Практикум №12

Выполнен Малышевым Андреем Дмитриевичем (1 курс, 2021)

Задание 1.

Как можно видеть из таблицы, составленной на основе работы программы и поиска описаний генов с необычными стартовыми кодонами, у бактерий, помимо стандартного и наиболее распространённого кодона AUG, кодирующего метионин, встречаются и другие варианты. Многие кодоны встречаются всего по несколько раз, и чаще всего с них начинаются псевдогены, в которых первый кодон может легко меняться в результате мутаций без каких-либо последствий для организма. Хотя кодоны ATT и CTG чаще всего встречаются в белках, признанных полноценными. Отдельно стоит рассматривать кодоны GTG и TTG, которые встречаются значительно чаще остальных, но всё же на порядок реже, чем ATG. Доподлинно известно, что у бактерий, архей и растений эти кодоны встречаются довольно часто, и с них могут начинаться несколько процентов всех кодирующих белок последовательностей, поэтому генетический код в этих группах рассматривается отдельно от стандартного (сайт с перечнем вариантов генетического кода, на котором бактериальному присвоен №11): https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi?mode=c#SG11

Есть статьи, указывающие на то, что такие варианты кодонов могут использоваться в жизненно важных генах, связанных с транскрипцией, трансляцией и репликацией, что может служить механизмом дополнительной регуляции их экспрессии, что может быть важно в случае голодания: https://www.researchgate.net/publication/343877260_Genes_Preferring_Non-AUG_Start_Codons_in_Bacteria

Задание 2.

Задание 3.

У Candidatus Gracilibacteria bacterium 28_42_T64 используется генетический код №25 со странички с перечнем вариантов генетического кода: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi?mode=c#SG25. Стоп-кодон TGA у этой бактерии кодирует глицин: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3619370/. И только в одном псевдогене (molecular chaperone DnaJ) он замыкает кодирующую белок последовательность.

У Mycoplasma pneumoniae M29 используется генетический код №4 со странички с перечнем вариантов генетического кода: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi?mode=c#SG4. В маленьком геноме этой паразитической бактерии (857799 bp) стоп-кодон TGA кодирует триптофан: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7691196/

Таким образом, редкое использование определённых стоп-кодонов говорит об изменениях в генетическом коде.

Задание 4.

Насколько мне известно, частоты использования разных кодонов для одной и той же аминокислоты зависят от того, какие последствия будут у однонуклеотидных замен в этих кодонах. С точки зрения химии, разные нуклеотиды имеют разную способность превращаться в ходе химических преобразований в другие. При ошибках и неточностях в работе систем репарации происходят мутации, которые могут оказаться синонимичными или нет. При синонимичной замене аминокислота в белке не изменится. Таким образом, различия в частотах между разными видами бактерий могут быть отчасти объяснены различиями в генетическом коде, а внутри одного генома - химическими свойствами нуклеотидов, хотя я бы сказал, что здесь всё-таки наиболее значительную роль играет эволюционная история организмов и фактор случайности. И, конечно, здесь важно понимать, что при связывании тРНК с мРНК в ходе трансляции часто наиболее важны только два первых основания кодона, а третье называют качающимся, поскольку существуют тРНК, способные связываться сразу с несколькими кодонами, которые отличаются только третьим основанием (Основы биохимии Ленинджера, том 3, стр. 174-175).

Задание 5.

По ссылке можно найти таблицу, полученную при работе программы и график GC-skew cumulative, построенный на её основе:

Гиперссылка: https://docs.google.com/spreadsheets/d/1G21fXfpTm8B1Yi70FEFrcmhAlGzIXS-kqR3BQ79qKWw/edit?usp=sharing

Минимуму GC-skew cumulative соответствует ориджин репликации, то место, где расплетаются цепи ДНК и на их основе начинают строиться комплементарные цепи во время процесса удвоения генетического материала перед делением бактериальной клетки. Минимум по результатам работы таблицы: 3868000..3872000, положение oriC по данным GenBank: 3925744..3925975. Максимум: 1511000..1516000. Если вспомнить, что хромосома бактерии кольцевая, и посчитать положение диаметрально противоположной точки для ориджина репликации, то окажется, что максимуму GC_skew cumulative соответствует точка, в которой встречаются две репликационные вилки и репликация заканчивается.

Задание 6.

Если проанализировать все последовательности из 6 нуклеотидов в отрезках длиной 20 нуклеотидов до кодирующих белок последовательностей, то получаются следующие результаты (в таблице приведены наиболее часто встречающиеся варианты):

Важно отметить, что если мы будем рассматривать только последовательности, содержащие комбинацию AGGA, то найдётся 1664 6-меров перед кодирующими белок последовательностями, притом общее число генов c белками у бактерии 4285. А для комбинации AGGAG это число составит 710, что тоже внушительно. Всё это указывает на наличие перед кодирующими последовательностями последовательностей Шайна-Дальгарно, имеющих консенсусный вид GGAGG (342 встречи). Эти последовательности нужны для связывания мРНК с 16S РНК в малой субъединице рибосомы при инициации трансляции: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32065583/