Использование машинного обучения для прогнозирования белка

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13821 (2023) Цитировать эту статью

235 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Паразитические грибы производят белки, которые модулируют вирулентность, изменяют физиологию хозяина и вызывают реакции хозяина. Эти белки, классифицируемые как тип «эффектора», часто действуют посредством белок-белковых взаимодействий (PPI). Грибковый паразит Ophiocordyceps Camponoti-floridani (гриб муравья-зомби) манипулирует поведением Camponotus floridanus (муравья-плотника), чтобы способствовать передаче инфекции. Наиболее поразительным аспектом этого поведенческого изменения является фенотип вершинной болезни, при котором инфицированные хозяева поднимаются и прикрепляются к возвышенному положению. Вероятно, межвидовые ИПП управляют различными аспектами инфекции Ophiocordyceps и манипуляциями с хозяином. Прогнозирование PPI с помощью машинного обучения предлагает высокопроизводительные методы для создания механистических гипотез о том, как происходят эти поведенческие манипуляции. Используя D-SCRIPT для прогнозирования PPI хозяин-паразит, мы обнаружили ок. 6000 взаимодействий с участием 2083 белков-хозяев и 129 белков-паразитов, которые кодируются генами, активация которых активируется во время манипулируемого поведения. Мы выявили множественные перепредставления функциональных аннотаций среди этих белков. Самые сильные сигналы у хозяина выявляли нейромодулирующие рецепторы, связанные с G-белком, и окислительно-восстановительные процессы. Мы также обнаружили структурные и генно-регуляторные белки Camponotus. У паразита мы обнаружили обогащение протеаз Ophiocordyceps и частое участие новых небольших секретируемых белков с неизвестными функциями. На основе этих результатов мы предлагаем новые гипотезы о потенциальных эффекторах паразитов и мишенях-хозяевах, лежащих в основе поведенческих манипуляций зомби-муравьев.

Грибковые паразиты используют разнообразный набор секретируемых молекул для защиты, содействия заражению и модификации своих хозяев. В некоторых случаях инфекция может даже привести к паразитарному манипулированию поведением хозяина. Секретируемые грибковые молекулы, которые часто называют «эффекторами», играют решающую роль в динамике отношений между хозяином и паразитом, которая включает как широко распространенные, так и весьма специфические механизмы1,2,3,4. Было высказано предположение, что эффекторы паразитов играют ключевую роль при заражении насекомых энтомопатогенными грибами посредством их взаимодействия с нуклеиновыми кислотами хозяина, углеводами, липидами, малыми метаболитами и белками3,5,6,7. Биоинформатическое исследование биологии эффекторных белков предлагает высокопроизводительный метод разработки механистических гипотез о том, как некоторые паразиты могут изменять поведение своих хозяев. Здесь мы используем такие подходы для исследования гриба, манипулирующего поведением Ophiocordyceps Camponoti-floridani (флоридский гриб-зомби-муравей) и его насекомого-хозяина Camponotus floridanus (флоридский муравей-плотник).

Мирмекофильные грибы Ophiocordyceps обычно являются видоспецифичными паразитами, которые эволюционировали совместно со своими муравьями-хозяевами на протяжении миллионов лет8. Эта тесная связь привела к взаимодействиям грибов и муравьев, которые изменяют поведение хозяина адаптивным образом к паразиту. Муравьи-хозяева, которыми манипулируют, заболевают вершинной болезнью, прикрепляясь к возвышенным местам и умирая в местах, способствующих росту и передаче грибков9,10,11,12,13. Поведенческие изменения, предшествующие этому заключительному саммиту, могут включать в себя адаптивные реакции хозяина, адаптивные манипуляции с паразитами или общие симптомы заболевания, которые включают гиперактивность, нескоординированный поиск пищи, снижение общения с товарищами по гнезду и судороги9,14,15,16,17. Хотя такое модифицированное поведение муравьев уже некоторое время наблюдается в природе18, исследования задействованных грибковых эффекторов являются относительно более поздними попытками14,19,20,21,22,23,24,25. Эти многочисленные исследования «-омики» предоставили гипотезы о молекулах паразита и хозяина, которые играют роль в установлении наблюдаемых поведенческих фенотипов, но оставляют их потенциальные взаимодействия открытыми для интерпретации.

Большое количество грибковых молекул и муравьиных путей могут быть вовлечены в поведенческие манипуляции Ophiocordyceps, включая нейромодуляторы и -протекторы, гормоны насекомых, питание, передвижение, циркадные ритмы и светочувствительность, а также мышечную гиперактивность14,17,19,21,22 ,25,26,27,28,29. Грибковые белки, такие как бактериоподобные энтеротоксины, протеинтирозинфосфатазы, пептидазы (например, субтилизинподобные сериновые протеазы S8) и неописанные малые секретируемые белки (uSSP), были предложены в качестве механизмов манипуляции, которые предположительно действуют посредством ИПП. Эти гипотезы подтверждаются сильной активацией генов этих кандидатов во время активных манипуляций с муравьями и геномных сравнений среди Ophiocordyceps14,19,24. Многие другие подобные белки также считаются вероятными эффекторами. Их тестирование in vivo будет дорогостоящим и трудоемким процессом на новом нетрадиционном модельном организме, таком как O. Camponoti-floridani. Новые данные, связывающие ранее выдвинутые гипотезы о белках-кандидатах и ​​путях белок-белковых взаимодействий хозяин-паразит (PPI), дадут надежную поддержку для выбора лучших прогнозов для функциональной проверки.