Sekundär kromosom

Kromider , tidigare (och mindre specifikt) sekundära kromosomer , är en klass av bakteriella replikoner (replikerande DNA-molekyler). Dessa replikoner kallas "kromider" eftersom de har karakteristiska egenskaper för både kromosomer . och plasma id s - Tidigt trodde man att alla kärngener kunde hittas på bakteriens huvudkromosom. Men 1989 upptäcktes en replikon (nu känd som en kromid) som innehöll kärngener utanför huvudkromosomen. Dessa kärngener gör kromiden oumbärlig för organismen. Kromider är stora replikoner, även om de inte är lika stora som huvudkromosomen. Men kromider är nästan alltid större än en plasmid (eller megaplasmid). Kromider delar också många genomiska signaturer av kromosomen, inklusive deras GC-innehåll och deras kodonanvändningsbias . Å andra sidan delar kromider inte kromosomernas replikationssystem. Istället använder de replikeringssystemet av plasmider. Kromider finns i 10 % av de bakteriearter som sekvenserats 2009.

Bakteriegenom uppdelade mellan en huvudkromosom och en eller flera kromider (och/eller megaplasmider) sägs vara delade eller flerdelade genom. De allra flesta av de kromidkodande bakterierna har bara en enda kromid, även om 9 % har mer än en (jämfört med 12 % av de megaplasmidkodande bakterierna som innehåller flera megaplasmider). Släktet Azospirillum innehåller tre arter som har upp till fem kromider, de hittills mest kända kromider i en enda art. Kromider verkar också vara vanligare hos bakterier som har ett symbiotiskt eller patogent samband med eukaryoter och med organismer med hög tolerans mot abiotiska stressfaktorer.

Chromider upptäcktes 1989, i en art av Alphaproteobacteria som kallas Rhodobacter sphaeroides . Formaliseringen av begreppet "kromid" som en oberoende typ av replikon kom dock först 2010. Flera klassificeringar skiljer ytterligare mellan kromider beroende på villkoren för deras väsentlighet, deras replikeringssystem och mer.

De två hypoteserna för ursprunget till kromider är hypoteserna "plasmid" och "schism". Enligt plasmidhypotesen härstammar kromider från plasmider som har förvärvat kärngener under evolutionstid och så stabiliserats i sina respektive linjer. Enligt schismhypotesen härstammar såväl kromider som huvudkromosomen från en schism av en större, tidigare kromosom. Plasmidhypotesen är för närvarande allmänt accepterad, även om det kan finnas sällsynta fall där stora replikoner härrör från en kromosomal schism. Ett fynd tyder på att kromider har sitt ursprung 45 gånger över bakteriella fylogenier och förlorats två gånger.

Upptäckt och klassificering

Upptäckt

Tidigt under bakteriegenomikens era ansågs bakteriernas genom ha en relativt enkel arkitektur. Alla kända bakterier hade cirkulära kromosomer som innehöll alla viktiga gener. Vissa bakterier hade ytterligare replikoner kända som plasmider , och plasmider var karakteristiskt små, cirkulära och dispenserbara (vilket betyder att de bara kodade för icke-essentiella gener). När fler bakterier och deras genom studerades, började många alternativa former av bakteriell genomisk arkitektur att upptäckas. Linjära kromosomer och linjära plasmider upptäcktes i ett antal arter. Strax efter upptäcktes bakterier med flera stora replikoner, vilket ledde till uppfattningen att bakterier, precis som eukaryoter , kan ha ett genom som består av mer än en kromosom. Det första exemplet på detta var Rhodobacter sphaeroides 1989, men ytterligare upptäckter följde snabbt med Brucella melitensis 1993, Burkholderia cepacia-komplex 1994, Rhizobium meliloti 1995, Bacillus thuringiensis 1996, och nu är det känt att ca 10 % av bakterier har arter. stora replikoner som är åtskilda från huvudkromosomen.

Definition

Med början av dessa upptäckter föreslogs flera tillvägagångssätt för att klassificera olika komponenter i flerpartita genom. Olika termer har använts för att beskriva andra stora replikoner än huvudkromosomen, inklusive att helt enkelt beteckna dem som ytterligare kromosomer eller "minikromosomer", "megaplasmider" eller "sekundära kromosomer". Kriterier som används för att skilja mellan dessa replikoner kretsar vanligtvis kring egenskaper som storlek och närvaron av kärngener. föreslogs klassificeringen av dessa genomiska element som kromider . Tidigare termer, såsom "sekundär kromosom", anses otillräckliga vid observationen att dessa replikoner innehåller replikeringssystem av plasmider och sålunda är en fundamentalt annorlunda klass av replikoner än kromosomer. Den ursprungliga definitionen av en "chromid" innebär att tre kriterier uppfylls:

1. kromider har underhålls- och replikationssystem av plasmidtyp;
2. kromider har en nukleotidsammansättning nära den hos kromosomen;
3. kromider bär kärngener som finns på kromosomen hos andra arter.

Även om denna definition är robust, gjorde författarna som föreslog den det med förväntningen att vissa undantag skulle hittas som skulle sudda ut gränserna mellan kromider och andra replikoner. Denna förväntning existerade på grund av den allmänna tendensen hos evolutionära linjer att producera tvetydiga system, vilket har resulterat i de mer välkända problemen med att formulera en brett omfattande artdefinition.

Sedan klassificeringen av kromider har andra repliker upptäckts som delar vissa egenskaper hos kromider men som har kategoriserats separat. Ett exempel är den betecknade " rrn -plasmiden" som finns i en kladd inom bakteriesläktet Aureimonas . rrn -plasmiden innehåller rrn (rRNA) operon ( därav dess namn), och rrn operon kan inte hittas på huvudkromosomen. Huvudkromosomen benämns därför som en " rrn -saknad kromosom" eller RLC, och därför benämns bakteriekladden inom Aureimonas som innehar rrn -plasmiden också "RLC-kladen". Medlemmar av RLC-kladden har nio replikoner, av vilka huvudkromosomen är den största och rrn -plasmiden är den minsta med endast 9,4 kb. rrn - plasmiden har också ett högt kopietal i RLC-bakterier. Även om denna mycket lilla storlek och kopieantal liknar plasmider mer än kromider, rrn -plasmiden fortfarande de enda kopiorna av generna i rrn- operonen och för tRNA(Ile). Denna distinkta samling av egenskaper ledde till att forskarna som upptäckte denna replikon helt enkelt klassificerade den som en rrn -plasmid, vilket är tänkt som en separat klassificering än en "plasmid" eller "kromid".

Ytterligare föreslagna klassificeringar

Utöver att klassificera vissa replikoner som kromider, har ett antal forskare föreslagit att ytterligare skilja mellan olika typer av kromider. En klassificering skiljer mellan primära och sekundära kromider. Primära kromider definieras som kromider som innehåller kärngener som alltid är väsentliga för bakteriens överlevnad under alla förhållanden. Sekundära kromider definieras som kromider som är nödvändiga för överlevnad i bakteriens naturliga förhållanden, men kan vara icke-nödvändiga under vissa "säkra" förhållanden, såsom en laboratoriemiljö. Sekundära kromider kan också ha nyare evolutionärt ursprung och kan behålla några mer plasmidliknande egenskaper jämfört med primära kromider. Ett exempel på en föreslagen primär kromid är "kromosom II" av Paracoccus denitrificans PD1222.

Egenskaper

Storlek och kopia nummer

I ett bakteriegenom kommer huvudkromosomen alltid att vara den största replikonen, följt av kromiden och sedan plasmiden. Ett undantag från denna trend är känt i Deinococcus deserti VCD115, där båda plasmiderna är större än kromiden.

Chromider varierar avsevärt i storlek mellan organismer. I bakteriesläktet Vibrio varierar huvudkromosomen mellan 3,0–3,3 Mb medan kromiden varierar mellan 0,8–2,4 Mb i storlek. En replikon i en stam av Buchnera , som kodar för vissa kärngener, är bara 7,8 kb. Även om närvaron av kärngener kan leda till klassificeringen av denna replikon som en kromid, kan denna replikon också uteslutas på vissa definitioner. Vissa tillvägagångssätt kategoriserar bara vissa replikoner som kromider om de når en tröskelstorlek på 350 kb. Det har också observerats att kromider tenderar att ha ett lågt antal kopior i cellen, som med kromosomer och megaplasmider. I genomsnitt är kromider dubbelt så stora som megaplasmider (och så uppkomsten av en kromid från en megaplasmid är associerad med en ansenlig genackumulering i efterdyningarna av omvandlingen). En av de största kromiderna är den i Burkholderia pseudomallei , som överstiger 3,1 miljoner nukleotider i storlek, dvs 3,1 megabaser eller 3,1 Mb.

Genomiska egenskaper

Chromider har oftare ett lägre G + C-innehåll jämfört med huvudkromosomen, även om styrkan i denna association inte är särskilt stark. En kromid kommer också typiskt att ha ett G + C-innehåll inom 1 % av det för huvudkromosomen, vilket återspeglar dess närmar sig bassammansättningens jämvikt för huvudkromosomen efter att ha funnits stabilt inom en bakterielinje under en nödvändig tidsperiod. Kromider liknar också huvudkromosomen i sin kodonanvändningsbias . En analys fann att kromider hade en median skillnad på 0,34 % i GC-innehåll med huvudkromosomen, jämfört med värden på 1,9 % för megaplasmider och 2,8 % för plasmider.

Kromider har minst en kärngen frånvarande från huvudkromosomen. (Huvudkromosomerna innehåller huvuddelen av en bakteries kärngener, medan plasmider inte innehåller några kärngener.) Till exempel innehåller kromiden i Vibrio cholerae gener för de ribosomala subenheterna L20 och L35. Medan de flesta kromider har ett oproportionerligt mindre antal essentiella gener jämfört med huvudkromosomen, såsom rRNA-gener eller generna i rRNA- operonet , kan vissa ha många fler essentiella gener och kan till och med betraktas som "lika partner" med kromosomen. I allmänhet ser kromider också en anrikning av gener involverade i processerna för transport, metabolism, transkription, regulatoriska funktioner, signaltransduktion och motilitetsrelaterade funktioner. Proteiner som finns på kromider är involverade i processer som kan interagera med proteiner som kodas på huvudkromosomen. Kromider har också fler transposasgener än kromosomer, men mindre än megaplasmider.

Fylogenetisk fördelning

Närvaron av kärngener gör kromiden väsentlig för bakteriens överlevnad. Samma kärngener kommer att finnas på kromiderna inom ett släkte men inte nödvändigtvis mellan släktena. Alla kromider av ett släkte kan dessutom dela ett stort antal konserverade men icke-essentiella gener som hjälper till att definiera fenotypen av släktet (och uppkomsten av kromider verkar vara den primära evolutionära kraften i bildandet av kromidkodande bakteriesläkten, som har föreslagits i fallet med Vibrio ). Däremot kan bakteriella kromosomer universellt eller nästan universellt dela hundratals konserverade kärngener. Plasmider innehåller inga kärngener, och till skillnad från kromider delar plasmider av olika arter inom ett bakteriesläkte (eller till och med bara olika isolat inom samma art) få gener. Detta beror delvis på den vanliga överföringen av förstärkning och förlust av plasmider och deras överföring mellan bakterier genom konjugation (en form av horisontell genöverföring ), medan kromider förs vidare genom celldelningar (vertikalt) utan några tecken på att kromider rör sig genom horisontell gen överföra. Det har observerats att kromiden i åtminstone en bakterieart kunde elimineras utan att göra bakterien omöjlig, men bakterien blev auxotrof , vilket indikerar en allvarlig konditionskompromiss associerad med förlusten av kromiden.

På grund av sin stabila närvaro inom ett bakteriesläkte har kromider också en egenskap av att vara fylogenetiskt begränsade till specifika släkten. Exempel på släkten av bakterier med kromider inkluderar Deinococcus , Leptospira , Cyanothece (en typ av cyanobakterier ) och en anrikning av släkten av Pseudomonadota . Sammantaget indikerar bakteriegenomsekvensering att ungefär 10 % av bakteriearterna har en kromid. Det har också visat sig att det finns en partiskhet mot samtidig förekomst av en kromid och en megaplasmid i samma organism. Kromider förekommer också oftare i fylogenier än megaplasmider (i ungefär dubbelt så många arter), trots att megaplasmider är den förmodade evolutionära källan för kromider. Detta kan resultera i organismers tendens att förlora sina megaplasmider över tid, jämfört med den inneboende större evolutionära stabiliteten hos kromider.

Replikering

Kromider delar egenskaper i replikeringen av både kromosomer och kromider. För det första använder kromider replikationssystemet för plasmider. Medan plasmider inte replikerar i samordning med huvudkromosomen eller cellcykeln, gör kromider det och replikerar endast en gång per cellcykel. I bakteriesläktet Vibrio börjar replikering av huvudkromosomen före replikering av kromid. Kromiden är mindre än kromosomen och det tar därför kortare tid att avsluta replikeringen. Av denna anledning fördröjs replikeringen av kromiden för att koordinera replikationsavslutningen mellan kromosomen och kromiden. Tidigare replikering av kromosomen jämfört med kromiden har också observerats i Ensifer meliloti . Bakterier är också beroende av olika replikationsfaktorer för att starta replikation mellan kromosomen och kromiden. Replikation av kromosomen initieras vid stimulering av uttrycket av proteinet DnaA , medan uttryck av kromidreplikation kräver DnaA men också beror på RctB. Detta liknar F1- och P-plasmider som också är beroende av DnaA men som fortfarande har sin replikation kontrollerad av andra proteiner (specifikt RepA och RepE). Segregation av kromiden följer olika mönster mellan olika släkten av bakterier, även om det vanligtvis sker efter segregeringen av huvudkromosomen.

Hittills är det känt att kromider replikerar med en av två typer av system: antingen med repABC-systemet eller med iteroner .

Evolutionär flexibilitet

Flera studier tyder på att kromider är mindre konserverade och utvecklas snabbare än kromosomer i bakterier. I en studie av många arter av släktet Vibrio fann man att den stora, stora kromosomen hade ett konsekvent storleksintervall på 3–3,3 Mb, medan den sekundära kromosomen flexibelt varierade från 0,8–2,4 Mb. Denna avsevärda variation indikerar en högre grad av strukturell flexibilitet. Bakterier av släktet Agrobacterium och andra släkten kan ha tre eller flera kromider, och dessa multipla kromider i flera stammar genomgår vanligen storskaliga omarrangemang som kan involvera translokation av en ansenlig del av en kromid till en annan. Gener som finns på kromider är också mer benägna att utvecklas och visar mindre renande urval . Eftersom den vanliga artdefinitionen för prokaryoter är baserad på DNA-sekvens eller genomsnittlig nukleotididentitet, kan den större evolverbarheten hos kromiden resultera i att organismer med kromider har en större tendens att specia.

Ursprung

"Schism" och "plasmid"-hypoteser

Flera förslag har lagts fram för att förklara ursprunget till kromider. De två huvudhypoteserna är "schismhypotesen" och "plasmidhypotesen". Enligt schismhypotesen kan två separata bakteriella kromosomer uppstå genom att en större kromosom splittras, vilket resulterar i en huvudkromosom och en sekundär kromosom (eller en kromid). På grund av underhålls- och replikationssystemen av plasmidtyp i kromider samt den ojämna fördelningen av kärngener mellan huvudkromosomen och kromiden, är plasmidhypotesen som antyder att kromider utvecklats från megaplasmider som förvärvat kärngener allmänt accepterad. När väl megaplasmider förvärvar kärngener från huvudkromosomen, i kombination med den samtidiga förlusten av dessa kärngener från huvudkromosomen, blir plasmiden en stabil och nödvändig del av bakteriegenomet. (Megaplasmider kan också förvärva dubbla kopior av kärngener från huvudkromosomen. Förekomsten av den dubbla kärngenen kan degenerera på huvudkromosomen, vilket leder till dess enda närvaro på den nybildade kromiden. I detta fall bildas kromiden genom en neutral övergång.) Denna händelse stabiliserar också de andra generna som finns på den nya kromiden, vilket kan resultera i en karakteristisk fenotyp för den nya linjen. Dessa kärngener kan överföras till en megaplasmid på flera sätt. En är homolog rekombination mellan huvudkromosomen och plasmiden. Det är också möjligt att en existerande kromid skulle kunna rekombinera med en plasmid för att få sitt replikationssystem. När en kromid väl dyker upp i en härstamning är den stabil under långa evolutionära perioder. Flera bakteriesläkten har kromider som är karakteristiska för varje släkte. Medan kromiderna som finns i ett enda släkte universellt kan dela ett stort antal gener, finns det inga gener universellt påträffade över kromiderna från olika släkten.

Plasmider är nästan alltid, om inte alltid, källan till ursprunget till kromider, men åtminstone två bakteriestammar kan ha sina stora replikoner härrörande från schism av en större kromosom. I dessa undantagsfall kan termen "sekundär kromosom" behållas för att beskriva dem och i denna mening skilja dem från "kromider". Att identifiera en replikon som en "sekundär kromosom" kan göras på basis av konserverad synteny och slumpmässig fördelning av kärngener med huvudkromosomen.

Föreslagna adaptiva orsaker

Frågan om ursprunget till kromider är knuten till frågan om varför de utvecklades. En möjlighet är att kromider är en "frusen olycka", där de helt enkelt råkade utvecklas av en slump och utan någon speciell anledning och så, enbart av denna anledning, finns i släktlinjen som är avkomling från organismen där de uppstod. I det här scenariot hamnar kärngener på kromiden av en slump, men den slumpmässiga fixeringen av kärngener på den sekundära replikonen genom neutrala övergångar leder till dess väsentlighet för organismen. Men kromider kan också ge vissa fördelar som hjälper bakterien att konkurrera i sin miljö. Det har observerats att bakterier med kromider kan växa snabbare i odling och även innehåller ganska större genom. Kromidkodande bakterier har ett genom med en medelstorlek på 5,73 ± 1,66 Mb, medan bakterier som inte kodar för kromider har en genomsnittlig genomstorlek på 3,38 ± 1,81 Mb. Av denna anledning har vissa dragit slutsatsen att placeringen av ett antal gener på kromiden istället för huvudkromosomen möjliggör genomexpansion utan att kompromissa med replikationshastigheten och effektiviteten. Å andra sidan är två tredjedelar av bakteriegenom över 6 Mb inte flerdelade och endast tre av de femtio största genomen är flerdelade, och så ett större genom har ännu inte visats kausalt som en orsak till en kromids evolutionära ursprung. Kromider kan också ofta hittas på snabbväxande bakterier, vilket tyder på deras bidrag till replikations- och delningshastighet, även om även här flera analyser har väckt svårigheter med detta förslag som en drivande evolutionär kraft för uppkomsten av kromider. Istället är det mer troligt att genomexpansion och snabbare replikationshastighet kan vara inblandade i underhållet av kromider i linjer men inte en orsaksförklaring till deras uppkomst. Chromider kan också möjliggöra koordinerat uttryck av nischspecifika gener. Slumpmässig men sällsynt uppkomst av kromider som råkar ha de nödvändiga generna för att ge en fördelaktig livsstil i en given miljö kan spela en viktig roll för att stabilisera den kromiden i organismen och leda till en ny härstamning som definieras av närvaron av den nu avgörande replikonen.