Анализ разнообразия вирусов, содержащих обратную транскриптазу, с помощью глобальной метагеномики

Вирусная обратная транскриптаза (RT) играет ключевую роль в репликации (например, у ретровирусов, которые обратно транскрибируют РНК-матрицы в комплементарную ДНК) и в мутациях генома (например, в ретроэлементах, генерирующих разнообразие (DGR) у бактериофагов). В отличие от ретровирусов, бактериальные вирусы (бактериофаги) используют RT не для репликации генома, а для вариабельности вирусных генов в рамках DGR или для других разнообразных биологических функций (например, CRISPR-RT).

DGR критически важны для адаптации к хозяину у бактериофагов, особенно тех, что распространены в экосистемах кишечника млекопитающих. Стимулируя мутации в генах, связанных с прикреплением к хозяину (например, в белках хвоста и шипов), DGR повышают способность бактериофагов адаптироваться к своим бактериальным хозяевам, что способствует формированию кишечных бактериальных сообществ. Несмотря на широкое функциональное разнообразие вирусных RT, наше понимание их остаётся ограниченным.

Исследовательская группа под руководством Мин Ван из Колледжа морских наук о жизни Океанского университета Китая недавно опубликовала в журнале hLife исследование «Разнообразие вирусов, содержащих обратную транскриптазу, через глобальную метагеномику». В работе подчёркивается ключевая роль вирусных RT в эволюции, микробной экологии и взаимодействиях с хозяином.

Используя методы высокопроизводительного секвенирования и биоинформатики, в исследовании было идентифицировано 76 077 вирусных RT-последовательностей из 7 377 глобальных метагеномов из различных сред. Биогеографическое распределение этих вирусных геномов показало их повсеместное присутствие в природных средах, таких как почва, сточные воды, пресные и морские экосистемы, а также их тесную связь с животными-хозяевами. Значительная доля вирусных RT-последовательностей была получена из кишечника человека, что подчёркивает критическую роль этих вирусов в поддержании стабильности кишечной микробиоты человека.

На основе строгого филогенетического анализа исследование определило семь эволюционных клад вирусных RT, включая кладу ретровирусов, кладу гигантских вирусов, кладу DGR бактериофагов, кладу бактериальных интронов группы II, кладу бактериальных ретронов и две вновь идентифицированные клады. Эти клады демонстрируют чёткие монофилетические группировки, которые коррелируют с их биологическими функциями и таксономическим рангом, что указывает на различные эволюционные траектории и функциональную специализацию вирусных RT. Две новые клады предполагают неисследованные функции вирусных RT, предоставляя ценные идеи для будущих противовирусных стратегий и биотехнологических применений.

С помощью сравнительного геномного анализа исследование выявило 78 уникальных вирусных кластеров, состоящих исключительно из кодирующих RT бактериофагов. В сети кластеризации кодирующие RT бактериофаги были сгруппированы в три основных сообщества, каждое из которых характеризовалось различными особенностями хозяина.

Три крупнейших сообщества были связаны с Bacillota, Pseudomonadota и Bacteroidota соответственно. Эти вирусные кластеры также демонстрировали специфичные для среды обитания паттерны. Большинство кластеров были ограничены средами, связанными с хозяином, но 151 кластер был общим для разных сред, что позволяет предположить, что некоторые кодирующие RT бактериофаги могут мигрировать между средами через своих инфицированных хозяев.

Интеграция кодирующих RT бактериофагов в геномы хозяев посредством лизогенной инфекции является обычным явлением. В этом исследовании было идентифицировано множество профагов, кодирующих RT, в полных или почти полных геномах 383 прокариот, охватывающих 10 типов. Большинство этих профагов происходили из клады DGR бактериофагов и были широко связаны с родами, принадлежащими к Bacteroidota, Bacillota и Pseudomonadota.

Среди них Bacteroidota был определён как основная линия хозяев, включающая 17 родов и 4 461 профаг, кодирующих RT. Более половины этих профагов были общими для разных родов, что указывает на частые межродовые инфекции бактериофагами, ассоциированными с Bacteroidota. Учитывая важность Bacteroidota в микробиоте кишечника человека, эти данные позволяют предположить, что кодирующие RT бактериофаги могут способствовать адаптации Bacteroidota к кишечной среде.

В заключение, это исследование представляет собой систематическое изучение и всесторонний анализ вирусных RT, раскрывая их эволюционное и функциональное разнообразие. Эти результаты способствуют разработке новых генетических инструментов и терапевтических мишеней. Исследование углубляет наше понимание взаимодействий вирусов и микробов в окружающей среде и подчёркивает роль вирусов в поддержании стабильности микробиоты кишечника человека.