Выравнивание геномов

На данной странице представлено выполнение первого задания десятого практикума третьего семестра.

Карта сходства хромосом двух родственных бактерий

Для выполнения задания были взяты геномы организмов Helicobacter pylori oki128 и Helicobacter pylori SouthAfrica7.

Helicobacter pylori - спиралевидная грамотрицательная бактерия, обитающая в желудке и двеннадцатиперстной кишке млекопитающих, в том числе и человека. Такие заболевания, как гастрит, дуоденит, язвы желудка и двеннадцатиперстной кишки, а так же рак желудка часто ассоциированы с инфицированием данной бактерией. Тем не менее, не все штаммы являются патогенными, и большинство людей являются бессимптомными носителями Helicobacter pylori. Считается, что патогенность штама зависит от наличия островка патогенности cag. Этот островок патогенности имеет длину около 40 К и содержит более 40 генов. При этом, судя по уже известным геномным картам различных патогенных штаммов, расположение этого островка вариабельно.

Для сравнения выбранных геномов был запущен алгоритм blastn для выравнивания 2 последовательностей (blast2seq), алгоритм работал с параметрами по умолчанию. В выдаче алгоритма есть карта локального сходства геномов бактерий (рисунок 1) - изображение, наглядно представляющее соответствие участков генома одной бактерии участкам генома другой бактерии. Такая карта отражает крупные эволюционные события, такие как вставки, делеции, транслокации, инверсии.

Рисунок 1. Карта локального сходства геномов Helicobacter pylori oki128 и Helicobacter pylori SouthAfrica7. По оси X отложены номера оснований штамма oki128, по оси Y - номера оснований штамма Southafrica7.

Для двух одинаковых последовательностей такая карта будет представлять собой диагональную линию. А отклонения от такой картины как раз и отражают эволюционные события (рисунок 2).

Рисунок 2. Карта локального сходства геномов Helicobacter pylori oki128 и Helicobacter pylori SouthAfrica7. Фиолетовыми рамками отмечены транслокации, голубыми рамками - инверсии, а оранжевыми и красной - места делеций/вставок.

На рисунке выше видно, что фрагмент, соответствующий начальному участку хромосомы Helicobacter pylori oki128 (примерно до 50 К) находится в самом конце хромосомы Helicobacter pylori SouthAfrica7 в инвертированном виде. Еще два инвертированных участка находятся на конце хромосомы и соответствуют участкам с координатами примерно 1250-1400 К и 1450-1500 К Helicobacter pylori oki128. Эти участки разделены небольшим фрагментом, который не инвертировался, но при этом в нем наблюдается небольшая делеция/вставка. Учитывая, что хромосома Helicobacter pylori представлена кольцевой молекулой ДНК, можно предположить, что на самом деле, все эти инверсии связаны между собой, и это один большой участок инверсии, в центре которого есть небольшой неинвертированный фрагмент. При этом можно заметить, что такой гипотетический участок окружен транслоцированными фрагментами одинаковой длины около 50 К.
Также на участке примерно 900-1000 К можно заметить два небольших участка делеции либо вставки.
Важно отметить, что по такой схеме мы не можем понять, в каком из двух геномов произошла инверсия, транслокация, вставка или делеция.

В статье, посвященной штамму Helicobacter pylori SouthAfrica7 указано, что геном этой бактерии не несет островок патогенности. В то же время, про штамм Helicobacter pylori oki128 известно, что он является патогенным и был выделен у пациента с атрофией слизистой жедудка. Таким образом, возможно, делеция, отмеченная красной рамкой отвечает за утрату каких-то генов островка патогенности штаммов Helicobacter pylori SouthAfrica7, хотя этот участок и заметно короче, чем 40 К.