Large-scale analysis of orthologs and paralogs in viruses and prokaryotes

Abstract

Storskala-analyse av ortologer og paraloger i virus og prokaryoter

Jordens organismer kan deles inn i to grupper: de ikke-cellulære (virus) og de cellulære (prokaryoter og eukaryoter). Genomene til disse øker i kompleksitet; fra den enkleste oppbygningen i virus til den langt mer kompliserte i eukaryoter. Denne avhandlingen ser på hvordan genomer fra virus og prokaryoter har utviklet seg, blant annet gjennom tilpasning til omgivelsene.

I analysen av virusgenomer er det fokusert på en spesifikk genfamilie. AlkB reparerer metyleringsskader i DNA og finnes i de fleste cellulære organismer, med unntak av arkebakterier. Men AlkB-forekomsten i virus er forholdsvis sjelden, og det er derfor interessant å øke kunnskapen om hvordan og hvorfor enkelte virus har fått dette genet. Analysen identifiserte AlkB-lignende domener i 22 ulike plantevirus. Disse virusene finnes ofte i forbindelse med planter der det har forekommet hyppig bruk av metylerende plantevernmidler. En mulig hypotese er derfor at plantevirus har integrert AlkB-domenet i genomet slik at de kan reparere metyleringsskader i sitt eget DNA/RNA, fordi dette vil gi viruset en økt mulighet til å overleve i miljøer der plantevernmidler brukes.

Et særtrekk ved prokaryote genomer er operonstrukturen. Operon innebærer at flere nabogener på den samme DNA-tråden transkriberes til ett enkelt mRNA som koder for flere proteiner. Genene i det samme operonet er ofte, men ikke alltid, funksjonelt beslektet. Selv om operonstrukturen er svært utbredt i prokaryote genomer, er fortsatt drivkraften bak operondannelse og balansen mellom individuelt regulerte gener i forhold til gener i operon lite kjent. Samtidig er dannelse av operon en viktig egenskap ved prokaryote genomer. Studien har sammenlignet operonstrukturen i 113 bakterier. Analysene er basert på ortologe gener som finnes i nesten alle prokaryoter, for å fokusere på gener som er essensielle for bakteriene. Ortologe gener kommer fra samme stamgen og er distribuert i beslektede organismer gjennom artsdannelse. Analysene viser at gener som har en tendens til å være i operon utvikler seg raskere enn de som ikke er i operon, og gener i operon er også kortere enn de som ikke er i operon. Antallet interaksjonspartnere til et gen antas å påvirke genets evolusjonshastighet, og dette støttes av analysene da gener som ikke er i operon har signifikant flere interaksjonspartnere enn gener i operon.

Ved paralogdannelse, det vil si duplisering av gener innenfor samme art, er det vanligste resultatet at genet inaktiveres ved mutasjoner for deretter til slutt å forsvinne ut av genomet. Likevel inneholder genomer flere funksjonelle paraloger. Paraloger er antatt å spille en rolle for organismens tilpasning til nye omgivelser. Dette ble undersøkt nærmere ved å identifisere paraloger i 200 prokaryote genomer for deretter å se på statistisk overrepresenterte egenskaper i dette settet av paraloger. Analysen viste at forekomsten av paraloger svært ofte kan relateres til miljøet den gitte organismen lever i.

Kort oppsummert har dette arbeidet bidratt til å gi en bedre forståelse av forholdet mellom genegenskaper og genomorganisering; hvordan enkle genomer utvikler seg ved mutasjon, duplikasjon, reorganisering og overføring av gener og hvordan de ulike genklassene kan inneha forskjellige roller i disse prosessene.