Мини-обзор генома бактерии Humibacter sp. BT305

В данном мини-обзоре анализируется геном и протеом грамположительной бактерии Humibacter sp. BT305. Обзор носит описательный характер, результаты по возможности подкрепляются биоинформатическими закономерностями.

Таксономия: cellular organisms; Bacteria; Actinomycetota; Actinomycetia; Micrococcales; Microbacteriaceae; Humibacter; Humibacter sp. BT305.

Род Humibacter был впервые предложен Ваз-Морейрой и соавторами [1], а типовым видом был Humibacter albus. Этот род относится к семейству Microbacteriaceae типа Actinobacteria, а Humibacter sp. были выделены из широкого спектра природных источников: компост из осадка сточных вод [1], древесная стружка агарового дерева [2], образцы почвы из естественных пещер [3], места гнездования белой цапли [4], почвы сельскохозяйственных полей [5].

Представители рода Humibacter являются аэробами, грамположительными, подвижной или неподвижной формы, имеют короткую палочковидную форму. Их клетки содержат орнитин и 2,4-диаминомасляную кислоту (DAB) в составе пептидогликана клеточной стенки, N-ацетилированный муреин и основные менахиноны (MK) 11 и 12 [1–5]. Геномный анализ близкородственных родов (например, Leifsonia), принадлежащих к семейству Microbacteriaceae, показал, что эти микробы могут способствовать росту растений [6] и устойчивости к тяжёлым металлам [7], что позволяет предположить их применение в сельском хозяйстве.

Бактерия Humibacter aquilariae BT305 была выделена из тонкого кишечника взрослого кастрированного крупного рогатого скота мясного направления. Содержимое подвздошной кишки было взято на местной бойне (Гунви-Гун, Южная Корея). Протокол исследования был одобрен институциональным наблюдательным советом Университета Кюнг Хи [KHUASP, (SE)-17-026], и эксперименты проводились в соответствии с руководящими принципами ARRIVE [8]. Изолят культивировали на агаре для инфузии мозгового вещества (BHI) (Бектон, Дикинсон, Франклин Лейкс, Нью-Джерси, США) в аэробных условиях в течение 36 ч при температуре 30°C.

Цель настоящего мини-обзора — описать основные особенности организации генома и протеома Humibacter sp. BT305 на основе аннотаций NCBI и простых биоинформатических анализов. В работе рассматриваются:

• Распределение длин белков в протеоме;
• Определение самых частых аминокислот в протеоме;
• Распределение расстояния между РНК-генами;
• Подсчёт количества стоп-кодонов в CDS.

Последовательность генома и аннотированные списки генов Humibacter sp. BT305 были получены с сайта NCBI (National Center for Biotechnology Information) в формате GenBank/таблиц особенностей [9]. На их основе сформированы рабочие таблицы, содержащие координаты CDS, длины генов и белков, а также текстовые аннотации.

При помощи электронных таблиц было вычислено распределение белков по длине аминокислотных остатков (см. Рис. 1). Длины белков бактерии Humibacter sp. BT305 в основном лежат в диапазоне 60–660 аминокислот; белки длиной более 660 встречаются реже, а случаи белков длиной свыше 1140 единичны (всего 34). Наибольшее число белков имеют в своём составе 120–360 аминокислотных остатков. Самый длинный белок состоит из 2549 аминокислот, самый короткий — из 22.

На диаграмме видно: аминокислот с длиной менее 60 немного, затем, после резкого возрастания количества длин белков в диапазоне 60–360, происходит постепенное снижение числа белков с большей длиной.

У Humibacter sp. BT305 большое количество длинных белков — для обычных бактерий это редко. Можно предположить, что это связано с тем, что бактерии необходимы крупные ферменты для расщепления сложных органических соединений, так как она встречается в разных природных источниках.

В ходе исследования было подсчитано, сколько раз каждая аминокислота встречается в протеоме. Также была найдена доля в процентах относительно общего количества аминокислот (см. Табл. 1). Была построена круговая диаграмма на основе процентного содержания аминокислот в протеоме (см. Рис. 2).

Особенностью протеома Humibacter sp. BT305 является высокое содержание гидрофобных аминокислот — аланина (13,31%), лейцина (10,17%), валина (9,15%) и глицина (9,02%). Такая структура типична для бактерий с высоким GC-составом генома (70,8%), относящихся к актинобактериям. Богатство гидрофобных остатков указывает на наличие у бактерии большого количества мембранных и структурно плотных ферментов, что согласуется с её обнаружением в почве, древесине и кишечнике животных — экосистемах со сложными органическими субстратами.

Отметим, что селеноцистеин отсутствовал в протеоме бактерии.

В ходе исследования были построены гистограммы расстояний между РНК-генами для каждого их типа.

тРНК-гены

Исследование расстояний между тРНК-генами в геноме Humibacter sp. BT305 (Рис. 3) показало крайне неравномерную и разреженную структуру их расположения. Расстояния между соседними тРНК-генами варьируют в чрезвычайно широком диапазоне — от десятков нуклеотидов (87–102 п. н.) до значений, превышающих 400 000–500 000 п. н. Можно предположить, что такое разнообразие интервалов свидетельствует о том, что тРНК-гены образуют характерные для быстрорастущих бактерий кластеры и распределены по геному рассеянно, вставляясь в структуру хромосомы единичными элементами.

У многих активных и быстрорастущих бактерий тРНК-гены часто организованы в компактные группы по 5–10 генов, что обеспечивает высокую скорость синтеза белка и позволяет быстро наращивать рибосомальный аппарат при переходе в фазу интенсивного роста. В случае Humibacter sp. BT305 мы видим противоположную ситуацию: тандемных групп почти нет, а огромные промежутки между отдельными копиями тРНК-генов указывают на низкую потребность клетки в ускоренной трансляции и на ориентацию на медленный темп роста.

рРНК-гены

Анализ расстояний между рибосомальными генами (рРНК) в геноме Humibacter sp. BT305 (Рис. 4) показывает характерную для актинобактерий структуру, свидетельствующую о наличии нескольких рРНК-оперонов и умеренной скорости роста организма. Обнаружены две группы коротких расстояний между рРНК-генами (1756 нт и 2734 нт), а также один длинный интервал длиной примерно 450 000 нт.

Можно предположить, что функционально ограниченное число rrn-оперонов накладывает верхний предел на скорость сборки рибосом и, следовательно, на максимально возможную скорость деления клетки. Бактерии, имеющие всего 1–2 rrn-оперона, обычно растут медленно, но проявляют повышенную устойчивость к стрессам и обладают более гибкими метаболическими возможностями.

некодирующие РНК

Анализ генома Humibacter sp. BT305 показывает, что некодирующие РНК (нкРНК) представлены в нём крайне ограниченно. В отличие от тРНК- и рРНК-генов, которые образуют множество интервалов благодаря своей численности, нкРНК обнаружены в аннотации только в виде двух элементов. Это подтверждается тем, что между соседними нкРНК-генами был зафиксирован всего один интервал длиной около 896 000 нт.

Низкая представленность нкРНК характерна для бактерий с относительно простой системой регуляции. В отличие от сложных организмов и бактерий с развитой сигнальной архитектурой — таких как многие патогены или симбионты с плотным взаимодействием с хозяином — представители почвенных и сапрофитных микробных сообществ часто обладают минимальным набором нкРНК. Они используют преимущественно базовые механизмы контроля экспрессии генов и не нуждаются в сложных регуляторных сетях с участием множества малых некодирующих РНК.

Для оценки особенностей генетического кода (в частности, факторов терминации) был проведён анализ терминальных триплетов во всех CDS генома Humibacter sp. BT305 (Табл. 2). Подсчёт выполнялся с помощью программы, написанной на языке Python. Валидный стоп-кодон (TAA, TAG или TGA) содержали 3584 последовательности.

Распределение стоп-кодонов оказалось характерным для актинобактерий с высоким GC-содержанием: доминирующим стоп-кодоном является TGA (78,2%), за ним следуют TAG (18,4%) и редкий TAA (3,4%). Преобладание TGA отражает филогенетические особенности Microbacteriaceae и, вероятно, связано с более высокой функциональной значимостью терминационного фактора RF2, распознающего этот кодон. Низкая частота AT-богатого TAA согласуется с общей тенденцией избегания AT-триплетов в GC-насыщенных геномах.

1. Vaz-Moreira I, Nobre MF, Ferreira AC, Schumann P, Nunes OC, Manaia CM. 2008. Humibacter albus gen. nov., sp. nov., isolated from sewage sludge compost. Int J Syst Evol Microbiol 58:1014–1018.
2. Lin SY, Hameed A, Liu YC, Hsu YH, Hsieh YT, Lai WA, Young CC. 2017. Humibacter aquilariae sp. nov., an actinobacterium isolated from an agarwood chip. Int J Syst Evol Microbiol 67:1468–1472.
3. Lee SD. 2013. Humibacter antri sp. nov., an actinobacterium isolated from a natural cave, and emended description of the genus Humibacter. Int J Syst Evol Microbiol 63:4315–4319.
4. Park J, Kim YR, Kim MK, Jo JH, Im WT, Kim SB. 2016. Humibacter soli sp. nov., isolated from soil. Int J Syst Evol Microbiol 66:2509–2514.
5. Kim EK, Hoang VA, Kim YJ, Nguyen NL, Sukweenadhi J, Kang JP, Yang DC. 2015. Humibacter ginsengiterrae sp. nov., and Humibacter ginsengisoli sp. nov., isolated from soil of a ginseng field. Int J Syst Evol Microbiol 65:2734–2740.
6. Kang SM, Asaf S, Kim SJ, Yun BW, Lee IJ. 2016. Complete genome sequence of plant growth-promoting bacterium Leifsonia xyli SE134, a possible gibberellin and auxin producer. J Biotechnol 239:34–38.
7. Egidi E, Wood JL, Fox EM, Liu W, Franks AE. 2017. Draft genome sequence of Leifsonia sp. strain NCR5, a rhizobacterium isolated from cadmium-contaminated soil. Genome Announc 5:e00520-17.
8. Kilkenny C, Browne WJ, Cuthill IC, Emerson M, Altman DG. 2010. Improving bioscience research reporting: the ARRIVE guidelines for reporting animal research. PLoS Biol 8:e1000412.
9. NCBI Genome Assembly GCF_003347035.1: ftp.ncbi.nlm.nih.gov/…/GCF_003347035.1_ASM334703v1/