Используя комплексный метод геномно-протеомного анализа и реконструкции метаболома, российские учёные впервые досконально изучили экстремально малый микроорганизм – спироплазму. Это помогло вычислить предположительные факторы вирулентности, позволяющие микробу вызывать смертельные инфекции насекомых. Результаты работы опубликованы в Journal of Proteome Research.

Молликуты, к которым относятся и спироплазмы, – наименьшие живые организмы, способные к самовоспроизведению. Название (Mollucutes) происходит от двух латинских слов – mollis, что означает «мягкий» или «гибкий», и cutis (кожа). В отличие от других бактерий, они не обладают клеточной стенкой, поэтому их мембрана чрезвычайно подвижна, а среди самих молликут встречается множество морфологических форм.

Эти организмы чрезвычайно широко распространены в природе. Наиболее известные роды молликут – микоплазмы и уреплазмы, вызывающие тяжёлые заболевания человека. Это облигатные паразиты, демонстрирующие исключительную видо- и даже тканеспецифичность. Специалистам также хорошо знакомы фитоплазмы, ахолеплазмы и спироплазмы, представляющие собой патогены растений, которые, впрочем, могут существовать вне своих хозяев и используют для распространения насекомых.

Размеры большинства молликут не превышают долей микрона, их геномы отличаются экстремально малыми для бактерий размерами. Несмотря на это, в настоящее время расшифровка полных последовательностей геномов некоторых молликут представляет собой серьёзную технологическую проблему. Достаточно сказать, что

ни одного полного генома спироплазм на сегодняшний день не расшифровано. И это притом, что полные последовательности геномов некоторых вымерших предков человека уже почти готовы.

Этот парадокс связан в первую очередь с тем, что геномы данных микроорганизмов буквально «набиты» так называемыми длинными повторяющимися последовательностями нуклеотидов, похожими на мобильные элементы. Особенно выделяются этими свойствами спироплазмы и ахолеплазмы. Природа такого явления понятна: эти два рода молликут гораздо чаще заражаются различными бактериофагами. В ходе своего жизненного цикла фаги встраивают свою ДНК в геном спироплазм и таким образом формируют в нём множество повторяющихся последовательностей фагового происхождения, которые и препятствуют сопоставлению геномов разных спироплазм друг с другом.

К одним из наименее изученных относится и Spiroplasma melliferum, вызывающая тяжёлые инфекции медоносных пчёл (наряду с другими видами перепончатокрылых, а также бабочек), зачастую приводящие к их гибели. Круг растений-хозяев и механизмы патогенности этого вида спироплазм для насекомых во многом остаются неизвестными.

Приблизиться к пониманию этих вопросов позволяют результаты недавно опубликованной работы группы российских учёных из НИИ физико-химической медицины, Московского физико-технического института, национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и НИИ биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова во главе с профессором НИИ физико-химической медицины Вадимом Говоруном.

Используя биоинформатические методы геномики, протеомики и метаболомики, авторы поставили задачу определить механизмы взаимодействия спироплазмы S. melliferum штамма КС3 со своими промежуточными и конечными хозяевами. Путём сравнения со спектром метаболических ферментов другой спироплазмы – S. сitri, являющейся возбудителем спироплазмозов у представителей семейства цитрусовых, учёные попытались определить различия в физиологии фито- и энтомопатогенности у двух спироплазм. Кроме того, специалисты воспроизвели in silico (то есть при помощи компьютерных мощностей) наиболее вероятный профиль белков, экспрессируемых S. melliferum, и на его основе попытались вычислить потенциальные факторы патогенности этого паразита пчёл.

В результате наши учёные обнаружили, что

размер генома S. melliferum составляет всего 1,43 миллиона пар нуклеотидов (для сравнения: геном кишечной палочки – около 5 миллионов). При этом секвенировано на данный момент только 1,26 миллиона. Протеомный анализ выявил 29 белков из 260 открытых рамок вирусного происхождения. Из них только 16 – плектовирусные и 13 – предположительно белки и ферменты, представленные одной копией. Вероятно, речь идёт о бактериальных генах, которые попали внутрь фаговых последовательностей после многочисленных включений фаговой ДНК.

Сравнение белкового профиля S. melliferum КС3 со спироплазмой цитрусовых S. сitri штамма GII3–3X показало, что

многие белки этих бактерий высоко гомологичны. Оба штамма экспрессировали ряд белков, позволяющих им проникать в клетки насекомых и растений. Однако у спироплазмы пчёл было обнаружено два уникальных, которые отсутствовали у спироплазмы цитрусовых, – гены, кодирующие ферменты хитин-деацетилазу и хитиназу. Как нетрудно догадаться, именно эти два фермента принимают участие в метаболизме хитина, активно синтезируемого в организме насекомых, но отсутствующего у растений.

В настоящее время учёные продолжают протеогеномные исследования спироплазмы медоносных пчёл и пытаются детализировать механизмы работы генов, кодирующих потенциальные факторы вирулентности. Мы надеемся, что их усилия увенчаются успехом, а понимание данных механизмов поможет в борьбе с серьёзным вредителем, наносящим фатальный урон многим пчеловодческим хозяйствам.

Источник информации:

Dmitry Alexeev, Elena Kostrjukova, Alexander Aliper, Anna Popenko, Nikolay Bazaleev, Alexander Tyakht, Oksana Selezneva, Tatyana Akopian, Elena Prichodko, Ilya Kondratov, Mikhail Chukin, Irina Demina, Maria Galyamina, Dmitri Kamashev, Anna Vanyushkina, Valentina Ladygina, Sergei Levitskii, Vasily Lazarev, and Vadim Govorun Application of Spiroplasma melliferum Proteogenomic Profiling for the Discovery of Virulence Factors and Pathogenicity Mechanisms in Host-associated Spiroplasmas. – J. Proteome Res. – 2012. – 11 (1).