リンクされていないrRNA遺伝子は、細菌や古細菌の間に広く存在している

Unlinked rRNA genes are widespread among bacteria and archaea.

• Tess E Brewer
• Mads Albertsen
• Arwyn Edwards
• Rasmus H Kirkegaard
• Eduardo P C Rocha
• Noah Fierer

抄録

リボソームは細胞生物に不可欠であり、そのRNA成分の遺伝子は、細菌や古細菌において最も保存され、転写されている遺伝子である。リボソームRNA遺伝子は、一般的に単一のオペロンに編成されており、これは遺伝子の調節を容易にすると考えられている。実際には、一部の細菌や古細菌は、この正規のrRNA配列を共有していない。この再配列は、これまで細胞内細菌におけるゲノム分解の異常や副産物として扱われてきた。ここでは、完全なゲノムデータと長時間読み込んだメタゲノムデータを活用して、非連結16Sおよび23S rRNA遺伝子がこれまで考えられていたよりも一般的であることを示している。リンクされていないrRNA遺伝子は、多くの系統に存在し、その中でも特に顕著なのは、Deinococcus-Thermus、Chloroflexi、Planctomycetesの中に存在し、自然環境の中で異なる頻度で発生しています。土壌中の rRNA 遺伝子の最大 41%は連結していないことが明らかになった。リンクされていないrRNA遺伝子の頻度は、成長の遅い自由生物種と細胞内生物種の混在に関連している傾向があることから、意味のある生活史の形質を反映している可能性がある。我々は、未連結rRNA遺伝子が環境によっては選択的な優位性を与えているのではないかと推測しているが、その具体的な性質はまだ明らかにされておらず、さらなる調査が必要である。より一般的には、あまり研究されていない分類群での連結されていないrRNA遺伝子の存在は、モデル生物から得られたパラダイムが必ずしも細菌や古細菌のより広範な多様性に適用されるとは限らないことを思い起こさせるものである。

Ribosomes are essential to cellular life and the genes for their RNA components are the most conserved and transcribed genes in bacteria and archaea. Ribosomal RNA genes are typically organized into a single operon, an arrangement thought to facilitate gene regulation. In reality, some bacteria and archaea do not share this canonical rRNA arrangement-their 16S and 23S rRNA genes are separated across the genome and referred to as "unlinked". This rearrangement has previously been treated as an anomaly or a byproduct of genome degradation in intracellular bacteria. Here, we leverage complete genome and long-read metagenomic data to show that unlinked 16S and 23S rRNA genes are more common than previously thought. Unlinked rRNA genes occur in many phyla, most significantly within Deinococcus-Thermus, Chloroflexi, and Planctomycetes, and occur in differential frequencies across natural environments. We found that up to 41% of rRNA genes in soil were unlinked, in contrast to the human gut, where all sequenced rRNA genes were linked. The frequency of unlinked rRNA genes may reflect meaningful life history traits, as they tend to be associated with a mix of slow-growing free-living species and intracellular species. We speculate that unlinked rRNA genes may confer selective advantages in some environments, though the specific nature of these advantages remains undetermined and worthy of further investigation. More generally, the prevalence of unlinked rRNA genes in poorly-studied taxa serves as a reminder that paradigms derived from model organisms do not necessarily extend to the broader diversity of bacteria and archaea.