Identifying coevolution of class IIa bacteriocin and their immunity protein

Abstract

Class IIa bacteriocins are Antimicrobial peptides found in many lactic acid bacteria. Here they serve as a weapon against competing bacteria by causing cell leakage through pore-formation in the membrane. An immunity protein is produced along with the bacteriocins, which confers immunity for the producer, while foreign bacteria remain susceptible. We hypothesise that these two proteins have coevolved. To test this, we have gathered hundreds of bacteriocin and immunity protein sequences through an iterative genome-mining procedure using HMMER3. We then extract two subsets of the results and apply two forms of MirrorTree methods to each set. A technique was devised to investigate which regions of the bacteriocin correlated the highest with the immunity protein by cropping the bacteriocin from either end. Lastly, we perform a PCA on both datasets as an explorative measure. The iterative genome mining procedure revealed 59 class IIa bacteriocin-carrying species after filtering, several of which are new additions to the already known bacteriocin producers. Both the conventional MirrorTree method and the pMirrorTree method showed high levels of coevolution between the sequences, and the set consisting of 16 species in the Streptococcus genus showed a very significant coevolution, while the set consisting of sequences from E. faecium and E. faecalis failed to show significant coevolution through the pMirrortree method. The results from the cropping method indicates that the C-terminal half of the bacteriocins hold more influence on the coevolution than the N-terminal half. Lastly, the PCA showed that the bacteriocin and immunity protein were highly correlated in both sets, and interestingly it showed that the bacteriocin and immunity protein in the Enterococcus set did not follow the same evolutionary pattern as more conserved sequences did. We conclude that the class IIa bacteriocins and immunity proteins are coevolved.

Klasse IIa bakteriosiner er antimikrobielle peptider som finnes i mange melkesyrebakterier. De opererer som vpen mot konkurrerende bakterier ved forrsake cellelekkasje gjennom porefor- masjon i membranen. Et immunitetsprotein produseres sammen med bakteriosinene, som gjr produsenten immun mot bakteriosinet, en luksus de fremmede bakteriene ikke fr ta del av. Hypotesen som testes er om bakteriosinet og immunitets proteinet er koevolverte. For teste dette har vi samlet hundrevis av bakteriocin- og immunitetsproteinsekvenser gjennom en iterativ genomscan prosedyre ved bruk av HMMER3. Vi trekker deretter ut to sett med bakteriosiner fra resultatene og bruker to former for MirrorTree-metoder for beregne korrelasjon, og dermed koevolusjon. En teknikk ble utformet for underske hvilke regioner av bakteriosinet som korrel- erte hyest med immunitetsproteinet ved trimme aminosyrer fra hver ende av bacteriosinet. Til slutt utfrer vi en PCA p begge datasettene som et eksplorativt tiltak. Den iterative genomscan prosedyren avslrte 59 klasse IIa bakteriosinbrende arter etter filtrering, hvorav flere er nye treff til de allerede kjente bakteriosinprodusentene. Bde den konvensjonelle MirrorTree-metoden og pMirrorTree-metoden viste hye niver av ko- evolusjon mellom sekvensene, og settet bestende av 16 arter i Streptococcus-slekten viste en meget signifikant koevolusjon, mens settet bestende av sekvenser fra E. faecium og E. faecalis mislyktes med vise signifikant koevolusjon gjennom pMirrortree-metoden. Resultatene fra trimmemetoden indikerer at den C-terminale halvparten av bakteriosinet har strre innflytelse p koevolusjonen enn den N-terminale halvparten. Til slutt viste PCA at bakteriosin- og immunitetsproteinet var sterkt korrelert i begge settene, og spesifikt i Enterococcus-settet viste det at bakteriocin- og immunitetsproteinet ikke fulgte det samme evolusjonre mnsteret som mer konserverte sekvenser gjorde. Vi konkluderer med at klasse IIa bakteriociner og immunitetsproteiner er koevolverte.