Исследование потенциальных событий рекомбинации в белок-кодирующей области CRISPR-Cas локусов в геномах разных серовариантов Salmonella enterica методами in silico

Обоснование. Исследование процессов гомологичной рекомбинации в области cas-генов у Salmonella enterica позволит выяснить фундаментальные механизмы эволюции CRISPR-Cas систем, что важно для изучения возникновения у данного патогена резистентности к фагам.

Цель работы. Исследование процессов рекомбинации в белок-кодирующей части CRISPR-Cas локусов в геномах сероваров Salmonella Enteritidis, Infantis и Typhimurium, используя методы in silico.

Материалы и  методы. Геномные последовательности серовариантов Salmonella Enteritidis, Infantis и  Typhimurium были скачаны из  базы данных NCBI GenBank. Кодирующие последовательности cas-генов были извлечены из геномов и выровнены с учётом позиции кодона. В полученном выравнивании был выполнен поиск событий рекомбинации. Проведена верификация событий рекомбинации.

Результаты. Найдено 7683  потенциальных события рекомбинации в  области cas-локуса в  геноме S.  enterica. Среди них верифицировано 810  (10,54  %)  событий; 45  (0,59  %)  событий были идентифицированы как результаты конвергентной эволюции. События рекомбинации детектируются чаще между штаммами, принадлежащими разным серовариантам, чем  между штаммами, принадлежащими одному сероварианту. Все сероварианты могут рекомбинировать друг с другом, однако чаще всего рекомбинация происходит между штаммами Enteritidis и  Infantis и  между Typhimurium и Infantis. Не было найдено ни одного события рекомбинации между штаммами сероварианта Enteritidis. События конвергентной адаптивной эволюции в основном локализованы в генах эффекторного модуля: cas5, cas6, cas7.

Заключение. Показано, что гомологичная рекомбинация часто происходит в геноме S. enterica в области cas-генов. Биоинформатические алгоритмы находят больше событий рекомбинации между эволюционно более отдалёнными штаммами, что не согласуется с известными исследованиями, проведёнными in vitro.

1. Jajere SM. A review of Salmonella enterica with particular focus on the pathogenicity and virulence factors, host specificity and antimicrobial resistance including multidrug resistance. Vet World. 2019; 12(4): 504-521. doi: 10.14202/vetworld.2019.504-521

2. Семина А.Н. Подбор генов для идентификации Salmonella Enteritidis. Международный научно-исследовательский журнал. 2018; 10-1(76): 108-110. doi: 10.23670/IRJ.2018.76.10.023

3. Galán JE. Salmonella Typhimurium and inflammation: A pathogen-centric affair. Nat Rev Microbiol. 2021; 19(11): 716-725. doi: 10.1038/s41579-021-00561-4

4. Рожнова С.Ш., Кулешов К.В., Павлова А.С., Гусева А.Н., Кожахметова Т.А., Акулова Н.К., и др. Гетерогенность изолятов нетифоидных сальмонелл из различных источников выделения в Российской Федерации в 2010–2019 гг. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2020; 25(1): 26-34. doi: 10.17816/EID35184

5. Pourcel C, Touchon M, Villeriot N, Vernadet JP, Couvin D, Toffano-Nioche C, et al. CRISPRCasdb a successor of CRISPRdb containing CRISPR arrays and cas genes from complete genome sequences, and tools to download and query lists of repeats and spacers. Nucleic Acids Res. 2020; 48(D1): D535-D544. doi: 10.1093/nar/gkz915

6. Makarova KS, Koonin EV. Annotation and classification of CRISPR-Cas systems. Methods Mol Biol. 2015; 1311: 47-75. doi: 10.1007/978-1-4939-2687-9_4

7. Makarova KS, Wolf YI, Iranzo J, Shmakov SA, Alkhnbashi OS, Brouns SJJ, et al. Evolutionary classification of CRISPR-Cas systems: A burst of class 2 and derived variants. Nat Rev Microbiol. 2020; 18(2): 67-83. doi: 10.1038/s41579-019-0299-x

8. Shikov AE, Malovichko YV, Nizhnikov AA, Antonets KS. Current methods for recombination detection in bacteria. IntJ Mol Sci. 2022; 23(11): 6257. doi: 10.3390/ijms23116257

9. Shikov AE, Savina IA, Nizhnikov AA, Antonets KS. Recombination in bacterial genomes: Evolutionary trends. Toxins (Basel). 2023; 15(9): 568. doi: 10.3390/toxins15090568

10. Abascal F, Zardoya R, Telford MJ. TranslatorX: Multiple alignment of nucleotide sequences guided by amino acid translations. Nucleic Acids Res. 2010; 38(Web Server Issue): W7-13. doi: 10.1093/nar/gkq291

11. Martin DP, Varsani A, Roumagnac P, Botha G, Maslamoney S, Schwab T, et al. RDP5: A computer program for analyzing recombination in, and removing signals of recombination from, nucleotide sequence datasets. Virus Evol. 2020; 7(1): veaa087. doi: 10.1093/ve/veaa087

12. Martin DP. RDP5 instruction manual. URL: http://web.cbio.uct.ac.za/~darren/RDP5Manual.pdf [date of access: 30.10.2024].

13. Goldman N, Yang Z. A codon-based model of nucleotide substitution for protein-coding DNA sequences. Mol Biol Evol. 1994; 11(5): 725-736. doi: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040153

14. Didelot X, Bowden R, Street T, Golubchik T, Spencer C, McVean G, et al. Recombination and population structure in Salmonella enterica. PLoS Genet. 2011; 7(7): e1002191. doi: 10.1371/journal.pgen.1002191

15. Fraser C, Hanage WP, Spratt BG. Recombination and the nature of bacterial speciation. Science. 2007; 315(5811): 476-480. doi: 10.1126/science.1127573

16. Tay M, Liu S, Yuan YA. Crystal structure of Thermobifida fusca Cse1 reveals target DNA binding site. Protein Sci. 2015; 24(2): 236-245. doi: 10.1002/pro.2609