Організація геному бактерій Будова нуклеоїдів і хромосом бактерій 1
Показники, за якими характеризують організацію геному q Розміри геному (т. п. н. ): кількість ДНК у клітині (пг), молекулярна маса і розміри молекул НК – носіїв генетичної інформації q Нуклеотидний склад ДНК (Г+Ц – склад) q Частка унікальних нуклеотидних послідовностей та послідовностей, що повторюються в геномі q Структурні компоненти геному (кількість, будова): постійні (хромосоми, геноми мітохондрій та пластид) та факультативні (плазміди, мобільні генетичні елементи, геноми вірусів) q Частка нуклеотидних послідовностей, що виконують функції кодування білків, р. РНК, т. РНК, мя. РНК та мц. РНК q Кількість генів, їх будова та розташування в геномі 2
Етапи вивчення організації геному q Ідентифікація генів генетичними методами q Картування генів – визначення до якої хромосоми належить ген і його положення в хромосомі q Побудова генетичних карт окремих хромосом і геномів (віддаль між елементами карти в одиницях рекомбінації) q Побудова фізичних карт окремих хромосом і геномів (віддаль між елементами карти в т. п. н. ) q Клонування генів і створення бібліотек геномів q Визначення й аналіз нуклеотидної послідовності (секвенування) окремих генів, хромосом й усього геному 3
Побудова фізичних карт геномів бактерій q На фізичній карті віддалі і розміри ділянок геному подаються у фізичних одиницях – зазвичай у п. н. або т. п. н (kb) Виділення ДНК Розщеплення ДНК ендонуклеазами рестрикції (ЕР): окремо кожною ЕР двома ЕР одночасно розщеплення за умов неповного гідролізу Фракціонування фрагментів ДНК за допомогою гельелектрофорезу і визначення розмірів фрагментів Порівняння розмірів отриманих фрагментів ДНК і визначення сайтів розщеплення ДНК ЕР і відстань між сайтами Визначення розмірів молекули шляхом сумування розмірів її фрагментів Перехресна гібридизація фрагментів ДНК, отриманих за допомогою різних ЕР Гібридизація мічених генів з фрагментами ДНК 4
Побудова PFGE (puls field gel electrophoresis)– карт хромосом Імобілізація клітин в агарові блоки Лізис клітин і депротеїнізація ДНК в агаровому блоці Розщеплення імобілізованої ДНК ендонуклеазами рестрикції на макрофрагменти Фракціонування макрофрагментів ДНК за допомогою електрофорезу в пульсуючому полі. Визначення розмірів макрофрагментів ДНК Визначення розмірів молекули (хромосомної ДНК) шляхом сумування розмірів її фрагментів Перехресна гібридизація фрагментів ДНК, отриманих за допомогою різних ЕР Побудова фізичної карти хромосоми Гібридизація мічених генів з фрагментами ДНК 5
Створення бібліотек генів Розмір космідної бібліотеки розраховують за формулою: де N – кількість клонів у бібліотеці, які з ймовірністю Р містять усі фрагменти геному; n обчислюють, розділивши розмір геному на середній розмір фрагмента ДНК, який клонують у косміді Для E. coli K 12: При Р = 0, 99 N=798 Пошук фагових частинок, які несуть потрібний фрагмент ДНК 6
Клонування в космідах – векторах, які містять cos -ділянки фага λ Косміда q Косміди дають змогу клонувати великі фрагменти ДНК (до 40 т. п. н. ) q Їх використовують для створення бібліотек геномів Фрагмент, який клонують Ленеаризована косміда Циклізований вектор Продукти лігазної реакції 38 -52 т. п. н. Циклізований фрагмент Конкатамер, який пакується у фагові головки. Віддаль між cos-сайтами має становити 3851 т. п. н 7
q 1995 – вперше секвеновано геноми бактерій Haemophilus influenzae і Mycoplasma genitalium q 2010 – повністю cеквеновано більше 1000 геномів бактерій (612 видів) q Повністю секвеновано геноми 32 різних штамів E. coli q 2011 – отримано дані про 1797 повних геномів прокаріотів: архебактерій - 120, бактерій - 1677 8
Компоненти геному прокаріотичних організмів q Хромосоми (одна або декілька) q Плазміди § Кільцеві мегаплазміди § Гігантські лінійні плазміди q Мобільні генетичні елементи § IS-елементи § Тn-елементи (транспозони) § Кон’югативні транспозони (c. Tn) § Інтегрони та генні касети § Фаги-транспозони q Профаги § Дефектні профаги q. Рештки профагів та плазмід у хромосомі 9
Розміри геномів бактерій q Archaea ~ (0, 5 – 6) 106 п. н. q Мycoplasma, Chlamydia, Rickettsia ~ (0, 5 - 1, 2) 106 п. н. q Neisseria, Heliobacter, Haemophilus, Streptococcus, Staphylococcus, Corynebacterium, Enterococcus, Lactococcus ~ (2 - 3) 106 п. н. q Rhodobacter, Salmonella, Escherichia, Bacillus, Pseudomonas, Clostridium ~ (4 - 6) 106 п. н. q Streptomyces, Brandyrhizobium, Myxococcus ~ (8 - 13) 106 п. н. Розміри геномів можуть сильно варіювати (у межах 1 млн. п. н) навіть у різних штамів одного виду, наприклад у E. coli – від 4, 6 106 до 5, 6 106 п. н. На сьогодні рекорди за розмірами геномів належать: Sorangium cellulosum штам‘So ce 56’, (відділ δ-Proteobacteria) - 13 млн. п. н. Hodgkinia cicadicola, (відділ α-Proteobacteria) - 143 т. п. н. 10
Tamames, J. , Gil, R. , Latorre, A. , Pereto. , J. , Silva, F. J. & Moya, A. (2007). The frontier between cell and organelle: genome analysis of Candidatus Carsonella ruddii. BMC Evol Biol 7, 181. q Геном Carsinella rudii має тільки 182 генів, що кодують білки q Геном Hodgkinia cicadicola кодує 169 білків, спеціалізується на постачанні вітаміну B 12 для комахи - господаря 11
q Майже вся ДНК бактерій зосереджена в нуклеоїді q Нуклеоїд займає близько 1/3 об’єму клітини q По масі нуклеоїд на 80 % складається з ДНК q Нуклеоїд не є статичною морфологічною структурою, має більш щільний центр і більш дифузну переферію q Зазвичай клітина, яка щойно поділилася містить 1 нуклеоїд з 1 хромосомою в основі якої 1 кільцева дволанцюгова молекула ДНК q Затримка поділу клітини зумовлює появу клітин з 2, 4, 8 нуклеоїдами 12
Компактизація ДНК у нуклеоїді бактерій q ДНК хромосом бактерій є в суперспіралізованому стані q Хромосома утворює петлі, суперспіралізація кожної з яких проходить незалежно (домени суперспіралізації) q Лінійні розміри хромосомної ДНК E. coli ~ 1, 6 мм, а діаметр нуклеоїду ~ 1 мкм q Рівень компактизації ДНК ~ 1600 разів q У хромосомі E. coli є ~ 400 незалежних петель (доменів суперспіралізації) q 1 домен ~10 т. п. н. 13
q Компактизація бактерійної хромосоми відбувається завдяки взаємодії ДНК з білками, що отримали назву “білки, асоційовані з нуклеоїдом” (англ. nucleoidassociated proteins, скорочено NAP). Зазвичай виконують структурну і регуляторну роль q У бактерій описано близько 20 різних NAP Приклади NAP Грам-негативних бактерій Білок HU wrap. + Muk. B Fis H-NS IHF bridg. bend. Мотив зв’язування + + + Взаємодіє з вигинами ДНК, хрестоподібними структурами, змінює стан суперспіралізації ДНК, взаємодіючи з топоізомеразою І 9 Гетеродимер: HUα-HUβ 175 Гомодимер Тракти A 6, AT 11 Гомодимер АТ-багаті ділянки + Протомер ? + Мол. маса k. Da 15 Гомодимер, або гетеродимер (H-NS-Stp. A) (A/T)ATCAANNNNTT(A/G) 11 Гетеродимер (IHFα –IHPβ) 14
15
Суперспіралі у хромосомній ДНК виникають головно внаслідок активності топоізомераз. На стан суперспіралізації впливає активність ДНК- і РНКполімераз, а також NAP. Транскрипційна активність промоторів може змінюватися у відповідь на рівень суперскрученості певних ділянок хромосоми 16
Кількість хромосом бактерій q Одна кільцева: Escherichia coli K 12 4, 6 106 п. н. Pseudomonas aeruginosa 5, 9 106 п. н. Brandyrhizobium japonicum 8, 7 106 п. н. Rhodobacter capsulatus 3, 7 106 п. н. q Дві кільцевих: Rhodobacter sphaeroides: І - 3, 1 106 п. н. ІІ - 0, 9 106 п. н. Vibrio cholerae I - 2, 9 106 п. н. II - 1, 1 106 п. н. Три кільцевих: Burkholderia cepacia: 3, 4 106 п. н. 2, 5 106 п. н. 0, 9 106 п. н. Одна лінійна, одна кільцева : Agrobacterium tumefaciens: 2, 2 106 п. н. (лінійна) 3, 0 106 п. н (кільцева) Одна лінійна: Borrelia burgdorferi: 0, 95 106 п. н. Streptomyces coelicolor: 8, 7 106 п. н. Cтруктурні типи лінійних хромосом Streptomyces Білки, приєднані до 5’-кінців ДНК Borrelia Шпильки на 17 кінцях молекули
q > 1 великого реплікону (розміром у сотні – млн. п. н. ) присутні у клітинах низки бактерій Хромосома ? Великий реплікон Мегаплазміда Найпростіший тест – чи буде бактерія рости без одного з великих репліконів Наявність у репліконі важливих генів, наприклад генів р. РНК (rrn) q Дві хромосоми вперше виявлено в клітинах Rhodobacter sphaeroides Хромосоми І і ІІ присутні у клітині у співвідношенні 1: 1. q У меншій хромосомі ІІ міститься 2 з 3 rrn-оперонів, декілька генів т. РНК, гени циклу Кальвіна, гени біосинтезу серину, гістидину урацилу, тиміну p-амінобензойної кислоти q Кільцева хромосома, 2117 т. п. н. 2 rrn-оперона Agrobacterium tumefaciens Vibrio cholerae q Лінійна хромосома, 1178 т. п. н. 1 rrn-оперон, містить гени, подібні до генів плазмід, зокрема гени, що контролюють кон’югацію q Кільцева хромосома, 2941 т. п. н. 8 rrn-оперонів, містить більшість генів, необхідних для росту і патогенності, більшість генів т. РНК q Кільцева хромосома, 1072 т. п. н. rrn-оперони відсутні, містить більшість генів репарації ДНК, деякі копії генів т. РНК, інтегрон, що полегшує набуття генів вірулентності і резистентності до антибіотиків внаслідок горизонтального 18 перенесення
Частка кодуючих послідовностей в геномі бактерій q За даними генетичного аналізу : ~75% кодуючих ~25% некодуючих q За даними секвенування: Haemophilus influenzae – 85% Bacillus subtilis - 86% Mycoplasma genitalium - 88% Escherichia coli - 87% Helicobacter pylori - 91% Середні розміри кодуючих послідовностей бактерій ~ 1000 п. н. Haemophilus influenzae 0, 9 т. п. н Mycoplasma genitalium 1, 04 т. п. н Escherichia coli 0, 95 т. п. н. Helicobacter pylori 0, 95 т. п. н. Архебактерії 0, 8 т. п. н. q Ділянки, що містять структурні гени, які транскрибуються у вигляді однієї м. РНК (є однією транкрипційною одиницею) та послідовності, що беруть участь у регуляції експресії генів (промотори, оператори, термінатори) q У хромосомі E. coli K 12 є 2584 транскрипційних одиниці, з них ~73% містять 1 ген, ~ 17% - 2 гена, ~ 5% - 3 гена, ~ 5% - 4 і більше генів q У хромосомі B. subtilis – 1250 оперонів у середньому по 3 гени на оперон 19
Геном архебактерій q Відкриті в кінці 70 -х років ХХ століття q Архебактерії цитологічно є прокаріотичними організмами, що належать до трьох відділів: § Euryarchaeota, § Crenarhaeota § Nanoarchaeota Кислотний дренаж з вугільного відвалу, Ріо Тіно, Іспанія q За розмірами, будовою та способом поділу клітин (відсутністю ядра та оточених мембранами органел, наявністю 70 S рибосом) подібні до Bacteria q За будовою та функціонуванням апарату транскрипції, трансляції та реплікації ДНК мають багато спільного з Eukarya q Спочатку більшість архебактерій виділено з джерел з екстремальними умовами життя (висока температура, екстремальні значення р. Н, високі концентрації солей. Зараз відомо, що архебактерії більш розповсюджені в природі, живуть за нормальних умов – в воді, грунті, є навіть симбіотами вищих Sulfolobus acidocaldarius організмів Термоацидофіл. Температура росту 55 -85°C oпт. 70 -75°C. p. H oптимум 2 -3. 20
Риси подібності в організації геномів Archaea та Bacteria q Розміри геному ~0, 5 – ~ 6 млн. п. н. q Одна кільцева хромосома q 89 -92% геному кодують білки (у бактерів 87 93%) q Середній розмір генів – ~ 800 п. н. (у бактерій ~ 1000 п. н. ) q Гени згруповані у мультигенні транскрипційні одиниці (оперони) q Мають плазміди та IS-елементи Риси подібності в організації геномів Archaea та Eukarya q ДНК хромосом архебактерій зв’язана з гістонами HMf. A і HMf. B та утворює нуклеосоми q Наявні інтрони в генах т. РНК, 16 S та 23 Sр. РНК q м. РНК містить 3’-поліА-послідовність, але немає 5’-кепа q РНК-полімерази та ДНК-полімерази архебактерій чутливі до тих інгібіторів, що пригнічують функціонування РНК- та ДНК- полімераз евкаріот q Синтез білкам на рибосомах архебактерій пригнічується тими ж інгібіторами, що й синтез білка в евкаріот 21
Кількість генів у геномі Archaea Вид Відділ Розмір геному, п. н %G+C К-сть генів оперонів т. РНК р. РНК Aeropyrum perix K 1 Crenarchaeota 1 699 695 56, 3 1841 50 1 Methanocaldococcus jannaschii DSM 2661 Euryarchaeota 1 664 970 31, 4 1715 37 2 490 885 31, 6 563 38 1 Nanoarchaeum Nanoarchaeota equtans Kin 4 M Групи генів Archea Подібні до генів Bacteria Контролюють метаболізм малих молекул, їх транспортування, регуляцію Подібні до генів Eukaria Контролюють транскрипцію, трансляцію і метаболізм ДНК Специфічні для Archea Контролюють синтез джгутиків, метагенез, синтез унікальних ліпідів і компонентів 22 клітинної стінки
Кількість генів у геномі Bacteria Вид Відділ Розмір %G+C генома, п. н К-сть генів т. РНК К-сть оперонів р. РНК Mycoplasma genitalium G 37 Firmicutes 580 074 31, 7 480 36 1 Anabaena nostoc PCC 7120 Cyanobacteria 6 413 771 41, 3 5366 47 4 Bacillus subtilis 168 Firmicutes 42156606 43, 5 4 422 86 10 Escherichia coli K 12 MG 1655 Proteobacteria 4 639 221 50, 8 4 289 86 7 Streptomyces coelicolor A 3(2) Actinobacteria 8 667 507 72, 1 7 826 65 6 23
Групи генів E. coli K 12 Гени За даними генетичного аналізу ~10 За даними секвенуванн я 12, 2 Катаболізму сполук – джерел енергії ~20 10, 4 Синтезу амінокислот, нуклеотидів, фосфоліпі -дів, компонентів клітин -ної стінки Синтезу білка Синтезу і репарації ДНК Інші ~30 36, 6 ~20 ~10 23, 1 8, 6 ~10 9, 1 Транспорту сполук 24
q В E. coli сайти ініціації і термінації реплікації ділять хромосому на рівні половини, що реплікуються у протилежних напрямках – репліхори q У бактерій спостерігається консервативність у розміщенні генів навколо ділянок ori і ter: біля більше генів з важливими функціями (реплікації ДНК, рекомбінації, синтезу білка тощо) q Напрямок транскрипції більшості таких генів – усіх 7 rrn-оперонів, 53 з 86 генів т. РНК і >50 % генів , що кодують білки, співпадає з напрямком реплікації хромосоми ori. C q У клітинах культури бактерій, що знаходиться на стадії експоненціального росту нові раунди подвоєння хромосоми бактерій ініціюються в точці початку реплікації ori. C ще до того, як закінчаться попередні раунди. q Тому такі клітини можуть містити дві й більше копій певних ділянок геному, особливо тих, що розташовані поблизу ori. C Це явище називають ефектом дози генів, асоційованим з реплікацією ter. C q В експоненціальній культурі E. coli нуклеоїд містить ~ 2, 8 еквіваленти хромосоми, тобто бактерійна клітина не є гаплоїдною за 25 багатьма генами
Специфічні набори генів окремих видів бактерій q Mycoplasma genitalium – внутрішньоклітинний паразит – лише 1 ген амінокислотного метаболізму, у вільноживучої бактерії Haemophilus influenzae – 71 q Mycobacterium tuberculosis – багато генів, задіяних у ліпогенезі -250 генів обміну жирних кислот, у E. coli – 50 q Bacillus subtilis – 150 генів, які контролюють спороутворення і проростання спор q Deinococcous radiodurans – радіорезистентна бактерія, наявні гени усіх відомих репараційних систем q Methanococcus jannashii – архебактерія, виділена з морського дна поблизу гейзера – 60 генів, які контролюють метаногенез q E. сoli 0157: H 7 – високопатогенний штам, має на 1387 генів більше, ніж E. coli K 12 Найменше відмінностей між бактеріями за генами, які контролюють реплікацію, транскрипцію, трансляцію 26
Еволюція геномів. Геноми, які збільшуються q Великі геноми є у бактерій, що живуть у мінливих умовах довкілля q Таким бактеріям властивий повільний ріст Приклад - актиноміцети § Лінійні хромосоми 8 – 10 млн. п. н. , що містять теломерні ділянки - довгі інвертовані повтори нуклеотидів (від 24 до 210 т. п. н ) та білки, ковалентно приєднані до 5’ – кінців ДНК §>1 млн пар нуклеотидів на кожному з кінців підлягають частим перебудовам (делеціям, ампліфікаціям) без помітного впливу на життєздатність § Втрата теломерних ділянок може зумовлювати циклізацію хромосом і одночасне існування нуклеоїдів як з лінійними, так і з кільцевими хромосомами q Хромосома актинобактерій поділяється на центральний кор і два плеча q Більшість важливих генів і генів домашнього господарства розміщені в корі, а гени функцій, які використовуються час від часу – в плечах. За набором і розміщенням генів кори актинобактерій подібні. Кінці хромосом багаті на геномні острови, інсерційні елементи і псевдогени q Найголовніший фактор у виникненні геномів сучасних актиноміцетів з предкових геномів – горизонтальне перенесеня генів і дуплікації нуклеотидних послідовностей. Ці події 27 відбуваються головно в плечах хромосом
ГЕНОМ STREPTOMYCES COELICOLOR A 3(2) М 14 § Розмір хромосомної ДНК 8 667 507 п. н. § Кінцеві інвертовані повторення 21 653 п. н. § ГЦ-склад ДНК 72, 1% § Частка кодуючих послідовностей ДНК 88, 9% § Кількість генів, що кодують білки - 7846, у тому числі псевдогенів - 55 (E. coli - 4289, Bac. subtilis – 4099, Sacch. cerevisiae – 6203, H. sapiens >20 тис) § Оперони р. РНК (16 S – 23 S – 5 S) - 6, типи т. РНК - 63 Порівняно з іншими бактеріями геном S. coelicolor містить значно більше генів, що кодують: § Регуляторні білки – 965 (12, 3%), зокрема, - різноманітні σ-субодиниці РНК-полімерази, які контролюють експресію певних груп генів у відповідь зміни довкілля (стимули та стреси) - сенсорні кінази та транскрипційні регулятори – члени двокомпонентних регуляторних систем § АВС-транспортери та інші транспортні білки § Секреторні білки - 819 (10, 5%) секреторних білків § 22 кластери генів біосинтезу вторинних метаболітів § Ензими деградації полісахаридів q 20 ділянок геному отримані внаслідок горизонтального перенесення Найбільший з них 28 153 т. п. н містить 148 генів
Геном бактерії Основні (корові) гени “Додаткові гени”, що контролюють адаптивні функції, потрібні для виживання за певних умов Багато “додаткових” генів отримані бактеріями внаслідок горизонтального перенесення від інших видів і формують дискретні блоки генів, розміщених поряд. Такі сегменти геномів названі “геномними островами, ГО” (GEIs – genomic islands) q Розміри геномних островів – 10 – 200 т. п. н. q ГО різняться від корового геному Г+Ц% складом, вживанням кодонів тощо q Вони часто інтегровані у гени т. РНК q ГО часто обмежені прямими повтореннями нуклеотидних послідовностей ДНК довжиною 16 – 20 п. н. Ці повторення є результатом сайт-специфічної інтеграції ГО в сайти-мішені і можуть діяти як послідовності впізнавання для ензимів, що зумовлюють їхнє “вирізання “ з хромосоми q ГО часто містять активні чи криптичні гени інтеграз, або кон’югаційні систем, задіяні в їхнє переміщення q ГО часто містять Тn- та IS-елементи q ГО часто несуть гени, які надають їхнім господарям селективних переваг 29
Коровий геном т. РНК Коровий геном Геномний острів ПП IS Ген 1 Ген 2 Ген 3 IS ПП Острови патогенності Гени вірулентності Ген 1 Ген 2 Ген 3 Гени симбіозу Ген 1 Ген 2 Ген 3 Острови симбіозу Гени метаболізму Ген 1 Ген 2 Ген 3 Метаболічні острови Гени резистентності Ген 1 Ген 2 Ген 3 Острови резистентності 30
Еволюція геномів. Геноми, які зменшуються q Зменшення геномів розглядається як адаптація (або відповідь) на спрощення умов існування або на більш стабільне довкілля Приклади: патогени людини які недавно змінили нішу: Salmonella enterica ser. thyphy, Shigella flexneri, Yersinia pestis, Bordetella pertusis, Mycoplasma leprae q Містять багато псевдогенів (до 5% усіх генів) q Багато з інактивованих генів були задіяні в адаптації до старої ніші і більше не потрібні (або шкідливі) у новій ніші – гени флагелярного апарату і різних адгезинів Yersinia pestis, які були потрібні для виживання в кишечнику і непотрібні для системного патогена q Збудник коклюшу B. a pertusis у порівнянні з близьким видом B. bronchiseptica: втратила > 20% хромосомної ДНК за рахунок делецій 10 % її генів інактивовані головним чином інсерціями IS-елементів (240 копій IS 418), містить 150 хромосомних перебудов q M. leprae має геном розміром 3, 4 млн. п. н. У ньому 1604 функціональних гена і 1116 псевдогенів. Інактивація генів не супроводжується їх втратою q Натомість в малих геномах Mycoplasma практично немає нефункціональних генів 31
“Мінімальний” геном Фактично повний апарат реплікації ДНК (один білок SSB, що зв’язується з ДНК, ДНК- хеліказа, праймаза, гіраза, полімераза III, лігаза Дуже рудиментарна система репарації ДНК (одна ендонуклеаза, одна екзонуклеаза і урацил-ДНКглікозилаза Фактично повний апарат транскрипції (3 субодиниці РНК-полімерази, РНК-хеліказа, 4 транскрипційних фактори)functions) 206 генів З білків клітинного поділу тільки Fts. Z (у захищеному середовищі клітинна стінка може не бути необхідною клітинною структурою). Основний апарат транспортування речовин у клітину чітко не визначено. У мінімальний набір включено транспортери для глюкози і і фосфату Майже повна система трансляції: 20 аміноацил-т. РНК, метіоніл-т. РНКформілтрансфераза, 5 ензимів дозрівання т. РНК і їх модифікації, 50 рибосомних білків, 6 білків, необхідних для функціонування і дозрівання рибосом, 12 факторів трансляції, 2 РНКази, задіяні у деградації РНК Немає ензимів синтезу амінокислот, усі вони клітина отримує з довкілля Три білки посттрансляційної модифікації, дві системи молекулярних шаперонів (Gro. EL/S і Dna. K/Dna. J/Grp. E), 6 компонентів апарату транслокації білків, 1 ендопептидаза, дві протеази Біосинтез ліпідів редукований до біосинтезу фосфатидилетаноламіну з дигідроксиацетонфосфату і активованих жирних кислот, які клітина отримує з довкілля Енергетичний метаболізм: ензими гліколізу і синтезу АТФ на рівні субстратного фосфорилювання Ензими синтезу пентоз з треоз або гексоз Біосинтез нуклеотидів з фосфорибозилпірофосфату (PRPP) і вільних основ – аденіну, гуаніну і урацилу, які клітина отримує з довкілля Ензими синтезу тетрагідгофолату, НАД, ФАД, тіаміндифосфату, піридоскаль-фосфату і Ко. А 32
Мінімальний метаболізм Мінімальна клітина повинна отримувати основні компоненти з довкілля: глюкозу, жирні кислоти, амінокислоти, аденін, гуанін, урацил, попередники коензимів (нікотинамід, рибофлавін, фолат, пантотенат і піридоксаль). PEP, фосфоенолпіруват; G 6 P, глюкозо-6 -фосфат; Gd 3 P, гліцеральальдегід-3 -фосфат; 33 DHAP, дигідроксиацетонофосфат; G 3 P, sn-гліцеро-3 -фосфат; CDP-DAG, CDP-диацилгліцерофосфат; SAM, Saденозилметіонін; THF, тетрагідрофолат
1995 – 2010 - створення мікроорганізмів з синтетичним геномом 2007 - хромосому Mycoplsma mycoides перенесено у клітини M. capricolum. Спочатку в клетинах були хромосоми обох видів, але після поділу деякі з дочірних клітин успадкували лише хромосому донора. Ці клітини мали ознаки M. mycoides. Так за допомогою пересадки геному вдалося перетворити один вид бактерій в інший 2008 - складено повну хромосому M. genitalium з хімічно синтезованих фрагментів Джон Крейг Вентер 2010 – синтетичну хромосому M. mycoides перенесли в клітини M. capricolum, яка замінила природну хромосому. Клітиниреципієнти повністю підпорядкувалися генам штучної хромосоми. Клітини з синтетичною хромосомою нормально ростуть і розмножуються. Їхню ДНК виділили і секвенували. У синтетичній хромосомі втрачено або «зіпсуто» мутаціями 14 генів, присутніх у 34 «диких» M. mycoides, що не вплинуло на життєздатність клітин з синтетичним геномом.
А - клітини з синтетичним геномом на середовищі з X-gal (містять ген lac. Z). βгалактозидаза перетворює X-gal у синій пігмент B - бактерії M. mycoides дикого типу q Доведено принципову можливість спрямованого проектування мікроорганізмів і технічну здійсненність усіх етапів цього процесу 15 років роботи 40 млн доларів 35
Послідовності генома, що повторюються, становлять 0, 5 -2% ДНК бактерій Малокопійні, кодуючі q Повторення нуклеотидних послідовностей в кодуючих районах генів - E. coli: thr. A, thr. B, thr. C, car. B q Подвоєні гени - E. coli: гени орнітинкарбамоїлтрансфераз arg. I-97’ та arg. F-7’ q Родини генів – Bac. subtilis: 47% генів – члени родин генів (найбільша родина – 77 генів АТФ-зв’язуючих транспортерів) q Оперони генів р. РНК (rrn-оперони) – E. coli: 7 rrnоперонів, Bac. subtilis – 10, Mycobacterium tuberculosis -1 -2, архебактерії – 1 -4 q Гени т. РНК - E. coli: 86 генів кодують 46 видів т. РНК q IS-елементи - E. coli К 12: в хромосомі по 7 копій IS 1 та IS 2, 5 -IS 3, 11 -IS 5 36
Оперони генів р. РНК rrn. B – оперон E. coli P 16 S р. РНК т. РНКглу 23 S p. РНК 5 S р. РНК q Всі rrn-оперони E. coli містять 1 або 2 гени т. РНК між генами 16 S та 23 S р. РНК, 1 або 2 гени т. РНК можуть міститися після локусу 5 S р. РНК q Повторення rrn-оперонів зберігаються завдяки присутності в них унікальних генів т. РНК q У Bac. subtilis гени т. РНК є в 2 з 10 rrn-оперонів q Бактерії, що повільно ростуть – M. tuberculosis- є 1 -2 rrn-оперони q У бактерій існують інші варіанти організації генів р. РНК: Thermus thermophylus – 2 оперони з генами 23 S і 5 S р. РНК та 2 окремих гени 16 Sр. РНК 37
Багатокопійні, дисперговані, некодуючі повторення нуклеотидних послідовностей ДНК бактерій q REP – послідовності E. coli (38 п. н. ); 581 копій в хромосомі; формують 314 REP – елементів; в REP – елементі – від 1 до 12 тандемних копій REP – послідовності q Chi – послідовності E. coli – 5’GCTGGTGG 3’; 1 Chi – послідовність припадає на ~ 5 т. п. н. Сайти дії Rec. BCD -нуклеази, що бере участь у гомологічній рекомбінації ДНК q USS – послідовності Haemophylus influenzae – 5’AAGTGCGT 3’; 1465 копій у хромосомі; взаємодіють з трансформосомами, забезпечують видоспецифічне поглинання ДНК під час генетичної трансформації q Тандемні повторення послідовностей нуклеотидів у теломерних ділянках лінійних хромосом бактерій 38
Скачать презентацию Організація геному бактерій Будова нуклеоїдів і хромосом бактерій
MG_8.ppt