В данной работе кратко описан геном бактерии Desulfitobacterium metallireducens DSM 15288. По ходу работы был проведен анализ длин белков организма, анализ типов генов, из которых состоит геном, их подсчет по матричной и комплементарной цепям ДНК, анализ димеров генома, поиск места начала и конца процесса удвоения ДНК (репликации), анализ межгенных промежутков по прямой и обратной цепям, а также выделены некоторые кластеры генов с сходной функцией.

DSM 15288, геном, белок, рибосома, ген, бактерия

Desulfitobacterium metallireducens получили свое название из-за того, что они являются настоящими анаэробными организмами, и в процессе дыхания окисляют различные органические вещества, а восстанавливают металлы ( metallireducens) (рис.1).[1]
Систематическое положение организма приведено в табл. 1. [3]
Desulfitobacterium metallireducens являются настоящими анаэробными прокариотами. Бактерии также обладают следующими свойствами: Грам-отрицательные, подвижные, образуют споры, выглядят как дугообразные палочки размером 0,5 на 2-3 µm (рис. 2), являются мезофилами: оптимальная температура для жизнедеятельности около 30 oC. Оптимальным pH для них считается pH близкий к нейтральному (7). [1] , [2]
Эти бактерии были впервые выделены из загрязненной ураном реки San Juan (Shiprock, New Mexico, United States) в январе 2000 года K. T. Finneran’ом. Ее геном состоит из одной хромосомы размеров 3176073 bp. [2] В нынешней работе кратко описан геном NZ_CP007032.1 (идентификатор записи с геномом данной бактерии).

В процессе работы активно использовались электронные таблицы google sheet ( ЭТ) и команды на сервере kodomo.fbb.msu.ru, а также сервис для определения мест начала и конца репликации в геноме: http://genskew.csb.univie.ac.at/ .
Из директории сайта NCBI с данными по бактерии были скачаны следующие файлы: [4] GCF_000231405.2_ASM23140v3_feature_table.txt.gz - геном бактерии, в виде, который удобно импортировать в google sheets. GCF_000231405.2_ASM23140v3_genomic.fna.gz - геном бактерии в расширении fna, который можно конвертировать в fasta.
Команды на kodomo:
1. “wordcount -wordsize 1” - для подсчета нуклеотидов, из которых состоит ДНК.
2. ”geecee” - вычисление частоты комплементарной пары G-С в геномной ДНК.
3. “wordcount -wordsize 2” и “cbcalc -s word-2 -K” - команды были использованы для расчета количества димеров в геноме, а также для расчета отношения наблюдаемого количества димера к ожидаемому.
Функции, которые были задействованы в ЭТ:
1. Импортирование данных из txt-файла
2. Фильтр строк по значению
3. Создание новых листов, их связь между собой
4. Копирование и вставка (В том числе специальная вставка по значениям)
5. Перенос данных между листами с помощью функции ВПР
6. Сортировка
7. Оформление таблицы
8. Использование $ для распространения формул
9. Использование функций СЧЁТЕСЛИМН, МАКС и МИН
10. Построение диаграмм и их оформление
11. Функция СРЗНАЧ
12. Поиск по значению
13. Экранирование спец. символов в начале строки
14. “Сводная таблица”

Типы генов
В таблице 3 наглядно показано, что геном состоит из 3105 генов, при этом 1719 генов представлены на обратной цепи ДНК, а 1386 на прямой. Очевидно, что на обратной цепи генов больше, чем на прямой, однако, это может быть связано с тем, что на обратной цепи кодируются структуры, которые требуют большого количества генов, к примеру жгутик, NADH-хинон оксидоредуктаза или кластер генов, который отвечает за кодировку тРНК для практически всех аминокислот, а также АТФ-синтаза. Также интересными являются гены, которые хранят информацию про 5S, 16S, 23S рРНК. Все три гена кодируются друг за другом в порядке 16S, 23S, 5S на прямой цепи и, соответветственно, 5S, 23S, 16S на обратной цепи. Всего в геноме встречаются 8 таких участков (см. Gukov_suppl, лист “somethings_from_genome”). Образование участков можно объяснить тем, что рРНК нужны только для постройки рибосомы, в свою очередь она нуждается в каждом типе рРНК, это значит, что бактерии не выгодно экспрессировать только один тип рибосомальных РНК, потому что без двух других она бесполезна, поэтому все три рРНК кодируются в непосредственной близости относительно друг друга. Нельзя не отметить присутствие в геноме псевдогенов. Псевдоген - это аналог генов, который утратил свою функцию, а это значит, что они утратили способность экспрессировать что-то в бактерии. В геноме DSM наблюдается 34 псевдогена, то есть 1,1% генома. Возможно, в ходе эволюции у бактерии были белки, которые были полезными, но не были необходимыми для выживания, в случае мутации внутри гена, который кодировал такой белок, он терял возможность к экспрессии, но при этом оставался в геноме. Так как без этого белка можно было жить, вид продолжил свое развитие.

Типы генов
В таблице 3 наглядно показано, что геном состоит из 3105 генов, при этом 1719 генов представлены на обратной цепи ДНК, а 1386 на прямой. Очевидно, что на обратной цепи генов больше, чем на прямой, однако, это может быть связано с тем, что на обратной цепи кодируются структуры, которые требуют большого количества генов, к примеру жгутик, NADH-хинон оксидоредуктаза или кластер генов, который отвечает за кодировку тРНК для практически всех аминокислот, а также АТФ-синтаза. Также интересными являются гены, которые хранят информацию про 5S, 16S, 23S рРНК. Все три гена кодируются друг за другом в порядке 16S, 23S, 5S на прямой цепи и, соответветственно, 5S, 23S, 16S на обратной цепи. Всего в геноме встречаются 8 таких участков (см. Gukov_suppl, лист “somethings_from_genome”). Образование участков можно объяснить тем, что рРНК нужны только для постройки рибосомы, в свою очередь она нуждается в каждом типе рРНК, это значит, что бактерии не выгодно экспрессировать только один тип рибосомальных РНК, потому что без двух других она бесполезна, поэтому все три рРНК кодируются в непосредственной близости относительно друг друга. Нельзя не отметить присутствие в геноме псевдогенов. Псевдоген - это аналог генов, который утратил свою функцию, а это значит, что они утратили способность экспрессировать что-то в бактерии. В геноме DSM наблюдается 34 псевдогена, то есть 1,1% генома. Возможно, в ходе эволюции у бактерии были белки, которые были полезными, но не были необходимыми для выживания, в случае мутации внутри гена, который кодировал такой белок, он терял возможность к экспрессии, но при этом оставался в геноме. Так как без этого белка можно было жить, вид продолжил свое развитие.

Межгенные промежутки
На рисунке 5 представлены межгенные промежутки на матричной цепи ДНК. Исходя из рисунка 5 можно сказать о том, что диапазон с наибольшим количество генов от 1 до 1000 нуклеотидов, в котором находится 1009 генов. Стоит отметить, что 19 генов стыкуются друг с другом, то есть расстояние между ними равно 0 нуклеотидов, а также 112 генов имеют между собой пересечения, это означает, что должны существовать системы транскрипции, которые отличают пересекающиеся гены между собой.
На рисунке 6 представлены межгенные промежутки на комплементарной цепи ДНК.
По рисунку 6 важно отметить, что, как и на матричной цепи, на комплементарной цепи диапазон от 1 до 1000 нуклеотидов содержит в себе большее количество генов среди всех диапазонов (1276 генов). Также 30 генов не имеют ни одного нуклеотида между собой, а еще 165 пересекаются.

Рис. 5
Межгенные промежутки на матричной цепи ДНК в виде диаграммы, вычисленной по логарифмической шкале. Расстояние между генами измеряется в нуклеотидах (н.).

Рис. 6
Межгенные промежутки на комплементарной цепи ДНК в виде диаграммы, вычисленной по логарифмической шкале. Расстояние между генами измеряется в нуклеотидах (н.).

Папка с кратким обзором на google drive.
Таблица с исходными данными и их обработкой Gukov_suppl: table/Gukov_suppl
Геном: fasta/Gukov_genome.fasta

Я благодарен факультету биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (ФББ МГУ) за возможность писать этот обзор.

1) Схема была преведена из статьи [2]
2) Микрофотография взята из исследования [1]
3) График был получен с помощью сервиса GC-skew http://genskew.csb.univie.ac.at/
4, 5, 6, 7) Рисунки были получены на основе данных из NCBI [4].

[1] - Kevin T. Finneran,† Heather M. Forbush, Catherine V. Gaw VanPraagh and Derek R. Lovley (2002). Desulfitobacterium metallireducens sp. nov., ananaerobic bacterium that couples growth to the reduction of metals and humic acids as well as chlorinated compounds. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 52, 1929–1935.
https://www.microbiologyresearch.org/docserver/fulltext/ijsem/52/6/0521929a.pdf?expires=1605692357&id=id&accname=guest&checksum=7E02C4AF5DD8E6AD13C07FE87A48ADB9
[2] - Liang Shi, Hailiang Dong, Gemma Reguera, Haluk Beyenal, Anhuai Lu, Juan Liu, Han-Qing Yu and James K. Fredrickson. Extracellular electron transfer mechanisms between microorganisms and minerals. Nature, october 2016, 651-662.
https://drive.google.com/drive/ folders/184M_tTWuMM1hOXNo3PiFv1UX1heYioqF?usp=sharing
[3] - сайт NCBI - Desulfitobacterium metallireducens DSM 15288 chromosome, complete genome
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/NZ_CP007032.1.
[4] - сайт NCBI - директория с данными по бактерии DSM 15288.
ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/000/231/405/GCF_000231405.2_ASM23140