ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 10, с. 1388-1395
^=ОБЩАЯ
ГЕНЕТИКА
УДК 577.2:595.773.4
ЭВОЛЮЦИЯ ЭРРАНТИВИРУСОВ Drosophila melanogaster. СТРАТЕГИЯ 2: ОТ РЕТРОВИРУСОВ К РЕТРОТРАНСПОЗОНАМ
© 2007 г. Л. Н. Нефедова, А. И. Ким
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра генетики, Москва 119992;
факс: (495) 939-43-09; e-mail: aikim57@mail.ru Поступила в редакцию 13.03.2007 г.
Ретротранспозоны Drosophila melanogaster группы gypsy потенциально являются эррантивирусами. Их инфекционные свойства обусловлены функциональностью третьей открытой рамки считывания (ОРС3), кодирующей белок Env, которую они, по-видимому, приобрели у бакуловирусов. Мобильные генетические элементы (МГЭ) группы gypsy условно можно разделить на три подгруппы: с тремя ОРС, с неполноценной ОРС3 и без ОРС3. С целью установления путей эволюции ретро-транспозонов группы gypsy D. melanogaster проанализированы элементы перечисленных подгрупп. Анализ структуры ретротранспозонов opus и rover, имеющих неполноценные ОРС3, а также ретро-транспозонов Burdock, McClintock, qbert и HMS-Beagle, не имеющих ОРС3, свидетельствует о том, что эволюция этих МГЭ идет по пути утраты ОРС3. В то же время МГЭ той же подгруппы Transpac может представлять собой предковую форму, которая приобрела ген env и дала начало первым эр-рантивирусам. Захват ретротранспозонами ОРС3 способствовал их переходу в качественно новое состояние. Однако ОРС3 не находится под жестким давлением отбора в геноме, поскольку она не является необходимой для внутригеномной транспозиции, и поэтому процесс ее постепенной утраты представляется вполне естественным и закономерным.
Значительную часть повторяющейся ДНК в геномах эукариот составляют мобильные генетические элементы (МГЭ) [1]. Особый интерес среди них представляют ретроэлементы, которые, по-видимому, являются предками ретровирусов [2]. Ретроэлементы широко распространены в геномах эукариот, но встречаются также и у прокариот [3]. Их основной компонент - ген обратной транскриптазы, контролирующий транспозицию МГЭ этой группы за счет обратной транскрипции.
Важное место в ряду ретроэлементов занимают ретротранспозоны группы gypsy Drosophila melanogaster. Эти ретротранспозоны имеют длинные концевые повторы (ДКП) и две или три открытые рамки считывания (ОРС). ОРС1 ретротранспозонов (гомологичная гену gag ретровирусов) кодирует белки капсида, ОРС2 (гомологичная гену pol ретровирусов) - протеазу, обратную транскрип-тазу, РНКазу-Н и интегразу. ОРС3 кодирует продукт, гомологичный ретровирусному белку Env. Таким образом, по структуре ретротранспозоны группы gypsy напоминают интегрированные в геном формы эндогенных ретровирусов (провиру-сы) позвоночных. Инфекционность этих МГЭ обусловлена наличием функциональной ОРС3, продукт которой ответствен за этапы узнавания клеточных рецепторов и проникновения вируса в клетку [4]. Инфекционные свойства обнаружены у ретротранспозонов D. melanogaster gypsy [4, 5], ZAM и Idefix [6]. Это первые ретровирусы беспозвоночных. Они получили название "эррантиви-
русы" - эндогенные ретровирусы насекомых и под этим названием включены в международную классификацию вирусов [7].
Большинство ретротранспозонов с ДКП относятся к группам copia или gypsy. Представители этих двух групп различаются, в первую очередь, строением ОРС2. Ранее было показано, что ретровирусы позвоночных и структурно близкие к ним ретротранспозоны группы gypsy имеют большое сходство в организации ОРС2 и ОРС3 [8]. В то же время МГЭ группы copia D. melanogaster не имеют ОРС3, и их можно было бы считать промежуточной или тупиковой ветвью эволюции ретровирусов. Однако не так давно у растений были обнаружены первые эндогенные ретровирусы группы copia [9], отличающиеся по строению от типичных ретровирусов позвоночных.
В настоящее время все большее признание приобретает гипотеза происхождения ретровирусов от ретротранспозонов [2]. В то же время не менее убедительной выглядит гипотеза, согласно которой ретротранспозоны можно рассматривать как ретровирусы, некогда внедрившиеся в эукариотический геном и потерявшие способность перемещаться либо в результате подавления их перемещений хозяйскими генами, либо вследствие накопления мутаций как в их собственной структуре, так и в хозяйском геноме. Присутствие в геноме структурно различных семейств ретротранспозонов, в том числе ретротранспозонов без ДКП или ретротранспозонов с
двумя ОРС, не противоречит обеим гипотезам. В то же время многие обнаруженные в геноме варианты ретротранспозонов нельзя считать продуктами деградации вирусов, поскольку они обладают уникальной, не свойственной вирусам, структурой. Обнаруженные в геномах прокариот примитивные ретроэлементы также свидетельствуют в пользу гипотезы эволюции ретровиру-сов от ретроэлементов [3]. В результате сравнительного анализа последовательностей белков Gag и Env ретротранспозонов с ДКП D. melanogaster нам удалось показать, что эволюционно ре-тротранспозоны могут иметь двойное происхождение.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исходные данные. Последовательность генома D. melanogaster размещена в базах данных Berkeley Drosophila Genome Project (BGDP) (http:// www.fruitfly.org/) и FlyBase (http://flybase.bio.indiana. edu/). Информация об аннотированных нуклео-тидных последовательностях копий МГЭ приведена в базе данных GenBank (http://www.ncbi. nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=Nucleotide). Проанализированы последовательности 17 ретротранспозонов D. melanogaster: gypsy, ZAM, Idefix, Tirant, opus, springer, Quasimodo, 17.6, 297, rover, Burdock, qbert, HMS-Beagle, McClintock, Transpac, copia, 1731. Номера использованных нуклеотид-ных последовательностей приведены в табл. 1. Номенклатура генов и МГЭ использована в соответствии с приведенной в базе данных FlyBase. Дополнительно в анализе последовательностей белков Gag использованы записи GenBank: HIV-1 (BAF31423), HIV-2 (AAA76840), MuLV (AAC82566), SIV (AAA91922), FIV (CAA48157); в анализе белков Env использованы записи GenBank: SENV (AAF33579) и LDPNV (AAC70316).
Анализ нуклеотидных последовательностей копий rover и opus. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей копий МГЭ rover и opus проводили с помощью программы Clustal W (http://www.ebi.ac.uk/clustalw/).
Последовательность МГЭ opus AY180918 не содержит аннотированной в базах данных ОРС3. Трансляция любой гипотетической ОРС в районе ее предполагаемой локализации не дает продукта размером более 141 аминокислотного остатка (вследствие накопления большого количества стоп-кодонов). Мы реконструировали последовательность ОРС3 opus. Размер этой ОРС3 составляет 714 пн, она локализована в районе 6260-6973 пн нуклеотидной последовательности opus (AY180918). ОРС3 содержит стоп-кодон (247249 пн), который игнорировался нами в сравнительном анализе белков Env. Кодируемый ею гипотетический продукт, по данным программы BLASTP (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/),
Таблица 1. Последовательности ретротранспозонов D. melanogaster, использованные для анализа
Название Номер в GenBank
gypsy AF033821
ZAM AJ000387
Idefix AJ009737
Tirant AY928610
opus AY180918
springer AF364549
Quasimodo AF364550
17.6 X01472
297 X03431
rover AF492764
Burdock U89994
qbert AF541947
HMS-Beagle AF365402
McClintock AF541948
Transpac AF222049
copia X02599
1731 X07656
проявляет значительное сходство с белками Env ретротранспозонов группы gypsy.
Анализ аминокислотных последовательностей, кодируемых ОРС ретротранспозонов. Множественное выравнивание аминокислотных последовательностей проводили с использованием программы Clustal W. Построение филогенетических деревьев проводили с использованием программы TreeTop (http://www.genebee.msu.su/services/ phtree_reduced.html).
Для поиска консервативных доменов в последовательностях белков использовали базу белков Protein family (Pfam; версия 20.0, Saint Louis) (http:// pfam.wustl.edu/hmmsearch.shtml). Поиск консервативных мотивов в аминокислотных последовательностях осуществляли с помощью программ MEME и MAST (http://meme.sdsc.edu/meme/ meme.html).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Филогенетический анализ ретротранспозонов
группы gypsy D. melanogaster, основанный на сравнении последовательностей белков Env
В настоящее время анализ секвенированного генома D. melanogaster позволяет выделить как минимум десять различных семейств ретротранспозонов, имеющих структуру, принципиально сходную с МГЭ gypsy и характеризующуюся наличием трех ОРС. К мобильным элементам группы gypsy помимо него самого относятся ZAM, Ide-
Таблица 2. Ретротранспозоны группы gypsy D. mela-nogaster
Название Размер МГЭ (пн) Число копий МГЭ в геноме1 Размер Env (а.о.)3
17.6 7439 8-17 472
297 6995 18-35 471
gypsy 7469 1-5 483
Idefix 7411 4-20 510
opus 7521 12-23 2374
Tirant 8526 3-16 487
ZAM 8435 0-15 551
rover 7318 32 250
Quasimodo 7387 52 518
springer 7546 52 425
1 Согласно данным, приведенным в статье Kaminker et al. [10].
2 Данные о числе копий, полученные в геномном проекте BDGP, данных о числе копий в других линиях нет.
3 Приведены размеры предполагаемых продуктов Env для всех элементов, кроме gypsy и ZAM.
4 Восстановленный гипотетический продукт (см. "Материалы и методы").
fix, Tirant, opus, springer, Quasimodo, 17.6,297 и rover. МГЭ Quasimodo и rover - это новые МГЭ, обнаруженные в геноме D. melanogaster недавно путем биоинформатического анализа [10]; сведения об остальных были получены в экспериментальных работах. Все эти элементы можно отнести к эрран-тивирусам дрозофилы - реальным (gypsy, ZAM, Idefix) и потенциальным (все остальные). Их основные характеристики приведены в табл. 2.
Известно, что у ретровирусов позвоночных ген env кодирует субъединицу SU, которая обеспечивает адсорбцию вирусной частицы на поверхности клеточной мембраны путем связывания ее специфических рецепторов, и трансмембранную субъединицу TM, которая способствует проникновению вируса в клетку [11]. Белок Env ре-тротранспозонов группы gypsy является мембранным белком с двумя трансмембранными спиралями, лидерным пептидом и сайтами гликозилирова-ния, как и типичный белок Env ре
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.