Мини-обзор генома бактерии Borrelia parkeri HR1

Borrelia parkeri - патогенная бактерия рода Borrelia и типа Spirochaetota. Настоящая систематика представлена в Таблице 1.Является возбудителем возвратного тифа [1].

Интерес к изучению Borrelia parkeri вызывает её патогенный характер. На данный момент, резервуарами для возвратного тифа служат клещи семейства Argasidae [1], распространенные в Средней Азии, Казахстане, Крыму, Кавказе, Молдове [2]. Кроме того, переносчиками заболевания могут служить Pediculus humanus capitis и Pediculus humanus humanus, в связи с чем, их распространенность может быть увеличена и может носить эпидемиологический характер [1]. Изучение патогена может помочь эффективнее справляться с заболеванием.

Известен факт эпидемии возвратного тифа на территории СССР в 1941-1947 годах [3]. Эпидемия была ликвидирована стабилизацией ситуации в стране, улучшением экономических и бытовых условий, а также распространением антибиотиков.

С ростом резистентности к антибиотикам у представителей рода Borrelia [4] и их большой распространенностью, целесообразным является изучение геномов их представителей для сбора информации о их генетической организации и  разработки новых средств борьбы с патогенами.

Таблица 1. Таксономия штамма HR1 Borrelia parkeri на 2023 год, согласно данным NCBI. [5]

Систематическая группа

Наименование

Тип

Spirochaetota

Класс

Spirochaeta

Отряд

Spirochaetales

Семейство

Borreliaceae

Род

Borrelia

Вид

Borrelia parkeri

Был использован полный геном Borrelia parkeri HR1 CP007022.1. Анализ данных был произведен методами функционала электронных таблиц Google sheets, средствами Bash и NCBI [16].

У нашей сборки генома мы обнаружили два класса последовательностей и соответствующие им CDS и последовательности mRNA и tRNA. Результаты представлены в Таблице 2. Первый представляет из себя собственно линейную хромосому, вторая же - не локализованные скаффолды линейной плазмиды lp150. Подобная сегментация генома распространена не только у Borrelia parkeri, но, судя по всему, возникла давно и широко распространена среди рода Borrelia. С высокой долей вероятности эта и аналогичные плазмиды являются профагами.[7]

Таблица 2. Данные о последовательности [16]

Геномная принад- лежность

Тип послед-ти

Название хр-мы

Кодирующие послед-ти

нкРНК

рРНК

тРНК

тмРНК

NZ_

CP007022.1

Хромосома

Неназвана

832

2

3

32

1

NZ_

CP007036.1

Нелокал-ый скаффолд плазмиды

lp150

114

0

0

0

0

С задаче изучить природу плазмиды мы провели дополнительный поиск в NCBI инструментом blastn, по последовательностям PBSX family phage terminase large subunit, BlyB и BlyA family proteins. Однако, поиск не показал наличие родственных фаговых последовательностей.

Продолжая поиски возможного предка плазмиды, мы провели множественные выравнивания и филогенетический анализ скаффолдов плазмиды lp150. Результаты показали, что скаффолды плазмиды lp150 характерны родственным для Borrelia parkeri видам в рамках рода Borrelia (Borrelia turicatae, Borrelia hermsii, Borrelia miyamotoi). Филогенетическое древо по lp150 приложено в рисунке 1 сопроводительные материалы. 

Дальнейший филогенетический анализ позволил выявить базальную ветвь эволюции данной плазмиды: Borreliella tachiglossi (еще не была кольтивируема) для max seq.difference <0,75 и Borrelia burgdorferi для max seq.difference >0,75. Тем самым мы можем сказать, что подобная организация генома характерна, как минимум, ветви рода Borrelia патогенных бактерий, для ветви “Возбудителей болезни Лайма”.

Пользуясь известными аннотациями и исследованиями по известным последовательностям скаффолдов lp150, мы подтвердили профаговую природу плазмиды. Чему свидетельствуют последовательности, характерные фагам (такие как PBSX family phage terminase large subunit), факторы патогенности (такие как CRASP lipoprotein) и некоторые жизненно важные белки (на пример Ribonucleoside- diphosphate reductase). Однако большая часть последовательностей представляют из себя DUF (18 штук) или не имеют известной функции. Дополнительная информация о изученных последовательностях находится в таблице 1 сопроводительных материалов.. Основная плазмида же является носителем генов домашнего хозяйства, патогенности (характерных в общем для группы Borrelia и выше) и т.д..

Средствами Google sheets мы провели измерение количества белковых последовательностей различной длины и представили распределение на рисунке 1.

Рис. 1. Распределение длин аминокислотных последовательностей [16].

Рис. 2. Распределение длин некодирующих участков [16].

Средствами Google sheets мы провели измерение длин некодирующих участков между CDS и представили распределение на рисунке 2.

Можно заметить, что сравнительно небольших межгенных промежутков, от 1 и до 100 нуклеотидов, больше чем любой другой группы промежутков. Однако не мало и последовательностей длины больше 1000 и 10000 п.н.. Данные последовательности могут служить регуляторными участками.

Кроме того, из приведенных ниже аналогичных результатов анализа, мы можем сделать вывод, что гигантских межгенных расстояний пропорционально больше в lp150, чем в основной плазмиде. Как показано на рисунках 3 и 4.

Мы считаем, что для выяснения причин этого необходимо провести дополнительный анализ.

Рис. 3. Распределение длин некодирующих участков для lp150 [16].

Рис. 4. Распределение длин некодирующих участков для хромосомы [16].

[1] Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

[2] Филиппова Н. А., Аргасовые клещи (Argasidae), М. — Л., 1966 (Фауна СССР. Паукообразные, т. 4, в. 3).

[3] Прохоров Б. Б., Горшкова И. В. Кризисы общественного здоровья в России и СССР в XX веке //Мир России. Социология. Этнология. – 1999. – Т. 8. – №. 4. – С. 125-137.

[4] Elias A. F. et al. New antibiotic resistance cassettes suitable for genetic studies in Borrelia burgdorferi //Microbial Physiology. – 2003. – Т. 6. – №. 1. – С. 29-40

[5] NCBI Borrelia taxonomy.

[6] Pastor-Cantizano N. et al. p24 family proteins: key players in the regulation of trafficking along the secretory pathway //Protoplasma. – 2016. – Т. 253. – С. 967-985.

[7] Stewart P. E., Chaconas G., Rosa P. Conservation of plasmid maintenance functions between linear and circular plasmids in Borrelia burgdorferi //Journal of bacteriology. – 2003. – Т. 185. – №. 10. – С. 3202-3209.

[8] Heming J. D. et al. Isolation and characterization of the herpes simplex virus 1 terminase complex //Journal of virology. – 2014. – Т. 88. – №. 1. – С. 225-236.

[9] Stewart P. E., Chaconas G., Rosa P. Conservation of plasmid maintenance functions between linear and circular plasmids in Borrelia burgdorferi //Journal of bacteriology. – 2003. – Т. 185. – №. 10. – С. 3202-3209.

[10] Bykowski T. et al. Coordinated expression of Borrelia burgdorferi complement regulator-acquiring surface proteins during the Lyme disease spirochete's mammal-tick infection cycle //Infection and immunity. – 2007. – Т. 75. – №. 9. – С. 4227-4236.

[11] Lee P. S., Grossman A. D. The chromosome partitioning proteins Soj (ParA) and Spo0J (ParB) contribute to accurate chromosome partitioning, separation of replicated sister origins, and regulation of replication initiation in Bacillus subtilis //Molecular microbiology. – 2006. – Т. 60. – №. 4. – С. 853-869.

[12] Damman C. J. et al. Characterization of Borrelia burgdorferi BlyA and BlyB proteins: a prophage-encoded holin-like system //Journal of bacteriology.– 2000. – Т. 182. – №23. 5. – С. 6791-6797.

[13] Gilmore Jr R. D. et al. The bba64 gene of Borrelia burgdorferi, the Lyme disease agent, is critical for mammalian infection via tick bite transmission //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2010. – Т. 107. – №16. 5. – С. 7515-7520.

[14] Fikrig E. et al. Borrelia burgdorferi P35 and P37 proteins, expressed in vivo, elicit protective immunity //Immunity. – 1997. – Т. 6. – №. 5. – С. 531-539.

[15] Zückert W. R., Meyer J., Barbour A. G. Comparative analysis and immunological characterization of the Borrelia Bdr protein family //Infection and immunity. – 1999. – Т. 67. – №. 7. – С. 3257-3266.

[16] Электронная таблица данных

Таблица 1. Функции CDS плазмиды lp150

Продукт кодирующие последовальностей Функция транслируемого продукта
p23 protein Вовлечен в биогенез COPI и COPII-покрытых везикул, транспортировку мембраносвязанных белков через секреторную систему, формирование структуры эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи [6].
Plasmid maintenance protein Судя по всему, участвует в поддержании и авторепликации плазмид [7].
PBSX family phage terminase large subunit Является большой субъединицы фаговой терминазы. Терминаза участвует в расщеплении контамерных фаговых ДНК до фрагментов длиной в один повтор [8].
ParA family protein Необходим для разделения плазмид, обеспечивая правильное распределение вновь реплицированных плазмид по дочерним клеткам во время клеточного деления.
FAD-dependent thymidylate synthase Катализирует образование dTMP и тетрагидрофолата из dUMP и метилентетрагидрофолата, используя флавиновый кофермент в качестве источника восстановительных эквивалентов, получаемых из NADPH.
CRASP lipoprotein Связывает регуляторы системы комплемента хозяина с внешней поверхностью спирохеты. Благодаря чему бактерия остается незамеченной первичным иммунитетом хозяина [10].
Ribonucleoside- diphosphate reductase Образование дезоксирибонуклеотидов из рибонуклеотидов.
Chromosome partitioning protein Способствует точному разделению хромосом и плазмид [11].
BlyB и BlyA family proteins Формируют систему холинов (небольшие мембранные белки, контролирующие процесс лизиса клетки, формирования отверстий в клетке) [12].
Bdr family repetitive protein Предполагается, что направляют иммунный ответ в сторону менее защитной Т-клеточно-независимой активации В-клеток [15].
p35 borrelia protein Функция неясна, однако его экспрессия индуцируется во время кормления клеща-вектора и поддерживается на протяжении всего периода инфекции позвоночного хозяина [13] [14].

Рис. 1. Филогенетическое дерево построенное по последовательности lp150, построенное встроенными инструментами BLAST методом максимальной парсимонии.