Поиск и анализ разнообразия структур CRISPR-Cas-систем патогенных штаммов Clostridium botulinum с целью создания экологически безопасных фаговых препаратов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе представлено биоинформатическое исследование разнообразия CRISPR-Cas-систем в геномах Clostridium botulinum и детектируемых ими фагов с перспективной целью их таргетного скрининга. Объектом исследования стали 49 полных хромосомных последовательностей бактерий, взятых из базы данных GenBank. Для идентификации cas-генов использовался программный комплекс MacSyFinder с применением профилей HMM из баз данных PFAM и TIGRFAM. Поиск и анализ CRISPR-кассет осуществлялся с помощью трех независимых программ: CRISPRFinder, PILER-CR и CRISPR Recognition Tool, что обеспечило высокую точность определения структуры кассет. Поиск протоспейсеров проводился с использованием программы CRISPRTarget и алгоритма BLASTn против вирусных баз данных RefSeq-Viral. Исследование включало сопоставление последовательностей спейсеров с геномами фагов для выявления комплементарных участков. Анализ фагового иммунитета показал преобладание фагов Cellulophaga (19%), что связано с экологическими особенностями Clostridium botulinum, а также значительную долю фагов Aeromonas и Bacillus (12,5%). Следующую группу фагов, преимущественно направленных на кишечную микрофлору, составили виды Enterococcus, Escherichia, Lactococcus (6–10%). Найдены протоспейсеры редких фагов (по 3%): Acidianus filamentous, Prochlorococcus, Pseudoalteromonas, Stenotrophomonas, Synechococcus. Полученные результаты указывают на сложную структуру CRISPR-Cas-систем Clostridium botulinum, эволюционно формирующихся под влиянием различных экологических ниш.

Об авторах

Г. А. Тетерина

Иркутский государственный университет

Email: galina.teterina.91@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-0487-8223

В. П. Саловарова

Иркутский государственный университет

Email: vsalovarova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3693-9058

Ю. П. Джиоев

Иркутский государственный медицинский университет

Email: alanir07@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5410-5113

Н. А. Арефьева

Иркутский государственный университет; Иркутский государственный медицинский университет; Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человека

Email: arefieva.n4@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2222-4518

А. Ю. Борисенко

Иркутский государственный медицинский университет

Email: 89500720225@mail.ru

Ю. С. Букин

Иркутский государственный университет; Лимнологический институт СО РАН

Email: bukinyura@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4534-3846

С. В. Эрдынеев

Иркутский государственный медицинский университет; Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего Востока

Email: orry230@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-7937-1382

Л. А. Степаненко

Иркутский государственный медицинский университет

Email: steplia@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5792-7283

Д. А. Антипин

Иркутский государственный медицинский университет

Email: mieshamecka@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-9442-9907

К. Б. Кахиани

Иркутский государственный медицинский университет

Email: kagkkris12@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-7901-7056

А. Э. Макарова

Иркутский государственный медицинский университет

Email: eamak18@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-2207-5668

Список литературы

  1. Hill K.K., Smith T.J. Genetic diversity within Clostridium botulinum serotypes, botulinum neurotoxin gene clusters and toxin subtypes. In: Rummel A., Binz T. (eds). Botulinum Neurotoxins. Current Topics in Microbiology and Immunology. Berlin: Springer; 2012, vol. 364, р. 1-20. doi: 10.1007/978-3-642-33570-9_1.
  2. Zhang S., Masuyer G., Zhang J., Shen Y., Lundin D., Henriksson L., et al. Identification and characterization of a novel botulinum neurotoxin. Nature Communication. 2017:14130. doi: 10.1038/ncomms14130.
  3. Bowe B.K., Wentz T.G., Gregg B.M., Tepp W.H., Schill K.M., Sharma S., et al. Genomic diversity, competition, and toxin production by group I and II Clostridium botulinum strains used in food challenge studies. Microorganisms. 2022;10(10):1895. doi: 10.3390/microorganisms10101895.
  4. Carter A.T., Peck M.W. Genomes, neurotoxins and biology of Clostridium botulinum group I and group II. Research in Microbiology. 2015;166(4):303-317. doi: 10.1016/j.resmic.2014.10.010.
  5. Brunt J., van Vliet A.H.M., Stringer S.C., Carter A.T., Lindström M., Peck M.W. Pan-genomic analysis of Clostridium botulinum group II (non-proteolytic C. botulinum) associated with foodborne botulism and isolated from the environment. Toxins. 2020;12(5):306. doi: 10.3390/toxins12050306.
  6. Smith T.J., Williamson C.H.D., Hill K.K., Johnson S.L., Xie G., Anniballi F., et al. The distinctive evolution of orfX Clostridium parabotulinum strains and their botulinum neurotoxin type A and F gene clusters is influenced by environmental factors and gene interactions via mobile genetic elements. Frontiers in Microbiology. 2021;12:566908. doi: 10.3389/fmicb.2021.566908.
  7. Nawrocki E.M., Bradshaw M., Johnson E.A. Botulinum neurotoxin-encoding plasmids can be conjugatively transferred to diverse clostridial strains. Scientific Reports. 2018;8:3100. doi: 10.1038/s41598-018-21342-9.
  8. Yang L., Ning Q., Tang S.-S. Recent advances and next breakthrough in immunotherapy for cancer treatment. Journal of Immunology Research. 2022:8052212. doi: 10.1155/2022/8052212.
  9. Alkhnbashi O.S., Meier T., Mitrofanov A., Backofen R., Vob B. CRISPR-Cas bioinformatics. Methods. 2020;172:3-11. doi: 10.1016/j.ymeth.2019.07.013.
  10. Butiuc-Keul A., Farkas A., Carpa R., Iordache D. CRISPR-Cas system: the powerful modulator of accessory genomes in prokaryotes. Microbial Physiology. 2022;32 (1-2):2-17. doi: 10.1159/000516643.
  11. Tang Y., Gao L., Feng W., Guo C., Yang Q., Li F., et al. The CRISPR-Cas toolbox for analytical and diagnostic assay development. Chemical Society Reviews. 2021;50(21):11844-11869. doi: 10.1039/D1CS00098E.
  12. Koonin E.V., Makarova K.S. Origins and evolution of CRISPR-Cas systems. Philosophic Transactions of the Royal Society B. Biological Sciences. 2019;374(1772):20180087. doi: 10.1098/rstb.2018.0087.
  13. Koonin E.V., Makarova K.S. Mobile genetic elements and evolution of crispr-cas systems: all the way there and back. Genome Biology and Evolution. 2017;9(10):2812-2825. doi: 10.1093/gbe/evx192.
  14. Koonin E.V., Makarova K.S., Zhang F. Diversity, classification and evolution of CRISPR-Cas systems. Current Opinion in Microbiology. 2017;37:67-78. doi: 10.1016/j.mib.2017.05.008.
  15. Bhatia S., Pooja, Yadav S.K. CRISPR-Cas for genome editing: Classification, mechanism, designing and applications. International Journal of Biological Macromolecules. 2023;238:124054. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2023.124054.
  16. Chen C., Wang Z., Qin Y. CRISPR/Cas9 system: recent applications in immuno-oncology and cancer immunotherapy. Experimental Hematology and Oncology. 2023;12(1):95. doi: 10.1186/s40164-023-00457-4.
  17. Bhokisham N., Laudermilch E., Traeger L.L., Bonilla T.D., Ruiz-Estevez M., Becker J.R. CRISPR-Cas system: the current and emerging translational landscape. Cells. 2023;12(8):1103. doi: 10.3390/cells12081103.
  18. Huang S., Dai R., Zhang Z., Zhang H., Zhang M., Li Z., et al. CRISPR/Cas-based techniques for live-cell imaging and bioanalysis. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(17):13447. doi: 10.3390/ijms241713447.
  19. Van der Oost J., Westra E.R., Jackson R.N., Wiedenheft B. Unravelling the structural and mechanistic basis of CRISPR-Cas systems. Nature Reviews. Microbiology. 2014;12(7):479-492. doi: 10.1038/nrmicro3279.
  20. Behler J., Hess W.R. Approaches to study CRISPR RNA biogenesis and the key players involved. Methods. 2020;172:12-26. doi: 10.1016/j.ymeth.2019.07.015.
  21. Makarova K.S., Wolf Y.I., Alkhnbashi O.S., Costa F., Shah S.A., Saunders S.J., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems. Nature Reviews Microbiology. 2015;13:722-736. doi: 10.1038/nrmicro3569.
  22. Pursey E., Dimitriu T., Paganelli F.L., Westra E.R., van Houte S. CRISPR-Cas is associated with fewer antibiotic resistance genes in bacterial pathogens. Philosophic Transactions of the Royal Society B. Bioяlogical Sciences. 2022;377:20200464. doi: 10.1098/rstb.2020.0464.
  23. Negahdaripour M., Nezafat N., Hajighahramani N., Rahmatabadi S.S., Ghasemi Y. Investigating CRISPR-Cas systems in Clostridium botulinum via bioinformatics tools. Infection, Genetics and Evolution. 2017;54:355-373. doi: 10.1016/j.meegid.2017.06.027.
  24. Wentz T.G., Tremblay B.J.M., Bradshaw M., Doxey A.C., Sharma S.K., Sauer J.-D., et al. Endogenous CRISPR-Cas systems in group I Clostridium botulinum and Clostridium sporogenes do not directly target the botulinum neurotoxin gene cluster. Frontiers in Microbiology. 2022;12:787726. doi: 10.3389/fmicb.2021.787726.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).