Организация генома прокариот

Прокариоты характеризуются отсутствием клеточного ядра, отделенного мембраной от цитоплазмы. Генетический аппарат представлен одной или несколькими кольцевыми молекулами ДНК. Однако сейчас описаны виды с линейными молекулами ДНК, а также виды у которых кольцевая молекула сочетается с линейной. Среди прокариот самый маленький размер генома у Mycoplasma genitalium (580 тысяч п.н.), самый большой — у Myxococcus Xanthus (9,5 млн. п.н.). У E. coli размер генома составляет 4,6 млн. п.н. Всего в настоящее время просеквенировано 50 прокариотических геномов (табл. 1).

Таблица 1 Размер генома и количество генов у некоторых прокариот

Ранее считалось, что бактериальный геном организован в виде одноцепочечной кольцевой молекулы ДНК. Однако в настоящее время у ряда бактерий обнаружены геномные ДНК в виде линейных молекул. Например, Borrelia burgdorferi — возбудитель болезни Лайма у человека и некоторые виды Streptomyces имеют геномы в виде линейной ДНК.

Практически все бактерии имеют плазмиды, несущие несущественные гены. Однако Borrelia burgdorferi содержит приблизительно 17 плазмид, имеющих, по крайней мере, 430 генов и некоторые из них существенные, например гены для биосинтеза пуринов и мембранных белков. При расшифровке генома Vibrio cholera обнаружили наличие двух циклических хромосом. Хромосома 1 (2,96 мб) содержит 2770 открытых рамок считывания и хромосома 2 (1,07 мб) содержит 1115 открытых рамок считывания, некоторые из которых являются существенными генами, например, генами рибосомных белков. Хромосома 2, вероятно, образовалась из плазмиды, захваченной предшественником данного вида.

Плотность генов в хромосомах бактерий очень высока: в среднем около 1 гена на тысячу пар оснований. E. coli имеет большой геном — 4,6 мегабаз с 4288 протеин-кодирующими генами. Так близко расположенные гены обуславливают наличие очень высокой пропорции ДНК, кодирующей белки (около 85−90%). У бактерий средний размер ДНК-последовательностей между генами составляет 110−125 п.н. Типично, что менее 1% бактериальной ДНК является некодирующей, и она обычно представлена в форме транспозонов.

Порядок расположения генов на бактериальной хромосоме не совсем случаен. Гены, вовлеченные в определенную функцию, часто располагаются один за другим, организованы в оперон и транскрибируются совместно на одну мРНК. Анализ полностью секвенированых геномов бактерий выявил 16 консерватиных кластеров, содержащих 2 и более генов (гены рРНК, субъединицы АТФ-синтетазы, РНК-полимеразы и др.). Для бактериальных геномов характерны опероны. У E. сoli 27% предсказанных транскрипционных единиц являются оперонами. Имеют редкие случаи перекрывания генов, когда один ген находится внутри другого на той же нити ДНК. В организме Aquifex aeolicus большая часть генов является полицистронными транскрипционными единицами, которые можно было бы назвать оперонами. Однако, в отличие от классического оперона, содержащего гены одного биохимического пути, у Aquifex aeolicus один оперон содержит 6 генов. Два для рекомбинации ДНК, один для синтеза липидов, один для синтеза нуклеиновых кислот, один для синтеза белков, один для обеспечения подвижности клеток.

В генах архебактерий и бактерий обнаружены интроны, которые ранее считались типичными для эукариот. У прокариот обнаружены также и интеины — участки, кодирующие самосплайсирующиеся полипептидные цепи (ранее они были обнаружены и дрожжей). Эти последовательности обеспечивают пострансляционное вырезание внутреннего пептида с последующим лигированием концевых пептидов. Такой сплайсинг происходит автокаталитически. В настоящее время выявлено несколько десятков интеинов. Большинство этих генов связаны с нуклеиновым обменом (гены ДНК-полимеразы, ДНК-геликазы и др.).

Паралогичные и ортологичные гены. Гомологичные гены в геномах различных организмов называют ортологами, в отличие от паралогов — гомологичных генов внутри одного генома. Паралоги возникают путем внутригеномных дупликаций. Паралоги могут эволюционировать с приобретением новой функции. Ортологи происходят от одного гена в общем предковом организме; они сохраняют одну и ту же функцию в процессе эволюции. Паралоги составляют значительную часть в геномах бактерий — до 50% генов.

Ортологи являются эволюционно консервативными. К ним относятся «гены домашнего хозяйства» и гены шаперонов, участвующих в сворачивании других белков и объединении макромолекулярных комплексов. Эти гены отвечают за стабильность основных физиологических процессов.

Микоплазма гениталиум была использована как модель для изучения минимального набора генов. Геном данного паразита кодирует 468 белковых молекул. 240 генов из них являются ортологами. Были найдены еще 16 существенных гена. Всего в минимальный набор было включено 256 генов. Это гены компонентов системы трансляции, транскрипции, репликации, репарации, путей синтеза нуклеотидов, путей анаэробного метаболизма (в основном гликолиза), группа белков с шаперон-подобными функциями. Значительное сокращение генетической информации связано с паразитическим образом жизни микоплазмы. В ее геноме отсутствуют многие гены биосинтеза аминокислот, имеется очень мало генов для синтеза витаминов, предшественников нуклеиновых и жирных кислот. Все эти вещества микоплазма получает от хозяина.

Если из генома вычесть консервативный минимальный набор генов, то остаются гены экологической специфичности, определяющие специфические фенотипические характеристики вида. Например, у микоплазмы 10% генома составляют гены адгезинов и поверхностных антигенов, которые участвуют в продуцировании антигенных вариантов поверхностных белков, смена которых позволяет избежать иммунного ответа.

Археи — типичные экстремофилы, живущие при очень высоких температурах, высоких концентрациях солей, высоком давлении и экстремальной рН, Несмотря на сходство с эубактериями, во многих аспектах метаболизма архебактерии похожи на эукариот. Геном Methanococcus jannaschii был расшифрован в 1996 году. Кольцевая двуцепочечная ДНК размером 1,7 мб содержит 1738 генов, кодирующих белки. Геном имеет три хромосомы — большую, кольцевую хромосому размером 1, 66 мб и две маленькие кольцевые хромосомы размером 58,4 и 16,5 кб. Большинство генов этого организма (58%) не похожи ни на какие другие известные гены.