Caratterizzazione strutturale di un prodotto genetico metabolico ausiliario virale del suolo

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5485 (2022) Citare questo articolo

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La metagenomica sta portando alla luce il mondo precedentemente nascosto dei virus del suolo. Molte sequenze virali del suolo nei metagenomi contengono presunti geni metabolici ausiliari (AMG) che non sono associati alla replicazione virale. Qui, stabiliamo che gli AMG sui virus del suolo producono effettivamente proteine ​​funzionali e attive. Ci concentriamo sugli AMG che potenzialmente codificano per gli enzimi chitosanasi che metabolizzano la chitina, un comune polimero di carbonio. Esprimiamo e screening funzionalmente diversi geni della chitosanasi identificati da metagenomi ambientali. Una proteina espressa che mostra attività endo-chitosanasica (V-Csn) è cristallizzata e strutturalmente caratterizzata ad altissima risoluzione, rappresentando così la struttura di un prodotto AMG virale del suolo. Questa struttura fornisce dettagli sul sito attivo e, insieme ai modelli strutturali determinati utilizzando AlphaFold, facilita la comprensione della specificità del substrato e del meccanismo enzimatico. I nostri risultati supportano l’ipotesi che i virus del suolo contribuiscano con funzioni ausiliarie ai loro ospiti.

Recenti indagini metagenomiche hanno rivelato un’elevata diversità di virus a DNA in una serie di habitat del suolo, tra cui il permafrost1,2, il permafrost scongelato3 e le praterie4. La maggior parte di questi virus sono batteriofagi3,4, sebbene siano stati rilevati anche diversi virus eucariotici1,2. Una domanda fondamentale e in gran parte senza risposta riguarda i ruoli funzionali di questi virus nell’habitat del suolo. È riconosciuto che i batteriofagi del suolo svolgono un ruolo importante nella regolazione delle dinamiche dell'ospite5. Curiosamente, i virus del suolo possono anche contribuire direttamente ai processi biogeochimici nel suolo attraverso l’espressione di geni che potenzialmente codificano funzioni non direttamente richieste per la riproduzione virale. I geni che corrispondono a funzioni virali non essenziali sono indicati come geni metabolici ausiliari (AMG). Le potenziali funzioni codificate dagli AMG includono il metabolismo del carbonio, la sporulazione e la generazione di energia6,7. Tuttavia, fino ad oggi è stata espressa e caratterizzata funzionalmente solo una AMG virale del suolo3 e non esistono strutture cristalline per le AMG virali del suolo.

Lo studio degli AMG nei virus del suolo è in ritardo rispetto a quello degli ambienti marini, a causa dell’elevata diversità e complessità degli habitat del suolo che ha confuso la scoperta virale. Negli ecosistemi marini, gli AMG virali che codificano per proteine ​​fotosintetiche sono stati ampiamente studiati8,9. Ad esempio, è stato dimostrato che alcuni virus marini esprimono i geni psbA, con trascrizioni che aumentano durante l'infezione degli ospiti10,11. A livello proteico, la struttura di una proteina plastocianina codificata da un fago cianobatterico (cianofago) è stata modellata sulla base di una struttura di riferimento correlata di Synechococcus sp. PCC79428. Rispetto alla struttura modellata in modo simile dalla plastocianina ospite, è stato possibile prevedere modifiche specifiche del cianofago alla struttura e al potenziale elettrostatico della plastocianina codificata dal cianofago. Inoltre, la struttura di una rodopsina virale è stata recentemente caratterizzata con una risoluzione di 1,4 Å. La struttura ha rivelato che le rodopsine virali sono canali luminosi unici che hanno un ruolo previsto nel supportare la fotosintesi delle alghe12. Queste recenti scoperte sui virus marini evidenziano l’importanza ecologica degli AMG che potenzialmente massimizzano la forma fisica dei fagi e degli ospiti nell’ambiente.

I primi AMG descritti nei virus del suolo erano geni che codificavano per enzimi deputati alla degradazione di vari composti organici. Ad esempio, 14 geni della glicoside idrolasi sono stati rilevati nei metagenomi del permafrost scongelato. Uno di questi, un gene virale che codifica per un enzima glicosil idrolasi gruppo 5 (GH5), è stato clonato, espresso e si è scoperto che rappresenta un'endomannanasi3 funzionale. Alla stragrande maggioranza degli AMG virali del suolo previsti sono state assegnate potenziali funzioni esclusivamente in base alle somiglianze di sequenza con i geni annotati nei database genomici microbici4,5. Questo approccio è tuttavia limitato nella sua capacità di determinare se l'AMG è effettivamente espresso e se la proteina è funzionale.