Бактерии упаковывают гены плотнее, чем считалось

В микробных геномах гены обычно изображаются как линейные последовательности отдельных регуляторных и кодирующих областей. Это приводит к предположению, что компьютерные аннотации, предсказывающие такие структуры, полностью описывают кодирующий потенциал бактериальных геномов.

Однако более сложные организмы, такие как растения и животные, упаковывают гены в свою ДНК очень плотно. Один из распространённых приёмов — кодирование генов на обеих цепях ДНК, что позволяет генам перекрываться вдоль хромосомы. Ранее показанные бактериальные гены на второй, или антисмысловой, цепи перекрывались лишь немного — например, на пару десятков пар оснований. Менее горстки генов перекрывались полностью.

Чтобы проверить, могут ли бактерии упаковывать гены плотнее, учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) и Университета Тафтса сравнили белки, производимые бактериальным видом, с известными данными о его геноме. Они выбрали Pseudomonas fluorescens — грамотрицательные палочковидные бактерии, обитающие в почве, растениях и на поверхностях воды.

Исследователи проанализировали эти белки в EMSL (Микробиологической лаборатории окружающей среды) Министерства энергетики США, используя ультравысоконапорную обратнофазную высокоэффективную жидкостную хроматографию (HPLC), сопряжённую с ионной ловушкой масс-спектрометра.

Используя информацию из 6-рамочного трансляционного анализа бактериального генома, команда идентифицировала как можно больше белков, производимых P. fluorescens, и определила последовательность генов, необходимых для их создания. Затем они сравнили определённые гены с генами, найденными при аннотации генома.

Последующий анализ кодирующих последовательностей, рамок считывания и сравнительного выравнивания выявил 16 генов для белков, ранее не нанесённых на карту генома P. fluorescens. Исследователи обнаружили девять ранее неизвестных генов, закодированных на антисмысловой цепи ДНК. Однако, в отличие от других антисмысловых генов, найденных у бактерий, эти гены полностью или почти полностью перекрывали гены на смысловой цепи. Это говорит о том, что исследователи недооценивали частоту, с которой бактерии упаковывают гены путём их перекрывания.

Результаты показывают, что не все сигналы, используемые исследователями для идентификации генов по последовательности в участке ДНК, были определены. 16 вновь идентифицированных генов улучшают качество аннотации генома штамма Pf0-1, а обнаружение антисмысловых белково-кодирующих генов указывает на недооценённую сложность организации бактериального генома.

Результаты демонстрируют, что инструменты, используемые в настоящее время для идентификации полного набора генов и белков в организмах, особенно бактериях, недостаточны. Но такая работа приведёт к более полному пониманию того, как геномный план внутри бактерий преобразуется в функционирующие белки, которые вместе образуют живой организм. Такое понимание также может привести к новым открытиям в эволюционной биологии.