16S рибозомна РНК

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Молекуларна структура на 30S подединицата на Thermus thermophilus. Протеините се обоени сино, а РНК молекулата портокалово.[1]

16S рибозомната РНК (16S рРНК) е компонента на 30S малата подединица на прокариотскиот рибозом, која се врзува за Шајн-Далгарновата секвенца (анг. Shine-Dalgarno sequence). Гените кои кодираат за оваа рРНК молекула се нарекуваат 16S рРНК гени и тие се користат во реконструкцијата на филогениите поради исклучително бавната стапка на еволутивни промени на кои подлежат овие гени.[2] Карл Воуз и Џорџ Е. Фокс биле првите кои предложиле употреба на 16S рРНК гените во филогенетиката.[3]

Во една бактерија можат да постојат повеќе копии на 16S рРНК генот.[4]

Функции[уреди | уреди извор]

16S рРНК има неколку функции:

  • Како и големата (23S) рибозомна РНК, таа има структурна улога, функционирајќи како скеле кое ги одредува позициите на рибозомните протеини.
  • 3’ крајот на 16S рРНК ја содржи анти-Шајн-Далгарновата секвенца, која се врзува погоре од AUG старт кодонот на иРНК. 3’ крајот се врзува и за протеините S1 и S21, кои се вклучени во иницијацијата на биосинтезата на протеини.
  • Стапува во интеракција со 23S рРНК, и на тој начин помага во спојување на двете рибозомни подединици (50S + 30S).
  • Ги стабилизира точните кодон-антикодон парови во А местото на рибозомот, преку создавање на водородна врска помеѓу N1 атомите на аденините 1492 и 1493 и 2’ОН групата од ’рбетот на иРНК.

Структура[уреди | уреди извор]

16S.svg

Универзални прајмери[уреди | уреди извор]

16S рРНК генот се користи во филогенетските истражувања,[5] бидејќи е исклучително сочуван кај различните видови на бактерии и археи.[6] Карл Воуз беше пионер во употребата на 16S рРНК за филогенетски цели.[2] Се претпоставува дека 16S рРНК генот може да се користи како веродостоен молекуларен часовник, бидејќи 16S рРНК секвенците од далечно сродните бактериски лози се покажало дека имаат слични функционалности.[7] Некои термофилни и хипертермофилни археи од редот Thermoproteales содржат интрони на 16S рРНК генот кои се локализирани во високо сочувани региони и можат да влијаат на издолжувањето на „универзалните“ прајмери (зачетници).[8]

Најчестиот пар на прајмери бил пронајден од Вајсбург и соработниците[5] и моментално е познат како 27F и 1492R; меѓутоа за некои апликации потребни се пократки ампликони.

Име на прајмер Секвенца (5'-3') Наводи
8F AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG [9][10]
U1492R GGT TAC CTT GTT ACG ACT T види горе
928F TAA AAC TYA AAK GAA TTG ACG GG [11]
336R ACT GCT GCS YCC CGT AGG AGT CT види горе
1100F YAA CGA GCG CAA CCC
1100R GGG TTG CGC TCG TTG
337F GAC TCC TAC GGG AGG CWG CAG
907R CCG TCA ATT CCT TTR AGT TT
785F GGA TTA GAT ACC CTG GTA
805R GAC TAC CAG GGT ATC TAA TC
533F GTG CCA GCM GCC GCG GTA A
518R GTA TTA CCG CGG CTG CTG G
27F AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG [12]
1492R CGG TTA CCT TGT TAC GAC TT види горе

Апликација во PCR методот и во новата генерација на секвенционирање (NGS)[уреди | уреди извор]

Во прилог на високо-сочуваните места за врзување на прајмери, 16S рРНК генските секвенци содржат и хиперваријабилни региони, кои можат да служат како секвенци специфични за видот, па така можат да бидат корисни за идентификација на прокариотите.[13][14] Како резултат на тоа, 16S рРНК секвенционирањето стана распространет метод во медицинската микробиологија, како брза и евтина алтернатива на фенотипските методи за идентификација на бактериите.[15] Иако првично беше користен само за идентификација на бактериите, подоцна беше утврдено дека 16S рРНК секвенционирањето може да послужи за рекласификација на бактериите во нови видови[16] или родови.[5][17] Исто така, методот се користи за опишување на новооткриени прокариотски видови кои никогаш не биле успешно култивирани.[18][19] Со доспевањето на третата генерација на секвенционери во многу лаборатории, се овозможи брза идентификација на илјадници 16S рРНК секвенци за време од само неколку часа. Ова го отвори патот на метагеномските истражувања, како на пример секвенционирање на целата цревна флора кај човекот.[20]

Хиперваријабилни региони[уреди | уреди извор]

Бактерискиот 16S рРНК ген содржи девет хиперваријабилни региони (V1-V9), кои имаат околу 30-100 базни парови и се вклучени во формирањето на секундарната структура на малата рибозомна подединица.[21] Степенот на сочуваност во голема мера варира помеѓу хиперваријабилните региони, така што повеќе сочуваните региони соодветствуваат со таксономија од повисоко ниво, а помалку сочуваните региони соодветствуваат со таксономија од пониско ниво (род и вид).[22] Додека целата 16S рРНК секвенца овозможува споредба на сите хиперваријабилни региони, долги приближно 1500 базни парови (бп), ова може да биде премногу скапо за истражувања кои имаат за цел да ги идентификуваат или да ги карактеризираат различните бактериски заедници.[22] Ваквите истражувања најчесто ја користат платформата Illumina, која прави читање на секвенци со стапки 50 пати и 12,000 пати поевтино од 454 пиросеквенционирањето и Sanger-секвенционирањето, соодветно.[23] Иако е поевтино и овозможува широка покриеност на бактериската заедница, Illumina секвенционирањето може да чита базни парови долги само 75-150 (Illumina MiSeq може да чита и до 250-300 бп) и нема етаблиран протокол за веродостојна интеграција на цел ген од примероци на бактериска заедница.[24]

Додека 16S хиперваријабилните региони можат драстично да варираат од еден до друг бактериски вид, 16S генот како целина одржува исклучителна хомогеност, што значително го олеснува порамнувањето на секвенците.[25] Дополнително, 16S генот содржи високо сочувани секвенци измеѓу хиперваријабилните региони, што овозможува дизајнирање на универзални прајмери, кои веродостојно можат да ги продуцираат истите региони од секвенцата на 16S рРНК кај различните таксони.[26] Иако ниту еден хиперваријабилните регион не може точно да ги класифицира сите бактерии, од ниво на домен до ниво на вид, некои од нив доследно предвидуваат одредени таксономски нивоа.[22] Од овие причини, многу истражувања на бактериски заедници избираат полусочувани хиперваријабилните региони, како што е V4, бидејќи тие даваат резолуција на нивото на колено исто толку точно како и целокупната 16S генска секвенца.[22] Додека помалку сочуваните региони тешко можат да класифицираат нови видови кога таксономијата од повисоко ниво е непозната, тие често се користат за откривање на присуството на специфични патогени.[27]

Додека анализата на 16S хиперваријабилните региони е моќна алатка за проучување на бактериската таксономија, таа е од мала полза кога станува збор за многу блиску сродни видови.[26] Членовите на фамилиите Enterobacteriaceae, Clostridiaceae и Peptostreptococcaceae можат да споделуваат и до 99% сличнност во целокупната 16S секвенца.[28] Како резултат на тоа, V4 секвенците можат да се разликуваат само во неколку нуклеотидни позиции, поради што референтните бази на податоци се неспособни точно да ги класифицираат бактериите во рамките на пониските таксономски нивоа.[28] Со ограничување на 16S анализата на само одбрани хиперваријабилните региони, ваквите истражувања не можат да ги пронајдат разликите кај блиску сродните таксони и да ги групираат во поединечни таксономски единици, со што се потценува целокупниот микробиолошки диверзитет на примерокот.[26] Понатаму, бактериските геноми можат да содржат повеќе 16S рРНК гени, кај кои V1, V2 и V6 регионите го имаат најголемиот диверзитет во рамките на истиот вид.[6] Иако не е најпрецизниот метод за класификација на бактериските видови, анализата на хиперваријабилните региони сè уште е една од најкористените алатки за проучување на бактериските заедници.[28]

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Structure of functionally activated small ribosomal subunit at 3.3 angstroms resolution. „Cell“ том  102 (5): 615–23. септември 2000 г. doi:10.1016/S0092-8674(00)00084-2. PMID 11007480. 
  2. 2,0 2,1 Woese, C. R.; Fox, G. E. (1 ноември 1977 г). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ том  74 (11): 5088–5090. ISSN 0027-8424. PMID 270744. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/270744. 
  3. Woese, C. R.; Kandler, O.; Wheelis, M. L. (1 јуни 1990 г). Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ том  87 (12): 4576–4579. ISSN 0027-8424. PMID 2112744. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2112744. 
  4. Case, Rebecca J.; Boucher, Yan; Dahllöf, Ingela; Holmström, Carola; Doolittle, W. Ford; Kjelleberg, Staffan (1 јануари 2007 г). Use of 16S rRNA and rpoB genes as molecular markers for microbial ecology studies. „Applied and Environmental Microbiology“ том  73 (1): 278–288. doi:10.1128/AEM.01177-06. ISSN 0099-2240. PMID 17071787. PMC: PMC1797146. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17071787. 
  5. 5,0 5,1 5,2 Weisburg, W. G.; Barns, S. M.; Pelletier, D. A.; Lane, D. J. (1 јануари 1991 г). 16S ribosomal DNA amplification for phylogenetic study. „Journal of Bacteriology“ том  173 (2): 697–703. ISSN 0021-9193. PMID 1987160. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1987160. 
  6. 6,0 6,1 Coenye, Tom; Vandamme, Peter (7 ноември 2003 г). Intragenomic heterogeneity between multiple 16S ribosomal RNA operons in sequenced bacterial genomes. „FEMS microbiology letters“ том  228 (1): 45–49. ISSN 0378-1097. PMID 14612235. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14612235. 
  7. Tsukuda, Miyuki; Kitahara, Kei; Miyazaki, Kentaro (30 август 2017 г). Comparative RNA function analysis reveals high functional similarity between distantly related bacterial 16 S rRNAs (на En). „Scientific Reports“ том  7 (1). doi:10.1038/s41598-017-10214-3. ISSN 2045-2322. https://www.nature.com/articles/s41598-017-10214-3. 
  8. Jay, Zackary J.; Inskeep, William P. (9 јули 2015 г). The distribution, diversity, and importance of 16S rRNA gene introns in the order Thermoproteales. „Biology Direct“ том  10: 35. doi:10.1186/s13062-015-0065-6. ISSN 1745-6150. PMID 26156036. PMC: PMC4496867. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26156036. 
  9. Phylogenetic analysis of Aquaspirillum magnetotacticum using polymerase chain reaction-amplified 16S rRNA-specific DNA. „International Journal of Systematic Bacteriology“ том  41 (2): 324–5. април 1991 г. doi:10.1099/00207713-41-2-324. PMID 1854644. 
  10. James, Greg (15 May 2018). PCR for Clinical Microbiology. Springer, Dordrecht. стр. 209–214. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-90-481-9039-3_28. 
  11. Diversity of uncultured microorganisms associated with the seagrass Halophila stipulacea estimated by restriction fragment length polymorphism analysis of PCR-amplified 16S rRNA genes. „Appl Environ Microbiol“ том  62 (3): 766–71. PMID 8975607. PMC: 167844. http://aem.asm.org/cgi/reprint/62/3/766.pdf. 
  12. Microbial diversity in water and sediment of Lake Chaka, an athalassohaline lake in northwestern China. „Applied and Environmental Microbiology“ том  72 (6): 3832–45. јуни 2006 г. doi:10.1128/AEM.02869-05. PMID 16751487. 
  13. Pereira, Filipe; Carneiro, João; Matthiesen, Rune; van Asch, Barbara; Pinto, Nádia; Gusmão, Leonor; Amorim, António (1 декември 2010 г). Identification of species by multiplex analysis of variable-length sequences. „Nucleic Acids Research“ том  38 (22): e203. doi:10.1093/nar/gkq865. ISSN 1362-4962. PMID 20923781. PMC: PMC3001097. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20923781. 
  14. Kolbert, C. P.; Persing, D. H. (1 јуни 1999 г). Ribosomal DNA sequencing as a tool for identification of bacterial pathogens. „Current Opinion in Microbiology“ том  2 (3): 299–305. doi:10.1016/S1369-5274(99)80052-6. ISSN 1369-5274. PMID 10383862. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10383862. 
  15. Clarridge, Jill E. (1 октомври 2004 г). Impact of 16S rRNA gene sequence analysis for identification of bacteria on clinical microbiology and infectious diseases. „Clinical Microbiology Reviews“ том  17 (4): 840–862, table of contents. doi:10.1128/CMR.17.4.840-862.2004. ISSN 0893-8512. PMID 15489351. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15489351. 
  16. Lu, Ting; Stroot, Peter G.; Oerther, Daniel B. (1 јули 2009 г). Reverse transcription of 16S rRNA to monitor ribosome-synthesizing bacterial populations in the environment. „Applied and Environmental Microbiology“ том  75 (13): 4589–4598. doi:10.1128/AEM.02970-08. ISSN 1098-5336. PMID 19395563. PMC: PMC2704851. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19395563. 
  17. Brett, P. J.; DeShazer, D.; Woods, D. E. (1 јануари 1998 г). Burkholderia thailandensis sp. nov., a Burkholderia pseudomallei-like species. „International Journal of Systematic Bacteriology“ том  48 Pt 1: 317–320. doi:10.1099/00207713-48-1-317. ISSN 0020-7713. PMID 9542103. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9542103. 
  18. Schmidt, T. M.; Relman, D. A. (1994 г). Phylogenetic identification of uncultured pathogens using ribosomal RNA sequences. „Methods in Enzymology“ том  235: 205–222. ISSN 0076-6879. PMID 7520119. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7520119. 
  19. Gray, J. P.; Herwig, R. P. (1 ноември 1996 г). Phylogenetic analysis of the bacterial communities in marine sediments. „Applied and Environmental Microbiology“ том  62 (11): 4049–4059. ISSN 0099-2240. PMID 8899989. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8899989. 
  20. Sanschagrin, Sylvie; Yergeau, Etienne (29 август 2014 г). Next-generation sequencing of 16S ribosomal RNA gene amplicons. „Journal of Visualized Experiments: JoVE“ (90). doi:10.3791/51709. ISSN 1940-087X. PMID 25226019. PMC: PMC4828026. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25226019. 
  21. Gray, M. W.; Sankoff, D.; Cedergren, R. J. (25 јули 1984 г). On the evolutionary descent of organisms and organelles: a global phylogeny based on a highly conserved structural core in small subunit ribosomal RNA. „Nucleic Acids Research“ том  12 (14): 5837–5852. ISSN 0305-1048. PMID 6462918. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6462918. 
  22. 22,0 22,1 22,2 22,3 Yang, Bo; Wang, Yong; Qian, Pei-Yuan (22 март 2016 г). Sensitivity and correlation of hypervariable regions in 16S rRNA genes in phylogenetic analysis. „BMC bioinformatics“ том  17: 135. doi:10.1186/s12859-016-0992-y. ISSN 1471-2105. PMID 27000765. PMC: PMC4802574. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27000765. 
  23. Bartram, Andrea K.; Lynch, Michael D. J.; Stearns, Jennifer C.; Moreno-Hagelsieb, Gabriel; Neufeld, Josh D. (1 јуни 2011 г). Generation of multimillion-sequence 16S rRNA gene libraries from complex microbial communities by assembling paired-end illumina reads. „Applied and Environmental Microbiology“ том  77 (11): 3846–3852. doi:10.1128/AEM.02772-10. ISSN 1098-5336. PMID 21460107. PMC: PMC3127616. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21460107. 
  24. Burke, Catherine M.; Darling, Aaron E. (2016 г). A method for high precision sequencing of near full-length 16S rRNA genes on an Illumina MiSeq. „PeerJ“ том  4: e2492. doi:10.7717/peerj.2492. ISSN 2167-8359. PMID 27688981. PMC: PMC5036073. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27688981. 
  25. Van de Peer, Y.; Chapelle, S.; De Wachter, R. (1 септември 1996 г). A quantitative map of nucleotide substitution rates in bacterial rRNA. „Nucleic Acids Research“ том  24 (17): 3381–3391. ISSN 0305-1048. PMID 8811093. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8811093. 
  26. 26,0 26,1 26,2 Větrovský, Tomáš; Baldrian, Petr (2013 г). The variability of the 16S rRNA gene in bacterial genomes and its consequences for bacterial community analyses. „PloS One“ том  8 (2): e57923. doi:10.1371/journal.pone.0057923. ISSN 1932-6203. PMID 23460914. PMC: PMC3583900. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23460914. 
  27. Chakravorty, Soumitesh; Helb, Danica; Burday, Michele; Connell, Nancy; Alland, David (1 мај 2007 г). A detailed analysis of 16S ribosomal RNA gene segments for the diagnosis of pathogenic bacteria. „Journal of Microbiological Methods“ том  69 (2): 330–339. doi:10.1016/j.mimet.2007.02.005. ISSN 0167-7012. PMID 17391789. PMC: PMC2562909. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17391789. 
  28. 28,0 28,1 28,2 Jovel, Juan; Patterson, Jordan; Wang, Weiwei; Hotte, Naomi; O'Keefe, Sandra; Mitchel, Troy; Perry, Troy; Kao, Dina; и др. (2016 г). Characterization of the Gut Microbiome Using 16S or Shotgun Metagenomics. „Frontiers in Microbiology“ том  7: 459. doi:10.3389/fmicb.2016.00459. ISSN 1664-302X. PMID 27148170. PMC: PMC4837688. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27148170. 

Надворешни врски[уреди | уреди извор]