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