Факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В.Ломоносова
Контакты: nikitka1369@kodomo.fbb.msu.ru
Краткое содержание: В данной работе представлен анализ особенностей генома бактерии Acinetobacter calcoaceticus с помощью базовых инструментов биоинформатики.
Ключевые слова: геном, ген, белок, длина белка, Acinetobacter calcoaceticus.
1. Введение
Стоит сказать пару слов об особенностях самой бактерии. Acinetobacter calcoaceticus - представитель рода Acinetobacter , в который входят патогенные бактерии, привлекшие внимание трудящихся в сфере медицины тем, что представители многих видов из этого рода поселяются в больницах и поликлиниках и очень быстро приобретают устойчивость к различным, даже самым новым антибиотикам. Заражение Acinetobacter calcoaceticus может происходить путём контакта с контаминированными инструментами или заражёнными, заражение может приводить к пневмонии и системным заболеваниям. Представители вида Acinetobacter calcoaceticus могут разлагать ароматические соединения, в том числе охратоксин А [1]. Также бактерии данного вида способны к образованию биоплёнок путём продукции эмульсана [2]. По своей морфологии бактерии представляют грам-отрицательные палочки, способные собираться в дипло- и стрептобациллы. Биохимические особенности: способны разлагать глюкозу до кислот, каталазо-положительные и оксидазо-отрицательные, большинство представителей (до 79% колонии) способно к синтезу уреазы [3].
Таксономическое положение бактерии:
Домен: Бактерии
Тип: Протеобактерии
Класс: Гамма-протеобактерии
Порядок: Pseudomonadales
Семейство: Moraxellaceae
Род: Ацинетобактеры
Вид: Acinetobacter calcoaceticus
2. Материалы и методы
Информация о протеоме и геноме бактерии была получена из файлов, указанных в сопроводительных материалах. Вычислительные исследования на основе этих данных выполнялись с помощью приложения для работы с электронными таблицами Google Sheets.
1. Подсчет количества белков определенной длины был осуществлен с помощью построения гистограммы в Google Sheets.
2. Определение количества РНК разных типов было осуществлено с помощью Google Sheets и необходимых инструментов (фильтр).
3. Данные о пересечении генов белков были получены с помощью Google Sheets и необходимых инструментов (фильтр).
4. Исследование межгенных промежутков было проведено с помощью Google Sheets и необходимых инструментов (фильтр).
5. Распределение генов на прямой и обратной цепях было исследовано с помощью Google Sheets и необходимых инструментов (фильтр).
3. Результаты
3.1 Распределение длин белков
Геном Acinetobacter calcoaceticus содержит 1855 белок-кодирующих генов на хромосоме и 7 белок-кодирующих генов на плазмиде рСА16. Длина белка варьируется от 24 (предшественник пептида PqqA, ответственного за синтез кофактора метилотрофных бактерий - пирролохинолин хинона [4,5]) до 4179 (phage tail protein) аминокислот (рис.1). Средняя длина белка - 310 аминокислот, то есть преобладают белки меньшей длины. Большинство белков имеет размер от 100 до 500 аминокислот, есть несколько больших белков (>1000 аминокислот). Длина белка в теории может влиять на сложность его структуры: чем больше белок, тем в более сложные структуры он способен сворачиваться. Исходя из данной гистограммы, можно сделать вывод, что большая часть белков моей бактерии не может содержать большое количество доменов в своей структуре, но встречается небольшое количество белков, которые способны сворачиваться в сложные структуры, возможно, иметь в своём составе несколько субъединиц.
3.2 Определение количества РНК разных типов
В протеоме бактерии присутствует 85 генов, кодирующих РНК. Распределение генов по классам РНК показано ниже (рис. 2):
1. транспортная РНК (tRNA) - 65 генов, все расположены на хромосоме;
2. рибосомная РНК - 18 генов, все расположены на “хромосоме”;
3. некодирующая РНК - 1 ген, расположен на “хромосоме”;
4. траспортно - матричная РНК - 1 ген, расположен на “хромосоме”.
Из полученных результатов заметно, что все гены, кодирующие РНК, располагаются на хромосоме. Таким образом, хромосома бактерии «самодостаточна» в контексте содержащихся на ней генов РНК и не зависит от плазмиды рСА16. Интересно, что 1 некодирующая РНК имеет размер 6S (помечена в таблице как 6S RNA). Согласно статье, найденной в Интернете, она выполняет функцию регуляции транскрипции [7].
3.3 Распределение генов на прямой и обратной цепях
Были получены сведения о количестве генов на прямой и обратной цепях. Их количество различается - на прямой цепи находится 52.2% генов, а на обратной - 47.8%. В целом, данное различие в распределении генов по цепям похоже, по моему мнению, на вполне нормальное. То, что обе цепи несут примерно одинаковое количество генов, может указывать на то, что обе цепи, вероятно, грубо говоря, играют примерно одинаково значимую роль в жизни бактерии.
3.4 Данные о межгенных участках
Были получены данные о межгенных участков для генов белков данной бактерии (рис. 3). Видно, что большая часть межгенных участков составляет менее 500 нуклеотидов, однако есть и такие, длина которых более 5000. Самый длинный межгенный участок составляет 49094 нуклеотида (на “-“-цепи между двумя белками, обозначенными как hypothetical protein). Средняя длина межгенного участка составляет 1159 нуклеотидов. В целом, наличие такого большого количества межгенных участков малого размера говорит о том, что геном бактерии довольно компактный и плотный в контексте кодирующих последовательностей. Однако интересно, что даже в таком компактном геноме находятся белки, пусть и гипотетические, находящиеся на большом расстоянии друг от друга (целых 49094 нуклеотидов!)
3.5 Данные о пересечениях генов белков
Также были получены данные о пересечениях генов белков (рис. 4). Заметно, что большая часть пересечений, казалось бы, довольно незначительная и составляет не более, чем 6 нуклеотидов. Самое большое пересечение составляет 64 нуклеотида. Так, можно заметить, что в геноме довольно большое количество генов белков пересекается друг с другом, но не сильно. Это может свидетельствовать о том, что Acinetobacter calcoaceticus , вероятно, присуща оперонная организация генома [6].
4. Сопроводительные материалы
1) S1. Таблица геномных особенностей из NCBI: /home/students/y23/nikitka1369/term1/genome/GCF_002055515.1_ASM205551v1_feature_table.txt
2) S2. Нуклеотидная последовательность бактерии из NCBI в формате FASTA: /home/students/y23/nikitka1369/term1/genome/GCF_002055515.1_ASM205551v1_genomic.fna
3) S3. Геномная таблица особенностей (в том числе таблица РНК, белков и гистограммы): Геномная таблица особенностей
5. Благодарности
Хочется выразить благодарность всему коллективу преподавателей биоинформатики на ФББ за помощь и отзывчивость в течение текущего семестра.
6. Литература и дополнительные источники
1. E. Bergogne-Bérézin, Bacteria: Acinetobacter , Encyclopedia of Food Safety Volume 1, 2014, Pages 337-341
2. Sonica Sondhi, Chapter 3 - Application of biosurfactant as an emulsifying agent, Applications of Next Generation Biosurfactants in the Food Sector 2023, Pages 43-56
3. Thomas J. Inzana, 14 - Miscellaneous Glucose-Nonfermenting Gram-Negative Bacteria, Diagnostic Procedure in Veterinary Bacteriology and Mycology (Fifth Edition) 1990, Pages 165-176
4. D. Laudert, H.-P. Hohmann, 3.50 - Application of Enzymes and Microbes for the Industrial Production of Vitamins and Vitamin-Like Compounds, Comprehensive Biotechnology (Second Edition) Volume 3, 2011, Pages 583-602
5. Robert B. Rucker, James Morris, Andrea J. Fascetti, Chapter 23 - Vitamins, Clinical Biochemistry of Domestic Animals (Sixth Edition) 2008, Pages 695-730
6. Wikipedia - Operon
7. Wikipedia - 6S RNA