Изменчивость генов PE_PGRS и системы репарации ДНК, репликации и рекомбинаций у Mycobacterium tuberculosis

Изучение изменчивости генов PE и PPE, а также системы репарации ДНК, репликации и рекомбинаций позволяет оценить механизмы эволюции и адаптации Mycobacterium tuberculosis.

Цель работы – изучить изменчивость генов PE_PGRS, 3R-системы (репарации ДНК, репликации и рекомбинаций) для оценки механизмов эволюционных изменений M. tuberculosis.

Проведено полногеномное секвенирование штаммов M. tuberculosis 11502 и M. tuberculosis 5005 (относились к генотипу Beijing), а также M. tuberculosis 4860 (генотип LAM), выделенных от пациентов с впервые диагностированным туберкулезом легких. Геномы загружены в международный банк геномов GеnBank, NCBI: M. tuberculosis 11502 (код доступа CP070338.1), M. tuberculosis 5005 (код доступа CP053092.1), M. tuberculosis 4860 (код доступа CP049108.1). Секвенированные геномы сравнивали со стандартным референтным штаммом M. tuberculosis H37Rv (GenBank, NCBI: NC_000962.3). В геноме M. tuberculosis 11502, относящихся к генотипу Beijing, подтипу B0/W148, кластеру 100-32, выявлены мутации в 44,4  ±  6,8 % генов (в 24 из 54), относящихся к 3R-системе, в то время как у M. tuberculosis 4860, относящихся к генотипу LAM, меньшее количество генов из системы 3R было подвержено мутациям: 29,6 ± 6,2 % (16 генов из 54). В генах 3R-системы установлен незначительный сдвиг мутаций в сторону замены на аденин и тимин, в то время как для всего генома M. tuberculosis 11502 (в сравнении с M. tuberculosis H37Rv) характерно накопление G + C. Появление мутаций в генах 3R-системы может сопровождаться субоптимальной активностью белков, ответственных за репарацию, что может приводить к увеличению частоты и спектра спонтанных мутаций. Анализ генов PE_PGRS в геноме M. tuberculosis 11502, 4860, 5005 показал, что их вариабельность варьировалась у разных представителей этого семейства генов. Было установлено высокое содержание тетрануклеотидов CGGC в большинстве генов семейства PE_PGRS, где доля CGGC варьировалась от 2,11 до 8,42 %, в то время как в среднем в геноме M. tuberculosis их доля составляла 1,62 %. Установлено, что в некоторых генах генома M. tuberculosis комбинация тетрануклеотидов CGGC вообще не встречается (Rv0011, Rv0100, Rv0460, Rv0616A, Rv0691A, Rv0722, Rv0863, Rv0909, Rv1038c, Rv1197, Rv2347c, Rv2452c, Rv3053c, Rv3320c). Конформационный анализ ДНК в местах мутаций в генах, ассоциированных с устойчивостью к противотуберкулезным лекарственным средствам, показал, что формирование вторичных структур ДНК происходит преимущественно за счет комбинаций нуклеотидов CGGC, GCGC, GGG, GGGG, CTGC, а мутации в генах возникают, как правило, в местах формирования вторичных структур ДНК (шпилек), в которых может происходить перераспределение энергии взаимодействий, зарядов, и, как следствие, могут возникать ошибки репликации и мутации. Возникновение события мутации зависит еще и от других факторов, которые могут нейтрализовать возникающие энергетические изменения в ДНК, а также влияют на точность процесса репликации, репарации (мутации в gyrA гене, в генах 3R-системы).

1. The influence of host and bacterial genotype on the development of disseminated disease with Mycobacterium tuberculosis / M. Caws [et al.] // PLoS Pathog. - 2008. - Vol. 4, N 3. - Art. e1000034. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1000034

2. Multisectoral accountability framework to accelerate progress to end tuberculosis by 2030 : WHO/CDS/TB/2019.10 WHO, 2019: 30.

3. Глобальные отчеты Всемирной организации здравоохранения по туберкулезу: формирование и интерпретация / И. А. Васильева [и др.] // Туберкулез и болезни легких. - 2017. - Т. 95, № 5. - С. 7-16.

4. Koonin, E. V. Genomics of bacteria and archaea: the emerging dynamic view of the prokaryotic world / E. V. Koonin, Y. I. Wolf // Nucl. Acids Res. - 2008. - Vol. 36, N 21. - P. 6688-6719. https://doi.org/10.1093/nar/gkn668

5. Мокроусов, И. В. Методологические подходы к генотипированию Mycobacterium tuberculosis для эволюционных и эпидемиологических исследований / И. В. Мокроусов // Инфекция и иммунитет. - 2012. - T. 2, № 3. - С. 603-614.

6. Singh, A. Guardians of the mycobacterial genome: A review on DNA repair systems in Mycobacterium tuberculosis / A. Singh // Microbiology. - 2017. - Vol. 163, N 12. - P. 1740-1758. https://doi.org/https:doi.org/10.1099/mic.0.000578

7. Silent nucleotide polymorphisms and a phylogeny for Mycobacterium tuberculosis / L. Baker [et al.] // Emerg. Infect. Dis. - 2004. - Vol. 10, N 9. - P. 1568-1577. https://doi.org/https:doi.org/10.3201/eid1009.040046

8. Mutations in putative mutator genes of Mycobacterium tuberculosis strains of the W-Beijing family / M. EbrahimiRad [et al.] // Emerg. Infect. Dis. - 2003. - Vol. 9, N 7. - P. 838-845. https://doi.org/https:doi.org/10.3201/eid0907.020803

9. Neeley, W. L. Mechanisms of formation, genotoxicity, and mutation of guanine oxidation products / W. L. Neeley, J. M. Essigmann // Chem. Res. Toxicol. - 2006. - Vol. 19, N 4. - P. 491-505. https://doi.org/10.1021/tx0600043

10. Mestre, O. Phylogeny of Mycobacterium tuberculosis Beijing strains constructed from polymorphisms in genes involved in DNA replication, recombination and repair / O. Mestre, T. Luo, T. Dos Vultos // PloS ONE. - 2011. - Vol. 6, N 1. - Art. e16020. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0016020

11. Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence / S. Cole [et al.] // Nature. - 1998. - Vol. 393, N 6685. - P. 537-544. https://doi.org/10.1038/31159

12. Global phylogeny of Mycobacterium tuberculosis based on single nucleotide polymorphism (SNP) analysis: insights into tuberculosis evolution, phylogenetic accuracy of other DNA fingerprinting systems, and recommendations for a minimal standard SNP set / I. Filliol [et al.] // J. Bacteriol. - 2006. - Vol. 188, N 2. - P. 759-772. https://doi.org/10.1128/JB.188.2.759- 772.2006

13. Arnold, C. Molecular evolution of Mycobacterium tuberculosis / C. Arnold // Clin. Microbiol. Infection. - 2007. - Vol. 13, N 2. - P. 120-128. https://doi.org/10.1111/j.1469-0691.2006.01637.x

14. DNA repair in Mycobacterium tuberculosis revisited / T. Dos Vultos [et al.] // FEMS Microbiol. Rev. - 2009. - Vol. 33, N 3. - P. 471-487. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2009.00170.x

15. Essential roles for imuA′-and imuB-encoded accessory factors in DnaE2-dependent mutagenesis in Mycobacterium tuberculosis / D. F. Warner [et al.] // Proc. Nat. Acad. Sci. - 2010. - Vol. 107, N 29. - P. 13093-13098. https://doi.org/10.1073/pnas.1002614107

16. Shuman, S. Bacterial DNA repair by non-homologous end joining / S. Shuman, M. Glickman // Nat. Rev. Microbiol. - 2007. - Vol. 5. - P. 852-861. https://doi.org/10.1038/nrmicro1768

17. Kurthkoti K. Base excision and nucleotide excision repair pathways in mycobacteria / K. Kurthkoti, U. Varshney // Tuberculosis. - 2011. - Vol. 91, N 6. - P. 533-543. https://doi.org/10.1016/j.tube.2011.06.005

18. Restricted structural gene polymorphism in the Mycobacterium tuberculosis complex indicates evolutionarily recent global dissemination / S. Sreevatsan [et al.] // Proc. Nat. Acad. Sci. - 1997. - Vol. 94, N 18. - P. 9869-9874. https://doi. org/10.1073/pnas.94.18.9869

19. The PGRS domain of Mycobacterium tuberculosis PE_PGRS protein Rv0297 is involved in endoplasmic reticulum stress-mediated apoptosis through toll-like receptor 4 / S. Grover [et al.] // MBio. - 2018. - Vol. 9, N 3. - P. e01017-18. https:// https://doi.org/doi.org/10.1128/mBio.01017-18

20. Mohareer, K. Transcriptional regulation of Mycobacterium tuberculosis PE/PPE genes: a molecular switch to virulence / K. Mohareer, S. Tundup, S. E. Hasnain // Microb. Physiol. - 2011. - Vol. 21, N 3-4. - P. 97-109. https://doi.org/10.1159/ 000329489

21. PE_PGRS proteins of Mycobacterium tuberculosis: a specialized molecular task force at the forefront of host-pathogen interaction / F. De Maio [et al.] // Virulence. - 2020. - Vol. 11, N 1. - P. 898-915. https://doi.org/10.1080/21505594.2020.1785815

22. Frequent homologous recombination events in Mycobacterium tuberculosis PE/PPE multigene families: potential role in antigenic variability / A. Karboul [et al.] // J. Bacteriol. - 2008. - Vol. 190, N 23. - P. 7838-7846. https://doi.org/10.1128/ JB.00827-08

23. The PE/PPE multigene family codes for virulence factors and is a possible source of mycobacterial antigenic variation: perhaps more? / Y. Akhter [et al.] // Biochimie. - 2012. - Vol. 94, N 1. - P. 110-116. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2011.09.026

24. Evidence that mycobacterial PE_PGRS proteins are cell surface constituents that influence interactions with other cells / M. J. Brennan [et al.] // Infect. Immun. - 2001. - Vol. 69, N 12. - P. 7326-7333. https://doi.org/10.1128/IAI.69.12.7326- 7333.2001

25. Comparison of methods based on different molecular epidemiological markers for typing of Mycobacterium tuberculosis complex strains: interlaboratory study of discriminatory power and reproducibility/ K. Kremer [et al.] // J. Clin. Microbiol. - 1999. - Vol. 37, N 8. - P. 2607-2618. https://doi.org/10.1128/JCM.37.8.2607-2618.1999

26. Execution of macrophage apoptosis by PE_PGRS33 of Mycobacterium tuberculosis is mediated by Toll-like receptor 2-dependent release of tumor necrosis factor-α / S. Basu [et al.] // J. Biol. Chem. - 2007. - Vol. 282, N 2. - P. 1039-1050. https://doi.org/10.1074/jbc.M604379200

27. Cadieux, N. Induction of cell death after localization to the host cell mitochondria by the Mycobacterium tuberculosis PE_PGRS33 protein / N. Cadieux, M. Parra, H. Cohen // Microbiology. - 2011. - Vol. 157 (pt. 3). - P. 793-804. https://doi. org/10.1099/mic.0.041996-0

28. The PGRS domain from PE_PGRS33 of Mycobacterium tuberculosis is target of humoral immune response in mice and humans / I. Cohen [et al.] // Front. Immunol. - 2014. - Vol. 27, N 5. - Art. 236. https://doi.org/10.3389/fimmu.2014.00236

29. Comparative analysis of Mycobacterium tuberculosis pe and ppe genes reveals high sequence variation and an apparent absence of selective constraints / C. R. McEvoy [et al.] // PloS ONE. - 2012. - Vol. 7, N 4. - Art. e30593. https://doi. org/10.1371/journal.pone.0030593

30. CryoEM structures of open dimers of gyrase A in complex with DNA illuminate mechanism of strand passage / K. M. Soczek [et al.] // Elife. - 2018. - Vol. 20, N 7. - Art. e41215. https://doi.org/10.7554/eLife.41215

31. Wang, J. C. Cellular roles of DNA topoisomerases: a molecular perspective / J. C. Wang // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. - 2002. - Vol. 3, N 6. - P. 430-440. https://doi.org/10.1038/nrm831

32. The first study on the impact of osmolytes in whole cells of high temperature-adapted microorganisms / M. SalvadorCastell [et al.] // Soft Matter. - 2019. - Vol. 15, N 41. - P. 8381-8391. https://doi.org/10.1039/C9SM01196J

33. The more adaptive to change, the more likely you are to survive: Protein adaptation in extremophiles / C. Brininger [et al.] // Seminars in Cell & Developmental Biology. - Academic Press, 2018. - Vol. 84. - P. 158-169. https://doi.org/10.1016/j. semcdb.2017.12.016

34. Feller, G. Protein folding at extreme temperatures: Current issues / G. Feller // Seminars in Cell & Developmental Biology. - Academic Press, 2018. - Vol. 84. - P. 129-137. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2017.09.003

35. Genotype of a historic strain of Mycobacterium tuberculosis / A. S. Bouwman [et al.] // Proc. Nat. Acad. Sci. - 2012. - Vol. 109, N 45. - P. 18511-18516. https://doi.org/10.1073/pnas.1209444109

36. Silent nucleotide polymorphisms and a phylogeny for Mycobacterium tuberculosis / L. Baker [et al.] // Emerg. Infect. Dis. - 2004. - Vol. 10, N 9. - P. 1568-1577. https://doi.org/10.3201/eid1009.040046

37. Contribution of horizontally acquired genomic islands to the evolution of the tubercle bacilli / J. Becq [et al.] // Mol. Biol. Evol. - 2007. - Vol. 24, N 8. - P. 1861-1871. https://doi.org/10.1093/molbev/msm111