ИСТИНА

В переводе с древнегреческого экология — наука о жилище (οἶκος — обиталище, жильё, дом, имущество и λόγος — понятие). Известно, что системы защиты бактерий и архей от чужеродной ДНК мобильны, горизонтально переносятся между геномами как близкородственных бактерий, так и эволюционно далеких. Защитная система в войне популяции штамма бактерии и атакующих ее бактериофагов может устареть из-за контрмер, вырабатываемых бактериофагами. Ненужные системы генов деградируют и удаляются из геномов прокариот. Таким образом, у защитных систем нет постоянного «жилища». Изучение их экологии связано с описанием их распространения по таксонам прокариот. Для горизонтального переноса систем генов между таксонами прокариот необходимо проживание видов в одной биологической нише, в одном микробиоме. Поэтому экология защитных систем включает также описание экологических ниш их хозяев. Фундаментальный вопрос – как определить, что такое одна и та же система. Без ответа на него невозможно изучать «среду обитания» конкретной системы. Опыт нашей группы связан с изучением систем рестрикции-модификации (РМ систем). В частности, системы РМ изучались в рамках нашего проекта РНФ 16-14-10319. Нами было определено понятие гомологичных систем РМ и все известные на момент проекта системы РМ классифицированы на 230 классов гомологичных систем РМ. Два первых изученных нами класса показали, что горизонтальный перенос превалирует в эволюции этих классов над вертикальным наследованием. Одна из основных задач предлагаемого проекта состоит в описании распространения и эволюции многих классов систем РМ, прежде всего, типичных, то есть наиболее распространённых, классов. Для решения этой задачи необходима разработка нетрадиционных методов биоинформатического анализа и реконструкции молекулярной филогении, например, одновременный анализ трех деревьев с одинаковым набором листьев: дерева эндонуклеаз рестрикции, ДНК метилтрансфераз и дерева организмов — хозяев этих систем. В перспективе планируется дополнение этих данных сведениями об экологических нишах обитания бактерий и архей. Подзадачей проекта, имеющей самостоятельную ценность, является классификация прокариотических ДНК метилтрансфераз на основе сходства последовательностей. Её решение важно для адекватного аннотирования генов ДНК метилтрансфераз в новых геномах и в метагеномных данных, а также для поиска новых систем РМ. Мы ожидаем, что разрабатываемые методы будут применимы для изучения других мобильных систем генов, к которым можно отнести другие защитные системы. В настоящее время известно много типов таких систем, среди них: BREX, Argonaute-Centered, системы РМ, основанные на сайт-специфичной фосфотиолизации остова ДНК, CRISPR/Cas системы. Методы анализа массовых данных о защитных системах прокариот явно отстают от открытий таких систем разных типов. Также разрабатываемые методы будут пригодны для анализа других мобильных систем, таких, как системы устойчивости к антибиотикам, профаги, транспозоны и IS-элементы. Мы планируем отработать методики анализа мобильных систем на системах РМ, а затем применить развитые методики также и к какому-либо другому классу мобильных элементов.

In Ancient Greek, "ecology" means the science of housing (οἶκος is for dwelling, house, property, and λόγος is for concept). It is known that defense systems of bacteria and archaea from foreign DNA are mobile, i.e. horizontally transferred between genomes of both closely related bacteria and evolutionarily distant ones. In a war between a population of a bacterium strain and bacteriophages attacking it, a defense system may become obsolete due to countermeasures produced by the bacteriophages. Unnecessary gene systems are degraded and removed from prokaryotic genomes. Thus protective systems do not have a permanent "home". The study of their ecology is associated with the description of their distribution in prokaryotic taxa. For horizontal transfer of gene systems between prokaryotic taxa, it is necessary for species to live in one biological niche, that is, in one microbiome. Therefore the ecology of defense systems also includes a description of the ecological niches of their hosts. The fundamental question is how to determine what the same system is. Without an answer, it is impossible to study the "environment" of a particular system. The experience of our group is related to the study of restriction-modification systems (R-M systems). In particular, R-M systems were studied within the framework of the RSF project 16-14-10319. In that project, the concept of homologous R-M systems was defined and all known R-M systems at the time of the project were classified into 230 classes of homologous R-M systems. The first two classes we studied showed that horizontal transfer prevails over vertical inheritance in the evolution of these classes. One of the main objectives of the proposed project is to describe the distribution and evolution of many classes of R-M systems, primarily the typical classes. To solve this problem, it is necessary to develop some unconventional methods of bioinformatic analysis and reconstruction of molecular phylogeny. As examples of such methods we can mention a simultaneous analysis of three trees with the same set of leaves: the restriction endonuclease tree, the DNA methyltransferase tree, and the tree of host organisms of these systems. In the future, it is planned to supply these data by indicating the ecological niches of bacteria and archaea. A subtask of the project, which has an independent value, is the classification of prokaryotic DNA methyltransferases based on sequence similarity. Its solution is important for adequate annotation of DNA methyltransferase genes in new genomes and in metagenomic data, as well as for the search for new R-M systems. We expect that the methods being developed will have value for the study of other mobile gene systems, including other defense systems. Currently, many types of such systems are known, that are BREX, Argonaute-Centered, R-M systems based on site-specific phosphothiolization of DNA backbone, CRISPR/Cas systems. A new defense system carried by Sbash prophage has been described this year. It seems that the methods of analyzing mass data on prokaryotic defense systems lag behind the discoveries of such systems of different types. The methods being developed will also be suitable for the analysis of other mobile systems such as antibiotic resistance systems, prophages, transposons and IS elements. We plan to develop methods for analyzing mobile systems for the case of R-M systems, and then apply the developed methods to some other class of mobile elements as well.

1. Классификация систем рестрикции-модификации (РМ) на основе гомологии каталитических доменов ключевых ферментов. 2. Реконструкция эволюционных событий в эволюции нескольких десятков классов гомологичных систем РМ из репрезентативной выборки классов. Репрезентативная выборка будет включать системы всех типов: I, II, в том числе IIG и IIM, III и IV, а также основные семейства гомологичных ДНК метилтрансфераз и эндонуклеаз рестрикции. В частности, будут идентифицированы события горизонтальных переносов и вертикального наследования систем РМ. В зависимости от достаточности данных о среде обитания бактерий и архей, для некоторых случаев горизонтального переноса между эволюционно далекими видами будет определена возможная биологическая ниша, в которой могло произойти это событие. 3. Новая методика анализа экологии и эволюции гомологичных мобильных систем генов у прокариот таких, как защитные системы и системы устойчивости к антибиотикам. 4. Новые методы реконструкции молекулярной филогении, которые позволят получать более достоверные реконструкции в зависимости от входных данных. 5. Новая методика оценки качества филогенетической реконструкции и методика выбора оптимального для данного семейства белков алгоритма филогенетической реконструкции. Ожидается, что полученные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований.

Нами ранее разработана классификация систем РМ на классы гомологичных систем. Название класса образуется из названий каталитических доменов эндонуклезы и метилтрансферазы согласно базе данных Pfam. Описана распространённость трех классов систем РМ. Показано превалирование горизонтального переноса над вертикальным наследованием. Классификация прокариотических ДНК МТаз на основе сходства последовательностей. Первые результаты в нашей группе были получены в дипломной работе Анны Сергеевны Попенко (в то время студентки факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ) в 2011 году. В 2018 году нами идентифицированы девять доменов базы данных Pfam, описывающих каталитические домены ДНК МТаз. В курсовой работе студентки ФББ МГУ Марии Серебренниковой, защищенной в 2019 году, описан доменный состав 132 835 ДНК-метилтрансфеаз, представленных в базе данных REBASE. У 25% последовательностей МТаз не был идентифицирован ни один из девяти доменов. В 2019 году в дипломной работе О.И. Безсудновой, студентки ФББ МГУ, участницы гранта РНФ 16-14-10319, предложены алгоритмы для идентификации горизонтальных переносов систем РМ целиком и обмена генами между системами. Алгоритмы нуждаются в проверке, доработке и дальнейшем развитии. Предварительные версии системы сравнения программ реконструкции филогении использовались в работах нашей группы. Описание одной из версий опубликовано в виде общедоступного препринта. Под руководством участника проекта С.А. Спирина разработан новый метод филогенетической реконструкции PQ, который на выравниваниях небольшого размера (до 30 последовательностей) превосходит по качеству все известные методы. В дипломной работе Д.М. Мошенского, защищенной в 2019 году на факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ, предложены и реализованы алгоритмы для расчёта ряда признаков незаменимых (essential) генов.

Будут подведены после выполнения проекта