномных проекта.
Логарифмический график общего числа аннотированных белков в геномах, представленных в GenBank, как функция размер генома. На основе данных из отчетов о геномах NCBI. Бактерии обладают компактной архитектурой генома, отличной от эукариот двумя важными способами: бактерии демонстрируют сильную корреляцию между размером генома и количеством функциональных генов в геноме, и эти гены структурированы в опероны. Основной причиной относительной плотности бактериальных геномов по сравнению с геномами эукариот (особенно многоклеточных эукариот) является наличие некодирующей ДНК в виде межгенных областей и интронов. Некоторые заметные исключения включают недавно образовавшиеся патогенные бактерии. Первоначально это было описано в исследовании Cole et al. в котором было обнаружено, что Mycobacterium leprae имеет значительно более высокий процент псевдогенов с функциональными генами (~ 40%), чем его свободноживущие предки.
Кроме того, среди других видов бактерий, размер генома относительно невелик по сравнению с размерами генома других основных групп живых существ. Размер генома не имеет большого значения при рассмотрении количества функциональных генов у эукариотических видов. У бактерий, однако, сильная корреляция между количеством генов и размером генома делает размер бактериальных геномов интересной темой для исследований и обсуждений.
Общие тенденции бактериальной эволюции показывают, что бактерии возникли как свободные. живые организмы. В результате эволюции некоторые бактерии стали патогенами и симбионтами. Образ жизни бактерий играет важную роль в размерах их геномов. У свободноживущих бактерий самый большой геном из трех типов бактерий; однако у них меньше псевдогенов, чем у бактерий, которые недавно приобрели патогенность.
факультативно, и недавно появившиеся патогенные бактерии имеют меньший размер генома, чем свободноживущие бактерии, но при этом у них больше псевдогенов, чем у любой другой формы бактерий..
Облигатные бактериальные симбионты или патогены имеют наименьшие геномы и наименьшее количество псевдогенов из трех групп. Взаимосвязь между образом жизни бактерий и размером генома поднимает вопросы о механизмах эволюции бактериального генома. Исследователи разработали несколько теорий, объясняющих закономерности эволюции размера генома у бактерий.
Поскольку сравнения отдельных генов в значительной степени уступили место сравнениям геномов, точность филогении бактериальных геномов повысилась. Метод средней нуклеотидной идентичности позволяет количественно оценить генетическое расстояние между целыми геномами с использованием областей размером около 10 000 пар оснований. При наличии достаточного количества данных из геномов одного рода выполняются алгоритмы для категоризации видов. Это было сделано для видов Pseudomonas avellanae в 2013 году.
Для извлечения информации о бактериальных геномах размеры ядра и пангенома были оценены для нескольких штаммов бактерий. В 2012 году количество основных семейств генов составляло около 3000. Однако к 2015 году, когда количество доступных геномов увеличилось более чем в десять раз, пангеном также увеличился. Существует примерно положительная корреляция между количеством добавленных геномов и ростом пангенома. С другой стороны, основной геном остается неизменным с 2012 года. В настоящее время пангеном E. coli состоит из примерно 90 000 семейств генов. Около одной трети из них существует только в одном геноме. Однако многие из них являются просто фрагментами генов и результатом ошибок вызова. Тем не менее, вероятно, существует более 60 000 уникальных семейств генов у E. coli.
Бактерии теряют большое количество генов при переходе от свободноживущей или факультативно паразитической жизни циклы к постоянной жизни, зависящей от хозяина. В нижней части шкалы размеров бактериального генома находятся микоплазмы и родственные им бактерии. Ранние молекулярно-филогенетические исследования показали, что микоплазмы представляют собой эволюционно производное состояние, вопреки предшествующим гипотезам. Более того, теперь известно, что микоплазмы - это лишь один из примеров сокращения генома у бактерий, обязательно связанных с хозяином. Другими примерами являются Rickettsia, Buchnera aphidicola и Borrelia burgdorferi.
Малый размер генома у таких видов связан с некоторыми особенностями, такими как быстрая эволюция полипептидных последовательностей и низкое содержание GC в геноме.. Конвергентная эволюция этих качеств у неродственных бактерий предполагает, что облигатная ассоциация с хозяином способствует сокращению генома.
Учитывая, что более 80% почти всех полностью секвенированных бактериальных геномов состоят из интактных ORF, и эта длина гена почти постоянна и составляет ~ 1 kb на ген, предполагается, что небольшие геномы обладают небольшими метаболическими возможностями. В то время как свободноживущие бактерии, такие как E. coli, виды Salmonella или Bacillus, обычно содержат от 1500 до 6000 белков, закодированных в их ДНК, у облигатно-патогенных бактерий часто бывает всего от 500 до 1000 таких белков.
Одно из возможных объяснений состоит в том, что сокращенные геномы поддерживают гены, необходимые для жизненно важных процессов, относящихся к клеточному росту и репликации, в дополнение к тем генам, которые необходимы для выживания в бактериях экологическая ниша. Однако данные о последовательности противоречат этой гипотезе. Набор универсальных ортологов среди эубактерий составляет всего 15% каждого генома. Таким образом, каждая родословная пошла своим эволюционным путем к уменьшению размеров. Поскольку универсальные клеточные процессы требуют более 80 генов, вариации в генах подразумевают, что те же функции могут быть достигнуты путем использования негомологичных генов.
Бактерии, зависимые от хозяина, способны обеспечить множество соединений, необходимых для метаболизма из цитоплазмы или ткани хозяина. Они, в свою очередь, могут отказаться от собственных биосинтетических путей и связанных с ними генов. Это удаление объясняет многие специфические потери генов. Например, вид Rickettsia, который полагается на определенный энергетический субстрат от своего хозяина, потерял многие из своих природных генов метаболизма энергии. Точно так же большинство небольших геномов утратили свои аминокислотные биосинтезирующие гены, поскольку вместо этого они находятся в организме хозяина. Единственным исключением является Buchnera, симбионт тлей, передающийся по материнской линии. Он сохраняет 54 гена для биосинтеза важнейших аминокислот, но больше не имеет путей для тех аминокислот, которые может синтезировать хозяин. Пути биосинтеза нуклеотидов исчезли из многих редуцированных геномов. Те анаболические пути, которые развились в результате адаптации ниши, остаются в определенных геномах.
Гипотеза о том, что неиспользуемые гены в конечном итоге удаляются, не объясняет, почему многие из удаленных генов действительно остаются полезными для облигатных патогенов. Например, многие исключенные гены кодируют продукты, которые участвуют в универсальных клеточных процессах, включая репликацию, транскрипцию и трансляцию. Даже гены, поддерживающие рекомбинацию ДНК и репарацию, удаляются из каждого небольшого генома. Кроме того, небольшие геномы содержат меньше тРНК, используя одну для нескольких аминокислот. Таким образом, один кодон соединяется с несколькими кодонами, что, вероятно, дает неоптимальный механизм трансляции. Неизвестно, почему облигатные внутриклеточные патогены выиграют от сохранения меньшего количества тРНК и меньшего количества ферментов репарации ДНК.
Еще один фактор, который следует учитывать, - это изменение популяции, которое соответствует эволюции к облигатно-патогенной жизни. Такой сдвиг в образе жизни часто приводит к сокращению размера генетической популяции линии, поскольку необходимо занять ограниченное число хозяев. Этот генетический дрейф может привести к фиксации мутаций, которые инактивируют полезные в других отношениях гены, или иным образом может снизить эффективность генных продуктов. Следовательно, будут потеряны не только бесполезные гены (поскольку мутации нарушат их, как только бактерии станут зависимыми от хозяина), но и полезные гены могут быть потеряны, если генетический дрейф вызовет неэффективный очищающий отбор.
Число универсально поддерживаемых генов является маленьким и неадекватным для независимого клеточного роста и репликации, так что виды с небольшим геномом должны достигать таких достижений с помощью различных генов. Частично это происходит за счет замещения неортологичного гена. То есть роль одного гена заменяется другим геном, который выполняет ту же функцию. Избыточность в пределах предкового, более крупного генома устраняется. Содержание малого генома потомка зависит от содержания хромосомных делеций, возникающих на ранних стадиях редукции генома.
Очень маленький геном M. genitalium обладает незаменимыми генами. В исследовании, в котором были инактивированы отдельные гены этого организма, по крайней мере, 129 из 484 его ORG не требовались для роста. Таким образом, возможен геном гораздо меньшего размера, чем у M. genitalium.
Согласно одной теории, у бактерий геномы меньшего размера из-за избирательного давления на размер генома для обеспечения более быстрой репликации. Теория основана на логической предпосылке, что для репликации меньшего бактериального генома потребуется меньше времени. Впоследствии будут отбираться преимущественно меньшие геномы из-за повышенной приспособленности. Исследование, проведенное Mira et al. указывает на незначительную корреляцию или ее отсутствие между размером генома и временем удвоения. Данные указывают на то, что отбор не является подходящим объяснением малых размеров бактериальных геномов. Тем не менее, многие исследователи полагают, что на бактерии оказывается избирательное давление, направленное на поддержание небольшого размера генома.
Отбор - всего лишь один из процессов эволюции. Два других основных процесса (мутация и генетический дрейф ) могут объяснять размеры генома различных типов бактерий. Исследование, проведенное Mira et al. исследовали размер вставок и делеций в бактериальных псевдогенах. Результаты показали, что мутационные делеции, как правило, больше, чем вставки в бактериях в отсутствие переноса гена или дупликации гена. Вставки, вызванные горизонтальным или латеральным переносом гена и дупликацией гена, как правило, связаны с переносом большого количества генетического материала. Предполагая отсутствие этих процессов, геномы будут иметь тенденцию уменьшаться в размерах при отсутствии селективных ограничений. Доказательства делеционного смещения присутствуют в соответствующих размерах генома свободноживущих бактерий, факультативных и недавно появившихся паразитов и облигатных паразитов и симбионтов.
Свободноживущих бактерий как правило, имеют большую популяцию и имеют больше возможностей для передачи генов. Таким образом, отбор может эффективно воздействовать на свободноживущие бактерии для удаления вредных последовательностей, что приводит к относительно небольшому количеству псевдогенов. Постоянно усиливается давление отбора, поскольку свободноживущие бактерии должны производить все генные продукты независимо от хозяина. Учитывая, что существует достаточная возможность для переноса генов и существует селективное давление против даже слегка вредных делеций, интуитивно понятно, что свободноживущие бактерии должны иметь самые большие бактериальные геномы среди всех типов бактерий.
Недавно образовавшиеся паразиты испытывают серьезные затруднения и могут полагаться на среду хозяина для обеспечения генных продуктов. Таким образом, у недавно образованных и факультативных паразитов происходит накопление псевдогенов и мобильных элементов из-за отсутствия избирательного давления против делеций. Узкие места в популяции сокращают перенос генов, и, как таковая, делеционная ошибка обеспечивает уменьшение размера генома у паразитических бактерий.
Обязательные паразиты и симбионты имеют наименьший размер генома из-за длительного действия делеционной ошибки. Паразиты, которые эволюционировали и заняли определенные ниши, не подвергаются значительному избирательному давлению. Таким образом, генетический дрейф доминирует в эволюции нишевых бактерий. Длительная подверженность делеционному смещению обеспечивает удаление большинства лишних последовательностей. Симбионты встречаются в значительно меньших количествах и подвергаются наиболее серьезным узким местам среди бактерий любого типа. Для эндосимбиотических бактерий практически отсутствует возможность переноса генов, и поэтому сжатие генома может быть чрезмерным. Один из самых маленьких бактериальных геномов, когда-либо секвенированных, - это геном эндосимбионта Carsonella rudii. Геном Carsonella размером 160 kbp является одним из наиболее оптимизированных примеров генома, исследованных на сегодняшний день.
Молекулярная филогенетика показала, что каждая кладка бактерий с размером генома менее 2 МБ произошла от предков с гораздо более крупными геномами, тем самым опровергая гипотезу о том, что бактерии эволюционировали путем последовательного удвоения мелкогеномные предки. Недавние исследования, проведенные Nilsson et al. исследовали скорость уменьшения бактериального генома облигатных бактерий. Бактерии культивировали, вводя частые узкие места и растущие клетки в последовательном пассаже, чтобы уменьшить перенос генов, чтобы имитировать условия эндосимбиотических бактерий. Эти данные предсказывали, что бактерии, у которых время генерации составляет один день, теряют до 1000 кбп всего за 50 000 лет (относительно короткий период эволюции). Кроме того, после удаления генов, необходимых для системы репарации ошибочного спаривания ДНК , направленной метилом (MMR), было показано, что уменьшение размера бактериального генома увеличивалось по скорости в 50 раз. Эти результаты показывают, что уменьшение размера генома может происходить относительно быстро, а потеря определенных генов может ускорить процесс уплотнения бактериального генома.
Это не означает, что все бактериальные геномы уменьшаются в размерах и сложности. Хотя многие типы бактерий уменьшили размер генома по сравнению с предковыми состояниями, все еще существует огромное количество бактерий, которые сохранили или увеличили размер генома по сравнению с предковыми состояниями. Свободноживущие бактерии имеют огромные размеры популяции, быстрое время генерации и относительно высокий потенциал для переноса генов. В то время как делеционное смещение имеет тенденцию удалять ненужные последовательности, отбор может существенно действовать среди свободноживущих бактерий, приводя к эволюции новых генов и процессов.
В отличие от эукариот, которые развиваются в основном за счет модификации существующей генетической информации, бактерии приобрели значительную часть своего генетического разнообразия за счет горизонтального переноса генов. Это создает довольно динамичные геномы, в которых ДНК может быть введена в хромосому и удалена из нее.
Бактерии имеют больше вариаций в своих метаболических свойствах, клеточных структурах и образе жизни, чем могут быть объяснены только точечными мутациями. Например, ни один из фенотипических признаков, отличающих E. coli от Salmonella enterica, не может быть отнесен к точечной мутации. Напротив, данные свидетельствуют о том, что горизонтальный перенос генов способствовал диверсификации и видообразованию многих бактерий.
Горизонтальный перенос генов часто обнаруживается с помощью информации о последовательности ДНК. Сегменты ДНК, полученные с помощью этого механизма, часто обнаруживают узкое филогенетическое распределение между родственными видами. Более того, эти области иногда демонстрируют неожиданный уровень сходства с генами из таксонов, которые, как предполагается, весьма расходятся.
Хотя сравнение генов и филогенетические исследования полезны при исследовании горизонтального переноса генов, последовательности ДНК генов даже более разоблачающие их происхождение и происхождение в пределах генома. Виды бактерий широко различаются по общему содержанию GC, хотя гены в геноме любого вида примерно идентичны в отношении основного состава, характера использования кодонов и частот ди- и тринуклеотидов. В результате последовательности, полученные путем латерального переноса, можно идентифицировать по их характеристикам, которые остаются характеристиками донора. Например, многие из генов S. enterica, которые не присутствуют в E. coli, имеют базовый состав, который отличается от общего 52% содержания GC во всей хромосоме. Внутри этого вида некоторые линии имеют больше, чем мегабазу ДНК, которой нет в других линиях. Базовые композиции этих клон-специфичных последовательностей подразумевают, что по крайней мере половина этих последовательностей была захвачена посредством латерального переноса. Кроме того, области, прилегающие к горизонтально полученным генам, часто имеют остатки перемещаемых элементов, источники переноса плазмид или известные сайты прикрепления фаговых интеграз.
У некоторых видов большая часть переносимых латерально гены происходят из последовательностей, связанных с плазмидой, фагом - или транспозоном.
Хотя методы, основанные на последовательностях, показывают преобладание горизонтального переноса генов у бактерий, результаты имеют тенденцию недооценивать масштабы этого механизма, поскольку последовательности, полученные от доноров, чьи характеристики последовательности аналогичны характеристикам реципиента, не будут обнаружены.
Сравнение полностью секвенированных геномов подтверждает, что бактериальные хромосомы являются смесью предковых и латерально приобретенные последовательности. Гипертермофильные Eubacteria Aquifex aeolicus и Thermotoga maritima имеют много генов, сходных по последовательности белков с гомологами термофильных архей. 24% из 1877 ORF у Thermotoga и 16% из 1512 ORF у Aquifex показывают высокие соответствия с белком архей, в то время как мезофилы, такие как E. coli и B. subtilis, имеют гораздо меньшие пропорции генов, которые больше всего похожи на гомологи архей.
Возникновение новых способностей за счет горизонтального переноса генов требует трех требований. Во-первых, должен существовать возможный путь, по которому донорская ДНК будет принята клеткой-реципиентом. Дополнительно полученная последовательность должна быть интегрирована с остальной частью генома. Наконец, эти интегрированные гены должны приносить пользу бактериальному организму-реципиенту. Первые два шага могут быть выполнены с помощью трех механизмов: трансформации, трансдукции и конъюгации.
Трансформация включает поглощение названной ДНК из окружающей среды. Через трансформацию ДНК может передаваться между отдаленно родственными организмами. Некоторые виды бактерий, такие как Haemophilus influenzae и Neisseria gonorrhoeae, постоянно способны принимать ДНК. Другие виды, такие как Bacillus subtilis и Streptococcus pneumoniae, становятся компетентными, когда они вступают в определенную фазу своего жизненного цикла.
Трансформация N. gonorrhoeae и H. influenzae эффективна только в том случае, если в геномах реципиента обнаружены определенные последовательности узнавания (5'-GCCGTCTGAA-3 'и 5'-AAGTGCGGT-3' соответственно). Хотя наличие определенных последовательностей поглощения улучшает способность к трансформации между родственными видами, многие из изначально компетентных видов бактерий, такие как B. subtilis и S. pneumoniae, не проявляют предпочтения последовательности.
Новые гены могут быть введены в бактерии бактериофагом, который реплицировался у донора посредством генерализованной трансдукции или специализированной трансдукции. Количество ДНК, которое может быть передано за одно событие, ограничено размером фагового капсида (хотя верхний предел составляет около 100 килобаз). Хотя фаги многочисленны в окружающей среде, диапазон микроорганизмов, которые могут быть трансдуцированы, зависит от распознавания рецептора бактериофагом. Трансдукция не требует одновременного присутствия клеток-доноров и реципиентов во времени и пространстве. Белки, кодируемые фагами, опосредуют перенос ДНК в цитоплазму реципиента и способствуют интеграции ДНК в хромосому.
Конъюгация включает физический контакт между донорскими и реципиентными клетками и способна опосредовать перенос генов между доменами, например как между бактериями и дрожжами. ДНК передается от донора к реципиенту либо самопередаваемой, либо подвижной плазмидой. Конъюгация может опосредовать перенос хромосомных последовательностей плазмидами, которые интегрируются в хромосому.
Несмотря на множество механизмов, опосредующих перенос генов между бактериями, успех процесса не гарантируется, если полученная последовательность стабильно сохраняется в реципиенте. Интеграция ДНК может поддерживаться одним из многих процессов. Один из них - персистенция в виде эписомы, другой - гомологичная рекомбинация, а третий - незаконное включение посредством удачной репарации двухцепочечных разрывов.
Устойчивость к противомикробным препаратам обеспечивают организм способность развивать свою экологическую нишу, поскольку теперь она может выжить в присутствии ранее смертельных соединений. Поскольку выгода для бактерии, получаемая от получения таких генов, не зависит от времени и пространства, выбираются те последовательности, которые являются очень мобильными. Плазмиды достаточно подвижны между таксонами и являются наиболее частым способом приобретения бактериями генов устойчивости к антибиотикам.
Принятие патогенного образа жизни часто приводит к коренному сдвигу в экологической нише организма. Неустойчивое филогенетическое распределение патогенных организмов подразумевает, что бактериальная вирулентность является следствием наличия или получения генов, которые отсутствуют в авирулентных формах. Доказательства этого включают открытие больших плазмид «вирулентности» у патогенных Shigella и Yersinia, а также способность придавать патогенные свойства E. coli посредством экспериментального воздействия генов других видов.
В апреле 2019 года ученые из ETH Zurich сообщили о создании первого в мире бактериального генома, названного Caulobacter ethensis-2.0, полностью созданного компьютером, хотя родственная жизнеспособная форма C. ethensis-2.0 еще не существует.
