Email this article 
Structure and evolution of DNA transposons of the L31 superfamily of bivalves
- Authors: Puzakov M.V.1, Puzakova L.V.1
-
Affiliations:
- Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 58, No 1 (2024)
- Pages: 54-72
- Section: ГЕНОМИКА. ТРАНСКРИПТОМИКА
- URL: https://journals.rcsi.science/0026-8984/article/view/259789
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0026898424010051
- EDN: https://elibrary.ru/OFVSWF
- ID: 259789
Cite item
Full Text
Abstract
DNA transposons of the IS630/Tc1/mariner (ITm) are widespread representatives of DNA transposons that make a significant contribution to the evolution of eukaryotic genomes. With the start of large-scale application of next generation sequencing (NGS) technologies and the emergence of many new whole genome sequences of organisms in nucleotide collections, ITm elements have been identified in most taxa of the eukaryotic tree of life. Despite the rather detailed study of the diversity of ITm representatives, elements are still found that contribute to the expansion and revision of the classification of this group of DNA transposons. This paper presents for the first time a detailed analysis of the L31 elements of bivalves, which resulted in a description of the structure, diversity, distribution, and phylogenetic position among the ITm elements. It was found that L31 transposons are an independent superfamily in the ITm group, which has an ancient origin. Within the L31 clade, rather high diversity was observed: five phylogenetic clusters were identified. At the moment, the presence of L31 transposons in molluscs has been revealed only in bivalves in the subclass Autobranchia, with a predominance in diversity and quantity in the infraclass Pteriomorphia. It has also been shown that the protein encoded by the second open reading frame (ORF2) is an integral structural component of almost all full-length L31 elements. The data obtained contribute to a better understanding of the evolution of representatives of ITm transposons. Further study of L31 transposons in other taxa (cnidaria), as well as the study of the function of the second ORF protein, will provide an opportunity to better understand the evolution of DNA transposons, the mechanisms of horizontal transfer, and the contribution to eukaryotic biodiversity.
Keywords
Full Text
Введение
Мобильные генетические элементы (МГЭ) эукариот – это подвижные элементы, которые существуют и эволюционируют внутри геномов хозяев, перемещаясь из локуса в локус, а также способны к горизонтальному переносу между геномами. МГЭ широко распространены в геномах прокариот и эукариот [1–4]. После вторжения в геном хозяина МГЭ способны увеличивать число своих копий, зачастую очень значительно. Из-за способности к транспозиции и частой амплификации транспозоны являются основными детерминантами размера генома [1, 2, 5, 6]. Активные перемещения и амплификация МГЭ способны изменять первичную структуру ДНК, влиять на работу генов и их функцию, вмешиваться в процессы регуляции транскрипции, вызывать хромосомные аберрации в геноме хозяина [7–9]. Любопытно, что, внедряясь в геном хозяина, МГЭ не просто хаотично перемещаются, как считалось ранее, а способны “выбирать” наиболее предпочтительные для себя локусы генома [10]. В геноме хозяина МГЭ проходят определенные стадии жизненного цикла, результатами которого, как правило, являются постепенная деградация и элиминация [11–13]. Однако некоторые МГЭ могут существовать в геноме хозяина достаточно долго при большом количестве функциональных копий, например ретротранспозоны LINE-1 млекопитающих [14, 15]. Кроме того, МГЭ могут избежать исчезновения, став источником новых генов или других полезных для генома структур [2]. На данный момент выявлен целый ряд структурных и регуляторных генов, возникших в результате молекулярного одомашнивания МГЭ [16]. Также жизненный цикл МГЭ можно перезапустить посредством горизонтального переноса в геном другого хозяина (явление горизонтального переноса ряда элементов, например SINE, не описано) [2, 3, 11].
Другой важный аспект – это способность МГЭ отвечать активностью на некоторые стрессовые физические, химические и биологические факторы [17–22]. Индукция активности МГЭ выражается в увеличении частоты перемещений и, соответственно, усилении амплификации. Все это, в свою очередь, дестабилизирует геном хозяина, приводя к повышению частоты мутаций и гибели организма, а в редких случаях – к их адаптации и дальнейшей эволюции [7, 23, 24]. В соответствии с классификацией МГЭ эукариот делят на два класса: класс I – ретротранспозоны; класс II – ДНК-транспозоны. Деление на классы опирается на механизм перемещения, свойственный каждому из них. Ретротранспозоны перемещаются через создание РНК-посредника. ДНК-транспозоны не создают себе посредника и напрямую вырезаются из геномной последовательности и встраиваются в нее [25–27].
ДНК-транспозоны – очень разнообразная и многочисленная группа МГЭ, включающая три подкласса и не менее 17 надсемейств [26, 28]. Одной из широко распространенных групп ДНК-транспозонов эукариот является инфракласс ITm [29, 30], включающий несколько надсемейств: pogo, Tc1/mariner, Gambol, Sailor [29, 31–34]. Автономные транспозоны ITm содержат, как правило, одну открытую рамку считывания (ОРС), которая кодирует фермент транспозазу и окружена концевыми инвертированными повторами (КИП). Встречаются элементы, имеющие более одной пары инвертированных повторов. Дополнительные повторы обычно называют субконцевыми инвертированными повторами (СИП) (рис. 1а) [27, 32].
Рис. 1. Структура транcпознов суперсемейств Tc1/mariner и pogo (а) и разнообразие структуры L31-элементов двустворчатых моллюсков (б). КИП/СИП – концевые инвертированные повторы или субконцевые инвертированные повторы; ОРС – открытая рамка считывания, кодирующая транспозазу; ОРС2 – открытая рамка считывания, кодирующая белок с неизвестной функцией.
В ходе исследования разнообразия элементов ITm в геноме тихоокеанской устрицы Crassostrea gigas был описан транспозон Mariner-31_CGi – представитель неизвестной обособленной группы, условно названной L31 (от like Mariner-31_CGi) [35]. На филогенетическом дереве данная группа заняла место вне известных крупных надсемейств Tc1/mariner и pogo. ОРС представителей L31 кодировала транспозазу с каталитическим доменом DD37E. При этом в последовательности элемента Mariner-31_CGi присутствовала еще одна ОРС, кодирующая белок с неизвестной функцией. Детальное изучение представителей данной группы не входило в задачи работы, поэтому исследователи ограничились только анализом распространенности элементов L31 среди эукариот. На основании данных о наличии гомологий с транспозазой Mariner-31_CGi представители L31 были найдены только у двух таксонов: двустворчатых моллюсков (Bivalvia) и стрекающих (Cnidaria) [35].
Позднее в работе, посвященной глубокому анализу филогенетических отношений и классификации элементов ITm, представители L31 были отнесены к так называемым минорным группам [30]. При этом высказывались сомнения в принадлежности элемента Mariner-31_CGi к L31, который, собственно, и был референсным для данной группы. Кроме того, изучение структурных особенностей и эволюции элементов L31 не входило в задачи работы. Таким образом, группа L31 оставалась практически неизученной.
В данной работе представлен первый детальный анализ элементов L31 у двустворчатых моллюсков, в результате которого описаны структура, разнообразие и распространенность, а также установлено филогенетическое положение транспозонов L31 в инфраклассе ITm. Показано также, что белок, кодируемый ОРС2, является неотъемлемым структурным компонентом практически всех полноразмерных элементов L31.
Экспериментальная часть
Поиск элементов. В качестве образца для поиска элементов L31 использовали объединенную аминокислотную последовательность транспозазы и белка, кодируемого ОРС2 (Дополнительные материалы 1), принадлежащих описанному ранее элементу Mariner-31_CGi устрицы Crassostrea gigas [35], взятые из базы данных Repbase (https://www.girinst.org/). Полногеномные нуклеотидные последовательности представителей двустворчатых получены из базы данных NCBI Assembly (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/). Поиск полноразмерных элементов L31 осуществляли с помощью tBLASTn [36] по гомологии с образцом, представленным в полногеномных последовательностях двустворчатых. При анализе обнаруженных гомологий мы учитывали последовательности с процентом соответствия образцу по длине (Query Coverage) 45 и более. Далее из оставшегося многообразия мы выбирали все последовательности, кодирующие потенциально функциональную транспозазу (с доменом DD37E) и потенциально функциональный белок ОРС2. Критериями для оценки потенциальной функциональности транспозаз и белков ОРС2 были: неповрежденная ОРС, наличие стартового кодона и стоп-кодона, а для транспозаз еще и длина, составляющая не менее 340 аминокислотных остатков (а.о.). Если таковых не было, то выбирали наиболее сохранившиеся последовательности. В тех случаях, когда последовательность, гомологичная образцу, кодировала потенциально функциональный белок ОРС2, но не кодировала потенциально функциональную транспозазу, мы также анализировали ее как предполагаемый элемент L31. За допустимое расстояние между белком ОРС2 и транспозазой внутри предполагаемого элемента мы приняли 10 000 п.н. При большем расстоянии белок ОРС2 и транспозазу считали принадлежащими разным элементам или разным копиям одного элемента.
При поиске копий потенциально функциональных транспозаз для каждого обнаруженного элемента в качестве образца брали аминокислотную последовательность неповрежденной транспозазы этого элемента и осуществляли поиск в tBLASTn с настройками фильтров: Query Coverage 99-100 и Percent Identity 90-100. Среди результатов поиска при подсчете учитывали только те транспозазы, идентичность которых составляет не менее 90%, а соответствие образцу по длине не менее 99% (Query Coverage), которые имеют такой же домен, как у образца (например, DNLSAH), а также неповрежденную ОРС со стартовым кодоном и стоп-кодоном. При поиске потенциально функциональных копий каждого обнаруженного белка ОРС2 мы брали в качестве образца последовательность этого белка. Поиск копий осуществляли в tBLASTn с настройками фильтров: Query Coverage 99-100, при подсчете учитывали только копии без внутренних стоп-кодонов.
КИП обнаруживали с помощью BLASTn путем анализа нуклеотидных последовательностей [36]. Границы гипотетических ОРС определяли с помощью ORF Finder (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/) и далее уточняли визуально.
Филогенетический анализ. Для филогенетического анализа были взяты L31-транспозазы двустворчатых моллюсков, описанные в данном исследовании, а также L31-транспозазы тихоокеанской устрицы C. gigas (Mariner-31_CGi и Mariner-53_CGi) из Repbase и транспозазы элементов, представляющих известные группы инфракласса ITm (табл. 1, см. Дополнительные материалы http://www.molecbio.ru/downloads/2024/1/supp_Puzakov_rus.pdf), в общей сложности 139 аминокислотных последовательностей. Множественное выравнивание проводили с использованием MAFFT с применением метода G-INS-I [37]. Филогенетическое дерево получено с использованием метода максимального правдоподобия в программе IQ-TREE [38] со сверхбыстрым бутстреп-анализом (UFBoot) (1000 повторов) [39], модель LG+F+I+G4 выбрана с помощью ModelFinder [40].
Анализ доменной структуры транспозазы. В анализ доменной структуры последовательностей взяты все элементы, имеющие по первичному анализу потенциально функциональные транспозазы (табл. 2). Расположение GRPR-подобного мотива и маркерных аминокислотных остатков: аспартат (D), аспартат (D) и глутамат (E) каталитического домена идентифицировали визуально по гомологии. ДНК-связывающий домен (три α-спирали до GRPR-подобного мотива и три после) выявляли, анализируя вторичную структуру транспозазы, предсказанную с помощью программы PSIPRED v4.0 [50]. Предполагаемую последовательность сигнала ядерной локализации (NLS) определяли с помощью программы PSORT (https://www.genscript.com/psort.html). Графическое представление обобщенных последовательностей отдельных участков каталитического домена сгенерировано с помощью WebLogo [51].
Таблица 1. ITm-транспозоны, транспозазы которых использовали в филогенетическом анализе
Famar1 | AAO12863 | Guest_Ca-sativa | XP010462775 |
Dmmar1 | AAA28678 | Guest_Soymar1 | AF078934 |
Tvmar1 | AAP45328 | Guest_Br-oleracea | XP013589454 |
Hsmar1 | AAC52010 | Guest_Phyllostachys_edulis | ADP24264 |
Bytmar1 | CAD45367 | Guest_Pisum_sativum | AAX51974 |
Quetzal | AAB02109 | Gambol_(AAAB01008815) | AAAB01008815 |
Mariner-14_CGi | Repbase | Gambol_(AAAB01008960) | AAAB01008960 |
SsTRT | [41] | Gambol_(AAAB01008968) | AAAB01008968 |
An-gambiae1 | AF378002 | Gambol_(AAAB01016702) | AAAB01016702 |
In_Rhinella_marina | [42] | Gambol_(AAAB01006894) | AAAB01006894 |
DD35E_TR-Xihe | [43] | Gambol_(AAAB01006919) | AAAB01006919 |
DD38E_IT_At | [44] | Gambol_(AAAB01008879) | AAAB01008879 |
TLEWI-1_BPl | [45] | Gambol_(AAAB01008849) | AAAB01008849 |
VS-Maze | [46] | Gambol_(AAAB01008958) | AAAB01008958 |
L18-1_HVul | [47] | TBE_AAA18578 | [30] |
Z-1_POch | TBE_AAB42017 | ||
Bmmar1 | [48] | TBE_AAB42032 | |
pogoR11 | S20478 | TBE_AAB49643 | |
Tigger1 | U49973 | TBE_AAB49646 | |
Fot1 | Q00832 | TBE_AAB58026 | |
Tan1 | U58946 | TBE_AAB58028 | |
Pot2 | Z33638 | TBE_AAB58030 | |
pogo-5_PBac | [49] | TBE_AAB58032 | |
pogo-2_BOva | TBE_AAB58034 | ||
Tec_AAA62601 | [30] | TBE_AAB58036 | |
Tec_AAA91339 | TBE_AAB58377 | ||
Tec_AAM80490 | TBE_TBE1 | ||
Tec_Tec1 | TBE_AAB42034 | ||
Sailor_Mo_Teggra | [29] | TBE_EJY78953 | |
Sailor_Mo_Batpla | TBE_EJY85485 | ||
Sailor_Mo_Cepnem | IS630Ss | X05955 | |
Sailor_Mo_Cragig | IS630Se | NP_073225 | |
Sailor_Mo_Cycsin | IS630_Citrobacter_braakii | STH95988) | |
Sailor_Mo_Hallae | IS630_Escherichia_coli | GDW80866) | |
Sailor_Mo_Halrub | IS630_Shigella_dysenteriae | VDG84061) | |
Sailor_Mo_Halruf | IS630_Shigella_flexneri | SRR10263 | |
Sailor_Mo_Limfor | HvSm_XP_004209659 | [30] | |
Sailor_Mo_Mermer | HvSm_XP_004212365 | ||
Sailor_Mo_Modphi | HvSm_XP_012557766 | ||
Sailor_Mo_Mytcor | HvSm_M-6_SM | ||
Sailor_Mo_Pinimb | L31_Mariner-53_CGi | Repbase | |
Sailor_Mo_Rudphi | L31_Mariner-31_CGi | ||
Sailor_Mo_Sacglo |
Предсказание функции белка, кодируемого второй ОРС. Гипотетическую функцию белка, кодируемого второй ОРС, изучали с использованием в качестве референсной аминокислотной последовательности элемента L31-1b_CGig (C. gigas) протяженностью 368 а.о. Поиск гомологий с известными консервативными доменами осуществляли с помощью сервиса CDD [52], алгоритма BLAST [53] и программы Dompred [54]. Кроме того, использовали инструменты предсказания функции FFPred 3 [55] и MEMSAT [56] и сервиса предсказания третичной структуры SWISS-MODEL [57].
Результаты исследования
Эволюционное разнообразие L31-транспозонов двустворчатых
В результате поиска гомологов Mariner-31_CGi у двустворчатых моллюсков обнаружены 45 уникальных элементов (табл. 2). Для моделирования эволюционных связей проведен филогенетический анализ, в который вошли L31-транспозоны двустворчатых, а также представители всех известных групп инфракласса ITm. Полученная дендрограмма (рис. 2) была укоренена на элементы IS630, которые, как правило, используются в качестве внешней группы при филогенетическом анализе транспозонов ITm [25–30, 35].
Установлено, что L31-транспозоны формируют единую кладу с высокой достоверностью (бутсреп-значение 100%) (рис. 2). Высокую значимость в сформированных кладах показали и представители надсемейств Sailor и pogo, а также так называемых минорных групп Tec и TBE. Элементы HvSm создали единую смешанную ветвь с элементами надсемейства Gambol со значимостью 99%. В исследовании, в котором элементы HvSm выделены в отдельную кладу, элементы Gambol не вошли в филогенетический анализ [30], поэтому есть вероятность, что элементы HvSm и Gambol являются представителями одной эволюционной группы. Представители надсемейства Tc1/mariner сформировали кладу с достоверностью 69% (рис. 2), что может указывать на более высокую филогенетическую гетерогенность данной группы или на раннюю дивергенцию элементов внутри группы.
Внутри клады L31 наблюдалось достаточно высокое разнообразие. Мы выделили пять кластеров с достоверностью от 70 до 100% (рис. 2). В кластерах встречалось более одного элемента, обнаруженного в одной геномной сборке, поэтому в названиях элементов к номерам, соответствующим кластеру, мы добавляли литеры (рис. 2). Каждый кластер отличался по входящим в него представителям отрядов двустворчатых моллюсков. Так, в кластер L31-1 вошли элементы отрядов Mytilida и Ostreida с доминирующим преобладанием разнообразия последнего. Десять элементов Ostreida распределились в три ветви (a, b и c) и один отдельный элемент Saccostrea glomerata, получивший литеру d (L31-1d_SGlo), так как не вошел ни в одну из трех ветвей, упомянутых выше. Также в L31-1 попали два элемента C. gigas из Repbase: Mariner-31_CGi (описанный ранее [35]) и Mariner-53_CGi (не охарактеризованный). Шесть элементов Mytilida объединились в единую группу (рис. 2). Кластер L31-2 сформировали элементы представителей отрядов Ostreida, Mytilida и Pectinida. Здесь наблюдалось преобладание элементов, обнаруженных в геномах Mytilida, которые распределились в три ветви. В L31-3 вошли транспозоны отрядов Ostreida, Mytilida и Pterioida, а в L31-4 – элементы отрядов Mytilida, Pterioida, Adapedonta и Venerida. Немногочисленность элементов в кластерах не позволяет выделить явные клады, хотя все же наблюдается группировка элементов в соответствии с таксономией. Кластер L31-5 включает только два элемента, которые выявлены у представителей отряда Pectinida (рис. 2).
Распространение L31-транспозонов среди двустворчатых
На момент исследования в коллекциях NCBI были представлены полногеномные последовательности только двустворчатых подкласса Autobranchia, поэтому подкласс Protobranchia остался неизученным. В результате анализа распространенности элементов L31 среди двустворчатых подкласса Autobranchia установлено, что они преобладают в инфраклассе Pteriomorphia (рис. 3). В другом инфраклассе – Heteroconchia – только у трех из 17 видов обнаружено по одному достаточно хорошо сохранившемуся L31-транспозону (табл. 2). Все три вида принадлежат к субтерклассу Euheterodonta: два из отряда Venerida и один из Adaendonta. Все элементы принадлежат к кластеру L31-4. Еще у одного представителя отряда Venerida (Ruditapes philippinarum) обнаружены короткие фрагменты, гомологичные Mariner-31_CGi. У других видов, принадлежащих отрядам Venerida (три вида), Adapedonta (один вид), Myida (три вида) и Cardiida (два вида) субтеркласса Euheterodonta, гомологий не выявлено (табл. 2). В другом субтерклассе Palaeoheterodonta инфракласса Heteroconchia анализ геномных последовательностей четырех представителей отряда Unionida выявил в трех из них короткие фрагменты L31-транспозонов (табл. 2).
Таблица 2. Элементы L31 двустворчатых моллюсков
Отряд | Вид/ Идентификатор геномной сборки | Элемент | Длина, п.н.а | КИП, п.н.а | СИП, п.н.а | Транспозаза, а.о.а | Белок ОРС2, а.о.а | Интервал между ОРС, п.н.а | Число копий | Число ПФТ | Число ПФБ-2 |
Ostreida | Crassostrea ariakensis GCA_020458035 | L31-1a_CAri | 4631 | 85/85 | – | 359 | 390 | 1194 | 8 | 2 | 4 |
L31-1c_CAri | 4704 | 34/34 | – | 356 | 385 | 992 | 4 | 3 | 3 | ||
Crassostrea gigas GCA_011032805 | L31-1a_CGig | 4450 | 85/85 | – | 359 | 390 | 1086 | 4 | 1 | 2 | |
L31-1b_CGig | 4597 | 78/76 | 36/35 209/224 | 355 | 368 | 485 | 8 | 2 | 1 | ||
L31-2a.1_CGig | 3686 | 145/145 | – | 356 | 219 | 676 | 6 | 4 | 0 | ||
L31-2a.2_CGig | 3860 | 145/145 | – | 356 | 188 | 483 | |||||
Crassostrea virginica GCA_002022765 | L31-1a_CVir | 4127 | 129/129 | – | 356 | 395 | 719 | 21 | 9 | 5 | |
Crassostrea hongkongensis GCA_015776775 | L31-1a.1_CHon | 4481 | 87/87 | – | 355 | 387 | 1106 | 6 | 4 | 4 | |
L31-1a.2_CHon | 4279 | 86/86 | – | 359 | 390 | 913 | |||||
L31-1b_CHon | 3682 | 217/203 | – | 355 | 368 | 487 | 25 | 2 | 2 | ||
L31-1c.1_CHon | 2958 | 31/31 | – | 356 | – | – | 10 | 0 | 0 | ||
L31-1c.2_CHon | 2912 | – | – | 364 | 239 | 1097 | |||||
L31-1c.3_CHon | 2823 | – | – | 207 | 383 | 1047 | |||||
L31-2a_CHon | 3841 | 145/145 | – | 357 | 126 | 816 | 16 | 2 | 0 | ||
Saccostrea glomerata GCA_003671525 | L31-1c_SGlo | 3400 | – | – | 361 | 332 | 1972 | 2 | 0 | 0 | |
L31-1d_SGlo | 1738 | – | – | 347 | 117 | 343 | 5 | 1 | 0 | ||
L31-2a_SGlo | 5552 | – | – | 354 | 293 | 3605 | 3 | 0 | 0 | ||
L31-3a_SGlo | 3670 | 255/254 | – | 356 | 252 | 503 | 4 | 0 | 0 | ||
Ostrea lurida GCA_903981925 | L31-1b_OLur | 7144 | – | – | 335 | 285 | 5186 | 1 | 0 | 0 | |
Mytiloida | Mytilus coruscus GCA_017311375 | L31-1a_MCor | 5859 | 50/49 | – | 97 | 420 | 2463 | 2 | 0 | 0 |
L31-2a_MCor | 1041 | – | – | 346 | – | – | 2 | 0 | 0 | ||
Mytilus edulis GCA_905397895 | L31-1a_MEdu | 4707 | 22/22** | – | 157 | 370 | 3126 | 2 | 0 | 0 | |
L31-2a_MEdu | 6282 | 31/31 | – | 358 | 217 | 1412 | 10 | 3 | 0 | ||
L31-2b_MEdu | 6357 | 213/214 | – | 355 | 253 | 2494 | 8 | 5 | 0 | ||
Mytilus galloprovincialis GCA_900618805 | L31-1a.1_MGal | 5477 | 23/23** | – | 355 | 355 | 3341 | 2 | 1 | 1 | |
L31-1a.2_MGal | 1278 | – | – | – | 425 | – | |||||
L31-2a_MGal | 10181 | 28/28 | – | 347 | 205 | 1416 | 6 | 0 | 0 | ||
L31-2b_MGal | 9975 | 77/77 | – | 355 | 252 | 2585 | 8 | 1 | 0 | ||
Gigantidas platifrons GCA_002080005 | L31-3a_GPla | 13921 | – | – | 361 | 101 | 12527 | 5 | 0 | 0 | |
Mytilus californianus GCA_021869535 | L31-1a_MCal | 7339 | 32/32 | 34/36* | 352 | 431 | 2004 | 1 | 0 | 0 | |
L31-2a.1_MCal | 5385 | 30/30 | – | 358 | 246 | 1177 | 9 | 2 | 0 | ||
L31-2a.2_MCal | 5739 | 27/27 | – | 252 | 219 | 1102 | |||||
L31-2a.3_MCal | 590 | – | – | 195 | – | – | |||||
Modiolus philippinarum GCA_002080025 | L31-1a_MPhi | 9887 | – | – | 353 | 397 | 7631 | 3 | 1 | 1 | |
L31-1b_MPhi | 4658 | – | – | 322 | 291 | 2563 | 2 | 0 | 0 | ||
L31-2a_MPhi | 1074 | – | – | 357 | – | – | 3 | 1 | 0 | ||
L31-2b_MPhi | 2207 | – | – | 363 | 220 | 455 | 4 | 1 | 0 | ||
L31-3a_MPhi | 6184 | 104/104 | – | 355 | 169 | 3342 | 3 | 0 | 0 | ||
L31-3b_MPhi | 2445 | – | – | 358 | 169 | 861 | 5 | 0 | 0 | ||
L31-4a_MPhi | 3403 | – | – | 357 | 307 | 1405 | 2 | 1 | 0 | ||
Perna viridis GCA_GCA_018327765 | Короткие фрагменты | ||||||||||
Limnoperna fortunei GCA_GCA_003130415 | Короткие фрагменты | ||||||||||
Pectinida | Pecten maximus GCA_020750765 | L31-2a_PMax | 3784 | 27/27 | – | 356 | 215 | 794 | 9 | 4 | 0 |
Argopecten irradians irradians GCA_004382745 | L31-2a_AIrr | 2343 | – | – | 359 | 149 | 816 | 6 | 1 | 0 | |
L31-5_AIrr | 1038 | – | – | 345 | – | – | 3 | 2 | – | ||
Mizuhopecten yessoensis GCF_002113885 | L31-5_MYes | 969 | – | – | 323 | – | – | 6 | 0 | – | |
Pterioida | Pinctada imbricata GCA_002216045 | L31-3a_PImb | 2532 | 31/31 | – | 357 | – | – | 3 | 2 | – |
L31-3b.1_PImb | 3908 | 367/360 | – | 154 | 147 | 1565 | 2 | 0 | 0 | ||
L31-3b.2_PImb | 4433 | 37/37 | 342/338 | 294 | 196 | 1067 | |||||
L31-4a.1_PImb | 4456 | 47/47 | – | 357 | 456 | 428 | 24 | 22 | 20 | ||
L31-4a.2_PImb | 2559 | – | – | 357 | 352 | 426 | |||||
L31-4b_PImb | 10108 | 165/166 | – | 359 | 327 | 4941 | 6 | 1 | 0 | ||
L31-4c.1_PImb | 6923 | 19/19 | 197/204 | 356 | – | – | 10 | 0 | 1 | ||
L31-4c.2_PImb | 4760 | 237/267 | 52/52 | 273 | 459 | 490 | |||||
Pinna nobilis GCA_016161895 | Нет сходства | ||||||||||
Arcoida | Anadara kagoshimensis GCA_021292105 | Короткие фрагменты | |||||||||
Tegillarca granosa GCA_013375625 | Короткие фрагменты | ||||||||||
Venerida | Mercenaria mercenaria GCF_014805675 | L31-4a_MMer | 15077 | 71/71 | 306/312 | 348 | 207 | 9218 | 13 | 9 | 0 |
Cyclina sinensis GCA_012932295 | L31-4a_CSin | 7678 | 30/30 | – | 344 | 212 | 5515 | 8 | 6 | 0 | |
Archivesica marissinica GCA_014843695 | Нет сходства | ||||||||||
Ruditapes philippinarum GCA_009026015 | Короткие фрагменты | ||||||||||
Lutraria rhynchaena GCA_008271625 | Нет сходства | ||||||||||
Corbicula fluminea GCA_001632725 | Нет сходства | ||||||||||
Adapedonta | Solen grandis GCA_021229015 | L31-4a_SGra | 959 | – | – | 314 | – | – | 1 | 0 | 0 |
Panopea generosa GCA_902825435 | Нет сходства | ||||||||||
Myida | Mya arenaria GCA_922144925 | Нет сходства | |||||||||
Dreissena polymorpha GCA_020536995 GCA_000806325 | Нет сходства | ||||||||||
Dreissena rostriformis GCA_007657795 | Нет сходства | ||||||||||
Cardiida | Gari tellinella GCA_922989275 GCA_922984925 | Нет сходства | |||||||||
Sinonovacula constricta GCA_009762815 GCA_007844125 | Нет сходства | ||||||||||
Unionida | Potamilus streckersoni GCA_016746295 | Короткие фрагменты | |||||||||
Megalonaias nervosa GCA_016617855 | Нет сходства | ||||||||||
Margaritifera margaritifera GCA_015947965 | Короткие фрагменты | ||||||||||
Venustaconcha ellipsiformis GCA_003401595 | Короткие фрагменты |
а Приведены данные для репрезентативной копии.
* Инвертированные повторы фланкируют только ген транспозазы.
** Инвертированные повторы фланкируют только ОРС2.
Условные обозначения: КИП – концевые инвертированные повторы, СИП – субконцевые инвертированные повторы, а.о. – аминокислотный остаток, ОРС – открытая рамка считывания, ПФТ – потенциально функциональная транспозаза; ПФБ-2 – потенциально функциональный белок, кодируемый ОРС2.
Рис. 2. Филогенетическое разнообразие L31-элементов двустворчатых моллюсков. Названия клад указаны справа от дендрограммы. Геометрическими фигурами обозначены транспозоны, выявленные в данном исследовании: квадрат – отряд Ostreida, круг – отряд Mytilida, ромб – отряд Pectinida, треугольник вершиной вверх – отряды Adapedonta и Venerida, треугольник вершиной вниз – отряд Pterioida. Бутстреп-значения менее 50% на дендрограмме не указаны.
Рис. 3. Распространение L31-транспозонов среди двустворчатых. нд – нет данных; косая черта разделяет количество видов, у которых обнаружены L31-элементы, и общее число исследованных видов таксона; *у некоторых видов выявлены только короткие фрагменты (обрывки) L31-элементов (см. текст и табл. 2). Таксономическое дерево создано на основе данных из World Register of Marine Species (WoRMS) (https://www.marinespecies.org/) и TimeTree (http://www.timetree.org/).
Элементы L31 выявлены в четырех (Mytilida, Ostreida, Pectinida, Pterioida) из шести отрядов инфракласса Pteriomorphia. У двух видов отряда Arcoida обнаружены только короткие фрагменты, гомологичные Mariner-31_CGi. Полногеномные сборки у представителей Limoida в коллекциях NCBI на момент исследования отсутствовали (табл. 2).
В геномах всех шести изученных видов отряда Ostreida обнаружены элементы L31. При этом наблюдалась вариабельность в представленности транспозонов в геномах. Количество уникальных элементов L31 варьировало от 1 до 4 (табл. 2). Представители кластера L31-1 выявлены во всех изученных сборках, тогда как элементы L31-2 найдены у трех организмов, а L31-3 – только у одного.
У Mytilida L31-транспозоны обнаружены у шести из восьми видов. У двух видов (Limnoperna fortunei и Perna viridis) выявлены только короткие фрагменты элементов L31. Вариабельность по количеству уникальных элементов была еще более высокой, чем у Ostreida (от 1 до 7) (табл. 2). У представителей рода Mytilus (четыре вида) выявлены элементы кластеров L31-1 и L31-2, тогда как у Modiolus philippinarum обнаружены представители четырех кластеров (все, кроме L31-5), а у Gigantidas platifrons только элемент L31-3 (табл. 2, табл. 3).
Во всех трех изученных геномах представителей Pectinida присутствовали 1 или 2 элемента L31 (табл. 2, табл. 3). У гребешка Pecten maximus – элемент кластера L31-2, а у Mizuhopecten yessoensis – L31-5. В геноме Argopecten irradians обнаружены представители обеих этих групп (L31-2 и L31-5).
В отряде Pterioida анализировали геномные сборки двух видов (табл. 2). Однако L31-транспозоны выявлены только у Pinctada imbricata. При этом наблюдалось высокое разнообразие: пять уникальных элементов представляли кластеры L31-3 и L31-4 (табл. 2, табл. 3).
Особенности L31-транспозонов двустворчатых
Наиболее яркой чертой элементов L31 является дополнительная ОРС (ОРС2). Показано, что преобладающее большинство элементов, как и Mariner-31_CGi (C. gigas), содержат ОРС2. При этом во всех элементах (за исключением L31-3a_SGlo) ОРС и ОРС2 направлены от центра к краям транспозона, тогда как у L31-3a_SGlo они направлены в одну сторону (рис. 1б). Таким образом, ОРС2 является характерным компонентом элементов L31, а не случайным спутником Mariner-31_CGi, как предполагалось ранее [35].
Таблица 3. Характеристика кластеров L31-транспозонов двустворчатых
Кластер | ДлинаА, п.н. | КИП, п.н. | СИП, п.н. | Транспозаза, а.о. | Белок ОРС2, а.о. | Интервал между ОРС, п.н. | Число копий | Число ПФТ | Число ПФБ-2 | Отряд |
L31-1 | 2958–9887 | 31–203 | 35–224 | 322–364 | 332–431 | 343–7631 | 1–25 | 0–9 | 0–4 | Ostreida Mytilida |
L31-2 | 3686–10181 | 27–214 | – | 345–363 | – | 455–3605 | 2–16 | 0–5 | 0 | Ostreida Mytilida Pectinida |
L31-3 | 2532–13921 | 31–360 | 338–342 | 355–361 | – | 503–12527 | 2–5 | 0–2 | 0 | Ostreida Mytilida Pterioida |
L31-4 | 4456–15077 | 19–267 | 52–312 | 344–359 | 327–459 | 426–9218 | 1–24 | 0–22 | 0–20 | Mytilida Pterioida Adapedonta Venerida |
L31-5 | 969–1038Б | – | – | 323–345 | – | – | 3–6 | 0–2 | 0 | Pectinida |
Примечание. КИП – концевые инвертированые повторы; СИП – субконцевые инвертированные повторы; а.о. – аминокислотный остаток; ОРС – открытая рамка считывания; ПФТ – потенциально функциональная транспозаза; ПФБ-2 – потенциально функциональный белок, кодируемый второй ОРС; А – минимальное значение, указано только для элементов с КИП; Б – у данного кластера нет элементов с КИП, поэтому указана протяженность фрагментов, гомологичных транспозазе.
Наряду с эволюционным разнообразием транспозаз, элементы L31 также различаются общей протяженностью, длиной КИП и субконцевых инвертированных повторов (СИП) как между кластерами, так и внутри них (табл. 3). Наименьшая протяженность элемента, имеющего КИП (L31-3a_PImb), составляла 2532 п.н., но этот элемент не имел ОРС2. Самый короткий элемент, имеющий КИП и обе ОРС, – L31-3a_SGlo, длина которого составляет 3670 п.н. При этом встречаются элементы, длина которых превышает 10 000 п.н. и даже достигает 15 077 п.н. (L31-4a_MMer). Во всех кластерах, кроме L31-5, представлены как короткие, так и длинные варианты. У обоих представителей L31-5 не сохранились КИП и ОРС2, выявлены лишь последовательности, гомологичные транспозазе (табл. 2, табл. 3).
Флуктуации в протяженности элементов L31 преимущественно обусловлены длиной межгенного интервала и в меньшей степени длиной КИП, а также наличием и длиной СИП. Во всех кластерах (с обеими ОРС) наблюдается значительный разброс длины межгенного интервала (табл. 3) – от нескольких сотен до нескольких тысяч пар нуклеотидов. Однако у преобладающего числа элементов протяженность этого интервала варьирует в диапазоне от 400 до 2500 п.н., только у отдельных представителей его длина достигает более значительных величин (например, 9218 п.н. у L31-4a_MMer или 12 527 п.н. у L31-3a_GPla). Причиной такого разнообразия в длине межгенного интервала могут быть мутационные процессы, сопровождающие эволюционный путь L31-транспозонов, в результате которых возникают как делеции, так и вставки (иногда протяженные) фрагментов ДНК.
КИП и СИП также демонстрируют разнообразие – от коротких вариантов 19 п.н. (L31-4c.1_PImb) до длинных 367 п.н. (L31-3b.1_PImb). Обобщая полученные данные, можно отметить отсутствие СИП в кластере L31-2, при том что он имеет достаточно много представителей (13 элементов). Также есть случаи, когда СИП фланкируют только ген транспозазы (L31-1a_MCal) или единственная пара инвертированных повторов фланкирует только ОРС2 (L31-1a_MEdu, L31-1a.1_MGal) (табл. 2, рис. 1б).
Подсчет копий каждого уникального элемента в геномах двустворчатых показал, что L31-транспозоны не имели высокой транскрипционной активности в прошлом. На это указывает немногочисленность сохранившихся экземпляров (табл. 2). Из 45 обнаруженных элементов только три (L31-1b_CHon, L31-1a_CVir, L31-4a_PImb) имели более 20 копий, еще у двух (L31-4a_MMer, L31-2a_CHon) было 13 и 16 копий соответственно. Число копий у остальных L31-транспозонов не превышало 10, а у трех элементов (L31-1b_OLur, L31-1a_MCal, L31-4a_SGra) выявлено лишь по одной копии. Между кластерами больших различий не установлено. В группах L31-3 и L31-5 отсутствуют элементы с числом копий, превышающим 10, но и в остальных группах присутствие более многокопийных элементов носит скорее эпизодический характер.
Около половины обнаруженных L31-транспозонов (27 элементов) сохранили копии с ОРС, кодирующей потенциально функциональную транспозазу, а только около четверти (11 элементов) – потенциально функциональный белок ОРС2 (табл. 2). Количество копий с интактной ОРС транспозазы не превышало 10, а копий с интактной ОРС2 – пяти. Исключением является L31-4a, у которого 22 из 24 копий несли интактный ген транспозазы и 20 из них имели потенциально функциональный ген белка ОРС2.
Полноразмерные транспозазы выявлены во всех кластерах надсемейства L31 и варьировали от 322 до 364 а.о. В каждом кластере найдены элементы как имеющие копии с потенциально функциональной транспозазой, так и без таковых (табл. 2, табл. 3).
Поскольку белок, кодируемый ОРС2, ранее не был описан, то не установлено, какую длину можно считать характерной для него. В связи с этим мы считали полноразмерными все варианты, превышающие 300 а.о. Копии элементов, содержащие полноразмерные белки ОРС2, выявлены только в кластерах L31-1 и L31-4, хотя в кластерах L31-2 и L31-3 также обнаружены элементы с последовательностями, гомологичными ОРС2, но кодирующими белок протяженностью менее 300 а.о. В кластерах L31-1 и L31-4 копии с потенциально функциональными белками ОРС2 выявлены не у всех элементов, но у некоторых присутствовали в относительно большом количестве (20 копий у L31-4a_PImb) (табл. 2). Таким образом, можно отметить, что последовательности ОРС2 в большей степени подвержены деградации и элиминации.
Доменная структура транспозазы L31-транспозонов двустворчатых
Основными компонентами функциональных транспозаз элементов инфракласса ITm являются ДНК-связывающий и каталитический (DDE/D) домены [32]. ДНК-связывающий домен расположен в первой половине (N-концевой части) аминокислотной последовательности транспозазы и выявляется по наличию шести α-спиралей. Этот домен обеспечивает связывание транспозазы с КИП. Между первой и второй триадами α-спиралей располагается GRPR-подобный мотив. Этот компонент обеспечивает взаимодействие ДНК-связывающего домена с сайтом-мишенью (динуклеотид ТА) [58]. Вторая половина (С-концевая часть) транспозазы содержит DDE/D-домен, который обладает эндонуклеазной и лигирующей активностью, необходимой для вырезания и вставки транспозона. Название (DDE/D) домена основано на присутствии триады консервативных маркерных аминокислотных остатков – два аспартата (D) и третий либо глутамат (E), либо аспартат. Между первым и вторым маркерными аспартатами находятся, как правило, от 90 до 110 а.о. Расстояние между вторым и третьим маркерными остатками (составляет обычно от 30 до 40 а.о.) является консервативным и часто используется как классификационный признак транспозонов ITm (например, семейство Visitor – DD40-41D, семейство mariner – DD34D, семейство Tc1 – DD34E) [32–34]. Также транспозазы ITm могут содержать сигнал ядерной локализации (NLS), который, как предполагается, способствует транспорту транспозазы из цитоплазмы в ядро [59, 60].
Изучение структуры полноразмерных транспозаз у элементов L31 двустворчатых показало, что ДНК-связывающий домен, GRPR-подобный мотив и каталитический домен присутствуют практически во всех последовательностях (рис. 4). В отдельных случаях некоторые структуры не обнаружены. Так, в элементе L31-1a_MPhi не найдена третья α-спираль, а в L31-1a_MGal – шестая α-спираль. В целом вторая триада α-спиралей ДНК-связывающего домена имеет большую вариабельность, чем первая триада α-спиралей. GRPR-подобный мотив в четырех последовательностях был неузнаваем (L31-1a_MPhi, L31-1c_CAri, L31-5_AIrr, L31-4a_MMer) (рис. 4). NLS-мотив найден в четырех L31-транспозонах (L31-2a_MEdu, L31-2a_MCal, L31-4a_MPhi, L31-4a_CSin) (рис. 4). Каталитический домен сохранился во всех полноразмерных транспозазах и имел паттерн DD37E. Только элемент L31-5_AIrr содержал DD38E домен (рис. 4).
Рис. 4. Множественное выравнивание последовательностей транспозаз L31-транспозонов. α-Спирали ДНК-связывающего домена выделены серым. Предполагаемый NLS обозначен полужирным курсивом. Триада DDE каталитического домена выделена черным. GPRK-мотив обозначен полужирным и подчеркнут.
Для сравнения каталитических доменов элементов L31 разных кластеров мы выбрали три области, включающие каждый из маркерных аминокислотных остатков триады DDE протяженностью 10 а.о., и создали обобщенные последовательности (рис. 5). Сходства и различия в обобщенных последовательностях между всеми кластерами L31-транспозонов подтвердили адекватность подразделения на группы. Кластер L31-5 включал только два элемента в связи с чем обобщенную последовательность области глутамата (третий маркерный остаток) получить не удалось. Однако области первых двух маркерных остатков были более консервативными и также имели отличия от других кластеров (рис. 5).
Рис. 5. Особенности консервативных районов каталитического домена транспозазы элементов L31. Маркерные аминокислотные остатки каталитического домена выделены серым.
Предполагаемая функция белка, кодируемого второй ОРС L31-транспозонов
Поскольку в ходе исследования выяснилось, что белок, кодируемый ОРС2, является постоянным и достаточно консервативным компонентом L31-транспозонов, мы решили подробнее изучить его предполагаемые функции. В качестве референсной использовали последовательность белка, кодируемого ОРС2 элемента L31-1b_CGig (C. gigas), протяженностью 368 а.о.
Несмотря на то что ранее в аминокислотной последовательности, кодируемой ОРС2 элемента Mariner-31_CGi, был выявлен домен Myosin_tail_1 (pfam01576) [35], поиск гомологий с известными консервативными доменами в коллекциях NCBI с помощью BLAST в этот раз не дал результатов. Анализ с помощью сервисов поиска доменов CDD и Dompred также не выявил никаких гомологий.
Анализ с помощью FFPred 3, предназначенным для предсказания функции (в терминах генной онтологии) аминокислотных последовательностей, когда гомология с известными белками малоинформативна, позволил выявить несколько возможных вариантов. Среди функций, связанных с биологическими процессами, наибольшие значения достоверности имели транспорт (GO:0006810), регуляция транскрипции на основе нуклеиновых кислот (GO:1903506) и регуляция биосинтеза РНК (GO:2001141). Среди предсказанных молекулярных функций наиболее достоверными были: связывание с белками цитоскелета (GO:0008092), связывание с нуклеиновыми кислотами (GO:0003676) и связывание с актином (GO:0003779). Наиболее вероятными структурами из компонентов клеток, с которыми связана предполагаемая функция белка, кодируемого ОРС2, были митохондрии (GO:0005739), митохондриальная мембрана (GO:0031966) и мембрана (GO:0016020).
Исследование с помощью MEMSAT, который позволяет на основе аминокислотных последовательностей предсказать топологию, показало, что кодируемый ОРС2 белок может быть трансмембранным. При этом N-конец белка (1–37 а.о.) – это предположительно его внеклеточная часть, 38–53 а.о. – трансмембранная, а с 54 а.о. до конца – внутриклеточная. Эти данные отчасти согласуются с предсказанием связи с мембранами, полученными в результате анализа с использованием FFPred 3. α-Спиральные трансмембранные белки участвуют в клеточной передаче сигналов, транспорте мембрано-непроницаемых молекул, межклеточной связи, распознавании клеток и клеточной адгезии [52].
Анализ белка, кодируемого ОРС2 элемента L31-1b_CGig, с помощью сервиса предсказания третичной структуры на основе поиска гомологий с известными белками SWISS-MODEL выявил сходство с четырьмя белками: белком комплекса ядерной поры (нуклеопорин) NUP58 (5ijn.1.G), субъединицей E фактора транскрипции II (TFIIE) (5oqm.1.U), белком с цинковыми пальцами NBR1 (2bkf.1.A) и тектином-2 (7rro.32.A). При этом центральная часть белка, кодируемого ОРС2, гомологична NUP58, TFIIE и тектину-2, тогда как N-конец сходен только с NBR1.
Нуклеопорин NUP58 входит в состав комплекса ядерной поры, который обеспечивает транспорт молекул через ядерную мембрану в обоих направлениях [61]. Субъединица E фактора транскрипции II участвует в плавлении ДНК в области промотора во время транскрипции [62]. Тектин-2 является компонентом центриолей [63], а цинковые пальцы являются модулями, взаимодействующими с ДНК, РНК, другими белками или небольшими молекулами [64]. Обобщая функциональные аспекты, с которыми связаны четыре приведенных белка, можно выделить трансмембранный транспорт, участие в синтезе РНК, взаимодействие с ДНК, РНК и белками, что коррелирует с данными, полученными с использованием FFPred 3.
Обсуждение результатов
В результате исследования L31-транспозонов двустворчатых моллюсков получена детальная информация о разнообразии, распространении и структуре этих элементов. Эти данные позволяют классифицировать L31-транспозоны как самостоятельное надсемейство, входящее в большую группу (инфракласс) ITm. Внутри надсемейства нами выделено пять кластеров, что свидетельствует о его эволюционном разнообразии. Из всех моллюсков L31-транспозоны выявлены только у двустворчатых [35]. Однако и внутри этого класса наблюдается ограниченное распространение элементов L31. На данный момент показано присутствие L31-транспозонов в подкласе Autobranchia с преобладанием по разнообразию и количеству в инфраклассе Pteriomorphia (рис. 3). Ограниченное распространение дает основание предполагать, что предковый L31-транспозон двустворчатых появился после дивергенции этой группы организмов. Класс двустворчатые отделился от брюхоногих приблизительно 530 млн лет назад [65]. Предковый L31-транспозон мог возникнуть у моллюсков как в ходе эволюции элементов ITm, так и проникнуть в прародителя таксона в результате горизонтального переноса. Явление горизонтального переноса играет значимую роль в широком распространении и эволюции ДНК-транспозонов [66, 67]. Функциональные, транспозиционно-активные элементы эукариот способны колонизировать геномы новых хозяев и мультиплицироваться, внося вклад в эволюцию и биоразнообразие. Описано довольно много случаев горизонтального переноса элементов инфракласса ITm [67].
Наиболее вероятно, что эволюционное и структурное разнообразие L31-транспозонов двустворчатых является следствием эволюции представителей этого надсемейства ДНК-транспозонов уже внутри таксона. Это связано с этапом диверсификации, который в ходе “жизненного цикла” транспозонов следует, как правило, после колонизации генома хозяина. “Жизненный цикл” включает этапы колонизации, диверсификации, деградации, элиминации [11]. Альтернативными итогами окончания “жизненного цикла” ДНК-транспозонов могут быть молекулярная доместикация, горизонтальный перенос в новый геном и рестарт “жизненного цикла” внутри прежнего генома [11, 35, 48, 68]. Распространение представителей различных кластеров L31-транспозонов среди отрядов двустворчатых указывает на то, что событие диверсификации также произошло достаточно давно, так как в одном отряде могут встречаться элементы разных кластеров (табл. 3).
Малое количество копий отражает, по-видимому, невысокую транспозиционную активность L31-транспозонов. В сочетании с высоким разнообразием это может свидетельствовать о возможных событиях так называемого рестарта “жизненного цикла” внутри прежнего генома, когда в результате мутационных процессов появляется активный транспозон с функциональной транспозазой. Относительно высокое число копий с потенциально функциональной транспозазой у элемента L31-4a_PImb (Pinctada imbricata) может свидетельствовать о том, что он по-прежнему активен или был активным сравнительно недавно (по эволюционным меркам).
Вариации в длине элементов и размерах КИП (СИП), на наш взгляд, также отражают долгий эволюционный путь представителей надсемейства L31. Однако несмотря на древность происхождения, у многих элементов сохранилась вторая ОРС, что дает основание предполагать необходимость продукта этого гена для транспозиционной активности L31-транспозонов. Близкими эволюционными группами надсемейства L31 являются TBE и Tec [30], что подтверждается и в данной работе (рис. 2). Примечательно, что и TBE, и Tec по структуре тоже отличаются от основного массива элементов инфракласса ITm. Элементы семейства TBE имеют небольшие КИП (около 80 п.н.) и несут три ОРС, кодирующих транспозазу, небольшую ОРС с неизвестной функцией и белок с цинковыми пальцами [69, 70]. Элементы Tec имеют очень длинные КИП (около 700 п.н.) и три ОРС: транспозазы, белка с неизвестной функцией и сайт-специфической рекомбиназы, которая может выполнять транспозицию в отсутствие специальной транспозазы [71, 72]. Представители обеих групп пока выявлены только у инфузорий [69, 71]. Белок ОРС2 L31-транспозонов, как и дополнительные белки элементов TBE и Tec, сохраняется в ходе эволюции (и отбора), поэтому, соответственно, его функция может быть связана с обеспечением транспозиционной активности. Поскольку часто белки обладают мультифункциональностью, то и белок ОРС2 может участвовать как в регуляции транскрипции транспозазы, так и обеспечении транспорта транспозазы через ядерный поровый комплекс, или даже транспорта L31-транспозона через клеточную мембрану.
Полученные данные о структуре, разнообразии и распространении элементов L31 двустворчатых моллюсков способствуют лучшему пониманию эволюции представителей инфракласса ITm. Дальнейшее изучение L31-транспозонов в других таксонах (стрекающие), а также исследование функции белка второй ОРС позволит лучше понять эволюцию ДНК-транспозонов, механизмы горизонтального переноса и вклад в биоразнообразие эукариот.
Аминокислотные последовательности транспозаз представлены в Дополнительных материалах. (см на сайте http://www.molecbio.ru/downloads/2024/1/supp_Puzakov_rus.pdf)
Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ИМБИ “Функциональные, метаболические и токсикологические аспекты существования гидробионтов и их популяций в биотопах с различным физико-химическим режимом” (номер гос. регистрации 121041400077-1).
Работа выполнена без привлечения людей и животных в качестве объектов исследования.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
About the authors
M. V. Puzakov
Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: puzakov@ngs.ru
Russian Federation, Sevastopol, 299011
L. V. Puzakova
Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russian Academy of Sciences
Email: puzakov@ngs.ru
Russian Federation, Sevastopol, 299011
References
- Arkhipova I.R., Yushenova I.A. (2019) Giant transposons in eukaryotes: is bigger better? Genome Biol. Evol. 11, 906–918. doi: 10.1093/gbe/evz041
- Bourque G., Burns K.H., Gehring M., Gorbunova V., Seluanov A., Hammell M., Imbeault M., Izsvák Z., Levin H.L., Macfarlan T.S., Mager D.L., Feschotte C. (2018) Ten things you should know about transposable elements. Genome Biol. 19, 199. doi: 10.1186/s13059-018-1577-z
- Kidwell M.G., Lisch D.R. (2000) Transposable elements and host genome evolution. Trends Ecol. Evol. 15, 95–99. doi: 10.1016/s0169-5347(99)01817-0
- Sotero-Caio C.G., Platt R.N., Suh A., Ray D.A. (2017) Evolution and diversity of transposable elements in vertebrate genomes. Genome Biol. Evol. 9, 161–177. doi: 10.1093/gbe/evw264
- Gao B., Shen D., Xue S. Chen C., Cui H., Song C. (2016) The contribution of transposable elements to size variations between four teleost genomes. Mob. DNA. 7, 4. doi: 10.1186/s13100-016-0059-7
- Petrov D.A. (2001) Evolution of genome size: new approaches to an old problem. Trends Genet. 17, 23–28. doi: 10.1016/s0168-9525(00)02157-0
- Юрченко Н.Н., Коваленко Л.В., Захаров И.К. (2011) Мобильные генетические элементы: нестабильность генов и геномов. Вавил. журн. генетики и селекции. 15, 261–270.
- Grabundzija I., Messing S.A., Thomas J. Cosby R.L., Bilic I., Miskey C., Gogol-Döring A., Kapitonov V., Diem T., Dalda A., Jurka J., Pritham E.J., Dyda F., Izsvák Z., Ivics Z. (2016) A Helitron transposon reconstructed from bats reveals a novel mechanism of genome shuffling in eukaryotes. Nat. Commun. 7, 10716. doi: 10.1038/ncomms10716
- Craig N.L., Chandler M., Gellert M., Lambowitz A., Rice P.A., Sandmeyer S. (2015) Mobile DNA III. Washington, USA: ASM Press.
- Sultana T., Zamborlini A., Cristofari G., Lesage P. (2017) Integration site selection by retroviruses and transposable elements in eukaryotes. Nat. Rev. Genet. 18, 292–308. doi: 10.1038/nrg.2017.7
- Blumenstiel J.P. (2019) Birth, school, work, death, and resurrection: the life stages and dynamics of transposable element proliferation. Genes (Basel). 10, 336. doi: 10.3390/genes10050336
- Bowen N.J., Jordan I.K. (2007) Exaptation of protein coding sequences from transposable elements. Genome Dyn. 3, 147–162.
- Venner S., Feschotte C., Biémont C. (2009) Dynamics of transposable elements: towards a community ecology of the genome. Trends Genet. 25, 317–323.
- Boissinot S., Chevret P., Furano A.V. (2000) L1 (LINE-1) retrotransposon evolution and amplification in recent human history. Mol. Biol. Evol. 17, 915–928. doi: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026372
- Platt R.N. 2nd, Vandewege M.W., Ray D.A. (2018) Mammalian transposable elements and their impacts on genome evolution. Chromosome Res. 26, 25–43. doi: 10.1007/s10577-017-9570-z
- Sinzelle L., Izsvák Z., Ivics Z. (2009) Molecular domestication of transposable elements: from detrimental parasites to useful host genes. Cell. Mol. Life Sci. 66, 1073–1093. doi: 10.1007/s00018-009-8376-3
- Chow K.C., Tung W.L. (2000) Magnetic field exposure stimulates transposition through the induction of DnaK/J synthesis. Biochem. Biophys. Res. Commun. 270, 745–748. doi: 10.1006/bbrc.2000.2496
- Бубенщикова Е.В., Антоненко О.В., Васильева Л.А., Ратнер В.А. (2002) Индукция транспозиций МГЭ 412 раздельно тепловым и холодовым шоком в сперматогенезе у самцов дрозофилы. Генетика. 38, 46–55.
- Del Re B., Garoia F., Mesirca P. Agostini C., Bersani F., Giorgi G. (2003) Extremely low frequency magnetic fields affect transposition activity in Escherichia coli. Radiat. Environ. Biophys. 42, 113–118. doi: 10.1007/s00411-003-0192-9
- Захаренко Л.П., Коваленко Л.В., Перепелкина М.П., Захаров И.К. (2006) Влияние γ-радиации на индукцию транспозиций hobo-элемента у Drosophila melanogaster. Генетика. 42, 763–767.
- Васильева Л.А., Выхристюк О.В., Антоненко О.В., Захаров И.К. (2007) Индукция транспозиций мобильных генетических элементов в геноме Drosophila melanogaster различными стрессовыми факторами. Информацион. Вестн. ВОГиС. 11, 662–671.
- Чересиз С.В., Юрченко Н.Н., Иванников А.В., Захаров И.К. (2008) Мобильные элементы и стресс. Информацион. Вестн. ВОГиС. 12, 217–242.
- Piacentini L., Fanti L., Specchia V., Bozzetti M.P., Berloco M., Palumbo G., Pimpinelli S. (2014) Transposons, environmental changes, and heritable induced phenotypic variability. Chromosoma. 123, 345–354. doi: 10.1007/s00412-014-0464-y
- Auvinet J., Graça P., Belkadi L., Petit L., Bonnivard E., Dettaï A., Detrich W.H. 3rd, Ozouf-Costaz C., Higuet D. (2018) Mobilization of retrotransposons as a cause of chromosomal diversification and rapid speciation: the case for the Antarctic teleost genus Trematomus. BMC Genomics. 19, 339. doi: 10.1186/s12864-018-4714-x
- Kojima K.K. (2020) Structural and sequence diversity of eukaryotic transposable elements. Genes Genet. Syst. 94, 233–252. doi: 10.1266/ggs.18-00024
- Kapitonov V.V., Jurka J. (2008) A universal classification of eukaryotic transposable elements implemented in Repbase. Nat. Rev. Genet. 9, 411–412. doi: 10.1038/nrg2165-c1
- Wicker T., Sabot F., Hua-Van A., Bennetzen J.L., Capy P., Chalhoub B., Flavell A., Leroy P., Morgante M., Panaud O., Paux E., SanMiguel P., Schulman A.H. (2007) A unified classification system for eukaryotic transposable elements. Nat. Rev. Genet. 8, 973–982. doi: 10.1038/nrg2165
- Yuan Y.W., Wessler S.R. (2011) The catalytic domain of all eukaryotic cut-and-paste transposase superfamilies. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108, 7884–7889. doi: 10.1073/pnas.110420810829
- Shi S., Puzakov M., Guan Z., Xiang K., Diaby M., Wang Y., Wang S., Song C., Gao B. (2021) Prokaryotic and eukaryotic horizontal transfer of Sailor (dd82e), a new superfamily of IS630-Tc1-Mariner DNA-transposons. Biology (Basel). 10, 1005. doi: 10.3390/biology10101005
- Dupeyron M., Baril T., Bass C., Hayward A. (2020) Phylogenetic analysis of the Tc1/mariner superfamily reveals the unexplored diversity of pogo-like elements. Mob. DNA. 11, 21. doi: 10.1186/s13100-020-00212-0
- Shao H.G., Tu Z.J. (2001) Expanding the diversity of the IS630-Tc1-mariner superfamily: discovery of a unique DD37E transposon and reclassification of the DD37D and DD39D transposons. Genetics. 159, 1103–1115. doi: 10.1093/genetics/159.3.1103
- Tellier M., Bouuaert C.C., Chalmers R. (2015) Mariner and the ITm superfamily of transposons. Microbiol. Spectr. 3, MDNA3-0033-2014. doi: 10.1128/microbiolspec.MDNA3-0033-2014
- Gao B., Wang Y.L., Diaby M., Zong W., Shen D., Wang S., Chen C., Wang X., Song C. (2020) Evolution of pogo, a separate superfamily of IS630-Tc1-mariner transposons, revealing recurrent domestication events in vertebrates. Mob. DNA. 11, 25.
- Coy M.R., Tu Z.J. (2010) Gambol and Tc1 are two distinct families of DD34E transposons: analysis of the Anopheles gambiae genome expands the diversity of the IS630-Tc1-mariner superfamily. Insect Mol. Biol. 14, 537–546. doi: 10.1111/j.1365-2583.2005.00584.x
- Puzakov M.V., Puzakova L.V., Cheresiz S.V. (2018) An analysis of IS630/Tc1/mariner transposons in the genome of a pacific oyster Crassostrea gigas. J. Mol. Evol. 86, 566–580. doi: 10.1007/s00239-018-9868-2
- Altschul S.F., Madden T.L., Schäffer A.A., Zhang J., Zhang Z., Miller W., Lipman D.J. (1997) Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucl. Acids Res. 25, 3389–3402. doi: 10.1093/nar/25.17.3389
- Yamada K.D., Tomii K., Katoh K. (2016) Application of the MAFFT sequence alignment program to large data – reexamination of the usefulness of chained guide trees. Bioinformatics. 32, 3246–3251. doi: 10.1093/bioinformatics/btw4122016
- Nguyen L.T., Schmidt H.A., von Haeseler A., Minh B.Q. (2015) IQ-TREE: a fast and effective stochastic algorithm for estimating maximum-likelihood phylogenies. Mol. Biol. Evol. 32, 268‒274. doi: 10.1093/molbev/msu30039
- Hoang D.T., Chernomor O., von Haeseler A., Minh B.Q., Vinh L.S. (2018) UFBoot2: Improving the ultrafast bootstrap approximation. Mol. Biol. Evol. 35, 518–522. doi: 10.1093/molbev/msx281
- Kalyaanamoorthy S., Minh B.Q., Wong T.K.F., von Haeseler A., Jermiin L.S. (2017) ModelFinder: fast model selection for accurate phylogenetic estimates. Nat. Methods. 14, 587–589. doi: 10.1038/nmeth.4285
- Zhang H.H., Li G.Y., Xiong X.M., Han M.J., Zhang X.G., Dai F.Y. (2016) TRT, a vertebrate and protozoan Tc1-like transposon: current activity and horizontal transfer. Genome Biol. Evol. 8, 2994–3005. doi: 10.1093/gbe/evw213
- Sang Y., Gao B., Diaby M., Zong W., Chen C., Shen D., Wang S., Wang Y., Ivics Z., Song C. (2019) Incomer, a DD36E family of Tc1/mariner transposons newly discovered in animals. Mob. DNA. 10, 45. doi: 10.1186/s13100-019-0188-x
- Zong W., Gao B., Diaby M., Shen D., Wang S., Wang Y., Sang Y., Chen C., Wang X., Song C. (2020) Traveler, a new DD35E family of Tc1/mariner transposons, invaded vertebrates very recently. Genome Biol. Evol. 12, 66–76. doi: 10.1093/gbe/evaa034
- Gao B., Zong W., Miskey C., Ullah N., Diaby M., Chen C., Wang X., Ivics Z., Song C. (2020) Intruder (DD38E), a recently evolved sibling family of DD34E/Tc1 transposons in animals. Mob. DNA. 11, 32. doi: 10.1186/s13100-020-00227-7
- Puzakov M.V., Puzakova L.V., Cheresiz S.V. (2020) The Tc1-like elements with the spliceosomal introns in mollusk genomes. Mol. Genet. Genomics. 295, 621–633. doi: 10.1007/s00438-020-01645-1
- Shen D., Gao B., Miskey C., Chen C., Sang Y., Zong W., Wang S., Wang Y., Wang X., Ivics Z., Song C. (2020) Multiple Invasions of Visitor, a DD41D family of Tc1/mariner transposons, throughout the evolution of vertebrates. Genome Biol. Evol. 12, 1060–1073. doi: 10.1093/gbe/evaa135
- Пузаков М.В., Пузакова Л.В. (2022) Распространенность, разнообразие и эволюция ДНК-транспозонов L18 (DD37E) в геномах стрекающих (Cnidaria). Молекуляр. биология. 56, 476–490. doi: 10.31857/S0026898422030120
- Wang S., Diaby M., Puzakov M., Ullah N., Wang Y., Danley P., Chen C., Wang X., Gao B., Song C. (2021) Divergent evolution profiles of DD37D and DD39D families of Tc1/mariner transposons in eukaryotes. Mol. Phylogenet. Evol. 161, 107143. doi: 10.1016/j.ympev.2021.10714349
- Puzakov M.V., Puzakova L.V., Cheresiz S.V., Sang Y. (2021) The IS630/Tc1/mariner transposons in three ctenophore genomes. Mol. Phylogenet. Evol. 163, 107231. doi: 10.1016/j.ympev.2021.107231
- Buchan D.W.A., Jones D.T. (2019) The PSIPRED protein analysis workbench: 20 years on. Nucl. Acids Res. 47, 402–407. doi: 10.1093/nar/gkz297
- Crooks G.E., Hon G., Chandonia J.M., Brenner S.E. (2004) WebLogo: a sequence logo generator. Genome Res. 14, 1188–1190. doi: 10.1101/gr.849004
- Marchler-Bauer A., Bo Y., Han L., He J., Lanczycki C.J., Lu S., Chitsaz F., Derbyshire M.K., Geer R.C., Gonzales N.R., Gwadz M., Hurwitz D.I., Lu F., Marchler G.H., Song J.S., Thanki N., Wang Z., Yamashita R.A., Zhang D., Zheng C., Geer L.Y., Bryant S.H. (2017) CDD/SPARCLE: functional classification of proteins via subfamily domain architectures. Nucl. Acids Res. 45, D200–D203. doi: 10.1093/nar/gkw1129
- Boratyn G.M., Schäffer A.A., Agarwala R., Altschul S.F., Lipman D.J., Madden T.L. (2012) Domain enhanced lookup time accelerated BLAST. Biol. Direct. 7, 12. doi: 10.1186/1745-6150-7-12
- Bryson K., Cozzetto D., Jones D.T. (2007) Computer-assisted protein domain boundary prediction using the DomPred server. Curr. Protein Pept. Sci. 8, 181–188. doi: 10.2174/138920307780363415
- Cozzetto D., Minneci F., Currant H., Jones D.T. (2016) FFPred 3: feature-based function prediction for all Gene Ontology domains. Sci. Rep. 6, 31865. doi: 10.1038/srep31865
- Nugent T., Jones D.T. (2009) Transmembrane protein topology prediction using support vector machines. BMC Bioinformatics. 10, 159. doi: 10.1186/1471-2105-10-159
- Waterhouse A., Bertoni M., Bienert S., Wong G., Chinikar S., Hajivand Z., Mokhayeri H., Nowotny N., Kayedi M.H. (2018) SWISS-MODEL: homology modelling of protein structures and complexes. Nucl. Acids Res. 46, W296–W303. doi: 10.1093/nar/gky427
- Ivics Z., Izsvák Z. (2015) Sleeping Beauty transposition. Microbiol. Spectr. 3, MDNA3-0042-2014. doi: 10.1128/microbiolspec.MDNA3-0042-2014
- Ivics Z., Hackett P.B., Plasterk R.H., Izsvak Z. (1997) Molecular reconstruction of Sleeping Beauty, a Tc1-like transposon from fish, and its transposition in human cells. Cell. 91, 501–510. doi: 10.1016/s0092-8674(00)80436-560
- Plasterk R.H., Izsvak Z., Ivics Z. (1999) Resident aliens: the Tc1/mariner superfamily of transposable elements. Trends Genet. 15, 326–332. doi: 10.1016/s0168-9525(99)01777-1
- Arai Y., Hosoda F., Kobayashi H., Arai K., Hayashi Y., Kamada N., Kaneko Y., Ohki M. (1997) The inv(11)(p15q22) chromosome translocation of de novo and therapy-related myeloid malignancies results in fusion of the nucleoporin gene, NUP98, with the putative RNA helicase gene, DDX10. Blood. 89, 3936–3944.
- Lee T.I., Young R.A. (2000) Transcription of eukaryotic protein-coding genes. Annu. Rev. Genet. 34, 77–137. doi: 10.1146/annurev.genet.34.1.77
- Nigg E.A., Raff J.W. (2009) Centrioles, centrosomes, and cilia in health and disease. Cell. 139, 663–678. doi: 10.1016/j.cell.2009.10.036
- Klug A. (2010) The discovery of zinc fingers and their applications in gene regulation and genome manipulation. Annu. Rev. Biochem. 79, 213–231. doi: 10.1146/annurev-biochem-010909-095056
- Kumar M., Suleski J.E., Craig A.E., Kasprowicz A.E., Sanderford M., Li M., Stecher G., Hedges S.B. (2022) TimeTree 5: an expanded resource for species divergence times. Mol. Biol. Evol. 39, msac174. doi: 10.1093/molbev/msac174
- Cummings M.P. (1994) Transmission patterns of eukaryotic transposable elements: arguments for and against horizontal transfer. Trends Ecol. Evol. 9, 141–145. doi: 10.1016/0169-5347(94)90179-1
- Wallau G.L., Ortiz M.F., Loreto E.L. (2012) Horizontal transposon transfer in eukarya: detection, bias, and perspectives. Genome Biol. Evol. 4, 689–699. doi: 10.1093/gbe/evs055
- Jangam D., Feschotte C., Betrán E. (2017) Transposable element domestication as an adaptation to evolutionary conflicts. Trends Genet. 33, 817–831. doi: 10.1016/j.tig.2017.07.011
- Hunter D.J., Williams K., Cartinhour S., Herrick G. (1989) Precise excision of telomere-bearing transposons during Oxytricha fallax macronuclear development. Genes Dev. 3, 2101–2112. doi: 10.1101/gad.3.12b.210170
- Chen X., Landweber L.F. (2016) Phylogenomic analysis reveals genome-wide purifying selection on TBE transposons in the ciliate Oxytricha. Mob. DNA. 7, 2. doi: 10.1186/s13100-016-0057-9
- Jahn C.L., Doktor S.Z., Frels J.S., Jaraczewski J.W., Krikau M.F. (1993) Structures of the Euplotes crassus Tec1 and Tec2 elements: identification of putative transposase coding regions. Gene. 133, 71–78. doi: 10.1016/0378-1119(93)90226-s
- Doak T.G., Witherspoon D.J., Jahn C.L., Herrick G. (2003) Selection on the genes of Euplotes crassus Tec1 and Tec2 transposons: evolutionary appearance of a programmed frameshift in a Tec2 gene encoding a tyrosine family site-specific recombinase. Eukaryot. Cell. 2, 95–102. doi: 10.1128/EC.2.1.95-102.2003
Supplementary files
