Характеристика геномов прокариот

1. Haemophilus influenzae (возбудитель менингита, пневмонии)

Секвенирование нуклеотидной последовательности полного генома самостоятельно существующего организма этой грамотрицательной бактерии проведено в 1995 г. Институтом геномных исследований (TIGR — The Institute for Genome Research, США). Размер генома 1.830.137 п. н. Для него характерно относительно низкое содержание GC-пap (38 %), но при этом найдено 7 протяженных участков с более высоким содержанием GC- пap (около 50 %). При анализе нуклеотидной последовательности обнаружен предполагаемый ориджин репликации (область начала репликации), состоящий из 280 п. н.; 6 оперонов рРНК, 54 гена тРНК для всех 20 аминокислот. Эти данные позволили составить кольцевую карту хромосомы Н. influenzae, вычислено 1743 открытых рамки считывания (ORF), но для 736 не удалось выявить функции кодируемых ими белков. Для 78 % ORF Н. influenzae обнаружена гомология с имеющимися в базах данных последовательностями других организмов.

2. Кишечная палочка Escherichia coli

Эта грамотрицательная бактерия является самой изученной клеткой из всех существующих. В ней впервые обнаружена F-плазмида полового фактора и другие плазмиды. Большинство изученных фагов также имеют в качестве хозяина Е. coli. именно эта бактерия, ее плазмиды и фаги явились первыми объектами генетической инженерии, на которых достигнуты сенсационные результаты по клонированию и экспрессии чужеродных генов.

Е. coli является прототрофной энтеробактерией — условным патогенном, так как некоторые ее штаммы вызывают заболевания у людей (пищевые отравления, энтериты). Геномные исследования проводились на разных штаммах (К-12 MG 1655, W3110, 0157), при этом установлены различия по размеру и структуре геномов.

Результаты полного секвенирования генома Е. coli К12 (штамм опубликованы в 1997 г. (Blattner F. R. et al., 1997). Размер генома составляет 4.639.221 п. н. эта последовательность отвечает кольцевой генетической карте Е. coli К12, калиброванной на 100 мин по времени конъюгационного переноса. Начало отсчета карты выбрано между генами lasT и thr L. Содержание GC-nap в геноме составило 50,8 %. Компьютерный анализ выявил 4288 потенциальных ORF, принадлежащих как действительно существующим, так и гипотетическим генам. Для 38 % ORF (цистронов) не удалось определить функции кодируемых ими белков.

Геном Е. coli плотно нагружен генами (88,5 %), а межгенные участки занимают относительно малую долю (11 %). Самый большой цистрон содержит 7149 п. н. (2383 кодона), функция его неизвестна. Средний размер цистрона 951 п. н. (317 кодонов). Средний интервал между цистронами — 118 п. н. При этом межгенные интервалы в большинстве своем содержат различные функциональные сайты, т. е. выполняют регуляторные функции. Кроме того, цистроны не содержат интронов — внутренних некодирующих участков. Известно, что цистроны выделяются в ДНК и мРНК начальными и конечными знаками пунктуации, внесенными в генетический код. У Е. coli для реальных и потенциальных белков стартовыми триплетами являются AGT (3542 случая), GTG (612), TTG (130), ATT (1), CTG (1). У 405 генов показано перекрывание стартового и терминирующего триплетов: ATGA (224 случая), TAATG (98), TGATG (48), GTGAA (28), TAGTG (4), TTGA (3). Сравнение белков (ORF) Е. coli и Н. influenzae (в расчет принималась 30 %-ная идентичность аминокислот на 60 % всей последовательности белка) показала, что 1130 из 1743 потенциальных белков Н. influenzae совпадают с таковыми Е. coli.

Сложность молекулярно-генетической системы управления и метаболической сети Е. coli можно охарактеризовать следующим образом:

Длина ДНК генома, Мб	4,6
Полное число генов	4909
Число цистронов	4288
Число кодируемых ими ферментов	804
Число метаболических реакций	988
Число метаболических путей	123
Число химических веществ, участвующих в метаболизме	1303
Число фракций т-РНК (генов т-РНК)	79 (86)
Число регуляторных белков	60

В метаболизме малых молекул ключевую роль играют синтез, распад и преобразование нуклеотидов (58 цистронов), аминокислот (131), энергетические процессы (243), транспорт (146), центральный промежуточный метаболизм (188) и другие процессы. Например, системы выполняющие основные генетические процессы, содержат следующее число генов (% генома):

• Репликация, рекомбинация и репарация ДНК — 115 (2,68 %)

• Транскрипция, синтез, метаболизм и модификация РНК — 55 (1,28%)

• Трансляция и посттрансляционная модификация белков — 182 (4,24 %) + 21 ген рРНК + 86 генов тРНК.

Для генома Е. coli и других энтеробактерий характерно присутствие управляемых единиц транскрипции — оперонов. Первые опероны были открыты именно у Е. coli: lac-оперон, контролирующий сбраживание сахара лактозы; trp-oпepoн, контролирующий синтез аминокислоты триптофана. Важной особенностью оперонов является наличие обратной связи между концентрацией контролируемого метаболита и наработкой ферментов его синтеза или распада. Всего в геноме Е. coli выявлено и предсказано 2584 оперона. Среди них:

• 73 % содержат 1 цистрон,

• 16 % — 2 цистрона,

• 4,6 % — 3 цистрона,

• 6 % — 4 цистрона и более.

Все они имеют не менее 1 промотора — начального знака транскрипции.

Геном Е. coli содержит 2 функциональные единицы репликации, названные Ф. Блаттнером реплихорами. Общее двустороннее начало репликации (origin) локализовано на участке 84,5 мин конъюгационного переноса и занимает 250 п. н. В этой зоне инициируется двусторонняя репликация. Реплихор 1 ориентирован по часовой стрелке, реплихор 2 — против. Оба процесса заканчивается на противоположном участке генетической карты, ~ 34-35 мин, где каждый из них имеет свой отдельный ориентированный терминальный знак (ter) — Т1 и Т2. Геном Е. coli К12 содержит также большое число необязательных (факультативных) включений — профагов, плазмид и транспозонов. Они подвижны, способны к внедрению в геном и выщеплению из него. Наиболее изучено это для умеренного фага λ (лямбда) и полового фактора (плазмиды) F, которые в линии К12 отсутствуют.