Что такое геном кишечной палочки
В настоящее время E. coli, несомненно,
представляет собой самую изученную,
клетку из всех существующих.
Кишечная палочка Escherichia coli - классический объект молекулярной генетики, на котором исследованы наиболее принципиальные проблемы организации генетического материала. Штамм E. coli K12 был успешно использован Дж.Ледербергом и Э.Тейтумом в 1946 г. для доказательства существования рекомбинаций у бактерий. Позже Дж.Ледерберг построил для нее первую генетическую карту, а Ф.Жакоб и Э.Вольман - первую кольцевую карту. В 1963 г. Дж.Кернс сфотографировал кольцевой геном E. coli в процессе его репликации.
Зачем это нужно? Клеточный геном представляет собой сбалансированную систему генов - архив генетической информации, достаточной для контроля всего клеточного метаболизма, развития, морфогенеза, самовоспроизведения [1, 2]. В частности, геном клетки содержит гены всех основных генетических процессов - репликации, транскрипции, трансляции, репарации, рекомбинации, сегрегации и т.д. Полное секвенирование генома позволяет сопоставить и оценить генетическую сложность тех или иных молекулярных систем и геномов, выявить ранее неизвестные гены, выполнить сравнительный анализ функционального и структурного сходства различных генов и геномов, выявить общие принципы организации сложных клеточных молекулярно-генетических систем управления.
Работа по проекту полного секвенирования генома E. coli K12 была начата в 1991 г. под руководством д-ра Фреда Блаттнера (лаборатория генетики, Висконсинский университет, г. Медисон, США). В январе 1997 г. основные результаты были переданы в компьютерную базу данных GenBank [3], а в сентябре 1997 г. в американском журнале "Science" появилась итоговая статья коллектива участников секвенирования [4]. Полная последовательность ДНК генома E. coli K12 стала достоянием науки. Ниже мы приведем в сводной форме основные результаты этих работ с необходимыми комментариями, имея в виду, что такой уникальный материал позволяет ответить на многие принципиальные вопросы молекулярно-генетической организации и эволюции.
| Таблица 1 Общие характеристики некоторых секвенированных прокариотических и эукариотических клеточных геномов | |||
Заметим также, что параллельно с E. coli были секвенированы многие другие клеточные геномы бактерий и эукариот. К концу 1997 г. было опубликовано 8 полных клеточных геномов, а к лету 1998 г. - уже 15 (табл. 1). Среди них геномы микоплазм, энтеробактерий, архебактерий, дрожжей, нематоды. На очереди геномы других бактерий и грибов, а также дрозофилы, арабидопсиса, пшеницы, риса, кукурузы, мыши и, наконец, человека. В целом это направление теперь называют геномикой. Это, вероятно, одна из главных точек роста современной молекулярной генетики.
Общие характеристики последовательности ДНК генома E. coli K12 таковы: 87,8% генома занимают реальные и вероятные белок-кодирующие гены, или цистроны. Примерно 1/3 из них была известна ранее, а остальные выбраны среди огромного числа новых открытых рамок трансляции (возможных цистронов, или ORF) путем сложного сопоставления многих свойств, имеющих характерные различия между кодирующими и некодирующими районами. Функции 38% этих цистронов неизвестны.
- 0,8% - гены стабильных фракций РНК (т-РНК, р-РНК и др.).
- 0,7% - некодирующие повторы.
- 11,0% генома - функциональные сайты и другие участки, выполняющие регуляторные и другие функции.
Таким образом, геном E. coli K12 очень плотно нагружен генами (
88,5%), а межгенные участки занимают относительно малую долю (
11%). Среди 4288 выявленных или предсказанных цистронов 1853 описаны ранее, а 2435 - новые. Самый большой цистрон содержит 7149 нп. (2383 кодона), функция его неизвестна. Средний размер цистрона 951 нп. (317 кодонов). Средний интервал между цистронами - 118 нп. Однако межгенны интервалы в большинстве своем содержат различные функциональные сайты, то есть выполняют регуляторные функции. Кроме того, цистроны не содержат интронов - внутренних некодирующих участков.
Известно, что цистроны выделяются в ДНК и м-РНК начальными и конечными знаками пунктуации. В общей форме они были известны ранее и внесены в генетический код. Однако в геноме E. coli они встречаются с различными частотами:
Начальные знаки пунктуации
Конечные знаки пунктуации
ATG - 3542
TAA - 2705
GTG - 612
TGA - 1257
TTG - 130
TAG - 326
ATT - 1
CTG - 1
Интересно, что у 405 пар смежных цистронов вообще нет межгенных интервалов: знак начала трансляции одного частично перекрывается с конечным знаком другого:
По данным на январь 1998 г. [5] сложность молекулярно-генетической системы управления и метаболической сети E. coli можно охарактеризовать следующим образом:
1. Длина ДНК генома (Мб)
2. Полное число генов
3. Число цистронов
4. Число кодируемых ими ферментов
5. Число метаболических реакций
6. Число метаболических путей
7. Число химических веществ, участвующих в метаболизме
8. Число фракций т-РНК (генов т-РНК)
79 (86)
9. Число регуляторных белков
В таких случаях специалисты говорят: "жизнь при 4909 генах". Метаболизм сложен, но не запредельно. В дальнейшем приведенные цифры могут возрасти в ходе исследований за счет новых знаний.
Более подробная классификация цистронов по 22 функциональным классам представлена в таблице 2. Здесь примерно 1/4 клеточных ресурсов связана с метаболизмом малых молекул, 1/8 - с метаболизмом макромолекул и 1/5 - с клеточными структурами и процессами. В метаболизме малых молекул ключевую роль играет синтез, распад и преобразование нуклеотидов (58 цистронов), аминокислот (131); энергетические процессы (243), транспорт (146), центральный промежуточный метаболизм (188) и другие процессы. В частности, системы, выполняющие основные генетические процессы, содержат:
- репликацию, рекомбинацию, модификацию и репарацию ДНК - 115 (2,68%);
- трапскрипцию, синтез, метаболизм и модификацию РНК - 55 (1,28%);
- трансляцию и посттрансляционную модификацию белков - 182 (4,24%) + 21 ген р-РНК + 86 генов т-РНК.
Кроме того, найдено 9 цистронов, контролирующих синтез шаперонов - вспомогательных белков, способствующих формированию правильной пространственной упаковки всех остальных белков. Этот процесс называется самоорганизацией, или фолдингом белков.
Помимо различных вспомогательных функций, эти системы в совокупности образуют сайзер - универсальную систему самовоспроизведения клетки [1, 2]. Сайзер составляет сердцевину молекулярно-генетической системы управления клетки. Несмотря на внушительное число участвующих генов (
460, свыше 10% всех генов), принципиальная блок-схема сайзера достаточно проста [1, 6].
Далее рассмотрим разнообразие функциональных единиц транскрипции. Для генома E. coli и других энтеробактерий характерно присутствие управляемых единиц транскрипции - оперонов. Первые опероны были открыты именно у E. coli: lac-опе-рон, контролирующий сбраживание сахара лактозы, trp-оперон, контролирующий синтез аминокислоты триптофана, и др. [см. 6]. Важной особенностью оперонов является наличие обратной связи между концентрацией контролируемого метаболита и наработкой ферментов его синтеза или распада. Всего в геноме E. coli выявлено и предсказано 2584 оперона. Среди них: 73% содержат 1 цистрон;
- 16% - 2 цистрона;
- 4,6% - 3 цистрона (в том числе lac -оперон);
- 6% - 4 и более цистронов (в том числе trp-, his -опероны).
Все они имеют не менее 1 промотора - начального знака транскрипции.
Опероны управляются регуляторными белками через специфические функциональные сайты управления. Например, белок-репрессор lac -оперона узнает его оператор - функциональный сайт и через него подавляет функцию инициации транскрипции. Иногда опероны подчинены нескольким регуляторным белкам и имеют несколько регуляторных сайтов [1, 6].
Всего по данным секвенирования выявлены 45 цистронов белков с регуляторными функциями и еще цистроны 133 предполагаемых регуляторных белков. Большинство из них, вероятно, участвует в управлении оперонами.
Так, внутри областей с предсказанными сайтами управления (в основном оперонов)
- 89,2% регулируются 1 белком (в том числе trp- оперон);
- 8,4% - 2 белками (в том числе lac -оперон); - 2,4% - 3 и более белками.
В свою очередь эти области содержат
- 81,2% - 1 сайт управления;
- 12,2% - 2 сайта управления (в том числе lac- оперон);
- 6,6% - 3 и более сайтов управления.
Это значит, что большинство оперонов регулируется достаточно просто. Этим они существенно отличаются от генов эукариот, которые подвержены действию многих общих и специфических белковых факторов управления.
Геном E. Coli содержит 2 функциональные единицы репликации. Ф.Блаттнер и др. назвали их реплихорами [4].
Общее двустороннее начало репликации (ori, origin) локализовано на участке примерно 84,5 мин конъюгационного переноса и занимает
250 нп. В этой зоне инициируется двусторонняя репликация. Реплихор 1 ориентирован по часовой стрелке, реплихор 2 - против нее. Оба процесса заканчиваются на противоположном участке генетической карты,
34-35 мин., где каждый из них имеет свой отдельный ориентированный терминальный знак (ter) - T1 и T2. Следует отметить, что традиционно участки репликации, ограниченные знаками ori и ter, называют репликонами [6].
В тех участках, которые для этого генома являются общими, последовательности совпадают практически тождественно на 99%. Совершенно очевидно, что это один геном. При этом есть куски, которые у одних есть, а у других их просто нет. Если вы посмотрите на десятки новых кишечных палочек, то окажется, что доля генов, которая общая для всех, и есть во всех кишечных палочках, довольно мала, меньше четверти. С другой стороны, каждый новый геном, который вы добавляете, приносит несколько десятков новых генов, которых в предыдущих штаммах не было.
Возникает вопрос, что в этой сердцевине и что на этой периферии. В сердцевине у них сидят обязательные гены, участвующие в базовых клеточных процессах. Они есть у всех: гены базового метаболизма и то, что определяет индивидуальность кишечной палочки, отличает ее от других бактерий.
На периферии очень много генов, которые, на самом деле, встречаются у очень маленького количества штаммов или практически уникальны. Обычно эти гены не очень интересные, это фаги, которые встроились в геном, и ясно, что очень скоро оттуда вылетят. В основном эти гены происходят из мобильных элементов. С точки зрения метаболизма, они не очень интересны, но зато они часто бывают задействованы в патогенезе.
Интересны метаболические функции, которые присутствуют только у части штаммов. Скажем, некоторые умеют синтезировать цианокобаламин, витамин В12, некоторые — нет. Или же некоторые умеют питаться жирными кислотами, а другие — нет. С точки зрения человека, очень интересны гены, которые определяют патогены. Одна кишечная палочка в кишечнике живет, и слава богу, ее там мало, и она никому не мешает. А другая кишечная палочка попадает в кишечник и начинается дизентерия. Она умеет продуцировать токсин, который раздражает клетки эпителия, и происходит локальное воспаление. Или она умеет делать белок, благодаря которому она плотно цепляется к эпителию, и опять-таки производит токсин.
Как правило, эти гены не универсальные, иначе кишечная палочка была бы универсальным патогеном. Они разные в разных штаммах, причем они определяют клинические проявления. Есть уропатогенные генетические палочки, которые в урогенитальном тракте плохо себя ведут. Есть энтерогемморагические кишечные палочки, которые вызывают кровотечение из кишечника. Более того, то, что стало ясно после определения геномной последовательности, что бактерии, которые относили даже к другому роду — Shigella — возбудители дизентерии, на самом деле просто кишечные палочки, которые приобрели систему токсичности, которая приводит к клиническим проявлениям дизентерии. Shigella — это просто клон внутри кишечных палочек.
Очень много историй появляется, когда бывают какие-то инфекционные вспышки. Была история про несчастных японских детей, которые отравились салатом с кишечной палочкой. Была история в Германии, когда какое-то количество народу отравилось кишечной палочкой. Это просто означает, что в пищевую цепочку человека, в пищевые продукты попадает штамм с носителем какого-то нового токсина, с которым человек раньше не встречался, поэтому не имеет иммунитета, или он пробивает иммунитет. Соответственно, случается вспышка кишечной инфекции. Она обычно бывает быстро локализована при хорошей эпидемиологической работе. Но довольно часто определить источник так и не удается.
У человека в животе живет довольно плотное бактериальное сообщество, в которое просто так не вторгнешься. Это как на рынок: если ты пришел на рынок и стал торговать, то скорее всего тебе дадут в глаз и ты там не окажешься. А если ты пришел на рынок с пятнадцатью друзьями и стал торговать, шансов закрепиться гораздо больше. Соответственно, если у человека слабый иммунитет, какие-то неполадки с собственной микрофлорой — он заболевает, даже получив небольшую дозу патогена, а если все в порядке, то он с ней справляется.
Возможность бактерий приобретать патогенные свойства у разных видов разная и по-видимому у подавляющего большинства бактерий, которые живут с человеком, таких шансов нету. А среди красивых примеров, когда такое появлялось — кишечные палочки, которые время от времени становятся патогенами, или чумная палочка Yersinia pestis, она как Shigella, является молодым клоном, группой родственных штаммов, которые выделились из совершенно другой Yersinia, их предка Yersinia pseudotuberculosis, возбудителя более мягкого заболевания. И, по-видимому, самый яркий пример — это сибирская язва, Bacillus anthracis, потому что это тоже клон совершенно безобидной почвенной бактерии Bacillus cereus. У нее есть два отпрыска — возбудитель сибирской язвы у человека и млекопитающих, а еще есть возбудитель очень страшной болезни насекомых, который убивает, в частности, колорадских жуков — есть пестициды, созданные на основе токсина из этой бактерии: он для насекомых смертелен, а на человека не действует.
| Главная ≫ Инфотека ≫ Биология ≫ Объект, который всегда с тобой / Жертвы науки |
|
