Микоплазмы из глубоководных кораллов имеют меньше 400 генов, кодирующих белки

Микоплазмы (Mollicutes) — это класс бактерий, которые отличаются отсутствием клеточной стенки. Их геномы — одни из самых маленьких, и большинство этих бактерий являются внутриклеточными паразитами, а другие могут находиться с хозяином в симбиотических отношениях (например, микоплазмы насекомых способны защищать их от нематод или паразитоидных ос, вырабатывая токсины). Команда ученых из Германии и США выделила из глубоководных кораллов два ранее неизвестных вида микоплазмы, предположительно симбиотических, и предложила объединить их в новое семейство.

Микоплазмы встречаются у различных групп кораллов, причем среди них доминируют виды рода Mycoplasma. Однако взаимодействия между кораллами и микоплазмами недостаточно изучены. Авторы нового исследования на протяжении нескольких лет анализировали метагеномы кораллов рода Callogorgia, обитающих в Мексиканском заливе. В частности, на шести разных участках брали пробы колоний Callogorgia delta — этот вид обитает на относительно больших глубинах (400–900 м).

В метагеномах этого вида 16S-метабаркодирование выявило два новых таксона микоплазм. Исследователи собрали полноразмерные последовательности генов их 16S рРНК, а затем получили их геномы. Это позволило определить их филогенетическое родство с другими микоплазмами и проанализировать особенности их метаболизма, основыываясь на присутствии генов с известными функциями. Авторы также изучили распределение клеток микоплазм в кораллах с помощью CARD-FISH и просвечивающей электронной микроскопии.

Геномы новых микоплазм из C. delta достаточно сильно отличались, чтобы отнести их к разным родам одного семейства (84% идентичности последовательности гена 16S рибосомной РНК). Два новых вида назвали Oceanoplasma callogorgiae и Thalassoplasma callogorgiae. Первый вид встречался в кораллах C. delta чаще, а второй отсутствовал в пробах, взятых с самых больших глубин. Для обоих микоплазм характерен сильно редуцированный геном — меньше 450 тысяч пар оснований. Геном O. callogorgiae содержит всего 359 генов, кодирующих белок, а геном T. callogorgiae — 385 таких генов. Поскольку эти микоплазмы колонизируют морских беспозвоночных и имеют сходные черты метаболизма, ученые предложили объединить их в новое семейство Oceanoplasmataceae.

В геномах обеих новых микоплазм отсутствовали гены, кодирующие ферменты, необходимые для получения энергии из углеводов. Вместо генов гликолитических ферментов у них имеются гены, позволяющие получать энергию из аминокислот, — например, гены аргининдегидролазы и АТФ-синтазы.

Исследователи предположили, что в результате катаболизма аргинина, который бактерии получают от коралла, вырабатывается аммиак, и это способствует установлению протонного градиента, который, в свою очередь, приводит в действие АТФ-синтазу. Для коралла такой симбиоз может быть альтернативным путем утилизации азотистых отходов. Тем не менее в геноме бактерий присутствуют гены других ферментов, которые могут использоваться для синтеза АТФ, — глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, фосфоглюкомутазы и рибозофосфат пирофосфокиназы.

Сами по себе эти микоплазмы не содержат никаких ферментов, которые могли бы участвовать в биосинтезе витаминов и кофакторов (кроме НАД+). Такие важные вещества, как аминокислоты, рибофлавин, биотин, бактерии получают от кораллов; в их геномах есть гены протеолитических ферментов и импортеров аминокислот. Взамен микоплазмы предоставляют кораллу орнитин и, возможно, короткие пептиды.

Вместе с тем в геноме O. callogorgiae широко представлены последовательности, которые нужны для борьбы с вирусами, в частности, несколько спейсеров, необходимых для работы системы CRISPR 2 класса типа II-C. Также в нем встречаются системы рестрикции-модификации I, II и III типов.

И у O. callogorgiae, и у T. callogorgiae имеется ген comEC, позволяющий импортировать постороннюю ДНК в клетку, и гены тимидинкиназы, которая может использоваться для метаболизма тимидина, образующегося при разложении ДНК. Ген тимидинкиназы обычно встречается у других микоплазм в числе одной-двух копий либо не встречается вовсе, а у микоплазм семейства Oceanoplasmataceae он представлен четырьмя копиями.

CARD-FISH и просвечивающая электронная микроскопия показали, что микоплазмы в основном населяют мезоглею кораллов — коллагеновый матрикс, в котором практически нет клеток, кроме амебоцитов. В мезоглею могут диффундировать питательные вещества — глюкоза и жирные кислоты, а из амебоцитов бактерии могли бы получать аминокислоты. При этом амебоциты способны к фагоцитозу, то есть новые микоплазмы должны иметь некие пока неизвестные механизмы, позволяющие им уклоняться от поглощения. Вместе с тем в мезоглее бактерии могут сталкиваться с вирусами, если коралл повреждается.

Некоторые из генов, которые активно экспрессируются в новых микоплазмах, не имеют аннотаций и известных функций. Один из таких генов кодирует связанный с мембраной фермент, который способен разлагать циклический диГМФ. Циклические динуклеотиды используются как вторичные мессенджеры в сигнальных путях, которые важны для подвижности бактерий, их вирулентности или морфогенеза. Однако обычно микоплазмы используют циклический диАМФ, а циклический диГМФ не встречается больше ни у каких других микоплазм, кроме Acholeplasma laidlawii.

Исследователи пока не уверены в том, какое влияние на кораллы оказывают новые микоплазмы. Они отметили, что ни O. callogorgiae, ни T. callogorgiae не встречаются в воде вокруг кораллов C. delta и крайне редко обнаруживаются в седиментах. В их геномах нет никаких генов, указывающих на то, что в жизненном цикле этих микоплазм есть стадия, на которой они способны жить свободно и независимо от кораллов. Поэтому ученые предположили, что эти бактерии передаются вертикально на личиночной стадии кораллов либо через другие организмы, которые могут контактировать с кораллами — например, через улиток. Но пока неясно, являются ли они симбионтами либо комменсалами или паразитами, оказывающими минимальное воздействие на хозяина.

Микоплазмы используются в синтетической биологии как прототипы клетки с минимальным геномом — широко известны работы Крейга Вентера с коллегами по этой теме. В 2016 году они представили бактерию JCV-syn3.0 с 473 генами (но потом вернули ей еще 7, которые обеспечивали корректное деление клеток). Авторы нового исследования отмечают, что данные виды микоплазм могут сыграть особую роль в синтетической биологии. До сих пор в любом минимальном наборе генов все же сохранялись ферменты гликолиза, а эти новые виды сумели от него отказаться.

Новые таксоны архей Asgard и их связь с эукариотами