CC BY
83
ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИИ И ЭВОЛЮЦИЯ
© *Л.Е. Михеева, 2Ю.Л. Орлов, 2Н.А. Колчанов, 1 С.В. Шестаков
1 Институт общей генетики
им. Н.И. Вавилова РАН, Москва
2 Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск
Ф Исследование in silico структуры, количества, распределения и локализации (внутригенной и межгенной) прямых и инвертированных повторяющихся последовательностей в геномах восьми одноклеточных цианобактерий показало перспективность такого подхода в полногеномном анализе для решения задач молекулярной филогении и экологической геномики. Сравнительный анализ распределения неслучайных повторов позволил: подтвердить высокую степень генетического родства двух штаммов Prochlorococcus marinus (MED4 и SS120), обладающих редуцированными геномами и обитающих в различных по уровням освещенности эконишах; установить филогенетическую близость геномов Prochlorococcus marinus MIT9313 и Synechococcus WH8102, существенно различающихся по набору белков светособирающих комплексов фотосистем, но занимающих сходные ниши в морских экосистемах; выявить характерные различия в геномной организации между морскими и пресноводными видами одноклеточных цианобактерий.
Ф Ключевые слова: эволюционная геномика; цианобактерии; повторяющиеся последовательности; экофизиология
ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВЕРШЕННЫХ ПОВТОРОВ В ГЕНОМАХ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Цианобактерии являются таксономически разнообразной группой фотосинтезирующих прокариот, играющих глобальную роль в различных экосистемах. Большое внимание уделяется изучению филогении цианобактерий в связи с проблемами экологической геномики, эволюционной биологии, эн-досимбиотического происхождения хлоропластов [6]. На основе классических методов анализа консервативных генов 168—238 рибосомной РНК построены филогенетические дендрограммы, включающие более 70 видов и штаммов цианобактерий, относящихся к различным морфофизиологическим и экологическим группам [7, 11, 12, 16]. Однако эти дендрограммы часто не согласуются с филогенией по отдельным белкам и с фенотипическими особенностями, определяющими экологически значимые признаки цианобактерий. В частности, цианобактерии, относящиеся к роду Synechococcus могут находиться на дендрограмме 168 РНК-генов на отдаленном расстоянии друг от друга, в то время как некоторые из них имеют высокую степень филогенетической близости к оксифотобактериям рода Prochlorococcus, отличающимся от других цианобактерий по белкам светособирающих комплексов аппарата фотосинтеза [14].
Сведения о полностью секвенированных геномах различных цианобактерий существенно раздвигают рамки сравнительной эволюционной геномики и позволяют обсуждать вопросы таксономии цианобактерий с учетом их эко-физиологических характеристик. В нашей работе для исследования геномов одноклеточных цианобактерий использован новый подход, базирующийся на сравнительном анализе т sШco протяженных совершенных повторяющихся последовательностей, наличие и распределение которых в геномах разных видов и штаммов может отражать филогенетические связи организмов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследовали восемь одноклеточных цианобактерий, различающихся по размерам полностью секвенированных геномов, числу генов, среде обитания и морфофизиологическим характеристикам (табл. 1). Три штамма РюсЫоюсоси (МБ04, 88120, М1Т9313), а также Synechococcus ШН8102 относятся к формам морского фитопланктона, другие штаммы (ВР1, РСС6301, РСС6803) являются пресноводными цианобактериями. Клетки РгосЫогососси^ используют дивинил-хлорофиллы a/b в светособирающих комплексах, тогда как другие группы цианобактерий содержат фикобили-новые антенны и хлорофилл а в фотосистемах. 01оеоЬас1ег viola.ce^ РСС7421 относится к бестилакоидным древним цианобактериям. [8]. Для
Таблица 1
Характеристика полностью секвенированых геномов одноклеточных цианобактерий
Организм Среда обитания, биологические особенности Размер генома тнп Г + Ц состав, % Число ОРС* Число генов р-РНК Число hli-генов** Число pcb- генов***
Prochlorococcus marinus pastoris MED4 Морской фитопланктон, хлорофилл а/Ь 1658 31 1713 3 22 1
Prochlorococcus marinus marinus SS120 Морской фитопланктон, хлорофилл а/Ь 1751 36,4 1884 3 13 8
Prochlorococcus marinus MIT9313 Морской фитопланктон, хлорофилл а/Ь 2411 51 2265 6 9 2
Synechococcus sp. WH8102 Морской фитопланктон, хлорофилл а 2434 59,5 2522 6 8 0
Thermosynechoco ccus elongates BP-1 Пресноводная, термофил, хлорофилл а 2594 53,9 2475 3 1 0
Synechococcus elongates PCC 6301 Пресноводная, хлорофилл а 2696 55,5 2525 6 2 0
Synechocystis sp. PCC 6803 Пресноводная, хлорофилл а 357 47 3167 6 5 0
Gloeobacter violaceus PCC 7421 Бестилакоидные клетки 4659 62 4430 3 0 0
Примечание :* — открытая рамка считывания (ОРС); ** — йй-гены (high light inducible), кодирующие белки, синтез которых индуцируется при сильной освещенности; *** — pcb-гены, кодирующие светособирающие антенные белки, связанные с хлорофиллами a/b.
сравнения были проанализированы геномы бактерий Rhodopseudomonas palustris CGA009 и Bacillus halo-durans C125. Информация о нуклеотидных последовательностях геномов прокариот получена из баз данных GenBank (http://www.ncbi.nlm/nih.gov/GenBank/) и CyanoBase (http://www.kazusa.or.jp/cyano/).
Сходство геномов оценивалось по общим фрагментам ДНК (совершенным повторам). Действительно, число генов-ортологов в геномах отражает их эволюционную близость. Вариант такой меры — число протяженных совпадающих участков, соответствующих консервативным доменам, генам или кластерам генов при сравнении геномов с помощью программы BLAST [5]. Для поиска повторов в полных геномах использовали компьютерные программы, разработанные в Институте цитологии и генетики СО РАН [9, 10]. Для каждой из исследуемых цианобактерий определены структура, количество, локализация (внутригенная и межгенная) прямых и инвертированных повторов, изучены картины сходства и различия в распределении неслучайных повторов при попарном сравнении геномных карт.
Для анализа сходства полных геномов использовалась программа MUMmer [4], позволяющая с высокой эффективностью выполнять сравнение последовательностей в геномах близкородственных организмов. В основе метода сравнения лежит принцип разложения геномов на отдельные подпоследовательности, так называемые MUMs (maximal unique mаtching subsequences), полностью со-
впадающие, но встречающиеся в двух сравниваемых геномах не более одного раза. Размер МиМз составляет от 15 до 100 и более нуклеотидных пар (нп) и соответственно, количество найденных МиМз при попарном сравнении геномов тем больше, чем ниже минимальный заданный размер совпадающих последовательностей [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Одна из существенных характеристик при анализе геномов — насыщенность их неслучайными прямыми и инвертированными повторами [15]. В табл. 2 приведены данные по количеству и характеристикам внутриге-номных совершенных повторов длиной > 20 нп для восьми штаммов цианобактерий. В этих геномах присутствуют протяженные неслучайные совершенные повторы, достигающие в длину более одной тысячи нуклеотидных пар (за исключением штамма 88120).
Общая доля последовательностей генома, занятая протяженными неслучайными повторами в геномах морских фитопланктонных организмов РюсЫоюсоси и Synechococcus меньше, чем у остальных рассматриваемых цианобактерий и в среднем у других бактерий: около 1% против 3—5%. Усредненное значение этого параметра для 122 последовательностей полных бактериальных геномов составляет 4,6% [1]. Прослеживается тенденция увеличения числа повторов в зависимости от размера генома, однако общая доля генома, занятого неслучай-
ными повторами, не всегда коррелирует с размерами генома. Например, в геноме термофильной цианобактерии Thermosynechococcus еЬп£а1^ ВР1 неслучайные протяженные повторы занимают 5,8% и наблюдается наибольшее число мультикопийных повторов (присутствующих в трех и более копиях) по сравнению с другими цианобактериями. Суммарная доля позиций, занятых одинарными (уникальными) повторами, составляет от 19 до 83% (в среднем 56%) от общего числа протяженных повторов; на мультикопийные приходится около 44% (соотношение колонок 5 и 6 в табл. 2).
Морские штаммы РюсЫоюсоссиэ МБЭ4 и 88120 характеризуются высокой степенью сходства геномов, но отличаются от Prochlorococcus М1Т9313, геном которого по критерию распределения повторов ближе к геному штамма Synechococcus ШН8102. В табл. 3 приведены
Характеристика
данные детального анализа внутригеномных повторов у Prochlorococcus МБЭ4 и 88120, имеющих наименьший размер геномов.
Компьютерный анализ геномов штаммов Prochloro-сосс^ МБЭ4 и 88120 показал:
1. В геномах этих штаммов обнаруживается очень мало инвертированных повторов размером > 50 нп;
2. Примерно 27—29% всех повторов являются внут-ригенными, причем около 50% из них являются тандемно повторяющимися участками низкой сложности в генах, кодирующих сигнальные белки, РНК-связывающие домены, шапероны, факторы инициации трансляции. Большинство близко расположенных повторов, находящихся между соседними открытыми рамками считывания (ОРС) в одном межгенном участке, являются тандемными повторами коротких участков ДНК;
Таблица 2
геномных повторов
Геном штамма Кол-во повторов (более 20 нп) Средняя длина повтора (более 20 нп) Размер максимального повтора, нп Локализация максимального повтора (дупликация) Всего занято повторами, нп Из них одинарных повторов, нп Доля генома, занятая повторами
1 2 3 4 5 6 7
МЕБ4 89 (69, 20) 31,6 1257(П) Кластер 4-х Ыьгенов 19750 16216 0,012
88120 99(82, 17) 34,1 303(И) Гены белков-порино в 10570 7261 0,006
МГГ9313 489 (357, 132) 40,3 6182(И) Кластер генов р-РНК 73174 46620 0,030
"^8102 461 (390, 71) 57,7 3122(И) Кластер генов р-РНК 72138 40812 0,030
ВР-1 948 (623, 325) 66,0 3228(И) Гены обратной транскриптазы 150160 29596 0,058
6301 145 (92, 53) 40,2 5436(И) Кластер генов р-РНК 36055 30106 0,013
6803 758 (378, 380) 82,8 5361(И) Кластер генов р-РНК 127544 49889 0,036
7421 1206 (754, 452) 38,0 1672(П) Гены транспозаз 183491 117856 0,039
Rhodopseudomonas palustris С0Л009 1377 (746, 631) 25,3 5211(П) Кластер генов р-РНК 220870 160119 0,040
BacШus halodurans С-125 1224 (768, 456) 113 5283(П) Кластер генов р-РНК 222251 26401 0,053
Примечание: в колонке 1 цифры в скобках через запятую обозначают количество прямых и инвертированных повторов; в колонке 2 приведены данные о средней длине совершенного повтора для повторов, содержащих 20 и более нп;
в колонке 3 буквы в скобках обозначают тип повтора: П — прямой повтор, И — инвертированный повтор;
колонка 5 содержит данные об общем числе позиций в геноме, занятых неслучайными совершенными повторами; в колонке 6 приведено число позиций, повторенных не более двух раз (в отличие от мультикопийных, повторенных три-четыре и более раз);
в колонке 7 приведена доля (от 0 до 1) позиций в геноме, занятых повторами, которая рассчитывалась как число позиций занятых протя-
женными повторами (колонка 5), разделенное на размер генома.
3. Около 30% повторов расположены в различных генах: 50% из них у штамма MED4 и более 80% — у штамма SS120 располагаются в гомологичных генах, выполняющих одинаковую или сходную функцию;
4. Остальные 40% повторов находятся либо полностью в некодирующих межгенных участках генома, либо только один из повторов находится между ОРС, а другой — внутри ОРС. Заметное число таких повторов находится в генах тРНК или в непосредственной близости от них. Известно, что именно гены тРНК являются локу-сами, в которых часто происходит реорганизация генома в результате гомологичной рекомбинации или интеграции фаговой ДНК [13].
Следует отметить, что значительное число генов, содержащих совершенные повторы, у штамма MED4, адаптированного к высокой интенсивности света, представлены «ЫЬ>-генами (high light i nducible), кодирующими белки, синтез которых индуцируется при сильной освещенности. Участок генома с четырьмя такими генами является дупликацией и образует максимальный прямой повтор в геноме штамма MED4, причем копии расположены на значительном удалении друг от друга, так как
начальные позиции этого повтора в геноме — 1344538 (Hli 6-9) и 772664 (Hli 16-19). Всего в геноме MED4 обнаруживается 22 гена, кодирующих Hli-белки, тогда как в геномах других морских цианобактерий, обитающих в эконишах с более низкой освещенностью, их существенно меньше: в геноме штамма SS120 — 13, у штамма MIT 9313 — 9 и у штамма WH8102 — 8 [2].
Протяженные совершенные повторы в геноме штамма SS120 обнаруживаются в многочисленных «pcb »-ге-нах, кодирующих светособирающие антенные белки, связанные с хлорофиллами a/b. Геном этого штамма содержит 8 различных pcb-генов, геном MIT9313 — всего
2 pcb-гена, в геноме Synechococcus WH8102 вообще нет таких генов, так как этот штамм использует фикобилисо-мы в качестве светособирающего комплекса [3].
Таким образом, анализ повторяющихся последовательностей в геномах штаммов Prochlorococcus MED4 и SS120 выявляет наличие гомологичных генов, количество которых связано с адаптацией этих штаммов к условиям высокой (MED4) или низкой (SS120) освещенности. Подобные дупликации, приводящие к появлению в геномах многочисленных функционально гомологичных
Таблица 3
Анализ совершенных внутригеномных повторов у двух морских штаммов Prochlorococcus
Характеристика повторов MED4 SS120
Всего П И Всего П И
Число повторов ( ? 20 нп) 20-49 нп 74 54 20 81 б5 1б
50-99 нп б б 0 13 13 0
100-194 нп 5 5 0 1 1 0
200-499 нп 2 2 0 4 3 1
Более 500 нп 2 2 0 0 0 0
Общее число 89 б9 20 99 82 17
Длина максимальных повторов, нп — 1257 48 — 239 303
Локализация повторов Внутригенные (2 копии в одной ОРС) 24 24 0 29 29 0
Межгенные (2 копии в различных ОРС) 29 21 8 29 1б 13
В том числе дупликация 4-х №-генов и 12 повторов в 10 парах других гомологичных генов, среди которых еще 6 №-генов В том числе 23 повтора в 20 парах гомологичных генов, среди которых 8 рсЬ-генов
2 копии в некодирующих областях 19 13 б 8 + 27* 4 + 27* 4
Одна копия в ОРС, другая — в некодирующих областях 17 12 5 б б 0
Примечание: П — прямые повторы, И — инвертированные повторы. * — 27 повторов — множественные повторы в двух межгенных участках: 17 — в области между генами Рго0676 и Рго0677 (1587 нп)
10 — в области между генами Рго1460 и Рго1461 (1428 нп).
генов, повидимому, отражают эволюционные пути геномной реорганизации, увеличивающей приспособленность к различным экологическим условиям обитания.
В целях сравнительного геномного анализа была проведена оценка количества и характера совершенных повторов при попарном сравнении цианобактериальных геномов между собой (табл. 4). Определяли размер и положение совершенных повторов длиной 20 и более нуклеотидов в одном из геномов (I) по отношению к другому геному (II). При анализе повторов в попарных меж-геномных сравнениях различных цианобактерий было обнаружено, что наиболее длинные повторы оказывались связанными с последовательностями кластеров генов рибосомных РНК. Например, все повторы длиной 100 и более нп локализовались в этих кластерах. Это неудивительно, так как именно критерий сходства последовательностей генов рибосомных РНК используется в систематике для объединения организмов в крупные таксономические группы.
Результаты межгеномного сравнения цианобактерий по критерию количества совершенных неслучайных повторов длиной 20 и более нуклеотидов представлены в табл. 4: приведены данные о количестве прямых и инвертированных повторов за вычетом повторов, попадающих в кластеры генов рибосомных РНК. Результаты попарных геномных сравнений, выявляющих максимальное число повторов, выделены жирным шрифтом. Нереципрокность значений в попарных сравнениях связана с особенностями учета мультикопийных повторов и не изменяет общей картины.
Штаммы MED4 и SS120 похожи друг на друга по количеству взаимно совпадающих последовательностей (см. табл. 4). При сравнении геномов этих двух штаммов с геномами других цианобактерий обнаруживается меньшее число повторов и при этом снижается как максимальная, так и общая длина «совпадающих» участков генома, что коррелирует со степенью филогенетической удаленности различных видов цианобактерий. Наименьшее сходство в картине повторов для большинства цианобактерий наблюдается при их сравнении с эволюционно далекими бактериями — Bacillus halodurans C150, обитающей в щелочных условиях, и почвенной бактерией Rhodopseudomonas palustris CGA009.
Высокая степень сходства (максимальное число меж-геномных повторов) обнаруживается при сравнении геномов штаммов WH8102 и MIT9313, несмотря на то, что в систематике они относятся к разным родам. Высокая степень геномного сходства этих штаммов по данным сравнительного анализа 16S-рибосомной РНК отмечена и другими авторами [12, 13], обращающих внимание на общность экологических ниш, которые занимают в морском фитопланктоне эти два штамма цианобактерий, обладающих разными типами светособирающих комплексов.
Сопоставление расположения повторов, полученных при межгеномных сравнениях, с генетическими картами цианобактерий (из базы данных Cyanobase) показало, что в большинстве случаев сходные совершенные повторы находятся в генах-ортологах. Поэтому высокие значения числа повторов при межгеномных сравнениях отдельных штаммов могут свидетельствовать о близком
Таблица 4
Повторы при попарных межгеномных сравнениях
Сравнение геномов II I MED4 SS 120 9313 8102 BP1 6301 6803 7421 Rhodopseudomonas palustris GA009 Bacillus halodurans C-125
1111111111 239 61 40 22 27 38 21 9 16
8888888888; (178. 61) (22, 39) (15, 25) (11, 11) (11, 16) (19, 19) (11, 10) (5, 4) (8, 8)
227 114 53 18 28 37 22 8 10
(179. 48) (57, 57) (16, 37) (12, 6) (12, 16) (22, 15) (11, 11) (3, 5) (7, 3)
59 127 8888888888; 436 59 104 45 54 21 9
9313 (23, 36) (61, 66) 8888888888; (228. 208) (29, 30) (49, 55) (21, 24) (26, 28) (7, 14) (6, 3)
45 64 447 :444NSSSSSSSSSSSSSSSSS 80 176 79 180 79 8
(17, 28) (19, 45) (232. 215) 8888888888; (37, 43) (96, 80) (38, 41) (79. 101) (35, 44) (3, 5)
BP1 24 20 51 88 І8888888888 259 248 78 15 19
(14, 10) (12, 8) (22, 29) (43, 45) 11111111111 (147. 112) (117. 131) (31, 47) (6, 9) (9, 10)
6301 29 31 91 176 247 38888888888 175 121 37 16
(17, 12) (12, 19) (43, 48) (96, 80) (132. 115) 38888888888 (91, 84) (62, 59) (17, 20) (3, 13)
32 31 45 89 260 181 82 11 16
(16, 16) (21, 10) (19, 26) (41, 48) (131. 129) (103, 78) 8888888888 (48, 34) (7, 4) (8, 8)
22 25 63 198 80 149 79 8888888888; 213 11
(11, 11) (13, 12) (32, 31) (101. 97) (37, 43) (77, 72) (45, 34) 8888888888; (109. 104) (6, 5)
Примечание: В клетках указано количество совершенных повторов длиной 20 и более нуклеотидных пар, исключая повторы в кластерах генов рибосомных РНК. В скобках приведено количество прямых (первая цифра) и инвертированных (вторая цифра) повторов. Размеры геномов Rhodopseudomonas palustris CGA009 — 5, 46 Мнп; размеры геномов Bacillus halodurans C-125 — 4, 20 Мнп.
1,75 мнп, SS120
2,41 мнп, MIT9313
1,65 мнп, MED4
А
Б
В
Рис. 1. Диаграммы MUMmer выравниваний геномов некоторых одноклеточных цианобактерий при минимальной длине MUMs-фрагментов равной 20 нп:
каждая точка диаграммы характеризует локализацию отдельных MUMs размером 20 и более нуклеотидных пар в геномах сравниваемых штаммов; темно-серым обозначены повторы, считываемые в обоих геномах в прямом направлении, светло-серым — считываемые по комплементарной нити в одном из геномов (инвертированные повторы).
A. Геном Prochlorococcus MED4 (ось Y) против генома Prochlorococcus SS120 (ось X).
Б. Геном Synechococcus WH8102 (ось Y) против генома Prochlorococcus marinus MIT9313 (ось X).
B. Геном Prochlorococcus MIT9313 (ось Y) против генома Prochlorococcus MED4 (ось X).
генетическом родстве этих организмов. Можно предполагать, что гены-ортологи, в которых в ходе эволюции накапливаются мутации и даже меняются функции в процессе экологической адаптации и дивергенции видов, постепенно «теряют» протяженные совершенные повторы. Напротив, в эволюционно близких видах, «разошедшихся» в относительно недавний период, может сохраниться большее количество сходных участков генома. Чем дальше друг от друга отстоят организмы в эволюционном отношении, тем меньше будет количество и длина межгеномных совершенных повторов. При определении количества совершенных повторов длиной в 50 и более нуклеотидов вообще не было обнаружено таких повторов при сравнении геномов цианобактерий с другими бактериями. При попарном сравнении штаммов цианобактерий друг с другом число таких повторов снижается, оставаясь максимальным в парах МБЭ 4 / 88120 и М1Т9313 / ШИ8102.
Полученные данные хорошо согласуются с результатами проведенного нами полногеномного сравнения различных штаммов цианобактерий с помощью программы МиМтег [4]. На рис. 1 приведены полученные этим методом попарные выравнивания геномов (точечная матрица гомологии) некоторых цианобактерий. Это исследование со всей определенностью свидетельствует о более высокой степени сходства геномов цианобактерий М1Т9313 и ШИ8102 (см. рис. 1Б) и, особенно, МБЭ4 и 88120 (см. рис. 1А) по сравнению со всеми другими вариантами попарных сравнений (в частности, в паре штаммов М1Т9313 и МБЭ4 — рис. 1В). На рис. 1А и 1Б обнаруживается не только большое количество совпадающих участков, но и сходство во взаимном расположении
как отдельных генов, так и целых сегментов генома. В наибольшей степени друг другу соответствуют геномы штаммов MED4 и SS120, которые рассматриваются как близкородственные организмы, эволюционно «разошедшиеся» относительно недавно [12].
Представленные в табл. 4 сведения подтверждают, что геном штамма Prochlorococcus MIT9313 имеет больше сходных последовательностей с геномом Synechococcus WH8102, чем с геномами других штаммов Prochlorococcus. В этой паре геномов сходным оказывается и взаимное расположение генов во многих крупных сегментах хромосомы. Эти данные, как и результаты определения степени гомологии 16S-PHK [13] свидетельствуют о филогенетической близости штаммов WH8102 и MIT9313. Некоторые исследователи склоняются к гипотезе о происхождении рода Prochlorococcus от древней группы фикобилисом-со-держащих цианобактерий. С этой точки зрения штаммы MIT9313 и WH8102 могут оказаться эволюционно более близкими к общему предку, чем к штаммам MED4 и SS120, которые, скорее всего, являются результатом редукционной эволюции древних хлорофилл a/b-содер-жащих цианобактерий [12, 13, 14].
Сопоставление числа совершенных повторов с размером 20 и более нуклеотидных пар при межгеномных сравнениях (см. табл. 4) свидетельствует об определенном сходстве геномов штаммов пресноводных цианобактерий Thermosynechococcus BP1, Synechococcus 6301 и Synechocystis 6803. Особое место занимает штамм Gloeobacter 7421, обладающий геномом большого размера и наибольшим среди анализируемых цианобактерий количеством повторов при сравнении с геномом фо-
тосинтезирующей пурпурной бактерии Rhodopseu-domonaspalustris (но не с Bacillus halodurans). Это наблюдение можно рассматривать как косвенное указание на более высокую степень филогенетической близости Gloeobacter 7421 к предковому фототрофному организму по сравнению с другими изучаемыми в данной статье цианобактериями. Полученные результаты позволяют обсуждать вопрос о возможной связи молекулярной филогении цианобактерий с их экологическими характеристиками. Количественный анализ совершенных повторов (см. табл. 4) подтверждает выявленные по другим критериям геномного анализа [2] групповые различия между морскими и пресноводными видами цианобактерий. Морские виды, обитающие в более гомогенной окружающей среде, отличаются редуцированными размерами геномов и менее развитыми сигнальными системами по сравнению с пресноводными цианобактериями, обладающими широким диапазоном адаптивных реакций на внешние воздействия [2].
Таким образом, можно заключить, что использованный в работе метод поиска совершенных повторов является эффективным инструментом полногеномного анализа. Наш подход близок к недавно предложенному методу полногеномного анализа [5]. Исследование in silico полностью секвенированных геномов цианобактерий позволяет сделать вывод о том, что количество и протяженность прямых и инвертированных повторов в геномах прокариот могут в целом отражать степень генетического родства и/или эволюционной близости исследуемых организмов. Эти сведения могут также дать полезную информацию о корреляции особенностей геномной организации с экофизиологическими характеристиками микроорганизмов.
Работа поддержана грантами «Ведущие научные школы» НШ-1731.2003.4, программой президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы» и РФФИ 05-07-98012.
Литература
1. Орлов ЮЛ. Анализ повторов в полных бактериальных геномах.// Тр. III съезда ВОГиС. Москва, 6—12 июня 2004: «Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития» — 2004. — Т. II. — С. 364.
2. Bhaya D., Dufresne A., Vaulot D., Grossman A. Analysis of the hli-family in marine and freshwater cyanobacteria // FEMS Microbiol. Lett. — 2002. — Vol. 215(2). — P. 209-219.
3. Bibby T.S., Mary I., Nield J. et al. Lowlightadapted Prochloro-coccus species possess specific antennae for each photosystem // Nature. — 2003. — Vol. 424(6952). — P 1051-1054.
4. Delcher A., Kasif S., Fleischmann R. et al. Alignment of whole genomes// Nucleic Acids Res. — 1999. — Vol. 27, N 11. — P 2369-2376.
5. Программа MUMmer — http://www.tigr.org/tigrscrits/ CMR2/webmum/mumplot.
6. Henz S.R., Huson D.H., Auch A.F., NieseltStruwe K., Schuster S.C. Wholegenome prokaryotic phylogeny // Bioinformatics. — 2005. — Vol. 21, N 10. — P 2329-2335.
7. Hess W.R. Genome analysis of marine photosynthetic microbes and their global role // Curr. Opin. Biotechnol. — 2004. — Vol. 15, N 3. — P 191-198.
8. Honda D., Yokota A., Sugiyama J. Detection of seven major evolutionary lineages in Cyanobacteria based on 16S rRNA gene analysis with new sequences of five marine Synechococcus strains // J. Molec. Evol. — 1999. — Vol. 48. — P 723-739.
9. Nakamura Y., Kaneko T., Sato S. et al. Complete genome structure of Gloeobacter violaceus PCC 7421, a cyanobacterium that lacks thylakoids // DNA Res. — 2003. — Vol. 10(4). — P 137-145.
10. Orlov Y.L., Gusev V.D., Miroshnichenko L.A. LZcomposer: Decomposition of Genomic Sequences by Repeat Fragments. // Biofizika. (Mosk). — 2003. — Vol. 48, Suppl. 1. — P S7-S16. Интернет-доступная программа Lzcomposer. — http:// www.mgs.bionet.nsc.ru/mgs/programs/lzcomposer/.
11. Orlov Y.L., Potapov V.N., Poplavsky A.S. Computer analysis of genomic sequence complexity: new applications. // Proceedings of BGRS’2004. — Novosibirsk, Inst.of Cytology & Genetics Press. — 2004. — Vol. 1. — P 153-157.
12. Partensky F., Hess W.R., Vaulot D. Prochlorococcus, a marine photosynthetic prokariote of global significance // Microbiol. Molec. Biol. Rew. — 1999. — Vol. 63, N 1. — Р 106-127.
13. Rocap G., Distel D.L., Waterbury J.B., Chisholm S.W. Resolution of Prochlorococcus and Synechococcus ecotypes by using 16S-23S ribosomal RNA internal transcribed spacer sequences // Appl. Environ. Microbiol. — 2002. — Vol. 68(3). — P 1180-1191.
14. Rocap G, Larimer FW, Lamerdin J. Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation // Nature. — 2003. — Vol. 424(6952). — P 1042-1047.
15. Ting C., Rocap G., King J., Chisholm S. Cyanobacterial photosynthesis in the oceans: the origins and significance of divergent light-harvesting strategies // Trends Microbiol. — 2002. — Vol. 10, N 3. — P 134-142.
16. Van Belkum A. Short sequence repeats in microbial pathogenesis and evolution // Cell Mol. Life Sci. — 1999. — Vol. 56(9-10). — P 729-734.
17. Wilmotte A. Molecular evolution and taxonomy of the cyanobacteria // Molecular biology of cyanobacteria / Bryant D.A. ed. — Kluver Acad. Publishers, 1992. — P 1-26.
Ф SUMMARY: We have fulfilled in silico research of number, structure, distribution and location of direct and inverted repeated sequences in eight complete genomes of unicellular cyanobacteria. Analysis of whole genome repeats has shown utility of this approach for purposes of molecular phylogeny and ecological genomics. Comparative analysis of nonrandom repeats patterns has allowed: 1) to confirm the close genetic relationship of two Prochlorococcus marinus strains (MED4 and SS120) that have reduced genomes and inhabit the econiches with different light intensities; 2) to suggest the close phylogenetic relationship of genomes Prochlorococcus marinus MIT9313 and Synechococcus WH8102 that significantly differ by sets of lightharvesting photosystem; 3) to reveal specific differences in genome organization between marine and freshwater cyanobacteria.
KEY WORDS: ecological genomics; cyanobacteria; repeated sequences; ecophysiology
