S.T.E.W. Mini-Review

Геном Chloracidobacterium thermophilum B. и его свойства

Мини-обзор

Аннотация

Данная статья представляет собой результаты практики в применении различных методов анализа генома на примере бактерии Chloracidobacterium thermophilum B, на основе которых были сделаны выводы о биологических особенностях орагнизма.

Введение

Chloracidobacterium thermophilum B. - грам-отрицательная бактерия-экстремофил, была обнаружена во время секвенирования метагенома биоплёнки в кремнистых горячих источниках Йеллоустонского национального парка, США.^[1] Таксономическое положение бактерии приведено в таблице 1.

Chloracidobacterium thermophilum способна к фотосинтезу, осуществляемый через гомодимерический реакционный центр типа-1^[2], который обычно ассоциируется с анаэробными бактериями, но Chloracidobacterium thermophilum B. относится к микроаэрофилам^[3] (небольшое количество кислорода необходимо для функционирования бактерии), что поднимает вопросы о механизме возникновения у бактерии фотосинтетических свойств.

Геном Chloracidobacterium thermophilum B. был получен из базы данных National Center for Biotechnology Information (NCBI), США.^[S1]

Для анализа использовались инструменты Google Sheets (фильтры и функции), Bash и Python.

Домен	Bacteria
Царство	Pseudomonadati
Тип	Acidobacteriota
Класс	Terriglobia
Порядок	Terriglobales
Семейство	Acidobacteriaceae
Род	Chloracidobacterium
Вид	Chloracidobacterium thermophilum

Таблица 1. Систематическое положение Chloracidobacterium thermophilum B.^[4]

Материалы и методы

Сравнение длин белков, закодированных в геноме Chloracidobacterium thermophilum B.

Для анализа длин белков использовались данные из обзорной таблица генома “feature_table.txt”. Данные были переведены в формат Google Tables, и были изолированы участки, кодирующие белки, с помощью фильтра и затем проанализированы их длины через функцию COUNTIFS, с помощью которой было подсчитано количество белков длиной в диапазоне разницей в 40 аминокислот.^[S2]

Анализ состава репликонов Chloracidobacterium thermophilum B. по числу генов и участков, кодирующих различные типы РНК

Для определения количества репликонов и их состава также были использованы данные “feature_table.txt”. Данные сначала были занесены в Google Tables, затем выделены кодирующие последовательности через фильтр. Количества закодированных белков и различных типов РНК были посчитано через функцию COUNTIF у каждого репликона.^[S3]

Анализ генов, участвующих в фотосинтезе, и сравнение с геномом цианобактерий.

Для определения генов, которые участвуют в фотосинтезе у бактерий, сначала был выделен список белков и соответствующих генов Chloracidobacterium thermophilum B. из таблицы “translated_cds.faa” с помощью командной строки bash.

grep '>' translated_cds.faa > translated_cdsEDITED.faa

Файл translated_cdsEDITED.faa вставили в таблицу ^[S4] как страницу “1.Pure Table”, однако представленные данные были неупорядочены. С помощью фильтров и ручного редактирования страницы мы подставили значения в соответствующие столбцы, получив страницу с понятными данными “2. Edited”. Затем, с помощью фильтра были выделены белки, ассоциированные с конкретными генами в страницу “3.Gene-Associated”.

Получив таблицу с геномом Chloracidobacterium thermophilum B., мы сравнили их со списком генов, необходимых для фотоавтотрофного питания у различных цианобактерий (было проанализировано множество видов), взятых из таблицы другого исследования: S3^[5]. Для этого таблица была скопирована в текстовый документ “genesCiano”, из которого с помощью команды bash мы выделили только столбец с генами.

cut -f 2 genesCiano > genesCianob

Далее геном Chloracidobacterium thermophilum B. был скопирован в текстовый документ “genesCloracida”. Для устранения ненужных символов был использован скрипт GeneEdit.py^[S5].

Затем мы сравнили геном Chloracidobacterium thermophilum B. и гены цианобактерий с помощью скрипта GeneComprare.py[S5], результаты работы которого были записаны на страницу “4. Comparison With Acidobacteria”^[S4]

Результаты

Длина белков, закодированных в геноме Chloracidobacterium thermophilum B.

В ходе анализа генома Chloracidobacterium thermophilum B. была составлена гистограмма длины белков (рис.1).

Судя по гистограмме, наиболее часто встречающаяся длина белков находится в диапазоне 40-590 а.к., а длины белков >40 или <740 встречаются гораздо меньше. После значения 40 а.к. происходит резкий скачок в количестве белков, который достигает пика в 240-340 а.к. и затем количество плавно спадает.

Можно предположить, что белки длиной 40-590 а.к. выполлняют основную работу по поддержании жизнеделятельности клетки, тогда как остальные могут выполнять специфические функции и вследствие, часто не используются.

Тут должна была быть гистограмма... — **Рис.1** Гистограмма длины белков бактерии *Chloracidobacterium thermophilum B.*

Анализ состава репликонов Chloracidobacterium thermophilum B. по числу генов и участков, кодирующих различные типы РНК

Chloracidobacterium thermophilum B. содержит только 2 репликона (далее реп.) в своём геноме, что делает её простой для анализа репликонного состава.

Судя по полученным результатам, реп. 1 имеет более разнообразный состав чем реп. 2: содержит в себе приблизительно в 2,8 раза больше белков и в 11 раз больше тРНК, чем реп. 2;

реп. 1 включает в себя такие виды РНК, как: SPR РНК, рРНК и тмРНК, в то время как данные типы рНК отсутствуют в реп. 2. Это явно свидетельствует, что реп.1 больше участвует в синтезе всех типов РНК, чем реп. 2.

Можно предположить, что реп. 1 служит носителям основной информации, необходимой для жизнедеятельности бактерии. В то время как реп. 2, может нести гены, приобретенные в результате параллельного переноса (как плазмида, накапливающая в себе гены в ходе развития Chloracidobacterium thermophilum B.), что объясняет её отдельное существование от реп. 1.

Таблица 2. Состав репликона 1 Chloracidobacterium thermophilum B.

Число белков	Число SRP РНК	Число рРНК	Число тРНК	Число тмРНК
2206	2	3	44	1

Таблица 3. Состав репликона 2 Chloracidobacterium thermophilum B.

Число белков	Число SRP РНК	Число рРНК	Число тРНК	Число тмРНК
790	0	0	4	0

Анализ генов, участвующих в фотосинтезе, и сравнение с геномом цианобактерий

В итоге из 60 генов, необходимых для фотосинтеза у цианобактерий, Chloracidobacterium thermophilum B., содержит только 23. Однако нельзя сказать, что это связано с более простым фотосинтетическим механизмом, так как Chloracidobacterium thermophilum B. содержит гены, которые не участвуют в фотосинтезе у большинства цианобактерий, однако необходимы для фотосинтеза у Chloracidobacterium thermophilum B. (такие как bchG, bchL, bchF, bchU, bchE, участвующие в синтезе бактериохлорофиллов.^[6]).

В купе с осуществлением фотосинтеза через путь, обычно ассоциируемым с анаэробными бактериями, это может свидетельствовать о совмещении механизмов анаэробного и аэробного фотосинтеза в Chloracidobacterium thermophilum B., как механизм к приспособлению в жизни в горячих источниках, где доступ к кислороду затруднен из-за большой влажности и температуры, которые рассеивают молекулы O₂

В то же время, был разработан метод для сравнения различных генотипов по наличию общих генов, который может быть использован в дальнейших исследованиях.

Таблица 4. Количество генов Chloracidobacterium thermophilum B., ассоциированных с фотосинтезом и присутствующих в геноме цианобактерий.

Присутствуют	Отсутствуют
23	37

Сопроводительные материалы

1S. База данных, с генетической информацией Chloracidobacterium thermophilum B.

2S. Таблица белков; Стр. 3 “prot_lengths_hist” - Вычисление длин белков.

3S. Таблица геномов; Стр. 5 “per-replicones” - Определение репликонного состава.

S4. Таблица белков и ассоциированных генов.

S5. Список скриптов, написанных для работы.

Ссылки на литературу

Tank, M., & Bryant, D. A. (2015). Chloracidobacterium thermophilum gen. nov., sp. nov.: an anoxygenic microaerophilic chlorophotoheterotrophic acidobacterium. INTERNATIONAL JOURNAL OF SYSTEMATIC AND EVOLUTIONARY MICROBIOLOGY, 65(Pt_5), 1426–1430. https://doi.org/10.1099/ijs.0.000113
Tsukatani, Y., Romberger, S. P., Golbeck, J. H., & Bryant, D. A. (2011). Isolation and Characterization of Homodimeric Type-I Reaction Center Complex from Candidatus Chloracidobacterium thermophilum, an Aerobic Chlorophototroph. Journal of Biological Chemistry, 287(8), 5720–5732. https://doi.org/10.1074/jbc.m111.323329
Tank, M., & Bryant, D. A. (2015). Chloracidobacterium thermophilum gen. nov., sp. nov.: an anoxygenic microaerophilic chlorophotoheterotrophic acidobacterium. INTERNATIONAL JOURNAL OF SYSTEMATIC AND EVOLUTIONARY MICROBIOLOGY, 65(Pt_5), 1426–1430. https://doi.org/10.1099/ijs.0.000113
Taxonomy. (n.d.). Taxonomy Browser (Chloracidobacterium thermophilum B). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Browser/wwwtax.cgi?id=981222
Rubin, B. E., Wetmore, K. M., Price, M. N., Diamond, S., Shultzaberger, R. K., Lowe, L. C., Curtin, G., Arkin, A. P., Deutschbauer, A., & Golden, S. S. (2015b). The essential gene set of a photosynthetic organism. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(48), E6634-43. https://doi.org/10.1073/pnas.1519220112
Chen, G. E., & Hunter, C. N. (2023). Engineering Chlorophyll, Bacteriochlorophyll, and Carotenoid Biosynthetic Pathways in Escherichia coli. ACS Synthetic Biology, 12(8), 2236–2244. https://doi.org/10.1021/acssynbio.3c00237