БИОХИМИЯ, 2018, том 83, вып. 12, с. 1884–1894
Регулярные статьи
УДК 577.2
Программный комплекс Cysmotif searcher для идентификации антимикробных пептидов в транскриптомах растений*
1 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, 119991 Москва, Россия; электронная почта: fallandar@gmail.com
2 Центральный научно-исследовательский институт эпидемиологии Роспотребнадзора, 111123 Москва, Россия
Поступила в редакцию 24.06.2018
После доработки 23.08.2018
DOI: 10.1134/S0320972518120114
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: антимикробные пептиды, аннотация белков, поиск мотивов, программный комплекс.
Аннотация
В данной работе мы представляем новый программный комплекс Cysmotif searcher для поиска в транскриптомах растений различных антимикробных пептидов (АМП), важнейших компонентов врожденного иммунитета. Cysmotif searcher находит и классифицирует короткие цистеин-богатые аминокислотные последовательности, содержащие открытую рамку считывания и сайт расщепления сигнального пептида. Благодаря комбинации различных методов поиска с помощью Cysmotif searcher можно за небольшое время получить наиболее полный репертуар потенциальных антимикробных пептидов для одного или нескольких транскриптомов. Производительность программного комплекса оценивается на модельном растении A. thaliana и девяти других растениях, включающих культурные и дикорастущие виды. Полученные результаты сравниваются с имеющейся аннотацией (. thaliana) и обычным поиском на основе гомологии (другие растения). Сравнение осуществляется как для известных семейств АМП растений, так и для вновь обнаруженных пептидов, которые не могут быть отнесены к существующим семействам. Обсуждается применимость программного обеспечения к задаче обнаружения новых АМП, а также представлены практические рекомендации по использованию программного комплекса для конечных пользователей. Программный комплекс может быть использован бесплатно в научных целях и может быть загружен через Github (http://github.com/fallandar/cysmotifsearcher).
Текст статьи
Сноски
* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM 18-182, 17.09.2018.
** Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Эта работа была поддержана Российским научным фондом (грант № 16-16-00032).
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Список литературы
1. Bahar, A.A., and Ren, D. (2013) Antimicrobial peptides, Pharmaceuticals (Basel), 6, 1543–1575.
2. Pasupuleti, M., Schmidtchen, A., and Malmsten, M. (2012) Antimicrobial peptides: key components of the innate immune system, Crit. Rev. Biotechnol., 32, 143–171.
3. Pushpanathan, M., Gunasekaran, P., and Rajendhran, J. (2013) Antimicrobial peptides: versatile biological properties, Int. J. Pept., 2013, 675391.
4. Maccari, G., Di Luca, M., Nifosi, R., Cardarelli, F., Signore, G., Boccardi, C., and Bifone, A. (2013) Antimicrobial peptides design by evolutionary multiobjective optimization, PLoS Comput. Biol., 9, e1003212.
5. Jochumsen, N., Marvig, R.L., Damkiaer, S., Jensen, R. L., Paulander, W., Molin, S., Jelsbak, L., and Folkesson, A. (2016) The evolution of antimicrobial peptide resistance in Pseudomonas aeruginosa is shaped by strong epistatic interactions, Nat. Commun., 7, 13002.
6. Pasupuleti, M. (2009) Structural, functional and evolutionary studies of antimicrobial peptides: Doctoral Dissertation, Department of Clinical Sciences, Lund University.
7. Tennessen, J.A. (2005) Molecular evolution of animal antimicrobial peptides: widespread moderate positive selection, J. Evol. Biol., 18, 1387–1394.
8. Hiemstra, P., and Zaat, S. (2013) Antimicrobial peptides and innate immunity (part of the Progress in inflammation research book series), Springer, Basel.
9. Wang, M., and Hu, X. (2017) Antimicrobial peptide repertoire of Thitarodes armoricanus, a host species of Ophiocordyceps sinensis, predicted based on de novo transcriptome sequencing and analysis, Infect. Genet. Evol., 54, 238–244.
10. Kim, I.W., Markkandan, K., Lee, J.H., Subramaniyam, S., Yoo, S., Park, J., and Hwang, J.S. (2016) Transcriptome profiling and in silico analysis of the antimicrobial peptides of the grasshopper Oxya chinensis sinuosa, J. Microbiol. Biotechnol., 26, 1863–1870.
11. Gupta, S.K., Kupper, M., Ratzka, C., Feldhaar, H., Vilcinskas, A., Gross, R., Dandekar, T., and Forster, F. (2015) Scrutinizing the immune defence inventory of Camponotus floridanus applying total transcriptome sequencing, BMC Genomics, 16, 540.
12. Pujol, N., Zugasti, O., Wong, D., Couillault, C., Kurz, C.L., Schulenburg, H., and Ewbank, J.J. (2008) Anti-fungal innate immunity in C. elegans is enhanced by evolutionary diversification of antimicrobial peptides, PLoS Pathog., 4, e1000105.
13. Slavokhotova, A.A., Shelenkov, A.A., and Odintsova, T.I. (2015) Prediction of Leymus arenarius (L.) antimicrobial peptides based on de novo transcriptome assembly, Plant. Mol. Biol., 89, 203–214.
14. Slavokhotova, A.A., Shelenkov, A.A., Korostyleva, T.V., Rogozhin, E.A., Melnikova, N.V., Kudryavtseva, A.V., and Odintsova, T.I. (2017) Defense peptide repertoire of Stellaria media predicted by high throughput next generation sequencing, Biochimie, 135, 15–27.
15. Utkina, L.L., Andreev, Y.A., Rogozhin, E.A., Korostyleva, T.V., Slavokhotova, A.A., Oparin, P.B., Vassilevski, A.A., Grishin, E.V., Egorov, T.A., and Odintsova, T.I. (2013) Genes encoding 4-Cys antimicrobial peptides in wheat Triticum kiharae Dorof. et Migush.: multimodular structural organization, instraspecific variability, distribution and role in defence, FEBS J., 280, 3594–3608.
16. Fujimura, M., Minami, Y., Watanabe, K., and Tadera, K. (2003) Purification, characterization, and sequencing of a novel type of antimicrobial peptides, Fa-AMP1 and Fa-AMP2, from seeds of buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench.), Biosci. Biotechnol. Biochem., 67, 1636–1642.
17. Rogozhin, E.A., Slezina, M.P., Slavokhotova, A.A., Istomina, E.A., Korostyleva, T.V., Smirnov, A.N., Grishin, E.V., Egorov, T.A., and Odintsova, T.I. (2015) A novel antifungal peptide from leaves of the weed Stellaria media L, Biochimie, 116, 125–132.
18. Astafieva, A.A., Enyenihi, A.A., Rogozhin, E.A., Kozlov, S.A., Grishin, E.V., Odintsova, T.I., Zubarev, R.A., and Egorov, T.A. (2015) Novel proline-hydroxyproline glycopeptides from the dandelion (Taraxacum officinale Wigg.) flowers: de novo sequencing and biological activity, Plant Sci., 238, 323–329.
19. Slavokhotova, A.A., Naumann, T.A., Price, N.P., Rogozhin, E.A., Andreev, Y.A., Vassilevski, A.A., and Odintsova, T.I. (2014) Novel mode of action of plant defense peptides – hevein-like antimicrobial peptides from wheat inhibit fungal metalloproteases, FEBS J., 281, 4754–4764.
20. Tam, J.P., Wang, S., Wong, K.H., and Tan, W.L. (2015) Antimicrobial peptides from plants, Pharmaceuticals (Basel), 8, 711–757.
21. Matasci, N., Hung, L.H., Yan, Z., Carpenter, E.J., Wickett, N.J., Mirarab, S., Nguyen, N., Warnow, T., Ayyampalayam, S., Barker, M., Burleigh, J.G., Gitzendanner, M.A., Wafula, E., Der, J.P., dePamphilis, C.W., Roure, B., Philippe, H., Ruhfel, B.R., Miles, N.W., Graham, S.W., Mathews, S., Surek, B., Melkonian, M., Soltis, D.E., Soltis, P.S., Rothfels, C., Pokorny, L., Shaw, J.A., DeGironimo, L., Stevenson, D.W., Villarreal, J.C., Chen, T., Kutchan, T.M., Rolf, M., Baucom, R.S., Deyholos, M.K., Samudrala, R., Tian, Z., Wu, X., Sun, X., Zhang, Y., Wang, J., Leebens-Mack, J., and Wong, G.K. (2014) Data access for the 1000 Plants (1KP) project, Gigascience, 3, 17.
22. Silverstein, K.A., Moskal, W.A., Jr., Wu, H.C., Underwood, B.A., Graham, M.A., Town, C.D., and VandenBosch, K.A. (2007) Small cysteine-rich peptides resembling antimicrobial peptides have been under-predicted in plants, Plant J., 51, 262–280.
23. Slavokhotova, A.A., Shelenkov, A.A., Andreev, Y.A., and Odintsova, T.I. (2017) Hevein-like antimicrobial peptides of plants, Biochemistry (Moscow), 82, 1659–1674.
24. Kader, J.C. (1996) Lipid-transfer proteins in plants, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 47, 627–654.
25. Nielsen, H. (2017) Predicting secretory proteins with SignalP, Methods Mol. Biol., 1611, 59–73.
26. Zhou, P., Silverstein, K.A., Gao, L., Walton, J.D., Nallu, S., Guhlin, J., and Young, N.D. (2013) Detecting small plant peptides using SPADA (Small Peptide Alignment Discovery Application), BMC Bioinformatics, 14, 335.
27. Eddy, S.R. (1998) Profile hidden Markov models, Bioinformatics, 14, 755–763.
28. Keller, O., Kollmar, M., Stanke, M., and Waack, S. (2011) A novel hybrid gene prediction method employing protein multiple sequence alignments, Bioinformatics, 27, 757–763.
29. Zhang, R., Calixto, C.P.G., Marquez, Y., Venhuizen, P., Tzioutziou, N.A., Guo, W., Spensley, M., Entizne, J.C., Lewandowska, D., Ten Have, S., Frei Dit Frey, N., Hirt, H., James, A.B., Nimmo, H.G., Barta, A., Kalyna, M., and Brown, J.W.S. (2017) A high quality Arabidopsis transcriptome for accurate transcript-level analysis of alternative splicing, Nucleic Acids Res., 45, 5061–5073.
30. Tanase, K., Nishitani, C., Hirakawa, H., Isobe, S., Tabata, S., Ohmiya, A., and Onozaki, T. (2012) Transcriptome analysis of carnation (Dianthus caryophyllus L.) based on next-generation sequencing technology, BMC Genomics, 13, 292.
31. Porto, W.F., Pires, A.S., and Franco, O.L. (2012) CS-AMPPred: an updated SVM model for antimicrobial activity prediction in cysteine-stabilized peptides, PLoS One, 7, e51444.
32. Hammami, R., Ben Hamida, J., Vergoten, G., and Fliss, I. (2009) PhytAMP: a database dedicated to antimicrobial plant peptides, Nucleic Acids Res., 37, D963–968.
33. Waghu, F.H., Barai, R.S., Gurung, P., and Idicula-Thomas, S. (2016) CAMPR3: a database on sequences, structures and signatures of antimicrobial peptides, Nucleic Acids Res., 44, D1094–D1097.