Минимальный размер генома одноклеточных организмов

Определение минимального размера генома, обеспечивающего все необходимые функции, которые позволяют одноклеточному организму существовать в определенных экологических условиях, не является праздным вопросом. Решение этой проблемы необходимо для понимания происхождения жизни на Земле, а также путей и механизмов совместного эволюционирования генов, объединенных в конкретные геномы, а следовательно, и механизмов возникновения геномов как таковых. Данная проблема была впервые сформулирована Дж. Холдейном в 1920-е годы и с тех пор неоднократно исследовалась. Недавнее (1995 г.) определение полных первичных структур ДНК геномов двух паразитических микроорганизмов (Mycoplasma genitalium и Haemophilus influenzae) дало возможность использовать новый подход для изучения данной проблемы. А.Р. Мушегианом и Е.В. Куниным проведен детальный сравнительный анализ полного набора генов этих микроорганизмов, который позволил составить перечень генов, абсолютно необходимых для существования свободно живущих клеток.

Считается, что геномы M. genitalium и H. influenzae произошли путем последовательного уменьшения размера генома соответственно грамположительных и грамотрицательных бактерий-предшественников с более крупными геномами после отделения их предков от общего предшественника не менее 1, 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что общие гомологичные гены, сохранившиеся у этих микроорганизмов на протяжении столь длительного периода их существования, являются жизненно важными и составляют основу минимального набора генов, необходимых для автономного существования паразитических клеток. На основе анализа последовательностей нуклеотидов предсказано, что геном M. genitalium, длина которого составляет ~580 т.п.о., кодирует 469 белков, тогда как геном H. influenzae (~1830 т.п.о.) кодирует 1703 белка. Оказалось, что геном M. genitalium содержит в своем составе 240 генов, имеющих функциональные гомологи в геноме H. influenzae. При теоретической разработке идеального абстрактного генома к набору было добавлено 22 гена, необходимых для осуществления жизненно важных метаболических процессов, которые у этих двух микроорганизмов контролировались негомологичными генами. Одновременно из набора были удалены 6 генов, избыточных с точки зрения выполняемых ими функций, которые обеспечивают специфическое взаимодействие микроорганизмов с хозяевами. Оставшиеся 256 генов, по мнению авторов теоретической разработки, полностью перекрывают потребности абстрактного паразитического микроорганизма. Предлагаемый гипотетический минимальный набор генов, кодирующих 256 белков, должен включать следующие жизненно важные генетические системы микроорганизмов: почти полный набор генов системы трансляции; почти полный набор генов системы репликации; гены рудиментарной системы репарации и рекомбинации; гены аппарата транскрипции, в котором отсутствуют почти полностью гены регуляции транскрипции; большой набор генов, кодирующих белки, гомологичные шаперонам; гены, контролирующие анаэробный метаболизм, включая гены гликолиза и фосфорилирования субстратов; гены биосинтеза липидов; восемь генов, кодирующих ферменты, которые используют сложные кофакторы; гены системы транспорта белков; ограниченный набор генов, обеспечивающий транспорт метаболитов; полный набор генов утилизации нуклеотидов de novo и гены их биосинтеза; гены биосинтеза аминокислот не включены (поскольку предполагается паразитический образ жизни).

Ранее были использованы еще два подхода для определения минимального размера генома, необходимого для автономного существования микроорганизмов. В одном из них путем введения случайных мутаций определялось число генетических локусов у Bacillus subtilis, несущественных для ее выживания. На основании результатов этих исследований сделан вывод о том, что средний размер минимального генома составляет 318 т.п.о., а его максимальный размер приближается к 562 т.п.о. Полученные значения согласуются с величинами, характерными для M. genitalium. При другом подходе изучались изменения размера генома при переходе от свободно живущих клеток к облигатным внутриклеточным паразитам и органеллам эукариот. При этом риккетсии рассматривались как эволюционные предшественники митохондрий. Работа еще не завершена, поскольку полной первичной структуры генома риккетсий пока не получено.

Таким образом, исследования, проведенные на геномах M.genitalium и H. influenzae, дают в настоящее время наиболее точную оценку минимального набора генов (~ 250), необходимых для существования микроорганизмов. Эти результаты будут корректироваться по мере накопления экспериментальных данных о структуре других геномов, что позволит в каждом конкретном случае определять набор именно тех генов, которые делают любой организм уникальным и неповторимым.