МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, том 43, № 5, с. 807-817
УДК 577.2:595.773.4
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЛОГЕНИЯ И СИСТЕМАТИКА РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ И РЕТРОВИРУСОВ ДРОЗОФИЛЫ
© 2009 г. Л. Н. Нефедова, А. И. Ким*
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
Москва, 119992 Поступила в редакцию 16.12.2008 г.
Принята к печати 26.01.2009 г.
вставлена полная классификация семейств ретротранспозонов с длинными концевыми повторами (ДКП-ретротранспозонов) Drosophila melanogaster. Проведен их эволюционный анализ в секвени-рованных геномах разных видов дрозофилы и других членистоногих. ДКП-ретротранспозоны D. melanogaster распределены нами по трем группам: gypsy (одна, две и три открытых рамки считывания - ОРС), copia (одна ОРС), BEL (одна ОРС). В группе gypsy нами выделены три подгруппы. Подгруппа I представлена ретротранспозонами-ретровирусами с тремя ОРС и их производными, потерявшими ген env (OPC3). Подгруппа II состоит из ретротранспозонов с двумя ОРС, подгруппа III -из ретротранспозонов с одной ОРС. Сравнительный анализ гомологов ДКП-ретротранспозонов группы gypsy в секвенированных геномах разных видов членистоногих показал, что подгруппы I и II присутствуют только в геномах насекомых отрядов Lepidoptera и Diptera. Ретротранспозоны группы gypsy с одной и двумя ОРС обособлены в геномах практически всех членистоногих. Большинство семейств ретротранспозонов группы gypsy у D. melanogaster имеют близких гомологов в геномах других видов дрозофил, причем степень идентичности нуклеотидных последовательностей ретротранспозонов коррелирует со степенью родства видов, что, по-видимому, свидетельствует о вертикальной передаче ретротранспозонов. Очевидны также случаи горизонтального переноса некоторых мобильных элементов, в том числе, ретротранспозонов без гена env. Обнаружены гомологи отдельных ОРС ретротранспозонов - генов gag и env. Ген-гомолог gag - Grp (CG4680) - находится под действием стабилизирующего отбора, что указывает на его важную функцию у дрозофилы.
Ключевые слова: ретротранспозоны, ретровирусы, дрозофила, gypsy, филогения.
MOLECULAR PHYLOGENY AND SYSTEMATICS OF DROSOPHILA RETROTRANSPOSONS AND RETROVIRUSES, by L. N. Nefedova, A. I. Kim* (Biological Department Lomonosov Moscow State University, Moscow, 119992 Russia; *e-mail: aikim57@mail.ru). Full classification of Drosophila melanogaster retrotransposons with long terminal repeats (LTR-retrotransposons) has been recomposed, and their evolutional analysis in sequenced genomes of different species of drosophila and other arthropods has been carried out. D. melanogaster LTR-retrotransposons are divided in three groups: gypsy (one, two or three open reading frames - ORFs), copia (one ORF), BEL (one ORF). Gypsy group is divided into three subgroups. Subgroup I is underrepresented by retrotransposons-retroviruses with three ORFs and their derivatives which have lost the env gene (ORF3). Subgroup II is underrepresented by retrotransposons with two ORFs, subgroup III - by retrotransposons with one ORF. Comparative analysis of homologs of gypsy group LTR-retrotransposons evidences that subgroups I and II are only in genomes of Lepidoptera and Diptera. Gypsy group of LTR-retrotransposons with one and two ORFs are found in almost all genomes of arthropods. Most of the families of D. melanogaster gypsy group LTR-retrotransposons have close homologs in genomes of other species of drosophila. A degree of identity of retrotransposons sequences is correlated with a degree of relation between species of drosophila; it's evidences about vertical transmission of retrotransposons. Obvious cases of horizontal transfer of some mobile elements have been detected including retrotransposons without the env gene. Homologs of distinct ORFs of retrotransposons - genes gag and env - have been found. Gene-homolog of the gag gene -Grp (CG4680) - is under purifying selection; so it has an important function in drosophila genome.
Key words: retrotransposons, retroviruses, drosophila, gypsy, phylogeny.
Принятые сокращения: МГЭ - мобильный генетический элемент; ОРС - открытая рамка считывания; ДКП - длинные концевые повторы. * Эл. почта: aikim57@mail.ru
Геном эукариот содержит от 30 до 80% повторяющейся ДНК [1, 2], функциональная значимость которой плохо изучена. Значительную часть повторяющейся ДНК составляют мобильные генетические элементы (МГЭ). По механизму транспозиции МГЭ делят на два класса. МГЭ класса I, или ретро-транспозоны, перемещаются с использованием РНК-интермедиата. Ключевая роль в их транспозиции принадлежит обратной транскриптазе. Представители класса II перемещаются за счет вырезания из одного участка генома с последующим встраиванием в другой.
Особое место в ряду МГЭ класса I занимают ре-тротранспозоны с длинными концевыми повторами (ДкП-ретротранспозоны). Структура ДКП-ре-тротранспозонов у Drosophila melanogaster варьирует, они могут содержать от одной до трех открытых рамок считывания (ОРС) [3]. Наиболее сложными как структурно, так и функционально, являются МГЭ с тремя ОРС. ОРС1 (соответствующая гену gag ретровирусов) таких ретротранспозо-нов кодирует белки капсида; ОРС2 (pol) - протеазу, обратную транскриптазу, РНКазу Н и интегразу; ОРС3 (env) кодирует продукт, который ответственен за узнавание клеточных рецепторов и проникновение вируса в клетку [4]. Таким образом, ретро-транспозоны группы gypsy по структуре идентичны интегрированным в геном формам эндогенных ретровирусов (провирусам) позвоночных. Неслучайно у ретротранспозонов этой группы D. melanogaster - первоначально у gypsy [5], а затем у ZAM и Idefix [6] - обнаружили инфекционные свойства. Инфекционные ретротранспозоны, а также сходные с ними по структуре МГЭ, относят к группе gypsy и называют эррантивирусами (эндогенными ретровирусами насекомых) [7].
Обилие и разнообразие МГЭ в геномах эукариот, сведения о нуклеотидных последовательностях которых содержатся в базах данных, позволяет проводить их филогенетический анализ. Установлено, что наиболее консервативный компонент в структуре ретротранспозона - последовательность, кодирующая обратную транскриптазу. Подход, основанный на сравнительном анализе первичной структуры этого фермента, позволяет установить филогенетические взаимоотношения между ретроэлементами [8].
Бесконтрольная амплификация МГЭ и их хаотичные перемещения приводят к нестабильности генома и повышению уровня спонтанного мутагенеза. Поэтому в процессе совместной эволюции хозяйского генома и МГЭ сформировались механизмы, защищающие геном от их транспозиции. Транспозиции МГЭ подавляются геномом как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях [9, 10].
В свою очередь, МГЭ приобрели механизмы противодействия репрессии транспозиций со стороны хозяйского генома. Один из них - повышение уровня изменчивости структуры ОРС у ретротранс-
позонов. Таким же механизмом обладают и ретро-вирусы [11]. Изменчивость обеспечивает обратная транскриптаза. Она лишена 3'-5'-экзонуклеазной корректирующей активности, и поэтому не исправляет свои ошибки при считывании копии ретротранспозона. В связи с этим, уровень изменчивости у ретротранспозонов выше, чем у обычных генов в геноме.
Очевидно, что большинство мутаций ретротранспозона приводят к инактивации его ОРС, и, как следствие, к прекращению транспозиций. Если же мутации не влияют на транспозиционную активность ретротранспозона, то они могут закрепиться в его структуре.
Встроившись в геном, копия МГЭ становится матрицей для считывания новых копий. Механизм транспозиции ДКП-ретротранспозонов (как и ретровирусов) тесно связан с дупликацией ДКП. Таким образом, по последовательности нуклеотидов ДКП функционально активного МГЭ идентичны. С течением времени ретротранспозон накапливает мутации, в том числе, и в ДКП. Таким образом, по степени идентичности нуклеотидных последовательностей ДКП можно судить о времени инсерции данной копии в геном, т.е. о возрасте этой копии на момент изучения [12]. Сравнение разных копий одного семейства позволяет судить о скорости изменчивости ретротранспозонов. Однако судить о возрасте семейства в целом по этой характеристике нельзя.
Дрозофила представляет собой удобный модельный объект для изучения ДКП-ретротранспозонов и ретровирусов. Во-первых, структура и механизмы перемещения ДКП-ретротранспозонов в геноме дрозофилы изучены лучше, чем у других организмов. Во-вторых, секвенированы геномы 12 видов рода дрозофила, сравнительный анализ которых позволяет по-новому взглянуть на эволюцию ретро-элементов не только у дрозофилы, но у членистоногих и даже эукариот в целом.
В геноме D. melanogaster на основании сравнительного анализа консервативных доменов обратной транскриптазы выделяют три группы ДКП-ретротранспозонов: группа gypsy, группы copia и BEL [12]. Эти три группы представляют собой, по-видимому, отдельные ветви эволюции ретротранспозонов.
В каждой группе ДКП-ретротранспозонов выделяют семейства МГЭ, состоящие из идентичных или очень сходных элементов. Обычно ретротранспозоны, сходство аминокислотных последовательностей Pol у которых меньше 90%, относят к разным семействам. Так, ретротранспозоны gypsy и gtwin входят в отдельные семейства, потому что сходство Pol у них составляет 89% [13].
По последним данным [14, 15] в эухроматине се-квенированного генома D. melanogaster насчитыва-
ется 36 семейств ДKП-ретротранспозонов, большинство из которых по группам не классифицировано.
В представленной работе составлена полная классификация семейств ДKП-ретротранспозонов D. melanogaster и проведен филогенетический анализ этих элементов в секвенированных геномах разных видов дрозофилы и других насекомых.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для поиска нyклeoтидныx последовательностей
использовали базу данных GenBank (http://www.nc-bi.nlm.nih.gov) и базу данных FlyBase (http://fly-base.bio.indiana.edu/).
Информация об аннотированных нуклеотидных последовательностях копий Mro приведена в базе данных GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/en-trez/query.fcgi?db=Nucleotide). Проанализированы последовательности генов
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.