토양 바이러스 보조 대사 유전자 산물의 구조적 특성 규명

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5485(2022) 이 기사 인용

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메타게노믹스는 이전에 숨겨진 토양 바이러스의 세계를 발굴하고 있습니다. 메타게놈의 많은 토양 바이러스 서열에는 바이러스 복제와 관련이 없는 추정 보조 대사 유전자(AMG)가 포함되어 있습니다. 여기서 우리는 토양 바이러스의 AMG가 실제로 기능적이고 활성인 단백질을 생산한다는 것을 확인했습니다. 우리는 일반적인 탄소 중합체인 키틴을 대사하는 키토사나제 효소를 잠재적으로 코딩하는 AMG에 중점을 둡니다. 우리는 환경 메타게놈에서 확인된 여러 키토사나제 유전자를 발현하고 기능적으로 스크리닝합니다. 엔도키토사나제 활성(V-Csn)을 나타내는 하나의 발현된 단백질은 초고해상도에서 결정화되고 구조적으로 특성화되어 토양 바이러스 AMG 제품의 구조를 나타냅니다. 이 구조는 활성 부위에 대한 세부 정보를 제공하고 AlphaFold를 사용하여 결정된 구조 모델과 함께 기질 특이성과 효소 메커니즘에 대한 이해를 용이하게 합니다. 우리의 연구 결과는 토양 바이러스가 숙주에게 보조 기능을 제공한다는 가설을 뒷받침합니다.

최근 메타게놈 조사에 따르면 영구동토층1,2, 해동된 영구동토층3 및 초원4을 포함한 다양한 토양 서식지에서 DNA 바이러스의 다양성이 높은 것으로 나타났습니다. 이러한 바이러스의 대부분은 박테리오파지3,4이지만 여러 진핵생물 바이러스도 발견되었습니다1,2. 근본적이고 대부분 답이 없는 질문은 토양 서식지에서 이러한 바이러스의 기능적 역할에 관한 것입니다. 토양 박테리오파지는 숙주 역학의 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 인식됩니다5. 흥미롭게도 토양 바이러스는 바이러스 번식에 직접적으로 필요하지 않은 기능을 잠재적으로 암호화하는 유전자의 발현을 통해 토양의 생지화학적 과정에 직접적으로 기여할 수도 있습니다. 필수적이지 않은 바이러스 기능에 해당하는 유전자를 보조 대사 유전자(AMG)라고 합니다. AMG에 의해 암호화된 잠재적 기능에는 탄소 대사, 포자 형성 및 에너지 생성이 포함됩니다6,7. 그러나 현재까지 단 하나의 토양 바이러스 AMG만이 발현되고 기능적으로 특성화되었으며 토양 바이러스 AMG에 대한 기존 결정 구조는 없습니다.

토양 바이러스의 AMG에 대한 연구는 바이러스 발견을 혼란스럽게 만드는 토양 서식지의 다양성과 복잡성으로 인해 해양 환경의 연구보다 뒤떨어져 있습니다. 해양 생태계에서 광합성 단백질을 암호화하는 바이러스성 AMG가 광범위하게 연구되었습니다8,9. 예를 들어, 일부 해양 바이러스는 psbA 유전자를 발현하는 것으로 나타났으며, 숙주에 감염되는 동안 전사체가 증가합니다10,11. 단백질 수준에서 시아노박테리아 파지(시아노파지)에 의해 암호화된 플라스토시아닌 단백질의 구조는 Synechococcus sp.의 관련 참조 구조를 기반으로 모델링되었습니다. PCC79428. 호스트 플라스토시아닌의 유사하게 모델링된 구조와 비교함으로써, 시아노파지로 인코딩된 플라스토시아닌의 구조 및 정전기 전위에 대한 시아노파지 특이적 변형을 예측하는 것이 가능했습니다. 또한 최근 바이러스 로돕신의 구조가 1.4Å 해상도로 특성화되었습니다. 구조는 바이러스 로돕신이 조류의 광합성을 지원하는 역할을 할 것으로 예상되는 독특한 광개폐 채널이라는 것을 보여주었습니다12. 해양 바이러스에 대한 이러한 최근 발견은 환경에서 파지와 숙주의 적합성을 잠재적으로 최대화하는 AMG의 생태학적 중요성을 강조합니다.

토양 바이러스에서 기술된 최초의 AMG는 다양한 유기 화합물 분해를 위한 효소를 암호화하는 유전자였습니다. 예를 들어, 해동된 영구 동토층의 메타게놈에서 14개의 글리코시드 가수분해효소 유전자가 검출되었습니다. 이들 중 하나인 글리코실 가수분해효소 그룹 5(GH5) 효소를 암호화하는 바이러스 유전자가 클로닝되고 발현되었으며 기능성 엔도만나나아제를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다3. 예측된 토양 바이러스성 AMG의 대다수는 미생물 게놈 데이터베이스4,5의 주석이 달린 유전자와의 서열 유사성에 기초하여 잠재적인 기능을 할당받았습니다. 그러나 이 접근법은 AMG가 실제로 발현되는지, 단백질이 기능적인지를 결정하는 능력이 제한되어 있습니다.