В ГЕНОМАХ ХЛОРОПЛАСТОВ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ НАШЛИ СТРУКТУРНЫЕ РАЗЛИЧИЯ

Исследователи из Института вычислительного моделирования Красноярского научного центра СО РАН сравнили ДНК хлоропластов растительных клеток и цианобактерий — и не нашли существенного сходства между ними. Таким образом ученые проверяли гипотезу о происхождении хлоропластов из бактерий. Работа, впервые показывающая такие структурные различия, была опубликована в журнале BMC Bioinformatics.

Поскольку новость вызвала бурную реакцию в научной среде, а сама статья опубликована в «конференционном» выпуске журнала с более слабым рецензированием, мы попросили прокомментировать новость, написанную по релизу КНЦ СО РАН, и саму научную статью руководительницу Центра коллективного пользования в области геномики Сколтеха Марию Логачеву. Комментарий — в конце материала.

В последнее время научное сообщество проявляет все больший интерес к биоинформатике — науке, которая рассматривает в основном последовательности нуклеотидов в ДНК и пытается найти в них различные закономерности. Полученные таким образом данные позволяют судить об эволюции живых организмов, находить связь между структурой генома и функцией кодируемых им белков, а также решать другие задачи.

Ранее была выдвинута гипотеза о том, что хлоропласты — органеллы клеток, в которых происходит фотосинтез, — возникли из цианобактерий при их симбиотических отношениях с другими одноклеточными примерно миллиард лет назад. Однако у хлоропластов есть собственная ДНК, и этот факт позволяет понять, действительно ли такая гипотеза имеет право на существование. Если это и правда так, то между генетическими последовательностями органелл и бактерий должно наблюдаться сходство. Российские ученые решили проверить эту гипотезу, сравнив структуры их геномов.

В новом исследовании биологи использовали специальный алгоритм, представляющий бактериальный геном в виде почти правильного шестиугольника, в вершинах и в центре которого находятся кластеры фрагментов ДНК с одинаковой частотой встречаемости троек идущих подряд нуклеотидов. Проведенный таким методов анализ структуры генома хлоропластов позволил исследователям открыть другую кластерную структуру. Исследование 178 геномов хлоропластов различных растений показало, что они имеют восемь наборов сравнительно коротких фрагментов ДНК, которые выделяются совершенно формально и имеют одинаковое распределение триплетов.

Для рассмотрения такой кластерной структуры генома авторы покрыли каждый геном несколькими пересекающимся фрагментами одинаковой длины. После этого каждый фрагмент ученые перевели в словарь из 63 триплетов — трех идущих подряд нуклеотидов. В результате анализа ученые установили, что все выбранные фрагменты генома по частоте встречаемости триплетов делятся на восемь классов.

«Наша работа показывает большое различие между структурированностью генома хлоропластов и цианобактерий. Мы также провели анализ кластерной структуры и выяснили, что она не всегда делится на семь кластеров. Для хлоропластов нам удалось выделить их целых восемь. Теперь мы планируем улучшить результаты анализа, включив в исследование большее количество растений. Наша работа не только поможет найти ответы на достаточно узкие научные вопросы о происхождении хлоропластов, но и решить ряд фундаментальных проблем. Например, выяснить роль мусорных, или некодирующих, последовательностей нуклеотидов в работе и эволюции геномов», — рассказывает один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник ИВМ СО РАН Михаил Садовский.

Комментарий Марии Логачевой: Заметка вызывает удивление уже с первой фразы: «Исследователи из Института вычислительного моделирования Красноярского научного центра СО РАН сравнили ДНК хлоропластов растительных клеток и цианобактерий — и не нашли существенного сходства между ними». ДНК хлоропластов (точнее, пластид) и цианобактерий, безусловно, имеют высокое сходство, по крайней мере в кодирующих участках многих генов. Об уровнях сходства можно судить по приведенным выравниваниям:

Дальше: «Таким образом ученые проверяли гипотезу о происхождении хлоропластов из бактерий». Это, безусловно, не так. Исходя из того, что пишут сами авторы: «The most popular theory of chloroplast origin, that is the bacterial symbiogenesis theory, stipulates a relation between some bacteria, and chloroplasts, motivating our study: whether this relation manifests in a similarity of the patterns observed for bacteria, and those observed for chloroplasts, or not. Briefly speaking, the answer is negative», — они проверяли не то, происходят ли хлоропласты от бактерий (эта гипотеза в настоящее время общепринята, не видно, чтобы в статье она подвергалась сомнению). Они проверяли, проявляется ли это родство на уровне паттернов распределения нуклеотидов в геномах хлоропластов и бактерий, или нет. Оказалось, что нет. Но это никак не опровергает родство (не утверждают этого и авторы статьи).

Могу привести такую аналогию: русский язык и болгарский, безусловно, близкородственны. Однако частоты разных букв в них разные. Это является важной характеристикой языков, но никак не опровергает их родство!

Дальше авторы заметки повторяют ту же ошибку: «Ранее была выдвинута гипотеза о том, что хлоропласты — органеллы клеток, в которых происходит фотосинтез, — возникли из цианобактерий при их симбиотических отношениях с другими одноклеточными примерно миллиард лет назад. Однако у хлоропластов есть собственная ДНК, и этот факт позволяет понять, действительно ли такая гипотеза имеет право на существование. Если это и правда так, то между генетическими последовательностями органелл и бактерий должно наблюдаться сходство. Российские ученые решили проверить эту гипотезу, сравнив структуры их геномов». Сходство между генетическими последовательностями органелл наблюдается, и оно высоко (см. рисунки выше). А вот сходство между параметрами частот нуклеотидов может и не быть (и даже логично ожидать, что его не будет, с учетом совершенно разных «экологических ниш» пластид и цианобактерий — облигатные внутриклеточные симбионты vs свободноживущие), но это не опровергает общность происхождения.

Теперь немного о самой статье. В ней изучаются некоторые статистические параметры частот нуклеотидов в геномах бактерий и хлоропластов. Показано, что есть отличия между произвольно выбранной группой бактерий и произвольно выбранной группой хлоропластов. К сожалению, авторы не дают никаких подробностей о том, какой набор бактериальных и хлоропластных геномов они использовали (сказано только «178 chloroplast genomes were retrieved from EMBL–bank» — это явно не исчерпывающий список, потому что к настоящему времени последовательностей пластидных геномов доступно более 300, про бактериальные геномы вообще ни слова не сказано). Известно, что нуклеотидный состав (а он имеет решающее значение для тех паттернов, которые изучали в этой статье) может очень сильно варьировать даже у близкородственных организмов, поэтому выбор видов для анализа может оказать сильное влияние на результаты.

То, что сходство нуклеотидного состава (частоты кодонов и другие подобные характеристики генома), в отличие от первичных последовательностей генов и соответствующих им последовательностей белков, определяется не общностью происхождения, а другими факторами, — известный факт. Так, геномы бактерий — внутриклеточных паразитов и симбионтов, принадлежащих к совершенно разным эволюционным линиям, имеют повышенное содержание АТ-нуклеотидов. Предположительно, это объясняется конкуренцией за ресурсы с клеткой хозяина: синтез АТ-нуклеотидов менее энергетически затратен. Интересно было бы сравнить паттерны для свободноживущих бактерий, паразитических/симбиотических и для пластид. Могу предположить, что у двух последних они будут более сходными.

Источник: https://indicator.ru/biology/genomakh-khloroplastov-cianobakterii-strukturnye-razlichiya-06-05-2020.htm