Биоинформатика раскрывает эволюцию и функции липоксигеназ бактерий и простейших

Липоксигеназы — это ферменты, окисляющие полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) путём введения в их молекулу атома кислорода. Продуктами реакции являются оксилипины — широкий набор окисленных производных ПНЖК.

У типичных многоклеточных организмов липоксигеназы широко распространены: у животных и человека их продукты участвуют в регуляции воспалительной реакции, у высших растений также координируют ответ на повреждение, при этом выполняя гормональную функцию. Мхам и грибам продукты липоксигеназ необходимы для регуляции процессов развития, а водоросли используют их как феромоны. В целом можно сказать, что у всех сложно устроенных организмов липоксигеназы участвуют в межклеточной сигнализации посредством своих продуктов. Некоторые организмы также используют их как биохимическое оружие прямого действия: патогенные грибы разрушают ими клеточные мембраны хозяина, а растения используют липоксигеназы для синтеза летучих соединений, убивающих патогены, включая грибы.

Липоксигеназы были найдены у бактерий и простейших, но экспериментальные данные об их функции крайне скудны и биохимически охарактеризована лишь малая их часть. Поэтому остается актуальным вопрос: зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Коллектив исследователей из Тверского государственного медицинского университета, Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН и МГУ им. Ломоносова попытался ответить на этот вопрос, используя методы биоинформатики, что позволило проанализировать большее количество информации, чем доступно по результатам экспериментальных работ.

(Г.Ф. Куракин, А.М. Самоукина, Н.А. Потапова, «Биохимия», 85, 9, стр. 1256–1273, doi: 10.31857/S0320972520090067).

В базах данных белков доступно большое количество аминокислотных последовательностей, принадлежащих разным штаммам и видам. Многие из них функционально не охарактеризованы, так как транслированы напрямую с секвенированных геномов. Среди них с помощью программы BLAST выделили липоксигеназы и отфильтровали результаты, убрав ложные попадания с помощью программы Batch-CD-Search и просмотра вручную. Получился набор последовательностей липоксигеназ с заголовками, где указано название вида или штамма — обладателя последовательности. Они были подвергнуты таксономическому анализу: рассчитано распределение по таксонам, затем проведён эволюционный анализ: с помощью специальных программ были построены филогенетические деревья (рис. 1а) и филогенетические сети (рис. 1б).

Филогенетическое дерево и филогенетическая сеть для одной и той же выборки липоксигеназ

Рис. 1. а) Филогенетическое дерево и б) филогенетическая сеть для одной и той же выборки липоксигеназ. Для удобства сравнения использованы одинаковые цвета. Источник: рис. 3 и 4 из статьи.
Полноразмерные изображения для скачивания: рис. 1а, рис. 1б.

Оставалось только сравнить результаты этих расчётов с данными литературы об экофизиологии бактерий из данной выборки.

Как таксономические, так и эволюционные данные продемонстрировали тесную ассоциацию липоксигеназ бактерий и простейших с многоклеточными таксонами. Подробности анализа и выявления ассоциации приведены в статье. Речь идёт, конечно, о примитивной многоклеточности: у бактерий — в виде формирования нитей (цианобактерии, рис. 2а) и плодовых тел (миксобактерии, рис. 2б), у простейших — в виде образования многоклеточных агрегатов (слизевики, рис. 2в) и грибоподобных мицелиальных форм (оомицеты, рис. 2г). Наиболее простое объяснение: перечисленные организмы используют липоксигеназы для синтеза медиаторов межклеточной сигнализации — так же, как растения, животные и грибы. Таким образом, липоксигеназы оказались кандидатом в самые древние и универсальные сигнальные ферменты. Такое подозрение у учёных было и раньше, но без данных о бактериях и простейших оно выглядело умозрительно. Данное исследование позволило отчасти заполнить эту брешь. Эволюционный анализ показал, что появление липоксигеназ в различных таксонах было связано с обретением ими многоклеточности — даже примитивной. Это наводит на мысль, что липоксигеназы могли сыграть роль в появлении многоклеточности как таковой. Каким образом — ещё предстоит исследовать. Несмотря на свой теоретический характер, этот вопрос интригует — ведь речь идёт о происхождении той сложности, которая дала начало и нам, людям, и привычному нам облику биосферы.

Примеры многоклеточности у бактерий и простейших

Рис. 2. Примеры многоклеточности у бактерий и простейших: а) многоклеточные нити цианобактерий, б) плодовые тела миксобактерий; в) плодовые тела слизевика (Dictyostelium discoideum) на разных стадиях развития; г) мицелий оомицета, подобный мицелию гриба. В данном исследовании липоксигеназы оказались ассоциированы с этими таксонами. Источники изображений: CSIRO, PLoS Biology, Usman Bashir, Doc. RNDr. Josef Reischig (по лицензиям Creative Commons).
Полноразмерные изображения для скачивания: рис. 2а, рис. 2б, рис. 2в, рис. 2г.

Но не все бактерии в этой работе укладывались в эту гипотезу — осталось довольно много видов. Когда бактерии были распределены по их экологическим функциям (рис. 3), многие из них оказались патогенными или симбиотическими. Причём патогенные свойства у носителей липоксигеназы особые: это не высоковирулентные специализированные возбудители, как чумная палочка или холерный вибрион, а оппортунистические патогены, опасные своей способностью вызывать внутрибольничные инфекции.

Распределение бактерий, имеющих липоксигеназы, по экологическим ролям

Рис. 3. Распределение бактерий, имеющих липоксигеназы, по экологическим ролям. Показаны только некоторые порядки и исключены виды с неисследованной экофизиологией. Источник изображения: собственное изображение авторов, сделанное на основе таблицы из статьи.

Прежде всего — это хорошо известная синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa). Это не стало для исследователей новостью: для её липоксигеназ (их несколько) роль в патогенезе была ранее доказана в эксперименте. С помощью одной липоксигеназы она синтезирует противовоспалительные медиаторы, тормозящие иммунный ответ хозяина, а с помощью второй — разрушает его мембраны и вызывает ферроптоз клеток. Новостью было то, что среди носителей липоксигеназ оказалось много видов с аналогичными функциями: известные нозокомиальные патогены Acinetobacter baumannii, Enterobacter cloacae и Pluralibacter gergoviae, большое количество буркхольдерий, недавно открытый опасный вид Cedecea lapagei, возбудитель пневмонии Klebsiella pneumoniae и другие. Их профиль патогенности настолько схож с таковым у синегнойной палочки, что было предположено, что липоксигеназы они также используют аналогично. Эволюционные исследования подтвердили эту гипотезу: по всей видимости, возбудители оппортунистических инфекций обмениваются друг с другом генами липоксигеназ так же быстро, как генами резистентности к антибиотикам (рис. 4, а, б). Возможно, липоксигеназа «в руках» некоторых бактерий опаснее, чем мы её себе представляли, и является настоящим фактором вирулентности. Это может стать ключом к разработке новых антибиотиков, избирательно блокирующих липоксигеназы бактерий.

Иллюстрации горизонтального переноса генов липоксигеназ между оппортунистическими патогенами

Рис. 4. Иллюстрации горизонтального переноса генов липоксигеназ между оппортунистическими патогенами. а) Филогенетическое дерево для «группы P. aeruginosa» (см. рис. 1, а, б). Видны множественные горизонтальные переносы липоксигеназ от синегнойной палочки к другим внутригоспитальным патогенам. б) Филогенетическое дерево, показывающее, что и сама P. aeruginosa получила липоксигеназу горизонтальным переносом от патогенных и симбиотических представителей порядка Burkholderiales. Источник изображения: рис. 7, 8 из статьи.
Полноразмерные изображения для скачивания: рис. 4а, рис. 4б.

Группа учёных дополнительно прояснила механизм вирулентности. Варианта было два:

1) «атака в лоб»: прямое разрушение клеточных мембран;

2) «способ обмана»: синтез при помощи липоксигеназы медиаторов, подавляющих иммунный ответ хозяина. Обманный — потому что предположительно, бактерия в этом случае имитирует эндогенные оксилипины хозяина, регулирующие его иммунный ответ (такой механизм описан для синегнойной палочки).

С уверенностью исключить ни одну из этих гипотез авторы не смогли. Но больше данных в пользу второго варианта. Во-первых, среди носителей липоксигеназы симбиотические свойства оказались почти так же распространены, как патогенные. Правда, обычно они выражены в виде симбиоза с растениями или беспозвоночными, но не с человеком — вряд ли будет возможно создание пробиотиков для человека с использованием липоксигеназы. Но примечательно, что и патогенам, и симбионтам важно подавить иммунный ответ хозяев на их присутствие. А вот взламывать клеточные мембраны симбионту не нужно. При этом в пределах одной эволюционной клады липоксигеназы симбионтов соседствуют с липоксигеназами патогенов — что указывает на биохимически сходное использование и заимствование друг от друга горизонтальным переносом. Так что, скорее всего, липоксигеназы патогенов и симбионтов выполняют сходную функцию — подавляют иммунный ответ путём синтеза определённых оксилипинов.

По данным эволюционного анализа, распространение липоксигеназ началось со свободноживущих многоклеточных видов (предположительно — с цианобактерий). И лишь когда оксилипины стали универсальным межклеточным сигналом в живой природе, появились виды, «подделывающие» этот сигнал в своих корыстных интересах.

Изначально данная работа была общебиологическим проектом в рамках проблемы происхождения многоклеточности и межклеточной сигнализации. Но в процессе работы над данными выявилась довольно злободневная медицинская составляющая: роль липоксигеназ как фактора вирулентности у возбудителей внутрибольничных инфекций. В дальнейших исследованиях видится перспективным развитие обоих направлений — и фундаментального, и прикладного.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ:

Текст подготовлен авторами: Куракин Георгий Фёдорович, Самоукина Анна Михайловна, Потапова Надежда Александровна

Для связи с авторами: kurackin-georgy@yandex.ru

ДАТА ПУБЛИКАЦИИ ПОСТ-РЕЛИЗА:

02.10.2020