3. Паралогичные и ортологичные гены. Сравнение геномов. Минимальный размер генома прокариот

В процессе выявления сходства нуклеотидных последовательными возникают ситуации, когда одному гену у одного вида соответствует несколько генов у другого вида, или группе генов одного вида соответствует группа генов другого вида. Возникает вопрос о гомологических отношениях между генами — ортологическими и паралогическими.

Ортологические гены происходят от предкового гена, содержащегося в геноме вида, от которого образовались сравниваемые виды. Следовательно, их эволюция отражает эволюцию видов, в генофонде которых они присутствуют. Паралогичные гены — это потомки дуплицированного предкового гена. Они эволюционируют в пределах одного и того же вида, а их эволюция отражает изменения, накопившиеся с момента дупликации предкового гена.

Паралоги могут эволюционировать и приобретать новые функции, родственные исходной, а ортологи сохраняют в ходе эволюции одну и ту же функцию. Паралоги составляют существенную часть в геномах прокариот: около 50 % генов у Е. coli и В. subtilis, 25 % — у М. genitalium, 30 % — у Н. influenzae, 16 % — у М. jannaschii.

Наиболее многочисленны паралога в семействе генов АТФ-связывающей субъединицы АВС-трансфераз: у Е. coli их более 70, а у Т. maritima — 67. Это отражает большое количество разнообразных субстратов, которые способны транспортировать прототрофные бактерии. У разных видов прокариот разные гены амплифицированы в разной степени, а увеличение их копийности связано с экологией данного вида и ее специфичностью. Изучение генов-паралогов является важным аспектом изучения прокариотных геномов, эволюции генов путем дупликации, обеспечивающей адаптацию видов к меняющимся условиям окружающей среды.

Группа ученых из NCBI (National Center for Biotechnology Information, США) разработали наиболее информативный способ объединения ортологичных генов в кластеры. Основой метода является выявление в геномах групп ортологичных генов — метод COG (англ. cluster of ortologous genes). Был проведен компьютерный анализ аминокислотных последовательностей 17 967 белков 7 видов микроорганизмов, сгруппированных в пяти неродственных группах:

• эукариоты (S. cerevisiae),

• грамположительные бактерии (М. genitalium, М. pneumoniae),

• грамотрицатсльныс бактерии (Е. coli, Н. influenzae),

• архебактерни (М. jannaschii),

• цианобактерии (Scnechocystis sp.).

Кластер выделяли в тех случаях, когда оргологи имелись не менее чем в трех группах из пяти.

38 % проанализированных генов, которые кодировали 6,814 из 17,967 белков, составило 720 кластеров ортологичных групп. В группы объединялись потомки одного предкового гена. Кластеры и входящие в них гены контролируют протекание консервативных функций клетки. Общее число входящих в кластеры ортологичных групп насчитывалось около 1000. К ним относятся в том числе группа «генов домашнего хозяйства» и гены-шапероны, участвующие в сворачивании белков. Гены этих групп отвечают за стабильность основных физиологических процессов в клетке и локализованы в больших и малых геномах без существенных изменений. У патогенных бактерий даже в этих консервативных группах часть генов была утрачена, а особенно часто не представлены кластеры генов, контролирующих процессы метаболизма. В то же время повсеместно представлены гены компонентов трансляции. 114 таких кластеров, относящихся к транскрипции и трансляции, составляют универсальное ядро жизни. Это в два раза меньше того минимального набора генов, который. как предполагают, необходим для поддержания клеточной формы жиши.

Многие гены архебактерий, обеспечивающие транскрипцию и трансляцию, имеют ортологичные группы у дрожжей. По генам, определяющим метаболические пути, гены архебактерий более сходны с таковыми эубактерий.

Явление горизонтального переноса генов между разными видами прокариот установлено многими авторами. Предполагается, что имеет место горизонтальный перенос эукариотических генов в геном бактерий - например, перенос гена холинкиназы, участвующего в биосинтезе полисахаридов и обеспечивающего патогенность у микоплазм и Н. influenzae.

Сравнительный анализ геномов прокариот позволил высказать предположение о минимальной сложности гипотетической первичной клетки. Для организации клетки необходим некоторый минимум молекулрных структур и процессов. Путем сравнения геномов выявлено, что минимальная клетка, способная к автономной жизнедеятельности и самовоспроизведению, должна была бы содержать не менее 250-300 наиболее существенных генов. Группа японских исследователей (Tomita et al., 1998) показала, что можно обеспечить все основные метаболические потребности клетки, трансляцию и репликацию РНК-генома в системе со 127 генами. При этом клетка должна быть лишена архива ДНК, репарационных и других важных систем защиты и помехоустойчивости, что делает ее эволюционно беззащитной.

В качестве модели минимальной живой клетки была использована микоплазма М. genitalium с геномом размером 0,58 Мб, 470 генов. Минимальный набор генов определялся путем сравнения всех белков грамположительной М. genitalium и грамотрицательной Н. influenzae. Бактерии этих видов — паразиты с геномами, кодирующими 468 и 1073 белков, соответственно, эволюция которых протекала путем утраты генов от общего предка. Было высказано предположение, что общие для этих микроорганизмов гены могут составить минимальный набор. Сравнение этих геномов выявило 240 ортологов, а всего в минимальный набор было включено 256 генов, кодирующих белки с известными функциями. Таким организмом, утратившим почти все анаболические пути, может быть только паразит, зависящий в обеспечении метаболитами от организма-хозяина. У микроорганизмов с маленькими геномами, как у микоплазмы, все гены минимального набора должны быть необходимыми и существенными.

Теоретические расчеты о величине минимального набора генов экспериментально подтверждены на В. subtilis. В геноме этой бактерии в произвольном порядке инактивировали разные гены, а в результате была определена та фракция генов, инактивация которых делает бактерию неспособной к образованию колоний. Размер существенной части генома этого вида составил 318 т. п. н., что соответствует 250-300 бактериальных генов.

Минимальный размер генома способен обеспечить автономность жизнеобеспечения клетки. Размер геномов и их функциональный состав различны у разных прокариот с разными функционально-энергетическими потребностями:

• фототрофы для роста нуждаются в свете, CO₂ и неорганических ионах;

• прототрофы нуждаются в органическом углероде, источнике энергии (глюкоза и т. д.) и неорганических ионах;

• гетеротрофы растут на сложных средах;

• облигатные внутриклеточные паразиты и органеллы (хлоропласт и митохондрии) стоят отдельно.

Организмы с небольшими геномами предположительно могли возникнуть двумя различными эволюционными путями — «снизу верх» и «сверху вниз». Возникновение и развитие генома и генетического аппарата по первому пути могли претерпеть представители PHК мира до появления гипотетических прогенот как исходного предка всех целлюлат Согласно представлениям К. Вёзе, прогеноты были предками архебактерий и эубактерий, они уже имели ДНК и РНК, а их гены имели как экзоны, так и интроны.

Другой путь эволюции «сверху вниз» прослеживается у видов с возрастающими метаболическими потребностями — у паразитов. Вероятно, таким путем возникли микоплазмы из грамположительной бактерии с размером генома 1700-2000 т. п. н. значительное сокращение генетической информации произошло в процессе паразитического образа жизни. В ее геноме отсутствуют многие гены биосинтеза аминокислот, имеется очень мало генов синтеза витаминов, предшественников нуклеиновых и жирных кислот. Все эти вещества микоплазма получает от хозяина. Число генов рРНК и тРНК минимальное. Такова геномная цена, уплаченная за поддержание паразитизма. Минимальные размеры генома 600-800 т. п. н. в разных независимо возникших линиях микоплазм представляют, по-видимому, низший предел для размера генома у клеточных форм организмов.