Evoluce bakteriálních genomů Charakteristické rysy: Rychlé a rozsáhlé změny ve struktuře a informačním obsahu genomu - Vnitřní přestavby - Získávání a ztráty genů a genetických elementů Vývoj kmenů v rámci druhu Adaptace na nové podmínky Mechanismy evoluce bakteriálních genomů transformace získávání genů HGT bakteriální genom Udržování genů poskytujících selekční výhody plazmid fágy Aditivní evoluce Reduktivní evoluce Fágy, plazmidy, IS, Tn, PAI genové duplikace, přestavby inaktivace genů, psedogeny ztráta genů Procesyzískávánía pozměňování genovýchfunkcí Ztrátygenových funkcívnitřními mechanismy rekombinace, delece Struktura genomu odráží životní styl bakterie Příčiny změn ve velikosti a obsahu genomu Mechanismy odpovědné za plasticitu genomu Změny genové exprese, ztráta funkce genůTranspozice Přeskupení DNA, dalece DNA, integrace genů získaných HGT Homologií rekombinace Změny v genové expresi, ztráta funkce genůBodové mutace B. Ztráta vlastností HGT, integrace a delece velkých úseků DNAGenomové ostrovy a ostrůvky HGTGTA, VTA HGT, transdukce, fágová konverzeBakteriofágy Konjugace, HGT, mobilizace jiných elementů (plazmidů, chromozomu) Konjugativní transpozony, plazmidy Přenos genů, přeskupení DNAIntegrony Inzerce, dalece , inverze DNA, změny genové expreseIS elementy, transpozony Získání přídatné genetické informaceTransformace Přeskupení DNA, inverze, duplikace, dalece DNA Integrace DNA přenesené HGT Homologií rekombinace Změna genové expreseBodové mutace A. Zisk vlastností DůsledkyGenetický element nebo mechanismus Vnitřní přestavby replikonů navozené přítomností repeticí •Duplikace (amplifikace) •Delece •Inverze Typ přestavbyTypy repeticí • geny rRNA a tRNA • Inzerční sekvence • transpozony • krátké repetice • rhs a Chi-sekvence Homologní rekombinace Transpozice Místně-specifická rekombinace Nerovnoměrný crossing-over Mechanismus Přestavby navozené interakcí repetic (homologní rekombinace) 150-1000 bp Fylogenetický strom sestrojený z RFLP podmíněných přesuny IS1, IS2, IS3, IS4, IS30, IS150, IS186 Změny v genomu po dlouhodobém uchovávání kultur E. coli a S. typhimurium změny lokalizace IS změny velikosti genomu změny fenotypu Evoluční historie chromozomu E. coli (srovnání E. coli K12-MG1655 a kmenů se známou genealogií) 67 událostí: 37 inzercí a 30 delecí 90% ORF je pro všechny geny společné kb až Mb jedinečné DNA: * geny přenesené horizontálně plazmidy bakteriofágy transpozony genové kazety Rozdíly v genomech E. coli a S. typhimurium (divergence obou druhů před 120-150 milony let) - rozdíly způsobené rozsáhlými genomovými přestavbami: velké inverze zahrnující až 10% genomu četné oblasti jedinečné každému druhu tzv. „smyčky“ –inzerce nebo delece až 15% délky chromozomu s náhodnou distribucí - druhově-specifické geny získané horizontálním přenosem • geny lac u E. coli, geny pro invazivitu u S. typhimurium Závěry z analýz přestaveb genomu E. coli a S. typhimurium (u neselektovaných kultur) • Průměrný lokus je duplikován v každé z 1000 buněk • 10% buněk v kultuře nese duplikaci některé oblasti chromozomu • Velikost duplikací: 140 kb – 2100 kb Distribuce duplikací není náhodná Duplikace jsou ohraničeny dlouhými přímými repeticemi různého typu Duplikace funkcí adaptace na změny prostředí • zvýšení dávky genů • vytvoření redundantní DNA pro následnou genetickou divergenci paralogní geny – adaptace na nová prostředí zvýšený adaptivní potenciál Vznik plazmidů během evoluce bakteriálních replikonů Původní genom tvořený několika menšími replikony Vytváření hybridů těchto replikonů vzájemnou integrací Rozklad hybridů za vzniku větších nízkokopiových stabilních replikonů (chromozomů) nesoucích většinu genů, a malých vysokokopiových replikonů (plazmidů) Opakování procesu integrace a rozkladu, optimalizace informačního obsahu replikonů Výhoda vyššího počtu kopií: 1. vyšší dávka genů, 2. vyšší šance mutací 3. přenos mezi buňkami chromozom Plazmid (vícekopiový) Horizontální přenos genů Často přenášené: operační geny (metabolismus a regulace, buněčná struktura) Zřídka přenášené: informační geny (transkripce, translace) Horizontální přenos genů je spjat s variabilními genetickými elementy profágy, plazmidy, IS-elementy, transpozony, integrony Cholerový toxin A, BCTXφV. cholerae Enterotoxin A, Bφ42S. aureus Shiga toxin A, BH19, 933E. coli (enterohemorhagické) Difterický toxin A, BβCorynebacterium diphtheriae Botulotoxin A, BcIClostridium botulinum Bakteriofágy Tetanový toxinpCL1Clostridium tetani Invasiny, enterotoxinpWR100, pWR501Shigella flexneri Adheziny, enterotoxiny, kataláza, hemolyzinpO157,Vir plazmidyintestinální E. coli Hemolyzin, cytotoxický nektrotizující faktorpHly, Vir plazmidyE. coli (mimo střevo) Plazmidy proteázyOblast virStreptococcus pyogenes Protein vnější membrány, přežívání v makrofágáchLokus msgA/pagCSalmonella enterica sv. Typhimurium Příjem hemuLokus chuA a shuAE. coli, Shigella dysenteriae Ostrůvky patogenity Toxin toxického šoku Exotoxin Enterotoxin TSST-1-PAI (SaPI1 aj) Exotoxinový PAI Enterotoxinový PAI Staphylococcus aureus Pilusy, regulaceVPI (vibrio path. island)Vibrio cholera O1, 0139 Adhesiny, enterotoxinyLEE (esp-LEE)Enterohemorhagické E. coli Adhesiny, hemolyziny, cytotoxinyPAIEnteropatogenní E. coli Ostrovy patogenity Faktory virulence nebo jiné funkceOznačeníGenetický element Variabilní genetické elementy (VGE) (20 % genomu S. aureus) Chromozomové kazety rezistence k meticilinu (SCCmec) Jedinečné ostrovy patogenity (SaPI) Společné genomické ostrovy Profágy Lokus přídatného genového regulátoru (agr) Integrované plazmidy Repetitivní elementy (STAR) Inzerční sekvence a transpozony Počet horizontálně přenesených genů u vybraných druhů bakterií a archeií Druh Velikost genomu (Mbp) Počet ORF Horizontálně přenesené ORF Proteobacteria počet % Escherichia coli 4,64 4289 381 9,6 Haemophilus influenzae 1,83 96 96 6,2 Helicobacter pylori 1,67 1553 89 6,4 Rickettsia prowazekii 1,11 834 28 3,6 Gram-pozitivní bakterie Bacillus subtilis 4,21 4100 537 14,5 M ycoplasma genitalium 0,58 480 67 14,5 M ycoplasma pneumoniae 0,82 677 39 5,9 M ycobacterium tuberculosis 4,41 3918 187 5,0 Spirochaete Borrelia burgdorferi 0,91 850 12 1,56 Treponema pallidum 1,14 1031 77 8,3 Chlamydiae Chlamydia trachomatis 1,04 894 36 4,3 Deinococcus radiodurans 2,65 2580 95 3,92 Synechocystis sp. 3,57 3169 219 7,5 Thermotoga maritima 1,86 1846 198 11,63 Archaea Aeropyrium pernix 1,67 2694 370 14,0 M ethanobacterium therm. 1,75 1869 179 10,3 M ethanococcus jannaschii 1,66 1715 77 5,0 Pyrococcus abyssi 1,76 1765 124 7,35 Horizontálně přenesené geny (HGT) u E. coli K12 MG1655 (po divergenci E. coli a S. typhimurium) Genom E. coli obsahuje relikty 755 HGT (18% genomu = 548 kb, 234 přenosových událostí) Vyšší proporce HTG v oblasti terminátoru replikace Lokalizace HTG poblíž genů pro tRNA (přenos pomocí fágů) V blízkosti HGT se nachází 68% všech inzerčních sekvencí - IS jsou přenášeny spolu HTG - IS navozují integraci přenášené DNA Odhadované stáří genů horizontálně přenesených do chromozomu E. coli MG1655 a jejich lokalizace v genomu IS sekvence, profágy, Rhs Stáří genů KbzískanéDNA Genomické ostrovy („fitness“ ostrovy) části genomů se znaky mobilních genetických elementů s odlišným obsahem GC, ohraničené repeticemi a geny pro mobilitu ostrovy patogenity ekologické ostrovy saprofytické ostrovy symbiosové ostrovy Charakteristické pro jednotlivé kmeny v rámci druhu Obecná struktura ostrovů patogenity Ostrov patogenity Geny pro virulenci Počet nukleotidů Inzerční sekvenceGen pro inzegrázu Přímá opakování Význačné rysy ostrovů patogenity ♦Nesou jeden nebo několik genů pro virulenci ♦Jsou přítomny jen u patogenních kmenů daného druhu ♦Představují relativně velké úseky genomu (10 – 200 kb) ♦Mají odlišný obsah GC a jiné využívání kodonů ♦Jsou často umístěny poblíž genů pro tRNA (kotvy pro inzerci cizí) ♦Jsou často spojeny s mobilními genetickými elementy. ♦Často jsou ohraničeny DR (16-130 bp) - rozpoznávací místa pro enzymy zajišťující integraci a excizi mobilních elementů (integráza nebo transponáza) ♦Jsou často nestabilní a jsou deletovány s různými frekvencemi. ♦Mají mozaikovitou strukturu – jsou složené z elementů, které se během evoluce v různé době a z různých zdrojů akumulovaly do určitých míst. Distribuce ostrovů patogenity u S. enteritica serovar Typhi Model vzniku ostrovů patogenity u patogenních E. coli Kmeny E. coli adaptované na různá prostředí Enterohemolytické k. Enteropatogenní k. Uropatogenní k. Fág (shiga toxin) plazmid plazmid Původní genom plazmidtRNA, att Vznik genomických ostrovů u patogenních a environmentálních mikrobů Přenos fágem Sukcese genetických událostí vedoucích k virulenci druhů Shigella Kmeny Shigella jsou odvozeny z E. coli po získání virulenčního plazmidu a dvou chromozomových genů (SHI-1, SHI-2) a po ztrátě několika málo genů z genomu E. coli r. Shigella x Escherichia coli K-12 90% homologie DNA (!) Kolinearita genů Rekombinace po HGT Vliv ztráty genů ztráty genů na patogenitu enterobakterí Genomové delece („černé díry“ ) zvyšující virulenci u Shigella spp. a u enteroinvazivních kmenů E. coli Výsledek hybridizace sond z 14 různých genů E. coli K12 z oblasti genomu 4254428-4406306 bp k genomové DNA reprezentativních kmenů Shigella a EIEC (+ = pozitivní hybridizace, - = negativní hybridizace) ZACHYTÁVÁNÍ GENŮ INTEGRONY Integron obsahuje: 1. att místo, umožňující opakové zachycení genů nebo genových kazet 2. Gen intI kódující integrázu, rozpoznávající různá 59 bp rekombinační místa 3. Promotor umožňující expresi vloženého genu Vibrio cholerae – obsahuje superintegrony s mnoha genovými kazetami Gen (nebo genová kazeta) Genová kazeta v CTn (v plazmidu) Typy stafylokokových chromozomových kazet (SCCmec) zodpovědných za rezistenci kmenů S. aureus k meticilinu Oportunní patogen schopný vyvolat onemocnění u vnímavých pacientů Primární patogen vyvolávající onemocnění jako součást svého životního stylu EVOLUČNÍ PROCES VYŽADUJÍCÍ ZÍSKÁNÍ VIRULENČNÍCH NEBO ZTRÁTU NEVIRULENČNÍCH ZNAKŮ Komensál nevyvolává buď žádné poškození nebo jen inaparentní onemocnění; může vyvolat imunitní odpověď EVOLUČNÍ PROCES VYŽADUJÍCÍ ZÍSKÁNÍ VIRULENČNÍCH NEBO ZTRÁTU NEVIRULENČNÍCH ZNAKŮ ADAPTIVNÍ PROCES VYVOLANÝ HOSTITELEM HOSTITEL ORGANISMUS, KTERÝ JE KOLONIZOVÁN NEBO INFIKOVÁN Interakce patogen-hostitel u bakteriálních infekčních onemocnění Závěry vyvozené z analýzy minimálních genomů Každý genom je složen ze dvou typů genů - Esenciální geny zajišťující základní biologické procesy - Geny pro dosažení selektivní výhody v daném prostředí Prostředí určuje, který gen je pro daný druh základní a který postradatelný Zhruba třetina (~100) esenciálních genů nemá žádnou ze známých funkci Srovnání informačního obsahu sekvencovaných genomů Počet informačních genů je v každém genomu zhruba stejný, i když se jejich velikosti značně liší. Počet genů ostatních funkčních kategorií je mnohem variabilnější a má tendenci se zvyšovat. Se zvětšováním velikosti genomu přibývá paralogních genů a zvětšuje se též biochemická komplexita organismu. Jedna čtvrtina ORF u každého druhu je jedinečná a nemá významnou sekvenční homologii k žádné dostupné proteinové sekvenci.