Autor: Elwira Komoń-Janczara

Prokaryota

Rybosomy u Prokaryota zbudowane są z dwóch podjednostek, z których większa (50S) składa się z dwóch rodzajów rRNA, tj. 23S rRNA i 5S rRNA, mniejsza podjednostka (30S) natomiast – z 16S rRNA. Wszystkie trzy rodzaje rRNA kodowane są przez odrębne geny, które znajdują się w dosyć bliskiej od siebie odległości. Fragment obejmujący te geny oraz sekwencje pomiędzy nimi to tzw. operon rrn. Jest on zorganizowany w sposób przedstawiony na Rys. 1. Każdy operon rozpoczyna się promotorem, kończy natomiast terminatorem.

Rys. 1.

Komórki bakteryjne potrzebują dużej ilości rybosomalnego RNA, dlatego też geny je kodujące występują w genomie w kilku lub nawet kilkunastu kopiach. W całym genomie bakteryjnym, w zależności od gatunku, może występować różna liczba kopii tego operonu. Mogą być one rozmieszczone po całym genomie, co odróżnia Procaryota od eukariontów. Geny kodujące rybosomalne RNA stanowią przykład rodzin wielogenowych. Bakterie, które dysponują największą do tej pory stwierdzoną liczbą operonów rrn to m.in.: Bacillus thuringiensis MC28 i Brevibacillus brevis NBRC 100599. Każdy z tych mikroorganizmów posiada 15 kopii operonu kodującego rybosomalne RNA. Z kolei Escherichia coli dysponuje 7 poznanymi operonami. Ilość kopii operonów w genomie bakterii z rodzaju Lactobacillus (wg dostępnych danych) może wynosić od 4 (u Lactobacillus Helvetius, Lactobacillus gallinarum i Lactobacillus acidophilus) do 9 (u Lactobacillus delbrueckii ssp. Delbrueckii) i może być inna dla różnych szczepów jednego gatunku. Co ciekawsze, poszczególne geny nie muszą występować w genomie w identycznej liczbie kopii, operony mogą również nie posiadać sekwencji międzygenowych. Może być to wykorzystane jako cecha różnicująca poszczególne szczepy w obrębie jednego gatunku mikroorganizmów. Więcej szczegółowych informacji dotyczących operonów rrn dostępnych jest w bazie RRNDB (http://rrndb.mmg.msu.edu/).

Sekwencje pomiędzy genami rDNA mogą kodować różnego rodzaju tRNA. W zależności od tego czy geny tRNA znajdują się w obrębie spacer region czy też nie, nazywamy go odpowiednio długim lub krótkim. Przykładem operonu z długim rejonem międzygenowym może być organizacja operonu rrn u Lactobacillus delbrueckii UFV H2b20 przedstawionego na Rys. 2.

Rys. 2. Organizacja operonu rrn u Lactobacillus delbrueckii UFV H2b20, gdzie tRNAs oznaczają geny kodujące kolejno tRNA^Asn, tRNA^Pro, tRNA^Gly, tRNA^Arg, tRNA^Val i tRNA^Asp.


Geny kodujące 16S rRNA

16S rRNA jest uważane za najlepsze narzędzie filogenetyczne ze względu na geny je kodujące, w których odkryto obecność zarówno regionów wysoce konserwatywnych, jak i superzmiennych. Fragmenty konserwatywne są obecne u wszystkich szczepów jednego gatunku lub rodzaju bakterii, co daje możliwość potwierdzenia ich pokrewieństwa i przypisania do tej samej jednostki taksonomicznej. Analiza regionów zmiennych z kolei pozwala na porównanie ich sekwencji i odnalezienie fragmentów lub pojedynczych nukleotydów, które je różnią i pozwolą na wyodrębnienie nowych podgatunków czy też szczepów. Na Rys. 3. przedstawiono pozycje najczęstszych zmienności w obrębie genu kodującego 16S rRNA.

Rys. 3. Regiony superzmienne w sekwencji genów kodujących 16S rRNA

Poniżej na Rys. 4. przedstawiono rozkład ilościowy mutacji jakie są przyczyną zmienności w obrębie regionów superzmiennych. Największy udział stanowią mutacje typu tranzycji.


Rys. 4. Rodzaje zmienności mutacyjnych w obrębie genu kodującego 16S rRNA.

Eukaryota

Układ operonu rrn u organizmów eukariotycznych jest zorganizowany w podobny sposób jak u Procaryota. Geny kodujące 18S rRNA, 5,8S rRNA oraz 25-28S rRNA również występują w bliskiej odległości od siebie. W każdym operonie rrn na początku występuję promotor, natomiast kończy go terminator. Różnica polega na tym, iż kopie eukariotycznych operonów rrn tworzą tzw. sekwencje tandemowe, czyli położone są blisko siebie, jedna za drugą.

Rys. 5. Schemat eukariotycznego operonu rrn.

Eucaryota zdecydowanie przewyższają Procaryota liczbą kopii operonów rrn przypadającą na jedną komórkę. Grzyby strzępkowe dysponują liczbą od 60 do 220 kopii. W komórkach roślinnych odnaleziono ich maksymalnie 26 048. Jednakże najwięcej odkryto u należacego do orzęsków Stylonychia lemnae, bo aż ok. 400 000 kopii. Brak tu prawidłowości, iż im większy organizm tym więcej kopii genów kodujących rybosomalne RNA. Strategia komórek eukariotycznych jest zdecydowanie bardziej skomplikowana.

Literatura:
1. Coenye, T. & Vandamme, P. (2003). Intragenomic heterogeneity between multiple 16S ribosomal RNA operons in sequenced bacterial genomes. FEMS Microbiol Lett 228, 45–49.
2. de Magalhães J. T., Floresta F., de Moraes C. A., (2005), Partial characterization of ribosomal operons of Lactobacillus delbrueckii UFV H2B20, Brazilian Journal of Microbiology (2005) 36:177-183.
3. Neefs J-M., Van De Peer Y., Hendriks L. and De Wachter R., (1990) Compilation of small ribosdomal subunit RNA sequences. Nucleic Acids Resarch, 18: 2237-2317.
4. Gong J. et al. (2013) Extremely High Copy Numbers and Polymorphisms of the rDNA Operon Estimated from Single Cell Analysis of Oligotrich and Peritrich Ciliates. Protist, Vol. 164, Issue 3, May 2013, Pages 369–379.
5. Acinas S. G., Marcelino L. A., Klepac-Ceraj V. and Polz M. F., (2004), Divergence and Redundancy of 16S rRNA Sequences in Genomes with Multiple rrn Operons, J Bacteriol. 2004 May; 186(9): 2629–2635.