Usando aprendizado de máquina para prever proteínas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13821 (2023) Citar este artigo

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Os fungos parasitas produzem proteínas que modulam a virulência, alteram a fisiologia do hospedeiro e desencadeiam respostas do hospedeiro. Essas proteínas, classificadas como um tipo de “efetor”, geralmente atuam por meio de interações proteína-proteína (PPIs). O parasita fúngico Ophiocordyceps camponoti-floridani (fungo formiga zumbi) manipula o comportamento de Camponotus floridanus (formiga carpinteira) para promover a transmissão. O aspecto mais marcante desta mudança comportamental é um fenótipo de doença do cume, onde os hospedeiros infectados ascendem e se fixam em uma posição elevada. Plausivelmente, os IBPs interespecíficos conduzem aspectos da infecção por Ophiocordyceps e da manipulação do hospedeiro. As previsões de PPI de aprendizado de máquina oferecem métodos de alto rendimento para produzir hipóteses mecanicistas sobre como ocorre essa manipulação comportamental. Usando D-SCRIPT para prever PPIs parasitas-hospedeiros, encontramos ca. 6.000 interações envolvendo 2.083 proteínas do hospedeiro e 129 proteínas do parasita, que são codificadas por genes regulados positivamente durante o comportamento manipulado. Identificamos múltiplas representações excessivas de anotações funcionais entre essas proteínas. Os sinais mais fortes no hospedeiro destacaram os receptores neuromoduladores acoplados à proteína G e os processos de oxidação-redução. Também detectamos proteínas estruturais e reguladoras de genes de Camponotus. No parasita, encontramos enriquecimento de proteases de Ophiocordyceps e envolvimento frequente de novas pequenas proteínas secretadas com funções desconhecidas. A partir desses resultados, fornecemos novas hipóteses sobre potenciais efetores de parasitas e alvos hospedeiros subjacentes à manipulação comportamental de formigas zumbis.

Os parasitas fúngicos empregam uma gama diversificada de moléculas secretadas para se defenderem, promoverem infecções e modificarem seus hospedeiros. Em certos casos, a infecção pode até levar à manipulação parasitária do comportamento do hospedeiro. Muitas vezes denominadas “efetoras”, as moléculas fúngicas secretadas desempenham um papel crítico na dinâmica parasita-hospedeiro que inclui mecanismos amplamente compartilhados e altamente específicos . Foi sugerido que os efetores do parasita desempenham papéis importantes durante a infecção de insetos por fungos entomopatogênicos através de suas interações com ácidos nucléicos, carboidratos, lipídios, pequenos metabólitos e proteínas do hospedeiro . A exploração bioinformática da biologia das proteínas efetoras oferece um método de alto rendimento para desenvolver hipóteses mecanicistas de como alguns parasitas podem modificar o comportamento de seus hospedeiros. Aqui, usamos essas abordagens para investigar o fungo manipulador de comportamento Ophiocordyceps camponoti-floridani (fungo formiga zumbi da Flórida) e seu inseto hospedeiro Camponotus floridanus (formiga carpinteira da Flórida).

Os fungos mirmecófilos Ophiocordyceps são tipicamente parasitas específicos de espécies que co-evoluíram com suas formigas hospedeiras ao longo de milhões de anos8. Essa estreita relação resultou em interações fungo-formiga que alteram o comportamento do hospedeiro de forma adaptativa ao parasita. Formigas hospedeiras manipuladas sucumbem à doença do cume, afixando-se em posições elevadas e morrendo em locais que promovem o crescimento e transmissão de fungos9,10,11,12,13. As mudanças comportamentais que precedem este cume final podem incluir respostas adaptativas do hospedeiro, manipulações adaptativas ao parasita ou sintomas gerais de doença que abrangem hiperatividade, forrageamento descoordenado, diminuição da comunicação com o companheiro de ninho e convulsões9,14,15,16,17. Embora esses comportamentos modificados das formigas tenham sido observados na natureza há algum tempo, as explorações dos efetores fúngicos envolvidos são empreendimentos relativamente mais recentes14,19,20,21,22,23,24,25. Esses múltiplos estudos “-ômicos” forneceram hipóteses sobre as moléculas do parasita e do hospedeiro que desempenham um papel no estabelecimento dos fenótipos comportamentais observados, mas deixam suas interações potenciais abertas à interpretação.

Um grande número de moléculas fúngicas e vias de formigas podem estar envolvidas na manipulação comportamental do Ophiocordyceps, incluindo neuromoduladores e protetores, hormônios de insetos, alimentação, locomoção, ritmos circadianos e detecção de luz e hiperatividade muscular . ,25,26,27,28,29. Proteínas fúngicas, como enterotoxinas semelhantes a bactérias, proteínas tirosina fosfatases, peptidases (por exemplo, serina proteases semelhantes a subtilisina S8) e pequenas proteínas secretadas não descritas (uSSPs) foram propostas como mecanismos de manipulação que presumivelmente funcionam por IBPs. Essas hipóteses são apoiadas pela forte regulação positiva desses candidatos durante a manipulação ativa da formiga e comparações genômicas entre os Ophiocordyceps . Numerosas outras proteínas também são consideradas efetoras plausíveis. Testá-los in vivo será um processo caro e trabalhoso em um organismo modelo emergente e não tradicional, como O. camponoti-floridani. Novas evidências ligando proteínas e vias candidatas anteriormente hipotéticas às interações proteína-proteína (PPIs) hospedeiro-parasita dariam um forte apoio para selecionar as principais previsões para validação funcional.