Utilizzo dell'apprendimento automatico per prevedere le proteine

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13821 (2023) Citare questo articolo

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I funghi parassiti producono proteine ​​che modulano la virulenza, alterano la fisiologia dell'ospite e innescano le risposte dell'ospite. Queste proteine, classificate come un tipo di “effettore”, spesso agiscono tramite interazioni proteina-proteina (PPI). Il parassita fungino Ophiocordyceps camponoti-floridani (fungo della formica zombi) manipola il comportamento del Camponotus floridanus (formica carpentiera) per promuovere la trasmissione. L'aspetto più sorprendente di questo cambiamento comportamentale è un fenotipo della malattia del vertice in cui gli ospiti infetti salgono e si attaccano a una posizione elevata. Plausibilmente, gli IPP interspecifici determinano aspetti dell’infezione da Ophiocordyceps e della manipolazione dell’ospite. Le previsioni PPI di machine learning offrono metodi ad alto rendimento per produrre ipotesi meccanicistiche su come avviene questa manipolazione comportamentale. Utilizzando D-SCRIPT per prevedere i PPI ospite-parassita, abbiamo trovato ca. 6000 interazioni che coinvolgono 2083 proteine ​​ospiti e 129 proteine ​​parassite, codificate da geni sovraregolati durante il comportamento manipolato. Abbiamo identificato molteplici sovrarappresentazioni di annotazioni funzionali tra queste proteine. I segnali più forti nell’ospite hanno evidenziato i recettori neuromodulatori accoppiati alle proteine ​​G e i processi di ossidoriduzione. Abbiamo anche rilevato proteine ​​strutturali e di regolazione genetica del Camponotus. Nel parassita abbiamo riscontrato un arricchimento delle proteasi dell'Ophiocordyceps e un frequente coinvolgimento di nuove piccole proteine ​​secrete con funzioni sconosciute. Da questi risultati, forniamo nuove ipotesi sui potenziali effettori dei parassiti e sugli obiettivi dell’ospite alla base della manipolazione comportamentale delle formiche zombi.

I parassiti fungini utilizzano una vasta gamma di molecole secrete per difendersi, promuovere l’infezione e modificare i loro ospiti. In alcuni casi, l’infezione può persino portare alla manipolazione parassitaria del comportamento dell’ospite. Spesso chiamate “effettori”, le molecole fungine secrete svolgono un ruolo critico nelle dinamiche ospite-parassita che includono meccanismi sia ampiamente condivisi che altamente specifici1,2,3,4. È stato suggerito che gli effettori parassiti svolgano un ruolo chiave durante l'infezione degli insetti da parte di funghi entomopatogeni attraverso le loro interazioni con acidi nucleici, carboidrati, lipidi, piccoli metaboliti e proteine ​​dell'ospite3,5,6,7. L’esplorazione bioinformatica della biologia delle proteine ​​effettrici offre un metodo ad alto rendimento per sviluppare ipotesi meccanicistiche su come alcuni parassiti possono modificare il comportamento dei loro ospiti. Qui, utilizziamo tali approcci per studiare il fungo che manipola il comportamento Ophiocordyceps camponoti-floridani (fungo della formica zombie della Florida) e il suo insetto ospite Camponotus floridanus (formica carpentiera della Florida).

I funghi mirmecofili Ophiocordyceps sono parassiti tipicamente specie-specifici che si sono coevoluti con le formiche ospiti nel corso di milioni di anni8. Questa stretta relazione ha portato a interazioni fungo-formica che alterano i comportamenti dell’ospite in modi adattativi per il parassita. Le formiche ospiti manipolate soccombono a una malattia della sommità, fissandosi in posizioni elevate e morendo in luoghi che promuovono la crescita e la trasmissione dei funghi9,10,11,12,13. I cambiamenti comportamentali che precedono questo vertice finale potrebbero includere risposte adattative dell'ospite, manipolazioni adattative del parassita o sintomi generali di malattia che comprendono iperattività, foraggiamento scoordinato, diminuzione della comunicazione con i compagni di nido e convulsioni9,14,15,16,17. Sebbene questi comportamenti modificati delle formiche siano stati osservati in natura da qualche tempo18, l'esplorazione degli effettori fungini coinvolti è un'attività relativamente più recente14,19,20,21,22,23,24,25. Questi molteplici studi “-omici” hanno fornito ipotesi sul parassita e sulle molecole ospiti che svolgono un ruolo nello stabilire i fenotipi comportamentali osservati, ma lasciano aperte all’interpretazione le loro potenziali interazioni.

Un gran numero di molecole fungine e percorsi delle formiche possono essere coinvolti nella manipolazione comportamentale dell'Ophiocordyceps, inclusi neuromodulatori e protettori, ormoni degli insetti, alimentazione, locomozione, ritmi circadiani e sensibilità alla luce e iperattività muscolare14,17,19,21,22 ,25,26,27,28,29. Proteine ​​fungine come enterotossine di tipo batterico, tirosina fosfatasi proteica, peptidasi (ad esempio, serina proteasi simili a subtilisina S8) e piccole proteine ​​secrete non descritte (uSSP) sono state proposte come meccanismi di manipolazione che presumibilmente funzionano tramite IPP. Queste ipotesi sono supportate da una forte sovraregolazione genetica di questi candidati durante la manipolazione attiva della formica e da confronti genomici tra gli Ophiocordyceps14,19,24. Anche numerose altre proteine ​​simili sono supportate come effettori plausibili. Testarli in vivo sarà un processo costoso e laborioso in un organismo modello emergente e non tradizionale come O. camponoti-floridani. Nuove prove che collegano le proteine ​​candidate e i percorsi precedentemente ipotizzati alle interazioni proteina-proteina ospite-parassita (PPI) darebbero un forte supporto per selezionare le migliori previsioni per la convalida funzionale.