Ученые Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» проверили гипотезу о происхождении хлоропластов растительных клеток из цианобактерий, сравнив полно геномные ДНК этих природных объектов. Оказалось, что внутренняя структурированность ДНК хлоропластов существенно отличается от ранее обнаруженной для бактерий. Тем самым, исследователи впервые продемонстрировали принципиальное структурное отличие этих геномов. Результаты исследования опубликованы в журнале BMC Bioinformatics.

Кластерная структура генома хлоропластов (вверх...

Кластерная структура генома хлоропластов (вверху) и цианобактерий (внизу). Источник изображений: BMC Bioinformatics, volume 21, Article number: 83 (2020)

Изучение нуклеотидных последовательностей является важнейшей задачей современной молекулярной биологии и, в частности, биоинформатики. Специалисты этой области науки рассматривают геномы как наборы повторяющихся символов и пытаются найти в них определенные закономерности. На основании подобной информации можно судить об эволюции живых организмов, находить связь между структурой генома и функцией, кодируемых им белков, решать множество других задач. В каком-то смысле результаты работы биоинформатиков больше похожи на труд художников-абстракционистов — они пытаются вычленить что-то общее в кажущемся хаосе жизни.

Предполагается, что хлоропласты, органеллы клеток в которых происходит фотосинтез, возникли из цианобактерий в результате их симбиоза с другими одноклеточными организмами чуть более одного миллиарда лет назад. При этом у хлоропластов есть собственная ДНК. В том случае если они произошли от цианобактерий, между ДНК двух этих биологических объектов должно быть определенное сходство. Красноярские ученые решили проверить эту гипотезу, сравнив структуры геномов методами биоинформатики.

Ранее ученые обнаружили, что при использовании определенных алгоритмов бактериальный геном можно представить в виде почти правильного шестиугольника, в вершинах и в центре которого находятся кластеры фрагментов ДНК с одинаковой частотой встречаемости троек идущих подряд нуклеотидов. В результате схожего по методике анализа структуры генома хлоропластов красноярские ученые открыли другую кластерную структуру. Численные манипуляции с 178 геномами хлоропластов различных растений показали, что для них характерно восемь наборов сравнительно коротких фрагментов ДНК, которые выделяются совершенно формально и имеют одинаковое распределение триплетов.

Чтобы увидеть кластерную структуру генома ученые покрыли каждый геном набором пересекающихся фрагментов одинаковой длины. Затем каждый фрагмент преобразовали в словарь из 63 триплетов — трех идущих подряд нуклеотидов. Кластерная структура возникает, когда каждый словарь триплетов представляют точкой в 63-мерном пространстве, где частоты встречаемости триплетов выступают в роли размерностей. Проекция на плоскость распределения этих точек в 63-мерном пространстве для бактерий и хлоропластов выглядит по-разному. Если говорить про хлоропласты, то все выбранные фрагменты генома по частоте встречаемости триплетов делятся на восемь классов.

«Наше исследование показывает огромное различие между структурированностью генома хлоропластов и бактериальных геномов. Мы поставили под сомнение гипотезу об универсальности семикластерной структуры любых геномов. По крайней мере для хлоропластов в структуре генома выделяется восемь кластеров. В дальнейшем мы планируем уточнить наши результаты, включив в исследование большее количество растений. В целом подобный анализ полезен не только для поиска ответа на довольно узкий вопрос о происхождении хлоропластов, но и в решении фундаментальных проблем. Например, такой, как роль мусорных или некодирующих последовательностей нуклеотидов в работе и эволюции геномов», — подчеркнул Михаил Садовский, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования Красноярского научного центра СО РАН.


Дополнительная информация для СМИ: 8 983-144-41-15, Екатерина Бурчевская, специалист по связям с общественностью группы научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН.