РНК-обелиски колонизируют клетки бактерий

В 1970-е годы были открыты вироиды — вирусоподобные частицы, вызывающие заболевания растений и представляющие собой одноцепочечные кольцевые молекулы РНК. По сравнению с вирусами, вироиды значительно меньше и не имеют белкового капсида. 21 января на сайте bioRxiv опубликовали препринт исследования, авторы которого обнаружили РНК-структуры в бактериях кишечника и ротовой полости человека — эти структуры оказались еще меньше вироидов. Исследователи из Стэнфордского университета совместно с коллегами из Испании и Канады назвали обнаруженные структуры «обелисками», а белки, закодированные в их РНК — «облинами». Ученые утверждают, что обелиски представляют собой кольцевую РНК длиной около 1000 нуклеотидов, которые складываются в палочковидные вторичные структуры.

Исследователи разработали биоинформатический инструмент и с его помощью проанализировали данные секвенирования РНК кишечной микробиоты человека из базы данных iHMP. Исходный набор данных включал образцы стула 104 доноров, которые регулярно собирались в течение года. Его анализ выявил 15 родственных последовательностей РНК (менее 2% вариаций), не имеющих явной гомологии с уже имеющимися в базах данных NCBI BLAST.

Обнаруженные РНК-структуры составляли 1164 нуклеотида в длину и имели палочковидную вторичную структуру, из-за которой их назвали «обелисками-α». Согласно предсказаниям открытой рамки считывания, обелиски-α кодируют два белка длиной 202 и 53 аминокислоты. При этом авторы не обнаружили гомологий нуклеотидных и аминокислотных последовательностей этих белков, а также их предсказанной третичной структуры, с имеющимися базами данных. Поэтому они присвоили этим белкам названия «облин-1» (202 аминокислоты) и «облин-2» (53 аминокислоты).

Стоит отметить, что обелиски-α обладали определенным сходством с вирусом гепатита D (HDV), в частности — кольцевым структурированным РНК-геномом, кодирующим по меньшей мере одну рамку считывания длиной около 200 аминокислот. Тем не менее, авторы не выявили явной гомологии нуклеотидных или аминокислотных последовательностей обелисков-α и HDV. Кроме того, ученые обнаружили, что область, кодирующая облин-1, в значительной степени самокомплементарна и образует шпильку длиной около 300 пар оснований, что составляет около половины предсказанной вторичной структуры обелиска.

Последовательности РНК-обелисков были обнаружены у 7 из 104 доноров. Эти структуры стабильно выявлялись в образцах, собираемых в течение периода более 200 дней. Кроме того, обелиски-α оказались специфичными для доноров: последовательности РНК группировались по признаку принадлежности тому или иному человеку.

Проанализировав более трех миллионов метагеномных наборов данных, авторы обнаружили еще 21 обелиск-α в семи наборах данных метатранскриптома (метагеномной РНК) человеческого происхождения. Также ученые обнаружили аналогичные последовательности длиной 1182 нуклеотида, назвав их обелисками-β. Обелиски-α и -β обладали схожей вторичной структурой, а также в последовательности РНК обелиска-β был обнаружен закодированный белок, на 38% совпадающий с облином-1, и еще один белок, длиной около 50 аминокислот.

В результате поиска гомологов облинов в других наборах данных, собранных в разных частях планеты, авторы выяснили, что РНК-структуры, подобные обелискам, встречаются по всему миру и представляют собой отдельную разнообразную филогенетическую группу элементов на основе РНК. Анализ показал, что происхождение обелисков может быть связано с микробиомом млекопитающих.

Для того чтобы определить, какие бактерии служат хозяевами для обелисков, ученые проанализировали данные секвенирования монокультур и совместных культур бактерий. В нескольких наборах данных секвенирования РНК Streptococcus sanguinis — бактерии, обитающей в полости рта человека — они обнаружили последовательность, кодирующую облин-1. Обнаруженный обелиск имел отличия от предыдущих двух, поэтому его назвали обелиск-Ss. В частности, отличалась длина кольцевой РНК, составившая 1137 нуклеотидов, а также отсутствовал гомолог облина-2. Сходство генома обелиска-Ss с обелисками-α и -β составило 41 и 35%, соответственно.

С помощью ColabFold исследователи предсказали трехмерную структуру облинов 1 и 2. Для облина-1 была описана глобулярная структура на N-конце, а также консервативный домен, связывающий анионы. Облин-2, судя по результатам моделирования, имеет структуру спирали и может образовывать димеры или тримеры. Также ученые предположили, что облины могут реплицироваться в клетках бактерий подобно вироидам — с помощью рибозимов.

Наконец, авторы оценили распространенность обелисков в микробиомах полости рта и кишечника человека. Для этого они исследовали три набора данных кишечной микробиоты и два — микробиоты полости рта, охватывающие в совокупности 472 доноров. Носителями обелисков-α, -β и -Ss были 25 человек (5,3%), и еще у 21 человека были обнаружены 11 новых обелисков. Всего 6,6% (29 человек) доноров кишечной микробиоты и 53% (17 человек) доноров оральной микробиоты были носителями обелисков. Отдельные виды обелисков встречались только в бактериях кишечника либо только в полости рта, то есть были специфичны для этих органов.

Исследование показало существование новых, неизвестных ранее, РНК-структур, колонизирующих бактерии в ротовой полости и кишечнике человека. Пока неясно, каким образом обнаруженные структуры могут влиять на жизнедеятельность микробиоты и здоровье человека, но это открытие создает почву для новых исследований в этой области.

Субвирусный агент действует самостоятельно