Tema 1.1 - Comparative genome in procaryotes (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Genómica
Año del apunte 2016
Páginas 10
Fecha de subida 19/03/2016
Descargas 64
Subido por

Descripción

Tema 1.1 - Comparative genome in procaryotes: Estructura del genoma bacterià, Functional breakdown, Comparació de l'organtzació del genoma entre bacteris i arqueus, Transcripció en arqueus, DNA replication and repair, Archaea genomics, Procaryotic principle of genome organization.

Vista previa del texto

Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo TEMA 1.1: COMPARATIVE GENOME IN PROCARYOTES ● Estructura del genoma bacterià: El genoma bacterià és, generalment, doble i circular (generalment) i no es troba inclòs dins d’una membrana, és a dir, el DNA no està dins el nucli (els bacteris no tenen nucli). El material genètic, però, sí que es troba localitzat en una determinada zona (al centre de la cèl·lula) anomenada nucleoide.
El diàmetre del genoma bacterià és d’uns 1’6mm. Com que la cèl·lula té un diàmetre molt més petit (2 µm) (mirar imatge inferior -E.coli-), el DNA necessita un mecanisme de compactació per tal de cabre dins la cèl·lula. El DNA es troba molt compactat (DNA-supercoiling). Tenir el genoma molt compactat, a més, permet una replicació més ràpida. Les proteïnes HU (proteïnes més abundants en aquestes cèl·lules) ajuden a compactar el genoma. Les proteïnes HU, però, NO estan relacionades amb les histones. Tenen una funció similar però no són homologues, no estan relacionades evolutivament parlant (són anàloges).
1 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo Hi han diferents proteïnes que ajuden a les proteïnes HU a compactar el DNA (superenrrotllament negatiu o negative supercoiling): Topoisomerases I, integration host factor (IHF), DNA girasa. Hi han dues proteïnes, a més,que ajuden a l’expressió del DNA i a mantenir el superenrrotllament: H-NS i Factor for inversion Simulation (FIS).
Quan el genoma està transcrivint-se ha d’haver-hi un relaxament del superempaquetament.
Trimethilpsoralen té una elevada afinitat amb el DNA compactat però NO té afinitat amb el DNA no compactat (quan el DNA està relaxat). Trimethilpsoralen no està present de forma natural a les cèl·lules. és una substància introduïda al bacteri pels científics per estudiar el genoma bacterià.
Els rajos UV provoquen Nicks (petites ruptures del DNA). Això fa que el DNA perdi el superempaquetament.
El trimethilpsoralen que es trobava unit al DNA compactat, doncs, s’allibera al produir-se nicks ja que el DNA es relaxa i el trimethilpsoralen perd afinitat.
En el gràfic anterior veiem que a més dosi de radiació es formen més nicks i aquest fan que es perdi el superenrrotllament fet que provoca la separació del trimethilpsoralen amb el DNA. A més radiació UV més concentració de trimethilpsoralen lliure.
Amb la utilització del trimethilpsoralen podem saber si el genoma està organitzat en un únic anell o en més d’un: si el genoma està organitzat en un únic anell, al irradiar amb UV s’originarà un nick, es desfarà el superenrotllament i el trimethilpsoralen s’alliberarà. Si augmentem la radiació es produiran més nicks però ja no s’alliberarà més trimethilpsoralen ja que ja s’havia alliberat tot (el DNA ja estava tot desempaquetat). Si el genoma està organitzat en més d’un anell, al anar augmentant la radiació i anar-se formant més nicks, la concentració de trimethilpsoralen lliure anirà augmentant progresivament fins que tot el genoma s’hagi descompactat (com veiem al gràfic anterior).
El genoma bacterià, com hem dit, és circular i conté dues molècules principals: cromosoma (no és un cromosoma real però s’accepta com a tal) i plàsmids. Per norma general (hi han excepcions) tots els gens essencials es troben al cromosoma.
- E.coli té 1 únic cromosoma circular. No té plàsmids.
- Vibro cholerae té un cromosoma circular principal però també té un megaplàsmid circular el qual conté gens essencials.
2 - Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo Deinococcus radiodurans resisteix a grans períodes de radiació. Aquest fet es deu a que els gens essencials es troben distribuïts en 2 cromosomes circulars, un megaplàsmid circular i un plàsmid circular. Té gens duplicats en diferents cromosomes o plàsmids i, per tant, si un gen es danya encara té una altra copia i el bacteri no perd la funció d’aquell gen.
- Borrelia burgdorferi té moltes molècules de DNA: 7-8 de circulars (1 cromosoma i diversos plàsmids) i 11 de lineals (plàsmids lineals molt similars a DNA eucariota). Té estructures repetides els extrems (no homolegs amb telomers) les quals protegeixen els extrems del DNA.
El DNA bacterià està extremadament compactat i no té gaire non-coding DNA (11%). Aquest non-coding DNA són seqüències repetitves i petites distancies entre gens. Tenen molt pocs introns (non-coding DNA) respecte els eucariotes (ex: plantes).
Els bacteris també tenen genes overlapped. Aquests gens no deixen de ser seqüències les qual depèn de com siguin llegides expressaran una cosa o una altra (la seqüència es pot traduir de diferents maneres).
● Functional breakdown: Gene onthology: classificació de gens segons la seva funció. Hi han tres categories depenent del procés biològic.
Si comparem els gens onthology entre humans i E.coli veiem que els humans poden fer més processos.
3 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo El genoma bacterià és un genoma compactat que no és capaç de fer tantes funcions com els humans: Els bacteris són organismes més senzills.
Les funcions es poden classificar segons l’origen evolutiu (explicat millor posteriorment): - Homòlegs orthologous: gens distribuïts en diferents espècies però amb un origen comú.
- Homòlegs pharalogous: gens distribuïts en el mateix genoma i amb un origen comú.
En eucariotes veiem molts gens relacionats amb el processament de la informació (replicació…). Els bacteris tenen més gens relacionats amb el metabolisme.
Generalment els bacteris tenen menys funcions que els eucariotes però més gens relacionats amb el metabolisme.
● Comparació de l’organització del genoma entre bacteris i arqueus: La mida del genoma bacterià està distribuïda en dos pics. Així doncs, el genoma bacterià es pot dividir en dues categories depenent de la mida. Els arqueus, en canvi, només tenen un pic. El genoma d’arqueus és, generalment, més petit que el de bacteris (mirar imatge).
4 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo El minimal genome dels bacteris és de 1Mb. Mycoplasma genitalium, però, té un genoma de 0.5Mb.
Els virus tenen genomes de 10Mb, per tant, hi han bacteris amb genomes més petits que els dels virus.
Els arqueus tenen més densitat proteica (Figura de sota a l’esquerra) i tenen més gens en menys espai. El compactament del genoma dels arqueus es deu a diferents factors: els gens en arqueus són més curts (Figura a) i tenen espais intergènics més curts (Figura b). Això fa que el genoma estigui més compactat en arqueus.
5 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo En ambdós organismes els gens estan organitzats en operons. La distància intergenica segueix una distribució bimodal tant en arqueus com en bacteris. La distancia intergènica es pot dividir entre la distancia intraoperons i la interoperons: - Intraoperons: Distància entre els gens dins un operò. aquesta distància és quasi 0 en arqueus i també molt baixa, però no tant, en bacteris.
- Interoperons: Distància entre operons. En arqueus també és més curta que en bacteris.
Els gens no funcionals (pseudogens) i seqüències repetitives (CRISPR) només són presents en bacteris, en arqueus no n’hi han. No tots els bacteris, però, tenen CRISPR (la majoria sí).
Les seqüències CRISPR són un mecanisme de protecció contra allò estrany. És com un sistema immunològic (Pseudoimmunological sistem). CRISPR és utilitzat al laboratori per editar genomes en eucariotes.
Els arqueus tenen més gens relacionats en processament de la informació que bacteris. El 50% del genoma d’arqueus, però, és desconegut.
Els arqueus tenen 313 Clusters of orthologous groups of proteins (COGs) → Gens ortolegs = gens amb els mateix origen evolutiu però que es troben en espècies diferents. Dels 313, 16 són exclusius dels arqueus, 200 estan compartits amb eucariotes i bacteris, 34 nomes compartits amb bacteris (fan funció metabòlica) i 61 nomes amb eucariotes (fan funció de processament de la informació).
Així que arqueus tenen gens amb el mateix origen evolutiu que bacteris i eucariotes, tot i que comparteixen més amb els eucariotes.
La transferència horitzontal de gens ha permès que els arqueus tinguin un 20-30% de gens d’origen bacterià. Aquesta transferència horitzontal de gens (THG o LGT (Lateral Gene Transfer) es pot donar mitjançant tres mecanismes: - Orthologous replacement: Bacteris i arqueus comparteixen un gen, és a dir, el gen els hi prové d’un mateix ancestre (gen ortòleg). El gen que té el bacteri, però, és més eficient que el dels arqueus (tenen petites diferències). Així doncs quan el bacteri li transmet el seu gen per THG o LGT aquest substitueix el gen de l’arqueu. L’arqueu obtindrà un gen més eficient. (En aquest cas es pot veure que el bacteri no ha fet una copia del seu gen, i li passa tot el gen al arquea així que el bacteri morira al no tenir el gen essencial.) 6 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo - Non-orthologous replacement: En aquest cas bacteris i arqueus no comparteixen un mateix gen (no prové d’un ancestre comú) però sí que comparteix la funcionabilitat. Són gens anàlegs. El bacteri, com en el cas anterior, té un gen més eficient així que al traspaçar-lo per THG o LGT substitueix el que tenia l‘arqueu fent que, un cop més, els arqueus obtinguin un gen més eficient. (En aquest cas es pot veure que el bacteri no ha fet una copia del seu gen, i li passa tot el gen al arquea així que el bacteri morira al no tenir el gen essencial.) La diferència entre orthologous replacement i non-orthologous replacement és el gen que tenen els arqueus abans de la transferència horitzontal de gens. En el primer cas el gen és homòleg (ortòleg) al dels bacteris i en el segon cas és anàleg.
- Acquisition of paralogous genes: En aquest cas els arqueus no tenen el gen que tenen els bacteris ni cap altre gen anàleg. Els bacteris els hi passen un gen “nou” per ells i, d’aquesta manera, obtenen una funció nova. (El bacteri en aquest cas no es morira perquè abans de fer LGT fa una copia del gen essencial que es queda per ell mateix).
Gens xenologous: són gens amb el mateix origen evolutiu gràcies a la transferència horitzontal de gens. El bacteri, en passar el gen a l’arqueu fa que tinguin un gen provinent del mateix ancestre comú. Serien gens ortòlegs però com que es deu a la THG i no a la línia evolutiva, rep el nom de xenologous gene. A causa de la THG, doncs, pot ser difícil fer relacions filogenètiques.
7 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo Alguns processos metabòlics només són presents a arqueus: Metanogènesi, rutes específiques glicolítiques, i que en arqueus no hi han rutes pentoses fosfat no oxidatives (essencials pel metabolisme). Els gens d’aquests processos, doncs, no provenen dels bacteris.
● Transcripció en arqueus: Hi ha una homologia entre l’RNA polimerasa d’eucariotes i d’arqueus. La transcripció és similar entre eucariotes i arqueus (Subunitats similars als eucariotes: TATA-box binding protein (TBP), Transcription factor B (TFB) i Activation GvpE (leucine-zipper bZI)) però la regulació de la transcripció dels arqueus té coses en comú amb els eucariotes però també amb els bacteris.
● DNA replication and repair: La replicació del DNA d’arqueus és similar a la d’eucariotes però més senzilla: A l’origen de replicació, els eucariotes tenen dues proteïnes (cdc6 i orc1) i en arqueus, en canvi, només hi ha una proteïna (RadB). Cdc6/orc1 i RadB fan la mateixa funció, iniciar la replicació. La seqüència on s’originarà la replicació en arqueus i eucariotes té un elevat contingut de guanines i citosines (en bacteris NO).
Durant la meiosi, els eucariotes han de reparar molt el DNA ja que la recombinació es dona pel model de Holiday en el qual es trenquen les cadenes i posteriorment es reparen els talls. La topoisomerasa d’arqueus té moltes semblances amb la proteïna Spo11 (proteïna eucariota present durant la meiosi).
A l’hora de reparar el DNA, els eucariotes tenen les proteïnes de la família de les RecA (Rad51) (diferent al RecA bacterià) i els arqueus tenen les proteïnes RadA, molt semblants a les eucariotes.
Els eucariotes també tenen XPF i els arqueus, en canvi Rad1.
Així doncs, eucariotes i arqueus tenen diferents proteïnes però que tenen la mateixa funció fent que la replicació i la reparació del DNA sigui semblant.
● Archaea genomics: Els arqueus no tenen introns al DNA. No tenen splicing introns tipus I ni tipus II. Però sí tenen splicing al tRNA i al rRNA semblants als eucariotes. Tenen seqüències proteiques self-splicing.
8 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo La presència de nucleosomes en arqueus és un fet compartit amb eucariotes. Els arqueus són molt semblants als eucariotes. Les histones són ortòlogues però amb unes petites diferències: llargada del DNA, monòmers de proteïnes per unitat de DNA, direcció del superenrrotllament del DNA (en eucariotes només és negatiu i en arqueus positiu i negatiu) i les posicions de reconeixement de senyalsen el DNA.
Important saber que els arquea tenen 4 histones i els eucariotes 8 histones (taula).
Hi ha una semblança molt gran entre l’organització del DNA dels arqueus i dels eucariotes. La taula resum següent mostra les semblances i diferències entre el DNA de bacteris, arqueus i eucariotes: Important d’aquesta taula, les histones només són presents als eucariotes i els arqueus (bacteris no).
Entre arquea i bacteria molta relació amb el “funcionament del metabolisme”.
● Procaryotic principle of genome organitation: Els arqueus i els bacteris tenen genomes compactats amb regions intergèniques molt petites i els gens es troben organitzats en operons.
Com veiem a la imatge de l’esquerra, ells eucariotes no tenen un ancestre comú amb els bacteris i els arqueus. Els eucariotes s’han format a partir de la transferència 9 Genòmica - T1.1 - Sònia Vivo horitzontal de gens, són una “barreja” dels bacteris (els cloroplasts dels eucariotes provenen d’ells) i els arqueus.
Aquest arbre de la vida és diferent a l’arbre de la vida tradicional (Figura de la dreta) on els tres regnes comparteixen un ancestre comú i els eucariotes s’assemblen més als arqueus (tenen un ancestre comú més recent que amb bacteris).
10 ...