Структурная характеристика вспомогательного метаболического генного продукта почвенного вируса

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5485 (2022) Ссылаться на эту статью

3456 Доступов

4 цитаты

159 Альтметрика

Подробности о метриках

Метагеномика раскрывает ранее скрытый мир почвенных вирусов. Многие последовательности почвенных вирусов в метагеномах содержат предполагаемые вспомогательные метаболические гены (АМГ), которые не связаны с репликацией вируса. Здесь мы установили, что АМГ почвенных вирусов действительно производят функциональные активные белки. Мы фокусируемся на AMG, которые потенциально кодируют ферменты хитозаназы, которые метаболизируют хитин – распространенный углеродный полимер. Мы экспрессируем и функционально проверяем несколько генов хитозаназы, идентифицированных из метагеномов окружающей среды. Один экспрессируемый белок, проявляющий эндохитозаназную активность (V-Csn), кристаллизуется и структурно охарактеризован в сверхвысоком разрешении, таким образом представляя структуру продукта почвенного вирусного АМГ. Эта структура предоставляет подробную информацию об активном сайте и вместе со структурными моделями, определенными с помощью AlphaFold, облегчает понимание субстратной специфичности и механизма фермента. Наши результаты подтверждают гипотезу о том, что почвенные вирусы выполняют вспомогательные функции для своих хозяев.

Недавние метагеномные исследования выявили большое разнообразие ДНК-вирусов в различных почвенных средах обитания, включая вечную мерзлоту1,2, талую вечную мерзлоту3 и луга4. Большинство этих вирусов являются бактериофагами3,4, хотя также было обнаружено несколько эукариотических вирусов1,2. Фундаментальный вопрос, на который практически нет ответа, касается функциональной роли этих вирусов в почвенной среде обитания. Признано, что почвенные бактериофаги играют важную роль в регуляции динамики хозяина5. Любопытно, что почвенные вирусы могут также напрямую способствовать биогеохимическим процессам в почве посредством экспрессии генов, которые потенциально кодируют функции, не необходимые непосредственно для размножения вируса. Гены, отвечающие за несущественные функции вируса, называются вспомогательными метаболическими генами (AMG). Потенциальные функции, кодируемые AMG, включают метаболизм углерода, споруляцию и выработку энергии6,7. Однако на сегодняшний день экспрессирован и функционально охарактеризован только один почвенный вирусный АМГ3, а кристаллические структуры для почвенных вирусных АМГ отсутствуют.

Изучение AMG в почвенных вирусах отстает от исследований в морской среде из-за большого разнообразия и сложности почвенных сред обитания, что затрудняет открытие вирусов. В морских экосистемах широко изучались вирусные AMG, кодирующие фотосинтетические белки8,9. Например, было показано, что некоторые морские вирусы экспрессируют гены psbA, причем количество транскриптов увеличивается во время заражения хозяев10,11. На белковом уровне структура белка пластоцианина, кодируемого цианобактериальным фагом (цианофагом), была смоделирована на основе родственной эталонной структуры из Synechococcus sp. PCC79428. По сравнению с аналогичным образом смоделированной структурой пластоцианина-хозяина можно было предсказать специфичные для цианофага модификации структуры и электростатического потенциала пластоцианина, кодируемого цианофагом. Кроме того, недавно была охарактеризована структура вирусного родопсина с разрешением 1,4 Å. Структура показала, что вирусные родопсины представляют собой уникальные светозависимые каналы, которые, как предполагалось, играют роль в поддержке фотосинтеза водорослей12. Эти недавние открытия морских вирусов подчеркивают экологическую важность AMG, которые потенциально максимизируют приспособленность фагов и хозяев в окружающей среде.

Первыми АМГ, описанными у почвенных вирусов, были гены, кодирующие ферменты деградации различных органических соединений. Например, в метагеномах талой вечной мерзлоты обнаружено 14 генов гликозидгидролаз. Один из них, вирусный ген, кодирующий фермент гликозилгидролазы группы 5 (GH5), был клонирован, экспрессирован и обнаружен как функциональная эндоманнаназа3. Подавляющему большинству предсказанных AMG почвенных вирусов были присвоены потенциальные функции исключительно на основании сходства их последовательностей с аннотированными генами в микробных геномных базах данных4,5. Однако этот подход ограничен в своей способности определить, действительно ли экспрессируется AMG и является ли белок функциональным.