Водоросли синтезируют фикотоксины, убивающие рыбу, с помощью гигантских ферментов

Во время цветения воды водоросли могут убивать рыбу за счет выработки токсинов. Так, в 2022 году «золотистая водоросль» Prymnesium parvum стала причиной гибели половины всей популяции рыб в реке Одра, которая разделяет Польшу и Германию. Водоросль выделяет гемолитические токсины примнезины 1 и B1, которые также могут быть опасны и для людей. Примнезины содержат несколько углеродных циклов и представляют собой поликетидные полиэфиры. Эти вещества считаются одними из крупнейших неполимерных соединений в природе: так, цепочка примнезина 1 содержит 90 углеродов. До сих пор было неясно, какие пути биосинтеза используют водоросли для выработки таких огромных молекул яда, но ученые из США выявили несколько участвующих в этом процессе ферментов, которые назвали PKZILLA.

Для идентификации генов, кодирующих эти ферменты, ученые секвенировали геном водоросли P. parvum 12B1. Затем они использовали особую стратегию аннотации генов и провели транскриптомный и протеомный анализ, чтобы подтвердить присутствие и функции белкового продукта.

При автоматическом анализе геномной последовательности P. parvum 12B1 ученые сначала идентифицировали 44 небольших гена, потенциально соответствующие поликетидсинтазам. Дополнительно они обнаружили несколько «горячих точек», в которых было сосредоточено сразу несколько таких кандидатных генов, расположенных на расстоянии друг от друга. Дополнительный анализ показал, что «горячие точки» представляют собой единые гены, которые ранее были неправильно аннотированы как несколько более мелких генов. Эти гены соответствовали ферментам PKZILLA 1, 2 и 3.

Транскриптомный анализ подтвердил гипотезу о том, что PKZILLA 1, 2 и 3 представляют собой крупные гены, каждый из которых кодирует свой продукт. На протеомном уровне, однако, подтвердились только продукты PKZILLA 1 и 2, в то время как белкового продукта PKZILLA 3 найдено не было.

Оба фермента оказались гигантскими. Так, PKZILLA 1 содержит больше 45 тысяч аминокислотных остатков и 140 белковых доменов, а его молекулярная масса составляет 4,7 мегадальтон. Это почти на четверть больше титина. PKZILLA 2 оказался немного меньше: его масса составляет 3,2 мегадальтон, а сам он содержит 99 белковых доменов.

Аннотировав функции белковых доменов этих белков, ученые выстроили примерный путь биосинтеза примнезинов. Например, первые домены PKZILLA 1 могут участвовать в элонгации поликетидной цепи, в то время как у PKZILLA 2 на C-конце есть тиоэстеразный домен, участвующий в терминации цепочки.

В ходе анализа других штаммов P. parvum ученые нашли иной вариант фермента PKZILLA 1 — PKZILLA B1. Это его укороченная версия, которая состоит всего из 29 модулей и может синтезировать примнезин B1, который короче примнезина 1 на шесть углеродных атомов.

В дальнейшем авторы планируют продолжить исследование биосинтеза примнезинов, так как они считают, что в этом процессе должны участвовать дополнительные ферменты: ацилтрансферазы, гидроксилазы и т. д. Однако из-за особенностей организации генома водорослей, в которых гены, участвующие в одном и том же биосинтетическом пути, не объединены в общие кластеры, для идентификации таких ферментов потребуется применение разных «омиксных» технологий. Кроме того, в дальнейшем исследователи планируют выяснить, как может происходить биосинтез других поликетидных токсинов водорослей, таких как бреветоксины или сигуатоксины. Эти токсины опасны не только для рыб, но и для людей, и идентификация генов, связанных с их биосинтезом, важна для создания систем мониторинга опасных водорослей в водоемах.

У эукариот впервые описаны азотфиксирующие органеллы — нитропласты