Мини-обзор по сульфатвосстанавливающей бактерии
Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

Автор: Савкина Анастасия

Аффилиация: Факультет биоинженерии и биоинформатики, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Аннотация

В данном мини-обзоре представлен биоинформатический анализ кодирующих последовательностей (CDS) генома модельной сульфатвосстанавливающей бактерии Desulfovibrio vulgaris штамм Hildenborough. На основе данных генома рассчитаны длины белков, построена их гистограмма распределения, проанализирован GC-состав CDS и проведено распределение генов по репликонам.

Введение

До появления свободного кислорода в атмосфере на Земле существовала жизнь, освоившая альтернативные пути дыхания. Одним из древнейших среди них является восстановление сульфатов. Прямыми наследниками и современными представителями этого метаболического пути служат сульфатредуцирующие бактерии (СРБ), к которым относится Desulfovibrio vulgaris штамм Hildenborough (модельный объект исследования, имеющий современное таксономическое название — Nitratidesulfovibrio vulgaris) и которые формируют древнюю физиологическую группу. Геохимические данные свидетельствуют, что процесс бактериальной сульфатредукции существовал уже ~3.5 миллиарда лет назад [1].

Для детального изучения молекулярных механизмов этого древнего процесса в современной науке используют модельные, хорошо охарактеризованные микроорганизмы. Таким ключевым объектом стала сульфатредуцирующая бактерия Desulfovibrio vulgaris штамм Hildenborough. Фундаментальным прорывом в её исследовании явилось полное секвенирование генома, выполненное в 2004 году [2]. Наличие полной геномной последовательности позволило перейти от физиологических наблюдений к системному анализу работы генов, белков и метаболических путей, ответственных за сульфатное дыхание.

Например, удалось выяснить, что Desulfovibrio vulgaris штамм Hildenborough обладает удивительной для анаэробной бактерии устойчивостью к кислороду. Она может переживать его кратковременное воздействие за счёт эффективной системы антиоксидантной защиты, что позволяет ей осваивать среды с нестабильными условиями, например, верхние слои осадков [3]. Кроме устойчивости к кислороду, изучение D. vulgaris Hildenborough выявило её замечательную метаболическую пластичность. В отсутствие сульфата бактерия способна к синтрофному росту, образуя взаимовыгодные ассоциации с другими микробами, например, метаногенными археями. В этом случае она осуществляет окисление лактата до ацетата с образованием углекислого газа и водорода. Эта реакция энергетически невыгодна для D. vulgaris в одиночку, однако становится возможной благодаря тому, что партнер-метаноген немедленно потребляет водород, поддерживая его чрезвычайно низкую концентрацию в среде [4]. Таким образом, Desulfovibrio vulgaris Hildenborough — идеальная модель для изучения основ анаэробной жизни и адаптаций микроорганизмов.

Таксономия [5]

Материалы и методы

Данные по геному бактерии Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough были взяты из следующих файлов:

Файлы взяты из базы данных NCBI. С указанными файлами можно ознакомиться в сопроводительных материалах (пункт 1).

Для построения длин белков использованы методы гугл-таблиц. С использованными методами можно ознакомиться в сопроводительных материалах (пункт 2).

Для построения распределения GC% по CDS (Coding DNA Sequence) использованы методы гугл-таблиц. С использованными методами можно ознакомиться в сопроводительных материалах (пункт 3).

Для распределения генов по репликонам составлена сводная таблица по имеющимся данным с помощью методов гугл-таблиц. С использованными методами можно ознакомиться в сопроводительных материалах (пункт 4).

Для построения круговой диаграммы распределения генетических элементов на плазмиде бактерии использованы методы гугл-таблиц. С использованными методами можно ознакомиться в сопроводительных материалах (пункт 5).

Результаты
1. Длины белков, закодированных в геноме бактерии Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

По оси абсцисс отложены длины белков (в аминокислотных остатках), по оси ординат — количество длин белков, попадающих в каждый карман.

Гистограмма распределения длин белков
Рис. 1. Гистограмма распределения длин белков (в аминокислотных остатках), закодированных в геноме бактерии Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

Из представленной гистограммы видно, что большинство белков имеют длину от 50 до 600 аминокислотных остатков, что свидетельствует о том, что они состоят из небольшого количества структурных доменов, либо существуют в виде мономеров. Это является типичной чертой организации бактериальных протеомов.

2. Исследование вариабельности GC% в CDS Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough
Распределение GC-состава по кодирующим последовательностям
Рис. 2. Гистограмма GC% по CDS бактерии Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

На гистограмме показано, как меняется содержание гуанина (G) и цитозина (C) в генах бактерии. Больше всего генов имеют GC-состав от 60% до 65%. Это совпадает со средним значением для всего генома этой бактерии (63%). Генов с очень низким (55%) или с очень высоким (70%) содержанием GC практически нет, что является типичным для бактерий данного вида (гены данной бактерии однородны по составу).

3. Распределение генов разных типов по репликонам генома Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

Геном Desulfovibrio vulgaris штамма Hildenborough демонстрирует чёткое разделение функций:

Таким образом, плазмиды этого штамма служат компактными переносчиками специализированных белковых функций, в то время как хромосома обеспечивает все фундаментальные процессы жизнедеятельности.

Таблица 1. Число генов различных типов по репликонам бактерии Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

Тип гена chromosome plasmid Grand Total
protein_coding30841533237
pseudogene11213
rRNA16016
tmRNA101
tRNA67067
Grand Total31791553334

Наличие 67 генов тРНК, что превышает теоретически необходимое количество (достаточное для распознавания всех 64 кодонов), не означает нарушение принципов генетического кода, а свидетельствует о возможной адаптации D. vulgaris к интенсивному синтезу белка в условиях ее специализированного анаэробного метаболизма. Вероятно, повышенная эффективность трансляции достигается за счет следующих механизмов: дупликации генов наиболее востребованных тРНК, оптимизации скорости синтеза белков в условиях стресса (например, колебания температуры, повышенной солености, кратковременного воздействия кислорода). Биологической основой для этих механизмов может служить наличие изоакцепторных тРНК (переносят одну и ту же аминокислоту, но узнают разные кодоны-синонимы), которые позволяют тонко регулировать и оптимизировать синтез специфических белков, критически важных для сульфатредукции и выживания в нестабильной среде.

4. Гипотеза о функции плазмиды бактерии Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

Для выявления функции плазмиды построим круговую диаграмму, наглядно отображающую состав ее генетических элементов.

Круговая диаграмма состава генетических элементов плазмиды
Рис. 3. Диаграмма распределения генетических элементов на плазмиде бактерии Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough

Примечание: 98,7% — гены, кодирующие белки (protein_coding); 1,3% — псевдогены (pseudogene). Гены стабильных РНК (rRNA, tRNA, tmRNA) на плазмиде не обнаружены.

На представленной выше диаграмме обнаруживаем, что 98,7% плазмиды приходится на гены, кодирующие белки (protein_coding); 1,3% — псевдогены (pseudogene). Отсутствие на плазмиде генов стабильных РНК делает её облигатно зависимой от хромосомы, которая предоставляет всю необходимую инфраструктуру для реализации генетической информации плазмиды.

Таким образом, проведенный визуальный анализ позволяет сформулировать предварительную гипотезу о функции плазмиды:

Гипотеза: Данная плазмида, вероятно, является специализированным адаптивным модулем (мобильный генетический элемент, несущий специализированный набор генов для решения конкретной задачи выживания в стрессовых условиях), возможно, обеспечивающим устойчивость к тяжелым металлам. Это объясняется:

  • Компактной организацией генов для конкретной функции (98,7% protein_coding);
  • Облигатной зависимостью от хромосомы, что характерно для плазмид, несущих дополнительные, но не основные для выживания гены;
  • Средой обитания D. vulgaris – анаэробными осадками и грунтовыми водами, которые часто обогащены солями тяжелых металлов, где резистентность к ним является критическим фактором выживания.

Направления для проверки гипотезы:

Сопроводительные материалы Список литературы
  1. Shen Y., Buick R., Canfield D.E. (2001). Isotopic evidence for microbial sulphate reduction in the early Archaean era. Nature, 410(6824), 77-81. Ссылка
  2. Heidelberg J.F., Seshadri R., Haveman S.A. et al. (2004). The genome sequence of the anaerobic, sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio vulgaris Hildenborough. Nature Biotechnology, 22(5), 554–559. Ссылка
  3. Fournier M., Zhang Y., Wildschut J.D. et al. (2006). Response of the anaerobic bacterium Desulfovibrio vulgaris Hildenborough to oxidative stress: transcriptomic and proteomic analyses. Journal of Bacteriology, 188(12), 4208–4218. Ссылка
  4. Walker C.B., He Z., Yang Z.K., Ringbauer J.A., He Q., Zhou J., Wall J.D. (2009). The electron transfer system of syntrophically grown Desulfovibrio vulgaris. Journal of Bacteriology, 191(18), 5793-5801. Ссылка
  5. NCBI Taxonomy Browser. Nitratidesulfovibrio vulgaris str. Hildenborough. Ссылка