Бактериофаг прикрепился к шейке другого бактериофага

Американские и испанские исследователи обнаружили две ранее неизвестных системы хелпер-сателлит у поражающих бактерии-стрептомицеты бактериофагов, в которых сателлиты не обладают ключевыми генами репликации. В одной из этих систем вирус-сателлит физически прикреплен к шейке хелпера, что обеспечивает их одновременное проникновение в клетку. Отчет о работе опубликован в The ISME Journal.

Настоящие вирусы-сателлиты представляют собой вирусоподобные мобильные генетические элементы, которые могут проникать в клетки хозяина и встраиваться в их геном, но для репликации нуждаются в заражении этих клеток другим (полноценным) вирусом, который в этом случае носит название хелпера. Хорошо известными примерами таких сателлитов служат вирус гепатита дельта (HDV) и аденоассоциированный вирус (AAV). Также существуют сателлитные нуклеиновые кислоты, которые используют оболочечные белки капсида вируса-хелпера для упаковки собственного генетического материала, что позволяет им передаваться к другим клеткам. Они широко распространены среди бактериофагов (например, фаг P4), встраиваются в бактериальный геном в виде фаг-индуцируемых хромосомных островков (PICI) и имеют собственные репликазы. В январе 2023 года описаны подобные элементы, содержащие все необходимое для синтеза капсида и его сборки (cf-PICI); хелперы им нужны только для формирования хвоста. В случае патогенов бактерий сателлитные нуклеиновые кислоты обычно называют вирусами-сателлитами, поскольку истинных сателлитов среди фагов до сих пор известно не было.

В ходе исследовательского курса по программе SEA-PHAGES студенты Мэрилендского университета в округе Балтимор (UMBC) изолировали фагов, поражающих стрептомицеты, из образцов почвы, собранных в Мэриленде и Миссури. Выделенные вирусы были отправлены для секвенирования в Университет Питтсбурга, где выяснилось, что помимо типичной для фагов длинной последовательности в обоих образцах присутствует короткая, не известная ранее. Анализ их генетического состава и эксперименты по очистке и выделению позволили заключить, что они представляют собой системы хелпер-сателлит. Первую студенты назвали Mulch («мульча») с хелпером MulchMansion и сателлитом MulchRoom, вторую — Flayer («живодер») с хелпером MindFlayer и сателлитом MiniFlayer. Их исследованием занялась команда ученых во главе с Иваном Эриллом (Ivan Erill), аффилированным с UMBC и Барселонским автономным университетом.

Хелперы — MulchMansion и MindFlayer — оказались схожими представителями кластера BE актинобактериофагов. Линейный геном каждого из них содержит около 230 генов, кодирующих белки, более 40 генов транспортной РНК (тРНК) и один ген транспортно-матричной РНК (тмРНК). Сателлиты — MulchRoom и MiniFlayer — обладают линейными геномами, включающими соответственно 20 и 26 генов белков и не содержащими гены тРНК, причем друг с другом они практически не схожи. Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) показала, что их капсиды невелики — соответственно 43,7 и 42,5 нанометра против 81,9 и 81,4 у их хелперов. При этом хвост у MulchRoom длинный, схожий с таковыми у сифовирусов и cf-PICI, а у MiniFlayer — короткий с морфологией, напоминающей подовирусную.

Чтобы разобраться в необычной морфологии MiniFlayer, авторы работы провели отдельную ТЭМ-характеризацию их смешанных лизатов с хелпером MindFlayer. Выяснилось, что хвост сателлита специфично присоединяется к белкам шейки (соединения хвоста и головки, которое также называют «воротничок») хелпера, физически связывая вирусы. В 79 процентах случаев (49 из 62) капсиды MiniFlayer и MindFlayer смыкались, частично адсорбируя друг друга. Присоединенные сателлиты были обнаружены более чем у половины (26 из 50) хелперов. Когда для анализа использовали не лизаты, а нативные образцы фаговых бляшек (стерильных пятен), это соотношение достигло 80 процентов (40 из 50). При этом на шейке большинства остальных MindFlayer были видны следы предшествующего прикрепления MiniFlayer.

Полногеномный филогенетический анализ показал, что сателлиты MulchRoom и MiniFlayer не имеют прямого родства ни со своими хелперами, ни с PICI рода актиномицетов, ни с какими-либо другими системами хелпер-сателлит. Расчеты индексов адаптации тРНК (tAI) показали, что сателлиты используют кодоны, соответствующие тРНК хелперов, то есть используют ее, а не тРНК клетки-хозяина, для трансляции своих белков.

По мнению авторов работы, такой неизвестный ранее тип связи между вирусами появился в результате длительного эволюционного процесса, который мог продолжаться порядка 100 миллионов лет. Полученные анализы также указывают на вероятно большое разнообразие стратегий сателлитов по адаптации к хелперам и возможность того, что многие образцы вирусов, которые считались загрязненными посторонним генетическим материалом, на самом деле представляют собой системы хелпер-сателлит.

В 2021 году португальские исследователи сообщили о первой успешной попытке создания синтетических бактериофагов. За основу они взяли геном фага РЕ3, поражающего синегнойную палочку (Pseudomonas aeruginosa). Четырьмя годами ранее финские ученые смогли получить снимки разных стадий инфицирования бактерий вирусами — в этом помогла гелиевая микроскопия.