Мини-обзор генома бактерии Streptomyces clavuligerus

РЕЗЮМЕ

Данная работа представляет собой краткий обзор генома бактерии Streptomyces clavuligerus с элементами анализа: описание стандартных данных о геноме, нуклеотидный состав, длины белок кодирующих участков и распределение генов белков по цепям ДНК.

ВВЕДЕНИЕ

Streptomyces clavuligerus - это разновидность грамположительных бактерий, которые выделяют клавулановую кислоту [1]. Впервые Streptomyces clavuligerus была выделена из образца почвы в Африке. Eе описали Хиггенс и Кастнер, как новый вид Streptomyces, который производит два новых цефалоспориновых антибиотика. Название связано с формой ее спороносных гифальных ветвей: от латинского clavula, что означает маленькая дубинка, и igerus, что означает подшипник. Короткие симподиально разветвленные гифы представляют собой обширный воздушный мицелий, на котором образуются спорофоры (Рис. 1). Спорофоры в конечном итоге сегментируются и образуют цепочки спор. Сами споры имеют слегка продолговатый или даже цилиндрический вид и гладкие стенки; окраска варьируется от серого до серовато-зеленого цвета [2].

img1

У S. clavuligerus отсутствует система транспорта глюкозы, поэтому она не может использовать глюкозу в качестве источника углерода [3] [4]. Также данный вид содержит все ферменты цикла мочевины, что необычно для прокариот (хотя неясно, функционирует ли цикл мочевины) [5]. Важной особенностью бактерии является способность синтезировать клавулановую кислоту, которая, являясь антибиотиком, активно применяется в медицине.

МЕТОДЫ

Для мини-обзора бактерии Streptomyces clavuligerus использовался ее геном в формате fasta и таблица особенностей - [6]. Описание стандартных данных о геноме и подсчет нуклеотидного состава ДНК выполнен с помощью программирования на языке Python (см. сопроводительные материалы). Для построения гистограммы длин белков были использованы методы Google таблиц (см. сопроводительные материалы - Practice 8, лист Histogram) Распределения генов по цепям ДНК и степени их случайности были рассчитаны следующими функциями Google таблиц: СЧЁТЕСЛИМН(), BINOM.DIST(), МИН() (см. сопроводительные материалы).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1) Описание стандартных данных о геномe

Геном Streptomyces clavuligerus состоит из одной линейной хромосомы и двух плазмид (pSLE1 и pSLE2).

table1

В Таблице 1 приведена длина с GC-состав каждой ДНК. Как можно заметить, GC-состав ДНК достаточно высок. Пара G-C соединяется тремя водородными связями, в отличии от пары A-T, которая соединяется двумя. Это означает, что геном бактерии устойчив к денатурации в растворе и к высоким температурам.

2) Нуклеотидный состав геномных ДНК

В последовательности действительно встречаются только нуклеотиды A, T, G, C. При этом, количество нуклеотидов А приблизительно равно количеству комплементарным им нуклеотидам Т, а количество нуклеотидов G - количеству нуклеотидов С (Таблица 2). Таким образом, полученные данные о количестве нуклеотидов в ДНК бактерии соответствуют второму правилу Чаргаффа.

table2

3) Длины белок-кодирующих участков

Как видно из гистограммы (Рис. 2), большая часть белков имеет размер от 200 до 500 аминокислот. Часть белков имеет аномально большие размеры - больше 2800 аминокислот. Самый длинный белок - non-ribosomal peptide synthetase - имеет длину 6667 аминокислот. Возможно, он участвует в синтезе клавулановой кислоты.

img2

4) Длины белок-кодирующих участков

Анализ распределения генов белков по цепям ДНК привел к следующим результатам: можно считать равномерным распределение по цепям всех типов генов, кроме tRNA (видно из Таблицы 3). Такие выводы подтверждает степень случайности различия количества генов на прямой и обратной цепи, вычисленная функциями Google таблиц: для tRNA она очень мала - всего 0,0076205. Кроме того, можно заметить, что количество генов tRNA на прямой цепи ровно в два раза меньше количества генов на обратной; а tmRNA и SRP_RNA не встречаются на обратной цепи вовсе.

table3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Streptomyces clavuligerus продуцирует вторичные метаболиты, активно используемые в медицинский целях; при этом некоторые особенности бактерии остаются неизученными. По этой причине важно изучение генома и протеома Streptomyces clavuligerus. В результате анализа были выявлены такие особенности как: высокий GC-состав ДНК, средние длины белок-кодирующих участков генома, распределение разных типов генов по цепям ДНК.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Reading C, Cole M (1977). "Clavulanic Acid: a Beta-Lactamase-Inhibiting Beta-Lactam from Streptomyces clavuligerus". Antimicrob Agents Chemother. 11 (5): 852-7. doi:10.1128/aac.11.5.852. PMC 352086. PMID 879738.

2. Higgens CE, Kastner RE (1971). "Streptomyces clavuligerus sp. nov., a beta-lactam antibiotic producer". International Journal of Systematic Bacteriology, October 1971, pp. 326-331

3. Aharonowitz Y, Demain A (1 August 1978). "Carbon Catabolite Regulation of Cephalosporin Production in Streptomyces clavuligerus". Antimicrob Agents Chemother. 14 (2): 159–64. doi:10.1128/aac.14.2.159. PMC 352426. PMID 697343

4. Garcia-Dominguez M, Martin J, Liras P (1989). "Characterization of sugar uptake in wild-type Streptomyces clavuligerus, which is impaired in glucose uptake, and in a glucose-utilizing mutant". J Bacteriol. 171 (12): 6808–14. doi:10.1128/jb.171.12.6808-6814.1989. PMC 210580. PMID 2687256

5. Kirk S (2000). "The physiology of clavulanic acid production by Streptomyces clavuligerus (PhD thesis)". University of Surrey, UK.

6. Геном Streptomyces clavuligerus: https://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/015/767/775/GCF_015767775.1_ASM1576777v1/