Phân loại so sánh chức năng protein được mã hóa trong đảo gen của vi khuẩn hoặc vi khuẩn cổ

Journal of Molecular Evolution - Tập 62 - Trang 1-14 - 2005
Rainer Merkl1
1Institut für Biophysik und Physikalische Biochemie, Universität Regensburg, Regensburg, Germany

Tóm tắt

Các bộ gen của prokaryote chứa các đảo gen (GIs), những đảo gen này thường được tiếp nhận thông qua quá trình chuyển gen ngang (HGT). Trong nghiên cứu này, tôi trình bày một phân tích về các GIs liên quan đến các chức năng do gen mã hóa. Các GIs được xác định thông qua phân tích thống kê về sự sử dụng codon và phân cụm. Các gen được phân loại là có khả năng ngoại lai (pA) hoặc bản địa (pN) đã được phân loại theo cơ sở dữ liệu COG. Giữa các gen pA và pN, sự phân bố các chức năng và lớp COG đã được nghiên cứu cho các nhóm prokaryote khác nhau. Các nhóm được hình thành theo quan hệ phân loại hoặc môi trường sống. Trong tất cả các nhóm, các gen liên quan đến lớp L (nhân đôi, tái tổ hợp và sửa chữa) đã được đại diện quá mức một cách có ý nghĩa thống kê trong GIs. Các GIs của vi khuẩn và vi khuẩn cổ cho thấy một mẫu hình sở thích khác biệt. Trong các GIs của vi khuẩn cổ, các gen thuộc lớp COG M (sinh tổng hợp thành tế bào/màng/bì) hoặc Q (sinh tổng hợp, vận chuyển và trao đổi chất của các chất chuyển hóa thứ yếu) thường xuất hiện nhiều hơn. Trong các GIs của vi khuẩn, các gen thuộc lớp U (vận chuyển nội bào, tiết ra, và vận chuyển bọc), N (độ di động của tế bào), và V (các cơ chế phòng thủ) chiếm ưu thế. Sự thiếu đại diện rõ nhất được ghi nhận đối với các gen thuộc lớp J (dịch mã, cấu trúc ribosome và sinh tổng hợp). Trong số các chức năng COG đơn lẻ được đại diện quá mức trong GIs có các transferase và transporter. Ở cả hai siêu giới, HGT làm tăng nội dung bộ gen bằng cách đáp ứng các yêu cầu độc lập với môi trường sống được nghiên cứu. Những phát hiện này phù hợp với lý thuyết phức tạp, dự đoán việc nhập khẩu ưu tiên các gen điều hành. Tuy nhiên, chỉ có những tập hợp gen điều hành cụ thể được làm giàu trong GIs. Sự sửa đổi vỏ tế bào, độ di động của tế bào, sự tiết ra và bảo vệ DNA tế bào là những vấn đề lớn trong HGT.

Từ khóa

#di chuyển gen ngang #đảo gen #prokaryote #chức năng gene #vi khuẩn #vi khuẩn cổ

Tài liệu tham khảo

Abe T, Kanaya S, Kinouchi M, Ichiba Y, Kozuki T, Ikemura T (2003) Informatics for unveiling hidden genome signatures. Genome Res 13:693–702 Berg OG, Kurland CG (2002) Evolution of microbial genomes: sequence acquisition and loss. Mol Biol Evol 19:2265–2276 Borukhov S, Nudler E (2003) RNA polymerase holoenzyme: structure, function and biological implications. Curr Opin Microbiol 6:93–100 Breitbart M, Salomon P, Andresen B, Mahaffy JM, Segall AM, Mead D, Azam F, Rohwer F (2002) Genomic analysis of uncultured marine viral communities. Proc Natl Acad Sci USA 99:14250–14255 Chen SL, Lee W, Hottes AK, Shapiro L, McAdams HH (2004) Codon usage between genomes is constrained by genome-wide mutational processes. Proc Natl Acad Sci USA 101:3480–3485 Daubin V, Lerat E, Perrière G (2003) The source of laterally transferred genes in bacterial genomes. Genome Biol 4:R57 de la Cruz F, Davies J (2000) Horizontal gene transfer and the origin of species: lessons from bacteria. Trends Microbiol 8:128–133 Doolittle WF (1999) Phylogenetic classification and me universal tree. Science 284:2124–2129 Dow JM, Osbourn AE, Wilson TJ, Daniels MJ (1995) A locus determining pathogenicity of Xanthomonas campestris is involved in lipopolysaccharide biosynthesis. Mol Plant Microbe Interact 8:768–777 Eichler J (2003) Facing extremes: archaeal surface-layer (glyco)proteins. Microbiology 149:3347–3351 Florea L, McClelland M, Riemer C, Schwartz S, Miller W (2003) EnteriX 2003: visualization tools for genome alignments of Enterobacteriaceae. Nucleic Acids Res 31:3527–3532 Garcia-Vallvé S, Romeu A, Palau J (2000) Horizontal gene transfer in bacterial and archaeal complete genomes. Genome Res 10:1719–1725 Garcia-Vallvé S, Guzman E, Montero MA, Romeu A (2003) HGT-DB: a database of putative horizontally transferred genes in prokaryotic complete genomes. Res 31:187–189 Genevaux P, Bauda P, DuBow MS, Oudega B (1999) Identification of Tn10 insertions in the rfaG, rfaP, and galU genes involved in lipopolysaccharide core biosynthesis that affect Escherichia coli adhesion. Arch Microbiol 172:1–8 Grantham R, Gautier C, Gouy M, Mercier R, Pave A (1980) Codon catalog usage and the genome hypothesis. Nucleic Acids Res 8:r49–r62 Hacker J, Kaper JB (2000) Pathogenicity islands and the evolution of microbes. Annu Rev Microbiol 54:641–679 Haft DH, Selengut JD, White O (2003) The TIGRFAMs database of protein families. Nucleic Acids Res 31:371–313 Jain R, Rivera MC, Lake JA (1999) Horizontal gene transfer among genomes: the complexity hypothesis. Proc Natl Acad Sci USA 96:3801–3806 Jeltsch A (2002) Beyond Watson and Crick: DNA methylation and molecular enzymology of DNA methyltransferases. Chembiochem 3:274–293 Jin Q, Yuan Z, Xu J, Wang Y, Shen Y, Lu W, Wang J, Liu H, Yang J, Yang F, Zhang X, Zhang J, Yang G, Wu H, Qu D, Dong J, Sun L, Xue Y, Zhao A, Gao Y, Zhu J, Kan B, Ding K, Chen S, Cheng H, Yao Z, He B, Chen R, Ma D, Qiang B, Wen Y, Hou Y, Yu J (2002) Genome sequence of Shegella flexneri 2a: insights into pathogenicity through comparison with genomes of Escherichia coli K12 and O157. Nucleic Acids Res 30:4432–4441 Karlin S (2001) Detecting anomalous gene clusters and pathogenicity islands in diverse bacterial genomes. Trends Microbiol 9:335–343 Karlin S, Mrázek J (2001) Predicted highly expressed and putative alien genes of Deinococcus radiodurans and implications for resistance to ionizing radiation damage. Proc Natl Acad Sci USA 98:5240–5245 Kunst F, Ogasawara N, Moszer I, et al. (1997) The complete genome sequence of the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis. Nature 390:249–256 Kurland CG (2000) Something for everyone. Horizontal gene transfer in evolution. EMBO Rep 1:92–95 Kurland CG, Canback B, Berg OG (2003) Horizontal gene transfer: a critical view. Proc Natl Acad Sci USA 100:9658–9662 Lawrence JG, Ochman H (1997) Amelioration of bacterial genomes: rates of change and exchange. J Mol Evol 44:383–397 Lawrence JG, Ochman H (1998) Molecular archaeology of the Escherichia coli genome. Proc Natl Acad Sci USA 95:9413–9417 Lawrence JG, Ochman H (2002) Reconciling the many faces of lateral gene transfer. Trends Microbiol 10:1–4 Makarova KS, Koonin EV (2003) Comparative genomics of Archaea: How much have we learned in six years, and what’s next? Genome Biol 4:115 Mantri Y, Williams KP (2004) Islander: a database of integrative islands in prokaryotic genomes, the associated integrases and their DNA site specificities. Nucleic Acids Res 32(database issue):D55–D58 Merkl R (2004) SIGI: Score-based identification of genomic islands. BMC Bioinformatics 5:22 Mooi FR, Bik EM (1997) The evolution of epidemic Vibrio cholerae strains. Trends Microbiol 5:161–165 Nakamura Y, Gojobori T, Ikemura T (1999) Codon usage tabulated from the international DNA sequence databases; its status 1999. Nucleic Acids Res 27:292 Nakamura Y, Itoh T, Matsuda H, Gojobori T (2004) Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes. Nat Genet 36:760–766 Nesbø CL, Doolittle WF (2003) Targeting clusters of transferred genes in Thermotoga maritima. Environ Microbiol 5:1144–1154 Nesbø CL, L’Haridon S, Stetter KO, Doolittle WF (2001) Phylogenetic analyses of two “archaeal” genes in Thermotoga maritima reveal multiple transfers between Archaea and Bacteria. Mol Biol Evol 18:362–375 Nicolas P, Bize L, Muri F, Hoebeke M, Rodolphe F, Ehrlich SD, Prum B, Bessières P (2002) Mining Bacillus subtilis chromosome heterogeneities using hidden Markov models. Nucleic Acids Res 30:1418–1426 Ochman H, Lawrence JG, Groisman EA (2000) Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299–304 Ohnishi M, Kurokawa K, Hayashi T (2001) Diversification of Escherichia coli genomes: are bacteriophages the major contributors? Trends Microbiol 9:481–485 Raetz CR, Whitfield C (2002) Lipopolysaccharide endotoxins. Annu Rev Biochem 71:635–700 Ragan MA (2001a) Detection of lateral gene transfer among microbial genomes. Curr Opin Genet Dev 11:620–626 Ragan MA (2001b) On surrogate methods for detecting lateral gene transfer. FEMS Microbiol Lett 201:187–191 Raymond CK, Sims EH, Kas A, Spencer DH, Kutyavin TV, Ivey RG, Zhou Y, Kaul R, Clendenning JB, Olson MV (2002) Genetic variation at the O-antigen biosynthetic locus in Pseudpmanas aeruginosa. J Bacteriol 184:3614–3622 Ruepp A, Graml W, Santos-Martinez ML, Koretke KK, Volker C, Mewes HW, Frishman D, Stocker S, Lupas AN, Baumeister W (2000) The genome sequence of the thermoacidophilic scavenger Thermoplasma acidophilum. Nature 407:508–513 Tatusov RL, Koonin EV, Lipman DJ (1997) A genomic perspective on protein families. Science 278:631–637 Tatusov RL, Fedorova ND, Jackson JD, Jacobs AR, Kiryutin B, Koonin EV, Krylov DM, Mazumder R, Mekhedov SL, Nikolskaya AN, Rao BS, Smirnov S, Sverdlov AV, Vasudevan S, Wolf YI, Yin JJ, Natale DA (2003) The COG database: an updated version includes Eukaryotes. BMC Bioinform 4:41 Tu Q, Ding D (2003) Detecting pathogenicity islands and anomalous gene clusters by iterative discriminant analysis. FEMS Microbiol Lett 221:262–275 Wang HC, Badger J, Kearney P, Li M (2001) Analysis of codon usage patterns of bacterial genomes using the self-organizing map. Mol Biol Evol 18:792–800