Инсерционные последовательности (ИС) определяются как геномные последовательности "вырезанной и вставленной" мобильной ДНК, обычно 800-1300 bp в длину, которые кодируют белок Транспозазе. Белок Transposase состоит из домена связывания ДНК и каталитического сайта с возможностью акциза и повторного введения последовательности IS ДНК в другую позицию, перемещая ИС из одного места генома в другое.
В некоторых ситуациях, например, во время репликации, происходит дублирование IS элементов, т.е. копирование и вставка, а не "вырезание и вставка", что позволяет IS элементам размножаться и размножаться в геноме. Поскольку случаи вырезания и вставки событий труднее обнаружить, чем случаи копирования и вставки, вырезание и вставка транспозиций происходит чаще, чем подразумевается самим количеством IS-элементов, наблюдаемых в геноме.
В маленьком плавучем папоротнике Азолла необычайно тесно развита симбиотическая связь с нитевидным цианобактерием "Nostoc azollae" 0708 (отныне сокращенно NoAz). Во время развития листа в Азолле в нем образуется внеклеточная полость. Эти полости по своей природе всегда заполнены нитями NoAz. Симбиоз Азолла-НоАз обязателен для бактериального симбиоза, так как NoAz не способен расти вне растения и, таким образом, проводит весь его жизненный цикл внутри растения. Передача цианобионта (цианобактериального симбионта) новым поколениям растений облегчается благодаря уникальному механизму вертикальной передачи.
При образовании мегаспоры азоллинского карпа, женской репродуктивной структуры семян азолли, волокна NoAz притягиваются и входят в специфическую "камеру" в этой структуре, где они пребывают в спящем виде до прорастания. Когда мегадиспорокарп прорастает и развивается в новые плантации, бактериальная прививка дифференцируется в мобильные клетки, которые колонизируют развивающиеся полости листьев. Внутри полостей они вновь дифференцируются, образуя азотфиксирующую ячейку типа "Гетероцисты", которая обеспечивает растение фиксированным азотом, удовлетворяя тем самым потребность растения в азоте.
Благодаря этим интригующим признакам мы недавно секвенировали геном NoAz. Анализ генома выявил особенности генома при резком сокращении, такие как большое количество псевдогенов (1670 из 5380 генов, или 31% от всех генов), низкое содержание ГХ (38,4%) и геномическая упорядоченность вокруг функций, генерирующих критические услуги для симбиоза NoAz-Azolla, например, связанные с фиксацией азота.
Для углубления понимания событий, которые сформировали эродирующий геном NoAz, и роли обнаруженных ИБ, исследовали идентичность и распределение ИБ в геноме NoAz в отношении распределения псевдогенов. Для получения более полной картины распределения IS и псевдоидогена в геноме NoAz сравнивали с 46 другими секвенированными свободноживущими и симбиотическими цианобактериями. Кроме того, в анализ также были включены девять симбиотических бактерий из широкого круга эукариотных хозяев: Вольбахия, Ерсиния Пестис, Франкиа, Кандидатус Амебофилус азиатский, Бордетелла коклюш, Ориенция туцугамуши, Шигелла флекснери, Микоплазма микоиды и луковый желток фитоплазма.
Полученные результаты показывают, что NoAz имеет высокую долю генома, занятую IS-элементами: 14,3%, что чуть ниже доли в О.цуцуцамуши (14,7%), но выше, чем в любом другом симбиотическом организме, в отношении которого проводилось исследование. Тем не менее, некоторые несимбиотические цианобактерии, например, одноклеточные Crocosphaera watsonii (23,1%) и Microcystis aeruginosa (14,3%), имели более высокое или равное содержание IS, чем NoAz, что указывает на многочисленные роли и последствия IS элементов в свободно живущих и симбиотических бактериях. Наблюдаемое совмещение элементов ИУ и псевдогенов, а также тенденция некоторых элементов ИУ к выполнению "локальных скачков" позволяет сделать вывод о модели роли ИУ в редуктивной эволюции, которая обсуждается ниже.
Результаты
С помощью программного обеспечения для повторной идентификации, BLAST и собственных питонных скриптов было выявлено в общей сложности 1108 различных повторяющихся последовательностей длиной более 500 б.п. (дополнительный файл 2 и дополнительный 3) в 67 изученных бактериальных геномах. Эти 1108 повторных последовательностей состояли из 19841 копии или фрагментов генома. Из 1108 повторных последовательностей около половины или 578 последовательностей (включая 4489 копий) принадлежали ранее аннотированным ИС, идентифицированным и каталогизированным на веб-сайте ISfinder.
Из остальных 539 последовательностей большинство, или 419 последовательностей (11794 копии), показали сходство с известными последовательностями ИС. Из общего числа повторов пятьдесят последовательностей (926 экземпляров) оказались фальшивыми. Почти исключительно в Вольбакии, О. Цуцугамуши и "Желто-луковой фитоплазме", содержание фагов в которых составляет 2-6% геномов. Луковая желтая фитоплазма" с наименьшим геномом - 0,85 Мбит/с - все еще перенаправляется 7,7% генома в организм, занятый элементами ИБ и фагами, и является единственным организмом с большим количеством остатков фагов, чем элементы ИБ.
Когда бактерия защищена организмом "хозяина", хозяин обычно выполняет функции, изначально выполняемые микроорганизмом, что делает ненужными некоторые гены в симбионе. Такие избыточные гены могут быть колонизированы подвижными элементами ДНК и прерваны. Повреждения фитнеса микроорганизмов тогда минимальны, поскольку они живут в непринужденной среде обитания эукариотического хозяина, растения или животного.
Наличие лишних генов может привести к увеличению количества IS-элементов в геноме, так как отрицательных последствий может не быть, и так как эти гены предлагают сайты для безопасной вставки IS-элементов. Однако большое количество активных IS-элементов в симбионте означает повышенный риск негативного воздействия или даже разрушения критических генов в результате транспозиционных событий, что затрудняет поведение микроорганизмов и замедляет рост симбионта. В какой-то степени это может быть выгодно хозяину, так как он может получить выгоду от небольшой фиксированной популяции бактерий, а не от свободно расширяющейся популяции.
Снижению обилия ИБ способствуют два фактора: инактивация инсерционных элементов естественными мутациями и псевдогенизация, иногда вызываемая другими элементами ИБ, и удаление крупных участков генома в результате рекомбинационных событий. Бактерии, похоже, склонны к снижению генома, и присутствие многих повторяющихся элементов само по себе может помочь уменьшить размеры генома, обеспечивая повторяющиеся последовательности, способные участвовать в гомологических рекомбинациях.
Другие исследователи сосредоточились на генетическом обмене как главном факторе изобилия ИГ и утверждают, что факультативные симбионы должны обладать высоким изобилием из-за генетического притока от их симбиотических партнеров, в то время как облигатные симбионы должны обладать низкой частотой ИГ из-за их изоляции. Эта тенденция была доказана в исследовании 384 бактериальных геномов. Однако организмы, исследуемые здесь, не демонстрируют той же тенденции, вместо этого они обязывают симбионты иметь больше элементов ИС, чем факультативные симбионты.
Это различие может быть связано с меньшим и более смещенным набором проанализированных здесь геномов, но может также быть результатом расслабленного давления селекции, оказываемого на ранние облигатные эндосимбионты до того, как их геномы станут меньше и более уязвимыми к изменениям. Поскольку NoAz является обязательным обитателем полуоткрытой полости, разделяемой с другими микроорганизмами, содержание ИГ, вероятно, зависит как от расслабленного селекционного давления, так и от генетического обмена.
Тенденция к появлению псевдогенов вблизи IS-элементов подчеркивает динамичный характер мобильных генетических элементов "вырезать и вставить". Гены с высоким уровнем интактных IS-элементов представляют собой моментальные снимки позиций IS в данный момент времени, и эти IS-элементы, возможно, были перенесены в последнее эволюционное время. Учёные полагают, что псевдогены, наблюдаемые в NoAz, как и в других организмах, близко к IS элементам, могут быть генетическими рубцами от недавно перенесенных IS элементов, находящихся на некотором расстоянии от них.
Такое поведение "локального скачка" и псевдогенизации будет способствовать редуктивной эволюции генома, поскольку регионы, содержащие избыточные гены, будут накапливать IS-элементы. Это, в свою очередь, увеличит вероятность инактивации генов в одной и той же геномной области и увеличит количество повторяющихся последовательностей в этой области, увеличив тем самым количество случаев делеции этой области.
Выводы
Результаты показывают, что 24 проверенных или предполагаемых вида IS элементов симбиотического цианобактерия NoAz покрывают 14,3% генома, что сопоставимо с плотностью IS в обязательном симбиотическом возбудителе O. tsutsugamushi (ранее Rickettsia tsutsugamushi) и Mycoplasma mycoides, а также с частотой IS вольных бактерий Mycoplasma. wearlug.
Распространенность псевдогенов связана с распространенностью IS-элементов, и исследователи полагают, что IS-проксимальные псевдогены могут быть результатом "локального скачка" IS-элементов.