Ученые обнаружили в вирусах бактерий — бактериофагах — гены, кодирующие новое семейство белков. Из-за того, что эти молекулы похожи на щупальца осьминога, им дали название «тентаклины» (оно состоит из двух слов: TENTACLe и proteIN, то есть «щупальце» и «белок»).
Сотрудники Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН изучали методы лечения пациентов с хроническими заболеваниями кишечника с помощью стерильной фекотрансплантации — доставки компонентов кишечной микрофлоры от здорового человека. Важно было найти такой способ, при котором доставлялись бы только бактериофаги и метаболиты бактерий, но не сами бактерии.
Специалисты исследовали образцы кишечной микробиоты, полученные от пациентов с язвенным колитом и доноров без кишечных патологий: удаляли из образцов все бактерии и свободную ДНК, извлекали бактериофаги и фаговую ДНК, проводили масштабное секвенирование виромов (совокупность вирусов) у пациентов. Об этом сообщается в издании Сибирского отделения (СО) РАН «Наука в Сибири».
Основной интерес ученых вызвали фаги, содержащие так называемые DGR-системы (diversity-generating retroelement). Эта система позволяет бактериофагам изменять гены рецептор-связывающих белков, чтобы адаптироваться к изменениям на поверхности бактерий-хозяев и находить 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 Байков.
С помощью поиска по гомологии (сравнения организмов, имеющих общее происхождение), а также моделирования пространственной структуры в нейросети, ученые исследовали обнаруженные гены-мишени бактериофагов и белки, которые кодируются этими генами.
Поначалу исследователи выявили лишь сходство с аналогичными генами с неустановленной функцией, которые находились в геномах близкородственных фагов. Затем они изучили аналогичные гены в DGR-кассетах чуть более далеких бактериофагов и смогли выявить характерный мотив аминокислотных остатков в одном из доменов (подструктур белка).
Используя этот мотив, биохимикам удалось «выловить» из базы данных GenBank более обширный набор белков, сильно отличающихся друг от друга по аминокислотной последовательности. Гены таких белков находились в миовирусных бактериофагах, часто в составе DGR-кассет, а также в бактериях.
С помощью нейросети AlphaFold2 ученые показали, что, несмотря на низкий уровень сходства аминокислотной последовательности, большинство этих белков по структуре схожи 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-партнерами: белками или полисахаридами, которые часто исполняют роль бактериального или клеточного рецептора.
Ученые выяснили, что молекулы таких белков состоят из нескольких доменов, вытянуты подобно бусам и, скорее всего, гибкие. Кроме того, они содержат лектиновый домен, что говорит об их участии в связывании пока еще неустановленных бактериальных или клеточных рецепторов.
Открытие новых белков бактериофагов авторы проекта считают неожиданным побочным результатом крупного исследования. Дело в том, что зачастую гены фагов, геномы которых хранятся в базах данных, плохо описаны.
«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”. Когда нам стало ясно, что гены, кодирующие белки с такой организацией, встречаются достаточно часто, 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», — объяснил эксперт.
Пока ученые не могут уверенно сказать, какую функцию выполняют тентаклины в бактериофагах, но у исследователей есть несколько рабочих гипотез. По одной из версий, новые белки 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.
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.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Результаты исследований опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.
