БИОХИМИЯ, 2025, том 90, вып. 4, с. 559–570
УДК 577.151+575.852
Системы рестрикции‑модификации со специфичностями GGATC, GATGC и GATGG. Часть 1. Эволюция и экология
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, 119234 Москва, Россия
2 НИУ «Высшая школа экономики», 109028 Москва, Россия
3 НИЦ «Курчатовский институт» – НИИСИ, 117218 Москва, Россия
4 НИУ «Московский физико-технический институт», 117303 Москва, Россия
5 НИЦ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи Минздрава России, 123098 Москва, Россия
6 ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии, 127550 Москва, Россия
Поступила в редакцию 21.01.2025
После доработки 19.03.2025
Принята к публикации 26.03.2025
DOI: 10.31857/S0320972525040052
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: система рестрикции‑модификации, молекулярная эволюция, ДНК‑метилтрансфераза, эндонуклеаза рестрикции, горизонтальный перенос генов.
Аннотация
В работе исследована эволюция систем рестрикции-модификации, белки которых содержат эндонуклеазный домен семейства RE_AlwI и либо две ДНК-метилтрансферазы, каждая с доменом семейства MethyltransfD12, либо одну ДНК-метилтрансферазу с двумя доменами этого семейства. Все такие системы узнают одну из трёх последовательностей ДНК, а именно GGATC, GATGC или GATGG, а эндонуклеазы рестрикции этих систем разделяются по сходству полных последовательностей на три клады, однозначно соответствующие специфичностям. ДНК-метилтрансферазные домены этих систем по сходству последовательностей делятся на две группы, причём два домена каждой системы относятся к разным группам, а в пределах каждой группы домены разделяются на три клады, соответствующие специфичности. Обнаружены признаки множественных межвидовых горизонтальных переносов систем в целом, а также свидетельства переноса генов между системами, в том числе переноса одной из ДНК-метилтрансфераз с изменением специфичности. Выявлены эволюционные связи ДНК-метилтрансфераз из таких систем с другими, в том числе одиночными, ДНК-метилтрансферазами.
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Вклад авторов
С.А. Спирин, А.В. Алексеевский, А.С. Карягина – концепция и руководство работой; С.А. Спирин, И.С. Русинов, О.Л. Макарикова, А.С. Карягина – подготовка данных, написание компьютерных программ, анализ результатов; С.А. Спирин, И.С. Русинов, А.В. Алексеевский, А.С. Карягина – обсуждение результатов; С.А. Спирин и А.С. Карягина – написание и редактирование текста.
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21-14-00135).
Благодарности
Авторы выражают благодарность А.В. Гришину за помощь в подготовке текста.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.
Список литературы
1. Williams, R. J. (2003) Restriction endonucleases: classification, properties, and applications, Mol. Biotechnol., 23, 225-244, https://doi.org/10.1385/mb:23:3:225.
2. Roberts, R. J. (2003) A nomenclature for restriction enzymes, DNA methyltransferases, homing endonucleases and their genes, Nucleic Acids Res., 31, 1805-1812, https://doi.org/10.1093/nar/gkg274.
3. Madhusoodanan, U. K., and Rao, D. N. (2010) Diversity of DNA methyltransferases that recognize asymmetric target sequences, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol., 45, 125-145, https://doi.org/10.3109/10409231003628007.
4. Vasu, K., and Nagaraja, V. (2013) Diverse functions of restriction-modification systems in addition to cellular defense, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 77, 53-72, https://doi.org/10.1128/mmbr.00044-12.
5. Fokina, A. S., Karyagina, A. S., Rusinov, I. S., Moshensky, D. M., Spirin, S. A., and Alexeevski, A. V. (2023) Evolution of restriction–modification systems consisting of one restriction endonuclease and two DNA methyltransferases, Biochemistry (Moscow), 88, 253-261, https://doi.org/10.1134/S0006297923020086.
6. Mistry, J., Chuguransky, S., Williams, L., Qureshi, M., Salazar, G. A., Sonnhammer, E. L. L., Tosatto, S. C. E., Paladin, L., Raj, S., Richardson, L. J., Finn, R. D., and Bateman, A. (2020) Pfam: the protein families database in 2021, Nucleic Acids Res., 49, D412-D419, https://doi.org/10.1093/nar/gkaa913.
7. Roberts, R. J., Vincze, T., Posfai, J., and Macelis, D. (2014) REBASE – a database for DNA restriction and modification: enzymes, genes and genomes, Nucleic Acids Res., 43, D298-D299, https://doi.org/10.1093/nar/gku1046.
8. Edgar, R.C. (2004) MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput, Nucleic Acids Res., 32, 1792-1797, https://doi.org/10.1093/nar/gkh340.
9. Lefort, V., Desper, R., and Gascuel, O. (2015) FastME 2.0: A comprehensive, accurate, and fast distance-based phylogeny inference program, Mol. Biol. Evol., 32, 2798-2800, https://doi.org/10.1093/molbev/msv150.
10. Kumar, S., Stecher, G., and Tamura, K. (2016) MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 7.0 for bigger datasets, Mol. Biol. Evol., 33, 1870-1874, https://doi.org/10.1093/molbev/msw054.
11. Letunic, I., and Bork, P. (2021) Interactive tree of life (iTOL) v5: an online tool for phylogenetic tree display and annotation, Nucleic Acids Res., 49, W293-W296, https://doi.org/10.1093/nar/gkab301.
12. Li, W., and Godzik, A. (2006) Cd-hit: a fast program for clustering and comparing large sets of protein or nucleotide sequences, Bioinformatics, 22, 1658-1659, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btl158.
13. Burge, C., Campbell, A. M., and Karlin, S. (1992) Over- and under-representation of short oligonucleotides in DNA sequences, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 89, 1358-1362, https://doi.org/10.1073/pnas.89.4.1358.
14. Rusinov, I. S., Ershova, A. S., Karyagina, A. S., Spirin, S. A., and Alexeevski, A. V. (2018) Comparison of methods of detection of exceptional sequences in prokaryotic genomes, Biochemistry (Moscow), 83, 129-139, https://doi.org/10.1134/S0006297918020050.
15. Karlin, S., Burge, C., and Campbell, A. M. (1992) Statistical analyses of counts and distributions of restriction sites in DNA sequences, Nucleic Acids Res., 20, 1363-1370, https://doi.org/10.1093/nar/20.6.1363.
16. Rusinov, I., Ershova, A., Karyagina, A., Spirin, S., and Alexeevski, A. (2015) Lifespan of restriction-modification systems critically affects avoidance of their recognition sites in host genomes, BMC Genomics, 16, 1-15, https://doi.org/10.1186/s12864-015-2288-4.
17. Brézellec, P., Hoebeke, M., Hiet, M. S., Pasek, S., and Ferat, J. L. (2006) DomainSieve: a protein domain-based screen that led to the identification of dam-associated genes with potential link to DNA maintenance, Bioinformatics, 22, 1935-1941, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btl336.
18. Murray, N. E. (2002) 2001 Fred Griffith review lecture. Immigration control of DNA in bacteria: self versus non-self, Microbiology, 148, 3-20, https://doi.org/10.1099/00221287-148-1-3.
19. Friedrich, T., Fatemi, M., Gowhar, H., Leismann, O., and Jeltsch, A. (2000) Specificity of DNA binding and methylation by the M.FokI DNA methyltransferase, Biochim. Biophys. Acta, 1480, 145-159, https://doi.org/10.1016/s0167-4838(00)00065-0.
20. Horton, J. R., Liebert, K., Bekes, M., Jeltsch, A., and Cheng, X. (2006) Structure and substrate recognition of the Escherichia coli DNA adenine methyltransferase, J. Mol. Biol., 358, 559-570, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2006.02.028.