Практикум 14

Стрица с кодом для практикума №14

Задание 1. Использование старт-кодонов (ATG, GTG, TTG)

Во всех трёх организмах наблюдается одинаковая закономерность: ATG является абсолютно доминирующим старт-кодоном, на втором месте — GTG, а TTG используется редко.

Организм (число генов)Старт-кодонКоличество геновПроцент
Bacillus subtilis (4 279 генов)ATG 3 68786.2%
GTG52512.3%
TTG671.6%
Peptoclostridium acidaminophilum (2 859 генов)ATG 2 52188.2%
GTG28610.0%
TTG521.8%
Ureaplasma parvum (608 генов)ATG 48980.4%
GTG11118.3%
TTG81.3%

Почему используются не только ATG?

• Регуляция трансляции – менее эффективные старт-кодоны (GTG, TTG) позволяют тонко регулировать уровень экспрессии. Гены «домашнего хозяйства» обычно используют ATG, а гены со слабыми старт-кодонами транслируются реже.

• Эволюционный компромисс и композиция генома – особенно у бактерий с редуцированным геномом (например, Ureaplasma) стартовый кодон может находиться внутри последовательности другого гена (перекрывающиеся гены).

• Влияние последовательности Шайна-Дальгарно (SD) – сильная SD может компенсировать слабость альтернативного старт-кодона.

• Филогенетическая особенность – у фирмикут (Bacillus, Peptoclostridium) частота использования GTG обычно выше, чем у других бактерий.

Задание 2. Псевдогены – нефункциональные реликты

Гены, инактивированные мутациями (сдвиг рамки, нонсенс-мутация), классифицируются как псевдогены.

Локус (Locus Tag)Координаты CDSНазвание гена / продукта Позиция внутр. стоп-кодонаОбъяснение
BUN98_RS03900complement (87998..88735) C4-дикарбоксилатный транспортер, мембранная субъединица DcuB154 (из 245 а.к.) Псевдоген. «frameshifted» — сдвиг рамки, внутренний стоп-кодон.
BUN98_RS09165213796..214527Цитохром c-биосинтетический протеин 151 (из 243 а.к.)Псевдоген. «incomplete» — нонсенс-мутация, преждевременный стоп.
BUN98_RS09675complement (228739..229653)Транспортер аминокислот/аминов 95 (из 304 а.к.)Псевдоген. «internal stop», прямая нонсенс-мутация.
BUN98_RS10840257800..258594Холин-глицин бетаин-альдегиддегидрогеназа 131 (из 264 а.к.)Псевдоген. «frameshifted» — стоп-кодон в новой рамке.

Зачем бактерии эти последовательности? Эти гены не функциональны – это псевдогены, эволюционные реликты. Они сохраняются в геноме временно, пока не удалятся делецией. Иногда они могут служить резервуаром генетического разнообразия.

Задание 3. Стоп-кодоны (TAA, TAG, TGA)

У Ureaplasma parvum наблюдается исключение: стоп-кодон TGA не используется вообще.

ОрганизмОбщее число CDSTAATAGTGA
Bacillus subtilis4 2792 203 (51.5%)505 (11.8%) 1 571 (36.7%)
Peptoclostridium acidaminophilum2 8591 661 (58.1%)446 (15.6%) 752 (26.3%)
Ureaplasma parvum608588 (96.7%)20 (3.3%) 0 (0%)

Куда «пропал» стоп-кодон TGA?

У Ureaplasma parvum (и всего класса Mollicutes) кодон TGA не является стоп-сигналом, а кодирует аминокислоту триптофан (Trp). Это радикальное отклонение от универсального генетического кода.

Научные источники:

  1. Glass, J.I. et al. (2000) The complete sequence of the mucosal pathogen Ureaplasma urealyticum. Nature 407:757-762.
  2. McCutcheon, J.P. & Moran, N.A. (2012) Extreme genome reduction in symbiotic bacteria. Nature Reviews Microbiology 10:13-26.
  3. Oshima, K. et al. (2004) Reductive evolution suggested from the complete genome sequence of a plant-pathogenic phytoplasma. Nature Genetics 36:27-29.
  4. Grosjean, H. et al. (2014) Predicting the minimal translation apparatus: lessons from the reductive evolution of mollicutes. PLoS Genetics 10:e1004363.

Задание 4. Координаты в формате join и бактериальный «сплайсинг»

ОрганизмНайденные гены (примеры)Координаты в формате join
Bacillus subtilisСпоруляционный белок SpoVR join(330562..330639, 330724..330939)
Bacillus subtilisФосфоглюкомутаза join(complement(331448..331519), complement(331602..332012))
Peptoclostridium acidaminophilumБелок, ассоциированный со споруляцией join(220625..220696, 220779..221018)
Peptoclostridium acidaminophilumНикель-зависимая гидрогеназа join(complement(543337..543420), complement(543503..544126))

Что означает join? В формате GenBank/GFF запись join(…) указывает, что кодирующая последовательность (CDS) состоит из нескольких несмежных сегментов, которые объединяются на уровне мРНК в единую рамку считывания.

Есть ли у бактерий сплайсинг? Классический ядерный сплайсинг (сплайсосомный) у бактерий отсутствует. Однако существуют автокаталитические интроны групп I и II (в основном в тРНК/рРНК), но они крайне редки в мРНК.

Как объяснить наличие join для найденных генов? Наиболее вероятно — артефакт сборки генома. В сложных участках (повторы) алгоритмы сборки могут разрывать единый ген на несколько контигов, а аннотационный пайплайн (PGAP) интерпретирует фрагменты как «экзоны».