Научная статья на тему 'Penelope-подобные ретротранспозоны в геноме азиатской шистосомы Schistosoma japonicum (trematoda: Schistosomatidae)'

Penelope-подобные ретротранспозоны в геноме азиатской шистосомы Schistosoma japonicum (trematoda: Schistosomatidae) Текст научной статьи по специальности «Биология»

CC BY
11
0
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
ШИСТОСОМЫ / SCHISTOSOMA JAPONICUM / МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ / MOBILE GENETIC ELEMENTS / РЕТРОТРАНСПОЗОНЫ / RETROTRANSPOSONS / PENELOPE-ПОДОБНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ / PENELOPE-LIKE ELEMENTS / PLE / SCHISTOSOMES

Аннотация научной статьи по биологии, автор научной работы — Гуляев Андрей Сергеевич, Хрисанфова Г.Г., Семенова С.К.

Мобильные генетические элементы, и в частности ретротранспозоны, составляют значительную часть геномов эукариот и являются одним из основных источников возникновения изменчивости и нестабильности. С момента их открытия прошло уже более шестидесяти лет, и тем не менее отдельные их классы, такие как Penelope-подобные элементы (Penelope-like elements, PLE), остаются малоизученными и по сей день. В настоящей работе мы приводим результаты in silico поиска PLE в геноме азиатской шистосомы S. japonicum одного из важнейших в эпидемиологическом отношении паразитов человека. Мы приводим новую оценку их представленности в геноме S. japonicum и показываем, что их высокая гетерогенность отражает, по всей видимости, несколько транспозиционных событий. Показано, что PLE в геноме шистосомы представлены двумя группами канонических копий, различающихся аминокислотными последовательностями доменов RT и EN. Обсуждаются данные по представленности, структурным особенностям, возможной функциональной нагрузке и эволюции Penelope-подобных ретроэлементов паразита.

Похожие темы научных работ по биологии , автор научной работы — Гуляев Андрей Сергеевич, Хрисанфова Г.Г., Семенова С.К.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Penelope-подобные ретротранспозоны в геноме азиатской шистосомы Schistosoma japonicum (trematoda: Schistosomatidae)»

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2017 УДК 579.834

Гуляев А.С.1'2, ХрисанфоваГ.Г.1, Семенова С.К.1

penelope-подобные ретротранспозоны в геноме азиатской шистосомы schistosoma japonicum (trematoda: schistosomatidae)

1ФГБУН Институт биологии гена РАН, 119334, Москва; 2ФГБУН Институт проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН, 119334, Москва

Мобильные генетические элементы, и в частности ретротранспозоны, составляют значительную часть геномов эукариот и являются одним из основных источников возникновения изменчивости и нестабильности. С момента их открытия прошло уже более шестидесяти лет, и тем не менее отдельные их классы, такие как Penelope-подобные элементы (Penelope-like elements, PLE), остаются малоизученными и по сей день. В настоящей работе мы приводим результаты in silico поиска PLE в геноме азиатской шистосомы S. japonicum - одного из важнейших в эпидемиологическом отношении паразитов человека. Мы приводим новую оценку их представленности в геноме S. japonicum и показываем, что их высокая гетерогенность отражает, по всей видимости, несколько транспозиционных событий. Показано, что PLE в геноме шисто-сомы представлены двумя группами канонических копий, различающихся аминокислотными последовательностями доменов RT и EN. Обсуждаются данные по представленности, структурным особенностям, возможной функциональной нагрузке и эволюции Penelope-подобных ретроэлементов паразита. Ключевые слова: шистосомы; Schistosoma japonicum; мобильные генетические элементы; ретротранспозоны; Penelope-подобные элементы; PLE.

Для цитирования: Гуляев А.С., Хрисанфова Г.Г., Семенова С.К. Penelope-подобные ретротранспозоны в геноме азиатской шистосомы Schistosoma japonicum (trematoda: Schistosomatidae). Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2017; 35 (1): 20-25. DOI 10.18821/0208-0613-2017-35-1-20-25.

Введение

Среди множества гельминтозов одними из самых важных в эпидемиологическом отношении являются ши-стосомозы, вызываемые кровяными сосальщиками рода Schistosoma (S. mansoni, S. japonicum, S. haematobium). Согласно ВОЗ, шистосомозами страдают 258 млн человек, населяющих 78 стран; ежегодно от этого заболевания и его осложнений погибают около 500 тыс. человек. Расшифрованы полные геномы трех видов, размер которых составляет около 400 Мб. Число генов достигает 14 000, и почти половину генома паразитов составляет фракция повторяющейся ДНК. Большая часть этой фракции содержит разнообразные мобильные генетические элементы (МГЭ), в том числе ретротранспозоны [1-3]. Последние являются важным компонентом эукариотических геномов, составляя значительную часть повторяющейся фракции. Основываясь на структуре ретротранспозонов и филогении ревертаз, выделяют три класса ретроэлементов: содержащие длинные концевые повторы (Long Terminal Repeats, LTR), не содержащие их (non-LTR), и Penelope-подобные элементы (Penelope--like elements, PLE) [4], которые до сих пор остаются малоизученными. Penelope впервые обнаружен в геноме Drosophila virilis как элемент, играющий основную роль в процессе гибридного дисге-неза [4]. Позднее PLE были найдены в геномах многих

Для корреспонденции: Гуляев Андрей Сергеевич (Guliaev Andrei Sergeevich); e-mail: guliaev@genebiology.ru

эукариот: у растений, протист, круглых и плоских червей, ракообразных, рыб, амфибий и пресмыкающихся [5-8], в которых они занимают 0,1-2% геномной последовательности [9]. Среди трематод хоть сколько-нибудь подробная характеристика содержания PLE имеется для S. mansoni и S. japonicum, у которых описаны соответственно два и три Penelope-элемента (Cercyon, Perere-10 [10] и Sj1, Sj2, Sj3), а доля в геноме, представленная PLE, составляет 1,6 и 0,5% [1, 2]. PLE характеризуются единственной открытой рамкой считывания (ORF), кодирующей N-концевой домен, реверстранскриптазный домен (RT), линкерный домен и эндонуклеазный домен (EN). В RT-домене выделяют семь консервативных мотивов, а в EN-домене - два (GIY и YIG) [7]. ORF обычно фланкирована прямыми или инвертированными LTR, которые могут перекрываться с ней как с 5'-, так и с 3'-конца, содержать промоторы, короткие интроны и кодировать НН-рибозимы [6, 11, 12]. Такие PLE называют каноническими и объединяют в два семейства: Penelope/Poseidon и Neptune в зависимости от строения линкерного домена [13]. Кроме того, существуют PLE, содержащие только RT-домен, они представлены семействами Athena и Coprina, эволюционно близкими к теломеразным ревестранскриптазам и, по всей видимости, произошедшими от них [13]. Найдены такие PLE только в геномах растений, грибов и протист. В ранних работах по PLE [7] обсуждался вопрос использования этих элементов в качестве филогенетических маркеров, а в недавних было показано, что фрагменты PLE могут отражать сложные эволюционнные процессы, происходящие в популяциях трематод [14, 15].

Целью настоящей работы было провести исчерпывающий in silico поиск канонических Penelope-подобных элементов в геноме азиатской шистосомы, провести их филогенетический анализ и дать структурную характеристику. Примененный нами подход к поиску PLE помог обнаружить новую, неизвестную ранее группу Penelope в геноме S. japonicum. Расширение представлений о последовательностях, структуре и активности этих элементов у паразитических червей позволит по-новому взглянуть как на эволюционную историю ретротранспозонов, их роль в организации и функционировании генома [16, 17], так и на филогенетические взаимосвязи в группе шистосом млекопитающих и птиц. Кроме того, полученная информация необходима для развития современных технологий трансгенеза, используемых для понимания структуры и функционирования генов, а также способов контроля в системе паразит-хозяин [18].

Материалы и методы

Анализ проводили на полной геномной последовательности S. japonicum из Китая (номер в GenBank: GCA_000151775.1, длина 402,7 Мб, число скаффолдов 25048). Мы использовали программный пайплайн (конвейер) RepeatModeler [19], включающий в себя програм-

Список PLE, использованных для анализа

Название

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Организм

Источник

Номер

Cercyon

Perere-10

Penefope-Sjl

Penelope-Sj2

Penelope-Sj3

S. mansoni S. mansoni S. japonicum S. japonicum S. japonicum

RepBase, NCBI RepBase, NCBI NCBI NCBI NCBI

BK000685.1 BN000801.1 FN356225.1 FN356226.1 FN356227.1

му RepeatScout [20] для de novo поиска, кластеризации и формирования консенсусов диспергированных повторов в геноме и программу RECON [21] для автоматической классификации найденных повторов. Таким образом было получено 56 консенсусных последовательностей PLE. Затем мы использовали эти последовательности как библиотеку для RepeatMasker [22], чтобы определить представленность PLE в геноме и координаты каждой копии мобильного элемента в конкретном скаффолде. Запуск RepeatMasker производили со стандартными настройками, кроме следующих: порог отбора был установлен в 4000 очков алгоритма Смита-Уотермана, допустимый уровень дивергенции - в 15%. Результат такого анализа, представляющий собой таблицу с номерами скаффол-дов и координатами потенциальных PLE-копий в них, обрабатывали с помощью самостоятельно написанных скриптов, которые вырезают из генома удлиненные на 500 п.н. с обоих концов последовательности PLE согласно их координатам, приведенным в таблице, подсчитывают число копий на скаффолд и транслируют их по всем возможным рамкам считывания. После этого в транслированных PLE мы искали консервативные домены с помощью Batch-CD Search Tool (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Structure/cdd) при стандартных настройках. Из полученных данных с помощью самостоятельно написанных скриптов были отобраны только те записи, которые содержали характерные для PLE домены, после чего эти данные автоматически сортировались по группам (PLE-копии, содержащие только домены RT, только EN и оба домена на одной копии); последовательности, содержащие оба PLE домена, удлиняли еще на 900 п.н. с обоих концов, вырезали из геномной последовательности, и транслировали по той рамке, на которой были найдены домены. Аминокислотные выравнивания проводили по отношению к известным PLE последовательностям (см. таблицу) с помощью MAFFT версии 7.25 (L-INS-i) [23]. Поиск консервативных мотивов, характерных для N-концевого, RT- и EN-доменов, проводили вручную согласно выравниваниям, предложенным в [7]. Выравнивания визуализировали с помощью Jalview версии 2.8, гистограммы строили в компьютерной среде R. Филогенетический анализ и расчет попарных дистанций проводили методом NeighborJoining

(p-distance, pairwise deletion, число бутстреп-реплик 500) с помощью программного пакета MEGA6 [24]. Дендрограммы визуализировали с помощью FigTree версии 1.4.2. Поиск ORF и LTR проводили в UGENE версии 1.22 (минимальная длина повтора 70 п.н., минимальная идентичность 70%) [25]. Для определения положения PLE относительно белок-кодирующих генов использовали аннотацию из базы данных WormBase ParaSite версии WPBS6 (parasite.wormbase.org) [26]. Все процедуры обработки данных, полученных из программ RepeatMasker и RPS-Blast, реализованы в виде скриптов на языке Python версии 3.4.3 (с использованием библиотеки Biopython версии 1.66 [27]), доступных в репози-тории на портале GitHub (http://github.com/andrewgull/ PLEsearch/).

Результаты и обсуждение Наш анализ показал, что канонические PLE представлены 153 копиями со средней длиной 2249 п.н. (максимальная 3588 п.н., минимальная 1064 п.н., примерно 0,1% генома), из них 11 последовательностей находятся на 5'-конце скаффолдов, поэтому некоторые RT-мотивы (RT1-RT3) и N-концевой домен у этих последовательностей обнаружить невозможно. Кроме того, у 79 совпадений найден только RT-домен и у 358 - только EN. Эти группы «усеченных» PLE являются вырожденными каноническими PLE, а не семейством Athena, поскольку сравнение с PLE других организмов (метод и последовательности опубликованы в [13]) показало, что

Рис. 1. Филогенетическое дерево, построенное методом Ш на основании 158 аминокислотных последовательностей ЯТ, линкерного и ЕМ-доменов канонических РЬЕ S. japonicum и двух РЬЕ X mansoni. Жирными линиями выделены узлы и клады с бутстреп-поддержкой более 70. Буквами А и В отмечены две основные клады, секторами - субклады с Sj1 по Sj9. Темными кружками обозначены описанные ранее последовательности РЬЕ шистосом, прозрачными - новые, отобранные

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

для дальнейшего анализа.

Рис. 2. Гистограмма попарных p-дистанций, рассчитанных по аминокислотным последовательностям 153 канонических PLE.

все обнаруженные нами PLE принадлежат семейству Penelope/Poseidon (данные не приведены).

Анализ представленности PLE-консенсусов в геноме S. japonicum показал, что PLE составляют примерно 0.28% геномной последовательности, что почти в 2-4 раза меньше, чем указывается в [28] и [2] соответственно. Такая разница в оценках связана прежде всего с жесткостью критериев отбора кандидатных PLE, и наш, очевидно, был самым жестким. Всего мы обнаружили 1081 копию со средней длиной 1045 п.н. (максимальная 2389 п.н., минимальная 531 п.н.). Все копии распределены по скаффолдам неравномерно: 515 располагаются по одной копии на скаффолд, 200 - по 2, 55 - по 3, 19 - по 4, 7 - по 5 и 2 - по 6 копий. Отметим, что около 47% совпадений, найденных RepeatMasker, не содержали никаких консервативных доменов, т. е. почти половина этих копий PLE в геноме может быть ложноположительным результатом. С учетом этого доля генома S. japonicum, представленная PLE, снижается до 0,15%.

Филогенетический анализ аминокислотных последовательностей канонических PLE (RT-, линкерный и EN-домены) (рис. 1) показал, что весь их массив надежно разделяется на две клады (обозначены буквами А и В), причем все описанные ранее элементы Sj1, Sj2, Sj3, Cercyon и Perere-10 попали в кладу A. В обеих группах можно выделить несколько субклад, внутри 4 из них (Sj1, Sj2, Sj4 и Sj9) обращают на себя внимание группировки относительно мало дивергировавших последовательностей (на дендрограмме они выглядят как скопление коротких ветвей), которые, вероятно, являются следами недавних ретропозиций. В группе А произошло три таких события, а PLE группы B - только одно. Здесь необходимо отметить, что в работе T. Venancio и соавт. [28] говорится о 12 обнаруженных семействах PLE. Сопоставить эти данные с нашими едва ли возможно, главным образом потому, что мы сосредоточились на анализе только канонических PLE и не рассматривали все остальные варианты. Кроме того, мы не использовали критерий, выбранный авторами указанного исследования, для объединения отдельных PLE в семейства (минимум 80% сходство аминокислотных последовательностей).

Для объяснения существования в геноме S. japonicum двух подсемейств PLE можно предложить две гипотезы. Согласно первой, азиатские шистосомы в процессе эволюции прошли через «бутылочное горлышко», в результате чего в популяции зафиксировались 2 типа PLE. Согласно второй, две группы PLE появились в одном геноме в результате гибридизации двух первоначально

изолированных популяции шисто-сом. Из первоИ гипотезы следует, что обе группы PLE должны присутствовать в геномах всех азиатских шистосом, но данных для проверки этого предположения пока недостаточно. Вторая гипотеза косвенно поддерживается результатами, полученными S. Attwood и соавт. [29], они демонстрируют, что популяция S. japonicum в Китае генетически подразделена на 2 изолированные линии. Кроме того, эволюционная история PLE согласуется с эволюцией non-LTR ретротранспозонов клады RTE, которые также прошли через недавние «всплески» ретро-позиции [28]. Транспозиционные взрывы являются свидетельствами того, что в эволюционной истории азиатских шистосом имели место факторы, приводящие к активизации МГЭ и возникновению геномной нестабильности - например, переход на новых промежуточных и/или окончательных хозяев, межлинейная или межвидовая гибридизация.

Распределение попарных дистанций (рис. 2) показывает, что в эволюции генома азиатской шистосомы имели место как минимум три транспозиционных взрыва, и по всей видимости еще один небольшой «всплеск» ретропозиции произошел в недавнем прошлом. Количество и расположение пиков на приведенной гистограмме сходны с аналогичными данными по ретроэлементам Perere-3/SR3 у S. japonicum [28]. Можно предположить, что ретропозиции SR3 и PLE были вызваны одними и теми же событиями.

Для более детального анализа последовательностей PLE из разных групп мы отобрали по несколько копий из каждой группы так, чтобы они имели целую и протяженную ORF (потенциально активные PLE). Отметим, что в группе В мы нашли только одну потенциально активную копию (Sj9h), а еще три (Sj9c, Sj9d, Sj9e) располагаются на 5'-конце своих скаффолдов, и поэтому определить начало их oRF невозможно. Выравнивания функциональных доменов (рис. 3) помогают нам понять, какие конкретно отличия привели к обособлению группы В. Легко заметить, что эти отличия сосредоточены главным образом между мотивами RT3-RT7 и следом за мотивом YIG в EN-домене. Так, например, преобладающий мотив между RT4 и RT5 в группе А - NGPLAQL, а в группе В - SRIFNN. В эндонуклеазном домене у некоторых последовательностей группы А делетирован мотив HESYTK/HKLCLK, а следом за ним сохраняется мотив VWLTK/VWLSK, в то время как у группы В в этом районе у всех отобранных нами последовательностей присутствует мотив NNPVE. Последовательности этой группы в целом более консервативны, и это может быть связано с особенностями ретропозиции этих PLE, или, что более вероятно, группа В появилась в результате распространения очень небольшого числа исходных копий, возможно даже единственной, например sj9h. Поиск этой копии в аннотированном геноме S. japonicum в WormBase показал, что она охватывает 5'-прилежащий регион гена инозитолфосфатазы (Sjp_0013420), первый экзон и следующий за ним интрон. Вероятно, такое положение Sj9h влияет на регуляцию экспрессии этого гена и/или его сплайсинг, т. е. несет функциональную нагрузку и поэтому защищена от мутационных изменений. Кроме этой, еще несколько PLE находятся в границах

< < -J -I -I - V _J - >>Ь>->>>></1> SSSS2 - >S 2 J.S 2 v 2 2 2 2 2 zGB

--ÄltUiniUU-Ul->l- Jhhhhll-

шшООО^^О^^шш 000Q022022Z0

шш........QQ

UJUJ^^VUJUJV^I/iujiij

0:0:2220:0:201020: 22-J-J-J-1-J-J-J--J-22ШШШ00Ш2^02 Q 1/1 h

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2 2 2 2 2 2 - a: 2

220002202UJI/12 ^ ^ > > > > > > > > ^ ^

20000*0

OViiiiiii * ^ * о: ^

о a a о о u.

< <

2 2

кяая

о о о о о о a

___Б* V V V V V V

-->>>>>>>

Э1Л1/1<Л-</11Л</1

-ххххохх

JXOO-OOOOOu L.u.>-u.>-l->.>-X>-ii Ч1ЛН <><НН1ЛЬ_

resrcf 2 - (ЛГСГЫ ¡¿ES

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

^ it -J * V ьг -I ^ и -i>--и. > > 2 > г

|/)>ш — 1/)>>1—>о

и-2>-2Х22>-2<

¿2Х5»:02ХХ2Х>

_ -11Л22>-1-1 üi£0^>Q0020-¿0000>00002

222222U-22Z HhOOOl-MOZ-

> > 2 2-2-225. КЗ О О О О О </iß32S о

0_0_0_0_0_0_liJ0_0_ >>>>>_1>>_1 2200000:00 220-0-0-2Ш0.01

: 2 -J 2 х

Т VI < 1Л X

J _J _i х

о. о. о. о. о. x

--> _i > x

2 О О О О >

х х х х о о о о 2 2 2 2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Гага; :«: * ^Гаг a: * о: a:a:a:a:a:a:ai> о'ос о:

СС X. СС СС с£. СС

^ и о

0022222222000: о о ^ ^ < 1/1 2 о •ООООО ^ ^ ^ ^

2 2 2 О О 2 н О ь о>ь 1-

U. U. U. U. U-U-U-U-U-U. _>вв 1Ш

о о - >

I- > > ь- н 1-

2 2 Z z 2 Z 2 С

222222222* 2 2 2 2 2 2 • 2 2 2 2

- -га 0 -

- V _ _ -J -I -1 . _ _ _

ее * с * * § ^ ^ Ь. *

- - - - - - -J 2 -J

и

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

О U. О СС * * 1- а: *

* * 2 2 5 5 О S 2 2 2 2 2

а: X

i

о-

S 5

н 1-

*

Z 2

ь < и. J J

с с с с О </ 00000000 ООООО

> > : С * -

< о </•

_! _| - _| _| _!<Л

н > а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ц; О

с с с * с 5 3

с О О 1/

(Л «Л о О О 2 О I 1/11/1 (Л < — 1Л 1Л i/i t/1 i/i (/1

• Q Q Q О Q О

с ^ ¡¿у у

020: jzzzz а:о->-2хххх 2>-2>->->->->-

ВУйОп

> о > < < <

ceffiO «1 XXX 2 2 2 > > > > . VI I/) > < < <

j _i >- <~ö: < <' . • BS! 2 in i/i vi 1л l. и 3 • и (Л|£! М ^ V V

•<<<<<<

• X X X X X X

•>>>>>>

■<<<<<<

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Z Z _J > CL - — 2 ц. —

СС с X

1Л (/1 1/1 1/1 * а- > Cr ^ i/i 2 аааааааа-ааа

- о: * Ь а: Н ^ -J 1Л -J -

* * > > ^ _ ч. > ^ 2 2 * ЬС * * V *

> > > - С ш с О Ш > 1Л V <

С с V

н 2 н- — 2 1/1 СС > > < > > > > > > > >

1/11/1 — О - Q

•л 5 § i § § § § Z 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Z

о ^ > > > - < • 1/1 V 2 а. ь 2 2 2 2 2

i/l!ü. а. а. о. X CL a. а. X и. и О. а. а. С й-

I • >- > (Л

I I X >- X >- X X I

V С V V V V V

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

i/i < н < > н Н

L, >- LL X < 1/1 > > >- >

1Л > inmininvuninininin

о с

X I X 2 X X 2 I I X X X X X

Z

> Н

<

о

<

а

1Л[Ш _l UJ > ш ш

0: СС 0: 1- (Л * - 2 У 13^0^! V V V

(Л 1/1 1/1 1/1 1/1--(/1 Ш 1/1

•"l-UUD^I-Jl-hV)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

шшаасси^уааш OÜÜOOOOJiiüU > >1- ----^ *--!

.........1 1Л I z U1 U.

кжзсжжжж use W < 1 о сд сд и о

<<<<<<<<<<

-Ü13013 15 0 13Ü0

и- X < V О 2

1ЙМ U- а. п. 2 2 _

I— I— (/11/11/1</11/1<1/1<0' о aiBTBiB ю wis -В н

шш<<<<а_ — I—>(/i

>>>>>>>>>>

222222222 2

■ооооооооо

hl-1-l-HI-l-l-l-h

2 2 а: а: а: е>

> >

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

-> j.....

< <.....

vi и i/i а. 1/1 I- w

О о---I- ^

-I -1 > > >--

I- I- 2 2 2 > >

2 Z СС СС СС X X

I-

сс

о 1 0Ы

1 2 Й 1 Й pi S 2 IN fn

1 111 II s' 1 II 1 §' II 11

га1 л' ш ш1 ю'л1 го15" ш1 го1 Л1 и'

ОТ ЭТОТ ЭТОТ £ ОТ отот OTÖ ОТОТ ОТОТ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

|B|gSggäSägäSg'äSSSägäSgSSS

1ч1 s rsj1 <5}' й' го1 т й' ^ 5 1л' ю' <2>' " г?' со' со' со' о?' cn' S' ai' oi' o?' oi'

1_11_1

QQ

Ш

i in S Si m 5 1

i-V ih гч' (N <n fi го й 41 5 in In 5 и™еомеоотто!§о!51№т «7Г <7? iTT «TT «TT ¡TT iTT «TT cl ОТ ¡ТГОТОТ Ö ¿TT ¿TT (TT ¿TT iTT »TT (7T iTT i/T iTT iTT i/T

1_11_1

Cd

генов S. japonicum: Sj1a - ген фибулина-1 (Sjp_0090230, шестой экзон), Sj9b - ген белка яиц P594 (первые экзон и интрон). Эти данные демонстрируют, что, несмотря на свою малую представленность в геноме, Penelope-подобные ретроэлементы могут нести важную функциональную нагрузку.

Одной из отличительных черт PLE является их очень разнообразная структура, что было показано сначала на

дрозофилах [30], а позднее - на коловратках рода Adineta [8]. Репе1оре-элемент могут формировать тандемные и тандемно-инвертированные копии и встраиваться друг в друга, а их ORF может содержать аспарагин-богатые вставки значительной протяженности, которые при этом не нарушают способность элемента к транспозиции [8]. Обнаруженные нами PLE демонстрируют все те же структурные варианты, которые были описаны ранее, за

Рис. 4. Схематическое представление строения некоторых Реие/оре-элементов, найденных в геноме S. japonicum. Описание условных обозначений представлено в легенде.

исключением Asn-инсерций - ни в одной из канонических PLE мы не нашли таких последовательностей (рис. 4). Пара почти идентичных элементов Sjl и Sjla (нуклеотидное сходство 99%) имеет типичную для PLE протяженность ORF (~2500 п.н.) и концевых повторов (763 п.н.). Интересно, что у Sjl повторы имеют прямую ориентацию, а у Sjla они «разбиты» на две пары -прямую и инвертированную. Причем на 5'-конце прямой и инвертированный повторы перекрываются на 56 п.н., а на З'-конце разделены вставкой длиной в 28 п.н.

По всей видимости, Sjl и Sjla являются вариантами одного и того же Penelope-элемента, полученными при секвенировании разных геномных библиотек или при обработке разных вариантов сборки генома. Так, в опубликованной сборке Sjl отсутствует, но есть Sjla -то же самое верно для двух других PLE - Sj2 и Sj3 [2]. Возможно, именно Sjl является потенциально активным PLE в геноме S. japonicum, поскольку только он сохраняет целую oRF с двумя прямыми концевыми повторами. Все остальные PLE имеют усеченные с 5'-конца рамки считывания и более короткие КП. У пары Sj3-Sj3a только ревертазный домен попадает в рамку считывания, а эндонуклеазный домен значительно деградировал.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Интересные структурные варианты встречаются в

группе B. Так, элемент Sj4b расположен рядом с парой прямых повторов (по 534 п.н.), которые фланкируют нефункциональный короткий участок ДНК (~500 п.н.). Такое расположение повторов и мобильного элемента можно объяснить гомологичной рекомбинацией, приведшей к дупликации LTR на З'-конце и удалению его на 5'-конце. Элемент Sj8a при ближайшем рассмотрении оказался тандемно расположенной парой PLE, сходных на 89%. Первый элемент пары фланкирован двумя инвертированными КП длиной l86 п.н. Второй имеет на З'-конце один укороченный КП длиной 98 п.н. Вероятно, эта пара PLE была образована не одновременным, а последовательным встраиванием двух копий мобильного элемента.

Еще один вариант тандемной организации PLE-копий в геноме представлен парой Sj9a, где элементы расположены на противоположных цепях ДНК. Единственным Penelope-элементом из группы B с ORF, включающей в себя оба функциональных домена, является Sj9h. Он усечен с 5'-конца и фланкирован двумя сходными на 89,7% инвертированными повторами длиной 32l п.н.

Заключение

В настоящем исследовании мы применили новый подход к поиску PLE-элементов в полногеномной сборке,

автоматизировали его и оценили их представленность в геноме трематоды S. japonicum. Этот подход может быть использован для быстрого поиска PLE в геномах других гельминтов и беспозвоночных. В дальнейшем изучение полиморфизма Penelope-подобных ретротранспозонов может оказаться эффективным для выявления закономерностей макро- и микроэволюции шистосом, также для разработки методов популяционной и видовой диагностики и экологического мониторинга в природных очагах шистосоматозов человека и животных.

Благодарности. Авторы благодарят Шостак Н.Г. за ценные замечания при обсуждении данной работы.

Финансирование. Работа финансирована грантом РНФ № 14-14-00832.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES

1. Berriman M., Haas B.J., LoVerde P.T., Wilson R.A., Dillon G.P., Cerqueira G.C. et al. The genome of the blood fluke Schistosoma mansoni. Nature. 2009; 460 (7253): 352-8.

2. Zhou Y., Zheng H., Chen Y., Zhang L., Wang K., Guo J. et al. The Schistosoma japonicum genome reveals features of host-parasite interplay. Nature. 2009; 460 (7253): 345-51.

3. Young N.D., Jex A.R., Li B., Liu S., Yang L., Xiong Z. et al. Whole-genome sequence of Schistosoma haematobium. Nature Genet. 2012; 44 (2): 221-5.

4. Evgen'ev M.B., Zelentsova H., Shostak N., Kozitsina M., Barskyi V., Lankenau D.-H. et al. Penelope, a new family of transposable elements and its possible role in hybrid dysgenesis in Drosophila virilis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997; 94 (1): 196-201.

5. Volff J.-N., Hornung U., Schartl M. Fish retroposons related to the Penelope element of Drosophila virilis define a new group of retrotranspos-able elements. Mol. Gen. Genom. 2001; 265 (4): 711-20.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Arkhipova I.R., Pyatkov K.I., Meselson M., Evgen'ev M.B. Ret-roelements containing introns in diverse invertebrate taxa. Nature Genet. 2003; 33 (2): 123-4.

7. Arkhipova I.R. Distribution and phylogeny of Penelope-Like elements in eukaryotes. Syst. Biol. 2006; 55 (6): 875-85.

8. Arkhipova I.R., Yushenova I.A., Rodriguez F. Endonuclease-con-taining Penelope retrotransposons in the bdelloid rotifer Adineta vaga exhibit unusual structural features and play a role in expansion of host gene families. Mobile DNA. 2013; 4 (1): 1-12.

9. Chalopin D., Fan S., Simakov O., Meyer A., Schartl M., Volff J.-N. Evolutionary active transposable elements in the genome of the coelacanth. J. Exp. Zool. PtB: Mol. Dev. Evol. 2014; 322 (6): 322-33.

10. DeMarco R., Machado A.A., Bisson-Filho A.W., Verjovski-Almei-da S. Identification of 18 new transcribed retrotransposons in Schistosoma mansoni. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2005; 333 (1): 230-40.

11. Schostak N., Pyatkov K., Zelentsova E., Arkhipova I., Shagin D., Shagina I. et al. Molecular dissection of Penelope transposable element regulatory machinery. Nucl. Acids Res. 2008; 36 (8): 2522-9.

12. Cervera A., Peña M.D. la. Eukaryotic Penelope-Like Retroelements Encode Hammerhead Ribozyme Motifs. Mol. Biol. Evol. 2014; 31 (11): 2941-7.

13. Gladyshev E.A., Arkhipova I.R. Telomere-associated endonuclease-deficient Penelope-like retroelements in diverse eukaryotes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007; 104 (22): 9352-7.

14. Semyenova S.K., Chrisanfova G.G., Guliaev A.S., Yesakova A.P., Rysk-ov A.P. Structural and population polymorphism of RT-like sequences in avian schistosomes Trichobilharzia szidati (Platyhelminthes: Digenea: Schistosomatidae). BioMed Res. Int. 2015.

15. Korsunenko A.V., Chrisanfova G.G., Ryskov A.P., Movsessian S.O., Vasilyev V.A., Semyenova S.K. Detection of european Trichobilharzia schistosomes (T. franki, T. szidati, and T. regenti) based on novel genome sequences. J. Parasitol. 2010; 96 (4): 802-6.

16. Oliver K.R., Greene W.K. Transposable elements and viruses as factors in adaptation and evolution: an expansion and strengthening of the TE-Thrust hypothesis. Ecol. andEvol. 2012; 2 (11): 2912-33.

17. Mita P., Boeke J.D. How retrotransposons shape genome regulation. Curr. Opin. Genet. Dev. 2016; 37: 90-100.

18. Thomas M.C., Macias F., Alonso C., López M.C. The biology and evolution of transposable elements in parasites. Trends Parasitol. 2010; 26 (7): 350-62.

19. Smit A.F.A., Hubley R. RepeatModeler 0pen-1.0. 2008-2015. http: //www. repeatmasker. org

20. Price A.L., Jones N.C., Pevzner P.A. De novo identification of repeat families in large genomes. Bioinformatics. 2005; 21 (Suppl. 1): i351-8.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

21. Bao Z., Eddy S.R. Automated de novo identification of repeat sequence families in sequenced genomes. Genome Res. 2002; 12 (8): 1269-76.

22. Smit A.F.A., Hubley R., Green P. RepeatMasker 0pen-4.0. 20132015. http://www.repeatmasker.org.

23. Katoh K., Standley D.M. MAFFT multiple sequence alignment software Version 7: Improvements in performance and usability. Mol. Biol. Evol. 2013; 30 (4): 772-80.

24. Tamura K., Stecher G., Peterson D., Filipski A., Kumar S. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 6.0. Mol. Biol. Evol. 2013; 30 (12): 2725-9.

25. Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M. UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012; 28 (8): 1166-7.

26. Howe K.L., Bolt B.J., Cain S., Chan J., Chen W.J., Davis P. et al. WormBase 2016: expanding to enable helminth genomic research. Nucl. Acids Res. 2016; 44 (D1): D774-80.

27. Cock P.J.A., Antao T., Chang J.T., Chapman B.A., Cox C.J., Dalke A. et al. Biopython: freely available Python tools for computational molecular biology and bioinformatics. Bioinformatics. 2009; 25 (11): 1422-3.

28. Venancio T.M., Wilson R.A., Veijovski-Almeida S., DeMarco R. Bursts of transposition from non-long terminal repeat retrotranspo-son families of the RTE clade in Schistosoma mansoni. Int. J. Parasitol. 2010; 40 (6): 743-9.

29. Attwood S.W., Ibaraki M., Saitoh Y., Nihei N., Janies D.A. Comparative phylogenetic studies on Schistosoma japonicum and its snail intermediate host Oncomelania hupensis: origins, dispersal and coevolution. Webster J.P., editor. PLOSNegl. Trop. Dis. 2015; 9 (7): e0003935.

30. Lyozin G.T., Makarova K.S., Velikodvorskaja V.V., Zelentsova H.S., Khechumian R.R., KidwellM.G. et al. The structure and evolution of Penelope in the virilis species group of Drosophila: an ancient lineage of retroelements. J. Mol. Evol. 2001; 52 (5): 445-56.

Поступила 08.06.16 Guliaev A.S.12, Chrisanfova G.G.1, Semyenova S.K.1

PENELOPE-LIKE RETROTRANSPOSONS IN

THE GENOME OF ASIAN BLOOD FLUKE SCHISTOSOMA JAPONICUM (TREMATODA: SCHISTOSOMATIDAE)

institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russian Federation 2 A.N. Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russian Federation

Mobile genetic elements (in particular, retrotransposons) constitute a considerable part of eukaryotic genomes. These elements are one of the main sources of variability and instability. Although mobile genetic elements had been discovered more than 60 years ago, certain classes of these elements, such as Penelope-like elements (PLE) remain insufficiently understood. In this work, the results of in silico research into PLE of the S. japonicum genome (one of the most important human parasites from the epidemiological viewpoint) are presented. A new estimate of PLE in the S. japonicum genome was made. It was shown that their high heterogeneity presumably reflects several transposition events. Two groups of canonical PLE copies differing by the amino sequence in the domains RT and EN were found to be present in the Schistosoma genome. The data on the representation, structural features, and possible functional load and evolution of Penelope-like retroelements of the parasite are discussed. Keywords: Schistosomes, Schistosoma japonicum, mobile genetic elements, retrotransposons, Penelope-like elements, PLE

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

For citation: Guliaev A.S., Chrisanfova G.G., Semyenova S.K. Penelope-like Retrotransposons in the Genome of Asian Blood Fluke Schistosoma Japonicum (trematoda: Schistosomatidae). Molekul-yarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya (Molecular Genetics, Microbiology and Virology 2017; 35(1):20-25. (Russian). DOI 10.18821/0208-0613-2017-35-1-20-25.

For correspondence: Andrei Sergeievich Guliaev, Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russian Federation; E-mail: guliaev@genebiology.ru

Acknowledgments. This work was supported by the Russian Science Foundation (Grant №14-14-00832).

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.