Мини-обзор генома и протеома бактерии Vibrio panuliri

Купцова Дарья

Факультет биоинженерии и биоинформатики, МГУ, Москва, Россия

Введение

Vibrio panuliri — вид морской бактерии из семейства Vibrionaceae. Она была выделена из яиц лангуста (Panulirus penicillatus), собранных в Андаманском море, Индийский океан, в 2014 году [1]. Бактерия мало изучена, но уже сейчас его относят к группе риска 1 в соответствии с немецкой классификацией прокариот по группам риска, TRBA 466 (группа 1: биологический агент, который с наибольшей вероятностью вызовет заболевание человека) (S1).

Классификация бактерии (S2):
Суперцарство: Bacteria
Царство: Pseudomonadati
Тип: Pseudomonadota
Класс: Gammaproteobacteria
Порядок: Vibrionales
Семейство: Vibrionaceae
Род: Vibrio
Вид: Vibrio panuliri

Материалы и методы

Из NCBI были загружены: нуклеотидная последовательность генома, нуклеотидная последовательность CDS генов, нуклеотидная последовательность РНК генов, таблица характеристик генома. Ссылка на сайт, с которого были загружены файлы представлены в разделе «Список литературы» (S3).

С помощью функции Google sheets (СЧЁТЕСЛИМН) построена гистограмма длин белков (S4 и Рисунок 1).

С помощью команд bash (grep, cut, sort, uniq) была извлечена таблица со всеми старт-кодонами бактерии и таблица старт-кодонов псевдогенов. Далее с помощью функций Google sheets (ЕСЛИОШИБКА, ВПР, -) построена диаграмма количества старт-кодонов (S5 и Рисунок 2).

С помощью программы Python 3.11 (использованные команды: input, with, for, if/else, list, set, sort, append, print, split, методы для словарей, списков, строк) получен файл с перечислением последовательностей тРНК, их количеством и аминокислотами, которые переносят последовательности (S6). Далее с помощью Google sheets были построены таблицы соответствующие данным файла (S7, Таблица 1, Таблица 2, Таблица 3, Таблица 4, Таблица 5).

Результаты

Длина белков, закодированных в геноме Vibrio panuliri

Как видно из гистограммы (Рисунок 1), преимущественно днина белков составляет до 900 аминокислот. При большем количестве аминокислот в белке, количество соответствующих белков сокращается. В диапазон более 1300 и до максимальной длины белка (4926) попадают лишь 17 белков (один белок на каждые 213 значений). Пик значений приходится на диапазон 100-300.

Рисунок 1: Гистограмма распределения длин белков (карман гистограммы — полуинтервал, в который попали числа массива)

Старт-кодоны

Как видно из диаграммы (Рисунок 2) большинством старт-кодонов в геноме Vibrio panuliri является кодом ATG, соответствующий аминокислоте метионин, который является наиболее распространенным старт-кодом. Другие кодоны (GTG и TTG) являются альтернативными старт-кодонами. Находясь в середине кодирующей последовательности они кодирую соответствующие аминокислоты, но находясь в начале альтернативные кодоны соответствуют стартовому метионину. Это происходит, потому что альтернативный старт-кодоны частично комплементарны антикодону инициирующей аминоацил-тРНК (CAT). Остальные старт-кодоны (ATT, ATC, ATA и CTG) являются «слабыми» старт-кодонами и выполняют свою стартовую функцию в комбинации с «сильными» последовательностями и элементами, способствующими трансляции.

Рисунок 2: Диаграмма, описывающая количество различных старт-кодонов.

Аминокислоты, переносимые тРНК

Как видно из таблицы 1 всего последовательностей тРНК 111, различных лишь 45, из чего можно сделать вывод о неравном количестве различных последовательностей, это также описано в таблице 4. Наиболее частые аминокислоты, переносимые тРНК — Leu и Gly, наименее частые — His и Trp (Таблица 2).

Изучая таблицу 3 можно заметить что аминокислота Asp переносятся 5-ю последовательностями, но все они одинаковые, хотя аминокислота Asp может быть закодирована двумя различными триплетами (GAU, GAC). Из этого наблюдения можно сделать вывод о том, что при трансляции у бактерии Vibrio panuliri имеет место wobble-взаимодействие (основание на 5'’-конце антикодона не ограничивается пространственно двумя другими основаниями, что позволяет развивать водородные связи с другими основаниями, присутствующими на 3'’-конце кодона, то есть одна тРНК может соединятся с несколькими иРНК). Схожий вывод можно сделать об аминокислотах Ala, Asn, Cys, Gln, Lys исходя из данных представленных в таблице 3.

Далее информация описанная в таблицах 4 и 5, возможно ошибочная, однако в процессе изучения последовательностей переносящих аминокислоты Glu и Phe, было замечено незначительное расхождение в последовательностях (выделено в таблицах). Из этого расхождения можно предположить, что в этих последовательностях произошли мутации, а именно в одной из четырёх последовательностей тРНК, переносящих аминокислоту Glu, произошла одна инсерция (добавился один нуклеотид) и в одной из трех последовательностей тРНК, переносящих аминокислоту Phe, произошла одна трансверсия(замена пиримидинового основания на пуриновое основание) и одна транзиция (замена пуринового основания на другое пуриновое основание). Однако эти мутация предположительно не повлияли на антикодон. Для подтверждения предположения необходимо найти в последовательности сам антикодон, что на данных момент не представляется возможным.

Таблица 1. Статистические данные о последовательностях тРНК
Количество аминокислот Количество различных последовательностей Всего последовательностей
20 45 111
Таблица 2. Количество аминокислот, переносимых тРНК
Аминокислота Количество последовательностей, переносящих аминокислоту Аминокислота Количество последовательностей, переносящих аминокислоту
Ala 8 Leu 13
Arg 9 Lys 3
Asn 4 Met 8
Asp 5 Phe 3
Cys 4 Pro 4
Gln 5 Ser 7
Glu 4 Thr 6
Gly 10 Trp 2
His 2 Tyr 3
Ile 6 Val 5
Таблица 3. Количество различных последовательностей, переносящих различные аминокислоты
Аминокислота Количество различных последовательностей, переносящих аминокислоту Аминокислота Количество различных последовательностей, переносящих аминокислоту
Ala 3 Lys 3
5 Met 1
Arg 1 3
4 4
3 Phe 2
1 1
Asn 4 Pro 3
Asp 5 1
Cys 4 Ser 4
Gln 5 1
Glu 3 2
1 Thr 2
Gly 8 2
1 1
1 1
His 1 Trp 2
1 Tyr 2
Ile 5 1
1 Val 3
Leu 1 1
7 1
2
1
2
Таблица 4. Различные последовательности, переносящие аминокислоту Glu (глутаминовая кислота)
Аминокислота Последовательности, переносящие аминокислоту Количество последовательностей, переносящих аминокислоту
Glu GTCCCGTTCGTCTAGAGGCCTAGGACACCGCCCTTTCACGGCGGTAACAG
GGGTTCGACTCCCCTACGGGATACCA		 3
GTCCCGTTCGTCTAGAGGCCTCAGGACACCGCCCTTTCACGGCGGTAACA
GGGGTTCGACTCCCCTACGGGATACCA		 1
Таблица 5. Различные последовательности, переносящие аминокислоту Phe (фенилаланин)
Аминокислота Последовательности, переносящие аминокислоту Количество последовательностей, переносящих аминокислоту
Phe GCCCGGATAGCTCAGTCGGTAGAGCAGAGGATTGAAAATCCTCGTGTCGG
TGGTTCGATTCCGCCTCCGGGCACCA		 2
GCCTCGATAGCTCAGTCGGTAGAGCAGAGGATTGAAAATCCTCGTGTCGG
TGGTTCGATTCCGCCTCGAGGCACCA		 1

Сопроводительные материалы

  1. Виды: Vibrio panuliri - ссылка на страницу [2], откуда взята дополнительная информация о бактерии.
  2. Vibrio panuliri - NCBI - NLM - ссылка на таксономию Vibrio panuliri.
  3. Index of /genomes/ - ссылка на сайт с которого взяты последовательности генома.
  4. CDS from genome of Vibrio panuliri - таблица с гистограммой распределения длин белков.
  5. Start codons - таблица с диаграммой, показывающей количество различных старт-кодонов.
  6. tRNA.py - программа для определения аминокислот, переносимых последовательностями тРНК, и подсчете различных последовательностей тРНК.
  7. tRNA - таблицы с информацией об аминокислотах, переносимых тРНК

Список литературы

  1. Kumari P, Poddar A, Schumann P, Das SK. Vibrio panuliri sp. nov., a marine bacterium isolated from spiny lobster, Panulirus penicillatus and transfer of Vibrio ponticus from Scophthalmi clade to the newly proposed Ponticus clade. Res Microbiol. 2014 Dec;165(10):826-35;
  2. Parte, A.C., Sardà Carbasse, J., Meier-Kolthoff, J.P., Reimer, L.C. and Göker, M. (2020). List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (LPSN) moves to the DSMZ. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 70, 5607-5612