II.3. Распределение is-элементов и повторяющихся последовательностей в геномах.
Существует ли специфика в присутствии повторов и IS-элементов в ДНК различных бактерий и их распределении по геному? Повторы и IS-элементы могут служить сайтами интеграции и, не находясь в структуре интегрона. Эти же элементы служат горячими точками рекомбинации при образовании делеций.
Например, в геноме M. leprae присутствует очень мало IS-элементов, но большое количество повторов трёх типов RLEP, REPLEР и LEPREP. Участки генома M. leprae, гомологичные геному M. tuberculosis, распределены по геному M. leprae в ином порядке, нежели в M. tuberculosis. Отличия в расположении этих участков и мозаичность генома M. leprae в целом, по-видимому, связаны с наличием по флангам сегментов, гомологичных с M. tuberculosis, указанных диспергированных повторов и генов тРНК, которые вызвали разнообразные геномные перестройки [34].
Обычно прямые повторы стимулируют делеции, дупликации и транслокации, а инвертированные повторы — инверсии [99, 89, 87]. В качестве прямых повторов, генерирующих делеции и другие перестройки, могут выступать IS-элементы (Рис.4). Недавно это получило очередное подтверждение на уровне целого генома B. pertussis [26]. IS-элементы присутствуют в каждой идентифицированной точке «стыковки» сегментов генома после рекомбинации. То же наблюдалось при анализе делеций B. mallei и структуры гомологичных (синтеничных) участков в геномах B. mallei и B. pseudomallei. Было установлено, что в точках стыковки участков синтении находятся IS-элементы, которые также фланкировали 2 синтеничных участка хромосомы 1 B. pseudomallei, присутствующие в хромосоме 2 B.mallei [73]. Делеция 102 т.н.п. локуса pgm Y.pestis происходит с высокой частотой (10-4 и выше) за счёт рекомбинации между двумя копиями фланкирующих элементов IS100 [43].
Рис. 4. Геномные перестройки, стимулируемые IS-элементами. А. Внедрение IS-элемента в геном; Б. Распространение IS-элемента в геноме за счет транспозиции; В. Реципрокные транслокации; Г. Делеции и образование плазмид.
Таким образом, вероятность, размер и локализация геномных перестроек зависят от распределения в геномах повторяющихся последовательностей (включая IS-элементы). Установлено, что не только локализация, но и само присутствие IS-элементов в геномах не случайно. Так, отмечена специфика в присутствии IS-элементов в геномах бордетелл. Элемент IS1663 обнаружен в геномах штаммов B. bronchiseptica комплекса IV и в штаммах B. pertussis, но отсутствует у других бордетелл. Элемент IS481 обнаружен у всех штаммов B. pertussis и у двух штаммов B. bronchiseptica, выделенных от лошадей, но не у других штаммов. Элемент IS1002 найден у всех штаммов B. pertussis и у штаммов B. parapertussis человеческого происхождения [38]. То же отмечается для других IS-элементов и других видов бактерий (Табл.2). При сравнении различных штаммов микоплазм было показано, что тип повторов их количество и локализация в геноме определяет вероятность и характер геномных перестроек данного генома (Табл.3,4) [86].
|
Таблица 2. IS элементы в бактериях различных родов | ||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||
|
Род |
IS1 |
IS3 |
IS4 |
IS5 |
IS6 |
IS21 |
IS30 |
IS66 |
IS91 |
IS110 |
IS256 |
IS605 |
IS630 |
IS982 |
IS1380 |
ISAs1 |
ISL3 |
NCYa |
NDa |
Total |
|
Agrobacterium |
|
3 |
|
3 |
|
|
|
8 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
17 |
|
Bacillus |
|
2 |
11 |
|
4 |
4 |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
24 |
|
Bordetella |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
6 |
|
Brucella |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
Burkholderia |
|
2 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
5 |
|
1 |
|
|
|
|
|
6 |
16 |
|
Campylobacter |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
Clostridium |
|
1 |
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
Corynebacterium |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
6 |
|
Coxiella |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
Enterococcus |
|
|
|
|
4 |
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
9 |
|
Erwinia |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
Escherichia |
10 |
13 |
6 |
5 |
|
|
3 |
|
5 |
|
|
4 |
|
|
|
7 |
|
|
1 |
54 |
|
Haemophilus |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
6 |
|
Halobacterium |
|
|
11 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
2 |
19 |
|
Helicobacter |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
Lactobacillus |
|
3 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
8 |
|
Lactococcus |
|
5 |
|
|
15 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
26 |
|
Leptospira |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
Moraxella |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
Mycobacterium |
|
5 |
1 |
1 |
1 |
2 |
|
|
|
4 |
9 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
25 |
|
Mycoplasma |
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
|
Neisseria |
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
4 |
|
Nocardia |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
Proteus |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
Pseudomonas |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
|
1 |
1 |
|
|
2 |
|
|
|
2 |
5 |
3 |
26 |
|
Rhizobium |
|
5 |
|
2 |
2 |
1 |
|
4 |
|
|
3 |
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
20 |
|
Salmonella |
|
|
2 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
1 |
|
|
|
13 |
|
Serratia |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
Shigella |
4 |
5 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
12 |
|
Staphylococcus |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
12 |
|
Streptococcus |
|
2 |
|
5 |
|
|
3 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
5 |
1 |
|
18 |
|
Streptomyces |
|
1 |
|
4 |
1 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
10 |
|
Vibrio |
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
15 |
|
Yersinia |
|
2 |
|
|
|
4 |
|
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
| ||||||||||||||||||||
Таблица 3. Повторы различных классов в геномах Mycoplasma
|
SSR- простые повторы; CR – близкие повторы; DR – прямые повторы; IR – инвертированные повторы.
D/I – отношение суммарных длин прямых и инвертированных повторов.
(Из: E. P. C Rocha. and A. Blanchard, 2002)
|
Табл. 4. Встречаемость смежных совершенных малых повторов (SSR) в геномах M. genitalium и M. pneumoniae | |||
|
Длина повтора |
Позиция повтора |
Последовательность повтора |
Количество единиц |
|
M. genitalium |
|
|
|
|
3 |
86051-86066 |
CTT |
5 |
|
3 |
169475-169523 |
TAG |
16 |
|
3 |
224534-224555 |
TAG |
7 |
|
3 |
227130-227163 |
TAG |
11 |
|
3 |
349735-349750 |
TCT |
5 |
|
3 |
351452-351482 |
TAG |
10 |
|
3 |
425824-425857 |
TGT |
11 |
|
3 |
429308-429335 |
TAG |
9 |
|
3 |
429967-423015 |
CTT |
16 |
|
5 |
212939-212954 |
CAAAA |
3 |
|
6 |
384465-384489 |
TATTAC |
4 |
|
M. pneumoniae |
|
|
|
|
2 |
60190-60210 |
AG/AC |
5/5 |
|
2 |
65147-65169 |
CT |
11 |
|
3 |
23651-23669 |
TAG |
6 |
|
6 |
34932-34950 |
AACCCC |
3 |
|
6 |
775707-775725 |
AACCCC |
3 |
Перечисленные данные говорят о том, что вероятность геномных перестроек, включая транспозиции МГЭ, зависит от наличия в геноме: самих МГЭ, генерирующих перестройки, сайтов интеграции МГЭ, часто представленных повторами, и повторов, количество которых зависит от вида микроорганизма, размера и нуклеотидного состава генома.
Таким образом, распределение IS-элементов и повторов в геномах бактерий разных видов не одинаково, не беспорядочно и специфично. Так как повторы являются горячими точками рекомбинационных событий, то характер и частоты геномных перестроек должны определяться особенностями распределения повторов и быть видоспецифичными [15].