< Обзор генома Aquifex aeolicus VF5

Обзор особенностей генома бактерии Aquifex aeolicus VF5

Аксенова Ксения Олеговна

Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова,
факультет биоинженерии и биоинформатики, Москва, Россия

Аннотация. Aquifex aeolicus VF5 — гипертермофильная хемоавтотрофная бактерия с суперкоротким геномом, всего 1,5 млн нуклеотидов. Обитает она на дне океана, около подводных гейзеров. Для добычи энергии окисляет водород и соединения серы. В работе были рассмотрены GC% состав ее генома и представлено сравнение частоты встречаемости различных старт-кодонов.

Введение

Таксономическая принадлежность Aquifex aeolicus VF5 [1]:

Домен: Bacteria  ·  Тип: Aquificae  ·  Отряд: Aquificales  ·  Семейство: Aquificaceae  ·  Род: Aquifex  ·  Вид: Aquifex aeolicus VF5

Род состоит из двух видов, описанных в 1992 году: типового вида Aquifex pyrophilus (штамм Kol5a; DSM 6858) и Aquifex aeolicus, который ещё не был официально опубликован.

A. aeolicus — грамотрицательная, палочковидная, подвижная, жгутиковая, не образующая спор бактерия размером примерно 0,5×2–6 мкм [1]. Это гипертермофильная бактерия, и, поскольку она оптимально растет при температуре 85 °C (и до 95 °C), она является одной из самых экстремальных гипертермофильных бактерий. Будучи облигатным хемолитоавтотрофом, он не использует для жизнедеятельности свет или органические молекулы, а питается исключительно газами и неорганическими питательными веществами [1, 4].

A. aeolicus — это бактерия, живущая в гремучем газе, микроаэрофильный дыхательный микроорганизм, получающий энергию из водорода, но также способный окислять восстановленные неорганические соединения серы (элементарную серу и тиосульфат) [1, 3].

Это один из самых древних и глубоко ветвящихся представителей бактерий, что делает его важным объектом для изучения эволюции жизни. Его геном показывает признаки обширного латерального переноса генов, в том числе от архей и других термофильных бактерий, что усложняет его филогенетическую классификацию [3].

Бактерия Aquifex aeolicus является модельным организмом для глубоко укоренённого типа Aquificae [1]. Этот «производитель воды» — микроаэрофильный организм, окисляющий H₂, процветает в чрезвычайно жарких морских средах. Кроме Н₂, A. aeolicus окисляет соединения серы, обычно встречающиеся в вулканической среде [1, 2].

A. aeolicus обладает сверхстабильными белками [2] и полностью секвенированным геномом [1]. A. aeolicus стала первой гипертермофильной бактерией, геном которой был секвенирован [1]. Геном (кольцевая хромосома) довольно мал для свободноживущей бактерии: его размер составляет всего 1 551 335 пар оснований, что примерно в три раза меньше размера генома Escherichia coli [2]. Содержание гуанина и цитозина в геноме составляет 43 %, что является относительно низким показателем, хотя для 16S рРНК (65 %) этот показатель очень высок, как и для других гипертермофилов [1].

A. aeolicus также содержит плазмиду длиной 39 456 пар оснований, в которой находится 63 гена, большинство из которых кодируют белки с неизвестной функцией. На хромосоме идентифицирован только 1731 ген (47 из них являются псевдогенами), из которых 1632 кодируют белки, а 52 — РНК [1].

Материалы и Методы

Таблица особенностей генома бактерии Aquifex aeolicus VF5 была получена с использованием языка Bash. С сервера NCBI были скачаны файлы https://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/008/625/GCF_000008625.1_ASM862v1 с полной последовательностью генома в формате fasta, последовательностью всех белок-кодирующих участков в формате fasta, таблицей локальных особенностей генома [1, 2].

Для создания гистограммы распределения длин белков был использован Google Sheets. С помощью функции СЧЁТЕСЛИМН в исходной таблице генома было подсчитано количество белков.

Рис. 1. Распределение длин белков Aquifex aeolicus VF5
Гистограмма распределения длин белков
На основе CDS бактерии были найдены длины (в аминокислотах) всех продуктов трансляции у данного вида. Затем построена гистограмма, которая отражает соответствие количества белков каждому интервалу возможной длины.
Рис. 2. Гистограмма процентного содержания GC
Гистограмма процентного содержания GC
Распределение участков генома по проценту содержания гуанина и цитозина (GC%).

Старт-кодоны

С помощью гистограммы визуализируем количество белков, начинающихся с разных старт-кодонов.

Рис. 3. Количество белков, кодируемых определённым старт-кодоном
Гистограмма старт-кодонов
Из данных рисунка 3 видно, что большая часть белков начинаются со старт-кодонов ATG и GTG, немного меньше с TTG. Также заметно, что белков, начинающихся с других старт-кодонов, практически нет. Эти данные подтверждаются диаграммой (рис. 4).
Рис. 4. Диаграмма частоты встречаемости старт-кодонов
Диаграмма частоты старт-кодонов
Частота встречаемости старт-кодонов в геноме Aquifex aeolicus VF5.

Средняя длина белка в зависимости от старт-кодона

Рис. 5. Длина белка в зависимости от старт-кодона
Длина белка в зависимости от старт-кодона
Исходя из данных гистограммы мы видим, что самые длинные последовательности у белков, начинающихся с GTG. Старт-кодоны GCT, GGC, CGC, CGG, GGT, CCG, GCG, GCC, AGG, GAC, GGG дают начало действительно коротким белкам, длиной около 25 аминокислот. Средняя длина белков самого распространённого кодона ATG — около 300 аминокислот.

Список литературы

  1. Guiral M., Giudici-Orticoni M. T. Microbe Profile: Aquifex aeolicus: an extreme heat-loving bacterium that feeds on gases and inorganic chemicals // Microbiology. – 2021. – Т. 167. – №. 1. – C. 001010.
  2. Guiral M. et al. The hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus: from respiratory pathways to extremely resistant enzymes and biotechnological applications // Advances in Microbial Physiology. – 2012. – Т. 61. – C. 125–194.
  3. Eveleigh R. J. M. et al. Being Aquifex aeolicus: untangling a hyperthermophile's checkered past // Genome Biology and Evolution. – 2013. – Т. 5. – №. 12. – C. 2478–2497.
  4. Prioretti L. et al. Carbon fixation in the chemolithoautotrophic bacterium Aquifex aeolicus involves two low-potential ferredoxins as partners of the PFOR and OGOR enzymes // Life. – 2023. – Т. 13. – №. 3. – C. 627.

Сопроводительные материалы

🌿 Обзор подготовлен в рамках учебного курса 🌲