2 Структуры, связанные с репликацией

Репликация бактериальной хромосомы начинается в точке оri С (оriginе) и продолжается в обоих направлениях до участка терминации репликации tеr С (terminus). У большинства бактерий участки оri С и tеr С делят кольцевую хромосому на две почти равные реплихоры. Область начала репликации во многих бактериальных геномах имеет консервативную структуру. Подобные структуры найдены почти во всех секвенированных бактериальных геномах. Для линейных хромосом точка оri С определяется ровно посередине ее. Направление транскрипции большинства генов бактерий совпадает с направлением их репликации.

3 Открытые рамки считывания

В установленной нуклеотидной последовательности генома прокариот с помощью компьютерных программ выявлены открытые рамки считывания. Открытая рамка считывания (англ. ореn rеаding frame, ОRF) состоит из ряда триплетов, кодирующих аминокислоты; она не содержит каких-либо терминирующих кодонов; потенциально может транслироваться в белок. Средний размер их в прокариотических геномах соответствует примерно 300 аминокислотным остаткам. В настоящее время в хромосоме наиболее изученного микроорганизма - кишечной палочки, выявлено 4288 ОRF, однако функции 40% обнаруженных ОRF остаются неидентифицированными.

Сопоставление состава ОRF по функциям (также с помощью компьютерных программ) позволяет идентифицировать компоненты генома, общие для всех организмов, общие для данной группы видов и уникальные,

специфичные только для данного организма. Функциональная классификация генов и генных продуктов является основной для сравнения геномов и выявления сходства и различия их метаболизма.

4 Минимальный размер генома прокариот

На основании анализа первичной структуры прокариотических геномов был составлен перечень генов, абсолютно необходимых для существования свободно живущих клеток. Этот перечень генов получил название минимальный набор генов. Он кодирует 256 белков и включает следующие жизненно важные генетические системы микроорганизмов:

1 гены системы репликации;

2 гены системы репарации и рекомбинации;

3 гены аппарата транскрипции;

4 большой набор генов, кодирующих белки;

5 гены контролирующие анаэробный метаболизм, включая гены гликолиза и фосфорилирования субстратов;

6 гены биосинтеза липидов;

7 гены системы транспорта белков;

8 гены, кодирующие ферменты, использующие сложные кофакторы;

9 набор генов, обеспечивающий транспорт метаболитов;

10 полный набор генов утилизации нуклеотидов dе novo и гены их биосинтеза.

Если же из генома прокариотического организма вычесть консервативный минимальный набор генов для микроорганизмов, живущих в сходной среде, то можно получить те гены, которые определяют специфические фенотипические характеристики, составляющие уникальность конкретного микроорганизма.

5 Оперонная организация генов прокариот

Порядок, в котором гены расположены на бактериальной хромосоме, не совсем случаен. В частности, у Е.соli гены, кодирующие белки одного и того же метаболического пути или определяющие близкородственные функции, часто бывают сцеплены. Они транскрибируются с промотора, находящегося на 5- конце такой группы генов (кластера), в виде единственной молекулы РНК, называемой полицистронным (или полигенным) транскриптом. Группа координированно экспрессирующихся генов называется опероном.

При сравнении геномов Е.соli и В.subtilus, имеющих около 1000 общих генов, отмечено, что 100 из них находятся в составе одних и тех же оперонов, хотя в некоторых случаях порядок генов в оперонах изменен (арабинозный оперон ага АBD у В. Subtilus и аrа ВАD у Е.соli).

Гены, кодирующие несколько родственных функций, не всегда образуют единый оперон. Так гены, кодирующие рибосомные белки, организованы во множественные опероны, в чей состав иногда входят гены, кодирующие другие белки, участвующие в транскрипции и/или трансляции. Как правило, отдельные опероны, кодирующие родственные функции, имеют одинаковые или сходные регуляторные последовательности и поэтому реагируют на определенный регуляторный сигнал сходным образом.

Сохранение генов в составе одного оперона дает определенные преимущества: во-первых, обеспечивает координированную экспрессию генов; во-вторых, такое расположение генов важно для их распространения путем горизонтального переноса (перенос между неродственными микроорганизмами). Горизонтальный перенос генов вносит свой вклад в эволюцию прокариотических геномов. Показано, что он происходит как между родственными, так и между неродственными бактериями. Гены, появившиеся в данном геноме в результате горизонтального переноса, называют ксенологами.

Отмечен горизонтальный перенос генов между эукариотами и прокариотами: наибольшее число генов эукариотического типа (около 30) обнаружено в геноме хламидии.