ИСТИНА

Изучение распространения генов путем горизонтального переноса является значимой и актуальной научной задачей. У бактерий так передаются многие важные для адаптации к условиям гены, в т.ч. факторы вирулентности и патогенности. В данном проекте предполагается изучение методами метагеномики горизонтального переноса генов внутри прокариотических сообществ и между ними. В качестве модельных объектов будут рассматриваться гены систем рестрикции-модификации (Р-М), для которых известно, что они часто переносятся горизонтально. Предполагается использовать метагеномные данные, содержащие ДНК прокариот, из проекта TARA Ocean, которые получены из образцов морской воды из основных регионов Мирового океана (кроме Арктики). Эти данные активно изучаются, но исчерпывающий анализ горизонтального переноса генов, в частности систем Р- М, не проводился. Наши предварительные результаты по исследованию систем Р-М в метагеноме озера Глубокое (Антарктида) показали, что в сообществе микроорганизмов происходит активный обмен системами Р-М между неродственными видами архей. Разработанные в процессе данной работы инструменты будут использованы для поиска семейств генов, наиболее подверженных горизонтальному переносу. В результате выполнения данного проекта будет исследовано распространение систем Р-М на большом объеме данных, а также оценена вариабельность этих генов в географически удаленных сообществах, состоящих из родственных организмов. Также в результате данной работы будет охарактеризован поток генов в морских прокариотических сообществах.

Investigation of gene spread by horizontal transfer is a significant and actual scientific task. Many bacterial genes that are important for environmental adaptation are transferred in this way, including factors of virulence and pathogenicity. During this project we suppose to investigate horizontal gene transfer within prokaryotic communities and between them by means of metagenomics. Genes of restriction-modification system (R-M), which are known to be frequently horizontally transferred, will be used as model objects. We assume to use metagenomic data, namely prokaryotic DNA from the TARA Ocean project, which were obtained from marine probes from all major regions of the World Ocean (excluding Arctic region). These data are intensively studied, however a comprehensive analysis of horizontal transfer of genes, R-M system genes in particular, has not been attempted yet. Our preliminary analysis of R-M system spread in the metagenome of Deep lake (Antarctica) has revealed intensive exchange of R-M systems between unrelated archean species of the microbial community. Developed tools will be used to find out gene families, which are horizontally transferred more frequently. As a result of the project a diversity and a distribution of R-M systems will be studied. We will also study a flow of horizontally transferred genes in marine prokaryotic communities.

- Будут выявлены семейства генов систем Р-М типов I — IV в прокариотических метагеномах проекта Tara Ocean; - Произведен сравнительный анализ разнообразия систем Р-М в морских метагеномах из разных географических точек; - Будут найдены случаи горизонтального переноса систем Р-М внутри метагеномов и между метагеномами из разных географических областей;

В нашей лаборатории накоплен значительный опыт изучения эволюции систем Р-М, так, нами был проведен сравнительный анализ последовательностей ЭР и МТаз в полных геномах прокариот и показано существование нескольких десятков рассредоточенных систем Р-М — систем, в которых гены ЭР и парной к ней МТазы расположены в геноме на значительном расстоянии друг от друга (Ershova et al., NAR, 2012). Данная работа являлась частью проекта по описанию и классификации систем Р-М в соответствии с последовательностями составляющих их основных генов ЭР и МТазы. В своей работе О.И. Безсуднова классифицировала последовательности ЭР и МТаз из полных геномов прокариот по наличию в них каталитических доменов Pfam и выделила 39 доменов ЭР и 9 доменов МТаз, которые встречаются в 128 различных сочетаниях. При сравнении филогенетических деревьев, построенных для ЭР и МТаз, можно обнаружить события горизонтального переноса. Чаще всего гены ЭР и МТазы переносятся одновременно, что подтверждает одну из гипотез, существовавших ранее в литературе. Данная работа была представлена на конференции MCCMB-2017, в настоящее время готовится публикация результатов. Полученную классификацию систем Р-М планируется использовать и, возможно, дополнить в рамках выполнения данного проекта.

В результате исследования будут получены следующие фундаментальные результаты: – выявлены семейства генов, наиболее подверженных горизонтальному переносу; – исследовано разнообразие выбранных систем генов в различных метагеномных сообществах; – оценена степень зависимости наблюдаемой частоты событий горизонтального переноса от географической удалённости образцов, отдельно для различных групп генов. Данная работа позволит исследовать распространение генов с помощью горизонтального переноса в морском микробиоме. Полученные результаты улучшат понимание эволюции выбранных систем генов, а также понимание биологии горизонтального переноса генов. Полученные результаты могут быть использованы для разработки стратегии поиска новых антибиотиков и ферментов рестрикции-модификации. Также ожидается разработка следующих программных инструментов: – базы данных, позволяющей идентифицировать группы микроорганизмов, встречающихся в одном и том же метагеноме, или найти микроорганизмы, часто встречающихся с данным. – программы, позволяющей находить в метагеномных данных с известным географическим положением гены, сходные с данным по заданному порогу, строить филогенетическое дерево и визуализировать географическое происхождение генов на филогенетическом дереве. – программы, позволяющей идентифицировать предположительно горизонтально перенесенные гены в метагеномах. Полученные инструменты будут использованы для дальнейшего изучения особенностей горизонтального переноса генов между различными микроорганизмами;