MINIMAL GENOME
En busca del
GENOMA MÍNIMO
Dra. Rosario GilRVGP, octubre 2004
El concepto de genoma mínimo
Genoma mínimo (Koonin, 2000):
grupo más pequeño de genes que debe ser suficientepara mantener en funcionamiento una forma de vida en las condiciones más favorables imaginables
en presencia de todos los nutrientes esenciales
en ausencia de estrés ambiental
Funciones esenciales:mantenimiento estructuras celularesreproducciónevolución
El poder de la genómica comparativa
Haemophilus influenzae (G-, 1703 genes codificantes de proteínas)Mycoplasma genitalium (G+, 470 genes codificantes de proteínas)
Conjunto mínimo de genes: 256 genes
Si aumentamos el número de genomas utilizados en la comparaciónpodemos disminuir significativamente
el número de genes considerados como esenciales
Pero...
• Hutchison et al., 1999Mutagénesis global (Tn) sobre M. genitalium y M. pneumoniae
Muchos genes presentes en el “conjunto mínimo” pueden ser interrumpidos
• Mushegian y Koonin, 1996
Los reducidos genomas de losendosimbiontes de insectos
hormiga carpintero mosca tse-tse
Blochmannia floridanus0,7 Mb
Wigglesworthia glossinidia0,7 Mb
Buchneraaphidicola 0,6 Mb
Yersinia pestis 4,4 MbEscherichia coli 4,6-5,4 Mb
Salmonella enterica 4,8 MbVibriocholerae 2,9 + 1,1, Mb
Pseudomonasaeruginosa 6,3 Mb
100100
99
99
70
99
100
93
Blochmannia floridanus 0,7 Mb
0,7 Mb
Buchneraaphidicola 0,6 Mb
Yersinia pestis 4,4 MbEscherichia coli 4,6-5,4 Mb
Salmonella enterica 4,8 MbVibriocholerae 2,9 + 1,1, Mb
Pseudomonasaeruginosa 6,3 Mb
100100
99
99
70
99
100
93
Wigglesworthia glossinidia
pulgón
núcleo
bacteriocito
Análisis funcional comparativo• Basado en las categorías COG
277
SHARED
Comparación con M. genitalium
Cinco endosimbiontes
281 genes codificantes de proteínas comunes
Mycoplasma genitalium
185 genes “housekeeping” 96 genes de endosimbiosis
COG functional category
Num
ber o
f gen
es
0
20
40
60
80
100
120
C D E F G H I J K L M N O P R S T
Endosymbiotic setHousekeeping set
COG functional category
Num
ber o
f gen
es
0
20
40
60
80
100
120
C D E F G H I J K L M N O P R S T
Endosymbiotic setHousekeeping set
Las aproximaciones experimentales
• Tres formas de identificar genes esenciales bajo unas determinadas condiciones de cultivo:
Mutagénesis masiva con transposonesgenes no esenciales que reducen el crecimientogenes esenciales que toleran inserciones
RNA antisentidosólo válido si hay una expresión adecuada del RNA antisentido
Inactivación sistemática de cada gen individualgenes esenciales redundantesgenes no dispensables simultaneamente
¿Y si las juntamos?
1. Nuestra comparación de genomas reducidosademás el genoma de Phytoplasma asteris
2. Datos experimentalesa) M. genitalium y M. pneumoniae (mutagénesis masiva, Hutchison III et al., 1999)b) Bacillus subtilis (inactivación sistemática, Kobayashi et al., 2003)
b) Escherichia coli (mutagénesis masiva, Gerdes et al., 2003)c) Staphylococcus aureus (RNA antisentido, Forsyth et al., 2002)
3. Revisar el sistema metabólicoRutas alternativasRutas incompletasHomeostasis metabólica
“Nuestro” genoma mínimo
cellenvelope
PTS
ANABOLISM
nucleotides
phospolipids
cofactors
Secsystem
INFORMATION STORAGE AND PROCESSING
protein folding
DNA replication(and repair)
transcription
translation
proteintranslocationmachinery
FtsZ
FtsZ
glycolisis
ATP
ENERGETIC METABOLISM
phosphate
non-oxidativepentose pathway
fatty acids
free bases
206 genes
Reproducción Homeostasis metabólicaEvolución
H+transmembraneelectric potentialgeneration
vitamins
amino acids
CELL DIVISION
glucose
G3P
CDP-DAG
phosphatidyl-ethanolamine membrane bilayer
3
2
Phospholipidbiosynthesis
acyl-CoA
H+
ATP
ATP
CTPNADH
Transmembraneelectric potentialgeneration
6
Non-oxidativepentosephosphatepathway
ATP
PRPP
CoA
fattyacidsamino
acids
aa-tRNAATP
aa-tRNA biosynthesis
NAD+ THF
Cofactor metabolism
CoA
FAD
Pyridoxal-phosphate
Thiamine-diphosphate
SAM
+_
glucose
PTS
DHAPGd3P
NADH
pyruvate
G6P
5
lactate
3
Glycolysis
ATP
ATP
PEP
NADH
AGU
2
UTP
CTP
GDPADP
UMPGMPAMP
dCTP
TTP
GTP2
dGTP
ATP
Nucleotide biosynthesis(salvage pathways)
NADH, FAD
3
6
2
dATP
ATP
PRPP NADHATPMet, Ser
FolateNicotinamide Pyridoxal Thiamine PantothenateRiboflavin
G3P
CDP-DAG
phosphatidyl-ethanolamine membrane bilayer
3
2
Phospholipidbiosynthesis
acyl-CoA
H+
ATP
ATP
CTPNADH
Transmembraneelectric potentialgeneration
6
Non-oxidativepentosephosphatepathway
ATP
PRPP
CoA
fattyacidsamino
acids
aa-tRNAATP
aa-tRNA biosynthesis
amino acids
aa-tRNAATP
aa-tRNA biosynthesis
NAD+ THF
Cofactor metabolism
CoA
FAD
Pyridoxal-phosphate
Thiamine-diphosphate
SAM
++_
glucose
PTS
DHAPGd3P
NADH
pyruvate
G6P
5
lactate
3
Glycolysis
ATP
ATP
PEP
NADH
AGU
22
UTP
CTP
GDPADP
UMPGMPAMP
dCTP
TTP
GTP2
dGTP
ATP
Nucleotide biosynthesis(salvage pathways)
NADH, FAD
33
66
2
dATP
ATP
PRPP NADHATPMet, Ser
FolateNicotinamide Pyridoxal Thiamine PantothenateRiboflavin
Mycoplasma genitalium, “el pequeño de la casa”
• Fraser et al., 1995secuenciación del genoma completo de M. genitalium(el más pequeño hasta el momento)
580 Kb
sólo 470 genes codificantes de proteínas
• Modelo para conocer el mínimo número de genes y proteínas necesarios para mantener una forma de vida ¿libre?
Primer paso esencial para “crear” microorganismos para una ámplia variedad de aplicaciones
Este trabajo ha sido posible gracias a ...
Rosario GilFrancisco J. SilvaJuli PeretóFrançois DelmotteFernando González-CandelasAmparo LatorreAndrés Moya
GRUPO DE GENÉTICA EVOLUTIVAhttp://www.uv.es/cavanilles/genevol