Нуклеотидные тетрамеры TCGA и CTAG: вирусные ДНК и генетический код (гипотеза)



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Литературные и наши собственные данные показывают, что в частотных профилях (ЧП) герпесвирусных ДНК тетрануклеотиды CTAG и, в меньшей степени, TCGA выделяются среди других полных, билатерально симметричных тетрануклеотидов заметно более низкими значениями концентраций.

Цель работы — сравнительный анализ ЧП тетрануклеотидов CTAG и TCGA в вирусных ДНК.

Материалы и методы. Проанализированы ЧП и другие особенности указанных двух тетрамеров в ДНК не менее одного вида вирусов каждого рода (или субсемейства, если оно не классифицировано по родам) в соответствии с ограничениями по размеру (не ниже 100 000 пар оснований) — всего свыше 200 видов вирусов. Для анализа использованы инструменты GenBank.

Результаты. Описаны две группы формальных особенностей тетрамеров TCGA и CTAG. Одна из них относится к результатам анализа ЧП этих тетрануклеотидов в вирусных ДНК и показывает, что в ДНК с GC:AT > 2 имеют место определённые симметрии ЧП nCGn при частом нарушении таких симметрий в ЧП nTAn из-за недопредставленности CTAG. Другая группа особенностей этих тетрамеров демонстрирует различия их ЧП в полных ДНК вирусов и в их геномах (кодирующей части, которая у некоторых исследованных вирусов достигает 80%, делая анализ их ДНК более убедительным, нежели анализ ДНК клеточных форм жизни) и указывает на возможную роль этих тетрамеров в происхождении универсального генетического кода.

Обсуждение. Предполагается, что генетический код первоначально формировался на основе некоторого преобладания C+G в «до-кодовых» ДНК-полимерах с последующей эволюцией стартовых форм кода до конечной фиксированной структуры, в которой тетрамеры TCGA и CTAG занимают центральное место, отражая исходные этапы этой эволюции. Симметрии ЧП nCGn, характерные для «полной» ДНК герпесвирусов рода Simplex, исчезают в цепи вторых кодонных букв генома этих вирусов, косвенно указывая на отличия их функций от функций других букв и подчёркивая целесообразность представления генетического кода в формате каллиграммы, в которой вторая строка не симметрична.

Об авторах

Ф. П. Филатов

Научно-исследовательский институт вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова;
Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почетного
академика Н.Ф. Гамалеи

Автор, ответственный за переписку.
Email: felix001@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6182-2241

Филатов Феликс Петрович — д.б.н., в.н.с. лаб. молекулярной биотехнологии отдела вирусологии НИИВС им. И.И. Мечникова; в.н.с. отдела эпидемиологии НИЦЭиМ им. Н.Ф. Гамалеи

Москва

Россия

Список литературы

  1. Филатов Ф.П., Шаргунов А.В. Тетрануклеотидный профиль герпесвирусных ДНК. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020; 97(3): 216–26. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-3-3
  2. 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. https://doi.org/10.1038/srep43565
  3. Lundberg P., Welander P., Han X., Cantin E. Herpes simplex virus type 1 DNA is immunostimulatory in vitro and in vivo. J. Virol. Oct. 2003; 77(20): 11158–69. https://doi.org/10.1128/JVI.77.20.11158-11169.2003
  4. Sharawy M., Louyakis A., Gogarten J.P., May E.R. CTAG vs. GATC: structural basis for representational differences in reverse palindromic DNA tetranucleotide sequences. Biophys. J. 2021; 120(3): 222a.
  5. Albrecht-Buehler G. Asymptotically increasing compliance of genomes with Chargaff's second parity rules through inversions and inverted transpositions. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2006; 103(47): 17828–33. https://doi.org/10.1073/pnas.0605553103
  6. Albrecht-Buehler G. The three classes of triplet profiles of natural genomes. Genomics. 2007; 89(5): 596–601. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2006.12.009
  7. Zhang S.H., Wang L. A novel common triplet profile for GC-rich prokaryotic genomes. Genomics. 2011; 97(5): 330–1. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2011.02.005
  8. 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. https://doi.org/10.1101/gr.152231.112
  9. Krieg A.M, Yi A.K., Matson S., Waldschmidt T.J., Bishop G.A., Teasdale R., et al. CpG motifs in bacterial DNA trigger direct B-cell activation. Nature. 1995; 374(6522): 546–9. https://doi.org/10.1038/374546a0
  10. 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. https://doi.org/10.1093/nar/gni180
  11. 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. https://doi.org/10.1016/j.coviro.2013.03.005
  12. Burge C., Campbell A.M., Karlin S. Overand under-representation of short oligonucleotides in DNA sequences. PNAS. 1992; 89(4) 1358–62. https://doi.org/10.1073/pnas.89.4.1358
  13. Duret L., Galtier N. The covariation between TpA deficiency, CpG deficiency, and G+C content of human isochores is due to a mathematical artifact. Mol. Biol. Evol. 2000; 17(11): 1620–5. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.molbev.a02621.
  14. Gori F., Mavroeidis D., Jetten M.S.M., Marchiori E. The importance of Chargaff’s second parity rule for genomic signatures in metagenomics. bioRxiv. Preprint. https://doi.org/10.1101/146001
  15. 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. https://doi.org/10.1073/pnas.60.3.921
  16. Makukov M.A., Shcherbak V.I. The “Wow! signal” of the terrestrial genetic code. Icarus. 2013; 224(1): 228–42. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2013.02.017
  17. Filatov F. A molecular mass gradient is the key parameter of the genetic code organization. In: Blaho J., Baines J., eds. From the Hallowed Halls of Herpesvirology: A Tribute to Bernard Roizman. World Scientific Publishing Co.; 2012: 155–68. https://doi.org/10.1142/9789814338998_0006
  18. Pellett P., Roizman B. Herpesviridae. In: Knipe D.M., Howley P.M., eds. Fields Virology. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 2013: 1802–2
  19. Prabhu V.V. Symmetry observations in long nucleotide sequences. Nucleic Acids Res. 1993; 21(12): 2797–800. https://doi.org/10.1093/nar/21.12.2797
  20. 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. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/18.1.215
  21. Baisnee P.F., Hampson S., Baldi P. Why are complementary strands symmetric? Bioinformatics. 2002; 18(8): 1021–33. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/18.8.1021
  22. Румер Ю.Б. О систематизации кодонов в генетическом коде. Доклады Академии наук СССР. 1966; 167(6): 1393–4.
  23. Волькенштейн М.В., Румер Ю.Б. О систематике кодонов. Биофизика. 1967; 12(1): 10–3.
  24. Kim H.Y., Cheon J.H., Lee S.H., Min J.Y., Back S.Y., Song J.G., et al. Ternary nanocomposite carriers based on organic claylipid vesicles as an effective colon-targeted drug delivery system: preparation and in vitro/in vivo characterization. J. Nanobiotechnology. 2020; 18(1): 17. https://doi.org/10.1186/s12951-020-0579-7
  25. Koonin E.V., Novozhilov A.S. Origin and evolution of the genetic code: the universal enigma. IUBMB Life. 2009; 61(2): 99–111. https://doi.org/10.1002/iub.146
  26. Marlaire R., ed. Ames Research Center. NASA Ames Reproduces the Building Blocks of Life in Laboratory. Moffett Field, CA: NASA; 2015.
  27. Herbert K.M., Nag A. A tale of two RNAs during viral infection: how viruses antagonize mRNAs and small non-coding RNAs in the host cell. Viruses. 2016; 8(6): 154. https://doi.org/10.3390/v8060154
  28. Tjhung K.F., Shokhirev M.N., Horning D.P., Joyce G.F. An RNA polymerase ribozyme that synthesizes its own ancestor. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2020; 117(6) 2906–13. https://doi.org/10.1073/pnas.1914282117
  29. Kim J.D., Senn S., Harel A., Jelen B.I., Falkowski P.G. Discovering the electronic circuit diagram of life: structural relationships among transition metal binding sites in oxidoreductases. Philis. Trans. R Soc. Lond. B. Biol. Si. 2013; 368(1622): 20120257. https://doi.org/10.1098/rstb.2012.0257
  30. Yakovchuk P., Protozanova E., Frank-Kamenetskii M.D. Basestacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix. Nucleic Acids Res. 2006; 34(2): 564–74. https://doi.org/10.1093/nar/gkj454
  31. Forterre P. The origin of viruses and their possible roles in major evolutionary transitionsa. Review. Virus Res. 2006; 117: 5–16.
  32. Mughal F., Nasir A., Caetano-Anolles G. The origin and evolution of viruses inferred from fold family structure. Arch. Virol. 2020; 165(10): 2177–91. https://doi.org/10.1007/s00705-020-04724-1
  33. Brussow H., Kutter E. Genomics and evolution of tailed phages. In: Kutter E., Sulakvelidze A. eds. Bacteriophages: Biology and Applications. Boca Raton, London, New York, Washington: CRC press; 2005: 129–64.
  34. Abedon S.T. Phage evolution and ecology. Adv. Appl. Microbiol. 2009; 67: 1–45. https://doi.org/10.1016/s0065-2164(08)01001-0
  35. Altstein A.D. The progene hypothesis: the nucleoprotein world and how life began. Biol. Direct. 2015; 10: 67. https://doi.org/10.1186/s13062-015-0096-z
  36. Di Giulio M. The origin of the genetic code: theories and their relationships, a review. Biosystems. 2005; 80(2): 175–84. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2004.11.005
  37. Gilis D., Massar S., Cerf N.J., Rooman M. Optimality of the genetic code with respect to protein stability and amino-acid frequencies. Genome Biol. 2001; 2(11): RESEARCH0049. https://doi.org/10.1186/gb-2001-2-11-research0049
  38. Wetzel R. Evolution of the aminoacyl-tRNA synthetases and the origin of the genetic code. J. Mol. Evol. 1995; 40(5): 545–50. https://doi.org/10.1007/bf00166624
  39. McGeoch J., Rixon F.J., Davison A.J. Topics in herpesvirus genomics and evolution. Virus Res. 2006; 117(1): 90–104. https://doi.org/10.1016/j.virusres.2006.01.002
  40. Wang N., Baldi P.F., Gaut B.S. Phylogenetic analysis, genome evolution and the rate of gene gain in the Herpesviridae. Mol. Phylogenet. Evol. 2007; 43(3): 1066–75. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2006.11.019
  41. Wertheim J.O., Smith M.D., Smith D.M., Scheffler K., Kosakovsky Pond S.L. Evolutionary origins of human herpes simplex viruses 1 and 2. Mol. Biol. Evol. 2014; 31(9): 2356–64. https://doi.org/10.1093/molbev/msu185
  42. Baker M.L., Jiang W., Rixon F.J., Chiu W. Common ancestry of herpesviruses and tailed DNA bacteriophages. J. Virol. 2005; 79(23): 14967–70. https://doi.org/10.1128/JVI.79.23.14967-14970.2005
  43. Гупал А.М., Гупал Н.А., Островский А.В. Симметрия и свойства записи генетической информации в ДНК. Проблемы управления и информатики. 2011; 5(3): 120–7.
  44. Сергиенко И.В., Гупал А.М., Вагис А.А. Симметричный код и генетические мутации. Кибернетика и системный анализ. 2016; (2): 73–80.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Филатов Ф.П., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-75442 от 01.04.2019 г.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах