Мини-обзор генома и протеома Actinomyces Oris
РЕЗЮМЕ
Целью данной работы является выявление генетических особенностей A.Oris, влияющих на физиологию данных микроорганизмов. Проведен анализ нуклеотидного состава генома, анализ встречаемости старт-кодонов, анализ длин белков, встречающихся в протеоме бактерии, исследован GC-skew.
Ключевые слова: ACTINOMYCES ORIS,СТАРТ-КОДОНЫ, ГЕНОМ, GC-SKEW, БЕЛКИ.
1.Вступление
В последние годы растет число заболеваний, связанных с условно-патогенной микробиотой. Бесконтрольное применение антибактериальных препаратов широкого спектра действия, снижение иммунного статуса населения, увеличение объема и сложнюости хирургических вмешательств, ухудшение экологической обстановки приводят к появлению новых устойчивых штаммов бактерий и атипичных вариантов течения заболеваний. Одним из заболеваний, случаи которого отмечаются все чаще, является актиномикоз, вызываемый бактериями Actinomyces oris (Козлова О. П. Клинико-лабораторные особенности актиномикоза,Санкт-Петербург,2019). Actinomyces oris (ранее Actinomyces naeslundii) является частью нормальной микрофлоры полости рта у человека и играет определенную роль в образовании зубного налета. Этот организм создает биопленку на поверхности зубов, которая обеспечивает подходящую матрицу для колонизации другими бактериями полости рта.Актиномицеты являются одними из преобладающих микроорганизмов ротовой полости. Особенностью этих микроорганизмов является образование в пораженных органах и тканях друз - тканевых скоплений колоний актиномицетов.Для развития актиномикотической инфекции часто необходимо наличие ассоциации актиномицетов с другими бактериями, обитающими в организме. В 99% поражений актиномикоз является микс-инфекцией, где актиномицеты играют главную роль. Примечательно, что актиномицеты, являясь сапрофитами, не производят экзотоксинов или большого количества других токсичных веществ (Ипполитов Е. В. Мониторинг формирования микробной биопленки и оптимизация диагностики воспалительных заболеваний пародонта, Москва,2016). К фактору патогенности данных микроорганизмов относят их способность работать вместе с другими патогенными и условно патогенными микроорганизмами (например, путем производства так называемых «биопленок» или необходимых изменений тканей хозяина для обеспечения питательными веществами всего микробного сообщества.Установлено, что практически все актиномицеты обладают протео- и липолитической активностью, что, возможно, способствует хроническому течению инфекционного процесса.Некоторые виды актиномицетов способны продуцировать антибиотические вещества. В настоящее время около 100 антибактериальных препаратов, используемых в терапии человека и сельском хозяйстве, синтезируют при помощи этих микроорганизмов. Стоит отметить, что сами A.oris устойчивы ко многим антибиотикам. Резистентность биопленок к антибиотикам развивается в силу нескольких механизмов. Одним из них является природная, изначально присущая Actinomyces резистентность. Она может усилиться в силу факторов окружающей среды (пониженный рост микроорганизмов из-за ограниченного поступления питательных веществ или активация ответа на стресс).Другим механизмом является пониженная диффузия антибиотиков через биопленку или дезактивация их внутри внеклеточной матрицы биопленки (Ефименко Т. А. бактериальные продуценты антибиотиков, активных в отношении микроорганизмов с лекарственной устойчивостью, Москва,2018).
2.Методы и материалы.
Данные о геноме и протеоме бактерии взяты из предоставленных материалов базы NCBI.
Для анализа нуклеотидного состава генома использовалась программа, написанная с помощью интерпретатора командной строки и пакета биоинформатических программ EMBOSS. Для построения кумулятивного графика GC-Skew использовался онлайн-сервис Webskew. Анализ встречаемости старт кодонов проводился с помощью программы, написанной на языке программирования python. Данные представлены в виде таблицы и круговой диаграммы, сделанных в онлайн-офисе Google sheets. Для построения таблицы использовалась функция ( =СУММ(B7:B17)). Анализ длин белков проводился с помощью онлайн-офиса Google sheets. Использовалась функция (=СЧЁТЕСЛИМН(CDS!H$2:H$5166;">="&A2;CDS!H$2:H$5166; "<="&A3))
3.Результаты
3.1 Анализ нуклеотидного состава
Геном представлен одной кольцевой хромосомой и плазмидой. Анализ нуклеотидного состава показал, что геном данного представителя состоит из нуклеотидов A,T,G,C. Из данных, приведенных в таблице 1 видно, что количество нуклеотидов C приблизительно равняется количеству нуклеотидов G, а количество нуклеотидов А количеству нуклеотидов T. Это говорит о том, что соблюдается правило Чаргаффа.
| Нуклеотид | Количество | Содержание |
| C | 1093988 | 0.3429 |
| G | 1090614 | 0.3418 |
| T | 504745 | 0.1582 |
| A | 501049 | 0.1571 |
3.2 GC skew
GC skew - явление,при котором наблюдается асимметрия нуклеотидного состава на одной цепи ДНК. Нуклеотиды гуанин и цитозин в избыточном или недостаточном количестве находятся в определенной области ДНК (или РНК). Лидирующая нить содержит больше гуанина и тимина, в то время как отстающая нить содержит больше аденина и цитозина. Это явление называется GC skew. Математически это можно интерпретировать следующим образом:
GC skew является индикатором ведущей цепи ДНК, отстающей цепи, точек начала и конца репликации. На графике GC skew cumulative точка минимума на соответствует началу репликации (origin), точка максимума соответствует точке терминации (ter).
Из данных, представленных на графике GC skew cumulative, видно, что у Actinomyces oris только одна точка начала репликации ДНК. Изменение знака GC-skew будет только в точке начала и конца репликации ДНК. От точки минимума (ori) к точке максимума (ter) функция возрастает. Это говорит о том, что на данном участке нити гуанина (G), больше, чем цитозина (C). На участках убывания функции, наоборот, количество цитозина(C), преобладает над количеством гуанина (G). Знак результирующих перекосов TA и GC резко изменяется в начале и конце репликации, создавая характерные ступенчатые переходы. Стоит отметить,что у прокариот преобладание G над C преимущественно наблюдается в лидирующей цепи. Таким образом, можно определить лидирующую нить в цепи по положительному GC Skew ( в отстающей цепи – наоборот). Вероятно, асимметрия GC состава связана с мутациями, которые проявлялись в геноме бактерии в ходе эволюции.
3.3 Анализ встречаемости старт-кодонов
Из данных, приведенных в таблице №2 видно, что наиболее часто встречаемым стартовым кодоном является ATG, также достаточно часто встречаются старт-кодоны, которые получились из ATG заменой одной буквы. Эти выводы согласуются с общепринятыми закономерностями.Редкие старт-кодоны(GCC,CGG,TCG,GGT,ACC,GCG,GTC,ACT,ATA,TTC),вероятно,нужны для регулирования синтеза некоторых белков. Белки,соответствующие кодонам, которые встречаются чаще, синтезируются в гораздо большем количестве, чем те, что отвечают редким кодонам.
| ATG | 1883 | ATA | 3 |
| GTG | 609 | TTC | 2 |
| TTG | 40 | ACC | 3 |
| CTG | 32 | TGG | 1 |
| ATC | 9 | GGT | 1 |
| ACT | 1 | GCC | 1 |
| GTC | 3 | CGG | 1 |
| GCG | 2 | TCG | 1 |
На круговой диаграмме (рис.3) изображено процентное соотношение старт-кодонов в геноме Actinomyces oris.
3.4 Анализ длин белков Actinomyces oris
Согласно данным, приведенным в гистограмме длин продуктов генов (рис.4) Actinomyces oris, большинство белков имеют длину от 210 до 280 аминокислотных остатков. Максимальная длина белка: 1330 аминокислотных остатков. Минимальная длина белка: 1 аминокислотный остаток.
Источники
- Ипполитов Е. В. Мониторинг формирования микробной биопленки и оптимизация диагностики воспалительных заболеваний пародонта, Москва,2016
-Козлова О. П. Клинико-лабораторные особенности актиномикоза,Санкт-Петербург,2019
-Ефименко Т. А. Бактериальные продуценты антибиотиков, активных в отношении микроорганизмов с лекарственной устойчивостью,Москва,2018
http://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/016/127/955/GCF_016127955.1_ASM1612795v1