ПОИСК ФРАГМЕНТОВ АГРОБАКТЕРИАЛЬНЫХ ГЕНОВ В IN SILICO Саратов

ПОИСК ФРАГМЕНТОВ АГРОБАКТЕРИАЛЬНЫХ ГЕНОВ В
ГЕНОМАХ РАСТЕНИИ И ЖИВОТНЫХ IN SILICO
С.И.Мазилов, М.И. Чумаков 1
Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН,
Саратов
1 - Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
e-mail: chumakov@ibppm.sgu.ru
Явление горизонтального переноса генов распространено среди
прокариот и играет важную роль в эволюции эукариот (Gogarten et al., 2002;
Шестаков, 2007). Несмотря на то, что у высших эукариот (по сравнению с
одноклеточными) увеличивается число барьеров для горизонтального
переноса генов, известны факты переноса генов от прокариот к растениям и
между растениями (Bergthorsson et al., 2003; Bergthorsson et al., 2004;
Richardson, Palmer, 2007; Keeling, Palmer, 2008; Шестаков, 2009).
Впервые агробактериальные гены с Т-ДНК плазмиды вирулентности
фитопатогенной бактерии Agrobacterium rhizogenes были обнаружены в 1982
г. в геноме нетрансформированных растений табака (White et al., 1982).
Позже в геноме N. glauca и ряда других видов табака был обнаружен левый
фрагмент Т-ДНК A. rhizogenes и выдвинуто предположение о его
возникновении в ходе эволюции рода Nicotiana (White et al., 1983; Furner et
al., 1986). В 2002 г. появились данные о возможности встраивании и
экспрессии плазмидной ДНК A. tumefaciens в эмбриональные клетки морских
ежей Strongylocentrotus intermedius и Scaphechinus mirabilis (Bulgakov et al.,
2006).
В настоящей работе проведён поиск последовательностей, схожих с ТДНК агробактерий во всех расшифрованных геномах растений, включенных
в базу NCBI (и смежных с ней), а также в расшифрованных геномах
некоторых беспозвоночных. Для проведения поиска в базе GenBank были
взяты полные последовательности Ri- и Ti-плазмид (идентификаторы
GenBank ID AP002086.1 и AE007871.2 соответственно), из которых были
выделены все закодированные в них гены (Ti: torf8, Atu6001, Atu6002, rolB,
Atu8061, Atu6004, Atu6005, mas1, acsx, Atu6009, tms2, tms1, ipt, Atu6013,
Atu6014, Atu8062 Atu8054, nos; Ri: asc, orf2, orf3n, orf8, rolA, rolB, rolC, orf13,
orf13a, orf14, mis) как фрагменты, которые могли быть внесены
агробактериями в геномы организмов-хозяев. Поиск выделенных фрагментов
также проводился в базе GenBank по нуклеотидным последовательностям
высших растений и беспозвоночных (червей, морских ежей и насекомых).
Поиск гомологичных последовательностей проводился при помощи
программ tblastn и blastn (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi) в базе GenBank
по нуклеотидным последовательностям высших растений и беспозвоночных
(червей, морских ежей и насекомых).
Проведённый при помощи tblastn поиск последовательностей, гомологичных всем закодированным в Т-ДНК Ti-плазмиды A.tumefaciens генам,
показал широкое распространение последовательностей, кодирующих белки,
гомологичные продукту агробактериального гена mas1 (манопинсинтазе) в
геномах представителей 23 родов растений. Также широкое распространение
выявлено для гомологов продукта гена tms2 (индолацетамидгидролазы) в
расшифрованных последовательностях растений 20 родов растений. Также
расшифрованные последовательности растений 15 родов гомологичные
коротким фрагментам продукта гена tms1 (триптофан 2-монооксигеназа).
При проведении blastn-поиска генов, входящих в состав Т-ДНК
A. tumefaciens, в расшифрованных геномах растений, морских ежей
Echinoidea, червей Caenorhabditis и Lumbricidae достоверных вхождений
нуклеотидных последовательностей закодированных в Т-ДНК генов не
обнаружено. Обнаружены лишь фрагменты, своей протяжённостью не
превышающие 30-40 н.о. для различных организмов.
Также в расшифрованных геномах различных растений выявлены последовательности, обнаруживающие некоторые сходства с локусами Atu6001,
Atu6004, Atu6005, Atu6009 и Atu6014 Т-ДНК A. tumefaciens. За правой
границей Т-ДНК Ti-плазмиды A. tumefaciens присутствуют гены hyuA и hyuB,
кодирующие α- и β-субъединицы N-метилгидантоиназы A (ацетон
карбоксилазы) и arc, кодирующий аргиназу, гомологи которых также широко
представлены в растительных геномах
Поиск фрагментов Т-ДНК Ri-плазмиды pRi1724 A. rhizogenes в
расшифрованных геномах растений также проводился при помощи tblastn и
blastn. Различные локусы Ri-плазмиды, исключая область, прилегающую к
левой границе Т-ДНК, обнаружены в расшифрованных геномах растений
родов Catharanthus, Kalanchoe, Kleinia, Nicotiana, Populus и Withania. В
частности, продуктом гена rolB A. tumefaciens является белок C (C' protein,
GenBank ID NP862658.1). Нуклеотидные последовательности, продукты
которых гомологичны этому белку, обнаружены в расшифрованных геномах
растений родов Catharantus, Linaria, Nicotiana, Plumbago и Withania.
Также в геномах табака и льнянки с помощью программы tblastn
обнаружены гомологи локусов riorf22 – riorf23, расположенных в
Ri-плазмиде за правой границей Т-ДНК. Особое сходство обнаружено с
последовательностями табака (Nicotiana tabacum) и катарантуса
(Catharanthus roseus). Наличие генов rol (B,С,D) с Т-ДНК A.rhizogenes в
геномах растений были подтверждены в ряде независимых исследований
(Meyer et al., 1995; Frundt et al., 1998; Intrieri, Buiatti, 2001; Кулаева с соавт.,
2006). Высокая степень сходства не только функциональных, но и
некодирующих фрагментов Ri-плазмиды с последовательностями табака и
катарантуса, может свидетельствовать об их внесении в геномы этих
растений агробактериями в процессе эволюции.
Библиографический список
1. Кулаева О.А., Матвеева Т.В., Лутова Л.А. Горизонтальный перенос генов от
агробактерий к растениям // Экологическая генетика. – 2006. – Т.4, №4. – С.10-19.
2. Шестаков С.В. Горизонтальный перенос генов у эукариот // Вестник ВОГиС. – 2009. –
Т.13, № 2. – С.345-354.
3. Шестаков С.В. Как происходит и чем лимитируется горизонтальный перенос генов у
бактерий // Экологическая генетика. – 2007. – Т.5, № 2. – С.12-24
4. Bergthorsson U., Adams K.L., Thomason B., Palmer J.D. Widespread horizontal transfer of
mitochondrial genes in flowering plants // Nature. – 2003. – Vol. 424. – P. 197–201.
5. Bergthorsson U., Richardson A.O., Young G.J. et al. Massive horizontal transfer of
mitochondrial genes from diverse land plant donors to the basal angiosperm Amborella //
Proc. Natl Acad. Sci. USA. – 2004. – Vol. 101. – P. 17747–17752.
6. Bulgakov V.P., Kiselev K.V., Yakovlev K.V., Zhuravlev Yu.N., Gontcharov A.A., Odintsova
N.A. Agrobacterium-mediated transformation of sea urchin embryos // Biotechnol. J. – 2006.
– V.1. – P. 454–461.
7. Frundt C., Meyer A. D., Ichikawa T., Meins F. A tobacco homologue of the Ri-plasmid
ORF13 gene causes cell proliferation in carrot root discs // Mol.Gen.Genet. – 1998. –
Vol.259, №6. – P. 559-568.
8. Furner I.J., Huffman G.A., Amasino R.M., Garfinkel D.J., Gordon M.P., Nester E.W. An
Agrobacterium transformation in the evolution of the genus Nicotiana // Nature. – 1986. –
Vol.319. – P.422 – 427.
9. Gogarten J.P., Doolittle W.F., Lawrence J.G. Prokaryotic evolution in light of gene transfer
// Mol. Biol. Evol. – 2002. – Vol.19. – P.2226-2238.
10. Intrieri M.C., Buiatti M. The horizontal transfer of Agrobacterium rhizogenes genes and the
evolution of the genus Nicotiana // Molecular phylogenetics and evolution. – 2001. – Vol.
20, №1. – P.100-110.
11. Keeling P.J., Palmer J.D. Horizontal gene transfer in eykaryotic evolution // Nature Rev.
Genet. – 2008. – Vol.9. – P.605-618
12. Meyer A.D., Ichikawa T., Meins F. Horizontal gene transfer: regulated expression of a
tobacco homologue of the Agrobacterium rhizogenes rolC gene // Mol. Gen. Genet. –
1995. – Vol. 249. – P.265-273.
13. Richardson A.O., Palmer J.D. Horizontal gene transfer in plants // J. Exptl. Bot. – 2007. –
Vol.58. – P.1-9.
14. White F.F., Ghidossi G., Gordon M.P., Nester E.W. Tumor induction by Agrobacterium
rhizogenes involves the transfer of plasmid DNA to the plant genome // Proc. Natl. Acad.
Sci. USA. – 1982. – Vol. 79, №10. – P.3193-3197.
15. White F., Garfinkel D., Huffman G., Gordon M., Nester E. Sequence homologous to
Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genome of uninfected plants // Nature. – 1983. –
Vol. 301. – P.348-350.
Сведения об авторах:
Мазилов Святослав Игоревич, 29.06.1986, м.н.с., лаб. биоинженерии
ИБФРМ, к.б.н.
e-mail: smazilov@ya.ru, Тел.: 970403
Чумаков Михаил Иосифович, 24.02.1958 г., зав. лаб. биоинженерии ИБФРМ
РАН, д.б.н., проф. каф. биофизики ФНП СГУ,
e-mail: chumakov@ibppm.sgu.ru, тел. 970403
Вид доклада: устный / стендовый, секция 6. Биоинформатика
Ежегодная Всероссийская научная школа-семинар «Методы компьютерной
диагностики в биологии и медицине», 5-7 ноября, 2014, Саратов