Мини-обзор генома бактерии Legionella sainthelensi

Котельникова Арина Александровна
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова,
Факультет Биоинженерии и биоинформатики
Контакты: arina.kotelnikova06@gmail.com

Введение

Legionella sainthelensi — грамотрицательная, неспорообразующая и некислотоустойчивая бактерия, обнаруженная в пресной воде близ штата Вашингтон после извержения вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980 года. Она является возбудителем Понтиакской лихорадки (клинический вариант легионеллёза), симптомами которой являются кашель, боль в горле, лихорадка и головная боль. Длительность заболевания составляет 4–5 дней [1].

Таблица. Таксономия бактерии Legionella sainthelensi согласно данным NCBI [2].

Информация о таксономии бактерии Legionella sainthelensi заимствована из базы данных NCBI [2].

Материалы и методы

Ознакомительные сведения о бактерии были заимствованы из статьи NCBI [1]. Данные о геноме бактерии были взяты из электронной базы NCBI [3] и обработаны с помощью Google Sheets (1), (2), (3), (4). Данные для диаграммы процентного содержания аминокислот (4) были вычислены с помощью программы, написанной на языке программирования Python (5).

Результаты

1. Гистограмма длин белков

На данной гистограмме видно, что длины белков у бактерии небольшие. Наибольшее число белков в количестве 444 содержит от 100 до 150 аминокислот.

Преобладание белков с небольшим количеством аминокислотных остатков может быть связано с минимизацией затрат энергии бактерией на создание более длинных белков.

Как можно заметить, на промежутке от 0 до 50 аминокислот приходится сравнительно маленькое количество белков: 39. Можно выдвинуть предположение: маленькое количество аминокислот в белках, синтезируемых бактерией, приводят к ошибкам трансляции, что, в свою очередь, служит причиной мутаций.

2. Таблица числа генов белков и генов разных типов РНК для каждого репликона

Табл. 1. Распределение белков и генов разных типов РНК для каждого репликона бактерии Legionella sainthelensi

Количество белков, закодированных в плазмидах составляет всего 7,14% от количества белков, закодированных в хромосоме.

Наименьшая доля среди всех видов РНК на хромосоме принадлежит транспортно-матричной РНК, информация о которой в хромосоме содержится только в единственном экземпляре, и составляет всего 1,56%.

Наибольшая же доля принадлежит транспортной РНК и составляет 75%.

Доля генов, кодирующих рибосомальную РНК и некодирующую РНК составляют всего лишь 18,75% и 4,69% от общего количества РНК.

3. Гистограмма длин промежутков между кодирующими последовательностями

По рисунку 2 можно сделать вывод, что самое большое число пар нуклеотидов в размере 677 приходится на длину промежутков между кодирующими последовательностями от 0 до 70 нуклеотидов.

Межгенными участками являются некодирующие последовательности между экзонами, которые регулируют транскрипцию. На гистограмме есть большие некодирующие зоны. Это можно объяснить тем, что в геноме есть повторяющиеся последовательности ДНК (например последовательность Шайна – Дальгарно), отвечающие за начало транскрипции в РНК.

4. Гистограмма GC-состава

По рисунку 3 можно сделать вывод, что среднее значение содержания GC находится приблизительно в районе 37–39%, что является типичным для многих бактерии.

Если рассматривать крайние части гистограммы, то можно заметить очень низкое содержание CDS в пределах от 23,55% до 29% и от 45% до 54%, что может быть обосновано тем, что гены с таким маленьким содержанием GC могут отвечать за специфические функции. Также это может быть связано с тем, что эти области содержат регуляторные элементы, такие как промоторы, терминаторы транскрипции или сайты связывания белков, которые важны для контроля экспрессии генов, но не кодируют белки.

5. Диаграмма процентного содержания всех аминокислот, закодироанных в геноме

В результате анализа рисунка 4 можно заметить, что наибольшая доля относительно общего количества аминокислот, закодированных в геноме, принадлежит лейцину (10,8%). Лейцин в свою очередь усиливает метаболическую активность [4]. На основе этого можно сделать вывод, что у Legionella sainthelensi хорошо развитый и быстрый метаболизм.

Вторым по процентному содержанию идет изолейцин (7,6%). Он не только, как и лейцин, является регулятором метаболических процессов, но также и помогает приспосабливаться бактериям в условиях изменений окружающей среды [5], что является признаком высокой живучести бактерии Legionella sainthelensi.

Используемая литература

[1] Applied and Environmental Microbiology, Feb. 1984, p.369-373 Vol. 47, No. 2 “Legionella sainthelensi: A New Species of Legionella Isolated From Water Near Mt. St. Helens” Joyce Campbell, Jack Allard
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/instance/239676/pdf/aem00159-0155.pdf

[2] National Library of Medicine. Таксономия Legionella sainthelensi
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/taxonomy/tree/?taxon=28087

[3] CDS from genomic, Feature table, Translated CDS Legionella sainthelensi
https://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/002/848/365/GCF_002848365.2_ASM284836v2

[4] American Society For Microbiology, 4 September, 2018, Volume 8 “Branching Out: Alterations in Bacterial Physiology and Virulence Due to Branched-Chain Amino Acid Deprivation” Julienne C. Kaiser, David E. Heinrichs
https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.01188-18

[5] Journal eLife, 24 Aug, 2020 “Underground isoleucine biosynthesis pathways in E. coli” Charles AR Cotton, Iria Bernhardsgrutter
https://elifesciences.org/articles/54207

Сопроводительные материалы

(1) Гистограмма длин белков
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1boxt2ia9dqJwmZ3zvKF4zCidNmdjXyxumq56OitrdB8/edit?usp=sharing

(2) Гистограмма длин промежутков между кодирующими последовательностями Legionella sainthelensi
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1IjRvRbpTItSt3-02AqaCrZWudGDE6Jd0lzYhSGDtufw/edit?usp=sharing

(3) Гистограмма GC-состава Legionella sainthelensi
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1d2EM4bPc53af_4os5JP2xYBWjH6yHUeZ2nVEVxkvuAg/edit?usp=sharing

(4) Диаграмма частот аминокислот в геноме Legionella sainthelensi
https://docs.google.com/spreadsheets/d/13Fg2evXNkdhUG7o2ZQ1wFB7-ozWsOG-S-sODkaSve24/edit?usp=sharing

(5) Программа Python для вычисления процентного содержания аминокислот
https://colab.research.google.com/drive/1bvmFa9Eg-5pPtIf-C3eDj1JFQIBzmgW7?usp=sharing