Сотрудники Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, исследуя изменения кишечных виромов при хронических заболеваниях кишечника, обнаружили в бактериофагах гены, кодирующие новое семейство белков.

По одной из версий учёных, белки, названные тентаклинами, позволяют бактериофагу адаптироваться к изменениям на поверхности бактерий-хозяев и связываться с их рецепторами для дальнейшего взаимодействия. По другой версии, они позволяют фагам оставаться в кишечнике либо каким-то образом взаимодействуют с клетками иммунной системы организма. Статья об этом опубликована в  International Jounal of Molecular Sciences.

«Открытие нового семейства белков — часть большой работы по проекту Российского научного фонда, проводимого под руководством заведующего лабораторией молекулярной микробиологии ИХБФМ СО РАН доктора биологических наук Нины Викторовны Тикуновой. В рамках этого проекта изучали возможность лечения пациентов с язвенным колитом с помощью стерильной фекотрансплантации, то есть доставки компонентов кишечной микрофлоры от здорового человека, но так, чтобы доставлялись только бактериофаги и метаболиты бактерий, но не сами бактерии. Открытие новых белков бактериофагов можно назвать несколько неожиданным побочным результатом крупного исследования. Кишечник человека содержит в себе огромное количество бактерий, а также множество бактериофагов — вирусов бактерий. Мы исследовали образцы кишечной микробиоты, полученные от пациентов с язвенным колитом и доноров без кишечных патологий: удаляли из них все бактерии и свободную ДНК, извлекали бактериофаги и фаговую ДНК и проводили масштабное секвенирование виромов пациентов. Основной интерес вызвали фаги, содержащие DGR-системы (diversity-generating retroelement). Эта система позволяет бактериофагам изменять гены рецептор-связывающих белков для того, чтобы адаптироваться к изменениям на поверхности бактерий-хозяев и обнаруживать бактерии даже после попытки ускользнуть от бактериофага. Мы сфокусировались на DGR-содержащих бактериофагах и нашли несколько фагов, которые вместо одного гена-мишени в составе DGR-кассеты содержат сразу два гена, отличающихся по размеру и предполагаемой структуре кодируемого белка. Обычно фаги содержат один ген или несколько однотипных генов-мишеней в составе DGR-кассет, поэтому это обстоятельство нас заинтересовало», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии ИХБФМ СО РАН кандидат химических наук Иван Константинович Байков. 

С помощью биоинформатических методов — поиска по гомологии, а также моделирования пространственной структуры с помощью нейросети AlphaFold2 учёные исследовали обнаруженные гены-мишени бактериофагов и белки, которые кодируются этими генами. 

Первые попытки не привели к искомому результату — выявлялось лишь сходство с аналогичными генами с неустановленной функцией, расположенными в геномах близкородственных фагов. Однако, проанализировав аналогичные гены в DGR-кассетах чуть более далеких, хотя и родственных, бактериофагов, сотрудники лаборатории ИХБФМ СО РАН, несмотря на слабое общее сходство последовательностей кодируемых белков, смогли выявить характерный мотив аминокислотных остатков в одном из доменов. Используя этот мотив, исследователям удалось «выловить» из базы данных GenBank более обширный набор белков, сильно отличающихся друг от друга по аминокислотной последовательности. Гены таких белков были расположены в миовирусных бактериофагах, часто в составе DGR-кассет, а также содержались в бактериях, — учёные полагают, что, возможно, в составе профагов, встроенных в бактериальный геном. С помощью нейросети AlphaFold2 учёные показали, что, несмотря на низкий уровень сходства аминокислотной последовательности, большинство этих белков достоверно имеют структурное сходство между собой и несут лектиновый домен C-типа на своем N-конце, за которым следует один или несколько иммуноглобулин-подобных доменов. Лектиновые домены используются белками для связывания с молекулами-партнёрами: белками или полисахаридами, которые часто исполняют роль бактериального или клеточного рецептора.

«Довольно часто гены фагов, геномы которых депонированы в базах данных, плохо аннотированы. Это связано с тем, что для многих фаговых генов пока еще не выяснены функции. Такие гены часто имеют называния вроде “гипотетический белок” или “предполагаемый белок хвостовых шипов”. Ситуация усугубляется тем, что один и тот же белок может иметь несколько альтернативных названий. Отсутствие ясной классификации фаговых генов и белков нередко доставляет неудобства исследователям. Когда нам стало ясно, что гены, кодирующие белки с такой организацией (C-лектиновый домен на N-конце, за которым следуют несколько иммуноглобулин-подобных доменов), встречаются достаточно часто (около тысячи генов в базе данных GenBank), мы решили придумать название для таких белков. В таком случае другие исследователи раньше смогут начать его использовать и им будет проще понять друг друга, общаясь на одном языке. Согласно моделированию в AlphaFold2, молекулы таких белков состоят из нескольких доменов, вытянуты подобно бусам и, скорее всего, являются гибкими. Кроме того, они содержат лектиновый домен, что свидетельствует об их участии в связывании пока еще неустановленных бактериальных или клеточных рецепторов. Такие молекулы напомнили нам щупальца осьминога, поэтому мы дали им название “тентаклины”. Оно состоит из двух слов: TENTACLe + proteIN, которые переводятся как “щупальце” и “белок”», — сказал учёный. 

На сегодняшний день пока нельзя уверенно сказать, какую функцию выполняют тентаклины в бактериофагах, но у исследователей есть несколько рабочих гипотез. С учетом того, что белок находится в составе DGR-кассеты и бактериофаг его периодически мутирует для связывания с также изменяющимися белками бактерий, исследователи предполагают, что тентаклины используются фагами, чтобы узнавать бактерию-хозяина. Согласно другой гипотезе, бактериофаги используют эти белки, чтобы взаимодействовать с эпителием кишечника и удерживаться в кишечнике, несмотря на постоянное движение биомассы. Наконец, не исключен вариант, что с помощью тентаклинов вирусы бактерий взаимодействуют с иммунными клетками организма, регулируя взаимоотношения между бактериями, населяющими кишечник, и иммунной системой.

По словам ученых, так как бактериофаги регулируют бактериальное сообщество в организме, в частности в кишечнике, детальное изучение их структуры и особенностей размножения в будущем позволит нормализовать микрофлору желудочно-кишечного тракта пациентов. В итоге это даст возможность поддерживать здоровье людей на высоком уровне.

Работа выполнялась при поддержке РНФ (грант № 21-14-00360 «Изменения кишечных виромов при хронических заболеваниях кишечника как ключ к нормализации микробиоты», руководитель доцент, доктор биологических наук Н. В. Тикунова).

Текст: Кирилл Сергеевич.

Источник: «Наука в Сибири».