Genomowy DNA jest wykorzystywany jako matryca zarówno do replikacji, jak i transkrypcji, których mechanizmy mogą się zderzać, powodując między innymi mutagenezę. Ponieważ kolizje czołowe są bardziej szkodliwe niż kolizje współkierunkowe, geny powinny być preferencyjnie kodowane na nici wiodącej, aby uniknąć zderzeń czołowych. kolizji, co zaobserwowano w większości badanych genomów bakteryjnych. Dlaczego jednak nadal istnieją geny kodowane na nici opóźniającej? Paul i wsp. niedawno zaproponowali, że geny te wykorzystują zwiększoną mutagenezę wynikającą ze zderzeń czołowych kolizji, a zatem są adaptacyjnie kodowane na opóźnionej nici. Pokazujemy, że dowody, które dostarczyli, są nieważne i że istnienie genów kodowanych na opóźnionej nici jest wytłumaczalne przez równowagę między szkodliwymi mutacjami, które które przenoszą geny z nici wiodącej do opóźnionej i selekcją oczyszczającą oczyszczającą takie mutacje. Dlatego hipoteza adaptacyjna nie jest ani teoretycznie potrzebna ani empirycznie wspierana. --- W tym badaniu określono czynniki wpływające na ogólnogenomowe wzorce użycia kodonów w genomie Lawsonia intracellularis. Dla genów na chromosomie bakterii stwierdzono, że najważniejsze źródło zmienności wynika z mutacji specyficznych dla nici. Mniejszy trend zmienności jest przypisuje się genom, które są przypuszczalnie przenoszone horyzontalnie. Te domniemane obce geny są niezwykle bogatsze w GC niż inne geny, podczas gdy zaobserwowano, że geny przenoszone horyzontalnie są bogate w AT u bakterii o średnią i stosunkowo niską zawartością G + C. Hydropatia kodowanego białka i poziom ekspresji również wpływają na użycie kodonów. Dlatego też użycie kodonów w chromosomie L. intracellularis jest wynikiem złożonej równowagi między różnymi czynnikami mutacyjnymi i selekcyjnymi. różnych czynników mutacyjnych i selekcyjnych. Analizując geny w największym plazmidzie, po raz pierwszy stwierdzono, że specyficzne dla nici mutacyjne są odpowiedzialne za główną zmienność użycia kodonów w plazmidzie. kodonów w plazmidzie. Geny, szczególnie geny o wysokiej ekspresji tego plazmidu, są głównie zlokalizowane są głównie na nici wiodącej i przypuszcza się, że są to efekty wywierane przez selekcję replikacyjno-transkrypcyjną. Fakty te sugerują, że ten plazmid przyjmuje podobny mechanizm replikacji jak chromosom u L. intracellularis. Wspólne cechy wśród 10 bakterii, których genomy wykazują są głównym źródłem zmienności użycia kodonów. są również badane. Na przykład stwierdzono, że geny dnaT i fis które są zaangażowane w szlaki inicjacji i reinicjacji replikacji DNA są nieobecne we wszystkich 10 bakteriach. --- Zbadaliśmy tendencyjność użycia nukleotydów w 4-krotnie zdegenerowanych miejscach wszystkich genów z wiodących i opóźnionych nici 30 genomów bakteryjnych. Poziom guaniny w 4-krotnie zdegenerowanych miejscach (G4f) jest znacznie niższy w genach z nici opóźniających niż w genach z nici wiodących. niż w genach z nici wiodących, prawdopodobnie ze względu na szybsze tempo utleniania guaniny w nici opóźniającej. utleniania guaniny w jednoniciowym DNA, co prowadzi do konwersji G do T. Szybkość deaminacji cytozyny powodującej przejścia C do T są również wyższe w opóźnionych niciach. Wykazaliśmy, że poziom kodonów zdolnych do tworzenia kodonów stop przez poprzez konwersje G do T i C do T jest zawsze wyższy niż poziom kodonów zdolnych do tworzenia kodonów stop kodonów zdolnych do tworzenia stop-kodonów na drodze tranzycji C do A i przejść G do A. Ta okoliczność może być wyjaśnieniem niższego odsetka ORF-ów w opóźnionych niciach replikonów bakteryjnych niż w niciach wiodących. --- Wiele genomów bakteryjnych podlega asymetrycznej presji mutacyjnej, która wprowadza asymetrię składu w cząsteczce DNA, co skutkuje wieloma odchyleniami w kodowaniu struktury chromosomów. Jednym z procesów, na które wpływa asymetria jest translokacja zmieniająca położenie sekwencji kodującej na chromosomie w odniesieniu do względem orientacji na wiodącej i opóźnionej nici DNA. Podczas analizy analizując zestawy paralogów w 50 genomach, stwierdziliśmy, że liczba obserwowanych genów, które jest najniższa dla genomów o najwyższej asymetrii DNA. asymetrią DNA. Jednak liczba ortologów, które zmieniły nić DNA wzrasta wraz z odległością filogenetyczną między porównywanymi genomami. Niemniej jednak istnieje ułamek sekwencji kodujących, które pozostają na nici wiodącej we wszystkich analizowanych genomach. we wszystkich analizowanych genomach, podczas gdy nie ma sekwencji, które zawsze pozostają na nici opóźniającej. Ponieważ sekwencje rozchodzą się bardzo szybko po zmianie nici DNA DNA, to odchylenie w mobilności sekwencji jest częściowo odpowiedzialne za wyższe rozbieżności między niektórymi sekwencjami kodującymi zlokalizowanymi na opóźnionej nici DNA. nici DNA. --- U bakterii większość genów znajduje się na wiodącej nici replikacji, co jest zjawiskiem przypisywane kolizjom między polimerazami DNA i RNA. U Escherichia coli, kolizje te spowalniają ruch widełek replikacyjnych poprzez aktywnie transkrybowane geny tylko wtedy, gdy są one zakodowane na opóźnionej nici. Dla geny na obu niciach, jednak te kolizje przerywają powstające transkrypty i przerywają ekspresję genów. Na podstawie tych obserwacji proponujemy nową teorię aby wyjaśnić tendencyjność nici: geny, których ekspresja jest ważna dla kondycji, są wybierane do nici wiodącej, ponieważ skraca to czas trwania tych przerw. przerw. Nasza teoria przewiduje, że operony wielogenowe, które podlegają dłuższym przerwom, powinny być silniej selekcjonowane do nici wiodącej niż transkrypty pojedynczych genów. Pokazujemy, że jest to prawdą nawet po kontrolowaniu tendencji do występowania w operonach niezbędnych genów, które są silnie do występowania w operonach. Nasza teoria przewiduje również, że inne czynniki związane z tendencyjnością nici powinny mieć silniejszy wpływ na geny, które są w operonach. Stwierdziliśmy, że poziom ekspresji i wszechobecność filogenetyczna są skorelowane z tendencyjnością nici zarówno dla genów istotnych, jak i nieistotnych, ale tylko dla genów w operonach. --- Zidentyfikowano kilka mechanizmów, które zwiększają tempo mutagenezy w całym genomie. Zidentyfikowano jednak, w jaki sposób tempo ewolucji może być w poszczególnych genach jest niejasne. Większość genów u bakterii jest kodowana na wiodącej nici replikacji. Przypuszczalnie pozwala to uniknąć potencjalnie potencjalnie szkodliwych zderzeń czołowych, które występują między replikacją i maszynami transkrypcyjnymi, gdy geny są kodowane na opóźnionej nici. Tutaj zidentyfikować wszechobecne (podstawowe) geny w Bacillus subtilis i określić, że 17% z nich znajduje się na nici opóźniającej. Stwierdzamy wyższy wskaźnik mutacji punktowych w w genach rdzeniowych na nici opóźniającej w porównaniu z tymi na nici wiodącej, przy czym różnica ta dotyczy głównie mutacji zmieniających aminokwasy (niesynonimicznych). mutacje. Ustaliliśmy, że ogólnie rzecz biorąc, geny podlegające silnej selekcji negatywnej przeciwko mutacjom zmieniającym aminokwasy mają tendencję do znajdowania się na nici wiodącej, zorientowanej współbieżnie z replikacją. W przeciwieństwie do tego, na podstawie wskaźnika mutacji konwergentnych, geny podlegające pozytywnej selekcji na mutacje zmieniające aminokwasy są częściej znajdowane na nici opóźniającej, co wskazuje na szybszą ewolucję adaptacyjną adaptacyjną ewolucję wielu genów w orientacji head-on. Zwiększona długość genu i ilości ekspresji genów są dodatnio skorelowane z szybkością akumulacją mutacji niesynonimicznych w genach w orientacji head-on, co sugeruje, że konflikt między replikacją a transkrypcją może być siłą napędową tych mutacji. za tymi mutacjami. Rzeczywiście, stosując testy rewersji, pokazujemy, że różnica w szybkości mutagenezy różnica w tempie mutagenezy genów w dwóch orientacjach jest zależna od transkrypcji. Podsumowując, nasze odkrycia wskazują, że konflikty replikacja-transkrypcja konflikty replikacja-transkrypcja są bardziej mutagenne niż konflikty współkierunkowe konflikty i że te spotkania mogą znacznie zwiększyć adaptacyjną zmienność strukturalną w kodowanych białkach. Proponujemy, aby bakterie i potencjalnie inne organizmy, promują szybszą ewolucję określonych genów poprzez zależne od orientacji spotkania między replikacją DNA a transkrypcją. --- Opracowaliśmy metodę, która pozwoliła nam oszacować kierunek translokacji ortologów. kierunku translokacji ortologów, które w trakcie filogenezy zmieniły swoje pozycje na chromosomie w odniesieniu do wiodącej lub opóźniającej roli nici DNA DNA. Wykazaliśmy, że względna liczba translokacji, które z wiodącej na opóźnioną nić DNA jest niższa niż liczba translokacji, które niż liczba translokacji, które przeniosły geny z nici opóźniającej do nici wiodącej genomów prokariotycznych. Ten paradoks może być wyjaśnić, zakładając, że silniejsza presja mutacyjna i selekcja po inwersji inwersji preferencyjnie eliminują geny przeniesione z nici wiodącej do opóźnionej nici DNA. --- Replikacja generuje chromosomy bakteryjne z niciami, które różnią się liczbą genów i składem zasad. liczbą genów i składem zasad. Sugeruje się, że u bakterii takich jak Bacillus subtilis, PolC jest odpowiedzialny za syntezę nici wiodącej, a DnaE za nić opóźniającą. a DnaE za nić opóźniającą, podczas gdy u wielu innych bakterii DnaE jest odpowiedzialne za syntezę obu nici. odpowiedzialne za syntezę obu nici. Tutaj pokazuję, że posiadanie PolC koreluje z wiodącymi niciami, które zawierają średnio 78% genów w porównaniu z 58% dla genomów, które nie zawierają PolC. Sugeruje to, że asymetryczne widełki replikacyjne mogą odgrywać ważną rolę w definiowaniu i i ograniczaniu struktury chromosomu bakteryjnego. Obecność PolC nie jest nie jest skorelowana ze składową tendencyjnością nici, co sugeruje, że te dwie tendencyjności wynikają z różnych rodzajów asymetrii strukturalnej. --- Większość genów bakteryjnych znajduje się na nici wiodącej, a odsetek takich genów Odsetek takich genów jest bardzo zróżnicowany u różnych bakterii. Chociaż zaproponowano pewne wyjaśnienia, są to co najwyżej częściowe wyjaśnienia, ponieważ obejmują one tylko niewielki procent genów i nawet nie nie uwzględniają nawet tych, które są ukierunkowane na opóźnioną nić. Przeprowadziliśmy obliczeniowe na 725 genomach bakteryjnych, mające na celu wyjaśnienie innych czynników które mogły wpłynąć na lokalizację nici genów w bakterii. Nasze analizy sugerują, że (i) geny niektórych kategorii funkcjonalnych, takich jak rybosom mają wyższe preferencje, aby znajdować się na nici wiodącej; (ii) geny niektórych kategorii funkcjonalnych, takich jak kategorii funkcjonalnych, takich jak czynnik transkrypcyjny, mają wyższe preferencje na (iii) istnieje siła równoważąca, która ma tendencję do utrzymywania genów od przenoszenia się wszystkich genów do wiodącej i bardziej wydajnej nici oraz (iv) procent genów nici wiodącej genów nici wiodącej w bakterii można dokładnie wyjaśnić na podstawie liczby genów w kategoriach funkcjonalnych opisanych w (i) i (ii), wielkości genomu i gęstości genów. i (ii), wielkości genomu i gęstości genów, wskazując, że liczby te pośrednio zawierają informacje o odsetku genów na nici wiodącej i opóźnionej w genomie. w genomie.
Czy geny są symetrycznie rozmieszczone między wiodącą i opóźnioną nicią DNA u bakterii?
U większości bakterii geny są preferencyjnie kodowane na nici wiodącej niż na nici opóźnionej. Pozwala to uniknąć potencjalnie szkodliwych zderzeń czołowych, które występują między mechanizmami replikacji i transkrypcji, gdy geny są kodowane na nici opóźniającej. Kolizje czołowe są bardziej szkodliwe niż kolizje współkierunkowe i mogą prowadzić do zatrzymania widełek replikacyjnych i niestabilności genomu. Geny niektórych kategorii funkcjonalnych, takich jak rybosom, mają wyższe preferencje, aby znajdować się na nici wiodącej, podczas gdy geny innych kategorii funkcjonalnych, takich jak czynnik transkrypcyjny, mają wyższe preferencje na nici opóźniającej. Rozmieszczenie genów zależne od nici koreluje z asymetrią puryn związaną z replikacją oraz obecnością lub brakiem polC. Szczególnie istotne i wysoce transkrybowane geny oraz geny, których ekspresja jest ważna dla kondycji, są bardziej preferencyjnie zlokalizowane na nici wiodącej u bakterii.