Мінімальний геном. ТЮБ 2016

Слайд 1. 11. Мінімальний геном. Яка найменша кількість генів потрібна для функціонування живого організму? Опишіть функціональне значення послідовностей такого мінімального геному.

Лавиноподібне збільшення кількості організмів, геном яких був прочитаний, породило проблему розуміння біологічної ролі кожного гена в організмі. Слайд 2. До останнього часу було не зрозуміло, чи містить геном повну інформацію про будову організму, і чи буде життєздатний організм з хімічно синтезованим геномом. Ще одне  питання, що постало перед молекулярною біологією, полягає в тому, чи є геноми бактерій мінімально необхідними і який мінімальний набір генів, що здатний створити живу клітину.

Слайд 3. Є кілька підходів до визначення того, що таке мінімальний геном, і всі вони раціональні. Перший – це еволюційний. Він заснований на тому природному розумінні, що якщо якийсь ген є у всіх організмів, то, напевно, без цього гена обійтися не можна. Інший – експериментальний метод з використанням транспозонів з наближення до реальної ситуації, яка існує там, де досліджувані бактерії насправді живуть в природі.

Слайд 4. Та, в будь-якому разі, при визначенні «мінімальності» на геном накладалося дві ключові вимоги:1) він повинен дозволяти організму самостійно розмножуватися (реплікуватися) і 2) робити це досить швидко, щоб повільний ріст колоній не був перешкодою для проведення експериментів.

Слайд 5. Вчені спочатку розробили гіпотетичний геном, який, на їхню думку, кодує саме життя. Вони організували генетичний код посегментно, щоб перевірити, який із сегментів дійсно необхідний життя, а який ні. Вчені наукового інституту Вентера використовували в якості моделі свій перший синтезований організм. Клітинна модель, відома як JCVI-syn1.0, володіла набором з 901 гена, тобто майже ідентичним до існуючого в природі геному бактерії виду Mycoplasma mycoides. Результат полягав в тому, що обов'язкові і необов'язкові гени НЕ перемішані в геномі, а йдуть кластерами.

Слайд 6. Завдяки складним дослідженням вдалося виявити так звані "зайві" гени (функції яких дублюються або потрібні тільки в рідкісних випадках (наприклад, для боротьби з антибіотиками). Для цього вчені "вимикали" випадкові гени і дивилися, чи буде організм без них життєздатний. В результаті були знайдені строго необхідні гени, що дозволило синтезувати ДНК, що містить тільки їх. Потім такий синтетичний геном був трансплантований в бактерію. Команда також хотіла створити клітину, яка буде здатна до оптимального поділу, тому в мінімальний код було введено ще декілька генів. Таким чином, завдання полягало не в тому, щоб максимально зменшити кількість генів, а в тому, щоб зрозуміти, яка ж необхідна їхня мінімальна кількість. В результаті п'яти років роботи вчені створили бактерію з найменшим числом необхідних генів. Слайд 7. Вона отримала назву Mycoplasma mycoides JCVI-syn3.0, а генів в ній залишилося всього 473. Отриманий організм виявився повністю життєздатний.

Слайд 8. Мінімальний геном повинен включати наступні життєво важливі генетичні системи мікроорганізмів: майже повний набір генів системи трансляції; майже повний набір генів системи реплікації; гени рудиментарної системи репарації і рекомбінації; гени апарату транскрипції, в якому відсутні майже повністю гени регуляції транскрипції; великий набір генів, що кодують білки, гомологічні шаперонам; гени, які контролюють анаеробний метаболізм, включаючи гени гліколізу і фосфорилювання субстратів; гени біосинтезу ліпідів; гени, що кодують ферменти, які використовують складні кофактори; гени системи транспорту білків; обмежений набір генів, що забезпечує транспорт метаболітів; повний набір генів утилізації нуклеотидів de novo і гени їх біосинтезу; гени біосинтезу амінокислот не включені (оскільки передбачається паразитичний спосіб життя).

Слайд 9. Таким чином у мінімальному геномі 40 відсотків генів відповідають за експресію генетичної інформації, 7 відсотків – це гени відтворення інформації, системи реплікації і репарації мутацій. 18 відсотків генів відповідають за підтримання структури мембрани і приблизно стільки ж займаються метаболізмом.

Найцікавіше полягає в тому, що 149 з 473 генів не мають однозначно показаної функції. Частина з них схожа на якісь відомі класи білків, але майже 17 відсотків не мають певної відомої функції навіть в найзагальнішому сенсі. Для частини з них зрозуміло, який тип хімічної реакції каталізує фермент, який кодується таким геном. Але при цьому не зрозуміла ні його специфічність (з якими саме речовинами він працює), ні біологічний контекст – в якій ситуації цей фермент «включається». І це цікаво, тому що показує, що біохімію клітини ми розуміємо не так добре, як нам би хотілося.

Також серед цих генів з невідомими функціями багато досить консервативних, які збережені аж до людини. Зрозуміло, що якщо вони настільки старі, то, напевно, і досить важливі. І навпаки – є необхідні гени, специфічні для мікоплазм, тобто, мабуть, еволюційно досить молоді.

Слайд 10. Таким чином, вдалося визначити мінімальний розмір геному, що забезпечує всі необхідні функції, які дозволяють одноклітинному організму існувати в певних екологічних умовах.

Найменша необхідна кількість генів для життєдіяльності живого організму становить 473 гени. Функціональне значення таких генів  відображає основні потреби живого організму, а саме підтримання структури та функцій цитоплазматичної мембрани; забезпечення реакцій метаболізму; забезпечення відтворення та збереження генетичної інформації.

Слайд 11. Доповідь завершено. Дякую за у вагу!