Обзор генома и протеома бактерии Streptomyces fodineus
Автор: М.С. Давитадзе
РЕЗЮМЕ
В данном обзоре я провела анализ нуклеотидной последовательности генома Streptomyces fodineus, проанализировала разнообразие генов в геноме и их местоположение. Данные, полученные мной в этой работе, соответствуют данным о геноме Streptomyces fodineus из других источников.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
SRP-частица - signal recognition particle, частицы распознавания сигнала
1. ВВЕДЕНИЕ
Бактерии рода Streptomyces относятся к актинобактериям. Это грамположительные аэробные нитевидные бактерии. Для них характерны следующие признаки: ДНК с повышенным содержанием гуанина и цитозина, жирные кислоты с сильно разветвленными цепочками и наличие LL-диаминопимелиновой кислоты в клеточной стенке. Эти бактерии образуют обильно ветвящийся мицелий и цепочки спор. Они являются основными представители почвенных бактерий. Штамм Streptomyces fodineus был выделен из образца кислой почвы, взятого возле шахты. Эти бактерии образуют бело-серый или желтовато коричневый воздушный мицелий и серо-белый субстратный мицелий, споры их гладкие. Они также продуцируют противогрибковые ве-щества. Streptomyces fodineus устойчивы к пенициллину, ампициллину и хлорамфениколу [1].
В данной работе я поставила перед собой следующие цели: проанализировать нуклеотидную последовательность генома Streptomyces fodineus, выяснить, какие гены в нем закодированы, а также проанализировать гены, кодирующие белки.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для обработки данных я пользовалась электрон-ными таблицами “Google таблицы”, языком программирования Python 3, а также командной оболочкой Bash.
С помощью написанного мной на Python скрипта (сопроводительные материалы, пункт 1), я вычислила длину нуклеотидной последовательности генома. Также с помощью Bash я посчитала число нуклеотидов в геноме (сопроводительные материалы, пункт 2) и количество димеров (сопроводительные материалы, пункт 3) каждого типа, а также их процент от общего числа. Я вычислила GC-состав, используя фор-мулу: GC(%) = ((G+C)L)100 где L - это число всех нуклеотидов одной цепи ДНК: A+T+G+C (табл.1).
Анализ геновС помощью функции СЧЁТЕСЛИ Google таблиц я нашла число генов разных типов и посчитала их общее количество, а также нашла процент каждого типа от общего числа генов. Также с помощью функции СЧЁТЕСЛИМН я вычислила процент генов, закодированных на + и - цепях ДНК.
Анализ длин белковС помощью функции Google таблиц ЕСЛИ я составила таблицу длин белков Streptomyces fodineus в аминокислотных остатках. На ее основе япостроила гистограмму. Также с помощью фун-кций МАКС и МИН я нашла самый длинный и самый короткий белок, среднюю длину белков (с помощью функции СРЗНАЧ) и медианное значение длин белков (функция МЕДИАНА).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Анализ нуклеотидной последовательности ДНК
Длина генома Streptomyces fodineus - 9 698 948 пар нуклеотидов. В геномной последовательности встречаются только буквы A, T, G и C - нуклеотиды аденин, тимин, гуанин и цитозин. При этом число аденинов примерно равно числу тиминов, а число гуанинов примерно равно числу цитозинов (табл.1). Гуанин и цитозин составляют 71% от общего числа нуклеотидов ДНК. Также оказалось, что наиболее часто в геноме встречаются димеры CG (14%), а самые редкие димеры - TA (1%) (табл.2).
Всего в геноме Streptomyces fodineus 8714 генов,при этом большую их часть составляют гены, кодирующие белки (92%). Также в геноме присутствуют псевдогены, составляющие 7% от общего числа генов. Генов же, кодирующих РНК, в геноме всего 1,03% (в т.ч. 0,79% тРНК и 0,21% рРНК) (табл.3). Выяснилось, что на - цепи содержится в целом больше генов (52%), чем на + цепи. При этом на+ цепи больше генов, кодирующих рРНК, а также есть гены тмРНК, SRP-частицы и РНКазы P, которых нет на - цепи (табл.4).
Анализ длин белковВ среднем длина белков составляет 328 аминокислотных остатков, медианное значение при этом равно 278. Самый длинный белок Streptomyces fodineus состоит из 6145 аминокислотных остатков, а самый короткий - из 17 (рис.1, сопроводительные материалы, таблица protein_length).
4. ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты, полученные мной в результате работы, совпали с уже имеющимися данными о геноме Streptomyces fodineus: геном этих бактерий состоит из 9 698 948 пар нуклеотидов, в нем всего 8714 генов, 7997 из которых кодируют белки [5]. В результате проведения исследования я выяснила, что в последовательности одной цепочки геномной ДНК Streptomyces fodineus число аденинов примерно равно числу тиминов, а число гуанинов приблизительно равно числу цитозинов, а это значит, что для генома этой бактерии выполняется второе правило Чаргаффа. В ходе работы я также выявила, что доля гуанина и цитозина в геноме - 71%, что совпадает со значением GC-состава ДНК Streptomyces fodineus, полученным в других исследованиях [1]. Вероятно, такой высокий процент этихнуклеотидов связан с тем, что для данного штамма важно, чтобы ДНК была более устойчива. Гуанин соединен с цитозином тремя водородными связями, в то время как аденин с тимином - двумя, поэтому высокая доля GC-пар делает ДНК более стабильной.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы мне удалось проанализировать нуклеотидный состав генома и найти соотношение нуклеотидных димеров в ДНК Streptomyces fodineus. Также я провела анализ генов, закодированных в геноме и выяснила, какие типы генов в нем присутствуют, а также выявила число генов каждого типа. Кроме того, я посчитала длину генов, кодирующих белки.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Хочу сказать огромное спасибо Андрею Владимировичу Алексеевскому, который учил меня работать с таблицами и наставлял при выполнении данного обзора. Спасибо Андрею Владимировичу за идею проведения подобного исследования. Выражаю благодарность Сергею Александровичу Спирину, Ивану Русинову и всем остальным преподавателям биоинформатики ФББ, благодаря которым я смогла освоить Bash и Python. Без них эта работа также не могла быть выполнена. И, конечно, благодарю своих однокурсников, подавших идеи для исследования генома, которые были частично реализованы в данной работе.
СОПРОВОДИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Документ со скриптами и командами:
https://docs.google.com/document/d/1U6ZJOzQ-7l5UnlePoDfjl71kCNKrtd08ejJVGx-pezQ/edit?usp=sharing
- скрипт для вычисления длины последовательности, написанный на Python;
- команда Bash для подсчета числа нуклеотидов каждого типа;
- команда Bash для подсчета числа нуклеотидных димеров каждого типа;
- список использованных мной функций и методов в Google таблицах. Ссылка на таблицу protein_length с длинами белков и гистограмму длин этих белков: https://docs.google.com/spreadsheets/d/1jDNa79VRHxwNYkK6Z7-bCiH_w9atdRrOffeQf5KLxhk/edit?usp=sharing
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Min-Kyeong Kim, Hye-Jeong Kang, Su Gwon Roh, Ji Sun Park, Seung Bum Kim, Streptomyces fodineus sp. nov., an actinobacterium with antifungal activity isolated from mine area soil, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 69:1350–1354, 2019.
Директория с данными о геноме Streptomyces fodineus на сайте NCBI ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCF/001/735/805/GCF_001735805.1_ASM173580v1
Страница сайта NCBI со сведениями о геноме Streptomyces fodineus https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCF_001735805