Размер геномов медицински значимых микроорганизмов

Виды микроорганизмов	Размер генома, п.о. ´ 106	Количество ORFs, ´ 103	Содержание G + С (%)
Bacillus anthracis	5,1	5,311	35,4
Bacillus subtilis	4,2	4,112	43,5
Bacteroides thetaiotaomicron	6,26	4,778	42,8
Bifidobacterium longum	2,26	1,729	60,1
Borrelia burgdorferi	0,9	1,638	28,2
Brucella melitensis	3,3	3,198	57,2
Brucella suis	3,28	3,264	57,3
Campylobacter jejuni	1,64	1,634	30,5
Chlamydia trachomatis	1,05		41,3
Chlamydophila pneumoniae AR39	1,23	1,112	40,6
Clostridium perfringens	3,1	2,723	28,5
Clostridium tetani	2,8	2,373	28,7
Enterococcus faecalis	3,35	3,113	37,5
Escherichia coli K12	4,6	4,279	50,8
Escherichia coli 0157:H	5,5	5,361	50,5
Fusobacterium nucleatum	2,17	2,067	27,2
Haemophilus influenzae	1,83	1,714	38,2
Helicobacter pylori 26695	1,66	1,576	38,9
Heiicobacter pylori J99	1,64	1,491	39,2
Lactobacillus plantarum	3,31	3,009	44,5
Leptospira interrogans	4,69	4,727	35,0
Listeria innocua	3,01	3,043	37,4
Listeria monocyfogenes	2,94	2,846	38,0
Mycobacterium tuberculosis H37Rv	4,40	3,989	65,0
Mycoplasma genitalium G-37	0,58	0,477	31,0
Mycoplasma pneumoniae M129	0,81	0,689	40,0
Neisseria meningitidis A Z2491	2,18	2,065	51,0
Pseudomonas aeruginosa 2192	6,83	6,157	66,0
Rickettsia prowazekii Madrid E	1,10	0,835	29,0
Staphylococcus aureus NCTC	2,82	2,89	32,0
Streptococcus pyogenes M1	1,85	1,697	38,0
Treponema pallidum Nichols	1,14	1,036	52,0
Vibrio cholerae N16961 - 1 хромосома 2 хромосома	2,96 1,07	2,742 1,093	47,0 46,0

Классификация генов. Основной единицей наследственности, ответственной за формирование какого-либо элементарного признака, является ген, совокупность которых формирует генотип. В соответствии с международной номенклатурой, название генов происходит от кодируемых ими признаков и его сокращают тремя малыми буквами латинского алфавита. Аналогичные гены, присутствующие у разных видов микроорганизмов, обозначают путем добавления к названию заглавной буквы латинского алфавита (гены, контролирующие разложение лактозы у разных видов бактерий- lac Z, lac Y), аллельные варианты генов, встречающихся у представителей одного вида микроорганизмов, обозначают добавлением цифрового индекса, соответствующего порядковому номеру измененного нуклеотида (lacZ 195). Гены подразделяются на структурные и функциональные в зависимости от их роли в клетке. Структурные гены детерминируют первичную структуру белков бактерий и могут быть классифицированы на две большие группы:

1. Гены «домашнего хозяйства»:

а) гены, отвечающие за биохимические процессы в клетке (метаболизм аминокислот, углеводов, энергии, липидов, ко-факторов и витаминов, сложных углеводов и липидов, нуклеотидов);

б) гены, отвечающие за биологические процессы клетки (подвижность клеток, обработку информации из внешней среды, транспорт веществ через мембраны, сигнальную трансдукцию, обработку генетической информации, репликацию и репарацию, развитие и деградацию, транскрипцию, трансляцию).

2. Гены добавочных/вспомогательных функций: а) вирулентности; б) устойчивости к антибиотикам; в) деградации редких субстратов (углеводородов нефти, пластфикаторов, хлорфенолов и т.д.).

В составе первичной структуры ДНК микроорганизмов могут находиться следующие компоненты:

1. Простые повторяющиеся последовательности (SSR) – состоят из 2 – 6 нуклеотидов, которые могут много раз в тандеме повторяться, например, ЦAT ЦAT ЦAT.

2. CpG мотивы. Богатые гуанином и цитозином последовательности нуклеотидов. Чаще встречаются в начале гена. Распознаются Toll-like рецепторами клеток иммунной системы. Обладают стимулирующим действием на B-лимфоциты, моноциты, макрофаги, дендритные клетки и опосредованно на естественные киллеры. В геноме человека так же встречаются CpG мотивы, но в метилированном состоянии, и потому не обладают иммуностимулирующим эффектом.

В последнее время расшифрована первичная структура ДНК многих микроорганизмов, что требует дальнейшего анализа информации, закодированной в ней. Описание структурных компонентов генома и их функций получило название аннотирование генома, которое включает:определение границ, расположения, функций генов и механизмов их регуляции, положение промоторов, содержание Г + Ц, положение CpG островков, геномных повторов, определение плотности генов, положения транспозонов, IS элементов, тРНК и рРНК генов.

Генетические карты. Геном микроорганизмов отображают графически в виде концентрических колец. Такое графическое изображение генома получило название генетической карты. 2 наружных кольца изображения определяют положение на двух цепочках ДНК открытых рамок считывания, которые соответствуют старту синтеза белка, или началу гена. Рамки считывания обозначены разными цветами, в соответствии с функциями генов. Плотность рамок считывания выше в начале репликона. Третье кольцо отражает отклонение в процентном содержании Г+Ц от средней величины – 37,6%: красный цвет – в большую сторону, голубой– в меньшую. Четвертое кольцо отражает содержание Г+Ц на основной цепи к общему содержанию Г+Ц в ДНК. На этом кольце видна ассиметрия в содержании Г+Ц в начале и конце репликона. Пятое кольцо отражает положение повторов, окрашенных в соответствии с размерами. Кольца 6 и 7 отражают положение тРНК и рРНК генов.

Рис 1. Генетические карты генома Thermoanaerobacter tengcongensis

Плазмиды. Генетические признаки микроорганизмов могут кодироваться не только бактериальной хромосомой, но плазмидами. Плазмиды – это внехромосомные факторы наследственности, представляющие собой небольшие кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, которые располагаются в цитоплазме и способны к автономной репликации. В плазмидах закодирована информация необходимая для репликации плазмид в бактериях, а также информация о дополнительных признаках, сообщающих бактериям преимущества в тех или иных условиях обитания и в стрессовых ситуациях. В одной клетке может быть несколько плазмид, совокупность которых называют плазмотипом. Например, Borrelia burgdorferi B31 содержит 17 плазмид общим размером сравнимым с геномным - 0,53 х 10⁶ п.о. (против 0,91 х 10⁶ п.о. в геноме). Плазмиды могут интегрировать в бактериальную хромосому, тогда их называют эписомами. Репликация плазмид начинается со связывания с итероном (место старта репликации) инициирующего репликацию белка.

Плазмиды классифицируют на несколько групп в зависимости от:

1. Размера: большие, средние, малые (космиды).

2. Способности вызывать конъюгацию бактерий: 1) конъюгативные, которые имеют относительно большие размеры и содержат информацию, необходимую для автономной репликации и переноса ДНК реципиенту; 2) неконъюгативные, которые не способны запускать конъюгацию; они могут передаваться реципиенту при наличии в клетке есть конъюгативные плазмиды.

3. Способности к репликации в одной клетке: совместимые и несовместимые.

4. Кодируемого фенотипического эффекта:

a. Фертильности – F плазмиды.

б. Бактериоциногении – Сol-плазмиды (ColE1, ColE2). Кодируют продукцию бактериоцинов - антибиотикоподобных веществ, обладающих бактерицидным действием в отношении близкородственных видов микроорганизмов. Встречаются у представителей нормальной микрофлоры человека с частотой 1:1000 клеток.

c. Резистентности – R-плазмиды. Обуславливают устойчивость или множественную устойчивость к антибиотикам, солям тяжелых металлов, УФ излучению (плазмиды R100, RP 4). Как правило, являются конъюгативными. Состоят из двух участков: 1) Фактора переноса устойчивости, или RTF, содержащего гены репликации и переноса в клетку реципиента; 2) R-детерминанты, содержащей гены или транспозоны резистентности.

д. Вирулентности (плазмиды LT2, K88). Кодируют продукцию энтеротоксинов, фимбрий.

е. Биодеградации — D-плазмиды. Обеспечивают расщепление сложных субстратов (углеводородов нефти и т.д.).

ж. Криптические. Фенотипический эффект не установлен.

Плазмиды участвуют в генетических перестройках, обеспечивают горизонтальный переносе генов, используют в качестве векторов в генной инженерии.