РЕЗЮМЕ

Обзор сводной информации о геноме некоторого организма является удобной формой представления некоторых аспектов организации генома в краткой форме. В данной работе приведен обзор генома Prevotella bryantii – вид бактерий, выделенный из рубца крупного рогатого скота. Данные, вошедшие в обзор, были обработаны при помощи методов электронных таблиц.

1. ВВЕДЕНИЕ

Prevotella bryantii - это вид облигатных анаэробных бактерий, найденных в рубце (переднем желудке) крупного рогатого скота и отделившийся от типового вида Prevotella ruminicola (ранее Bacteroides ruminicola) рода Prevotella. Благодаря исследованию Августина ^[1] , Г. с соавторами, проведенном в 1997 г. определилась современная классификация бактерии Prevotella bryantii. Она принадлежит семейству Prevotellaceae отряда Bacteroidales, который входит в класс Bacteroidia типа Bacteroidota домена Bacteria. В работе исследуются особенности генома данной бактерии, а именно: распределение длин белков, кодируемых CDS, зависимость количества последовательностей ДНК, кодирующих белки с определенной функцией, от среды обитания бактерии.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данной работе проанализирован геном Prevotella bryantii с идентификатором GCF_022024215.1_ASM2202421v1. Для обработки и визуализации данных была использована программа Google Sheets. Для составления сводных таблиц по конкретным темам на основе общей таблицы по геному был выбран ряд методов электронных таблиц, а именно функции: СЦЕПИТЬ, ДЛСТР, СЧЁТЕСЛИ, МАКС, МИН, ВПР; а также другие методы: транспонирование строк в столбцы и обратно, специальная вставка, распространение формул, вставка и форматирование гистограммы, сортировка и форматирование ячеек. Также для анализа частоты встречаемости разных функций белков, кодируемых CDS, были написаны соответствующие конвееры на Bash (Unix shell).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 РАЗМЕР И СОСТАВ ГЕНОМА

Общая длина генома Prevotella bryantii составляет 2 360 156 пар оснований. Геном бактерии состоит из 5653 кодирующего участка последовательности. Из них ровно 2826 генов, 2714 CDS (белок-кодирующих последовательностей), 82 tRNA (участков ДНК, кодирующих транспортную РНК), 27 rRNA (участков ДНК, кодирующих рибосомальную РНК), 2 ncRNA (участок ДНК, кодирующий некодирующую РНК, которая не транслируется в белок), 1 tmRNA (участок ДНК, кодирующий транспортно-матричную РНК). По всем данным, предоставленным выше, см. таблицу 1 сопроводительных материалов.

3.2 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН БЕЛКОВ, КОДИРУЕМЫХ CDS БАКТЕРИИ

Было исследовано распределение длин белков, кодируемых CDS, и составлена гистограмма длин белков, которая заключает в себе следующие данные (см. таблицу 2 сопроводительных материалов):

1. Максимальная длина белка (количество аминокислотных остатков): 4128
2. Минимальная длина белка: 29
3. Больше всего белков имеют длину в диапазоне от 170 до 220 а.о. Таких белков 291.

3.3 ВЗАИМОСВЯЗЬ КОЛИЧЕСТВА БЕЛКОВ С ОПРЕДЕЛЕННЫМИ ФУНКЦИЯМИ И СРЕДЫ ОБИТАНИЯ БАКТЕРИИ

Было проведено исследование взаимосвязи количества CDS, кодирующих белки с определёнными функциями, и средой обитания бактерии. Среди часто встречающихся белков помимо белков, необходимых для регуляции транскрипции генов (helix-turn-helix_transcriptional_regulator - 21), белков рецепторов внешней мембраны (TonB-dependent_receptor - 40) и белков с неизвестными функциями (hypothetical_protein - 430) были обнаружены белки внешней мембраны семейства RagB/SusD, участвующие в поглощении питательных веществ.(RagB/SusD_family_nutrient_uptake_outer_membrane_protein - 33) Это основные белки, связывающие крахмал, которые присутствует на поверхности клетки и обеспечивают связывание крахмала перед его транспортировкой в периплазму для расщепления. Можно сделать вывод, что наличие большого количества белков, метаболизирующих крахмал, свидетельствует о том, что бактерии обитают в желудке травоядных животных. Так же было обнаружено 13+11 CDS, кодирующих гликозилтрансферазы разных семейств. Гликозилтрансфераза2 - это ферменты, катализирующие гликозилирование. Гликозилирование у бактерий необходимо для обеспечения вирулентности и выживания в организме хозяина, из чего можно сделать вывод о взаимосвязи большого количества CDS, кодирующих эту группу ферментов и условиями обитания бактерии Prevotella Bryantii. C источниками, на основании которых были сделаны выводы о функциях белков, можно ознакомиться в таблице 1.

Примечания: пока таблица будет в формате картинки, потом оформлю её как полноценную html таблицу

3.5 GC-СОСТАВ ГЕНОМА БАКТЕРИИ PREVOTELLA BRYANTII

Мы проанализировали процентное соотношение нуклеотидов в каждой белок кодирующей последовательности, вычислив максимальное, минимальное и среднее %GC, также составив гистограмму распределения соотношения нуклеотидов (рисунок 3), в результате чего получили нормальное распределение (распределение Гаусса) около среднего значения в 39,45%. Так же для визуализации отношения нуклеотидов в геноме был сделан рисунок 2. Из представленных данных можно сделать следующие выводы:

1. Максимальное значение %GC среди CDS: 65,66%
2. Минимальное значение %GC среди CDS: 25,16%
3. В геноме бактерии Prevotella bryantii присутствует сильный перекос в сторону AT нуклеотидов. Причины этих различий до конца не изучены, хотя, по-видимому, основополагающими факторами являются как филогенетические связи, так и влияние окружающей среды. Микробные сообщества, обитающие в схожих условиях, как правило, имеют схожий %GC независимо от таксона. Такие факторы, как избыток азота, мутации с преобладанием AT из-за потери генов восстановления ДНК, плотность популяции и давление отбора, могут объяснить часть различий3.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, нами был составлен обзор генома бактерии Prevotella bryantii, в который вошли широкие темы, такие как размер генома, его состав по продуктам транскрипции генов, а также анализ распределения длин белков, кодируемых CDS данной бактерии. Помимо этого была выявлена взаимосвязь количества кодируемых белков с определёнными функциями и условиями среды обитания вида бактерий.

СОПРОВОДИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Файл Excel с сопроводительными сводными таблицами доступен к скачиванию с Google Диска по следующим ссылкам.

1. Google таблица с особенностями генома бактерии
2. Google таблица с CDS и гистограммами длин белков, кодируемых CDS
3. Google таблица с функциями белков, кодируемых CDS бактерии, и их анализом

БЛАГОДАРНОСТИ

Стоит выразить благодарность преподавателям биоинформатики ФББ МГУ, составившим программу курса по биоинформатике, в рамках которого был написан данный обзор. И отдельно хотелось бы поблагодарить моих однокурсников, помогавших в решении технических задач, которые вызвали у меня трудности на этапе написания обзора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Avgustin, G.; Wallace, R. J.; Flint, H. J. (1997). "Phenotypic Diversity among Ruminal Isolates of Prevotella ruminicola: Proposal of Prevotella brevis sp. nov., Prevotella bryantii sp. nov., and Prevotella albensis sp. nov. and Redefinition of Prevotella ruminicola". International Journal of Systematic Bacteriology.
2. Williams, GJ; Thorson, JS (2009). "Natural Product Glycosyltransferases: Properties and Applications". Advances in Enzymology. Advances in Enzymology - and Related Areas of Molecular Biology.
3. Jon Bohlin, Brittany Rose & John H.-O. Pettersson(2019). "Estimation of AT and GC content distributions of nucleotide substitution rates in bacterial core genomes". Big Data Analytics.