Обзор генома и протеома Bacillus paralicheniformis.

Обзор генома и протеома бактерии Bacillus paralicheniformis Bac84

Беляев Г. Д.1
1Факультет биоинженерии и биоинформатики, Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова, Москва.


РЕЗЮМЕ

Данная работа является обзором генома и протеома бактерии Bacillus paralicheniformis штамма Bac84. Ее цель описание и выявление закономерностей в геноме и протеоме с использованием методов MS Excel и python.

Ключевые слова: Bacillus paralicheniformis, геном, протеом, бактерии.


1. ВВЕДЕНИЕ

Bacillus paralicheniformis как и другие представители данного рода вид грамположительных факультативно анаэробных бактерий, способных образовывать эндоспоры. Впервые был выделен в 2015 году из твенджана ферментированной пасты на основе соевых бобов [1]. Видовое название дано из-за фенотипического и филогенетического сходства с Bacillus licheniformis.

Род Bacillus имеет крайне высокое значение в биотехнологии, так как большинство представителей являются экстремофилами, что позволяет выделять из них ферменты с различными функциями, работающие в нестандартном диапазоне условий. В частности, применяются рестриктаза BamHI, барназа, детергенты α-амилаза, субтилизин и другие гидролазы [2]. Это свидетельствует о перспективности изучения представителей данного рода для поиска новых противомикробных средств и ферментов.

В данной работе производится анализ генома и протеома Bacillus paralicheniformis штамма Bac84, который был выделен из микробного мата лагуны Рабиг-Харбор в Саудовской Аравии [3]. По данным из базы NCBI геном данной бактерии состоит из 4376831 пар оснований и содержит 4193 белок кодирующих гена, 110 РНК кодирующих генов и 84 псевдогена [4], [5].


2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1 Методы

В данном обзоре были использованы следующие методы по работе с таблицами MS Excel:

Для получения информации о расположении ориджина и терминатора репликации был использован онлайн-сервис Genskew (http://genskew.csb.univie.ac.at/)


2.2 Материалы

Материалом для работы стала директория с информацией о геноме Bacillus paralicheniformis на сайте NCBI [4].


3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Размер генома

Размер генома 4 376 831 пара оснований, что незначительно отличается от данных, приведенных на странице NCBI, посвященной B. Paralicheniformis [5]. Код программы для получения этой информации в таблице с сопроводительными материалами на листе genome_size.


3.2 Процент кодирующей области

С учетом перекрывания некоторых генов кодирующие последовательности занимают 3 863 784 пары нуклеотидов, что соответствует 88,28% от общей длины генома. Но в этих данных не учтены котранскрибируемые РНК, расположенные возле оперонов. Они также выполняют некоторые функции в клетке, но не учитываются в этой работе. Более подробная информация доступна в таблице с сопроводительными материалами на листе % CDS.


3.3 GC-состав

GC-состав - 45,84%. Количество нуклеотидов на одной цепи можно увидеть на Рисунке 1. Исходя из полученных данных можно сделать вывод о выполнении второго правила Чаргаффа для данной бактерии. Код программы для получения этой информации в таблице с сопроводительными материалами на листе genome_size.


3.4 Типы генов и их распределение по цепям

Общее количество генов 4 387. Из них 4193 белок кодирующих, 84 псевдогена и 110 РНК кодирующих. Распределение генов по типам, а также по цепям и случайность этого распределения можно увидеть в Таблице 1 и на Рисунке 2. Неслучайность распределения по цепям белок кодирующих генов довольно сложно объяснить, так как зачастую положение гена на + или - цепи определяет ориентация плазмиды, транспозона, генетического материала бактериофага и других мобильных генетических элементов при вставке в хромосому. Эта ориентация могла бы быть случайной, если бы не оперонная организация генома у прокариот, когда несколько генов регулируются одним промотором, что позволяет встраиваемой конструкции экспрессироваться вне зависимости от необходимости в клетке, благодаря чему в дальнейшем она с большей вероятностью станет кодирующей, а не мусорной ДНК.

B. Paralicheniformis содержит 24 рРНК и 62 рибосомальных белка. Их полный список доступен в таблице с сопроводительными материалами на листе ribosomal. У бактерий гены, кодирующие рРНК, собраны в опероны, состоящие из 3 генов: 16S, 23S и 5S рибосомальных РНК, и преимущественное расположение этих оперонов на одной из цепей, как и в случае с тРНК, довольно трудно объяснимо. Подробнее гены рРНК и тРНК будут рассмотрены в соответствующих разделах обзора. Говорить о случайности распределения остальных видов РНК представляется невозможным из-за их крайне малого количества 5 генов: 2 гена ncRNA, 1 ген SRP_RNA, 1 ген tmRNA и 1 ген RNase_P_RNA.

Случайность распределения псевдогенов по цепям обусловлена отсутствием отбирающего фактора на образование подобных нефункциональных аналогов действующих генов. По разным причинам псевдогены могут появляться на любой из цепей с поправкой лишь на то, что на цепях разное количество генов.


Рис.1 Гистограмма количества нуклеотидов на одной цепи.
Табл.1 Распределение типов генов по цепям и случайность этого распределения.
Рис.2 Гистограмма количества различных типов генов.

Рис.3 График GC-состава на участках в 1000 нуклеотидов
Рис.4 Гистограмма длин белков.
Табл.2 Расположение оперонов рРНК и наличие в них тРНК

3.5 Ориджин и терминатор репликации

Для поиска ориджина и терминатора репликации был использован сервис Genskew (http://genskew.csb.univie.ac.at/). Поиск основан на анализе неоднородности GC-состава. OriC соответствует минимуму содержания гуанина и цитозина на участках в 1000 нуклеотидов, а ter максимуму их содержания. Расчет идет по формуле:
Skew = (N(C) N(G)) / (N(C) + N(G))

Графический результат поиска представлен на Рисунке 3. Предполагаемое место начала репликации находится в районе 26 257 пары нуклеотидов, а терминатора в районе 2 074 225 пары, тем самым разделяя кольцевую ДНК на две почти равные части: первая состоит из 2 047 968 п.н., что составляет 46,79% от всего генома; вторая содержит 2 328 863 п.н., что соответствует 53,21% генома. Данные согласуется с функциональными требованиями для двунаправленности репликации у бактерий, так как эти части практически равны.


3.6 Гипотетические белки

Протеом B. licheniformis содержит 419 гипотетических белков, что составляет 9,99% от общего их числа. Такое большое число белков с неизвестной функцией обусловлено относительной лабораторной неизученностью данного вида, и других видов близкородственных бактерий, из анализа геномов которых, пришли к выводу о существовании подобных белков. Более подробная информация доступна в таблице с сопроводительными материалами на листе hypothetical.


3.7 Длины белков

Протеом состоит из 4 193 белков. Такое большое количество обычно не характерно для бактерий, но является нормальным в роде Bacillus. Больше всего белков (1680 шт.) находятся в диапазоне от 256 до 512 аминокислот. Мода для полученных данных 89 аминокислот, медиана 258. Самый длинный белок синтаза нерибосомального пептида-антибиотика бацитрацина состоит из 6 357 аминокислот. Самый короткий белок сигнальный пептид для синтеза соединения, обеспечивающего устойчивость к эритромицину состоит из 14 аминокислот. Распределение белков по длинам представлено на Рисунке 4. Более подробная информация доступна в таблице с сопроводительными материалами на листе protein length.


3.8 Рибосомальные белки и рРНК

В геноме B. licheniformis было обнаружено 24 гена, кодирующих рРНК, и 62 гена, кодирующих рибосомальные белки. рРНК бактерий закодирована в разбросанных по всему геному рДНК-кластерах. Они имеют строго упорядоченную структуру и состоят из последовательно идущих генов 16S, 23S и 5S рРНК, ориентированных по направлению к терминатору. Также зачастую между генами 16S и 23S рРНК расположен спейсер, состоящий из регуляторных последовательностей и тРНК. Информация о расположении подобных оперонов и наличии в них тРНК доступна в Таблице 2. Более подробная информация доступна в таблице с сопроводительными материалами на листе ribosomal.


4. ВЫВОДЫ

В итоге проделанной работы можно сделать вывод о том, что Bacillus licheniformis обладает рядом черт характерным либо для большинства бактерий, либо для представителей рода Bacillus:

Данная бактерия особенно интересна тем что 10% ее протеома представлено гипотетическими генами, и каждый из них потенциально может стать новым антибиотиком или применимым ферментом.


СОПРОВОДИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Таблица с сопроводительными материалами:
https://kodomo.fbb.msu.ru/~gennady.belyaev/term1/Belyaev_supple-fin.xlsx


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

© Беляев Геннадий, 2020 ‐ 2026