Preview

Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии

Расширенный поиск

Тетрануклеотидный профиль герпесвирусных ДНК

https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-3-3

Полный текст:

Аннотация

Введение. Герпесвирусные ДНК (около 90% всех полногеномных последовательностей семейства Herpesvirales, представленных в GenBank) содержат в минимальной концентрации один из двух тетрануклеотидов — CTAG или TCGA. «Недопредставленность» CTAG ранее наблюдалась только в ДНК некоторых бактерий и фагов. Ранее выявленная «недопредставленность» метилируемого димера CpG находит свое выражение в низкой концентрации TCAG в ДНК герпесвирусов.

Цель работы — продолжение анализа формальных характеристик герпесвирусных ДНК, а также сопоставление их с плотностью ДНК-микрогомологий вирус/хозяин и с геномной макроструктурой герпесвирусов.

Материалы и методы. Проанализированы по 20 штаммов и изолятов каждого из пяти типов вирусов герпеса человека (HHV1, HHV2, HHV3, HHV4, HHV5), 10 штаммов HHV8, 5 штаммов HHV6A, 4 штамма HHV6B и 3 штамма HHV7. Для определения частоты тетрануклеотидов использовали инструменты GenBank, а для сравнения — фрагменты ДНК человека размером с ДНК герпесвирусов.

Результаты. Минимальная концентрация CTAG в ДНК герпесвирусов в основном характерна для двух- и односегментных геномов с прямыми или инвертированными концевыми повторами (классов A, D и E), тогда как минимальная плотность TCGA — главным образом для значительно менее структурированной ДНК (классов B, C и F). По нарастанию плотности CTAG геномы герпесвирусов человека образуют последовательность, близкую к последовательности 20 нт-гомологий ДНК герпесвирус/человек, организованной по нарастанию плотности, что также коррелирует с макроструктурой ДНК. Параллель этой минимизации со структурой ДНК вирусов герпеса или с их принадлежностью к тому или иному подсемейству в литературе не отмечена. Хотя герпесвирусные ДНК довольно велики (125–295 Кб), некоторые из них (например, ДНК HHV4, HHV5 и HHV7) демонстрируют заметные отклонения от второго правила четности ДНК и, таким образом, могут служить компонентом вирусных молекулярных сигнатур.

В Обсуждении предлагаются возможные гипотезы происхождения некоторых из отмеченных явлений.

Для цитирования:


Филатов Ф.П., Шаргунов А.В. Тетрануклеотидный профиль герпесвирусных ДНК. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020;97(3):216-226. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-3-3

For citation:


Filatov F.P., Shargunov A.V. Tetranucleotide Profile of Herpesvirus DNA. Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2020;97(3):216-226. (In Russ.) https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-3-3

Введение

Герпесвирусы семейства Herpesviridae, вклю­чая HHV, делятся на три подсемейства: альфа-HV. бета-HV и гамма-HV [1]. Другой классификацией HV является классификация по макроструктуре ДНК (рис. 1). Она не совсем совпадает с делением на подсемейства и, в соответствии с общеприняты­ми взглядами [2], образует 6 классов — от A до F.

 

Рис. 1. Основные макроструктурные классы ДНК HHV (пропорции длин геномных фрагментов произвольны). TR1 — мономерные терминальные повторы (одиночные прямоугольники); TR2 — тандемные повторы (с нефиксированным числом повторов); TR0 — терминальных повторов нет. Группа BC[F] ДНК HHV выделена серым цветом.

Fig. 1. Basic macrostructural classes of HHV DNA (the proportions of the lengths of the genome fragments are arbitrary). TR1 — monomeric terminal repeats (single rectangles), TR2 — tandem organized repeats (non-fixed number of repeats), TR0 — no terminal repeats. BC[F] group of the HHV DNA (see text) is highlighted in gray.

 

Альфа-HHV (HHV1, HHV2 и HHV3), а так­же бета-HHV (HHV5) содержат двухсегментную ДНК; каждый сегмент ограничен взаимно инвер­тированными мономерными концевыми повторами TR1 (ДНК классов D и E). ДНК HHV класса A (бета-HHV: HHV6A, HHV6B и HHV7) представляет собой несегментированную уникальную линейную последовательность, ограниченную прямыми мо­номерными концевыми повторами TR1, содержа­щими по два «островка» теломероподобных гекса­нуклеотидов. Гамма-HHV содержат ДНК классов B и C, которые имеют уникальную последователь­ность, ограниченную прямыми тандемно органи­зованными короткими (т.е. не мономерными) по­вторами, TR2.

Сегменты и концевые повторы ДНК класса F не структурированы, хотя иногда они просто не показаны в GenBank. Существуют герпесвирус­ные ДНК с более экзотической макроструктурой (например, скутавирусы), но их очень немного. Данные, полученные нами в предлагаемой работе, позволили нам объединить классы A, D и E в одну группу (сегменты ДНК, ограниченные мономерны­ми концевыми повторами), а B, C и F — в другую (отсутствие макроструктуры или нефиксированное число тандемно организованных коротких конце­вых повторов).

Ранее мы заметили, что молекулы ДНК гер- песвируса и его хозяина содержат короткие (20-29 нт) идентичные последовательности — микрого­мологии, концентрация которых не случайна и, как мы полагаем, объясняется длительными (в эволюционном масштабе) близкими межгеномными отношениями между партнерами [3]. Позже [4, 5] мы обнаружили, что такие микрогомологии имеют характерные особенности распределения в геноме герпесвируса, концентрируясь в основном в его концевых (прямых или инвертированных) повто­рах, особенно в тех областях TR, в которых нет ге­нов. Самое интересное — это последовательность видов HHV по нарастанию плотности геномных микрогомологий вирус/хозяин, которая согласуется с макроструктурой ДНК: меньшая плотность — в двухсегментных ДНК, большая — в несегментированных. В качестве рабочей гипотезы мы предпо­ложили, что двухсегментные вирусные геномы, у которых терминальные повторы взаимно инверти­рованы, склонны в латентном состоянии замыкать­ся, скорее, на себя (подобно эписомам) и меньше взаимодействовать с хозяйской ДНК, в то время как односегментные, имеющие прямые повторы, могут вытягиваться вдоль хозяйской ДНК, что облегчает межгеномное взаимодействие.

В качестве подхода для анализа мы исполь­зовали сравнение частот нуклеотидов в молекулах ДНК и второе правило четности ДНК Чаргаффа, CPR2 [6], которое становится наглядным в ДНК размером более 100 000 нт [7, 8]. CPR2 формулиру­ется так же, как первое (CPR1), но относится толь­ко к одной цепи ДНК. Оно имеет приблизительную точность, которая увеличивается по мере удлине­ния анализируемой цепи. Оно относится не только к моно-, но и к олигонуклеотидам до 10-15 нт — с уменьшением строгости по мере удлинения анали­зируемого олигонуклеотида [7, 9]. В метагеномике часто используется тетрануклеотидный анализ для формирования молекулярных сигнатур [10]. Частота тетрануклеотидов (TN) в геномах герпесвирусов достоверно соответствует CPR2 и обеспечивает бо­лее детальную характеристику ДНК, чем моно-, ди- и тринуклеотиды [7, 11]. В принципе, симметрии TN генома HHV были описаны ранее [12], но они только подтвердили соответствие CPR2. Наш под­ход обнаруживает другие необычные свойства этих геномов.

Цель настоящей работы — продолжение ана­лиза формальных характеристик герпесвирусных ДНК, а также сопоставление их с плотностью ДНК-микрогомологий вирус/хозяин и с геномной макроструктурой герпесвирусов.

Материалы и методы

Мы проанализировали около 90% нуклеотид­ных последовательностей полноразмерных моле­кул вирусной ДНК каждого рода всех трех семейств герпесвирусов позвоночных и беспозвоночных, содержащихся в GenBank. Проанализировав по 20 штаммов и изолятов каждого из 5 типов HHV (HHV1, HHV2, HHV3, HHV4, HHV5), 10 штаммов

HHV8, 5 штаммов HHV6A, 4 штамма HHV6B и 3 штамма HHV7, мы убедились в практической иден­тичности внутривидовых результатов и поэтому приводим в таблицах данные только по ДНК рефе- ренс-штаммов каждого вида герпесвирусов.

Для сравнения использовали ДНК челове­ка длиной 1,5 мегануклеотида (5 фрагментов по 300 000 нт каждый):

  • фрагмент Chr 03 163229646-163529646;
  • фрагмент Chr 05 29372672-29672672;
  • фрагмент Chr 14 64016329-64316329;
  • фрагмент Chr 21 15306102-15606102;
  • фрагмент Chr 21 33931862-34231862.

Для определения частоты TN мы использовали инструменты GenBank.

Результаты

Мы проанализировали TN-состав полностью секвенированных ДНК практически всех герпес- вирусов отряда Herpes virales, содержащихся в GenBank. Класс ДНК, т.е. преобладание G + C или A + T в одной из ее цепей, не дает слишком много в этом отношении, разделяя HHV на две группы по классам:

  • класс АТ — HHV3 (альфа) и HHV6A, 6В, 7 (бета);
  • класс GC — HHV1,2 (альфа), 5 (бета) и 4,8 (гамма).

Вместе с тем динуклеотидный анализ хоро­шо иллюстрирует CPR2 [8], по которому A ≈ T, C ≈ G, С + Т ≈ А + Г и С + А ≈ Т + Г для одной нити ДНК. Это определяется размером герпесвирусных ДНК — 125-295 Кб.

Общее количество TN составляет 256 (44). Что­бы избежать влияния класса ДНК (GC или AT) на результаты подсчета, показанного ранее [8, 13, 14], мы проанализировали только те TN, которые со­держат все 4 различных основания, т.е. «полные» TN — 4TN. В ДНК HHV1 (класс GC) наименьшим («недопредставленным») является именно такой 4TN — CTAG (91 нт на геном из ~150 тыс. пар ос­нований). В дНк HHV6A (класс AT) число CTAG также близко к наименьшему (303 нт) среди всех тетрамеров и является наименьшим из 4TN. Мень­ше только AGGG (287) и GGCT (296) — в соответ­ствии с классом ДНК. Это обстоятельство еще раз обосновывает выбор именно «полных» наборов для анализа TN.

Из 256 TN только 24 состоят из всех 4 нуклео­тидов (P4 = 4! = 24). Эти 24, в свою очередь, делятся на две группы: 8 из них (октет А) при инверсии не меняются, например CTAG|CTAG, остальные (ок­тет В) составляют пары В1 и В2 взаимноинвертированных неидентичных TN, например, CTAG|TCAG. В таблицах и на рисунках октеты А и В показаны раздельно. Для корректного сравнения данные представлены в процентах от суммы частот TN каждого октета, А и В. В табл. 1 сравниваются данные по всем 24 обсуждаемым TN октетов А и В (референс-штаммы) всех известных типов HHV. Данные табл. 1 показывают, что тетрамер CTAG «недо­представлен» в геномах всех HHV, за исключением HHV7; в последнем «недопредставлен» тетрамер ACTG. В ДНК HHV4 «недопредставлен» тетрамер TCGA (как и в геноме человека).

 

Таблица 1. Профиль идентичных (октет A) и неидентичных (октеты BI и B2) тетрамеров, содержащих 4TNT 8 типов HHV (референс-штаммы), выраженный в процентах от общего числа результатов по октетам А и В раздельо

Table 1. Profile of identical (octet A) and non-identical (octets B1 and B2) tetramers containing four different nucleotides (4ТN) of eight types of HHV (reference strains), expressed as a percentage of the total number of the octets A and B separately

Примечание. Жирными буквами обозначены тетрамеры CTAG и димеры CpG в обсуждаемых в тексте тетрамерах (соответствую­щие ячейки обоих октетов выделены серым цветом).

Note. Bold letters are tetramers CTAG and dimers CpG in the tetramers discussed in text (corresponding cells of the both octets are highlighted in gray).

 

В соответствии со снижением «недопредстав­ленности» CTAG геномы HHV образуют последова­тельность, которая напоминает последовательность ДНК-микрогомологий вирус/хозяин по нарастанию их плотности (рис. 2): наибольшая «недопредстав­ленность» CTAG характерна для двухсегментных ДНК, наименьшая — для односегментных.

 

Рис. 2. Частота (%) CTAG среди 4TN октета А в ДНК герпесвирусов человека. HHV4 и HHV8 (классы ДНК BC[F]) отмечены серым. В прямоугольнике — четыре HhV класса DE.

Fig. 2. Frequency (%) of CTAG among other 4TNs of the octet A in human herpesvirus DNA. HHV4 and HHV8 (BC[F] DNA classes) are marked in gray. In the rectangle there are four HHVs of DE classes.

 

В то же время ДНК каждого HHV содержит «сверхпредставленные» TN, которые также харак­терны для геномов определенной макроструктуры: ACGT — для двухсегментной ДНК (классы D, E), TGCA — для односегментной (класс A, розеоловирусы) и CATG — для односегментных (классы B, C). Однако, поскольку ДНК вирусов герпеса, отлич­ных от человека, очень слабо представлена для видов-хозяев в GenBank, мы не приводим результаты анализа по «максимальным» TN.

Колонки чисел, относящихся к ДНК каждо­го вируса, представляют собой TN-профили ДНК, и они — в случае HHV4, 8 и 7 — демонстрируют определенное сходство с профилем ДНК человека. В некоторых случаях (HHV4, 5, 7) представленные попарно TN октетов BI и В2 демонстрируют ха­рактерные отклонения от CPR2, которые, вероятно, связаны с недостаточными размерами ДНК этих вирусов или с недостаточным числом штаммов в GenBank, которое не обеспечивает достоверность соответствующих данных. Позитивная сторона та­ких отклонений заключается в том, что они могут быть использованы в качестве компонентов молеку­лярных сигнатур этих вирусов.

Обращает на себя внимание, что разница меж­ду максимальными и минимальными значениями в октете А существенно больше, чем в октете В. В тех случаях, когда показатели плотности TN ок­тета В меньше, чем октета А, их «недопредстав­ленность» напрямую связана с классом ДНК, т.е. они имеют вид [TA/AT|GC/CG]; левая и правая па­ры тетрамера могут меняться местами, а знак «/» означает «или». Таких TN — 8, и их причастность к формированию класса ДНК не имеет значения для использования — вместе с другими полными тетрамерами — в качестве молекулярных сигна­тур. В табл. 2 суммированы данные по «минималь­ным» («недопредставленным») 4TN ДНК герпесвирусов человека. Анализ серий штаммов (до 20) одного и того же типа HHV показал почти полную идентичность результатов, что в первом прибли­жении позволило считать полученные результаты достаточно надежными.

 

Таблица 2. Обобщенная версия данных о ДНК HHV (семейство Herpesviridae)

Table 2. A generalized version of the data on the human herpesviruses DNA (family Herpesviridae)

Примечание. Не-CTAGmin ДНК выделены курсивом (CpG — жирным курсивом). HHV, в ДНК которых CpG>GpC, выделены серым цветом.

Note. Non-CTAGmin DNAs are highlighted in italics (CpG — in bold italics). HHVs in the DNA with CpG>GpC are highlighted in gray.

 

Далее мы провели TN-анализ полностью секвенированных ДНК почти всех других видов вирусов суперсемейства Herpesvirales (табл. 3).

 

Таблица 3. «Недопредставленные» TN в ДНК герпесвирусов животных (семейства Herpesviridae, Alloherpesviridae и Malacoherpesviridae)

Table 3. A generalized version of the data on the DNA of animal herpesviruses (families Herpesviridae, Alloherpesviridae and Malacoherpesviridae)

Окончание табл. 3 / End of Table 3

Примечание. Серые ячейки — ДНК класса BC[F] и «минимальные» не-CTAG TN. D* — необычная макроструктура ДНК вируса Testudinid HV3, в которой два примерно равных сегмента, ограниченные концевыми повторами, разделены короткой уникальной последовательностью.

Note. Gray cells — BC [F] class DNA and "minimal" non-CTAG TN. Asterix in D* denotes the unusual macrostructure of the Testudinid HV3 DNA, in which two approximately equal segments bounded by terminal repeats are separated by a short unique sequence.

Таблица 3 показывает, что все герпесвирусы разделены на две группы в соответствии с двумя основными «недопредставленными» TN — CTAG или TCGA. Разница между этими двумя группами следует из их геномной макроструктуры. Мини­мальный CTAG (CTAGmin) характерен для классов A, D, E структурированной ДНК с большими мо­номерными концевыми повторами —TR1, TCGAmin характерен для менее строго структурированных классов ДНК B, C[F] с нефиксированными тандем­ными концевыми повторами — TR2.

Обсуждение

«Недопредставленность» TN CTAG (CTAGmin) в геномах эшерихий и сальмонелл, а также некото­рых фагов известна давно [15] и продолжает изу­чаться [16]. Мы впервые систематически показыва­ем эту особенность для всех известных герпесви­русных ДНК и предполагаем ее возможную связь с их структурой. CTAGmin характерен для ДНК большей группы герпесвирусов (классы A, D, E) с на­личием одного или двух сегментов, ограниченных мономерными концевыми повторами (TR1, прямы­ми или взаимно инвертированными). TCGAmin ха­рактерен для ДНК меньшей группы герпесвирусов (классы B, C[F]) с односегментным геномом, огра­ниченным неопределенным числом тандемно орга­низованных прямых концевых повторов (TR2).

На мысль о более общей природе параллелей CTAGmin|ADE и TCGAmin|BC[F] среди вирусов жи­вотных наводит «недопредставленность» CTAG за рамками отряда Herpesvirales, в частности в ДНК вирусов африканской чумы свиней (Asfarviridae) и фибромы Shope у кроликов (Poxviridae), струк­турированных аналогично герпесвирусам A, D, E. В то же время геномы вирусов оспы и осповакцины (Poxviridae) не структурированы подобным об­разом, в них нет «недопредставленности» CTAG. Эти наблюдения требуют серьезного расширения обсуждаемых исследований в других таксономиче­ских группах вирусов животных.

Термодинамическая модель CTAG в составе РНК показывает, что этот тетрамер нарушает опти­мальную структуру стволовых петель молекулы, ко­торые контролируют экспрессию генов, увеличивая их свободную энергию. Авторы этой гипотезы [15] предположили также, что общий предок Salmonella и Escherichia имел значительно более высокую плотность CTAG, но эволюционное вырождение привело к замене CTAG у его потомков, и эта тен­денция в настоящее время сохраняется. В серии генов и в межгенных пространствах у Escherichia и Salmonella это вырождение выразилось в эволю­ционной замене CTAG, в первую очередь на CTGG.

В этом отношении наиболее уместно срав­нить филогенетически родственные (одного рода) розеоловирусы человека HHV6 и HHV7. В ДНК обоих вирусов — по сравнению с другими виру­сами герпеса — частоты CTAG и CTGG наиболее различны. Сравнение показывает, что если в HHV7 (NC_001716) отношение частот CTAG:CTGG со­ставляет 530:301 соответственно, то в HHV6A (NC_001664) оно даже противоположное и состав­ляет 303:391 — при близких размерах ДНК обоих вирусов. Если наблюдение Le Tang с соавт. [16] в какой-то мере применимо и к обсуждаемым герпес-вирусам, то HHV7, очевидно, ближе к эволюцион­ному предшественнику обоих розеоловирусов, чем HHV6, в котором многие CTAG были заменены на CTGG. В то же время HHV6 приобрел способность интегрировать свой геном в геном хозяина, что, как правило, не является обязательным условием для более тесных отношений с ДНК хозяина [17], о чем свидетельствует сходство профиля TN HHV7 (но не HHV6) и ДНК человека (рис. 3), а также более вы­сокий уровень ДНК-микрогомологии вирус/хозяин в HHV7, чем в HHV6, или более низкий уровень та­кой микрогомологии у мардивирусов с выраженны­ми теломерными островками в концевых повторах сегментов ДНК [5, 18].

 

Рис. 3. 4TN-профиль ДНК HHV6A и HHV7 по сравнению с профилем 4TN ДНК человека.

Октет А: ДНК человека выделена серым, вирусная ДНК — черным. Октет B: график B1 ДНК человека выделен светло-серым, B2 — темно-серым; график B1 ДНК вируса выделен жирным черным, B2 — тонким черным.

Fig. 3. 4TN profile of HHV6A and HHV7 DNA compared to human DNA 4TN profile.

Octet A: human DNA is highlighted in gray, viral DNA — in black. Octet B: human B1 is highlighted in light gray, human B2 is highlighted in dark gray, virus B1 is highlighted in bold black, B2 — in thin black.

 

На рис. 3 дополнительно показаны некоторые особенности проанализированных профилей 4TN вирусных ДНК. В соответствии с CPR2 сходство между В1 и В2 в ДНК человека намного больше, чем в ДНК вирусов, поскольку фрагменты ДНК че­ловека имеют здесь длину 300 Кб, а геномы HHV намного короче. В HHV7 различия между B1 и B2 достаточно характерны и могут использоваться в ка­честве элемента молекулярной сигнатуры ДНК это­го вируса (то же относится к профилю 4TN HHV4; рис. 4). Тот факт, что GenBank представляет полные (почти полные) последовательности ДНК только трех штаммов HHV7, позволяет применять статисти­ческие методы для подтверждения представленных здесь данных с большими оговорками. По этой при­чине мы не использовали здесь эти методы, отметив, что сегодня это лишь похоже на факт.

На рис. 4 приведено сравнение 4TN-профиля ДНК другой пары вирусов — HHV1 и HHV4. В слу­чае HHV1 низкое содержание CTAG позволяет ви­русу вызывать острую продуктивную инфекцию и накапливаться в клетках входных ворот (в тех же фибробластах), а затем переходить в нейроны, где он будет оставаться на всю жизнь — в частности, из-за ингибирующего действия эпигенетических механизмов хозяина, одним из которых является метилирование вирусной ДНК. Концентрация ди­нуклеотидов CpG в геноме HHV1 существенно пре­вышает среднее значение (табл. 1).

 

Рис. 4. 4TN-профиль HHV1 и HHV4 ДНК по сравнению с профилем 4TN ДНК человека.

Октет А: ДНК человека выделена серым, вирусная ДНК — черным. Октет B: график B1 ДНК человека выделен светло-серым, B2 — темно-серым; график B1 ДНК вируса выделен жирным черным, B2 — тонким черным.

Fig. 4. 4TN profile of HHV1 and HHV4 DNA compared to human DNA 4TN profile.

Octet A: human DNA is highlighted in gray, viral DNA — in black. Octet B: human B1 is highlighted in light gray, human B2 is highlighted in dark gray, virus B1 is highlighted in bold black, B2 — in thin black.

 

Низкие уровни CTAG могут играть роль в обо­стрении латентных инфекций. В случае HHV4 пер­вичная литическая инфекция не характеризуется высоким уровнем вирусных синтезов, а после пе­рехода в хроническую фазу она также регулируется эпигенетическими инструментами, включая мети­лирование цитозина в составе CpG [18, 19]. В то же время очевидная близость 4TN-профилей генома HHV4 и хозяина указывает на сходную реакцию на эти регулирующие инструменты. То же самое мож­но сказать о HHV8 и эпигенетической регуляции его генов [19, 20]. Из многих эпигенетических меха­низмов, которые модифицируют экспрессию генов вируса и хозяина, мы рассматриваем здесь только метилирование ДНК, точнее, метилирование цито­зина в CpG, поскольку этот димер является частью тетрамера TCGA, что позволяет сравнивать его с другим тетрамером, CTAG, в предложенном здесь аспекте.

Гипотеза о низкой плотности тетрамера CTAG из-за его эволюционного вырождения не объясняет очевидных ограничений его использования и во­все не касается причин низкой плотности другого тетрамера октета А, TCGA, в ДНК представителей этого же суперсемейства. Около 40% CpG, централь­ной пары этого тетрамера, находится в промоторных зонах млекопитающих [21, 22] и имеет гораздо более низкую плотность в полных последовательностях геномов позвоночных, чем можно было бы ожидать [23, 24]. Эта «недопредставленность» является след­ствием высокой частоты мутаций метилированных сайтов CpG в геномах хозяев и их вирусов, особенно тех, которые тесно взаимодействуют с ДНК хозяина.

Причины пониженного содержания CpG не­однократно обсуждались и прежде [25], однако во­прос заключается не столько в низкой плотности CpG, сколько в контексте этой пары, т.е. в составе TCGA, поскольку этот тетрамер представлен в гер­песвирусных ДНК в значительно меньшей концен­трации, нежели ACGT.

Данные Le Tang и соавт. [16] показывают, что само по себе минимальное содержание CTAG (и TCGA) не ограничивается герпесвирусной ДНК.

Мы проанализировали TN-профиль больших ДНК с концевыми повторами некоторых других вирусов. Обнаружено, что CTAG является «минимальным» у вирусов африканской чумы свиней (семейство Asfarviridae) и вируса фибромы Shope (семейство Poxviridae), но не у вирусов оспы и осповакцины (также семейства Poxviridae), ДНК которых не име­ет терминальных повторов. Это означает, что при построении филогенетических деревьев необходи­мо учитывать не только изменения в генах и белках, но и эволюцию молекулы ДНК, включая ее обсуж­даемые здесь характеристики.

В первом приближении для анализа плотности потенциально метилируемого цитозина в геномах герпесвирусов достаточно оценить соотношение CpG:GpC (т.е. проанализировать динуклеотидный профиль ДНК), которое не связано с типом гено­ма (AT или GC). Эту оценку можно проследить в табл. 2: ДНК HHV с CpG>GpC (в серых ячейках). В этом случае результаты, представленные здесь, будут касаться только концентрации и соотношения CTAG/CpG в герпесвирусных ДНК, которые могут влиять на уровень вирусных синтезов. В наиболее общем (не строгом) виде это соотношение имеет зеркальный характер: наиболее низкая концентра­ция CTAG сопровождается самой высокой концен­трацией CpG (табл. 1). Тем не менее соотношение CTAG/CpG обедняет получаемую информацию, которая указывает на различие именно в TN-про­филе герпесвирусных ДНК, CTAG/TCGA. Другими словами, составляющей этого отношения является TCGA/ACGT, четко выраженное в рамках классов DE/A/BC[F] (табл. 1). В свою очередь, это указыва­ет на необходимость учитывать контекст, который определяет функциональную ценность димера CpG. Возможно, этот контекст выходит за рамки тетрамера. Для надежных выводов необходимо расши­рить исследования за рамки герпесвирусов — при серьезном пополнении GenBank новыми полными последовательностями вирусных ДНК. Но в любом случае результаты, продемонстрированные здесь, указывают на то, что биологический смысл макро­структуры герпесвирусной ДНК гораздо глубже, чем принято считать.

Список литературы

1. Whitley R., Kimberlin D., Prober C. Pathogenesis and disease. In: Arvin A., Campadelli-Fiume G., Mocarsky E., Moore P.S., Roizman B., Whitley R., eds. Human Herpesviruses: Biology, Therapy and Immunoprophylaxis. Chapter 32. Cambridge: Cambridge University Press; 2007.

2. Pellett P., Roizman B. Herpesviridae. In: Knipe D.M., Howley P.M., eds. Fields Virology. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 2013: 1802-2.

3. Zabolotneva A., Tkachev V., Filatov F., Buzdin A. How many antiviral small interfering RNAs may be encoded by the mammalian genomes? Biol. Direct. 2010; 5: 62. DOI: http://doi.org/10.1186/1745-6150-5-62

4. Filatov F., Shargunov A. Short nucleotide sequences in herpesviral genomes identical to the human DNA. J. Theor. Biol. 2015; 372: 12-21. DOI: http://doi.org/10.1016/j.jtbi.2015.02.019

5. Filatov F., Shargunov A. Microhomology of Viral/Host DNAs and macrostructure of herpesviral genome. Int. J. Virol. AIDS. 2018; 5(1): 042. DOI: http://doi.org/10.23937/2469-567X/1510042

6. Rudner R., Karkas J.D., Chargaff E. Separation of B. subtilis DNA into complementary strands, 3. Direct Analysis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1968; 60(3): 921-2. DOI: http://doi.org/10.1073/pnas.60.3.921

7. Forsdyke D.R. Symmetry observations in long nucleotide sequences: a commentary on the discovery note of Qi and Cuticchia. Bioinformatics. 2002; 18(1): 215-7. DOI: http://doi.org/10.1093/bioinformatics/18.1.215

8. Albrecht-Buehler G. Asymptotically increasing compliance of genomes with Chargaff’s second parity rules through inversions and inverted transpositions. Version 2. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006; 103(47): 17828-33. DOI: http://doi.org/10.1073/pnas.0605553103

9. Baisnee P.F., Hampson S., Baldi P. Why are complementary strands symmetric? BioInformatics. 2002; 18(8): 1021‐33. DOI: http://doi.org/10.1093/bioinformatics/18.8.1021

10. Gori F., Mavroeidis D., Jetten M.S.M., Marchiori E. The importance of Chargaff’s second parity rule for genomic signatures in metagenomics. Available at: http://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2017/06/04/146001.full.pdf

11. Pride D.T., Blaser M.J. Identification of horizontally acquired genetic elements in Helicobacter pylori and other prokaryotes using oligonucleotide difference analysis. Genome Lett. 2002; 1(1): 2-15. DOI: http://doi.org/doi.org/10.1166/gl.2002.003

12. Prabhu V.V. Symmetry observations in long nucleotide sequences. Nucleic Acids Res. 1993; 21(12): 2797‐800. DOI: http://doi.org/10.1093/nar/21.12.2797

13. Albrecht-Buehler G. The three classes of triplet profiles of natural genomes. Genomics. 2007; 89(5): 596‐601. DOI: http://doi.org/10.1016/j.ygeno.2006.12.009

14. Zhang S.H., Wang L. A novel common triplet profile for GCrich prokaryotic genomes. Genomics. 2011; 97(5): 330‐1. DOI: http://doi.org/10.1016/j.ygeno.2011.02.005

15. Burge C., Campbell A.M., Karlin S. Over- and under-representation of short oligonucleotides in DNA sequences. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992; 89(4): 1358-62. DOI: http://doi.org/10.1073/pnas.89.4.1358

16. Tang L., Zhu S., Mastriani E., Fang X., Zhou Y.J., Li Y.G., et al. Conserved intergenic sequences revealed by CTAG-profiling in Salmonella: thermodynamic modeling for function prediction. Sci. Rep. 2017; 7: 43565. DOI: http://doi.org/10.1038/srep43565

17. Bhende P.M., Seaman W.T., Delecluse H.J., Kenney S.C. The EBV lytic switch protein, Z, preferentially binds to and activates the methylated viral genome. Nat. Genet. 2004; 36(10): 1099-104. DOI: http://doi.org/10.1038/ng1424

18. Kaufer B.B., Flamand L. Chromosomally integrated HHV-6: impact on virus, cell and organismal biology. Curr. Opin. Virol. 2014; 9: 111‐8. DOI: http://doi.org/10.1016/j.coviro.2014.09.010

19. Woellmer A., Hammerschmidt W. Epstein-Barr virus and host cell methylation: regulation of latency, replication and virus reactivation. Curr. Opin. Virol. 2013; 3(3): 260‐5. DOI: http://doi.org/10.1016/j.coviro.2013.03.005

20. Lim C., Lee D., Seo T., Choi C., Choe J. Latency associated nuclear antigen of Kaposi’s sarcoma-associated herpesvirus functionally interacts with heterochromatin protein 1. J. Biol. Chem. 2003; 278(9): 7397-405. DOI: http://doi.org/10.1074/jbc.M211912200

21. Pantry S.N., Medveczky P.G. Epigenetic regulation of Kaposhi's sarcoma associated herpesvirus replication. Semin. Cancer Biol. 2009; 19(3): 153-7. DOI: http://doi.org/10.1016/j.semcancer.2009.02.010

22. Fatemi M., Pao M.M., Jeong S., Gal-Yam E.N., Egger G., Weisenberger D.J., et al. Footprinting of mammalian promoters: use of a CpG DNA methyltransferase revealing nucleosome positions at a single molecule level. Nucleic. Acids Res. 2005; 33(20): e176. DOI: http://doi.org/10.1093/nar/gni180

23. Lander E.S., Linton L.M., Birren B., Nusbaum C., Zody M.C., Baldwin J., et al. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature. 2001; 409(6822): 860-921. DOI: http://doi.org/10.1038/35057062

24. Stevens M., Cheng J., Li D., Xi M., Hong C., Maire C., et al. Estimating absolute methylation levels at single-CpG resolution from methylation enrichment and restriction enzyme sequencing methods. Genome Res. 2013; 23(9): 1541‐53. DOI: http://doi.org/10.1101/gr.152231.112

25. Nicholas J. Evolutionary aspects of oncogenic herpesviruses. Mol. Pathol. 2000; 53(5): 222‐37. DOI: http://doi.org/10.1136/mp.53.5.222


Об авторах

Феликс Петрович Филатов
ФГБНУ «Научно-исследовательский институт вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова»; ФГБУ «Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н.Ф. Гамалеи»
Россия

к.м.н., д.б.н., в.н.с. лаб. молекулярной биотехнологии 

ведущий научный сотрудник 



Александр Валерьевич Шаргунов
ФГБНУ «Научно-исследовательский институт вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова»
Россия
ведущий инженер, лаб. генетики ДНК-содержащих вирусов


Для цитирования:


Филатов Ф.П., Шаргунов А.В. Тетрануклеотидный профиль герпесвирусных ДНК. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020;97(3):216-226. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-3-3

For citation:


Filatov F.P., Shargunov A.V. Tetranucleotide Profile of Herpesvirus DNA. Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2020;97(3):216-226. (In Russ.) https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-3-3

Просмотров: 94


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0372-9311 (Print)
ISSN 2686-7613 (Online)