Понимание генетического разнообразия бактериофагов

За последние семь лет тысячи студентов-бакалавров присоединились к проекту по секвенированию и анализу геномов вирусов, поражающих бактерии, в рамках программы SEA (Science Education Alliance) Медицинского института Говарда Хьюза. Сотни расшифрованных ими геномов легли в основу нового исследования, расширяющего понимание учеными огромного разнообразия этих вирусов, известных как бактериофаги.

Исследование сравнило геномы 627 бактериофагов, выделенных из одного вида бактерий (Mycobacterium smegmatis), и обнаружило континуум генетического разнообразия, а не дискретные группы внутри популяции. Статья, опубликованная 28 апреля 2015 года в журнале eLife, написана в соавторстве с 199 преподавателями и 2664 студентами из учреждений по всей территории США и Университета Квазулу-Натал в Южной Африке.

"Получение этих данных и изучение популяции фагов с такой степенью разрешения — это реальная отдача от существования сообщества [SEA]", — сказал Грэм Хэтфулл, старший автор статьи в eLife и профессор HHMI в Университете Питтсбурга.

Хэтфулл руководит проектом SEA-PHAGES (Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science) совместно с группой программ для бакалавров и магистров HHMI. Студенты — в основном первокурсники — в рамках годичного курса, который сейчас предлагается более чем в 70 кампусах, выделяют бактериофаги из местной почвы, экстрагируют из них ДНК, а затем секвенируют и анализируют геномы фагов. Их данные передаются научному сообществу через онлайн-базы данных.

В прошлом году SEA сообщила об образовательных преимуществах программы SEA-PHAGES, продемонстрировав, что курс вовлекает студентов и мотивирует их продолжать изучать науку. Не менее важно, по словам Хэтфулла, то, что сообщество студентов-исследователей в рамках программы генерирует новые данные и вносит значимый вклад в научные знания.

Бактериофаги (или просто фаги) процветают практически в любой среде на Земле. Хэтфулл говорит, что частиц фагов на нашей планете больше, чем всех других форм жизни вместе взятых. Но, несмотря на их изобилие, генетическое разнообразие бактериофагов было плохо охарактеризовано, а функция большинства генов фагов остается неизвестной. Это во многом связано с тем, что было выделено относительно небольшое количество фагов, а значит, доступно мало секвенированных геномов для сравнительного анализа.

По словам Хэтфулла, большим вопросом было, представляют ли собой фаги, обнаруженные на сегодняшний день и поражающие один тип бактерий, отдельные популяции. Предыдущие генетические анализы сортировали фаги, поражающие микобактерии, на кластеры, причем члены каждого кластера имели общие генетические особенности. Но эти анализы включали слишком мало геномов, чтобы понять, действительно ли кластеры различны. Когда было проанализировано больше геномов, вписались ли они в те же кластеры? Или они заполнили пробелы между ними, что указывало бы скорее на генетический континуум в мире бактериофагов?

Спустя семь лет существования программы SEA-PHAGES студенты из 81 учреждения секвенировали и проанализировали геномы сотен бактериофагов, выделенных из Mycobacterium smegmatis из образцов почвы, собранных по всему миру. Этого было достаточно, чтобы предложить новое понимание разнообразия фагов, говорит Хэтфулл.

Когда Хэтфулл и его коллеги сравнили 627 геномов, они обнаружили, что могут сгруппировать их в 28 кластеров, причем некоторые гены или группы генов являются общими для разных кластеров. "Фаги связаны друг с другом сложным образом, так что их взаимосвязь лучше объясняется континуумом генетического разнообразия", — говорит Хэтфулл.

Тем не менее, определенные типы фагов были представлены среди проанализированных геномов сильнее, чем другие. Включение сотен геномов дало исследователям возможность классифицировать более редкие типы фагов, которые могли быть упущены в меньшем исследовании. "Мы не смогли бы получить [эту новую] перспективу, не собрав данные так, как мы это сделали, в качестве коллективного консорциума", — говорит Хэтфулл.

Хэтфулл ожидает, что сообщество SEA-PHAGE сможет узнать больше, продолжая выделять и анализировать дополнительные бактериофаги M. smegmatis, но в ближайшие годы они также начнут изучать генетическое разнообразие вирусов, поражающих других бактериальных хозяев. У него и его коллег есть множество новых вопросов, которые они стремятся решить, и Хэтфулл уверен, что студенты программы продолжат вносить вклад в реальные научные достижения.