Системы рестрикции-модификации со специфичностями GGATC, GATGC и GATGG. Часть 2. Функциональность и структурные аспекты

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами биоинформатики проведено исследование структуры и функциональности белков систем рестрикции-модификации, узнающих один из следующих сайтов: GGATC/GATCC, GATGC/GCATC и GATGG/CCATC. Такие системы включают одну эндонуклеазу рестрикции и либо две раздельные ДНК-метилтрансферазы, либо одну слитную ДНК-метилтрансферазу с двумя каталитическими доменами. Для части таких систем известно, что оба аденина в пределах сайта метилируются с образованием N6-метиладенина, но неизвестна роль каждой из двух ДНК-метилтрансфераз, входящих в систему. В данной работе доказана функциональность большинства известных систем такого рода. На основании анализа структур родственных ДНК-метилтрансфераз высказаны предположения о том, какой из аденинов в пределах сайта модифицируется каждой из ДНК-метилтрансфераз системы. Описан возможный молекулярный механизм смены специфичности ДНК-метилтрансферазы с GATGG на GATGC при горизонтальном переносе её гена.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Спирин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Высшая школа экономики; Научно-исследовательский институт системных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: sas@belozersky.msu.ru
Россия, Москва; Москва; Москва

А. В. Гришин

Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи; Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии

Email: sas@belozersky.msu.ru
Россия, Москва; Москва

И. С. Русинов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: sas@belozersky.msu.ru
Россия, Москва

А. В. Алексеевский

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Научно-исследовательский институт системных исследований

Email: sas@belozersky.msu.ru
Россия, Москва; Москва

А. С. Карягина

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи; Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии

Email: sas@belozersky.msu.ru
Россия, Москва; Москва; Москва

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. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Waterhouse, A. M., Procter, J. B., Martin, D. M. A, Clamp, M., and Barton, G. J. (2009) Jalview Version 2 – a multiple sequence alignment editor and analysis workbench, Bioinformatics, 25, 1189-1191, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btp033.
  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. Mirdita, M., Schütze, K., Moriwaki, Y., Heo, L., Ovchinnikov, S., and Steinegger, M. (2022) ColabFold: making protein folding accessible to all, Nat. Methods, 19, 679-682, https://doi.org/10.1038/s41592-022-01488-1.
  14. Jumper, J., Evans, R., Pritzel, A., Green, T., Figurnov, M., et al. (2021) Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold, Nature, 596, 583-589, https://doi.org/10.1038/s41586-021-03819-2.
  15. DeLano, W. L. (2002) Pymol: An open-source molecular graphics tool, CCP4 Newsl. Protein Crystallogr., 40, 82-92.
  16. Crooks, G. E., Hon, G., Chandonia, J. M., and Brenner, S. E. (2004) WebLogo: A sequence logo generator, Genome Res., 14, 1188-1190, https://doi.org/10.1101/gr.849004.
  17. Gingeras, T. R., Milazzo, J. P., and Roberts, R. J. (1978). A computer assisted method for the determination of restriction enzyme recognition sites, Nucleic Acids Res., 5, 4105-4127, https://doi.org/10.1093/nar/5.11.4105.
  18. Higgins, L. S., Besnier, C., and Kong, H. (2001) The nicking endonuclease N.BstNBI is closely related to type IIS restriction endonucleases MlyI and PleI, Nucleic Acids Res., 29, 2492-2501, https://doi.org/10.1093/nar/29.12.2492.
  19. Kachalova, G. S., Rogulin, E. A., Yunusova, A. K., Artyukh, R. I., Perevyazova, T. A., Matvienko, N. I., Zheleznaya, L. A., and Bartunik, H. D. (2008) Structural analysis of the heterodimeric type IIS restriction endonuclease R.BspD6I acting as a complex between a monomeric site-specific nickase and a catalytic subunit, J. Mol. Biol., 384, 489-502, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2008.09.033.
  20. Malone, T., Blumenthal, R. M., and Cheng, X. (1995) Structure-guided analysis reveals nine sequence motifs conserved among DNA amino-methyltransferases, and suggests a catalytic mechanism for these enzymes, J. Mol. Biol., 253, 618-632, https://doi.org/10.1006/jmbi.1995.0577.
  21. Yang, Z., Horton, J. R., Zhou, L., Zhang, X. J., Dong, A., Zhang, X., Schlagman, S. L., Kossykh, V., Hattman, S., and Cheng, X. (2003) Structure of the bacteriophage T4 DNA adenine methyltransferase, Nat. Struct. Biol., 10, 849-855, https://doi.org/10.1038/nsb973.
  22. Horton, J. R., Liebert, K., Hattman, S., Jeltsch, A., and Cheng, X. (2005) Transition from nonspecific to specific DNA interactions along the substrate-recognition pathway of dam methyltransferase, Cell, 121, 349-361, https://doi.org/10.1016/j.cell.2005.02.021.
  23. 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.
  24. Nell, S., Estibariz, I., Krebes, J., Bunk, B., Graham, D. Y., Overmann, J., Song, Y., Spröer, C., Yang, I., Wex, T., Korlach, J., Malfertheiner, P., and Suerbaum, S. (2018) Genome and methylome variation in Helicobacter pylori with a cag pathogenicity island during early stages of human infection, Gastroenterology, 154, 612-623, https://doi.org/10.1053/j.gastro.2017.10.014.
  25. 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.
  26. Tomilova, J. E., Kuznetsov, V. V., Abdurashitov, M. A., Netesova, N. A., and Degtyarev, S. K. (2010) Recombinant DNA-methyltransferase M1.Bst19I from Bacillus stearothermophilus 19: purification, properties, and amino acid sequence analysis, Mol. Biol., 44, 606-615, https://doi.org/10.1134/S0026893310040163.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 1. Участок выравнивания последовательностей ЭР нашего класса вместе с последовательностью никазы Nt.BstNBI. Красными звёздами отмечены остатки E418, D456, E469, E482 никазы Nt.BstNBI, роль которых в каталитической активности подтверждена экспериментально, жёлтой звездой – остаток H489, предположительно участвующий в катализе

Скачать (447KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Дерево 12 МТаз со специфичностями GGATC, GATGC и GATGG вместе с МТазами M.EcoKDam, M.EcoT4Dam и M1.DpnII, для которых известны пространственные структуры, а также хорошо изученными M.EcoRV, M.FokI и M1.Bst19I. Для двухдоменных МТаз филогения реконструировалась отдельно для N-концевого и C-концевого доменов. Цвета названий соответствуют специфичности: красный – GGATC, зелёный – GATGG, синий – GATGC. Числа на ветвях обозначают бутстреп-поддержку; ветви с поддержкой менее 25% удалены («схлопнуты»)

Скачать (246KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Схема строения генов и узнаваемые последовательности представителей МТаз из систем, узнающих сайты GGATG, GATGG, GATGC и GGATC. В рисунке использованы изображения красных и жёлтых флажков, взятые с веб-сайта REBASE, которыми отмечены позиции консервативных мотивов F-x-G-x-G и D-P-P-Y; синяя звёздочка при флажке означает, что мотив неточный (F-x-G-x-A и D-T-P-Y соответственно). Для сайта GGATC показаны по два гипотетических варианта метилирования, розовым фоном выделен более вероятный вариант

Скачать (293KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Модели структур комплексов МТаз группы B и близких к ним с ДНК. Голубым обозначен каталитический домен МТаз, зелёным – TRD, красным – петля, потенциально способная участвовать в распознавании правых на рисунке пар нуклеотидов узнаваемого сайта, пурпурным – участок, предположительно участвующий в распознавании левых пар нуклеотидов. На ДНК бледно-розовым выделены четыре нуклеотида, соответствующие нуклеотидам GATC-сайта узнавания M.EcoKDam, светло-сиреневым и розовым – обрамляющие их пары нуклеотидов. Обозначения нуклеотидов узнаваемого сайта и концов относятся к цепи, содержащей метилируемый МТазой B аденин

Скачать (568KB)
Метаданные
7. Рис. 5. LOGO-диаграммы для выравниваний петель МТаз группы B, выделенных красным цветом на рис. 4. а – Диаграмма для петель МТаз со специфичностью GGATC, гомологичных петле, обозначенной красным цветом на структуре M.AlwI-N (остатки M.AlwI 199–218, последовательность VPISEYSDFKRYTKEQFYLE). б – Диаграмма для петель МТаз со специфичностью GGATG, гомологичных петле, обозначенной красным цветом на структуре M.FokI-C (остатки M.FokI 552–571, последовательность LITTGSYNDGNRGFKDWNRL). Под каждой LOGO-диаграммой приведён сайт узнавания МТаз соответствующего семейства, жирным выделена пара нуклеотидов, предположительно узнаваемая соответствующей петлёй, при этом отмеченный стрелкой G, вероятно, связывается консервативным аргинином

Скачать (190KB)
Метаданные
8. Рис. 6. LOGO-диаграммы для выравниваний петель МТаз группы B, выделенных пурпурным цветом на рис. 4. а – Диаграмма для петель МТаз со специфичностью GATGC (синих), гомологичных обозначенной пурпурным цветом на структуре M.SfaNI-C (остатки M.SfaNI 490–509, последовательность LSNSKMYGYNYYKTSSAKGL). б – Диаграмма для петель длины 23 МТаз со специфичностью GATGG (зелёных), гомологичных обозначенной пурпурным цветом на структуре M2.McaCI (остатки 111–133, последовательность у M2.McaCI LSCSYLSITVPDELKKKYVKTYY). в – То же, что б, но для петель длины 24. Под каждой LOGO-диаграммой приведён сайт узнавания МТаз соответствующего семейства, жирным выделена пара нуклеотидов, предположительно узнаваемая соответствующей петлёй

Скачать (240KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Филогенетические деревья представителей МТаз группы A (а), MTaз группы B (б) и ЭР (в) со специфичностью GATGC (синие) и GATGG (зелёные), и модель пространственной структуры МТазы группы A M1.Hmu12714II (г). На модели ДНК красным цветом выделена GC-пара, соответствующая 3′-концевому цитозину в последовательности GATGC. На белке стержневой моделью показаны S-аденозил-L-гомоцистеин и боковые цепи мотива N-x-R-S-N, голубым обозначен каталитический домен МТазы, зелёным – TRD

Скачать (291KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025