CC BY
16
УДК 575.8
О ПРИРОДЕ ПРОТЯЖЕННЫХ НУКЛЕОТИДНЫХ ПОВТОРОВ В ГЕНОМАХ ПРОКАРИОТИЧЕСКИХ ОРГАНИЗМОВ
Л.Е. Михеева, Е.А. Карбышева, С.В. Шестаков
(кафедра генетики; e-mail: shestakovgen@mail.ru)
Структурные гены, кодирующие белки и РНК, составляют в геномах прокариот около 85—95% генома; остальная часть генома относится к некодиру-ющим нуклеотидным последовательностям (Rogozin et al., 2002). В прокариотических геномах большинство генов являются уникальными (единичными), но некоторые участки генома могут быть дупли-цированы или мультиплицированы. Доля совершенных повторов в геномах прокариот составляет у различных видов от 0,7 до 13% генома (Орлов, 2004). Многие повторы связаны с мультикопийностью рибосомных оперонов (Турова, 2003).
Определение количества, размеров и распределения геномных повторов используется для оценки филогенетического сходства и различия геномов прокариот и позволяет анализировать особенности геномной организации в связи с экофизиологиче-скими характеристиками организмов (Михеева и др., 2005; Henz et al., 2005). Так, например, на основе полногеномного анализа показана адаптивная роль мультипликации генов, кодирующих у цианобакте-рий белки светособирающих комплексов (Bibby et al., 2003) и белки, индуцируемые в условиях повышенной освещенности (Bhaya et al., 2002).
Прокариотические геномы содержат также повторяющиеся последовательности, представленные инсерционными (IS) и транспозоноподобными элементами (Mahillon et al., 1999). Наличие копий IS-элементов различного типа характерно, например, для галофильных и алкалофильных бацилл, обитающих в экстремальных экологических условиях (Takaki et al., 2004). Известно, что IS-элемен-ты и транспозоны содержат гены, кодирующие белки транспозиции, и могут участвовать в геномных перестройках, приводящих к мутациям и/или к изменениям в регуляции экспрессии генов (Mahillon et al., 1999; Schneider, Lenski, 2004), что создает условия для изменения вектора отбора и скоростей эволюции (Frost et al., 2005).
В целях выяснения природы и распределения повторяющихся последовательностей в геномах различных таксономических групп прокариот мы исследовали геномы 64 свободноживущих микроорганизмов (52 вида бактерий и 12 видов ар-хей), используя данные по полногеномному секве-нированию.
Материалы и методы
Геномный анализ проводили на основе базы данных GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geno-mes/lproks.cgi). Для поиска повторов в полных геномах использовали компьютерные программы, разработанные в Институте цитологии и генетики СО РАН (Orlov et al., 2003, 2004, http://wwwmgs.bio-net.nsc.ru/mgs/programs/lzcomposer/). Для каждого генома определяли количество неслучайных внутри-геномных прямых и инвертированных нуклеотид-ных повторов длиной 20 и более пар нуклеотидов (пн), долю генома, занятого повторяющимися последовательностями, и распределение повторов на молекулярно-генетических картах. Данные о количестве, локализации и номенклатуре IS-элементов в геномах прокариот получены из базы данных ISfin-der (Siguier et al., 2006; http://www-is.biotoul.fr).
Результаты и обсуждение
Для анализа были выбраны полностью секве-нированные геномы свободноживущих микроорганизмов, принадлежащих к основным систематическим группам прокариот, обитающих в различных экологических нишах и различающихся по типам метаболизма.
В табл. 1 представлены данные о количестве и природе повторяющихся последовательностей в геномах проанализированных прокариотических организмов. Доля генома, занятого неслучайными повторами длиной 20пн, в бактериальных геномах редко превышает 10%. Архебактерии в этом отношении близки к бактериям за исключением некоторых представителей, у которых это значение достигает 13—14%. Минимальное содержание повторяющихся последовательностей наблюдается у Prochlorococ-cus marinus 1375 (0,6% генома) и Thermoplasma aci-dophilum (0,7%), характеризующихся малыми размерами геномов.
Основное внимание было уделено совершенным протяженным повторам (500 и более пн), которые могут принадлежать мультиплицированным генам. Определение локализации таких повторов на геномных картах показало, что они представлены генетическими элементами различной природы.
В геномах большинства бактерий значительная часть протяженных повторов связана с кластерами
генов, кодирующих рибосомные РНК (р-РНК) и являющихся эволюционно консервативной частью геномов. Совершенные повторы в кластерах генов р-РНК могут быть единичными и множественными в зависимости от количества таких кластеров в данном геноме и протяженности полностью гомологичных участков внутри кластеров. В изученных геномах Bacillus, Lactobacillus, Oceanobacillus, Agro-bacterium, Corynebacterium, Zymomonas, Pseudomonas протяженные повторы в кластерах генов р-РНК составляют от 50 до 100% всех протяженных внутри-геномных повторов (данные выделены жирным шрифтом в последнем столбце табл. 1). Как правило, в геномах бактерий, содержащих более одного протяженного кластера р-РНК (занимающего в сред-
нем от 5 до 6 тин), локализуются и максимальные по иротяженности совершенные нуклеотидные повторы. Среди 52 проанализированных бактериальных геномов в 39 случаях максимальные по протяженности внугригеномные повторы находятся в области генов р-РНК. Если в геномах большинства изученных архей гены р-РНК не собраны в кластеры (табл. 1), то в двух геномах (Methanococcus, Me-thanosarcina) наблюдаются объединение и мультипликация генов р-РНК, в результате чего именно в этих областях обнаруживаются максимальные по протяженности внутригеномные повторы. Особенности структуры и распределения многокопийных кластеров генов рибосомной РНК в геномах прокариот детально рассмотрены в обзоре (Турова, 2003).
Таблица 1
Анализ внутригеномных повторяющихся последовательностей у свободноживущих представителей различных систематических групп прокариот
к 3 и щ - F я S в н в Я Е & Организм Размер генома, Мпн Доля генома, занятого Общее число внутригеномных повторов (П, И)* Число генов в геноме, кодирующих ферменты сайт-специфической рекомбинации Число внутригеномных повторов 500 пн
Щ Ь" fS S и повторами 20 пн в том числе 500 пн всего в том числе транс-позазы в генах транспозаз (П, И)* в генах риб-РНК ***
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Aeropyrum pemix К1 1,67 0,013 254 (172,82) 1 (0,1) 1 0 — 0(1)
о а -ч Sulfolobus acidocaldarius DSM639 2,23 0,014 109 (82,27) 1 (1,0) 7 5 0 0(1)
а i Sulfolobus tokodaii str. 7 2,69 0,056 1672 (955,717) 10 (1,9) 26 25 5 (1,4) 0 (1)
Sulfolobus solfataricus P2 2,99 0,137 3621 (1945,1676) 70 (31,39) 236 235 50 (20,30) 0 (1)
Picrophilus torridus DSM9790 1,55 0,014 224 (170,54) 0 6 3 0 0 (1)
Thermoplasma acidophilum DSM1728 1,56 0,007 109 (82,27) 1 (1,0) 4 3 0 0 (1)
Thermoplasma volcanium GSS1 1,58 0.024 268 (166,102) 1 (0,1) 49 38 1 (0,1) 0 (1)
о а -ч Methanococcus maripalidus S2 1,66 0,028 218 (150,68) 7 (7,0) 4 0 0 4 (3)
Si а Ь 3 Pyrococcus abissi GE5 1,77 0,008 165 (115,50) 1 (0,1) 2 0 — 0 (1)
Pyrococcus furiosus DSM3638 1,91 0,027 403 (303,110) 22 (12,10) 30 27 19 (10,9) 0 (1)
Archaeoglobus fulgidus DSM4304 2,18 0,028 461 (290,171) 10 (8,2) 27 27 8 (6,2) 0 (1)
Methanosarcina mazei 4,10 0,072 1871 (1475,396) 68 (36,32) 97 96 50 (26,24) 6 (3)
Candidatus Pelagibacter ubique 1,33 0,016 164 (146,18) 1 (1,0) 1 0 — 0 (1)
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Zymomonas mobilis 2,06 0,021 200 (168,32) 4 (4,0) 6 3 0 3 (3)
Gluconobacter oxydans 621H 2,92 0,043 226 (102,124) 64 (22,42) 77 69 49 (21,28) 9 (4)
Rhodobacter sphaeroides 3,19 0,031 591 (428,169) 1 (1,0) 12 3 0 0(1)
<3 I Caulobacter crecentus CB15 4,02 0,049 1353 (753,600) 20 (11,9) 38 34 14 (6,8) 2 (2)
а -о о S Rhodopseudomonas palustris CGA009 5,46 0,040 1431 (779,652) 10 (6,4) 18 7 6 (2,4) 1 (2)
-ч Agrobacteruim tumefaciens C58 2,075 0,021 288 (173,115) 5 (5,0) 16 13 2 (2,0) 3 (2)
2,84 0,014 287 (149,138) 1 (0,1) 7 2 0 1 (2)
Sinorhizobium meliloti 1021 3,65 0,045 1102 (597,505) 41 (21,20) 79 70 37 (19,18) 2(3)
Mesorhizobium loti MAFF 303099 7,04 0,041 1891 (1205,686) 18 (9,9) 131 90 13 (4,9) 1 (2)
g Chlorobium tepidum TLS 2,16 0,027 360 (251,109) 9 (2,7) 10 7 1 (0,1) 2 (2)
-S ¡5 Chlorobium chlorochromatii CaD3 2,57 0,074 1938 (1627,311) 18 (12,6) 19 17 12 (6,6) 0 (1)
Nitrosomonas europaea ATCC19718 2,81 0,063 557 (357,200) 87 (50,37) 128 117 67 (35,32) 0 (1)
.«3 £ Dechloromonas aromatica RCB 4,50 0,063 741 (540,201) 25 (20,5) 36 17 15 (10,5) 3 (4)
а -о о g Azoarcus EbN1 4,30 0,078 1158 (714,444) 98 (53,45) 196 167 83 (45,38) 4 (4)
t <4 Rhalstonia solanacearum GM11000 3,71 0,049 767 (411,456) 31 (21,10) 79 64 23 (16,7) 4 (4)
2,09** 0,088 887 (710,177) 26 (15,11) 66 63 22 (12,10) 0 (1)
Idiomarina loihiensis L2TR 2,84 0,025 176 (119,57) 29 (19,10) 35 28 18 (8,10) 10 (4)
Methylococcus capsulatus Bath 3,3 0,031 281 (215,66) 33 (20,13) 47 39 26 (15,11) 1 (2)
.«3 £ Nitrosococcus oceani ATCC19707 3,48 0,028 579 (355,224) 27 (12,15) 76 64 19 (10,9) 2 (2)
а -О о Shewanella oneidensis MR-1 4,97 0,068 1516 (914,602) 139 (63,76) 204 184 108 (47,61) 11 (9)
g 5? 5= S Photobacterium profundum SS9 4,09 0,079 1472 (957,515) 142 (90,52) 111 101 61 (31,30) 50 (14)
2,24 0,121 1256 (749,519) 147 (76,71) 147 103 56 (25,31) 0(1)
Pseudomonas putida KT2440 6,18 0,052 2189 (1421,768) 64 (47,17) 87 64 27 (18,9) 29 (7)
Pseudomonas fluorescens Pf-5 7,07 0,046 2440 (1525,915) 12 (9,3) 15 2 0 7 (5)
Ä а Pelobacter carbinolicus 3,66 0,037 857 (611,246) 20 (13,7) 29 20 4(1,3) + 8Fis (5,3) 2 (2)
Sü -CS q «5 Geobacter sulfurreducens 3,81 0,029 587 (451,136) 22 (11,11) 44 36 17 (7,10) 1 (2)
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
| а ° 'К Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 3,31 0,038 560 (336,224) 29 (15,14) 27 20 10 (3,7) 16 (6)
Symbiobacterium thermophilum IAM14863 3,57 0,080 1417 (1055,362) 83 (51,32) 52 49 20 (8,12) 21 (6)
Thermo-togae Thermotoga maritima MSB8 1,86 0,02 336 (207,129) 2 (2,0) 12 11 0 0(1)
1 Thermus thermophilus HB 8 1,85 0,068 502 (273,229) 10 (3,7) 10 7 3 (2,1) 2 (4)
Deinococcu Thermus Deinococcus radiodurans R1 2,65 0,045 779 (404,375) 24 (10,14) 35 34 13 (7,6) 8 (3)
0,41 0,013 43 (31,12) 0 3 2 0 0 (0)
Prochlorococcus marinus 1375 1,75 0,006 99 (82,17) 0 1 0 — 0(1)
Prochlorococcus marinus MIT9313 2,41 0,030 489 (357,132) 10 (7,3) 6 0 — 1 (2)
Synechococcus WH8102 2,43 0,030 461 (390,71) 12 (11,1) 19 0 — 3 (2)
Thermosynechococcus BP-1 2,59 0,058 948 (623,325) 48 (34,14) 81 81 31 (19,13) 0 (1)
.<3 £ ter ct Synechococcus elongatus PCC6301 2,70 0,013 145 (92,53) 2 (0,2) 5 3 0 1 (2)
a -о o n a Synechococcus elongatus PCC7942 2,70 0,013 163 (104,59) 3 (1,2) 3 1 0 1 (2)
с Synechocystis sp. PCC6803 3.57 0,036 758 (378,380) 35 (19,16) 99 97 30 (15,15) 1 (2)
Gloeobacter violaceus PCC7421 4,66 0,039 1206 (768,631) 24 (13,11) 63 60 13 (6,7) 0 (1)
Anabaena variabilis ATCC29413 6,73 0,056 3566 (2114,1452) 46 (23,23) 70 55 29 (13,16) + 8Hyp 5 (4)
Nostoc sp. PCC7120 6,41 0,049 2892 (1808,1084) 44 (21,23) 75 72 27 (12,15) 6 (4)
Plancto-mycetes Rhodopirellula baltica SH1 7,15 0,034 1837 (1232,605) 51 (31,20) 75 59 32 (19,13) 0 (1)
Chloro-flexi Dehalococcoides ethenogenes 195 1,47 0,095 42 (27,15) 10 (8,2) 24 5 0 0 (1)
Streptococcus thermophilus CNRZ1066 1,80 0,058 505 (324,171) 24 (16,8) 102 95 13 (9,4) 7 (6)
Streptococcus thermophilus LMG18311 1,80 0,062 570 (352,218) 24 (13,11) 97 91 15 (7,8) 8 (6)
s Lactobacillus acidophilus NCFM 1,99 0,032 289 (198,91) 19 (11,8) 33 20 8 (4,4) 11 (4)
te u ic irmi Streptococcus pneumoniae TIGR4 2,14 0,087 1520 (855,665) 28 (13,15) 40 33 7 (3,4) 4 (4)
Lactococcus lactis IL1403 2,37 0,064 610 (301,309) 45 (31,14) 59 50 35 (25,10) 10 (6)
Thermoanaerobacter tengcongensis MB4 2,69 0,101 1585 (1073,512) 81 (53,27) 63 49 41 (21,20) 4 (4)
Oceanobacillus iheyensis HTE831 3,63 0,031 701 (508,193) 23 (18,5) 14 11 5 (3,2) 15 (7)
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Bacillus halodurans C-125 4,20 0,053 853 (597,254) 102 (72,30) 112 106 74 (42,32) 24 (8)
Bacillus subtilis 168 4,21 0,022 411 (304,107) 31 (30,1) 3 0 — 31 (10)
Bacillus cereus ATCC10987 5,22 0,036 1270 (943,327) 36 (32,4) 43 23 2 (1,1) 33 (12)
Bacillus cereus ATCC14579 5,41 0,040 1269 (928,341) 41 (36,5) 41 25 9 (7,2) 32 (13)
Примечание. * — П — прямые повторы, И — инвертированные повторы; ** — данные для мегаплазмиды; *** — в скобках приведено число кластеров р-РНК в геноме.
Кроме повторов, относящихся к генам р-РНК, в геномах многих бактерий встречаются дупликации или множественные повторы, связанные как с межгенными участками, так и с генами, кодирующими специфические белки. Количество таких повторов для разных геномов варьирует от 1 (Аегору-гит, Zymomonas и др.) до 36 (ТНегтоапаегоЬа^ег). В табл. 2 приведены сведения о протяженных повторах, связанных с некоторыми генами фототроф-ных бактерий. В их число входят гены, кодирующие белки фотосистем, фикобилисом, систем хемотаксиса и связывания ионов металлов. Увеличение числа копий таких генов, очевидно, связано с обеспечением светозависимых и других существенных ме-
таболических процессов, определяющих адаптивную устойчивость и экологическую приспособленность организмов. Примером такого протяженного повтора (1254 пн) является дупликация кластера светоиндуцибельных М-генов в геноме светоустой-чивого штамма РгоеМогоеосеш maгinus МБВ4 (Ми-хеева и др., 2005). Среди всех изученных нами геномов максимальный по протяженности совершенный нуклеотидный повтор, не связанный с кластерами генов р-РНК, обнаруживается в хромосоме БесНа-lococcoides (21,1 тпн — блок из 21 гена). Протяженные дупликации находятся также в мегаплазмиде ЯНак^та (30,2 тпн — блок из 30 генов) и в одной из плазмид SynecНocystis (23,6 тпн — блок из 27 генов).
Таблица 2
Повторяющиеся последовательности ( 500пи), связанные с генами, кодирующими белки у фототрофных бактерий
Бактерия Повторяющиеся гены Функции повторяющихся генов Количество/размер повторов (пн)
Prochlorococcus marinus MIT9313 0959, 0960, 0961 // 0956, 0957, 0958 Кинезин, белок базального тела флагеллы, гипотетический белок 2/1936, 1429
0982, 0983 // 0962, 0963 Кинезин, гипотетический белок 1/811
psbA-2 // psbA-1 белок фотосистемы II 2/538, 613
Synechococcus WH8102 psbD-2 // psbD-1 Б2 белок фотосистемы II 1/1043
psbA-4 // psbA-3 Белок фотосистемы I 1/830
Внутригенные повторы в гене 0953 (гомолог vsb-гена) Экзобелок-сидерофор? 7/632, 734, 1485, 1910, 1365, 1385, 977
Synechococcus elongatus 6301 psbD-II // psbD-I Б2 белок фотосистемы II 1/910
Synechococcus elongatus PCC7942 1636 // 0655 Б2 белок фотосистемы II 1/1042
1051, 1052 // 1047, 1048 а и р-субъединицы фикоцианина 1/1093
Chlorobium tepidum TLS dsêB-2, dsrA-2,2247 // dsrB-1, dsrA-1,0854 2 субъединицы сульфитредуктазы и Бе-8-связывающий белок 1/3403
Chlorobium chlorochromatii 0664 // 0657 Регулятор транскрипции 1/765
Внутригенные повторы в генах 0738, 1242 (гомологи vsb-генов) Экзобелки-сидерофоры? 2/663, 671
Rhodopseudomonas palustris CGA009 tuf A-2 // tufA-1 Фактор элонгации трансляции Ти 1/1191
che A-3 // che A-2 Гистидинпротеинкиназа хемотаксиса 2/851, 683
RRhodobacter sphaeroides tuf A-2 // tufA-1 Фактор элонгации трансляции Ти 1/695
Третий, и самый многочисленный, тип протяженных повторов выявлен в генах, кодирующих ферменты транспозиции (транспозазы). На гены траспозаз (и гены близкие по гомологии, но нечетко аннотированные) приходится от 50 до 90% протяженных повторов от их общего количества у многих архей и бактерий (их видовые названия выделены в табл. 1 жирным шрифтом). Это явление, по-видимому, лежит в основе положительной корреляции между числом генов, кодирующих транспозазы, и суммарной протяженностью всех внутри-геномных повторов для 80 проанализированных нами геномов свободноживущих прокариот (Михе-ева и др., 2006).
Гены транспозаз обнаруживаются в геномах архей и бактерий во всех систематических группах, но по числу генов, кодирующих ферменты транспозиции, между видами наблюдаются большие различия. Анализ наличия и распределения генов транспозаз у большого числа свободноживущих ви-
дов прокариот не выявил зависимости этих показателей от таксономической принадлежности: представители даже одного рода (например, Pyrococcus, Sulfolobus, Bacillus, Pseudomonas) могут существенно различаться между собой, хотя геномы разныгх штаммов одного вида (например, штаммы Bacillus cereus, Streptococcus thermophilus) обладают высокой степенью сходства по этому признаку. Прямой зависимости между количеством генов транспозаз и размерами геномов не выявлено, но отмечена тенденция к снижению числа генов транспозаз в редуцированный геномах (кроме Thermoplasma volcanium). Эти данные согласуются с тем, что количество генов транспозаз в геномах облигатных внутриклеточных паразитирующих бактерий значительно меньше, чем в геномах факультативныгх эндосимбионтов (Bordenstein, Reznikoff, 2005).
Гены, кодирующие транспозазы, в геномах прокариот находятся в составе простейших мигрирующих элементов (IS-элементов) c размером от
Таблица 3
Протяженные нуклеотндные повторы, связанные с мультипликацией К-элементов в геномах некоторых прокариот
Организм Транспозазы IS-элементы Повторы 500 пн
номер по COG* длина кодирующей рамки**, пн количество генов в геноме** тип (семейство)*** длина, ** пн количество копий в геноме** длина, пн количество
Archaeglobus fulgidus 3316 (282, 432) (2р) IS6 (282, 432) (2р) - -
2801 816-900 7 IS481 963 7 545-780 3
3335 + 3415 549 + 486 6 IS630 1081-1083 3 1083 1
5558 144 + 969 12 ISNCY1 1211-1214 6 1214 4
Deinococcus radiodurans, (хромосома 1) 3385 Неаннотировано 1202-1250 866, 983 4 2 IS4 1322 1206-1240 4 2 1323 3
3293 812 1 IS5 910 1 - -
1943 + 0675 423 + 1226 16 IS605 1730-1742 8 1743 6
3415,3335 485, 518 5 IS630 971-1070 5 915 2
3385 707-770 2 834 1
1943 437 1 - -
Synechocystis sp. PCC6803 3677 + 1662 425 + 416 6 + (1р) IS1 801-802 3 + (1р) - -
2801 (659) (1р) IS3 (659) (1р) - -
3385 5659 1016 1076, 1019 6 + (8р) 2 IS4 1174 1416, 1267 6 + (8р) 2 645-1175 9
3293 779-785 9 + (6р) 4 + (8р) IS5 865-871 9 + (6р) 2 + (4p) 745-878 3
3293 + 3293 428 + 386/323 907-908
3328 (197) (1p) IS256 (197) (1p) - -
0675 (1202) (1p) IS602 (1202) (1p) - -
3335 848 9 + (10p ) 20 + (4p) IS630 946-947 9 + (10p) 10 + (2p) 575-955 18
3335 + 3415 494 + 359
Примечание. * — COG — классификация ортологичных генов (по данным GenBank); ** — цифра в скобках обозначает длину или количество редуцированных копий (р) генов транспозаз или IS-элементов, знак "+" в столбцах 2 и 3 обозначает, что IS-эле-менты содержат две рамки считывания; *** — по Singer et al., 2006.
0,75 тпн до 2,5 тпн или локализованы внутри транспозонов, более характерных для представителей патогенных бактерий. В геномах, проанализированных в данной работе, единичные транспозоны обнаружены у Nitгosomonas (транспозон Тп3-семей-ства, содержащий гены, контролирующие устойчи-
вость к ртути (http://cmr.tigr.org/CMR/Search.shtml), OceanoЬacШus (транспозон Тп3-семейства, содержащий кластер генов, контролирующих прорастание спор (ТакаЫ et а1., 2004)), у фитопатогена ЯНаЫота (аналог Тп4371, с генами, контролирующими процесс конъюгации (Salanoubat et а1., 2002)).
Позиция в геноме, тпн
Распределение внутригеномных повторов и ^-элементов на молекулярно-генетических картах:
А — хромосома 1 Deinococcus гadioduгans R1; Б — хромосома SynecНocystis sp. РСС6803. 1 — число позиций, занятых повторами, на 10 тпн, 2 — число позиций, занятых одноразовыми повторами, на 10 тпн, 3 — положение К-элементов в геномах,
4 — положение кластеров генов р-РНК
Данные, приведенные в табл. 3, показывают, что максимальные размеры протяженных повторов, содержащих гены транспозаз, совпадают с размерами интактных IS-элементов, которые могут быть представлены в геномах прокариот многочисленными гомологичными копиями. На рисунке сопоставлено распределение неслучайных совершенных повторов в геномах и распределение IS-элементов вдоль генных карт хромосом Deinococcus radiodurans R1 и Synechocystis sp. PCC6803. Совпадение большинства максимумов повторяющихся последовательностей с положением IS-элементов подтверждает вывод о том, что именно мультипликация мобильных IS-элемен-тов вносит наибольший вклад во внутригеномные повторы у многих прокариот.
В эту же категорию протяженных повторов можно включить интроны II группы, кодирующие каталитические РНК, функционирующие как мобильные элементы, участвующие в транспозиции и инсерции ДНК-копий (Beifort et al., 2002). Эти гены представлены в ряде геномов несколькими копиями (Bacillus halodurans — 5 генов, Oceanoba-cillus — 5, Symbiobacterium — 26, Pseudomonas putida — 8, Thermosynechococcus — 9, Pelobacter — 5, Dechloromonas — 3 и др.) и, следовательно, тоже вносят существенный вклад в общее число протяженных внутригеномных повторов.
Таким образом, значительная доля протяженных внутригеномных повторов у прокариот обусловлена умножением числа копий IS-элементов или интронов II группы в результате репликатив-ной транспозиции самих мобильных элементов. Такие повторы можно рассматривать как особый тип повторяющихся последовательностей в отношении их происхождения и возможных функций в геномных перестройках (Achaz et ai., 2002).
Следует отметить, что гены, кодирующие другие виды ферментов сайт-специфической рекомбинации, в частности различного типа интегразы, как правило, не обнаруживаются в составе протяженных повторов.
Проведенный анализ показал, что протяженные нуклеотидные повторы в геномах свободно-живущих прокариот можно подразделить на три основные группы и наиболее многочисленными являются повторы генетических элементов, способных к транспозиции. По современным представлениям, мобильные элементы генома прокариот не являются "паразитической ДНК", распространяющейся между различными организмами в результате горизонтального переноса. Такие элементы мо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Михеева Л.Е., Карбышева Е.А., Шеста к о в С . В . 2006. Эволюционная геномика прокариот: протяженные повторяющиеся последовательности, связанные с IS-элементами и генами, кодирующими транс-
гут быть источником "благоприятных" адаптивных мутационных и рекомбинационных изменений генома, увеличивающих генетическое разнообразие популяций как у прокариот, так и у дрожжей (Schneider, Lenski, 2004). Концевые повторы в IS-элемен-тах и интронах II группы могут участвовать в регуляции транскрипции близко расположенных генов (Bonen, Vogel, 2000; Belfort et al., 2002), и, следовательно, наличие внутригеномных повторов является предпосылкой для рекомбинационной реорганизации геномов, в результате которой активируется или репрессируется действие генов, ответственных за фенотипическое проявление признаков, имеющих адаптивное значение. Производными IS-элементов являются также более короткие повторяющиеся межгенные последовательности, такие как RUP-эле-менты в геномах штаммов Streptococcus pneumoniae, которые, вероятно, остаются способными к мобилизации родственными транспозазами в транс-положении (Oggioni, Claverys, 1999).
Транспозиции мобильных элементов и связанные с ними мутации и внутригеномные перестройки, приводящие к изменениям в регуляции генной активности, способны повышать степень пластичности прокариотического генома, ускорять процессы адаптации к изменяющимся условиям внешней среды и, соответственно, способствовать дивергенции, обеспечивающей видообразование (Frost et al., 2005). Результаты анализа повторяющихся последовательностей в геномах прокариот свидетельствуют об очевидной тенденции к увеличению фракции геномной повторяющейся ДНК за счет "самореплицирующихся" мигрирующих элементов генома. Можно предположить, что этот механизм, способствующий процессам усложнения и дивергенции геномов, был развит и эволюционно закреплен в процессе становления эукариотического генома. Сведения о количестве и локализации повторов, связанных с мобильными элементами и системами транспозиции, могут служить показателем рекомбинаци-онного потенциала, определяющего внутригеномную мобильность и способность клеток к интеграции "чужеродных" генов, привносимых через горизонтальный перенос, являющийся одним из ключевых факторов эволюции.
* * *
Исследования поддержаны грантами программы "Ведущие научные школы" НШ-4202.2006.4 и программы Президиума РАН "Происхождение и эволюция биосферы".
позазы // Открытое образование. № 3 (Мат-лы межжду-нар. науч. конф. "Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии"). М. С. 28—30.
Михеева Л.Е., Орлов Ю.Л., Колчанов Н.А., Шестаков С.В. 2005. Филогенетический анализ совершенных повторов в геномах одноклеточных цианобактерий // Экологическая генетика. 3. 15—21.
Орлов Ю . Л . 2004. Анализ повторов в полных бактериальных геномах // Тр. III съезда ВОГиС "Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития". Москва, 6—12 июня 2004. М. Т. 2. Р. 364.
Турова Т.П. 2003. Мультикопийность рибосом-ных оперонов прокариот и ее влияние на проведение филогенетического анализа // Микробиология. 72. № 1. 437—452.
Achaz G . , Rocha E.P., Netter P., Co-issac E . 2002. Origin and fate of repeats in bacteria // Nucleic Acid Research. 30. 2987—2994.
Belfort M., Derbyshire V., Cousineau B., Lambowitz A. 2002. Mobile introns: pathway and proteins // Mobile DNA II / Eds. N. Craig, R. Craigie, M. Gel-lert, A. Lambowitz. Washington. P. 761—783.
Bhaya D., Dufresne A., Vaulot D., Grossman A. 2002. Analysis of the hli family in marine and freshwater cyanobacteria // FEMS Microbiol Lett. 215. 209—219.
Bibby T.S., Mary I., Nield J., Parten-sky F., Barber J. 2003. Low-light-adapted Prochloro-coccus species possess specific antennae for each photosystem // Nature. 424. 1051—1054.
Bonen L., Vogel J. 2001. The ins and outs of group II introns // Trends Genet. 17. 322—331.
Bordenstein S.R., ReznikoffW.S. 2005. Mobile DNA in obligate intracellular bacteria // Nature Rev. (Microbiol.). 3. 688—699.
Frost L.S., Leplae R., Summers A.O., Toussaint A. 2005. Mobile genetic elements: the agents of open source evolution // Nat. Rev. Microbiol. 3. 722—732.
Henz S.R., Huson D.H., Auch A.F., Nieselt - Struwe K., Schuster S.C. 2005.
Whole-genome prokaryotic phylogeny // Bioinformatics. 21. 2329-2335.
Mahillon J., Leonard C., Chandler M. 1999. IS elements as constituents of bacterial genomes // Res.Microbiol. 150. 675-687.
Oggioni M., Claverys J. 1999. Repeated ex-tragenic sequences in prokaryotic genomes: a proposal for the origin and dynamics of the RUP element in Streptococcus pneumoniae // Microbiol. 145. 2647—2653.
Orlov Y.L., Gusev V.D., M i r o s h n i c h e n -ko L. A. 2003. LZcomposer: Decomposition of genomic sequences by repeat fragments // Biofizika (Mosk). 48. Suppl. 1. 7—16.
Orlov Y.L., Potapov V.N., Poplavs-k y A . S . 2004. Computer analysis of genomic sequence complexity: new applications // Proceedings of BGRS'2004. Vol. 1. Novosibirsk. P. 153—157.
Rogozin I.B., Makarova K.S., Natale D.A., S p i r i d o n o v A . N . , Tatusov R.L., Wolf Y.I., Yin J., Koonin E.V. 2002. Congruent evolution of different classes of non-coding DNA in prokaryotic genomes // Nucleic Acids Res. 30. 4264—4271.
Salanoubat M., Genin S., Artiguena-v e F . et al. 2002. Genome sequence of the plant pathogen Ralstonia solanacearum // Nature. 415 (6871). 497—502.
Schneider D., Lenski R.I. 2004. Dynamics insertion sequence elements during experimental evolution of bacteria // Res. Microbiol. 155. 319—327.
Siguier P., Perochon J., Lestrade L., Mahillon J., Chandler M . 2006. ISfinder: the reference centre for bacterial insertions sequences // Nucleic Acid Research. 34. 32—36.
TakakiY., MatsukiA., Chee G.J., Ta-k a m i H . 2004. Identification and distribution of new insertion sequences in the genome of the extremely halotolerant and alkaliphilic Oceanobacillus iheyensis HTE831 // DNA Res. 11. 233—245.
ON THE NATURE OF LENGTHY NUCLEOTIDE REPEATED SEQUENCES
IN GENOMES OF PROKARYOTIC ORGANISMS
L.E. Mikheeva, E.A. Karbysheva, S.V. Shestakov
The whole-genomic analysis in silico of 64 free-living prokaryotic species has been performed to determine the number, length, distribution and location of direct and inverted intragenomic repeated sequences (LRS). Three main types of lengthy ( 500 bp) repeated sequences were revealed: a) associated with ribosomal RNA genes; b) with copies of protein coding genes; c) with IS-elements and genes encoding putative transposases. Lengthy repeated sequences related to transposases comprise 50—95% of total number of LRS depending on species. Intragenomic LRS associated with transposases and IS-elements can reflect a recombinational potential of different prokaryotic species determining both the ability to adaptive gene rearrangements and cell capacity for integration of genes acquired through horizontal transfer ways.
