Виявлено гігантські віруси з розширеним репертуаром генів для синтезу білка

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 59

Ріс. 1. Відносні розміри вірусів. Ліворуч вгорі для порівняння зображена бактерія Escherichia coli, праворуч внизу — мімівірус (0,4 мкм в діаметрі), між ними — інші віруси. Зображення з сайту the-scientist.com

Американські та австрійські біологи відкрили нову групу гігантських вірусів — паразитів одноклітинних еукаріот. Нові віруси, які отримали назву Klosneuvirinae (клоснойвіруси), споріднені відкритим 2003 року мімівірусам і теж мають величезні геноми, які не поступаються за розміром геномам багатьох бактерій. Унікальною особливістю клоснойвірусів є багатий репертуар генів, необхідних для синтезу білка. Порівняльний аналіз геномів не підтвердив гіпотезу про походження гігантських вірусів від клітинних організмів, що спростилися у зв’язку з паразитичним способом життя. Гігантські віруси сталися від звичайних, маленьких вірусів, які в ході еволюції запозичили безліч генів у своїх еукаріотичних господарів.

Про існування гігантських вірусів людство дізналося в 2003 році, коли з’ясувалося, що видима в світловий мікроскоп істота діаметром 0,4 мкм, паразит амби Acanthamoeba polyphaga, якого за 11 років до цього описали як бактерію, насправді є величезним вірусом (рис. 1, 2; B. La Scola et al., 2003. A Giant Virus in Amoebae). Віруса-велетня назвали мімівірусом — нібито тому, що він «мімікрує під мікроба», хоча пізніше один з авторів відкриття, французький мікробіолог Дідьє Рауль (Didier Raoult), зізнався, що насправді він назвав вірусу на честь амби Мімі — героїні казок, які складав його батько-біолог, знайомлячи сина з основами еволюційної біології.

Незабаром був прочитаний геном мімівірусу (розміром близько 1,2 млн пар підстав — більше, ніж у багатьох бактерій); було також вивчено будову вірусу-гіганта і його життєвий цикл. З’ясувалося, що у мімівірусів навіть є власні паразити — віруси звичайного розміру. Таким чином, мімівіруси виявилися єдиними вірусами, що страждають від інфекційних захворювань (див.:Віруси теж хворіють вірусними захворюваннями, «Елементи», 08.09.2008).

Надалі у мімівірусу виявилися різноманітні родичі — теж паразити амеб. Думки про походження гігантських вірусів розділилися. Одні дослідники, включаючи Рауля і його колег, припускали, що мімівіруси сталися від клітинних форм життя, які зазнали радикального спрощення у зв’язку з паразитизмом. Згідно з цією версією, предками мімівірусів і їх рідні могли бути представники четвертого (поряд з археями, бактеріями та еукаріотами) надцарства або «домену» клітинних організмів. Інші фахівці, включаючи Євгена Куніна, схилялися до версії про походження мімівірусів від звичайних маленьких вірусів шляхом множинних запозичень генів у клітинних організмів, насамперед у власних жертв.

Американо-австрійська команда біологів за участю Є.В. Куніна повідомила у свіжому випуску журналу Science про відкриття нової групи гігантських вірусів, що володіють виключно багатим репертуаром генів, пов’язаних з синтезом білка (трансляцією). Відкриття було зроблено за допомогою метагеномного аналізу (див. метагеноміка).

Геном першого представника нової групи зібрали з фрагментів ДНК, виділених зі стічних вод очисної станції міста Клостернойбург в Австрії. Вірус отримав назву «клоснойвірус» (Klosneuvirus, KNV). Його геном включає 1545 генів і має розмір 1,57 млн п. о., що не є рекордом серед гігантських вірусів (у пандоравірусів геном може досягати 2,5 млн п. о., див. Pandoravirus). У тих же стічних водах виявилися і вірусні частинки діаметром 300 нм, які швидше за все належать клоснойвирусам (рис. 2, праворуч).

Ріс. 2. Ліворуч — мімівіруси (масштабна лінійка 200 нм), праворуч — клоснойвірус (масштабна лінійка 50 нм). Фото з сайту npr.org (© Didier Raoult) і з додаткових матеріалів до обговорюваної статті в Science

Маючи геном клоснойвірусу, автори зробили широкомасштабний пошук споріднених вірусів у метагеномних даних з різноманітних середовищ: прісних і морських вод, донних опадів, ґрунтів та ін. У результаті вдалося зібрати геноми ще трьох гігантських вірусів, споріднених клоснойвірусу. Вони отримали назви ­ ірус (Indivirus, 744 гена, 0,86 млн п. о.), хоковірус (Hokovirus, 1022 гена, 1,33 млн п. о.) і катовірус (Catovirus, 1427 генів, 1,53 млн п. о.).

За результатами порівняльного аналізу геномів нововідкриті віруси були включені в сімейство Mimiviridae в якості окремого підсемейства Klosneuvirinae. За набором генів клоснойвіруси найбільш схожі з мімівірусами (понад 200 загальних генних сімейств, див. Gene family), проте значна частина генів, що зустрічаються у клоснойвірусів, відсутня у всіх інших вірусів. При цьому різні представники Klosneuvirinae сильно відрізняються за набором генів навіть один від одного. Зокрема, з 355 генів, які є у клоснойвірусів і еукаріот, але відсутні у всіх інших вірусів, тільки 12 генів є у всіх чотирьох представників Klosneuvirinae. Мабуть, це говорить про швидку еволюцію вірусних геномів і про те, що різні клоснойвіруси незалежно один від одного запозичували у еукаріот різні гени.

Судячи з еукаріотичних генів 18S рРНК, виявлених в пробах разом з клоснойвірусами, жертвами останніх є в основному одноклітинні еукаріоти з типу церкозоїв.

Порівняння послідовностей п’яти найбільш універсальних генів, присутніх майже у всіх гігантських вірусів і їх рідні (див.:Великі ядерно-цитоплазматичні ДНК-містять віруси) дозволило реконструювати еволюційне дерево цих вірусів, а також зрозуміти, як змінювався набір генів у різних гілках (рис. 3).

Ріс. 3. Еволюційне дерево великих ядерно-цитоплазматичних ДНК-містять вірусів, засноване на послідовностях п’яти універсальних генів. Клоснойвіруси утворюють сестринську групу по відношенню до мімівірусів. Розміри чорних гуртків і цифри в них відображають число генних сімейств у даного вірусу. Сині числа — придбані гени (не рахуючи дупликацій), червоні — втрачені гени, бузкові — дупликації і втрати дуплікованих генів. OLPG — Organic Lake Phycodnavirus group. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Вийшло, що загальний предок мімівірусів і клоснойвірусів мав відносно невеликий геном і сам був, швидше за все, не дуже великим. Його нащадки активно запозичували чужі гени і незалежно один від одного набули гігантських розмірів.

Найбільш незвичайною особливістю клоснойвирусов є наявність у них безлічі генів, функції яких пов’язані з синтезом білка. У геномі KNV закодовано 25 транспортних РНК з антикодонами для 14 різних амінокислот, аміноацил-тРНК-синтетази для 19 амінокислот і більше десятка інших білків, що беруть участь у трансляції. Співставні за розміром, хоча і такі, що відрізняються за складом, набори генів, пов’язаних з трансляцією, є і у трьох інших клоснойвірусів. У мімівірусів репертуар генів трансляції значно бідніший.

Судячи з послідовностей цих генів, більшість з них потрапили в геноми клоснойвірусів з геномів різних еукаріот, в основному — одноклітинних. Цей висновок фактично ставить хрест на гіпотезі про походження гігантських вірусів від спростилися представників невідомого «четвертого домену» клітинних організмів. Якби це було так, еволюційні дерева показали б дуже стародавній поділ білків трансляції гігантських вірусів і гомологічних білків бактерій, архей і еукаріот. Нічого подібного, однак, не спостерігається. Проведений аналіз ясно показав, що складність геномів гігантських вірусів — явище вторинне і відносно недавнє в еволюційному масштабі часу, а компоненти апарату трансляції не успадковані гігантськими вірусами від давніх предків, а отримані шляхом горизонтального перенесення від різних одноклітинних еукаріот — швидше за все, від тих, в кому паразитували ці віруси.

Переважна більшість вірусів не має власних генів трансляції, повністю покладаючись на систему синтезу білка зараженої клітини. Навіщо ж вони знадобилися клоснойвирусам? Автори припускають, що це може бути результатом еволюційної гонки озброєнь між вірусами та їхніми жертвами. Можливо, жертви захищаються, відключаючи свій апарат трансляції при вірусному зараженні. У такому випадку наявність власних білків трансляції допомагає вірусу розмножуватися в господарській клітці.

Хоча геноми клоснойвірусів набиті генами тРНК і аміноацил-тРНК-синтетаз, у жодного вірусу досі не виявлені два інших класи генів, необхідних для трансляції, а саме гени структурних компонентів рибосоми: рРНК і рибосомних білків. Це говорить про вибірковість генних запозичень: у вірусних геномах зберігаються тільки ті гени, які дійсно потрібні вірусам, а непотрібні запозичення відсіюються відбором.

Джерело: Frederik Schulz, Natalya Yutin, Natalia N. Ivanova, Davi R. Ortega, Tae Kwon Lee, Julia Vierheilig, Holger Daims, Matthias Horn, Michael Wagner, Grant J. Jensen, Nikos C. Kyrpides, Eugene V. Koonin, Tanja Woyke. Giant viruses with an expanded complement of translation system components // Science. 2017. V. 356. P. 82–85.

Див. також:

Віруси теж хворіють вірусними захворюваннями, «Елементи», 08.09.2008.

Олександр Марков