ETIS - Virosfääri valkude struktuuriruum ja evolutsioon
Virosfääri valkude struktuuriruum ja evolutsioon
"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8812
Virosphere protein structure space and evolution
3. Terviseuuringud 3.11. Terviseuuringutega seotud uuringud, näiteks biokeemia, geneetika, mikrobioloogia, biotehnoloogia, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, biofüüsika ja bioinformaatika B110 Bioinformaatika, meditsiiniinformaatika, biomatemaatika, biomeetrika 3.1. Biomeditsiin (anatoomia, tsütoloogia, füsioloogia, geneetika, farmaatsia, farmakoloogia, kliiniline keemia, kliiniline mikrobioloogia, patoloogia) 33,0
Valkude struktuurseks, funktsionaalseks ja evolutsiooniliseks ühikuks on valgu domeenid. On olemas mitmeid programme ja andmebaase, mis jagavad valkude järjestusi või struktuure domeenideks. Valkude struktuursetele domeenidele on tehtud ka hierarhilist klassifikatsiooni, mis jagab domeenide struktuurid perekondadesse, super-perekondadesse jne. On läbi viidud mitmeid uurimusi, kus analüüsitakse domeenide jaotust bakterites, arhedes ja eukarüootides struktuuri erinevatel hierarhilistel tasemetel. Selliseid lähenemisi on kasutatud ka töödes, kus uuritakse valkude (valgu domeenide) evolutsiooni. Paraku on enamusel töödel üks suur viga: oluline osa biosfäärist, virosfäär, on uurimise alt välja jäetud. Rakuliste valkude struktuuriruumi on iseloomustanud mitmed autorid, kuid virosfääri (ja virosfääri-spetsiifilist) struktuuriruumi ei ole kirjeldanud veel keegi. Seetõttu ei ole iseloomustatud ka virosfääri ja rakulise struktuuriruumi omavahelisi mõjutusi (kes kellelt millal ja kui palju laenanud on). Viirused kui patogeenid on meile kõigile tuntud ning omavad kindlasti olulist rolli eluslooduse vormumisel. Viirusosakeste arvu meie planeedil on hinnatud umbes suurusjärgu võrra suuremaks rakkude arvust. Seega toimub pidev viirusliku geneetilise materjali “läbivool” organismidest. Igatahes on selge, et valkude evolutsiooni uurimisel tuleb kindlasti vaatluse alla võtta ka virosfäär. Viirused evolutsioneeruvad üldjuhul oluliselt kiiremini kui nende peremeesorganism (kuni mitu suurusjärku kiiremini) ja seega võib järjestuste sarnasus kaduda väga kiiresti. On ammu teada, et struktuur on konserveerunum kui järjestus. Seega on struktuurset informatsiooni arvesse võttes võimalik uurida ajalises sügavuses hoopis kaugemaid protsesse kui ainult järjestustega töötades. Käesoleva projekti esmaseks eesmärgiks on iseloomustada virosfääri (ja virosfääri spetsiifilist) struktuuriruumi, sealhulgas leida üles sellised valgu põhiarhitektuurid, mida esineb ainult viirustel. Kui selliseid põhiarhitektuure on, tekib põhjendatud küsimus nende päritolu kohta. Projekti teiseks eesmärgiks on virosfääri ja rakulise struktuuriruumi omavaheliste suhete uurimine. Kas mõni viiruslik valk on osutunud peremeesorganismile nii kasulikuks, et on peale peremehe genoomi integreerumist seal säilinud? Kas peremehest viirusesse liikunud domeen võib seal ulatuslikult muutuda ning hiljem organismi genoomi tagasi sattuda? Loodetavasti annab planeeritud uuring vastuse ka nendele huvitavatele küsimustele.
Most of the studies characterising the protein universe at the sequence or structure level usually overlook an important part of the biosphere – the virosphere. It has been proposed that the number of viruses on the planet exceeds the number of cells by an order of magnitude. Definitely, the virosphere is an important part of the biosphere. In order to propagate, viruses must infect host cells. According to the estimated number of viruses and the number of organisms, the species are under constitutive “flow-through” of viral genetic material. Viruses evolve and recombine usually much faster than their host. In this aspect, they have more potential for generating new folds than cells. The goal of the proposed study is to characterise the virosphere structure space and their interference with cellular structure space at the protein structural domain level. We plan to evaluate how many domains in the virosphere are shared with different superkingdoms and whether there exist virosphere specific protein structures. Mostly the SUPERFAMILY resource is used. In SUPERFAMILY all protein domains at “superfamily” and “family” level in SCOP are assigned to all completely sequenced genomes and virosphere proteins. Of special interest is identification of virosphere-specific protein folds – the folds which are not found in cellular organisms. In order to characterise domain transfer between cells and the virosphere we plan to use phylogenetic distributions and phylogenetic trees of protein structural domains. Using this approach we plan to look for the horizontal transfer “from viruses to cells” in addition to well-known “domain robbery” by viruses. Viruses have definitely an impact to the evolution of protein structure space. If folds are transferred from the virosphere to cells, they must also have a direct impact on the evolution of cellular protein structure space. The extent of the domain transfer or domain exchange between the virosphere and the cells is an important parameter to understand how the viruses have shaped the evolution of cellular organisms. Viruses are responsible for many human diseases and economically important diseases in animals and plants. Evolution and pathogenicity of viruses depend on the arms race between viruses and the immune system (and drugs). By improving our understanding of viral evolution, we will have a direct impact on medical research and the economy.
Viimase kümnendi jooksul kogunenud teadmised näitavad, et suur osa geneetilisest ja valgudomeenide mitmekesisusest on tegelikult kodeeritud viiruste geneetilise materjali poolt. Käesoleva uurimuse eesmärgiks on selgitada virosfääri rolli rakkude kodeeritud valgudomeenide repertuaari kujunemisel. Esmalt näitasime, et virosfääri-spetsiifilised (Vsp) struktuursed domeenid ('fold SuperFamilies' vastavalt SCOP klassifikatsioonile, edaspidi SF) eksisteerivad. Struktuuri- ja järjestuspõhiste domeenide andmebaaside analüüsist selgus, et vaid väike osa virosfääri valkudest on struktuurselt iseloomustatud. Seega peaks edasisel viirusvalkude struktuuride teadasaamisel VspSF-de hulk kasvama. Tulenevalt VspSF-de olemasolust ning "viiruselt peremehele" geeniülekandest (ja seda ka hulkraksetes) võivad viirused olla kaasaegsetele organismidele uute valgudomeenide allikaks. Seni on sellist ülekannet uuritud järjestuspõhiste meetodite abil. Meie rakendasime antud probleemile lahenduse leidmiseks struktuurse bioinformaatika meetodeid, mis võimaldavad minna ajas 2-5 korda kaugemale. Tuvastasime Virgaviridaedest pärit TMV-like viral coat protein (TMV-CP) valgu domeeni Drosophilates. Kuigi taimeviiruste geenide leidumist putukate genoomides on varem uuritud, ei ole järjestuspõhiste meetoditega seda domeeni putukates leitud. Uued andmed andmebaasides ja andmekaevandus on andnud kinnitust, et seda domeeni kodeerivate putukate viimane ühine eellane pärineb ajast umbes ~70-80 miljonit aastat tagasi (MAT) ning üheski klaadis, mis lahknes enne mainitud aega, sh nendes, mis lahknesid ~85 ja 95 MAT, pole antud domeeni leitud. Viirustest ja putukatest pärit TMV-CP domeeni fülogeneesipuu paigutas rakulised domeenid kõrge usaldusväärsusega viiruste domeenide puu sisse. Kuna Virgaviridae sugukonna ühe perekonna, Tobamoviiruste vanus on vähemalt 110 MAT, on leidnud kinnitust viiruselt peremehele ülekanne. Ekspressiooniandmete analüüs näitab, et putukates antud domeeni kodeeriv mRNA on ekspresseeritud valdavalt ajus ja munandites, mis on tüüpiline ekspressioonimuster uutele (de novo) geenidele.