Машинное обучение значительно расширяет известное разнообразие иновирусов

Ученые из Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США разработали алгоритм на основе машинного обучения для поиска в базах данных микроорганизмов и метагеномов. Алгоритм научился идентифицировать бактериальные вирусы (фаги) — иновирусы. Это нитевидные вирусы с маленькими одноцепочечными ДНК-геномами и уникальным хроническим циклом инфекции.

Обучение инструмента поиска

Иновирусы — это скрытые агенты, которые могут проникать в бактериальную клетку и выходить из нее, не лизируя хозяина. Они могут влиять на рост и патогенность бактерии, что, в свою очередь, воздействует на организм-хозяин бактерии (эукариот). Инструмент поиска, разработанный Саймоном Ру и его коллегами, сначала работал с референсным набором данных, включающим геномные последовательности, относящиеся к Inoviridae. Алгоритм ищет определенный ген, найденный у всех иновирусов, и проверяет окружающие гены. Если эти гены похожи по размеру и функции на гены типичных бактериальных или архейных геномов, последовательность, скорее всего, не является иновирусом. Но если эти соседние гены короткие и новые, то это хороший показатель настоящего иновируса.

После ручной проверки результатов и доработки алгоритма инструмент проанализировал более 70 000 наборов данных по микробам и метагеномам. В итоге было идентифицировано более 10 000 последовательностей, похожих на иновирусы, по сравнению с 56 ранее известными геномами иновирусов.

Пересмотр представлений о разнообразии иновирусов

Результаты показали, что иновирусы присутствуют во всех основных микробных средах обитания — включая почву, воду и организм человека — по всему миру. Новый подход обнаружил иновирусы в 3 609 (6%) из 56 868 микробных геномов и в 2 249 из 6 412 (35%) метагеномов, изученных в этом исследовании.

Значительное расширение известного разнообразия этих вирусов привело команду к предложению классифицировать Inoviridae как порядок вирусов, состоящий из шести семейств. Кроме того, команда обнаружила широкий спектр генетического разнообразия среди иновирусов с более чем 3 400 различными белками, многие из которых связаны с ключевыми функциями, такими как структура вириона и его выход из клетки, репликация и интеграция ДНК.

Противодействие ко-инфекциям и обеспечение выживания хозяина

Многие бактерии имеют CRISPR-Cas системы, которые включают короткие последовательности из инфицирующих вирусов и фагов, чтобы помочь бактериальному хозяину сопротивляться чужеродным генетическим элементам. В некоторых случаях Ру и его коллеги обнаружили, что иновирусы становились мишенью собственных CRISPR-Cas систем своих хозяев («самонацеливание»), и все же выживали. Сохранение этих «самонацеливающихся» иновирусов навело на мысль, что они нашли способ деактивировать CRISPR-Cas системы. Это привело исследователей к предсказанию наличия анти-CRISPR — недавно открытых ингибиторов бактериальных CRISPR-Cas систем.

Исследования показали, что иновирусам не обязательно производить собственные анти-CRISPR. Вместо этого они могут «путешествовать на закорках» анти-CRISPR, производимых другими фагами, коинфицирующими ту же клетку-хозяина, полагаясь на их общее желание избежать CRISPR-Cas иммунитета. Кроме того, было показано, что иновирусы могут предотвращать заражение клетки новыми фагами, в которой иновирус уже обосновался, с помощью процесса, называемого исключением суперинфекции. Это еще один способ, которым они могут помочь своему хозяину выжить.