Учебный сайт Жуковой Марии

Мини-обзор генома бактерии Sutcliffiella horikoshii

Жукова Мария

Факультет биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия

Аннотация:

В данной работе представлен мини-обзор генома и протеома бактерии Sutcliffiella horikoshii : описаны результаты, полученные с помощью сервиса Google Sheets и программы на Python.

Введение

Sutcliffiella horikoshii - грамположительная, спорообразующая, термо- и алкалафильная бактерия, является облигарным аэробом [4], впервые описана, как Bacillus horikoshii. Названа в честь японского микробиолога Коки Хорикоши, который внёс фундаментальный вклад в изучение алкалифильных бактерий [1].

Бактерия принадлежит к домену Bacteria, филуму Bacillota, классу Bacilli, отряду Caryophanales, семейству Bacillaceae, роду Sutcliffiella, виду Sutcliffiella horikoshii [1].

Методы

Для написания мини-обзора были использованы файлы с последовательностью генома и таблица особенностей бактерии Sutcliffiella horikoshii из базы NCBI [2]. Статистические расчеты, построение таблиц, диаграмм, использование фильтров, функций (СЧЁТЕСЛИ, МИН , МАКС, СУММ, FILTER. ПОИСК, UNIQUE) были выполнены с помощью сервиса Google Sheets. Подсчет количества нуклеотидов по репликонам был произведен с помощью скрипта, написанного на Python, затем полученные данные были занесены в таблицу (1) на лист nucleotides, и построена диаграмма, иллюстрирующая процентное содержание нуклеотидов в хромосоме и плазмиде. Итоговые таблицы и код на Python представлены в сопроводительных материалах (1-3).

Результаты

1) Основные данные о геноме

Геном бактерии содержит в себе одну хромосому, состоящую из 4277585 пар нуклеотидов, и одну плазмиду, состоящую из 18297 пар нуклеотидов.

2) Нуклеотидный состав генома

В таблице 1 представлено распределение нуклеотидов A, T, G, C по репликонам. Других нуклеотидов в геноме не встречается. На диаграммах (рисунок 1) представлено процентное содержание каждого нуклеотида в хромосоме и плазмиде. Процент GC-оснований в хромосоме составляет 40,6%, такое процентное содержание характерно для бактерий рода Sutcliffiella [3]. Процентное содержание GC-оснований в плазмиде равен 32,1%.

Таблица 1. Распределение нуклеотидов A, T, G, C по репликонам

genomic_accession	seq_type	A	T	G	C
NZ_CP020880.1	chromosome	1260321	1281219	872160	863885
NZ_CP020881.1	plasmid	5815	6609	2682	3191

Рисунок 1. Диаграммы частоты нуклеотидов в хромосоме и плазмиде

3) Гистограмма GC% по CDS

Рисунок 2. Гистограмма GC% по CDS

На рисунке 2 представлена гистограмма GC% (процентное содержание гуанина (G) и цитозина (C) среди всех нуклеотидов) по CDS с шагом 2. Наиболее распространенные CDS c GC составом равным 40-42%. Редко встречаются CDS c GC составом 54-58%.

4) Число генов белков и генов разных типов РНК для каждого репликона

Для каждого репликона было посчитано количество генов белков и различных генов РНК. Всего генов у бактерии Sutcliffiella horikoshii на хромосоме 4329, а на плазмиде лишь 19.

Таблица 2. Число генов белков и генов разных типов РНК для каждого репликона

genomic_accession	seq_type	protein_coding	pseudogene	tRNA	rRNA	tmRNA	ncRNA	SRP_RNA	RNase_P_RNA
NZ_CP020880.1	chromosome	4194	33	73	24	1	2	1	1
NZ_CP020881.1	plasmid	19	0	0	0	0	0	0	0

5)Число различных типов РНК в геноме бактерии Sutcliffiella horikoshii

На основе данных из колонки # feature, листа feature_table, таблицы (1) было найдено количество различных типов РНК (tRNA, rRNA, tmRNA, ncRNA) и построена диаграмма (рисунок 3), иллюстрирующая их процентное соотношение. Можно заметить, что транспортные РНК (тРНК) являются наиболее распространённым типом РНК.

Рисунок 3. Диаграмма частоты генов, кодирующих различные типы РНК

6)Длины белков, закодированных в геноме бактерии Sutcliffiella horikoshii

На рисунке 4 представлено распределение длин белков бактерии Sutcliffiella horikoshii с шагом 50. Наибольшая часть белков бактерии имеют длину от 125 до 175 остатков аминокислот. Минимальная длина белка - 26 аминокислотных остатков, а максимальная - 1964.

Рисунок 4. Гистограмма длин белков

7) Распределение белков генома по категориям

Было установлено, чтo в геноме бактерии Sutcliffiella horikoshii закодировано 4213 белков. Распределение белков генома по категориям (гипотетические, рибосомные, транспортные, другие) представлено в таблице 3. Построена диаграмма, иллюстрирующая процентное соотношение встречаемости категорий белков. Можно заметить, что в геноме Sutcliffiella horikoshii значительную долю (14.1%) занимают гипотетические белки, называются они так, потому что про них неизвестно ничего, кроме предполагаемой аминокислотной последовательности.

Таблица 3. Распределение белков по категориям

hypothetical protein	transport	ribosomal	other	total
592	351	62	3208	4213

8) Транспортные белки бактерии Sutcliffiella horikoshii

Доля транспортных белков в протеоме бактерии составляет 8,3% (рисунок 6). В ходе работы было определено количество каждого уникального названия белка, на основе полученных данных составлена таблица 4, в которой представлены белки, встречающиеся в протеоме два и более раза. Среди транспортных белков бактерии Sutcliffiella horikoshii преобладает ABC transporter ATP-binding protein. Данный белок отвечает за импорт одного или нескольких различных субстратов, включая ионы и полиамины, с помощью энергии, получаемой при гидролизе АТФ [5]. Второй по распространенности транспортный белок -ABC transporter permease- участвует в переносе одного или нескольких субстратов, такие как сахара, ионы, аминокислоты, пептиды и другие вещества [6].

Таблица 4. Транспортные белки бактерии Sutcliffiella horikoshii, встречающиеся чаще 1 раза

название белка	количество
ABC transporter ATP-binding protein	54
ABC transporter permease	34
MFS transporter	27
ABC transporter permease subunit	12
sugar ABC transporter permease	11
ABC transporter substrate-binding protein	9
carbohydrate ABC transporter permease	9
GerAB/ArcD/ProY family transporter	8
DMT family transporter	7
iron ABC transporter permease	7
efflux RND transporter permease subunit	5
ABC-2 family transporter protein	4
dipeptide ABC transporter ATP-binding protein	4
glutathione ABC transporter substrate-binding protein	4
BCCT family transporter	3
nuclear transport factor 2 family protein	3
AI-2E family transporter	3
iron-siderophore ABC transporter substrate-binding protein	3
nickel ABC transporter permease	3
chromate transporter	3
ECF transporter S component	3
ABC transporter transmembrane domain-containing protein	3
amino acid ABC transporter permease	3
amino acid ABC transporter ATP-binding protein	3
MATE family efflux transporter	3
oligopeptide ABC transporter permease	3
metal ABC transporter permease	3
energy-coupling factor ABC transporter ATP-binding protein	2
branched-chain amino acid transport system II carrier protein	2
efflux RND transporter periplasmic adaptor subunit	2
glucose-specific PTS transporter subunit IIBC	2
LysE family transporter	2
cation diffusion facilitator family transporter	2
biotin transporter BioY	2
sn-glycerol-3-phosphate ABC transporter ATP-binding protein UgpC	2
sugar ABC transporter ATP-binding protein	2
AbgT family transporter	2
multidrug efflux SMR transporter	2
branched-chain amino acid ABC transporter permease	2
BMP family ABC transporter substrate-binding protein	2
peptide ABC transporter substrate-binding protein	2
ZIP family metal transporter	2
phosphonate ABC transporter, permease protein PhnE	2
sodium-dependent transporter	2
PTS glucose transporter subunit IIA	2
transporter substrate-binding domain-containing protein	2
metal ABC transporter ATP-binding protein	2
zinc ABC transporter substrate-binding protein	2
MetQ/NlpA family ABC transporter substrate-binding protein	2
methionine ABC transporter permease	2
EamA family transporter	2

Заключение

В работе был частично изучен геном бактерии Sutcliffiella horikoshii. Составлена таблица, иллюстрирующая распределение нуклеотидов A, T, G, C по репликонам, по данным из таблицы построены диаграммы частоты нуклеотидов в хромосоме и плазмиде, построена гистограмма GC% по CDS, составлена таблица - число генов белков и генов разных типов РНК для каждого репликона, на основе таблицы 2 построена диаграмма частоты генов, кодирующих различные типы РНК, построена гистограмма длин белков, изучено распределение белков по категориям.

Сопроводительные материалы

(1) feature_table; gene; CDS without_protein; CDS with_protein; per-replicones; RNA_types; protein; nucleotides

(2)CDS frome genome of Sutcliffiella horikoshii

(3)скрипт Python

Литература

[1] Gupta R. S. et al. Robust demarcation of 17 distinct Bacillus species clades, proposed as novel Bacillaceae genera, by phylogenomics and comparative genomic analyses: description of Robertmurraya kyonggiensis sp. nov. and proposal for an emended genus Bacillus limiting it only to the members of the Subtilis and Cereus clades of species //International journal of systematic and evolutionary microbiology. – 2020. – Т. 70. – №. 11. – С. 5753-5798.

[2]NCBI-Sutcliffiella horikoshii

[3]Kämpfer P. et al. Sutcliffiella rhizosphaerae sp. nov. isolated from roots //International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. – 2022. – Т. 72. – №. 10. – С. 005590.

[4]https://www.bacdive.dsmz.de/strain/1142

[5]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/sparcle/archview.html?archid=11485425#qinfo

[6]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/sparcle/archview.html?archid=10008345