The 4,639,221–base pair sequence of Escherichia coli K-12 is presented. Of 4288 protein-coding genes annotated, 38 percent have no attributed function. Comparison with five other sequenced microbes reveals ubiquitous as well as narrowly distributed gene families; many families of similar genes within E. coli are also evident. The largest family of paralogous proteins contains 80 ABC transporters. The genome as a whole is strikingly organized with respect to the local direction of replication; guanines, oligonucleotides possibly related to replication and recombination, and most genes are so oriented. The genome also contains insertion sequence (IS) elements, phage remnants, and many other patches of unusual composition indicating genome plasticity through horizontal transfer.

As genomes evolve, they undergo large-scale evolutionary processes that present a challenge to sequence comparison not posed by short sequences. Recombination causes frequent genome rearrangements, horizontal transfer introduces new sequences into bacterial chromosomes, and deletions remove segments of the genome. Consequently, each genome is a mosaic of unique lineage-specific segments, regions shared with a subset of other genomes and segments conserved among all the genomes under consideration. Furthermore, the linear order of these segments may be shuffled among genomes. We present methods for identification and alignment of conserved genomic DNA in the presence of rearrangements and horizontal transfer. Our methods have been implemented in a software package called Mauve. Mauve has been applied to align nine enterobacterial genomes and to determine global rearrangement structure in three mammalian genomes. We have evaluated the quality of Mauve alignments and drawn comparison to other methods through extensive simulations of genome evolution.

Background Multiple genome alignment remains a challenging problem. Effects of recombination including rearrangement, segmental duplication, gain, and loss can create a mosaic pattern of homology even among closely related organisms. Methodology/Principal Findings We describe a new method to align two or more genomes that have undergone rearrangements due to recombination and substantial amounts of segmental gain and loss (flux). We demonstrate that the new method can accurately align regions conserved in some, but not all, of the genomes, an important case not handled by our previous work. The method uses a novel alignment objective score called a sum-of-pairs breakpoint score, which facilitates accurate detection of rearrangement breakpoints when genomes have unequal gene content. We also apply a probabilistic alignment filtering method to remove erroneous alignments of unrelated sequences, which are commonly observed in other genome alignment methods. We describe new metrics for quantifying genome alignment accuracy which measure the quality of rearrangement breakpoint predictions and indel predictions. The new genome alignment algorithm demonstrates high accuracy in situations where genomes have undergone biologically feasible amounts of genome rearrangement, segmental gain and loss. We apply the new algorithm to a set of 23 genomes from the genera Escherichia, Shigella, and Salmonella. Analysis of whole-genome multiple alignments allows us to extend the previously defined concepts of core- and pan-genomes to include not only annotated genes, but also non-coding regions with potential regulatory roles. The 23 enterobacteria have an estimated core-genome of 2.46Mbp conserved among all taxa and a pan-genome of 15.2Mbp. We document substantial population-level variability among these organisms driven by segmental gain and loss. Interestingly, much variability lies in intergenic regions, suggesting that the Enterobacteriacae may exhibit regulatory divergence. Conclusions The multiple genome alignments generated by our software provide a platform for comparative genomic and population genomic studies. Free, open-source software implementing the described genome alignment approach is available from http://gel.ahabs.wisc.edu/mauve.

We present the complete genome sequence of uropathogenic Escherichia coli , strain CFT073. A three-way genome comparison of the CFT073, enterohemorrhagic E. coli EDL933, and laboratory strain MG1655 reveals that, amazingly, only 39.2% of their combined (nonredundant) set of proteins actually are common to all three strains. The pathogen genomes are as different from each other as each pathogen is from the benign strain. The difference in disease potential between O157:H7 and CFT073 is reflected in the absence of genes for type III secretion system or phage- and plasmid-encoded toxins found in some classes of diarrheagenic E. coli . The CFT073 genome is particularly rich in genes that encode potential fimbrial adhesins, autotransporters, iron-sequestration systems, and phase-switch recombinases. Striking differences exist between the large pathogenicity islands of CFT073 and two other well-studied uropathogenic E. coli strains, J96 and 536. Comparisons indicate that extraintestinal pathogenic E. coli arose independently from multiple clonal lineages. The different E. coli pathotypes have maintained a remarkable synteny of common, vertically evolved genes, whereas many islands interrupting this common backbone have been acquired by different horizontal transfer events in each strain.

Mauve Contig Mover provides a new method for proposing the relative order of contigs that make up a draft genome based on comparison to a complete or draft reference genome. A novel application of the Mauve aligner and viewer provides an automated reordering algorithm coupled with a powerful drill-down display allowing detailed exploration of results.The software is available for download at http://gel.ahabs.wisc.edu/mauve.

ABSTRACT We present the complete genome sequence of Yersinia pestis KIM, the etiologic agent of bubonic and pneumonic plague. The strain KIM, biovar Mediaevalis, is associated with the second pandemic, including the Black Death. The 4.6-Mb genome encodes 4,198 open reading frames (ORFs). The origin, terminus, and most genes encoding DNA replication proteins are similar to those of Escherichia coli K-12. The KIM genome sequence was compared with that of Y. pestis CO92, biovar Orientalis, revealing homologous sequences but a remarkable amount of genome rearrangement for strains so closely related. The differences appear to result from multiple inversions of genome segments at insertion sequences, in a manner consistent with present knowledge of replication and recombination. There are few differences attributable to horizontal transfer. The KIM and E. coli K-12 genome proteins were also compared, exposing surprising amounts of locally colinear “backbone,” or synteny, that is not discernible at the nucleotide level. Nearly 54% of KIM ORFs are significantly similar to K-12 proteins, with conserved housekeeping functions. However, a number of E. coli pathways and transport systems and at least one global regulator were not found, reflecting differences in lifestyle between them. In KIM-specific islands, new genes encode candidate pathogenicity proteins, including iron transport systems, putative adhesins, toxins, and fimbriae.

Pectobacterium and Dickeya spp. are related broad-host-range entero-bacterial pathogens of angiosperms. A review of the literature shows that these genera each cause disease in species from at least 35% of angiosperm plant orders. The known host ranges of these pathogens partially overlap and, together, these two genera are pathogens of species from 50% of angiosperm plant orders. Notably, there are no reported hosts for either genus in the eudicots clade and no reported Dickeya hosts in the magnoliids or eurosids II clades, although Pectobacterium spp. are pathogens of at least one plant species in the magnoliids and at least one in each of the three eurosids II plant orders. In addition, Dickeya but not Pectobacterium spp. have been reported on a host in the rosids clade and, unlike Pectobacterium spp., have been reported on many Poales species. Natural disease among nonangiosperms has not been reported for either genus. Phylogenetic analyses of sequences concatenated from regions of seven housekeeping genes (acnA, gapA, icdA, mdh, mtlD, pgi, and proA) from representatives of these genera demonstrated that Dickeya spp. and the related tree pathogens, the genus Brenneria, are more diverse than Pectobacterium spp. and that the Pectobacterium strains can be divided into at least five distinct clades, three of which contain strains from multiple host plants.