Bakteriellt genom
Bakteriegenom är i allmänhet mindre och varierar mindre i storlek bland arter jämfört med genom från eukaryoter . Bakteriegenom kan variera i storlek allt från cirka 130 kbp till över 14 Mbp . En studie som inkluderade, men inte var begränsad till, 478 bakteriegenom, drog slutsatsen att när genomstorleken ökar, ökar antalet gener i en oproportionerligt långsammare hastighet i eukaryoter än i icke-eukaryoter. Således ökar andelen icke-kodande DNA snabbare med genomstorleken hos icke-bakterier än hos bakterier . Detta överensstämmer med det faktum att det mesta av eukaryota kärn-DNA är icke-genkodande, medan majoriteten av prokaryota, virala och organellära gener kodar. Just nu har vi genomsekvenser från 50 olika bakteriefyla och 11 olika arkeala phyla. Andra generationens sekvensering har gett många utkast till genom (nära 90% av bakteriegenom i GenBank är för närvarande inte kompletta); tredje generationens sekvensering kan så småningom ge ett komplett genom på några timmar. Genomsekvenserna avslöjar mycket mångfald i bakterier. Analys av över 2000 Escherichia coli- genom avslöjar ett E. coli- kärngenom med cirka 3100 genfamiljer och totalt cirka 89.000 olika genfamiljer. Genomsekvenser visar att parasitbakterier har 500–1200 gener, frilevande bakterier har 1500–7500 gener och arkéer har 1500–2700 gener. En slående upptäckt av Cole et al. beskrev enorma mängder genförfall när man jämförde spetälska bacill med förfäders bakterier. Studier har sedan dess visat att flera bakterier har mindre genomstorlekar än vad deras förfäder hade. Under årens lopp har forskare föreslagit flera teorier för att förklara den allmänna trenden av bakteriell genomsönderfall och den relativt lilla storleken på bakteriegenom. Övertygande bevis indikerar att den uppenbara nedbrytningen av bakteriegenom beror på en deletionsbias.
Metoder och tekniker
Från och med 2014 finns det över 30 000 sekvenserade bakteriegenom offentligt tillgängliga och tusentals metagenomprojekt . Projekt som Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea (GEBA) har för avsikt att lägga till fler genom.
Jämförelsen av singelgenen ersätts nu av mer generella metoder. Dessa metoder har resulterat i nya perspektiv på genetiska samband som tidigare bara har uppskattats.
En betydande prestation under det andra decenniet av bakteriegenomsekvensering var produktionen av metagenomiska data, som täcker allt DNA som finns i ett prov. Tidigare har det bara publicerats två metagenomiska projekt.
Bakteriegenom
Bakterier har en kompakt genomarkitektur som skiljer sig från eukaryoter på två viktiga sätt: bakterier visar en stark korrelation mellan genomstorlek och antal funktionella gener i ett genom, och dessa gener är strukturerade i operoner . Den främsta orsaken till den relativa tätheten av bakteriegenom jämfört med eukaryota genom (särskilt multicellulära eukaryoter) är närvaron av icke-kodande DNA i form av intergena regioner och introner . Några anmärkningsvärda undantag inkluderar nyligen bildade patogena bakterier. Detta beskrevs initialt i en studie av Cole et al . där Mycobacterium leprae upptäcktes ha en signifikant högre andel pseudogener till funktionella gener (~40%) än dess frilevande förfäder.
Dessutom, bland arter av bakterier, finns det relativt liten variation i genomstorlek jämfört med genomstorlekarna för andra stora livsgrupper. Genomstorleken är av liten relevans när man överväger antalet funktionella gener i eukaryota arter. Hos bakterier gör den starka korrelationen mellan antalet gener och genomstorleken dock storleken på bakteriegenom till ett intressant ämne för forskning och diskussion.
De allmänna trenderna för bakteriell evolution indikerar att bakterier började som frilevande organismer. Evolutionära vägar ledde till att vissa bakterier blev patogener och symbionter . Bakteriers livsstil spelar en viktig roll i deras respektive genomstorlekar. Fritt levande bakterier har de största genomen av de tre typerna av bakterier; dock har de färre pseudogener än bakterier som nyligen har förvärvat patogenicitet .
Fakultativa och nyligen utvecklade patogena bakterier uppvisar en mindre genomstorlek än frilevande bakterier, men de har fler pseudogener än någon annan form av bakterier.
Obligat bakteriella symbionter eller patogener har de minsta genomen och de minsta pseudogenerna av de tre grupperna. Förhållandet mellan bakteriers livsstil och genomstorlek väcker frågor om mekanismerna för bakteriegenomets utveckling. Forskare har utvecklat flera teorier för att förklara mönstren av genomstorleksutveckling bland bakterier.
Genom jämförelser och fylogeni
Eftersom jämförelser av en gen till stor del har gett vika för genomjämförelser, har fylogenin av bakteriegenom förbättrats i noggrannhet. Metoden Average Nucleotide Identity (ANI) kvantifierar genetiskt avstånd mellan hela genom genom att dra fördel av regioner på cirka 10 000 bp. Med tillräckligt mycket data från genom från ett släkte, exekveras algoritmer för att kategorisera arter. Detta har gjorts för Pseudomonas avellanae 2013 och för alla sekvenserade bakterier och arkéer sedan 2020.
För att extrahera information om bakteriegenom har kärn- och pangenomstorlekar bedömts för flera bakteriestammar. År 2012 var antalet kärngenfamiljer cirka 3000. Men år 2015, med en över tiofaldig ökning av tillgängliga genom, har pan-genomet också ökat. Det finns ungefär en positiv korrelation mellan antalet tillsatta genom och tillväxten av pan-genomet. Å andra sidan har kärngenomet förblivit statiskt sedan 2012. För närvarande E. coli pan-genomet av cirka 90 000 genfamiljer. Ungefär en tredjedel av dessa finns bara i ett enda genom. Många av dessa är dock bara genfragment och resultatet av anropsfel. Ändå finns det förmodligen över 60 000 unika genfamiljer i E. coli .
Teorier om bakteriegenomevolution
Bakterier förlorar en stor mängd gener när de övergår från frilevande eller fakultativt parasitiska livscykler till permanent värdberoende liv. Mot den nedre delen av skalan av bakteriegenomstorlek finns mykoplasma och relaterade bakterier. Tidiga molekylära fylogenetiska studier visade att mykoplasma representerade ett evolutionärt härlett tillstånd, i motsats till tidigare hypoteser. Vidare är det nu känt att mykoplasma bara är ett exempel på många av genomkrympningen i obligat värdassocierade bakterier. Andra exempel är Rickettsia , Buchnera aphidicola och Borrelia burgdorferi .
Liten genomstorlek i sådana arter är associerad med vissa särdrag, såsom snabb utveckling av polypeptidsekvenser och lågt GC-innehåll i genomet. Den konvergenta utvecklingen av dessa egenskaper hos obesläktade bakterier tyder på att en obligatorisk association med en värd främjar genomreduktion.
Med tanke på att över 80% av nästan alla de fullständigt sekvenserade bakteriegenomerna består av intakta ORF:er, och att genlängden är nästan konstant vid ~1 kb per gen, drar man slutsatsen att små genom har få metaboliska förmågor. Medan frilevande bakterier, såsom E. coli , Salmonella -arter eller Bacillus -arter, vanligtvis har 1500 till 6000 proteiner kodade i sitt DNA, har obligatoriskt patogena bakterier ofta så få som 500 till 1000 sådana proteiner.
En kandidatförklaring är att reducerade genom upprätthåller gener som är nödvändiga för vitala processer som hänför sig till cellulär tillväxt och replikation , utöver de gener som krävs för att överleva i bakteriens ekologiska nisch . Sekvensdata motsäger dock denna hypotes. Uppsättningen av universella ortologer bland eubakterier omfattar endast 15% av varje genom. Således har varje härstamning tagit en annan evolutionär väg till minskad storlek. Eftersom universella cellulära processer kräver över 80 gener, innebär variation i gener att samma funktioner kan uppnås genom att utnyttja icke-homologa gener.
Värdberoende bakterier kan säkra många föreningar som krävs för metabolism från värdens cytoplasma eller vävnad. De kan i sin tur kassera sina egna biosyntetiska vägar och associerade gener. Detta avlägsnande förklarar många av de specifika genförlusterna. Till exempel har Rickettsia -arten, som förlitar sig på specifikt energisubstrat från sin värd, förlorat många av sina naturliga energimetabolismgener. På liknande sätt har de flesta små genom förlorat sina aminosyrabiosyntetiserande gener , eftersom dessa finns i värden istället. Ett undantag är Buchnera , en obligat symbiont av bladlöss som överförs av modern. Den behåller 54 gener för biosyntes av avgörande aminosyror, men har inte längre vägar för de aminosyror som värden kan syntetisera. Vägar för nukleotidbiosyntes är borta från många reducerade genom. De anabola vägarna som utvecklades genom nischanpassning förblir i speciella genom.
Hypotesen att oanvända gener så småningom tas bort förklarar inte varför många av de borttagna generna verkligen skulle förbli användbara för obligatoriska patogener. Till exempel kodar många eliminerade gener för produkter som är involverade i universella cellulära processer, inklusive replikering, transkription och translation . Även gener som stöder DNA-rekombination och reparation raderas från varje litet genom. Dessutom har små genom färre tRNA , och använder en för flera aminosyror. Så ett enda kodon parar sig med flera kodon, vilket sannolikt ger mindre än optimalt översättningsmaskineri. Det är okänt varför obligata intracellulära patogener skulle gynnas av att behålla färre tRNA och färre DNA-reparationsenzymer.
En annan faktor att ta hänsyn till är förändringen i befolkningen som motsvarar en utveckling mot ett obligatiellt patogent liv. En sådan förändring i livsstil resulterar ofta i en minskning av den genetiska populationsstorleken för en härstamning, eftersom det finns ett begränsat antal värdar att ockupera. Denna genetiska drift kan resultera i fixering av mutationer som inaktiverar annars fördelaktiga gener, eller på annat sätt kan minska effektiviteten hos genprodukter. Följaktligen kommer inte bara värdelösa gener att gå förlorade (eftersom mutationer stör dem när bakterierna väl har satt sig i värdberoende), utan även nyttiga gener kan gå förlorade om genetisk drift framtvingar ineffektivt renande urval .
Antalet universellt underhållna gener är litet och otillräckligt för oberoende cellulär tillväxt och replikation, så att små genomarter måste uppnå sådana bedrifter med hjälp av varierande gener. Detta görs delvis genom ickeortolog genförskjutning. Det vill säga att rollen för en gen ersätts av en annan gen som uppnår samma funktion. Redundans inom det förfäders, större genomet elimineras. Descendentens lilla genominnehåll beror på innehållet av kromosomala deletioner som inträffar i de tidiga stadierna av genomreduktion.
Det mycket lilla arvsmassan hos M. genitalium har gener som inte kan behövas. I en studie där enskilda gener från denna organism inaktiverades med hjälp av transposonmedierad mutagenes, krävdes inte minst 129 av dess 484 ORG för tillväxt. Ett mycket mindre genom än M. genitalium är därför möjligt.
Fördubblingstid
En teori förutspår att bakterier har mindre genom på grund av ett selektivt tryck på genomstorleken för att säkerställa snabbare replikation. Teorin bygger på den logiska premissen att mindre bakteriegenom kommer att ta kortare tid att replikera. Därefter kommer mindre genom att väljas i första hand på grund av förbättrad kondition. En studie gjord av Mira et al. indikerade liten eller ingen korrelation mellan genomstorlek och fördubblingstid . Data indikerar att selektion inte är en lämplig förklaring till de små storlekarna av bakteriegenom. Ändå tror många forskare att det finns ett visst selektivt tryck på bakterier att behålla en liten genomstorlek .
Borttagningsbias
Urval är bara en process involverad i evolutionen. Två andra stora processer ( mutation och genetisk drift ) kan förklara genomstorlekarna hos olika typer av bakterier. En studie gjord av Mira et al. undersökte storleken på insättningar och deletioner i bakteriella pseudogener. Resultaten visade att mutationsdeletioner tenderar att vara större än insertioner i bakterier i frånvaro av genöverföring eller genduplicering . Insertioner orsakade av horisontell eller lateral genöverföring och genduplicering tenderar att involvera överföring av stora mängder genetiskt material. Om man antar en brist på dessa processer, kommer genom att tendera att minska i storlek i frånvaro av selektiv begränsning. Bevis på en deletionsbias finns i de respektive genomstorlekarna hos frilevande bakterier, fakultativa och nyligen härledda parasiter och obligatparasiter och symbionter .
Fritt levande bakterier tenderar att ha stora populationsstorlekar och är föremål för större möjligheter för genöverföring. Som sådan kan selektion effektivt verka på frilevande bakterier för att ta bort skadliga sekvenser som resulterar i ett relativt litet antal pseudogener . Fortlöpande är ytterligare selektivt tryck uppenbart eftersom frilevande bakterier måste producera alla genprodukter oberoende av en värd. Med tanke på att det finns tillräckliga möjligheter för genöverföring att ske och det finns selektiva tryck mot även lätt skadliga deletioner, är det intuitivt att frilevande bakterier ska ha det största bakteriegenomet av alla bakterietyper.
Nyligen bildade parasiter genomgår allvarliga flaskhalsar och kan förlita sig på värdmiljöer för att tillhandahålla genprodukter. Som sådan, i nyligen bildade och fakultativa parasiter, finns det en ackumulering av pseudogener och transponerbara element på grund av bristen på selektivt tryck mot deletioner. Populationens flaskhalsar minskar genöverföringen och som sådan säkerställer deletionsbias minskningen av genomstorleken i parasitbakterier.
Obligatoriska parasiter och symbionter har de minsta genomstorlekarna på grund av långvariga effekter av deletionsbias. Parasiter som har utvecklats för att ockupera specifika nischer utsätts inte för mycket selektivt tryck. Som sådan dominerar genetisk drift utvecklingen av nischspecifika bakterier. Förlängd exponering för deletionsbias säkerställer att de flesta överflödiga sekvenser tas bort. Symbionter förekommer i drastiskt lägre antal och genomgår de allvarligaste flaskhalsarna av någon bakterietyp. Det finns nästan ingen möjlighet till genöverföring för endosymbiotiska bakterier, och därför kan genomkomprimering vara extrem. Ett av de minsta bakteriegenom som någonsin har sekvenserats är endosymbiont Carsonella rudii . Vid 160 kbp är genomet av Carsonella ett av de mest strömlinjeformade exemplen på ett genom som hittills undersökts.
Genomisk reduktion
Molekylär fylogenetik har avslöjat att varje kladd av bakterier med genomstorlekar under 2 Mb härrörde från förfäder med mycket större genom, vilket motbevisar hypotesen att bakterier utvecklats genom successiv fördubbling av smågenomerade förfäder. Nyligen genomförda studier utförda av Nilsson et al. undersökte graden av bakteriell genomreduktion av obligatbakterier. Bakterier odlades och introducerade frekventa flaskhalsar och växande celler i seriepassage för att reducera genöverföring för att efterlikna tillstånd för endosymbiotiska bakterier. Data förutspådde att bakterier som uppvisar en generationstid på en dag förlorar så många som 1 000 kbp på så få som 50 000 år (en relativt kort evolutionär tidsperiod). Vidare, efter att ha tagit bort gener som är väsentliga för det metylriktade DNA-felmatchningsreparationssystemet (MMR), visades det att minskningen av bakteriegenomstorleken ökade i takt med så mycket som 50 gånger. Dessa resultat indikerar att genomstorleksminskning kan ske relativt snabbt, och förlust av vissa gener kan påskynda processen för bakteriell genomkomprimering.
Detta innebär inte att alla bakteriegenom minskar i storlek och komplexitet. Medan många typer av bakterier har minskat i genomstorlek från ett förfäders tillstånd, finns det fortfarande ett stort antal bakterier som bibehåller eller ökade genomstorleken jämfört med förfäders tillstånd. Fritt levande bakterier upplever enorma populationsstorlekar, snabba generationstider och en relativt hög potential för genöverföring. Medan deletionsbias tenderar att ta bort onödiga sekvenser, kan selektion verka avsevärt bland frilevande bakterier vilket resulterar i utveckling av nya gener och processer.
Horisontell genöverföring
Till skillnad från eukaryoter, som huvudsakligen utvecklas genom modifiering av befintlig genetisk information, har bakterier förvärvat en stor andel av sin genetiska mångfald genom horisontell överföring av gener . Detta skapar ganska dynamiska genom, där DNA kan införas i och avlägsnas från kromosomen.
Bakterier har mer variation i sina metaboliska egenskaper, cellulära strukturer och livsstilar än vad som kan förklaras av enbart punktmutationer. Till exempel kan ingen av de fenotypiska egenskaper som skiljer E. coli från Salmonella enterica tillskrivas punktmutation. Tvärtom tyder bevis på att horisontell genöverföring har stärkt diversifieringen och artbildningen av många bakterier.
Horisontell genöverföring detekteras ofta via DNA-sekvensinformation. DNA-segment erhållna med denna mekanism avslöjar ofta en snäv fylogenetisk fördelning mellan besläktade arter. Dessutom visar dessa regioner ibland en oväntad nivå av likhet med gener från taxa som antas vara ganska divergerande.
Även om genjämförelser och fylogenetiska studier är till hjälp för att undersöka horisontell genöverföring, är genernas DNA-sekvenser ännu mer avslöjande av deras ursprung och härkomst i ett genom. Bakteriearter skiljer sig mycket åt i det övergripande GC-innehållet, även om generna i alla arters genom är ungefär identiska med avseende på bassammansättning, mönster för kodonanvändning och frekvenser av di- och trinukleotider. Som ett resultat kan sekvenser som nyligen förvärvats genom lateral överföring identifieras via deras egenskaper, som förblir donatorns. Till exempel har många av S. enterica -gener som inte finns i E. coli bassammansättningar som skiljer sig från det totala 52% GC-innehållet i hela kromosomen. Inom denna art har vissa linjer mer än en megabas av DNA som inte finns i andra linjer. Baskompositionerna för dessa härstamningsspecifika sekvenser innebär att åtminstone hälften av dessa sekvenser fångades in genom lateral överföring. Dessutom har regionerna som gränsar till horisontellt erhållna gener ofta rester av translokerbara element, överföringsursprung för plasmider eller kända fästställen för fagintegraser .
Hos vissa arter härstammar en stor del av lateralt överförda gener från plasmid-, fag- eller transposonrelaterade sekvenser.
Även om sekvensbaserade metoder avslöjar förekomsten av horisontell genöverföring i bakterier, tenderar resultaten att vara underskattade av storleken på denna mekanism, eftersom sekvenser erhållna från donatorer vars sekvensegenskaper liknar mottagarens sekvenser kommer att undvika upptäckt.
Jämförelser av fullständigt sekvenserade genom bekräftar att bakteriella kromosomer är amalgamer av förfäder och lateralt förvärvade sekvenser. De hypertermofila Eubacteria Aquifex aeolicus och Thermotoga maritima har var och en många gener som i proteinsekvens liknar homologer i termofila Archaea. 24 % av Thermotogas 1 877 ORF och 16 % av Aquifex 1 512 ORF visar höga matchningar till ett Archaeal-protein, medan mesofiler som E. coli och B. subtilis har mycket mindre proportioner av gener som liknar mest Archaeal-homologer.
Mekanismer för sidoöverföring
Uppkomsten av nya förmågor på grund av horisontell genöverföring har tre krav. För det första måste det finnas en möjlig väg för donatorns DNA för att accepteras av mottagarcellen. Dessutom måste den erhållna sekvensen integreras med resten av genomet. Slutligen måste dessa integrerade gener gynna mottagarbakterieorganismen. De två första stegen kan uppnås via tre mekanismer: transformation, transduktion och konjugering.
Transformation innebär upptag av namngivet DNA från miljön. Genom transformation kan DNA överföras mellan avlägset besläktade organismer. Vissa bakteriearter, såsom Haemophilus influenzae och Neisseria gonorrhoeae , är kontinuerligt kompetenta att acceptera DNA. Andra arter, såsom Bacillus subtilis och Streptococcus pneumoniae , blir kompetenta när de går in i en viss fas i sin livscykel.
Transformation i N. gonorrhoeae och H. influenzae är endast effektiv om särskilda igenkänningssekvenser finns i mottagargenomen (5'-GCCGTCTGAA-3' respektive 5'-AAGTGCGGT-3'). Även om förekomsten av vissa upptagningssekvenser förbättrar transformationsförmågan mellan besläktade arter, uppvisar många av de inneboende kompetenta bakteriearterna, såsom B. subtilis och S. pneumoniae , inte sekvenspreferens.
Nya gener kan introduceras i bakterier av en bakteriofag som har replikerats inom en donator genom generaliserad transduktion eller specialiserad transduktion. Mängden DNA som kan överföras i en händelse är begränsad av storleken på fagkapsiden ( även om den övre gränsen är cirka 100 kilobaser). Även om fager är många i miljön, beror mängden mikroorganismer som kan transduceras på receptorigenkänning av bakteriofagen. Transduktion kräver inte att både givar- och mottagarceller är närvarande samtidigt i tid eller rum. Fagkodade proteiner både medierar överföringen av DNA till mottagarcytoplasman och hjälper till att integrera DNA i kromosomen.
Konjugering involverar fysisk kontakt mellan donator- och mottagarceller och kan förmedla överföringar av gener mellan domäner, såsom mellan bakterier och jäst. DNA överförs från givare till mottagare antingen genom självöverförbar eller mobiliserbar plasmid. Konjugering kan förmedla överföringen av kromosomala sekvenser av plasmider som integreras i kromosomen.
Trots mångfalden av mekanismer som förmedlar genöverföring mellan bakterier, är processens framgång inte garanterad om inte den mottagna sekvensen bibehålls stabilt i mottagaren. DNA-integration kan upprätthållas genom en av många processer. En är persistens som episom, en annan är homolog rekombination, och ännu en annan är illegitim inkorporering genom lycklig dubbelsträngsbrottsreparation.
Egenskaper som introduceras genom lateral genöverföring
Antimikrobiella resistensgener ger en organism förmågan att växa sin ekologiska nisch, eftersom den nu kan överleva i närvaro av tidigare dödliga föreningar. Eftersom fördelarna för en bakterie som tjänas av att ta emot sådana gener är tids- och rumsoberoende, väljs de sekvenser som är mycket mobila ut för. Plasmider är ganska mobiliserbara mellan taxa och är det vanligaste sättet på vilket bakterier förvärvar antibiotikaresistensgener.
Antagandet av en patogen livsstil ger ofta en grundläggande förändring i en organisms ekologiska nisch. Den oregelbundna fylogenetiska fördelningen av patogena organismer antyder att bakteriell virulens är en konsekvens av närvaron eller erhållandet av gener som saknas i avirulenta former. Bevis på detta inkluderar upptäckten av stora 'virulens' plasmider i patogena Shigella och Yersinia , såväl som förmågan att ge patogena egenskaper till E. coli via experimentell exponering för gener från andra arter.
Datortillverkad form
I april 2019 rapporterade forskare vid ETH Zürich skapandet av världens första bakteriegenom, som heter Caulobacter ethensis-2.0 , tillverkat helt av en dator, även om en relaterad livskraftig form av C. ethensis-2.0 ännu inte existerar.