Нуклеотидные тетрамеры TCGA и CTAG: вирусные ДНК и генетический код (<i>гипотеза</i>)

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии.

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

Филатов Ф. П.

https://doi.org/10.36233/0372-9311-275

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.

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.

Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology.

Nucleotide tetramers TCGA and CTAG: viral DNA and the genetic code (hypothesis)

Filatov F. P.

https://doi.org/10.36233/0372-9311-275

Abstract

Introduction. The published and our own data show that CTAG and, to a lesser extent, TCGA tetra-nucleotides have significantly lower concentrations in frequency profiles (FPs) of herpesvirus DNAs compared to other complete, bilaterally symmetrical tetra-nucleotides.

The aim of the study is to present a comparative analysis of CTAG and TCGA tetra-nucleotide FPs in viral DNAs.

Materials and methods. We have analyzed FPs and other characteristics of the two above tetramers in DNAs of at least one species of viruses of each genus (or each subfamily, if the classification into genera was not available), complying with the size limit requirements (minimum 100,000 base pairs) — a total of more than 200 species of viruses. The analysis was performed using the GenBank database.

Results. Two groups of characteristics of TCGA and CTAG tetramers have been described. One of them covers the results of the FP analysis for these tetranucleotides in viral DNAs and shows that DNAs with GC:AT > 2 are characterized by nCGn FP symmetries while these symmetries are frequently distorted in nTAn FP due to CTAG underrepresentation. The other group of tetramer characteristics demonstrates differences in their FPs in complete viral DNAs and in their genomes (a coding part, which can reach 80% in some studied viruses, thus making the analysis of their DNAs more significant than the analysis of DNAs of cellular live forms) and suggests that these tetramers may have participated in the origin of the universal genetic code.

Discussion. Assumedly, the genetic code started evolving amid C+G prevailing in "pre-code" DNA polymers; then the initial code forms evolved further to their final structure where TCGA and CTAG tetramers hold a central position, encapsulating the previous stages of this evolution. The nCGn FP symmetries typical of the "complete" DNA of Herpes simplex viruses disappear in the sequence of the second codon letters of the genome of these viruses, implying that their functions differ from functions of other letters and emphasizing the reasonableness of presenting the genetic code as a calligram where the second line is not symmetrical.

References

1. Filatov F.P., Shargunov A.V. Tetranukleotidnyi profil' gerpesvirusnykh DNK. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2020; 97(3): 216–26. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-3-3