Фрагмент для ознакомления
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
В 1963 году Джон Кэрнс показал, что геном Escherichia coli состоит из одной кольцевой хромосомы (Cairns, 1963). Долгое время считалось, что все бактерии устроены аналогично, но позже выяснилось, что их геномы могут быть более сложными.
В 1979 г. у Streptomyces обнаружили первую линейную плазмиду (Hayakawa et al., 1979), а в 1989 г. — линейную хромосому у Borrelia burgdorferi (Baril et al., 1989).
В 1981 г. у Sinorhizobium meliloti нашли крупную мегаплазмиду (Rosenberg et al., 1981), а в 1989 г. — вторую хромосому у Rhodobacter sphaeroides (Suwanto & Kaplan, 1989).
У некоторых бактерий даже гены рРНК расположены на плазмидах (Anda et al., 2015).
Сейчас известно, что около 10% бактерий имеют разделённые геномы — несколько крупных репликонов (кольцевых или линейных), каждый со своими особенностями: разным GC-составом, использованием кодонов и частотой динуклеотидов (Harrison et al., 2010).
Такая структура не случайна:
Гены связанных функций часто расположены рядом.
Положение гена влияет на его активность и число копий.
Большинство генов находятся на ведущей цепи ДНК, чтобы избежать конфликтов с репликацией (diCenzo & Finan, 2017).
Многокомпонентные геномы встречаются у важных бактерий, включая:
симбионты растений (ризобии, Agrobacterium),
патогены (Brucella, Vibrio, Burkholderia).
Изучение этих геномов поможет лучше понять их эволюцию и разработать методы управления полезными или вредными бактериями.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования является бактериальный геном. Предмет исследования – структурные и функциональные особенности бактериального генома, его организация, механизмы регуляции и методы его изучения.
Цель и задачи исследования.
Цель данной курсовой работы – изучить строение бактериального генома, его организацию и механизмы регуляции.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1.Рассмотреть общие характеристики бактериального генома.
2.Изучить основные механизмы регуляции экспрессии генов у бактерий.
3.Рассмотреть методы исследования бактериального генома.
4.Провести анализ полученных данных и интерпретировать их значения.
Практическая значимость исследования связана с возможностью разработки новых методов борьбы с инфекциями, создания пробиотиков и генной инженерии. Для проведения исследования используются научные публикации, базы данных геномов (NCBI, PATRIC, KEGG) и современные методы молекулярной биологии.
Структура курсовой работы включает введение с формулировкой актуальности, теоретический обзор характеристик бактериального генома, анализ его функциональных элементов, методов секвенирования и аннотации, а также заключение с перспективами исследований.
ГЛАВА 1. Структура и организация бактериального генома
1.1Общая характеристика бактериального генома
Бактериальные геномы обладают рядом уникальных характеристик, которые отличают их от эукариотических. Большинство видов бактерий имеют одинарную кольцевую хромосому размером от 0,5 до 10 мегабаз (Мб), хотя существуют и исключения. Например, представители родов Burkholderia и Vibrio содержат несколько хромосом, а Borrelia burgdorferi и Streptomyces — линейные хромосомы (Baril et al., 1989). В отличие от эукариот, ДНК бактерий не упакована в нуклеосомы, а организована в суперспирализованные петлевые домены с помощью нуклеоид-ассоциированных белков (НАБ), таких как HU, Fis и H-NS. Эти белки обеспечивают компактизацию ДНК, сохраняя её доступность для транскрипции и репликации (Dorman, 2013).
Одной из наиболее ярких особенностей бактериальных геномов является их высокая плотность генов — в среднем один ген на килобазу, с минимальным количеством некодирующих последовательностей и практически отсутствием интронов (Mira et al., 2001). Гены часто организованы в опероны — функционально связанные кластеры, транскрибируемые в виде единой полицистронной мРНК, что обеспечивает согласованную регуляцию метаболических путей (Jacob & Monod, 1961). Кроме того, бактериальные геномы обладают модульной структурой, включая:
Консервативные гены (необходимые для базовых клеточных процессов и присутствующие у всех штаммов)
Акцессорные гены (встречаются только у некоторых штаммов и часто связаны с адаптацией к специфическим условиям, например, вирулентностью, устойчивостью к антибиотикам или метаболическими особенностями) (Tettelin et al., 2005).
Важным фактором геномного разнообразия бактерий являются мобильные генетические элементы (МГЭ), включая плазмиды, транспозоны, интегроны и бактериофаги, которые обеспечивают горизонтальный перенос генов (ГПГ). Плазмиды играют особенно важную роль в эволюции бактерий, кодируя такие признаки, как:
устойчивость к антибиотикам (например, β-лактамазы),
факторы вирулентности (например, гены токсинов),
метаболические функции (например, фиксация азота) (Partridge et al., 2018).
Некоторые бактерии также содержат геномные островки — крупные сегменты ДНК, приобретённые через ГПГ и часто окружённые инсерционными последовательностями. Эти островки могут нести гены патогенности (островки патогенности) или симбиоза (островки симбиоза) (Hacker & Carniel, 2001).
Ещё одной ключевой особенностью бактериальных геномов является вариабельность содержания GC-пар (от 25% до 75%), которая часто специфична для определённых таксонов (Muto & Osawa, 1987). Это различие влияет на:
стабильность ДНК,
предпочтение в использовании кодонов,
аминокислотный состав белков.
Кроме того, бактериальные геномы демонстрируют высокую пластичность, быстро эволюционируя за счёт:
мутаций,
дупликаций генов,
делеций,
рекомбинационных событий (Ochman et al., 2000).
Эта адаптивность позволяет бактериям быстро реагировать на изменения окружающей среды, такие как воздействие антибиотиков или иммунный ответ хозяина.
Таким образом, бактериальные геномы представляют собой компактные, динамичные и высоко адаптивные системы, сформированные как вертикальным наследованием, так и горизонтальным обменом генетическим материалом. Их структурная организация, генный состав и эволюционные механизмы обеспечивают невероятное разнообразие и экологический успех бактерий практически в любой среде обитания на Земле.
Фрагмент для ознакомления
3
Статьи в журналах:
1.Anda, M. Bacterial clade with the ribosomal RNA operon on a small plasmid rather than the chromosome [Текст] / M. Anda [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2015. – Vol. 112. – P. 14343–14347. – DOI: 10.1073/pnas.1514326112.
2.Baril, C. Linear chromosome of Borrelia burgdorferi [Текст] / C. Baril [et al.] // Research in Microbiology. – 1989. – Vol. 140. – P. 507–516. – DOI: 10.1016/0923-2508(89)90083-1.
3.Breaker, R.R. Riboswitches and translation control [Текст] / R.R. Breaker // Annual Review of Biochemistry. – 2018. – Vol. 87. – P. 867–900. – DOI: 10.1146/annurev-biochem-062917-012807.
4.Cairns, J. The bacterial chromosome and its manner of replication as seen by autoradiography [Текст] / J. Cairns // Journal of Molecular Biology. – 1963. – Vol. 6. – P. 208–213. – DOI: 10.1016/S0022-2836(63)80070-4.
5.de Smit, M.H. Control of prokaryotic translational initiation by mRNA secondary structure [Текст] / M.H. de Smit, J. van Duin // Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology. – 1990. – Vol. 38. – P. 1–35. – DOI: 10.1016/S0079-6603(08)60708-9.
6.diCenzo, G. The tRNAarg gene and engA are essential genes on the 1.7-Mb pSymB megaplasmid of Sinorhizobium meliloti and were translocated together from the chromosome in an ancestral strain [Текст] / G. diCenzo [et al.] // Journal of Bacteriology. – 2013. – Vol. 195. – P. 202–212. – DOI: 10.1128/JB.01758-12.
7.diCenzo, G.C. The divided bacterial genome: structure, function, and evolution [Текст] / G.C. diCenzo, T.M. Finan // Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 2017. – Vol. 81(3). – P. e00019-17. – DOI: 10.1128/MMBR.00019-17.
8.Döhlemann, J. A family of single copy repABC-type shuttle vectors stably maintained in the alpha-proteobacterium Sinorhizobium meliloti [Текст] / J. Döhlemann [et al.] // ACS Synthetic Biology. – 2017. – Vol. 6. – P. 968–984. – DOI: 10.1021/acssynbio.6b00320.
9.Dorman, C.J. Co-operative roles for DNA supercoiling and nucleoid-associated proteins in the regulation of bacterial transcription [Текст] / C.J. Dorman // Nature Reviews Microbiology. – 2013. – Vol. 11(2). – P. 97–110. – DOI: 10.1038/nrmicro2941.
10.Du, W.-L. Orderly replication and segregation of the four replicons of Burkholderia cenocepacia J2315 [Текст] / W.-L. Du [et al.] // PLoS Genetics. – 2016. – Vol. 12. – P. e1006172. – DOI: 10.1371/journal.pgen.1006172.
11.Dziewit, L. Architecture and functions of a multipartite genome of the methylotrophic bacterium Paracoccus aminophilus JCM 7686, containing primary and secondary chromids [Текст] / L. Dziewit [et al.] // BMC Genomics. – 2014. – Vol. 15. – P. 124. – DOI: 10.1186/1471-2164-15-124.
12.Goodwin, S. Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies [Текст] / S. Goodwin [et al.] // Nature Reviews Genetics. – 2016. – Vol. 17(6). – P. 333–351. – DOI: 10.1038/nrg.2016.49.
13.Gruber, T.M. Multiple sigma subunits and the partitioning of bacterial transcription space [Текст] / T.M. Gruber, C.A. Gross // Annual Review of Microbiology. – 2003. – Vol. 57. – P. 441–466. – DOI: 10.1146/annurev.micro.57.030502.090913.
14.Gurevich, A. QUAST: quality assessment tool for genome assemblies [Текст] / A. Gurevich [et al.] // Bioinformatics. – 2013. – Vol. 29(8). – P. 1072–1075. – DOI: 10.1093/bioinformatics/btt086.
15.Hacker, J. Ecological fitness, genomic islands and bacterial pathogenicity [Текст] / J. Hacker, E. Carniel // EMBO Reports. – 2001. – Vol. 2(5). – P. 376–381. – DOI: 10.1093/embo-reports/kve097.
16.Harrison, P.W. Introducing the bacterial "chromid": not a chromosome, not a plasmid [Текст] / P.W. Harrison [et al.] // Trends in Microbiology. – 2010. – Vol. 18. – P. 141–148. – DOI: 10.1016/j.tim.2009.12.010.
17.Hayakawa, T. A linear plasmid-like DNA in Streptomyces sp. producing lankacidin group antibiotics [Текст] / T. Hayakawa [et al.] // Journal of General and Applied Microbiology. – 1979. – Vol. 25. – P. 255–260. – DOI: 10.2323/jgam.25.255.
18.Henry, V.J. OMICtools: an informative directory for multi-omic data analysis [Текст] / V.J. Henry [et al.] // PLoS Computational Biology. – 2010. – Vol. 6(7). – P. e1000857. – DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000857.
19.Jacob, F. Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins [Текст] / F. Jacob, J. Monod // Journal of Molecular Biology. – 1961. – Vol. 3. – P. 318–356. – DOI: 10.1016/S0022-2836(61)80072-7.
20.Jumas-Bilak, E. Differences in chromosome number and genome rearrangements in the genus Brucella [Текст] / E. Jumas-Bilak [et al.] // Molecular Microbiology. – 1998. – Vol. 27. – P. 99–106. – DOI: 10.1046/j.1365-2958.1998.00661.x.
21.Kolb, A. Transcriptional regulation by cAMP and its receptor protein [Текст] / A. Kolb [et al.] // Cell. – 1993. – Vol. 73(2). – P. 227–239. – DOI: 10.1016/0092-8674(93)90230-G.
22.Li, H. Characterization of chromosomal and megaplasmid partitioning loci in Thermus thermophilus HB27 [Текст] / H. Li [et al.] // BMC Genomics. – 2015. – Vol. 16. – P. 317. – DOI: 10.1186/s12864-015-1523-3.
23.Manchanda, N. GenomeQC: a quality assessment tool for genome assemblies and gene annotations [Текст] / N. Manchanda, J.L. Portwood, M.R. Woodhouse [et al.] // BMC Genomics. – 2020. – Vol. 21. – P. 601. – DOI: 10.1186/s12864-020-07033-2.
24.Mira, A. Deletional bias and the evolution of bacterial genomes [Текст] / A. Mira [et al.] // Genome Research. – 2001. – Vol. 11(4). – P. 671–678. – DOI: 10.1101/gr.153101.
25.Muto, A. The guanine and cytosine content of genomic DNA and bacterial evolution [Текст] / A. Muto, S. Osawa // Molecular Biology and Evolution. – 1987. – Vol. 4(4). – P. 445–459. – DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040455.
26.Ochman, H. Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation [Текст] / H. Ochman [et al.] // Nature. – 2000. – Vol. 405(6784). – P. 299–304. – DOI: 10.1038/35012500.
27.Partridge, S.R. Mobile genetic elements associated with antimicrobial resistance [Текст] / S.R. Partridge [et al.] // Nature Reviews Microbiology. – 2018. – Vol. 16(2). – P. 97–109. – DOI: 10.1038/nrmicro.2017.88.
28.Ramachandran, R. Random versus cell cycle-regulated replication initiation in bacteria: insights from studying Vibrio cholerae chromosome 2 [Текст] / R. Ramachandran [et al.] // Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 2017. – Vol. 81. – P. e00033-16. – DOI: 10.1128/MMBR.00033-16.
29.Romeo, T. Post-transcriptional regulation on a global scale: form and function of Csr/Rsm systems [Текст] / T. Romeo [et al.] // Annual Review of Microbiology. – 2013. – Vol. 67. – P. 25–53. – DOI: 10.1146/annurev-micro-092412-155637.
30.Rosenberg, C. Genes controlling early and late functions in symbiosis are located on a megaplasmid in Rhizobium meliloti [Текст] / C. Rosenberg [et al.] // Molecular and General Genetics. – 1981. – Vol. 184. – P. 326–333.
31.Stock, A.M. Two-component signal transduction [Текст] / A.M. Stock [et al.] // Annual Review of Biochemistry. – 2000. – Vol. 69. – P. 183–215. – DOI: 10.1146/annurev.biochem.69.1.183.
32.Storz, G. Regulation by small RNAs in bacteria: expanding frontiers [Текст] / G. Storz [et al.] // Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. – 2011. – Vol. 3(1). – P. a003798. – DOI: 10.1101/cshperspect.a003798.
33.Suwanto, A. Physical and genetic mapping of the Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 genome: presence of two unique circular chromosomes [Текст] / A. Suwanto, S. Kaplan // Journal of Bacteriology. – 1989. – Vol. 171. – P. 5850–5859. – DOI: 10.1128/jb.171.11.5850-5859.1989.
34.Tettelin, H. Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial "pan-genome" [Текст] / H. Tettelin [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2005. – Vol. 102(39). – P. 13950–13955. – DOI: 10.1073/pnas.0506758102.
35.Wade, J.T. Genomic analysis of protein-DNA interactions in bacteria: insights into transcription and chromosome organization [Текст] / J.T. Wade [et al.] // Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 2007. – Vol. 71(3). – P. 365–390. – DOI: 10.1128/MMBR.00012-07.
36.Wattam, A.R. Improvements to PATRIC, the all-bacterial Bioinformatics Database and Analysis Resource Center [Текст] / A.R. Wattam [et al.] // Nucleic Acids Research. – 2017. – Vol. 45(D1). – P. D535–D542. – DOI: 10.1093/nar/gkw1017.
37.Yanofsky, C. Transcription attenuation: once viewed as a novel regulatory strategy [Текст] / C. Yanofsky // Journal of Bacteriology. – 2000. – Vol. 182(1). – P. 1–8. – DOI: 10.1128/JB.182.1.1-8.2000.
Книги:
38.Жданов, В.М. Молекулярная биология микробов [Текст]. – М.: Мир, 2019. – 368 с.
39.Лебедев, В.Г. Молекулярная генетика [Текст]. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2022. – 384 с.
40.Madigan, M.T. Brock Biology of Microorganisms [Текст] / M.T. Madigan, K.S. Bender, D.H. Buckley [et al.]. – 16th ed. – Pearson, 2021.
41.Михайлов, В.В. Генетика микроорганизмов [Текст]. – СПб.: Лань, 2020. – 392 с.
42.Степанов, А.В. Общая микробиология [Текст] / А.В. Степанов, А.И. Филатов. – М.: Академия, 2021. – 456 с.
