Prokaryota genom. 23 och 26 mars Jan Andersson. Institutionen för Cell- och Molekylärbiologi Avdelning för Mikrobiologi

Transkript

1 Prokaryota genom 23 och 26 mars 2007 Jan Andersson Institutionen för Cell- och Molekylärbiologi Avdelning för Mikrobiologi 1 Mångfalden domineras av mikrober Delsuc, F., Brinkmann, H., and Philippe, H Phylogenomics and the reconstruction of the tree of life. Nat. Rev. Genet. 6:

2 Jämförande genomik Genomet innehåller information för att upprätthålla livsprocessen i organismens miljö Skillnader mellan genom kan bero av Slumpmässiga förändringar (mutationer) som inte påverkar genomets förmåga att upprätthålla livsprocesserna Förändringar som är anpassningar till organismens förutsättningar Jämförande genomik handlar om att identifiera och förstå förändringar som skett 3 Jämförande genomik = molekylär evolution Hur uppstår skillnader? mutationer Vilka förändringar blir kvar i genomet? selektion drift 4 2

3 Vad är prokaryoter? 5 genom ATGACAAAGCTAATTATTCACTTGGTTTCAGACTCTTCTGTGCAAACTGCAAAACATGCAGCAAATTCTG CTCTTGCTCAATTTACTTCTATAAAACAAAAATTGTATCATTGGCCAATGATTAGAAATTGTGAATTACT AAATGAAGTATTAAGTAAAATAGAATCTAAACATGGAATAGTATTATACACAATTGCTGATCAAGAACTC CGAAAAACTTTAACAAAATTTTGCTATGAATTAAAAATTCCATGTATTTCTGTAATAGGTAAAATTATTA AAGAAATGTCTGTTTTTTCAGGTATTGAAATAGAAAAAGAACAAAATTATAATTATAAATTCGATAAAAC TTATTTTGATACACTCAATGCTATAGATTATGCTATAAGACATGATGATGGACAAATGATTAATGAATTA TCAGAATCTGATATAATATTAATAGGTCCTTCTAGAACTTCTAAAACACCGACTTCCGTATTTTTAGCGT ATAATGGTTTAAAAGCTGCAAATATTCCTTATGTTTATAATTGTCCATTTCCTGATTTTATAGAAAAGGA TATAGATCAATTAGTAGTAGGACTTGTTATTAATCCAAATAGGTTAATTGAGATAAGAGAAGCTAGATTA AATTTATTGCAAATTAATGAAAATAAAAGCTATACAGATTTTAATATAGTACAAAGAGAGTGCATAGAAG TCAGAAAAATTTGTAATCAAAGAAATTGGCCAGTGATTGATGTATCAACCAGATCAATAGAGGAAACAGC AGCTTTAATAATGCGAATATATTATAATAGAAAAAATAAATATCATAAATAAAAAGATTTTTCATTATTT ACAAGTAGAAGTGACTAATTTATAATTTTATTTATTGCTTTTCGTTGTTATGAGTTAAAAACTTAATGTC GTGTTATAACGAAATTACAACACTCCTTGAATTCGATAGCAATGATATCAATACAACACAGAGGATAAAT ATGGTAAATAACGTAACAGATAGCTCTTTTAAAAATGAAGTACTAGAATCGGATTTACCTGTAATGGTTG ATTTTTGGGCAGAGTGGTGTGGACCATGTAAAATGTTAATACCGATAATAGATGAAATCAGTAAAGAATT ACAAGATAAAGTAAAAGTACTCAAAATGAATATTGATGAAAATCCTAAAACTCCTTCAGAATATGGTATT CGTAGCATTCCAACGATAATGTTGTTTAAAAATGGTGAACAAAAAGATACTAAAATAGGTTTGCAACAAA AAAATTCTCTTTTAGATTGGATTAATAAATCTATTTGATATTTATTTTATGTTACTTAACCATTCAAAAG TATTTATAGAGATAACAGATGGTTATGTAGAAGGCATAGATGTTCATAAAAGAGCACAGGGTTTAAAGCA 6 TTTCTTTTTGAAAAAAGGAGTTTCTCTTTCTCCAACTATACCTATATTAAACAATATTAATTTTTCTTGT TATGAGGGAGAAAAAATAGCTTTTATTGGGAGTAATGGTTCAGGTAAAAGTTCACTTCTAAAACTGATTG 3

4 Att identifiera gener är inte trivialt 7 Ett prokaryot genom Mycoplasma genitalium 8 4

5 START 9 Replikation och genomets uppbyggnad Abby S, Daubin V: Comparative genomics and the evolution of prokaryotes. Trends Microbiol 15:

6 Operoner En följd av gener som uttrycks tillsammans Ofta relaterade funktioner Underlättar reglering 11 Genordningen hos närbesläktade arter Campylobacter och Helicobacter Två arter av Chlamydia Två stammar av Helicobacter pylori Två arter av Mycobacterium 12 6

7 Mönster i genomet GC-skew Genomet hos Borrelia burgdorferi 14 GC-innehåll i prokaryota genom Halten av de fyra baserna (ACGT) varierar mellan olika genom Eftersom DNAt är dubbelsträngat och G basparar med C och A basparar med T är halten G = halten C och A = T. Bassammansättningen anges som en GC-halt Varierar stort mellan arter, från 25% till 75% Användes för klassificering när det upptäcktes dock utan framgång 15 7

8 Varför olika GC-halt? Galtier & Lobry, J Mol Evol (1997) 44: GC-halten och mutationsmönster Muto A, Osawa S: The guanine and cytosine content of genomic DNA and bacterial evolution. Proc Natl Acad Sci U S A 1987, 84:

9 Mutationsmönstret hos Rickettsia (~30% GC) Andersson JO, Andersson SGE: Genome degradation is an ongoing process in Rickettsia. Mol Biol Evol 1999, 16: Hur påverkas proteinkodande gener av mutationsmönstret? - genetiska koden Den genetiska koden är degenerarad olika kodon ger upphov till samma aminosyror olika DNA-sekvenser kan ge upphov till samma protein Synonyma förändringar: ger inte upphov till förändringar i proteinsekvensen Icke-synonyma förändringar: ger upphov till förändringar i proteinet Mutationer som ändrar proteinet selekteras bort om proteinets funktion går förlorad Mutationer som ger upphov till synonyma DNA förändringar selekteras dock inte bort eftersom proteinet förblir funktionellt (oförändrat) Förändringar i tredje positionen är ofta synonyma, förändringar i andra aldrig och förändringar i första ibland 19 9

10 GC-mönstret i proteingener (Muto & Osawa 1987) Muto A, Osawa S: The guanine and cytosine content of genomic DNA and bacterial evolution. Proc Natl Acad Sci U S A 1987, 84: Selektion av synonyma kodon Spironucleus vortens RSCU "relative synonymous codon usage" Giardia lamblia hi högt uttryckta gener (translateras ofta) low lågt uttryckta gener (translateras sällan) 21 10

11 Sammanfattning Prokaryota genom är packade med proteinkodande gener Genomuppbyggnad, men inte genordning, är konserverad mellan arter GC-innehållet varierar inom genomet och mellan genom Selektion av funktion av proteinet sker på aminosyranivå, men annan selektion kan ske på synonyma kodon 23 Upptag och förlust av gener Abby S, Daubin V: Comparative genomics and the evolution of prokaryotes. Trends Microbiol 15:

12 α-proteobakterie Rickettsia prowazekii Rickettsia prowazekii är en obligat intracellulär parasit Överlever endast inuti eukaryota celler Orsakar tyfus Sprids mellan människor av löss Rickettsia prowazekii Lus 25 Reduktiv evolution i intracellulära bakterier Rickettsia har evolverat från en anfader med större genom 26 12

13 Stoppkodon i genen metk i Rickettsia metk kodar för S-Adenosylmetionin syntas S-Adenosylmetionin används vid olika metyleringar i cellen Essentiell gen Hur klarar sig Rickettsia med stoppkodonet? 27 Jämförande genomik hos Rickettsia Andersson, J.O. and Andersson, S.G.E Insights into the evolutionary process of genome degradation. Curr. Opin. Genet. Dev. 9:

14 Rickettsia importerar S-Adenosylmetionin Tucker, A.M., et al S-adenosylmethionine transport in Rickettsia prowazekii. J. Bacteriol. 185: Rickettsia vilka gener förloras? Translation, ribosomal structure and biogenesis Transcription DNA replication, recombination and repair R. prowazekii E. coli Cell division and chromosome partitioning Posttranslational modification, protein turnover, chaperones Cell envelope biogenesis, outer membrane Cell motility and secretion Inorganic ion transport and metabolism Signal transduction mechanisms Carbohydrate transport and metabolism Metabolic genes Energy production and conversion Amino acid transport and metabolism Nucleotide transport and metabolism Coenzyme metabolism Lipid metabolism General function prediction only Function unknown Number of COGs 30 14

15 Få gemensamma gener Charlebois RL and Doolittle WF: Computing prokaryotic gene ubiquity: Rescuing the core from extinction. Genome Res. 2004, 14: Mekanismer för utbyte av genetisk information Frost, L.S., et al Mobile genetic elements: the agents of open source evolution. Nat Rev Microbiol 3:

16 Genöverföring är produkten av en följd av processer Transformation som ett exempel Thomas, C.M. and Nielsen, K.M Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria. Nat Rev Microbiol 3: Hur detekteras horisontell genöverföring? Sekvensmönster Annorlunda GC-halt Annorlunda kodonanvändning Icke förväntade sekvenslikheter (BLAST) Fylogenetiska metoder Gendistribution Idealt används kombinationer av dessa metoder för att påvisa överföringar 36 16

17 Identifiering av genöverföringar m h a sekvensmönster Introducerade gener i ett genom kan ha avvikande GC-innehåll 755 ORFs i E. colis genom identifierades som troligen har ett ursprung från andra arter mer än 8% avvikelse av GC-halten i första och tredje positionen 37 Identifiering av genöverföringar med BLAST Oväntad bästa sekvenslikhet har ofta används som indikator på horisontell genöverföing Bästa träffen i BLAST-sökning antas vara den mest relaterade sekvensen 38 17

18 Thermotoga maritima Nelson KE, et al.: Evidence for lateral gene transfer between Archaea and Bacteria from genome sequence of Thermotoga maritima. Nature 1999, 399: Problem med BLAST-metoden Bästa sekvenslikhet innebär inte nödvändigtvis närmast släkt Tre exempel på evolutionära händelseförlopp där en BLAST-sökning skulle visa största sekvenslikhet mellan människa och bakterie Endast c har orsakats av en horisontell genöverföring 41 18

19 Identifiering av genöverföringar med fylogenetiska metoder Ett genträd som skiljer sig från det förväntade organismträdet indikerar horisontell genöverföring Mottagaren av en genöverföring återfinns inuti gruppen som var givare i överföringen (idealt) 42 Glutamat dehydrogenase Eukaryoter röda Bakterier svarta 43 19

20 Identifiering av genöverföringar med gendistribution - Prochlorococcus Cyanobakterie den minsta kända fotosyntetiska syrebildande organismen (diameter: 0,6 µm) Dominerande plankton (i antal) i tropiska hav Två stammar sekvenserade: MED4 och MIT9313 De har 1716 respektive 2275 gener, varav 1350 finns i båda stammarna 44 Evolution av genomen hos Prochlorococcus Rocap G, et al.: Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation. Nature 2003, 424:

21 Exempel på skillnader i genomen hos Prochlorococcus Rocap G, et al.: Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation. Nature 2003, 424: De två stammarna av Prochlorococcus är optimerade för olika miljöer De två stammarna har olika djupoptimum i havet Skillnaderna i genomen återspeglar antagligen de olika förutsättningarna i de olika miljöerna Rocap G, et al.: Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation. Nature 2003, 424:

22 Escherichia coli en art? Genomet av en stam av E. coli inte tillräcklig för att beskriva E. colis genom 48 Gener byts ut snabbt Abby S, Daubin V: Comparative genomics and the evolution of prokaryotes. Trends Microbiol 15:

23 Sammanfattning Geninnehållet i prokaryota genom genomgår enorma förändringar över evolutionär tid 50 23