CC BY
6
РФФИ (проект № 20-54-53018 ГФЕН_а) и выполнено им в рамках этого проекта.
Список литературы
1. Russel S.J. Oncolytic virotherapy / S.J. Russel, K.W. Peng, J.C. Bell // Nat. Biotechnol. 2012. V. 30. P. 658-672.
2. Adderson E. Safety and immunogenicity of an intranasal Sendai virus-based human parainfluenza virus type 1 vaccine in 3- to 6-year-old children / E. Adderson, K. Branum, R.E. Sealy, B.G. Jones, S.L. Surman, R. Penkert, et al. // Clin. Vaccine. Immunol. 2015. V. 22. P. 298-303.
3. Schirrmacher V. Oncolytic Newcastle disease virus as a prospective anti-cancer therapy. A biological agent with potential to break therapy resistance / V. Schirrmacher // Expert. Opin. Biol. Ther. 2015. V. 15. P. 1757-1771.
4. Zamarin D. Oncolytic Newcastle disease virus for cancer therapy / D. Zamarin, P. Palese // Future Microbiol. 2012. V. 7. P. 347367.
5. Nguyen L.-T. IQ-TREE: A fast and effective stochastic algorithm for estimating maximum likelihood phylogenies / L.-T. Nguyen, H.A. Schmidt, A. von Haeseler, B.Q. Minh // Mol. Biol. Evol. 2015. V. 32. P. 268-274.
6. Hoang D.T. UFBoot2: Improving the ul-trafast bootstrap approximation / D.T. Hoang, O. Chernomor, A. von Haeseler, B.Q. Minh, L.S. Vinh // Mol. Biol. Evol. 2018. V. 35. P. 518-522.
7. Saitou N. The neighbor-joining method: A new method for reconstructing phylogenet-ic trees / N. Saitou, M. Nei // Mol. Biol. Evol. 1987. V. 4. P. 406-425.
8. Tamura K. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 6.0 / K. Tamura, G. Stecher, D. Peterson, A. Filipski, S. Kumar // Mol. Biol. Evol. 2013. V. 30. P. 2725-2729.
9. Sorensen T. A method of establishing groups of equal amplitude in plant sociology based on similarity of species content / T. Sorensen // Kongelige Danske Videnskaber-nes Selskab. Biol. krifter. 1948. V. 4. P. 1-34.
DOI: 10.34617/bche-gz73 УДК 578.81
РЕКОНСТРУКЦИИ ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ МЕЖДУ SV1-РОДСТВЕННЫМИ АКТИНОФАГАМИ
Киселев Сергей Сергеевич1, канд. биол. наук Зимин Андрей Антонович2, канд. биол. наук Лу Иньхуа3, PhD Biol. Sci.
Панюков Валерий Васильевич4, канд. физ.-мат. наук
1Институт биофизики клетки РАН - обособленное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН», г. Пущино, Российская Федерация 2Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН - обособленное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН», г. Пущино, Российская Федерация
3Колледж наук о жизни, Педагогический университет Шанхая, г. Шанхай, Китай 4Институт математических проблем биологии РАН - филиал ФИЦ «Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН», г. Пущино, Российская Федерация
В данной работе исследована таксономия десяти SV1-подобных актинофагов, хозяевами которых являются бактерии рода Streptomyces, с использованием методов
анализа полных геномов. С помощью метода полногеномного выравнивания было показано, что кластер актинофагов SV1, Ididsumtinwong, PapayaSalad, Bioscum и Austintatious представляет собой новую близкородственную группу и может быть предложен в таксономии вирусов как новый род актинофагов. Филогенетическое дерево, построенное при помощи подхода на основании попарного сравнения геномов без использования выравнивания, сопоставимо с деревом, полученным благодаря методу полногеномного выравнивания.
Ключевые слова: k-меры; актинофаги; полногеномное выравнивание; методы без использования выравнивания
RECONSTRUCTIONS OF PHILOGENETIC RELATIONSHIPS BETWEEN SV1-RELATED ACTINOPHAGES
Kiselev Sergey Sergeevich1, PhD Biol. Sci. Zimin Andrey Antonovich2, PhD Biol. Sci. Lu Ynhua3, PhD Biol. Sci.
Panyukov Valery Vasilievich4, PhD Phys.-Math. Sci.
1Institute of Cell Biophysics of the Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russian Federation
2G.K. Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Russian Academy of Sciences,
Pushchino, Russian Federation
3College of Life Sciences, Shanghai Normal University, Shanghai, China
4Institute of Mathematical Problems of Biology RAS - the Branch of Keldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russian Federation
In this work, we studied the taxonomy of ten SV1-like actinophages of bacteria of the genus Streptomyces, based on methods for the analysis of complete genomes. Using the whole-genome alignment method, it was shown that the cluster of actinophages SV1, Ididsumtinwong, Papaya Salad, Bioscum and Austintatious is a new closely related group which can be proposed in the taxonomy of viruses as a new genus of actinophages. It is shown that a phylogenetic tree inferred with the approach based on alignment-free pairwise comparison of genomes is comparable to a tree obtained using the whole-genome alignment method.
Key words: k-mers; actinophages; whole-genome alignment; alignment-free methods
Бактериофаги являются наиболее распространенными и разнообразными генетическими объектами на планете Земля. Несмотря на это, было высказано предположение, что все фаги с двухцепо-чечной ДНК совместно используют один и тот же генофонд. Понимание механизмов, с помощью которых фаги генерируют такое огромное разнообразие, все еще остается проблемой, но факторы отбора и адаптации к росту у различных бактериальных хозяев явно оказывают сильное влияние. Актинобактерии, особенно из рода Streptomyces, обладают замечательной способностью синтезировать разнообразные вторичные метаболиты всех основных классов. Действительно, 70 %
клинически полезных антибиотиков было выделено из Streptomyces spp. Генетические инструменты, полученные из фагов Streptomyces, были неоценимы в исследованиях, направленных на понимание фундаментальной биологии этих бактерий и на управление путями биосинтеза антибиотиков. Ряд фагов Streptomyces относится к семейству Siphoviridae, то есть обладают длинными, гибкими, не сокращающимися хвостами. Мы представляем доказательства того, что кластер актино-фагов SV1, Ididsumtinwong, PapayaSalad, Bioscum и Austintatious представляет собой близкородственную группу семейства Siphoviridae и может предложен в таксономии вирусов как новый род актино-
фагов. Для бактериофага SV1, основного представителя этой группы актинофагов, показана способность к общей или генерализованной трансдукции [1]. Можно предположить, что все представители новой группы актинофагов обладают подобным свойством.
Методика исследований. Для поиска геномов бактериофагов, гомологичных SV1, использовалась программа BLASTn, при этом поиск осуществлялся только среди геномов хвостатых фагов (tailed phages). Полногеномное выравнивание было выполнено в программе Mauve (версия 2.4.0), оно в дальнейшем использовалось для построения филогенетического дерева с помощью метода максимального правдоподобия в программе IQ-TREE (версия 1.6.12). Оптимальная модель нук-леотидных замен была подобрана авто-
Все найденные геномы бактериофагов имеют следующее таксономическое положение: Viruses; царство - dsDNA viruses, класс - no RNA stage; отряд -Caudovirales; семейство - Siphoviridae. Минимальная степень покрытия при этом была равна 54 %. Хозяевами всех фагов были бактерии, являющиеся представителями рода Streptomyces. Длина геномов варьировалась в диапазоне от 36213 до 40785 нуклеотидных пар, степень идентичности с геномом фага SV1 по результатам BLASTn составляла от 71,6 % до 89,7 %. Все геномы являются GC-богатыми (GC-состав от 71,8 % до 72,69 %).
матически с помощью встроенного в IQ-TREE теста, ей оказалась GTR+G+I. Уровень поддержки ветвей определяли с помощью 2000 итераций «сверхбыстрого бутстреп-анализа» (ultrafast bootstrap). Для получения матрицы попарных расстояний между геномами бактериофагов по используемым k-мерам применяли программу собственной разработки GnmDistUsKm. Затем на основе данной матрицы расстояний было построено филогенетическое дерево в программе MEGA 6 с помощью метода присоединения ближайших соседей.
Результаты исследований и их обсуждение. С помощью BLASTn в базе данных NCBI GenBank было обнаружено 9 бактериофагов, гомологичных SV1 (табл. 1).
Для 10 обнаруженных геномов бактериофагов было сделано полногеномное выравнивание в программе Mauve. Данное выравнивание использовалось для построения филогенетического дерева в программе IQ-TREE с помощью метода максимального правдоподобия [2]. При этом было обнаружено, что оптимальной моделью нуклеотидных замен являлась GTR+G+I c 5 категориями для учёта разных скоростей эволюции и инвариантными сайтами. Полученное филогенетическое дерево показано на рис. 1.
Таблица 1 - Геномы бактериофагов Streptomyces, гомологичные SV1
№ доступа в GenBank Название Длина генома, н.п. GC-состав, %
JX182371.1 SV1 37612 72,69
KY092479.1 Ididsumtinwong 37817 72,37
KY092480.1 Picard 39522 72,6
KY092481.1 PapayaSalad 38411 72,64
KY092482.1 Mojorita 38496 72,54
KY092483.1 Bioscum 37830 72,34
KY092484.1 Raleigh 40785 71,8
KY676784.1 ToastyFinz 39693 72,51
MH825699.1 Darolandstone 40725 72,31
MK305888.1 Austintatious 36213 72,6
Рисунок 1 - Филогенетическое дерево, построенное методом максимального правдоподобия на основе выравнивания из программы Mauve. Хозяевами всех фагов являются бактерии рода Streptomyces. Значения бутстреп-поддержки в процентах от 2000 реплик «ultrafast bootstrap» [3] приведены рядом с узлами ветвления. На масштабной линейке отражено число нуклеотидных замен на позицию.
Второе дерево было построено с помощью подхода, свободного от выравнивания (alignment-free). При этом учитывались все варианты используемых в геномах к-меров, т.е. коротких нуклеотидов длиной к оснований. Анализировались все к-меры со сдвигом в 1 нуклеотид; прямая последовательность и инвертированная комплементарная считались идентичными. Оптимальный размер к для данных геномов был равен 9. Для каждой пары геномов было определено сходство по формуле Сёренсена [4] с помощью про-
граммы собственной разработки GnmDis-tUsKm. Затем матрица сходства переводилась в матрицу расстояний по формуле dist = 1 - sim, где dist — расстояние между двумя геномами, а sim — сходство по Сёренсену. Эта матрица расстояний использовалась на входе алгоритма присоединения ближайших соседей [5], реализованного в MEGA 6 [6]. На рис. 2 представлено полученное филогенетическое дерево.
Рисунок 2 - Филогенетическое дерево, построенное с помощью метода присоединения ближайших соседей на основе попарного сравнения геномов актинофагов по используемым 9-мерам. На масштабной линейке отражено различие между геномами в процентах.
Деревья, приведённые на рис. 1 и рис. 2, незначительно отличаются по топологии. Геном фага SV1 попал в группу с 4 другими геномами (Ididsumtinwong, Bi-oscum, Austintatious, PapayaSalad) на дереве, полученном на основе полногеномного выравнивания с использованием метода максимального правдоподобия (рис. 1), причём уровень бутстреп-поддержки для данного кластера составил 100 %. Необходимо отметить, что группа из 4 указанных геномов удалена по числу накопившихся нуклеотидных замен от SV1 и для неё уровень бутстреп-поддержки тоже равен 100%. Однако фаг SV1 оказался внутри отдельной клады с фагами Picard и Mojorita на дереве, построенном на основе матрицы расстояний по используемым в геномах 9-мерам с помощью метода присоединения ближайших соседей (рис. 2). Оставшаяся клада из 3 геномов (Raleigh, Dorolandstone и ToastyFinz) выделилась на обоих деревьях. В свою очередь, если рассматривать кластеризацию на более крупном уровне, то группа из 7 геномов (Ididsumtinwong, Bioscum, Austin-tatious, PapayaSalad, SV1, Picard и Mojorita) тоже идентична по своему составу, но отличается по степени близости фага SV1 к той или иной подгруппе. Вполне вероятно, что этот эффект обусловлен небольшим количеством геномов анализируемых фагов, найденных в GenBank.
Выводы. Методы анализа нуклео-тидных последовательностей, свободные от выравниваний, в частности, на основе попарных сравнений геномов по используемым k-мерам, можно применять для реконструкции филогенетических отношений между организмами.
Работа частично поддержана средствами гранта РФФИ (проект № 18-0700899). Исследование для Зимина А.А. частично поддержано бюджетом ИБФМ РАН и частично поддержано для него же грантом РФФИ (проект № 20-54-53018 ГФЕН_а) и выполнено им в рамках этого проекта.
Список литературы
1. Vats S. Transductional analysis of chloramphenicol biosynthesis genes in Strepto-myces venezuelae / S. Vats, C. Stuttard, L.C. Vining // J. Bacteriol. 1987. V. 169. P. 38093813.
2. Nguyen L.-T. IQ-TREE: A fast and effective stochastic algorithm for estimating maximum likelihood phylogenies / L.-T. Nguyen, H.A. Schmidt, A. von Haeseler, B.Q. Minh // Mol. Biol. Evol. 2015. V. 32. P. 268-274.
3. Hoang D.T. UFBoot2: Improving the ul-trafast bootstrap approximation / D.T. Hoang, O. Chernomor, A. von Haeseler, B.Q. Minh, L.S. Vinh // Mol. Biol. Evol. 2018. V. 35. P. 518-522.
4. Sorensen T. A method of establishing groups of equal amplitude in plant sociology based on similarity of species content / T. Sorensen // Kongelige Danske Videnskaber-nes Selskab. Biol. krifter. 1948. V. 4. P. 1-34.
5. Saitou N. The neighbor-joining method: A new method for reconstructing phylogenet-ic trees / N. Saitou, M. Nei // Mol. Biol. Evol. 1987. V. 4. P. 406-425.
6. Tamura K. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 6.0 / K. Tamura, G. Stecher, D. Peterson, A. Filipski, S. Kumar // Mol. Biol. Evol. 2013. V. 30. P. 2725-2729.
