Przedstawiamy dane i analizy wspierające hipotezę, że przodkiem mitochondriów zwierzęcych mitochondriów (Mt) i wielu prymitywnych amitochondrialnych (a-Mt) eukariontów był mikrobem fuzyjnym złożonym z eubakterii podobnej do Clostridium i archaebakterii Sulfolobus-like archaebacterium. Analiza opiera się na kilku obserwacjach: (i) sygnatury genomu (wartości względnej obfitości dinukleotydów) Clostridium i Sulfolobus są kompatybilne (wystarczająco podobne) i każdy z nich ma znacznie większe podobieństwo w sygnaturach genomów z sekwencjami Mt zwierząt niż niż wszystkie inne dostępne prokarionty. To, że stabilne fuzje mogą wymagać kompatybilności w sygnaturach genomu jest sugerowana przez kompatybilność plazmidów i gospodarzy. (ii) Rozszerzony metabolizm energetyczny organizmu fuzyjnego był silnie selektywny dla scementowania takiej fuzji. (iii) Aparat molekularny tworzenia endospor u Clostridium służy jako surowiec do rozwoju jądra i cytoplazmy. jądra i cytoplazmy komórki eukariotycznej. --- Kilka genomów bakteryjnych wykazuje preferencję dla G nad C na nici wiodącej DNA. rozciągającym się od początku replikacji do ter-regionu w genomach Escherichia coli, Mycoplasma genitalium, Bacillus subtilis i marginalnie w Haemophilus influenzae, Mycoplasma pneumoniae i Helicobacter pylori. Nić nie jest obserwowana w genomie cyjanobakterii Synechocystis sp. ani w genomach archeonów Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotrophicum i Archaeoglobus fulgidus. Silną asymetrię składu nici asymetria jest obserwowana w ludzkich herpeswirusach typu beta, ale nie alfa lub gamma herpeswirusów typu beta, ale nie typu alfa czy gamma, w których G > C znajduje się poniżej oriL, a C > G powyżej oriL. Względne obfitości dinukleotydów (tj. reprezentacje dinukleotydów znormalizowane przez częstotliwości nukleotydów składowych) są zgodne w odniesieniu do nici wiodącej i opóźnionej. Asymetria składu nici może odzwierciedlać różnice w syntezie replikacyjnej nici wiodącej i opóźnionej, na różnice między matrycą a nicią kodującą związane z mechanizmami naprawczymi sprzężonymi z transkrypcją, na różnicach w gęstości genów między na różnicach w tendencyjności reszt i kodonów w odniesieniu do funkcji genu, poziomu ekspresji lub operonu. z funkcją genu, poziomem ekspresji lub organizacją operonu, lub na różnicach w pojedynczych lub zależnych od kontekstu szybkości mutacji zasad. Brak asymetrii nici w genomach w genomach archeonów może odzwierciedlać obecność wielu źródeł replikacji. replikacji. --- Porównujemy i kontrastujemy tendencyjność składu i rozkłady krótkich oligonukleotydów w całym genomie krótkich oligonukleotydów w 15 różnych prokariotach, które mają znaczne kolekcje sekwencji genomowych. Obejmują one siedem kompletnych genomów (Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Mycoplasma genitalium, Mycoplasma pneumoniae, Synechocystis sp. szczep PCC6803, Methanococcus jannaschii i Pyrobaculum aerophilum). Kluczowa obserwacja dotyczy stałości profili względnej obfitości dinukleotydów profili względnej obfitości w wielu 50-kb rozłącznych kontigach w tym samym genomie. genomu. (Profil ma postać rhoXY* = fXY*/fX*fY* dla wszystkich XY, gdzie fX* oznacza oznacza częstotliwość nukleotydu X, a fY* oznacza częstotliwość dinukleotydu XY, oba obliczone na podstawie sekwencji połączonej z jej odwróconą sekwencją komplementarną. sekwencją komplementarną). Na podstawie tej stałości odnosimy się do zbioru [rhoXY*] jako sygnaturę genomu. Ustalamy, że różnice między wektorami [rhoXY*] wektorami 50-kilobajtowych kontigów różnych genomów praktycznie zawsze przekraczają różnice między tymi samymi genomami. Zidentyfikowano różne odchylenia di- i tetranukleotydowe. i tetranukleotydów. W szczególności stwierdzamy, że dinukleotyd CpG=CG jest niedoreprezentowany u wielu termofilów (np. M. jannaschii, Sulfolobus sp. i M. thermoautotrophicum), ale nadreprezentowany u halobakterii. TA jest ogólnie niedostatecznie reprezentowane u prokariotów i eukariotów, ale normalne liczby pojawiają się u Sulfolobus i P. aerophilum. Bardziej niż w przypadku jakiegokolwiek innego genomu bakteryjnego genomu bakteryjnego, palindromiczne tetranukleotydy są niedostatecznie reprezentowane w H. influenzae. Sekwencja M. jannaschii jest bezprecedensowa pod względem skrajnie niedostatecznej reprezentacji tetranukleotydów tetranukleotydów CTAG oraz w anomalnym rozmieszczeniu miejsc CTAG wokół genomu. genomu. Analiza porównawcza liczby długich tetranukleotydowych mikrosatelitów rozróżnia H. influenzae. Porównano różnice względnej obfitości dinukleotydów między sekwencjami bakterii. porównywane są sekwencje bakteryjne. Na przykład w tych ocenach różnic różnic, cyjanobakterie Synechocystis, Synechococcus i Anabaena nie tworzą spójnej grupy i są tak odległe od siebie, jak ogólne sekwencje bakterii Gram-ujemnych są od ogólnych sekwencji gram-dodatnich. Różnica między M. jannaschii od nisko-G+C gram-dodatnich proteobakterii wynosi połowę różnicy od od gram-ujemnych proteobakterii. Interpretacje i hipotezy koncentrują się na roli sygnatury genomu w podkreślaniu podobieństw i podobieństw i różnic między różnymi klasami gatunków prokariotycznych, możliwych mechanizmów leżących u podstaw sygnatury genomu, formy i poziomu fluktuacji składu genomu, wykorzystania genomu, wykorzystanie sygnatury genomu jako chronometru filogenezy molekularnej jako chronometru filogenezy molekularnej oraz implikacje w odniesieniu do trzech domniemanych eubakterii, archeonów i eukariontów oraz do pochodzenia i wczesnej ewolucji eukariontów. ewolucji eukariontów. --- Opracowano różne metody wykrywania horyzontalnego transferu genów w bakteriach na podstawie anomalii w składzie nukleotydów, zakładając, że cechy składu ulegają poprawie w genomie gospodarza. cechy ulegają poprawie w genomie gospodarza. Teoria ewolucji przewiduje nieuchronność wyników fałszywie dodatnich, gdy istotne sekwencje są silnie konserwowane. konserwowane. Obce geny mogą stać się bardziej wykrywalne na podstawie ich wyższego rzędu, jeśli takie cechy poprawiają się szybciej i bardziej równomiernie niż cechy niższego rzędu. Ta możliwość jest testowana przez porównanie heterogeniczności genomów bakteryjnych w odniesieniu do niezależnych od nici cech pierwszego i drugiego rzędu. i drugiego rzędu, (i) zawartości G + C oraz (ii) względnej w segmentach o długości 1 kb. Chociaż analiza statystyczna potwierdza, że (ii) jest mniej niejednorodna niż (i) we wszystkich 12 badanych gatunkach, ekstremalne anomalie w odniesieniu do w odniesieniu do (ii) w genomie Escherichia coli K12 są zazwyczaj zlokalizowane z genami niezbędnymi genami. --- Wczesne eksperymenty biochemiczne wykazały, że zestaw stosunków dinukleotydów lub "ogólny projekt" jest niezwykle stabilną właściwością DNA organizmu, która jest zasadniczo taka sama w organizmu, który jest zasadniczo taki sam w DNA kodującym białka, masowym genomowym DNA, oraz w różnych frakcjach genomowego DNA o różnym tempie renaturacji i gradiencie gęstości w wielu organizmach. Analiza obecnie dostępnych danych dotyczących sekwencji genomowych rozszerzyła te wcześniejsze wyniki, pokazując, że ogólne projekty rozłącznych próbek genomu próbek genomu są znacznie bardziej podobne do siebie niż do tych sekwencji z innych organizmów i że blisko spokrewnione organizmy mają blisko spokrewnione organizmy. Z tej perspektywy, zestaw wartości współczynnika szans dinukleotydów (względnej obfitości) stanowi sygnaturę każdego genomu DNA, który może rozróżniać sekwencje pochodzące z różnych organizmów. Wartości współczynnika odds dinukleotydów wydają się odzwierciedlać nie tylko chemię i preferencje konformacyjne, ale także właściwości gatunkowe DNA. ale także specyficzne dla gatunku właściwości modyfikacji, replikacji i naprawy DNA mechanizmów modyfikacji, replikacji i naprawy DNA.
Czy możemy wykryć asymetrię nici DNA za pomocą "sygnatur genomowych" względnej liczebności dinukleotydów?
Zestaw względnych obfitości dinukleotydów można uznać za sygnaturę genomową, ponieważ pomimo różnorodności między gatunkami, różni się on nieznacznie między 50-kilobazowymi lub dłuższymi oknami w danym genomie. Tak więc profile względnej obfitości dinukleotydów są specyficzne dla danego gatunku. Profile te są obliczane na podstawie "ilorazów szans", które porównują częstotliwości dinukleotydów z częstotliwościami oczekiwanymi przy założeniu równowagi stochastycznej (dokładne tasowanie). "Sygnatury genomowe" względnej liczebności dinukleotydów są niezależnymi od nici cechami DNA drugiego rzędu. Dlatego nie mogą być wykorzystywane do wykrywania asymetrii nici DNA.