научная статья по теме АМПЛИФИКАЦИЯ ГЕНОВ ДЕВЯТОГО СЕМЕЙСТВА ЦИТОХРОМОВ P450 ЧЕРНОГО САДОВОГО МУРАВЬЯ LASIUS NIGER КАК ПРЕАДАПТАЦИЯ К УРБАНИЗИРОВАННЫМ БИОТОПАМ Биология

Текст научной статьи на тему «АМПЛИФИКАЦИЯ ГЕНОВ ДЕВЯТОГО СЕМЕЙСТВА ЦИТОХРОМОВ P450 ЧЕРНОГО САДОВОГО МУРАВЬЯ LASIUS NIGER КАК ПРЕАДАПТАЦИЯ К УРБАНИЗИРОВАННЫМ БИОТОПАМ»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 3, с. 455-460

= МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЛОГЕНЕТИКА =

УДК 575.826

АМПЛИФИКАЦИЯ ГЕНОВ ДЕВЯТОГО СЕМЕЙСТВА ЦИТОХРОМОВ P450 ЧЕРНОГО САДОВОГО МУРАВЬЯ Lasius niger КАК ПРЕАДАПТАЦИЯ К УРБАНИЗИРОВАННЫМ БИОТОПАМ © 2015 г. Е. А. Коноров1*, М. А. Никитин2

биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119234 2Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119992

Поступила в редакцию 12.11.2014 г.

Принята к печати 23.12.2014 г.

Муравьи — одна из древнейших и успешнейших групп эусоциальных животных, распространенных повсеместно. К 2014 году были определены нуклеотидные последовательности геномов восьми видов муравьев, у которых на геномном уровне изучали причины экологического успеха, механизмы кастовой дифференциации и социальной коммуникации. У муравьев значительно увеличено число генов цитохро-мов P450, вовлеченных в метаболизм ксенобиотиков и эндогенных соединений. Известны субстраты, метаболизируемые некоторыми семействами цитохромов P450, но при этом функции девятого семейства, одного из наиболее амплифицированных, остаются неизвестными. Черный садовый муравей Lasius niger — один из видов, успешно приспособившихся к жизни в городе. C целью изучения механизмов подобной адаптации определена и аннотирована нуклеотидная последовательность генома L. niger, а также методом виртуального скрининга предсказаны функции генов цитохромов Р450 девятого семейства. Полученные данные позволяют предположить, что цитохромы P450 участвуют в метаболизме различных ксенобиотиков — фитотоксинов, микотоксинов и инсектицидов. Мы считаем, что функциональная дивергенция новых дупликаций генов цитохромов P450 девятого семейства изначально была направлена на формирование устойчивости к различным микотоксинам, в частности, вырабатываемым грибами рода Fusarium, а в дальнейшем и к другим ксенобиотикам.

Ключевые слова: цитохром P450, виртуальный скрининг, Lasius niger, муравьи.

THE AMPLIFICATION OF СYP9 GENES AS PREADAPTATION OF BLACK GARDEN ANT Lasius niger TO URBAN CONDITIONS, by E. A. Konorov1*, M. A. Nikitin2 (1Biology Department, Moscow State University, Moscow, 119234 Russia; 2Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Moscow State University, Moscow, 119992 Russia; *e-mail: casqy@yandex.ru). Ants, one of the oldest and successful groups of eusocial animals, are spread all over the world. Draft genomes of eight ant species were known till 2014. The mechanisms of ants' ecological success, cast differentiation and social communication were studied at genomic level. Ants contain the amplified genes of cytochrome P450 involved in metabolism of xenobiotics and various endogenic substances. Functions of most cytochrome P450 families are known, but not of the mostly amplified ninth family. Black garden ant Lasius niger successfully adapted to dwelling in urban conditions. We read and annotated the nucleotide sequence of L. niger genome and predict functions of L. niger CYP9 using virtual screening method. Obtained data allow us to suggest that CYP9 is involved in metabolism of xenobiotics such as phytotoxins, mycotoxins and insecticides. We suggest that divergence of functions of new CYP9 duplications was originally aimed at adapting to various mycotoxins, in particular, produced by Fusarium genus, and later to other xenobiotics.

Keywords: cytochrome P450, virtual screening, Lasius niger, ants. DOI: 10.7868/S0026898415030106

Черный садовый муравей Ьазшз niger (сем. Бог-ше1ёае, п/сем. Рогш1етае) — палеарктический вид, распространенный от Португалии и Великобритании до Монголии и центральной части Си-

* Эл. почта: casqy@yandex.ru

бири. Ь. niger обитает в различных биотопах и является полифагом: может питаться мертвыми и живыми насекомыми, значительную часть его рациона составляют выделения тлей. Ь. niger успешно существует в городских условиях и преобладает в условиях техногенной и рекреацион-

ной нагрузки [1], причем при небольшом рекреационном прессе численность этого вида даже несколько увеличивается [2]. Из-за этих особенностей L. niger был выбран в качестве объекта для полногеномного исследования.

К маю 2014 года были определены нуклеотид-ные последовательности геномов восьми видов муравьев [3, 4]. Особое внимание мы уделили системам, связанным с внутривидовой коммуникацией, а также системам детоксикации как средствам обезвреживания ксенобиотиков. Такой выбор обусловлен тем, что у муравьев значительно увеличено число генов цитохромов P450, вовлеченных в метаболизм ксенобиотиков, синтез стероидных гормонов, химическую коммуникацию и другие процессы [4]. У насекомых амплификации подвергаются в основном гены трех семейств цитохромов P450: четвертого (CYP4), шестого (CYP6) (например, у Camponotus florida-nus, [5]) и девятого (CYP9) — у мучного хрущака Tri-bolium castaneum и наездника Nasonia vitripennus [6]. CYP4 участвуют в окислительном метаболизме жирных кислот [7], CYP6 метаболизируют ксенобиотики различного происхождения [7]. Функции генов, принадлежащих к некоторым подсемействам CYP9, также известны [8], однако гены охарактеризованных подсемейств у муравьев не найдены. Таким образом, биологическая роль CYP9, амплифицированных у некоторых муравьев, остается неизвестной.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Муравьев для секвенирования ДНК отлавливали на территории МГУ (189 особей) и в Истринском районе Московской области (221 особь). Библиотеки геномной ДНК были приготовлены и прочтены как парноконцевые чтения длиной 100 п.н. на Illumina HiSeq. Всего получено 423 млн чтений ДНК из объединенных библиотек.

Нуклеотидная последовательность генома собрана с помощью программы SPAdes [9]. Получена последовательность общей длиной 245 млн п.н. в 41406 контигах. N50 данной сборки составлял 16382 п.н.

Программу AUGUSTUS [10], обученную на выборке генов наездника N. vitripennis, применили для предсказания генов в обеих цепях, при этом частичные гены не отсеивали. С помощью программ blastp и blast2GO аннотированы предсказанные аминокислотные последовательности. Нуклеотидные последовательности выровнены в программе MEGA6.0 с помощью алгоритма ClustalW, филогенетические деревья построены методом максимального правдоподобия (MEGA6.0, модель Тамуры—Нея) с бутстреп-ана-лизом (500 реплик). Нуклеотидные последовательности геномов других видов взяты из баз дан-

ных геномов перепончатокрылых (hymenopter-agenome.org) [11].

Для моделирования пространственной структуры предсказанных белков L. niger g7627 (CYP9) по аминокислотным последовательностям методом протягивания использовали программу I-TASSER, поскольку структура цитохромов P450 девятого семейства ранее не была изучена.

Предсказанные белки семейства CYP9 — g7628, g5510, g3384, g6437, g9157 были выровнены по предсказанной последовательности g7627 (ClustalW, MEGA6.0) и на основании модели g7627 смоделированы по гомологии с помощью программы modeller9.13 [12], входящей в пакет UCSF Chimera. Затем с помощью той же программы оптимизировали структуру петель в области предполагаемого активного центра.

Во все модели с помощью программы Autodock Vina [13], встроенной в пакет UCSF Chimera, помещали гем (модель ZINC26671872 из базы данных ZINC) так, чтобы атом железа находился рядом с остатком цистеина из мотива Phe-X-X-Gly-X-Arg-X-Cys-X-Gly. Затем в приложении Swiss -PdbViewer из модели удаляли все, кроме гема и окружающих его аминокислотных остатков на расстоянии 10 Á, получая предполагаемые активный центр и лигандсвязывающий карман. Был проведен молекулярный докинг каждой модели (включающей только гем и аминокислотные остатки на расстоянии 10 Á от него) и последующий виртуальный скрининг с помощью программы iGEMDOCK (параметры запуска "эволюционного" алгоритма программы iGEMDOCK: "размер популяции" — 300, число "поколений" — 80) [14]. Получено 10 решений совместного пространственного расположения и взаимодействия каждой пары белок—лиганд. Далее были отобраны комплексы, в которых лиганд находится над плоскостью гема (с обратной стороны от стабилизирующего железо цистеина) и не перекрывается с ним или петлями белка, а также комплексы со свободной энергией менее —120 кал/моль. Последнее ограничение введено с учетом данных, полученных с использованием iGEMDOCK [15, 16]. Это значение несколько ниже, чем у веществ, связывание которых с белком подтверждено экспериментально, однако оно позволяет избежать многих ложноположительных результатов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Оказалось, что у L. niger гены цитохромов P450 характеризуются высоким уровнем дупликации. Обнаружены 72 последовательности, аннотированные нами как гены цитохромов P450, принадлежащие к 11 семействам. У других видов муравьев и медоносной пчелы Apis mellifera число генов цитохромов P450 колеблется от 36 до 56, за

исключением C. floridanus, у которого их 76, и который так же, как и L. niger, относится к подсемейству Formicinae.

Амплификации подверглись в основном гены девятого семейства цитохромов P450 (CYP9). Число генов этого семейства у L. niger больше, чем у остальных муравьев, A. mellifera и наездника N. vitripennis из семейства Pteromalidae. У L. niger найдено 19 полных и 21 неполный ген CYP9, кодирующий больше половины продукта. У остальных муравьев и A. mellifera число генов семейства CYP9 не превышает 16, все они относятся к подсемейству CYP9E.

Избежать сравнения нефункциональных генов с функциональными помогло использование для построения деревьев последовательностей CYP9 длиной более 250 аминокислотных остатков с мотивом Phe-X-X-Gly-X-Arg-X-Cys-X-Gly, необходимым для стабилизации гема. Филогенетическое дерево было построено (рис. 1) для 29 генов CYP9 L. niger, 10 генов C. floridanus, 59 генов других муравьев, трех генов A. mellifera, шести генов N. vitripennis.

Далее были предсказаны структуры шести цитохромов P450 девятого семейства из разных поддеревьев (g3383, g6437 — из поддерева I, g5510 и g9157 —из поддерева II и g7627 и g7628 — из поддерева III,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»