Структурная геномика прокариот

Термин «геном» появился примерно 80 лет назад. Он произведен от слов Gene и chromosOME и обозначает полный набор генов и хромосом. Термин «геномика» появился в 1986 г. и относиться к науке, занимающейся картированием и секвенированием генов. В настоящее время геномику подразделяют на две составные части — структурную и функциональную. Задача последней — развитие новых технологий для использования структурной информации.

Результаты проведенного в последние годы секвенирования нуклеотидных последовательностей, а также генетического и физического картирования позволяют рассматривать структуру полных геномов прокариот, выявить отдельные гены, определить структуру оперонов, провести поиск семейств родственных генов. Полные нуклеотидные последовательности генов дают теоретическую возможность реконструировать метаболизм биохимически неохарактеризованного вида на основе нуклеотидной последовательности его генома, по наличию тех или иных ферментативных функций и структурного сходства между генными продуктами изучаемого вида и белками, функция которых известна.

1. Размеры, нуклеотидный состав геномов и оперонная организация генов прокариот

До 1955 г. в микробиологии было принято считать, что хромосомы прокариот имеют линейную форму. Но Э. JI. Вольман и Ф. Жакоб в опытах по картированю генов у Е. coli (1955) установили, что хромосома представляет собой нить ДНК, погруженную в цитоплазму и замкнутую в кольцо. В настоящее время методами прямого анализа физической структуры показано наличие у некоторых видов бактерий кроме кольцевой хромосомы одного или нескольких репликонов, которые названы хромосомами или мегаплазмидами. Геном у бактерии Borrelia tumefaciens, возбудителя клещевого спирохетоза, представлен линейной хромосомой размером 1 млн п. н.

Размеры генома у прокариот показывают большой диапазон колебаний. Установлен самый маленький геном у микоплазмы М. genitalium размером 580 т. п. н. и самый большой геном 9500 т. п. н. у Myxococcus xanthus. Геном Е. coli имеет размер 4,6 млн п. н., Молекулярная масса 3·10⁹ Da и длиной молекулы ДНК 1,5 мм.

Содержание GC-nap в ДНК прокариот колеблется в пределах 23-72 %. У некоторых бактерий (Е. coli, М. genitalium, Bacillus subtilis, Helicobacter pylori и др.) установлено преимущественное присутствие G по сравнению с С в матричной (ведущий) нити ДНК от области начала репликации ori до участка тсрминации ter. Напротив, у других видов — цианобактерии и архебактерии (Methanococcus, Methanobacterium, Archaeoglobus) — асимметрия нуклеотидного состава не наблюдается. Наличие асимметрии может указывать на различия в репликативном синтезе ведущей (матричной) и ведомой (смысловой нитей).

Порядок расположения генов в бактериальной хромосоме не случаен. Гены одной определенной функции располагаются один за другим и организованы в оперон с совместной транскрипцией на одну РНК. У разных видов гены и опероны расположены различным образом. При сравнении геномов Е. coli и В. subtilis, имеющих 1000 общих генов, установлено, что 100 генов находятся в составе одних и тех же оперонов, хотя порядок генов в составе оперонов не всегда одинаков. Анализ полностью ссквенированных геномов бактерий показал, что 16 кластеров генов у эубактерий остаются консервативными, из них у архебактерий 8 также консервативны.

Сохранение генов в составе одного оперона в ходе эволюции может давать некоторое преимущество. Оперонная организация генов необходима для обеспечения координированной экспрессии генов. С другой стороны, кластеризация генов, выполняющих одну функцию, повышает вероятность их совместного распространения путем горизонтального переноса видам, утратившим существенную функцию. Оперонная организация генов у термофильных бактерий (растут при температуре выше 50° С) отличается от других бактерий. Тогда как у эубактерий объединены в опероны гены одного и того же метаболического пути, у термофильной бактерии A. aeoliticus они разбросаны по геному. В опероны объединены гены электротранспортной цепи, субъединиц гидрогеназы, транспортной системы, рибосомных белков и др. Сходная ситуация и у автотрофной архебактерии М. jannaschii. Эти микроорганизмы имеют мультифункциональные слитые белки, что возможно связано с их экстремальной термофильностью.

Ранее предполагалось, что оперонная организация генов имеет место только у прокариот. Тем не менее было установлено, что в геноме нематоды Caenorhabditis elegans (размер 100 млн п. н.), содержащем 14 000 генов, около 25 % входят в состав полицистронных оперонов с небольшим расстоянием между генами (около 100 п. н.).