Анализ функциональных категорий генов в метагеномах Антарктиды
Анализ функциональных категорий генов в метагеномах поверхностного снега Антарктиды.
Была проведена автоматическая аннотация метагеномных последовательностей для выявления функциональных категорий генов с помощью классификатора "SEED subsystems" сервера MG-RAST [ 135 ]. "SEED subsystems" объединяет гены, аннотированные базами данных FIG, UniPlot, KEGG или NCBI, в семейства генов на основании участия кодируемых ими белков в одном и том же биологическом процессе или структурном комплексе [ 175 ]. Как видно из Таблицы 10 , большинство метагеномных последовательностей в образцах включали части открытых рамок считывания (ОРС) , кодирующие белки с известной функцией. Самыми многочисленными функциональными категориями генов были "clustering-based subsystems" (14-16%), "carbohydrate metabolism" (9%), "amino acids and derivatives" (8%), "miscellaneous" (8%) и "protein metabolism" (6.5?8.5%). Все эти категории объединяют белки с известными функциями, за исключением категории "clustering-based subsystems". В нее входят белки с неизвестной функцией, гены которых часто объединены в характерные кластеры в геномах различных бактерий. Все перечисленные выше функциональные категории генов доминируют во многих ранее изученных сообществах, включая почвенные, пресные и морские экосистемы [ 176 ].
На сегодняшний день единственным опубликованным источником информации о функциональных особенностях микроорганизмов поверхностного снега является метагеномное исследование образцов снега Арктики [ 62 ]. В этой работе авторы показали путем сравнения представленности функциональных категорий генов в образцах снега (9 образцов), почв (8 образцов), морских вод (6 образцов) и антарктических микробных матов (3 образца), что некоторые функциональные категории генов статистически значимо перепредставлены в образцах исследованных ими снежных экосистем. Мы провели сравнение представленности функциональных категорий генов в наших образцах и образцах, использованных при анализе сообществ снега Арктики [ 62 ]. Было выявлено 89 категорий генов, значимо различающихся между проанализированными экосистемам. При этом 40 из них были перепредставлены в антарктических метагеномах (см. Таблицу 2 Приложения ). Некоторые из этих категорий генов подробнее рассмотрены ниже.
В метагеномах сообществ микроорганизмов антарктического снега оказались перепредставлены функциональные категории генов "probably organic hydroperoxide resistance related hypothetical protein" и "stress response". В последней категории самыми многочисленным были гены, кодирующие бактериальный гемоглобин ( Рис. 13 , А и Б). Белки устойчивости к органическим пероксидам и белки бактериального гемоглобина участвуют в клеточном ответе на кислородное голодание и окислительный стресс [ 177 , 178 ]. Перепредставленность указанных генов может отражать адаптацию микроорганизмов полярных снегов к постоянному окислительному стрессу, вызванному жестким ультрафиолетовым излучением. Также считается, что окислительный стресс усиливается при понижении температуры [ 4 ], т.к. при понижении температуры увеличивается растворимость кислорода и снижается скорость его потребления, что приводит к повышению уровня свободных радикалов .
Среди функциональных категорий генов, перепредставленных в метагеномах микроорганизмов снега, но не кодирующих белки стресс-ответа, обнаруживались гены, контролирующие подвижность клеток, и гены, необходимые для хемотаксиса ("motility and chemotaxis") ( Рисунок 14 ,А). Белки, обеспечивающие подвижность клеток и хемотаксис, были также хорошо представлены в протеомах образцов вечной мерзлоты [ 50 ].
На недостаток питательных веществ и микроэлементов может указывать и перепредставленность в геномах антарктических снежных микроорганизмов генов категории "iron acquisition and metabolism" ( Рис. 14Б ). Снег - одна из самых бедных экосистем планеты, количество микроэлементов в нем во много раз ниже, чем в море или почве [ 179 ]. По-видимому, снежные бактерии испытывают недостаток железа, и это заставляет их искать способы эффективного извлечения железа из окружающей среды, такие как синтез сидерофоров и транспортеров железа .
Следующая функциональная категория генов, перепредставленная в антарктических метагеномах, это "programmed cell death and toxin-antitoxin systems" ( Рис. 14 ,В). Ранее было показано, что системы токсин-антитоксин системы могут участвовать в стресс-ответе, препятствовать заражению клетки бактериофагами, участвовать в формировании биопленок или каскадах реакций, приводящих к программируемой клеточной смерти [ 180 ]. В условиях стресса некоторые системы токсин-антитоксин оказывают бактериостатический эффект на клетку, помогая ей пережить неблагоприятные условия. В других случаях, системы токсин-антитоксин убивают клетку при углеводном голодании и недостатке аминокислот, освобождая питательные вещества для окружающих клеток [ 181 ].
Согласно проведенному анализу в микробных сообществах антарктического снега также перепредставлена функциональная категория "resistance to antibiotics and toxic compounds" ( Рис. 14 ,Г). Самыми многочисленными в этой категории были гены, кодирующие белки устойчивости к кобальту, цинку и кадмию ("cobalt-zinc-cadmium resistance proteins", до 1,5% от общего числа генов в метагеномах). Перепредставленность генов устойчивости к тяжелым металлам в метагеномах антарктического снега может быть связана с тем, что клетки, растущие на снегу, практически лишены богатых источников питательных веществ. Возможно, единственным источником питания становятся частицы пыли, которые, помимо питательных веществ, могут содержать значительное количество побочных и возможно ядовитых элементов, таких как тяжелые металлы. Чтобы получать питательные вещества из таких пылевых частиц, клеткам, растущим на снегу, могут быть необходимы гены устойчивости к тяжелым металлам.
