научная статья по теме РАЗНООБРАЗИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ LTR-РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ В ГЕНОМЕ ГРИБА PHANEROCHAETE CHRYSOSPORIUM (FUNGI: BASIDIOMYCOTA) Биология

Текст научной статьи на тему «РАЗНООБРАЗИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ LTR-РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ В ГЕНОМЕ ГРИБА PHANEROCHAETE CHRYSOSPORIUM (FUNGI: BASIDIOMYCOTA)»

ГЕНЕТИКА, 2010, том 46, № 6, с. 725-733

= ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ =

УДК 575.113:582.284

РАЗНООБРАЗИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ LTR-РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ В ГЕНОМЕ ГРИБА Phanerochaete chrysosporium (Fungi: Basidiomycota)

© 2010 г. О. С. Новикова

Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090;

e-mail: novikova@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 06.02.2008 г.

Окончательный вариант получен 17.11.2008 г.

На сегодняшний день разнообразие мобильных элементов, и в частности LTR-ретротранспозонов, грибов-базидиомицетов слабо изучено. Используя полные геномные последовательности, впервые был проведен поиск LTR-ретротранспозонов в геноме лигнин-разлагающего гриба Phanerochaete chrysosporium. Обнаружено необычно высокое разнообразие LTR-ретротранспозонов. Описано 23 новых мобильных элемента, относящихся к двум надсемействам — Pseudoviridae и Metaviridae. Доля LTR-ретротранспозонов в геноме P. chrysosporium невелика, всего около 3%. Тем не менее LTR-ре-тротранспозоны P. chrysosporium представляют собой динамичную составляющую генома, о чем свидетельствует наличие интактных копий с признаками недавнего перемещения и множество соло LTR-элементов. Филогенетический и структурный анализы выявили мобильные элементы, обладающие характеристиками, неизвестными ранее для других LTR-ретротранспозонов.

Ретротранспозоны — мобильные элементы эу-кариот, использующие процесс обратной транскрипции в процессе перемещения, т.е. образование новой копии элемента происходит на основе промежуточной молекулы РНК (RNA-intermedi-ate), с которой происходит синтез кДНК [1, 2]. Согласно современной классификации мобильных элементов, в классе ретротранспозонов выделяют пять порядков, отличающихся друг от друга структурной организацией и, в частности, набором кодируемых ферментов (или отсутствием кодирующих последовательностей — SINE-элементы) [2]. LTR-ретротранспозоны — порядок, объединяющий пять надсемейств элементов: Copia или Pseudoviridae, Gypsy или Metaviridae, Bel-Pao, Retrovirus и ERV (эндогенные ретровиру-сы). Все LTR-ретротранспозоны характеризуются наличием длинных концевых повторов (LTR — long terminal repeat), фланкирующих кодирующие последовательности [2]. Большинство LTR-ре-троэлементов содержат одну или две открытые рамки считывания (ORF). Первая рамка считывания (ORF1 или gag) кодирует Gag-подобный белок, а вторая открытая рамка считывания (ORF2 или pol) кодирует мультифункциональный белок (Pol), обладающий несколькими активностями — обратной транскриптазы (RT), интегразы (Int), рибонуклеазы Н (RNase H) и протеиназы (PR) [2-5].

Разнообразие и копийность различных надсе-мейств и семейств LTR-ретротранспозонов, представленных в геноме, могут значительно отличаться у разных видов [6-10]. Несмотря на то что исследования LTR-ретротранспозонов актив-

но ведутся последние десятилетия, большинство накопленных данных касается модельных объектов. На сегодняшний день существует более 400 проектов по установлению полной нуклеотидной последовательности геномов эукариот, и их число неуклонно растет [11]. Доступность полных геномных последовательностей дает возможность для исследования разнообразия мобильных элементов при помощи компьютерных методов (анализ т зШев) [5, 8, 12—14].

РНапегосНае1в еНгузозрогшт — один из немногих грибов, способных разлагать лигнин — главный компонент клеточной стенки растений [15]. Лигнин — один из самых распространенных биополимеров. Лишь небольшая группа грибов-бази-диомицетов способна разрушать лигнин до оксида углерода. Нетрудно себе представить огромную роль лигнин-разлагающих грибов в экосистеме. Кроме того, эти грибы могут быть использованы в биотехнологии, например в промышленном производстве бумаги и текстиля [15]. Р. chrysospo-гшт наиболее изучен из лигнин-разлагающих грибов, а также это первый базидиомицет, для которого была установлена полная последовательность генома [15]. Цель данного исследования — анализ разнообразия и эволюционной динамики Ц^-ретротранспозонов гриба-базидиомицета Р. ^rysosporium.

На сегодняшний день разнообразие мобильных элементов, и в частности Ц^-ретротранспо-зонов, грибов-базидиомицетов слабо изучено [16, 17]. Однако такого рода информация может быть полезна как для экологов — мобильные элементы могут быть использованы в качестве молекуляр-

ных маркеров для оценки популяционного полиморфизма [18], так и для биотехнологов — для создания новых штаммов [19].

Используя полные геномные последовательности, был проведен поиск LTR-ретротранспозо-нов в геноме гриба P. chrysosporium. Обнаружено необычно высокое разнообразие LTR-ретро-транспозонов. В общей сложности было описано 23 новых мобильных элемента, относящихся к двум надсемействам —Pseudoviridae и Metaviridae. Однако, несмотря на столь высокое разнообразие элементов, доля LTR-ретротранспозонов в геноме P. chrysosporium невелика, всего около 3%. Тем не менее LTR-ретротранспозоны P. chrysosporium представляют собой динамичную составляющую генома, о чем свидетельствует наличие интакт-ных копий с признаками недавнего перемещения и множество соло-Е^-элементов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Поиск LTR-ретротранспозонов. Последовательность генома Phanerochaete chrysosporium была получена из базы данных The DOE Joint Genome Institute (JGI: http://genome.jgi-psf.org/). Для поиска LTR-ретротранспозонов были использованы программа UniPro GenomeBrowser (http://ge-nome.unipro.ru/) и приложение Find ME [14]. Последовательности известных LTR-ретротранспозо-нов, которые использовались для построения профиля поиска, содержали три домена — RT, RNase H и Int (длина около 700 а.к.) и были получены из баз данных — GenBank (http://www.nc-bi.nlm.nih.gov/entrez/) и Repbase (http://www.gir-inst.org/repbase/index.html — Genetic Information Research Institute). Множественное выравнивание было сделано при помощи программы CLUSTAL W [20]. Необходимые нуклеотидные последовательности элементов были получены при помощи программы UniPro GenomeBrowser. Для поиска ферментативных доменов использовался сервис — A Conserved Domain Database and Search Service (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Struc-ture/cdd/cdd.shtml).

Анализ последовательностей. Предварительный анализ последовательностей ретротранспо-зонов проводился при помощи различных вариантов BLAST (blastp, tblastn и rpsblast), доступных на http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/ [21]. Множественные выравнивания аминокислотных последовательностей были выполнены при помощи программы CLUSTAL W [20]. Филогенетический анализ был проведен при помощи программы MEGA3.0 [22]. Построение эволюционных деревьев проводили по методу соединения ближайших соседей [23]. Достоверность полученных таким образом филогенетических деревьев оценивали методом бутстреп-анализа [24] при количестве репликаций, равном 1000.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Предварительный анализ показал, что геном Phanerochaete chrysosporium содержит как Pseudoviridae, так и Metaviridae LTR-ретротранс-позоны, однако Bel-Рао-элементов обнаружено не было. В общей сложности 51 копия LTR-ре-троэлементов из надсемейства Pseudoviridae и 144 копии элементов из надсемейства Metaviridae были найдены в геноме P. chrysosporium. Внутри каждого надсемейства можно выделить несколько семейств ретроэлементов со сходством аминокислотных последовательностей более 95%.

Pseudoviridae LTR-ретротранспозоны P. chrysosporium

Сравнительный анализ 51 аминокислотной последовательности элементов Pseudoviridae показал, что они могут быть разделены на восемь групп, каждая из которых представляет собой набор копий одного и того же элемента. То есть в геноме Р. chrysosporium присутствуют восемь различных LTR-ретротранспозонов надсемейства Pseudoviridae (табл. 1).

Для каждой из обнаруженных групп была получена нуклеотидная последовательность полноразмерной ненарушенной (с интактными ORF) копии. Исключение составляли Pc_Pseudovir1 (Phanerochaete chrysosporium Pseudoviridae элемент 1) и PcPseudovir7 LTR-ретротранспозоны. Элемент Pc_Pseudovir1 был восстановлен из двух геномных фрагментов. Элемент Pc_Pseudovir7 был представлен в геноме двумя копиями, которые оказались элементами с нарушенной рамкой считывания (рис. 1).

Длинные концевые повторы большинства Pc_Pseudovir имеют высокую гомологию друг с другом (табл. 1), что может свидетельствовать об относительно недавних перемещениях элементов [25]. Дополнительным свидетельством недавней интеграции копий служит наличие фланкирующих повторов-мишеней (TSD). Повторы-мишени были найдены у четырех PcPseudovir-элемен-тов.

Кроме полноразмерных копий в геноме P. chrysosporium были обнаружены соло-элементы, или соло-LTR — одиночные длинные концевые повторы LTR-ретротранспозонов, фланкированные повторами-мишенями. Соло-LTR возникают в результате рекомбинации между длинными концевыми повторами одной или двух копий LTR-ретротранспозонов [26]. Количество соло-LTR PcPseudovir сильно варьирует и составляет от 1 (Pc_Pseudovir7) до 38 (Pc_Pseudovir4). Судя по всему, Pseudoviridae LTR-ретротранспозоны P. chrysosporium не только активно перемещались, но и элиминировались из генома.

Таблица 1. Pseudoviridae из генома Phanerochaete chrysosporium: DIR — короткие инвертированные повторы (dinu-cleotide inverted repeat); TSD — дуплицированные повторы-мишени (target site duplications)

Элемент Номер(а) фрагмента Длина элемента, пн Число копий Длина LTR/% сходства DIR TSD Соло LTR

PcPseudovirl scaffold_4 4783 ~4 333/91.2 gt/ac — -

scaffold_8

Pc_Pseudovir2 scaffold_23 5478 5 419/99.5 ct/ag tagaagc/tagaagc -

Pc_Pseudovir3 scaffold_3 5006 >5 402/99.8 tgttg/caaca ataaac/ataaac + (4)

Pc_Pseudovir4 scaffold_14 5464 >10 359/100 gt/ac cttgg/cttgg + (38)

Pc_Pseudovir5 scaffold_20 4977 >5 369/97.6 tgtt/aaca - + (3)

Pc_Pseudovir6 scaffold_24 6169 >5 293/99.7 - - + (>10)

Pc_Pseudovir7 scaffold_12 5630 2 525/94.7 - - + (1)

Pc_Pseudovir8 scaffold_3 4684 >5 269/100 - cgacg/cgacg + (>10)

Примечание. Жирным шрифтом выделены названия элементов, для которых была получена полноразмерная интактная копия. Соло ЕГЯ — наличие копий на геном.

Большинство PcPse

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