Исследование генома и протеома Methanocaldococcus lauensis

Был проведен статистический анализ длин белков данной археи (длина измеряется числом аминокислотных остатков). Как видно на гистограмме (Рис. 2), большая часть белков (порядка 93%) имеют длину 35-560.

Минимальная длина составила 33 (транспозаза, белок вырезающий транспозоны) [6], максимальная же – 2641 (белок, содержащий домен NosD, ответственный за метаболизм меди) [7]. Среднее значение длин 289. Всего лишь 20 белков имеют длину больше 1000, они в основном выполняют функции, связанные с метаболизмом нуклеиновых кислот (гираза, хеликазы, полимеразы), а также метаболизмом меди и кобальта [см. таблицу S1 сопроводительных материалов].

Данные результаты позволяют сделать предположение, что у археи очень много мультисубъединичных комплексов, которые выполняют набор нескольких функций, где каждая субъединица это и есть белок, выполняющий конкретную небольшую функцию (отсюда и небольшая средняя длина).

У рассматриваемой археи имеется два репликона в геноме: единственная кольцевая хромосома (главная молекула ДНК, ее размер составляет 1 532 285 пар оснований) и одна плазмида (очень маленький размер, всего лишь 5142 пары оснований). Для каждого репликона было подсчитано количество генов, кодирующих белки и разные РНК (Табл. 1). Нетрудно подсчитать, что всего генов у данного организма 1624 (1622 на главной хромосоме и всего лишь 2 на плазмиде). Примечательно, что плазмида кодирует только 2 белка, причем на данный момент непонятно, что они из себя представляют и какую функцию несут.

Как видно (Табл. 1), рРНК 7 типов: три 5S рРНК, две 16S и еще две 23S рРНК. Имеются также 2 малые некодирующие РНК, одна из них выполняет некую сигнальную функцию, вторая же входит в состав рибонуклеазного комплекса (ответственен за расщепление РНК) [8], которая, возможно, помимо уничтожения отработанных собственных РНК защищает архею от РНК-вирусов [см. таблицу S2 сопроводительных материалов].

Было проанализировано сколько тРНК соответствуют каждой аминокислоте (Табл. 2), оказалось, что у данной археи имеется 1 тРНК, соответствующая одной нестандартной аминокислоте, а именно селеноцистеину, приэтом тРНК для пирролизина (который встречается у метаногенов, у которых и был открыт) не обнаружено, как и не обнаружено антикодона CTA (который обычно ему соответствует) [9], вероятно, у этой археи имеется какая-то замена данной аминокислоты (скорее всего видоспецифическая модификация какой-то из 21) или вставка пирролизина происходит иначе.

Было подсчитано количество межгенных промежутков разной длины (промежутки считались между генами, кодирующими белки, расположенными на одной цепочке главной хромосомы). Как видно (Рис. 3), большая часть межгенных промежутков имеет небольшой размер (0-300 нуклеотидов), можно сделать предположение, что у археи ярко выражена оперонная организация генома (а крупные межгенные промежутки соответствуют промежуткам между этими оперонами).

На гистограмме (Рис. 3) самая первая колонка соответствуют межгенным промежуткам с отрицательной длиной, это значит, что у археи есть перекрывание генов. Данное явление было также проанализировано. Всего перекрывается 61 ген, гистограмма длин перекрываний (Рис. 4) показывает, что около половины из них перекрываются буквально по 1-2 кодонам, однако другая половина перекрывается уже значительно. Это позволяет сделать предположение о том, что в ходе трансляции таких перекрывающихся генов происходит сдвиг рамки считывания, пропускается стоп-кодон первого гена и аминокислотная цепочка продолжает расти (рибосома съезжает на последовательность, соответствующую второму белку), по итогу образуется совершенно новый более длинный полипептид по сравнению с исходными двумя.

Попробую подтвердить данное предположение. Было выяснено, что одними из перекрывающихся генов являются следующие: ген, кодирующий первую трансмембранную субъединицу PstC, и ген, кодирующий вторую трансмембранную субъединицу PstA. Обе эти субъединицы нужны для сборки и работы ABC-транспортера. Возможно, что архея сразу синтезирует эти субъединицы вместе, уже связанными, за счет перекрывания, что упрощает сборку транспортера (либо же синтезирует их вместе при определенных условиях). Можно обнаружить и другие примеры (белок, синтезирующий олигосахариды, белки системы CRISPR). Иногда подряд перекрываются три гена (4 и более не было замечено).

Однако есть и перекрывающиеся гены, которые кодируют совершенно разные белки, в этом случае сдвиг рамки считывания позволяет синтезировать совершенно другой белок с другой функцией, который на данный момент неизвестен и не изучен.

Как видно из следующей таблицы (Табл. 4), архея имеет защитную против различных вирусов и прочих инородных нуклеиновых кислот систему CRISPR, белки которой синтезируются при экспрессии второго обнаруженного оперона. При анализе этих белков становится ясно, что архея использует иммунную систему I (B и D типов), а также II (B типа) за счет наличия белка Cas4. Как известно, системы второго типа активно используются в генной инженерии, возможно более детальное исследование белков у этой археи поможет развивать данную отрасль [10].

Последний третий оперон (Табл. 5) дает крайне неожиданные результаты, оказывается у археи в наличии гены, ответственные за белки археллума: есть и структурные белки и белок протонной помпы, необходимой для работы жгутика (аналогичные белки есть у видов со жгутиком того же рода) [2].

Однако, как было сказано ранее (смотри Введение), не обнаружено наличие археллума и подвижности у штаммов данного вида. Это позволяет сделать предположение о том, что у M. lauensis эти гены и оперон в целом стали по каким-то причинам молчащими. Возможно, причина в условиях окружающей среды ее обитания, они подавляют экспрессию данных генов (за счет каких-то веществ-репрессоров).

Была подсчитана частота встречаемости каждого старт-кодона (Табл. 6): подавляющее большинство открытых рамок считывания начинается со стандартного старт-кодона ATG. Встречаются также и другие стандартные для прокариот старт-кодоны: TTG (88 раз) и GTG (59 раз) соответственно [11].

Единичные старт-кодоны полностью соответствуют псевдогенам, оставшиеся – либо псевдогенам, либо небольшому числу нормальных генов: архея использует нестандартные старт-кодоны ATC, ATA, ATT. Заметно, что эти нестандартные старт-кодоны подозрительно напоминают ATG (заменился лишь последний нуклеотид), учитывая их малое количество, можно предположить, что они возникли в результате мутаций, однако молекулярные механизмы данной археи, видимо, способны противостоять таким изменениям. Проверка по антикодонам тРНК показывает, что им скорее всего соответствуют метионин и изолейцин (что подтверждает высказанное предположение).

Аналогичные прошлому разделу подсчеты со стоп-кодонами (Табл. 7) показывают, что чаще всего встречается стоп-кодон TAA (больше 1000 раз), больше 100 раз встречаются два других стандартных стоп-кодона: TAG и TGA. Все остальные стоп-кодоны встречаются почти в единичном экземпляре и соответствуют псевдогенам.

Было проведено сравнение некоторых характеристик генома и протеома обозреваемой археи с ее родственником (M. jannaschii, которая является базальным видом для данного рода, сравнение с ней позволит выявить некоторые эволюционные новшества у нового вида) [1].

Сравнивая Табл. 1 и Табл. 8, мы видим, что у родственной археи белков побольше (примерно на 300), число нкРНК (более того они совпадают по функциям) и тРНК такое же, однако рРНК всего лишь 6, а не 7 (интересно, для чего могла понадобиться дополнительная рРНК). Среди транспортных тРНК также отсутствует пирролизин и антикодон для него [см. лист RNAs в таблице S9 в сопроводительных материалах].

Статистический анализ белков практически идентичен (Рис. 2 и Рис. 7). Среднее значение длин у родственной археи составляет 275, минимальная длина белка 33, максимальная – 2894. Порядка 24 белков имеют длину больше 1000 (они также в основном выполняют функции, связанные с нуклеиновыми кислотами и метаболизмом металлов, преимущественно кобальта). Видимо, такой протеом является консервативным для данного рода метаногенов [см. лист proteins_cds в таблице S9 в сопроводительных материалах].

Качественный анализ протеома показывает, что у обоих архей имеются схожие гены, ответственные за синтез и работу археллума, однако у M. jannaschii жгутик имеется и отлично работает (смотри Введение), что подтверждает его редукцию у M. lauensis. Разновидности старт-кодонов такие же, их частоты почти совпадают, аналогично и со стоп-кодонами [см. листы start-codons и stop-codons в таблице S9 в сопроводительных материалах].