機械学習を使用してタンパク質を予測する

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13821 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

寄生菌は、病原性を調節し、宿主の生理機能を変化させ、宿主の反応を引き起こすタンパク質を生成します。 これらのタンパク質は「エフェクター」の一種として分類され、多くの場合、タンパク質間相互作用 (PPI) を介して作用します。 真菌寄生虫オフィオコルディセプス・カンポノティ・フロリダニ（ゾンビアリ菌）は、カンポノトゥス・フロリダヌス（オオアリ）の行動を操作して伝染を促進します。 この行動変化の最も顕著な側面は、感染した宿主が上昇して高い位置に付着する頂上疾患の表現型です。 おそらく、種間の PPI がオフィオコルディセプス感染と宿主操作の側面を推進していると考えられます。 機械学習 PPI 予測は、この行動操作がどのように発生するかについての機構的な仮説を生成するための高スループットな方法を提供します。 D-SCRIPT を使用して宿主と寄生虫の PPI を予測したところ、およそ 1 つの PPI が見つかりました。 2,083 の宿主タンパク質と 129 の寄生虫タンパク質が関与する 6,000 の相互作用。これらは、操作された行動中に上方制御される遺伝子によってコードされています。 我々は、これらのタンパク質間で機能的アノテーションの複数の過剰表現を特定しました。 宿主における最も強いシグナルは、神経調節性 G タンパク質共役受容体と酸化還元プロセスを強調しました。 また、Camponotus の構造タンパク質と遺伝子調節タンパク質も検出しました。 この寄生虫では、オフィオコルディセプスのプロテアーゼが豊富であることと、未知の機能を持つ新規の小さな分泌タンパク質が頻繁に関与していることがわかりました。 これらの結果から、ゾンビ アリの行動操作の根底にある潜在的な寄生虫エフェクターと宿主標的に関する新しい仮説を提供します。

真菌寄生虫は、自らを防御し、感染を促進し、宿主を改変するために、多様な分泌分子を利用します。 場合によっては、感染によって宿主の行動が寄生的に操作されることさえあります。 多くの場合「エフェクター」と呼ばれる分泌真菌分子は、広く共有されているメカニズムと高度に特異的なメカニズムの両方を含む宿主 - 寄生虫の動態において重要な役割を果たしています 1、2、3、4。 寄生虫エフェクターは、昆虫病原性真菌による昆虫の感染時に、宿主の核酸、炭水化物、脂質、小さな代謝産物、タンパク質との相互作用を通じて重要な役割を果たすことが示唆されています3、5、6、7。 エフェクタータンパク質生物学のバイオインフォマティクス探査は、一部の寄生虫が宿主の行動をどのように変更できるかについての機構的仮説を開発するためのハイスループットな方法を提供します。 今回、我々はこのようなアプローチを用いて、行動を操作する真菌オフィオコルディセプス・カンポノティ・フロリダニ（フロリダ産ゾンビアリ菌）とその昆虫宿主カンポノトゥス・フロリダヌス（フロリダオオアリ）を調査した。

ミルメコフィルス・オフィオコルディセプス菌は通常、数百万年にわたってアリの宿主と共進化してきた種特異的な寄生虫です8。 この密接な関係により、真菌とアリの相互作用が生じ、寄生虫に適応する形で宿主の行動が変化します。 操作された宿主アリは頂上病に倒れ、高い位置に固定され、真菌の増殖と伝染を促進する場所で死にます9、10、11、12、13。 この最終サミットに先立つ行動変化には、宿主適応反応、寄生虫適応操作、または多動、協調性のない採餌、巣仲間とのコミュニケーションの減少、けいれんなどにわたる病気の一般的な症状が含まれる可能性があります9、14、15、16、17。 これらの改変されたアリの行動は、しばらくの間自然界で観察されてきました 18 が、関与する真菌エフェクターの探索は比較的最近の研究です 14,19,20,21,22,23,24,25。 これらの複数の「オミクス」研究は、観察された行動表現型の確立に役割を果たす寄生虫と宿主の分子に関する仮説を提供しましたが、それらの潜在的な相互作用は解釈の余地があります。

神経調節物質と保護物質、昆虫ホルモン、摂食、運動、概日リズムと光感知、筋肉の活動亢進など、多数の真菌分子とアリ経路がオフィオコルディセプスの行動操作に関与している可能性があります14、17、19、21、22。 、25、26、27、28、29。 細菌様エンテロトキシン、プロテインチロシンホスファターゼ、ペプチダーゼ（例えば、S8ズブチリシン様セリンプロテアーゼ）、未記載の小型分泌タンパク質（uSSP）などの真菌タンパク質が、おそらくPPIによって機能する操作機構として提案されている。 これらの仮説は、アリの積極的な操作およびオフィオコルディセプス間のゲノム比較中のこれらの候補の強力な遺伝子アップレギュレーションによって裏付けられています14、19、24。 他の多くのそのようなタンパク質も同様に妥当なエフェクターとしてサポートされています。 O.カンポノティ・フロリダニのような新興の非伝統的なモデル生物を生体内でテストすることは、費用と労力がかかるプロセスとなるだろう。 以前に仮説が立てられた候補タンパク質および経路を宿主－寄生虫タンパク質－タンパク質相互作用（PPI）に結びつける新たな証拠は、機能検証のための上位予測を選択するための強力な裏付けとなるだろう。