Аманда Хайдт
19 ноя.2020
В отличие от вирусов, которые вводят небольшие фрагменты ДНК, некоторые гигантские вирусы могут вносить более 1 миллиона пар оснований в геном хозяина, расширяя возможности этих вирусов формировать эволюцию эукариот.
В превосходной генетической игре в прятки ученые из Технологического института Вирджинии выявили несколько примеров, где геномы гигантских вирусов были встроены - некоторые целиком - в геномы их хозяев. Результаты, опубликованные сегодня (18 ноября) в журнале Nature, предполагают, что такая интеграция гигантских вирусов может быть более распространенной, чем предполагалось ранее, и что эти вирусы, вероятно, являются недооцененным источником генетического разнообразия эукариот.
«Мы всегда предполагали, что их [гигантских вирусов] интеграция в геномы хозяина не были обычным явлением», - рассказывает журналу The Scientist не связанный с этой работой вирусолог из Университета Квинсленда в Австралии Карен Вейнберг. «Теперь стало известно, что эти вирусы способны интегрироваться в гораздо более широком масштабе, чем мы когда-либо могли себе представить. Это будет революционный прорыв, и я думаю, что люди будут больше изучать те случаи, где эти вирусы появляются».
Гигантские вирусы называются так потому, что они, как правило, примерно в 10 раз больше, чем обычный вирус. С момента их открытия в 2003 году они бросали вызов традиционным представлениям вирусологии. Помимо необычно большого размера, их геномы иногда включают генетический материал бактерий и эукариот, в том числе и метаболические гены. Вследствие этого «они не обязательно выглядят вирусными» на уровне генома, говорит Фрэнк Эйлуорд, вирусолог из Технологического института Вирджинии и соавтор исследования.
В начале прохождения своей постдокторантуры в лаборатории Эйлуорда Мохаммад Монир Монируззаман в рамках исследовательской работы принялся за поиски маркерных генов гигантских вирусов во всех геномах, доступных через многочисленные базы данных Национального центра биотехнологической информации. Несмотря на то, что большинство генов в геномах принадлежали вирусам, Монируззаман был поражен, насколько много генов гигантских вирусов обнаружилось в геноме микроскопического морского фитопланктона.
Эйлуорд и Монируззаман сначала опасались получить заражение. Но при более внимательном рассмотрении они заметили генетические сигналы, свидетельствующие, что части вирусов входили в состав геномов их хозяев. Следуя этой гипотезе, команда начала искать систематические доказательства этой интеграции в имеющихся в открытом доступе 65 геномах зеленых водорослей, часть которых, как известно, носители гигантских вирусов.
Гигантский вирус Ostreococcus tauri virus (OtV-1) заражает своего хозяина Ostreococcus tauri, самого маленького из известных свободноживущих эукариот. Стрелка указывает на место прикрепления при поглощении клеткой-хозяином. КАРЕН ВЕЙНБЕРГ
Монируззаман и его коллеги разработали биоинформационный инструмент под названием ViralRecall, чтобы на основе нескольких сигналов идентифицировать участки в геномах водорослей, подозреваемые в вирусном происхождении. Например, они использовали инструмент для сканирования характерных вирусных генов, четких границ между двумя геномами, общих генов между вирусом и хозяином, а также наличия некодирующих интронов и больших дупликаций в интегрированных вирусных последовательностях генов, которые, как считается, были вызваны молекулярным механизмом носителя.
Исследователи идентифицировали 18 примеров «гигантских эндогенных вирусных элементов» (GEVE) в дюжине геномов хозяев, а это означает, что у некоторых хозяев было более одного GEVE, интегрированного в их генетический код. В некоторых случаях вирусный геном внес лишь небольшие фрагменты. Однако в двух образцах весь вирусный геном, по-видимому, полностью перешел в фитопланктон, составляя до 10 процентов генов хозяина. В целом, эти GEVE внесли от 78 до 1782 гена.
«По сути, это открывает большой канал горизонтального переноса генов от вирусов к эукариотам», - говорит Эйлуорд. «Когда вы видите эти огромные случаи эндогенизации, открываются самые разные возможности».
Используя филогенетический анализ, Монируззаман смог проследить происхождение GEVE до членов семейств Phycodnaviridae и Mimiviridae, две разные группы, которые сообщили много сведений о гигантских вирусах. Между прочим, первым открытием, которое обратило внимание ученых на них, был мимивирус, выделенный из градирни в Англии.
Вместе взятые, результаты показывают, что эндогенизация гигантскими вирусами может быть более распространенным явлением, чем считалось ранее. «Тот факт, что они создали новый инструмент, а затем получили так много случаев подтверждения, даже при первом, несколько ограниченном сканировании, очень впечатляет», - говорит Нельс Элде, не принимавший участия в проводимой работе, эволюционный генетик из Университета Юты. «Они построили дело отчасти по косвенным данным, но с несколькими линиями дополнительных доказательств, которые выглядят довольно убедительно».
Элде призывает с осторожностью принимать результаты анализа дупликаций в интегрированном вирусном геноме в качестве доказательства эндогенизации. Предшествующие работы, в том числе его собственная по поксвирусам (чей статус гигантские вирусы обсуждается), показали, что вирусы способны выполнять быстрые массовые дупликации генов без хозяина. В статье авторы подчеркивают, что они обнаружили гораздо больше дупликаций в эндогенизированных вирусах по сравнению со свободноживущими вирусами.
Очередным шагом может быть более широкий взгляд на древо жизни. Ученые не знают, сколько именно разных организмов могут заразить эти вирусы. Целью этого исследования были зеленые водоросли, а в типе Chlorophyta они имеют общего предка с современными наземными растениями.
Следующим этапом, по мнению Вейнберг и Элде, должно стать изучение того, приносят ли введенные вирусные гены функциональные изменения у носителя. К примеру, считается, что примерно 10 процентов генома человека восходит к эндогенным ретровирусам, и некоторые из их генов были задействованы в репродуктивной функции и работе мозга.
«Мне нравится то обстоятельство, что эта статья фокусируется на влиянии вирусов на формирование геномов их хозяев, которое затем выливается в эволюцию хозяина», - говорит Вейнберг. «Когда эти вирусы интегрируются в геномы хозяев и сохраняются из поколения в поколение, они также начинают приносить пользу. Это действительно подчеркивает близость вирусов со своими хозяевами ».
Биология, генетика и вирусология