Гиганты вирусного мира
31 АВГУСТА 2018 г.
АВТОР
ЧАСТЬ 1
Гиганты вирусного мира
Вирион мимивируса имеет необычно сложное для вирусов строение
Will warmer weather wake the sleeping giant (viruses)?
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Положение вирусов в системе органического мира всегда было спорным. Можно ли считать их живыми организмами? С одной стороны, они имеют собственный геном, кодирующий РНК и белки, но, с другой стороны, свойства живого они начинают проявлять только внутри живых клеток. Кроме того, долгое время считалось, что геномы вирусов значительно меньше и проще геномов клеточных организмов, а вирусные частицы можно рассмотреть только под электронным микроскопом. Пятнадцать лет назад описали странные вирусы, полностью разорвавшие устоявшиеся шаблоны. Они различимы под световым микроскопом, а их геномы по размеру превосходят геномы многих бактерий и кодируют несколько сотен белков, причем во многих генах есть даже интроны и интеины. Речь идет о так называемых гигантских вирусах, наиболее известным из которых является вирус с трогательным названием «мимивирус». Наш обзор посвящен различным аспектам биологии этих в высшей степени необычных вирусов.
С сáмого открытия вирусов в конце XIX века было неясно, считать ли их живыми или нет . 15 лет назад были описаны вирусы, еще больше размазавшие границу между живым и неживым. Гигантские вирусы имеют размеры, сопоставимые с размерами бактериальных клеток, и различимы в световой микроскоп, а их геномы по размеру и сложности даже превосходят геномы многих бактерий. Какие аспекты биологии фундаментально отличают гигантских вирусов от «обычных» вирусов? Каково место гигантских вирусов в системе органического мира? Как гигантские вирусы взаимодействуют с человеком? Ответам на все эти вопросы и посвящена наша статья.
С чего все начиналось
История изучения гигантских вирусов началась в 1992 году в Англии. Изучая причины возникновения вспышки пневмонии, ученые исследовали образцы воды, взятые из воздухоохлаждающей системы. Образцы некоторое время инкубировали вместе с культурой амеб Acanthamoeba polyphaga, чтобы выявить внутриклеточные патогенные организмы, похожие на бактерию легионеллу, которая обитает внутри амеб. Действительно, исследователи смогли обнаружить неизвестного патогена, который был видим в световой микроскоп и красился по Граму положительно, в связи с чем и был отнесен к бактериям. Удивительно, но новооткрытую бактерию никак не удавалось вырастить в чистой культуре без амеб. В течение более чем десяти лет попытки классифицировать новую бактерию терпели неудачу за неудачей. Стандартный способ определения новых видов бактерий и архей основан на размножении с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) участка генома, кодирующего 16S рРНК (один из трех видов РНК, входящих в состав прокариотических рибосом), и его последующем секвенировании. Однако «поднять» этот участок генома загадочной бактерии никак не удавалось, какой бы протокол ПЦР не использовали. В 2003 году таинственный микроб изучила с помощью электронной микроскопии французская исследовательская группа Дидье Рауля [3]. Оказалось, что это никакая не бактерия, а очень крупный вирус с икосаэдрическим капсидом. За свое сходство с микробами новый вирус получил название «мимивирус» (от англ. mimicking microbes - похожий на микробы). С самого открытия вирусов в конце XIX века было принято считать, что вирусы невозможно рассмотреть с помощью светового микроскопа, поэтому открытие мимивируса стало настоящим разрывом шаблонов для вирусологов. Оказалось, что мимивирус - это чрезвычайно большой вирус, инфицирующий амеб, - и генов 16S рРНК у него не было по той простой причине, что в вирусных геномах никогда не бывают закодированы собственные рибосомы [4].
После открытия мимивируса открылась настоящая охота на гигантские вирусы: множество исследовательских групп начали массово инкубировать культуры амеб с различными образцами из окружающей среды, и по прошествии некоторого времени во многих случаях в культуре обнаруживали очень крупные вирусы. Появилось множество усовершенствований первоначального протокола, делающих его все более и более эффективным. Ученые даже перекинулись от амеб на других протистов. Одних видов мимивирусов на данный момент известно около сотни. Гигантские вирусы были обнаружены даже в образце сибирской вечной мерзлоты. В последние годы несколько гигантских вирусов удалось обнаружить с помощью метагеномики. В 2008 году открыли первый вирофаг (вирофаг Спутник) - вирус, который может размножаться в клетках только в присутствии вируса-хозяина и мешает его успешному размножению . На данный момент известно более десяти видов вирофагов [4].
Разнообразие гигантских вирусов
Мимивирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с фибриллами
Размер вириона: 500 нм
Длина фибрилл: 75 нм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: более 1000 т.п.н.
Вирион мимивируса состоит из икосаэдрического капсида размером 500 нм и покрывающих его фибрилл длиной 75 нм (рис. 1). Эти фибриллы имеют уникальное для вирусов строение и позволяют вириону прикрепляться к клеткам бактерий, членистоногих и грибов. Спустя год после описания мимивируса его геном секвенировали . Оказалось, что геном мимивируса представлен кольцевой двухцепочечной ДНК длиной 1,2 миллиона пар оснований, в которой, предположительно, находятся 979 генов. Некоторые из них, такие как гены белков трансляции (аминоацил-тРНК-синтетаз и факторов трансляции), раньше никогда не находили в вирусных геномах. В целом гены мимивируса можно разделить на четыре группы:
кóровые гены;
гены, приобретенные горизонтально;
дуплицированные гены (паралоги);
гены-сироты, которые больше не обнаруживаются ни у каких живых организмов (в англоязычных источниках их называют ORFans из-за игры слов: ORF (open reading frame) - отрытая рамка считывания, а слово ORFan звучит как orphan - сирота).
К коровым генам относят гены, имеющиеся также у так называемых ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов (англ. nucleocytoplasmic large DNA viruses, NCLDVs) - вирусов, которые до открытия мимивируса считались самыми большими. В геноме мимивируса обнаруживаются последовательности, позаимствованные у бактерий, эукариот, архей и других вирусов. Однако абсолютное большинство генов мимивируса - сироты, для которых во всех базах данных нет гомологов. Любопытно, что в вирионе мимивируса кроме геномной ДНК содержится некоторое количество мРНК [4], [6].
Рисунок 1. Электронная микрофотография вириона мимивируса
[6]
Сейчас мимивирус и близкие к нему вирусы выделяют в семейство Mimiviridae, подразделяющееся на три линии: А, В и С. К линии А относятся такие вирусы, как мимивирус и мамавирус амебы Acantamoeba polyphaga, к линии В относится мумувирус Acantamoeba polyphaga, а представителем линии С может служить Megavirus chiliensis. Некоторые представители Mimiviridae не удалось отнести ни к одной из перечисленных линий, как, например, вирус, поражающий протиста Cafeteria roenbergensis [4].
Марселевирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с фибриллами
Размер вириона: 250 нм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: более 300 т.п.н.
Через шесть лет после открытия мимивируса был описан еще один гигантский вирус, поражающий амеб. Как и мимивирус, его обнаружили в воде из воздухоохлаждающего сооружения, но на этот раз в Париже. Новый вирус получил название «марселевирус». Его вирион мельче вириона мимивируса и имеет икосаэдрический капсид размером 250 нм (рис. 2). Геном марселевируса представлен кольцевой двухцепочечной ДНК, в которой находятся 457 генов, значительно отличающиеся от генов мимивируса. Среди них даже есть два гена, кодирующие гистоноподобные белки. Однако среди генов марселевируса можно выделить все те же четыре основные группы: коровые гены, гены-паралоги, горизонтально приобретенные гены и гены-сироты. Как и у мимивируса, в геноме марселевируса есть гены, полученные от эукариот (в том числе амебы-хозяина), бактерий, архей и вирусов, в том числе и гигантских. Предполагается, что такая высокая степень мозаицизма генома обусловлена интенсивным обменом генами с другими организмами, обитающими в цитоплазме амебы-хозяина.
Рисунок 2. Электронная микрофотография вириона марселевируса
[6]
В 2011-2014 годах в образцах воды из разных частей света обнаружили четыре вируса, родственные марселевирусу. Кроме того, один родственный вирус нашли в Тунисе в насекомом, а еще один родственник марселевируса - в кале здорового человека в Сенегале, что стало первым прецедентом обнаружения гигантских вирусов в образцах человеческого происхождения. Марселевирус и родственные ему вирусы выделяют в семейство Marseilleviridae [6].
Пандоравирусы
Внешняя оболочка: овальной формы чехол (тегумент) толщиной 70 нм
Размер вириона: около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: до 2500 т.п.н.
В 2013 году описали два новых гигантских вируса, получивших названия Pandoravirus salinus и Pandoravirus dulcis. Собственно говоря, эти организмы были известны давно, но, как в случае с мимивирусом, их вирусная природа была установлена далеко не сразу. В заблуждение, как и в случае с мимивирусом, ввел необычный размер: их вирионы достигают около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре. Размер их генома составляет 1,9 и 2,5 миллиона пар оснований, что на данный момент является абсолютным рекордом среди вирусов. Подавляющее большинство генов пандоравирусов (84% для P. salinus) являются генами-сиротами. У пандоравирусов имеются свои уникальные транспозоны , известные как MITEs (англ. miniature inverted repeat transposable elements - миниатюрные мобильные элементы с инвертированными повторами).
Пожалуй, самой удивительной чертой и без того незаурядных пандоравирусов является полное отсутствие в их геноме генов, гомологичных каким-либо генам, кодирующим белки капсида. По этой причине у них нет капсида и какой-либо структуры, хотя бы отдаленно на него похожей. Их вирионы окружены особым чехлом (тегументом) толщиной около 70 нм, и на его верхушке имеется пора, через которую содержимое вириона попадает в цитоплазму амебы (рис. 3). В 2017 году, впрочем, у пандоравирусов был идентифицирован ген, который может кодировать белок капсида. Кроме того, другие вирусные черты в полной мере присущи пандоравирусам: как и все вирусы, они размножаются в клетках и покидают их в виде вирионов, а в их геномах отсутствуют гены, кодирующие компоненты рибосом и белки, связанные с клеточным делением [6].
Рисунок 3. Электронная микрофотография вириона пандоравируса
[6]
В 2015 году описали третий пандоравирус - Pandoravirus inopinatum. Его геном содержит 2,24 миллиона пар оснований и на 85 и 89% совпадает с геномами P. salinus и P. dulcis соответственно. В 2018 году сообщили об открытии еще трех пандоравирусов: Pandoravirus quercus, Pandoravirus neocaledonia, Pandoravirus macleodensis. Также предложено выделить пандоравирусы в собственное семейство Pandoraviridae [10].
Пифовирусы
Внешняя оболочка: овальной формы чехол (тегумент) толщиной 60 нм
Размер вириона: около 1,5 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 610 т.п.н.
2013 год стал знаковым в истории изучения гигантских вирусов. В 2013 году были открыты не только пандоравирусы, но и вирус, по сей день считающийся самым крупным вирусом, - Pithovirus sibericum. Его выделили из образца сибирской вечной мерзлоты возрастом более 30 тысяч лет при помощи культивирования в клетках амебы Acanthamoeba castellanii. Внешне его вирионы похожи на вирионы пандоравирусов, но существенно крупнее - их длина может достигать 1,5 мкм, что на данный момент является абсолютным рекордом в вирусном мире. Как и у пандоравирусов, вирионы пифовируса окружены тегументом толщиной 60 нм с апикальной порой в форме правильного шестиугольника (рис. 4). Типичного капсида у пифовируса тоже нет, однако в геноме пифовируса нашелся ген, отдаленно похожий на ген, кодирующий белок капсида у иридовирусов. По составу генов пифовирус наиболее близок к марселевирусам и иридовирусам. Более одной пятой генома пифовируса представлено регулярно расположенными копиями одного и того же некодирующего повтора.
Рисунок 4. Электронная микрофотография вириона пифовируса
[6]
Поскольку первый пифовирус выделили из очень древнего образца, высказывали предположения, что пифовирусы давным-давно вымерли. Однако в 2016 году нашли еще один пифовирус - Pithovirus massiliensis - в образце сточных вод с юга Франции. Удивительно, но, несмотря на колоссальный размер вирионов пифовирусов, их геномы не так уж и велики: размер генома P. sibericum составляет около половины генома мимивируса (рис. 11) [6].
Молливирус
Внешняя оболочка: сферический капсид
Размер вириона: 0,5-0,6 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 625 т.п.н.
В 2014 году из того же образца вечной мерзлоты, что и пифовирус, выделили еще один гигантский вирус - Mollivirus sibericum. Как и пифовирус, он размножается в амебах Acanthamoeba castellanii. Сферический вирион молливируса достигает 500-600 нм в диаметре и заключает в себе геном длиной 625 тысяч пар оснований (рис. 5). В вирионы, помимо вирусного генома, упаковываются многие белки амебы, в том числе рибосомные. Генетически молливирус, хотя и весьма отдаленно, наиболее близок к пандоравирусам [6].
Рисунок 5. Электронная микрофотография вириона молливируса
Scientists to wake up 30,000-year-old ’giant’ virus
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид, состоящий из двух белковых слоев
Размер вириона: 0,2 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 450-500 т.п.н.
Помимо амеб рода Acanthamoeba, в качестве клеток для выделения гигантских вирусов используют амебу Vermamoeba vermiformis - наиболее многочисленную амебу человеческих фекалий и образцов больничной воды. С помощью этой амебы в 2015 году из сточных вод выделили еще один гигантский вирус - фаустовирус. Любопытно, что его капсид имеет форму икосаэдра и состоит из двух белковых слоев, а не одного, как у большинства вирусов (рис. 6). Впоследствии фаустовирусы обнаружили в разных частях света, но во всех случаях их выявляли только в сточных водах, благодаря чему они могут служить индикатором загрязнения воды фекалиями. Среди гигантских вирусов и NCLDVs ближайшими родственниками фаустовирусов являются асфарвирусы - патогены свиней, -однако геномы фаустовирусов в три раза крупнее геномов асфарвирусов. Геномы фаустовирусов достигают 456-491 тысяч пар нуклеотидов и содержат 457-519 генов. Любопытно, что гены, кодирующие белки капсида, разбросаны по участку длиной 17 тысяч пар оснований, поэтому эти гены могут подвергаться интенсивному сплайсингу. До этого в вирусном мире сплайсинг был описан только у аденовирусов и у гена белка капсида мимивируса [6].
Рисунок 6. Электронная микрофотография вириона фаустовируса подпись
[6]
Каумебовирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид
Размер вириона: 0,25 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 350 т.п.н.
Использование V. vermiformis позволило описать еще одну группу гигантских вирусов, известную как каумебовирусы. Как и фаустовирусы, они выделены из образцов сточных вод и не имеют близких родственников среди известных вирусов. Наиболее близки к каумебовирусам фаустовирусы и асфавирусы. Капсид имеет икосаэдрическую форму (рис. 7). Гены белков капсида разбросаны по участку длиной 5 тысяч пар оснований. По размеру генома каумебовирусы наиболее близки к марселевирусам [6].
Рисунок 7. Электронная микрофотография вириона каумебовируса
[6]
Цедратвирусы
Внешняя оболочка: двуслойный тегумент толщиной 55 нм
Размер вириона: около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 600 т.п.н.
В 2016 году в образце воды из Алжира с помощью амебы A. castellanii обнаружили новый гигантский вирус - цедратвирус. Из известных на данный момент вирусов к нему наиболее близок пифовирус, хотя лишь одна пятая генов цедратвируса похожа на гены пифовируса. От других гигантских вирусов цедратвирус отличается наличием двуслойных покровов. На ранних стадиях инфекции вирионы покрыты тегументом толщиной 40 нм, а у зрелых вирионов его толщина составляет 55 нм. Содержимое вириона попадает в цитоплазму через апикальную пору (рис. 8). Размер генома цедратвируса близок к таковому у пифовируса. Еще один цедратвирус описан в 2017 году. В геномах обоих отсутствуют некодирующие повторы, которые так обильно представлены в геноме пифовирусов [6].
Рисунок 8. Электронная микрофотография вириона цедратвируса
[6]
Пакманвирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид
Размер вириона: 0,25 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 400 т.п.н.
Пакманвирусы описаны в 2017 году с помощью амебы A. castellanii. Свое название эти вирусы получили за форму капсида, наблюдаемую при негативном окрашивании в электронный микроскоп: он похож на главного героя одноименной видеоигры Pac-Man (рис. 9). Пакманвирусы очень быстро размножаются, и уже через 8 часов после заражения наступает лизис клеток амеб. По размеру вирионов и геномов пакманвирусы близки к каумебовирусам и фаустовирусам, а наиболее близкими родственниками пакманвирусов являются фаустовирусы, асфавирусы и каумебавирусы [6].
Рисунок 9. Электронная микрофотография вириона пакманвируса
[6]
ПРОДОЛЖЕНИЕ
АВТОР
РЕДАКТОР
ЧАСТЬ 1
Гиганты вирусного мира
Вирион мимивируса имеет необычно сложное для вирусов строение
Will warmer weather wake the sleeping giant (viruses)?
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Положение вирусов в системе органического мира всегда было спорным. Можно ли считать их живыми организмами? С одной стороны, они имеют собственный геном, кодирующий РНК и белки, но, с другой стороны, свойства живого они начинают проявлять только внутри живых клеток. Кроме того, долгое время считалось, что геномы вирусов значительно меньше и проще геномов клеточных организмов, а вирусные частицы можно рассмотреть только под электронным микроскопом. Пятнадцать лет назад описали странные вирусы, полностью разорвавшие устоявшиеся шаблоны. Они различимы под световым микроскопом, а их геномы по размеру превосходят геномы многих бактерий и кодируют несколько сотен белков, причем во многих генах есть даже интроны и интеины. Речь идет о так называемых гигантских вирусах, наиболее известным из которых является вирус с трогательным названием «мимивирус». Наш обзор посвящен различным аспектам биологии этих в высшей степени необычных вирусов.
С сáмого открытия вирусов в конце XIX века было неясно, считать ли их живыми или нет . 15 лет назад были описаны вирусы, еще больше размазавшие границу между живым и неживым. Гигантские вирусы имеют размеры, сопоставимые с размерами бактериальных клеток, и различимы в световой микроскоп, а их геномы по размеру и сложности даже превосходят геномы многих бактерий. Какие аспекты биологии фундаментально отличают гигантских вирусов от «обычных» вирусов? Каково место гигантских вирусов в системе органического мира? Как гигантские вирусы взаимодействуют с человеком? Ответам на все эти вопросы и посвящена наша статья.
С чего все начиналось
История изучения гигантских вирусов началась в 1992 году в Англии. Изучая причины возникновения вспышки пневмонии, ученые исследовали образцы воды, взятые из воздухоохлаждающей системы. Образцы некоторое время инкубировали вместе с культурой амеб Acanthamoeba polyphaga, чтобы выявить внутриклеточные патогенные организмы, похожие на бактерию легионеллу, которая обитает внутри амеб. Действительно, исследователи смогли обнаружить неизвестного патогена, который был видим в световой микроскоп и красился по Граму положительно, в связи с чем и был отнесен к бактериям. Удивительно, но новооткрытую бактерию никак не удавалось вырастить в чистой культуре без амеб. В течение более чем десяти лет попытки классифицировать новую бактерию терпели неудачу за неудачей. Стандартный способ определения новых видов бактерий и архей основан на размножении с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) участка генома, кодирующего 16S рРНК (один из трех видов РНК, входящих в состав прокариотических рибосом), и его последующем секвенировании. Однако «поднять» этот участок генома загадочной бактерии никак не удавалось, какой бы протокол ПЦР не использовали. В 2003 году таинственный микроб изучила с помощью электронной микроскопии французская исследовательская группа Дидье Рауля [3]. Оказалось, что это никакая не бактерия, а очень крупный вирус с икосаэдрическим капсидом. За свое сходство с микробами новый вирус получил название «мимивирус» (от англ. mimicking microbes - похожий на микробы). С самого открытия вирусов в конце XIX века было принято считать, что вирусы невозможно рассмотреть с помощью светового микроскопа, поэтому открытие мимивируса стало настоящим разрывом шаблонов для вирусологов. Оказалось, что мимивирус - это чрезвычайно большой вирус, инфицирующий амеб, - и генов 16S рРНК у него не было по той простой причине, что в вирусных геномах никогда не бывают закодированы собственные рибосомы [4].
После открытия мимивируса открылась настоящая охота на гигантские вирусы: множество исследовательских групп начали массово инкубировать культуры амеб с различными образцами из окружающей среды, и по прошествии некоторого времени во многих случаях в культуре обнаруживали очень крупные вирусы. Появилось множество усовершенствований первоначального протокола, делающих его все более и более эффективным. Ученые даже перекинулись от амеб на других протистов. Одних видов мимивирусов на данный момент известно около сотни. Гигантские вирусы были обнаружены даже в образце сибирской вечной мерзлоты. В последние годы несколько гигантских вирусов удалось обнаружить с помощью метагеномики. В 2008 году открыли первый вирофаг (вирофаг Спутник) - вирус, который может размножаться в клетках только в присутствии вируса-хозяина и мешает его успешному размножению . На данный момент известно более десяти видов вирофагов [4].
Разнообразие гигантских вирусов
Мимивирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с фибриллами
Размер вириона: 500 нм
Длина фибрилл: 75 нм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: более 1000 т.п.н.
Вирион мимивируса состоит из икосаэдрического капсида размером 500 нм и покрывающих его фибрилл длиной 75 нм (рис. 1). Эти фибриллы имеют уникальное для вирусов строение и позволяют вириону прикрепляться к клеткам бактерий, членистоногих и грибов. Спустя год после описания мимивируса его геном секвенировали . Оказалось, что геном мимивируса представлен кольцевой двухцепочечной ДНК длиной 1,2 миллиона пар оснований, в которой, предположительно, находятся 979 генов. Некоторые из них, такие как гены белков трансляции (аминоацил-тРНК-синтетаз и факторов трансляции), раньше никогда не находили в вирусных геномах. В целом гены мимивируса можно разделить на четыре группы:
кóровые гены;
гены, приобретенные горизонтально;
дуплицированные гены (паралоги);
гены-сироты, которые больше не обнаруживаются ни у каких живых организмов (в англоязычных источниках их называют ORFans из-за игры слов: ORF (open reading frame) - отрытая рамка считывания, а слово ORFan звучит как orphan - сирота).
К коровым генам относят гены, имеющиеся также у так называемых ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов (англ. nucleocytoplasmic large DNA viruses, NCLDVs) - вирусов, которые до открытия мимивируса считались самыми большими. В геноме мимивируса обнаруживаются последовательности, позаимствованные у бактерий, эукариот, архей и других вирусов. Однако абсолютное большинство генов мимивируса - сироты, для которых во всех базах данных нет гомологов. Любопытно, что в вирионе мимивируса кроме геномной ДНК содержится некоторое количество мРНК [4], [6].
Рисунок 1. Электронная микрофотография вириона мимивируса
[6]
Сейчас мимивирус и близкие к нему вирусы выделяют в семейство Mimiviridae, подразделяющееся на три линии: А, В и С. К линии А относятся такие вирусы, как мимивирус и мамавирус амебы Acantamoeba polyphaga, к линии В относится мумувирус Acantamoeba polyphaga, а представителем линии С может служить Megavirus chiliensis. Некоторые представители Mimiviridae не удалось отнести ни к одной из перечисленных линий, как, например, вирус, поражающий протиста Cafeteria roenbergensis [4].
Марселевирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с фибриллами
Размер вириона: 250 нм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: более 300 т.п.н.
Через шесть лет после открытия мимивируса был описан еще один гигантский вирус, поражающий амеб. Как и мимивирус, его обнаружили в воде из воздухоохлаждающего сооружения, но на этот раз в Париже. Новый вирус получил название «марселевирус». Его вирион мельче вириона мимивируса и имеет икосаэдрический капсид размером 250 нм (рис. 2). Геном марселевируса представлен кольцевой двухцепочечной ДНК, в которой находятся 457 генов, значительно отличающиеся от генов мимивируса. Среди них даже есть два гена, кодирующие гистоноподобные белки. Однако среди генов марселевируса можно выделить все те же четыре основные группы: коровые гены, гены-паралоги, горизонтально приобретенные гены и гены-сироты. Как и у мимивируса, в геноме марселевируса есть гены, полученные от эукариот (в том числе амебы-хозяина), бактерий, архей и вирусов, в том числе и гигантских. Предполагается, что такая высокая степень мозаицизма генома обусловлена интенсивным обменом генами с другими организмами, обитающими в цитоплазме амебы-хозяина.
Рисунок 2. Электронная микрофотография вириона марселевируса
[6]
В 2011-2014 годах в образцах воды из разных частей света обнаружили четыре вируса, родственные марселевирусу. Кроме того, один родственный вирус нашли в Тунисе в насекомом, а еще один родственник марселевируса - в кале здорового человека в Сенегале, что стало первым прецедентом обнаружения гигантских вирусов в образцах человеческого происхождения. Марселевирус и родственные ему вирусы выделяют в семейство Marseilleviridae [6].
Пандоравирусы
Внешняя оболочка: овальной формы чехол (тегумент) толщиной 70 нм
Размер вириона: около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: до 2500 т.п.н.
В 2013 году описали два новых гигантских вируса, получивших названия Pandoravirus salinus и Pandoravirus dulcis. Собственно говоря, эти организмы были известны давно, но, как в случае с мимивирусом, их вирусная природа была установлена далеко не сразу. В заблуждение, как и в случае с мимивирусом, ввел необычный размер: их вирионы достигают около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре. Размер их генома составляет 1,9 и 2,5 миллиона пар оснований, что на данный момент является абсолютным рекордом среди вирусов. Подавляющее большинство генов пандоравирусов (84% для P. salinus) являются генами-сиротами. У пандоравирусов имеются свои уникальные транспозоны , известные как MITEs (англ. miniature inverted repeat transposable elements - миниатюрные мобильные элементы с инвертированными повторами).
Пожалуй, самой удивительной чертой и без того незаурядных пандоравирусов является полное отсутствие в их геноме генов, гомологичных каким-либо генам, кодирующим белки капсида. По этой причине у них нет капсида и какой-либо структуры, хотя бы отдаленно на него похожей. Их вирионы окружены особым чехлом (тегументом) толщиной около 70 нм, и на его верхушке имеется пора, через которую содержимое вириона попадает в цитоплазму амебы (рис. 3). В 2017 году, впрочем, у пандоравирусов был идентифицирован ген, который может кодировать белок капсида. Кроме того, другие вирусные черты в полной мере присущи пандоравирусам: как и все вирусы, они размножаются в клетках и покидают их в виде вирионов, а в их геномах отсутствуют гены, кодирующие компоненты рибосом и белки, связанные с клеточным делением [6].
Рисунок 3. Электронная микрофотография вириона пандоравируса
[6]
В 2015 году описали третий пандоравирус - Pandoravirus inopinatum. Его геном содержит 2,24 миллиона пар оснований и на 85 и 89% совпадает с геномами P. salinus и P. dulcis соответственно. В 2018 году сообщили об открытии еще трех пандоравирусов: Pandoravirus quercus, Pandoravirus neocaledonia, Pandoravirus macleodensis. Также предложено выделить пандоравирусы в собственное семейство Pandoraviridae [10].
Пифовирусы
Внешняя оболочка: овальной формы чехол (тегумент) толщиной 60 нм
Размер вириона: около 1,5 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 610 т.п.н.
2013 год стал знаковым в истории изучения гигантских вирусов. В 2013 году были открыты не только пандоравирусы, но и вирус, по сей день считающийся самым крупным вирусом, - Pithovirus sibericum. Его выделили из образца сибирской вечной мерзлоты возрастом более 30 тысяч лет при помощи культивирования в клетках амебы Acanthamoeba castellanii. Внешне его вирионы похожи на вирионы пандоравирусов, но существенно крупнее - их длина может достигать 1,5 мкм, что на данный момент является абсолютным рекордом в вирусном мире. Как и у пандоравирусов, вирионы пифовируса окружены тегументом толщиной 60 нм с апикальной порой в форме правильного шестиугольника (рис. 4). Типичного капсида у пифовируса тоже нет, однако в геноме пифовируса нашелся ген, отдаленно похожий на ген, кодирующий белок капсида у иридовирусов. По составу генов пифовирус наиболее близок к марселевирусам и иридовирусам. Более одной пятой генома пифовируса представлено регулярно расположенными копиями одного и того же некодирующего повтора.
Рисунок 4. Электронная микрофотография вириона пифовируса
[6]
Поскольку первый пифовирус выделили из очень древнего образца, высказывали предположения, что пифовирусы давным-давно вымерли. Однако в 2016 году нашли еще один пифовирус - Pithovirus massiliensis - в образце сточных вод с юга Франции. Удивительно, но, несмотря на колоссальный размер вирионов пифовирусов, их геномы не так уж и велики: размер генома P. sibericum составляет около половины генома мимивируса (рис. 11) [6].
Молливирус
Внешняя оболочка: сферический капсид
Размер вириона: 0,5-0,6 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 625 т.п.н.
В 2014 году из того же образца вечной мерзлоты, что и пифовирус, выделили еще один гигантский вирус - Mollivirus sibericum. Как и пифовирус, он размножается в амебах Acanthamoeba castellanii. Сферический вирион молливируса достигает 500-600 нм в диаметре и заключает в себе геном длиной 625 тысяч пар оснований (рис. 5). В вирионы, помимо вирусного генома, упаковываются многие белки амебы, в том числе рибосомные. Генетически молливирус, хотя и весьма отдаленно, наиболее близок к пандоравирусам [6].
Рисунок 5. Электронная микрофотография вириона молливируса
Scientists to wake up 30,000-year-old ’giant’ virus
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид, состоящий из двух белковых слоев
Размер вириона: 0,2 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 450-500 т.п.н.
Помимо амеб рода Acanthamoeba, в качестве клеток для выделения гигантских вирусов используют амебу Vermamoeba vermiformis - наиболее многочисленную амебу человеческих фекалий и образцов больничной воды. С помощью этой амебы в 2015 году из сточных вод выделили еще один гигантский вирус - фаустовирус. Любопытно, что его капсид имеет форму икосаэдра и состоит из двух белковых слоев, а не одного, как у большинства вирусов (рис. 6). Впоследствии фаустовирусы обнаружили в разных частях света, но во всех случаях их выявляли только в сточных водах, благодаря чему они могут служить индикатором загрязнения воды фекалиями. Среди гигантских вирусов и NCLDVs ближайшими родственниками фаустовирусов являются асфарвирусы - патогены свиней, -однако геномы фаустовирусов в три раза крупнее геномов асфарвирусов. Геномы фаустовирусов достигают 456-491 тысяч пар нуклеотидов и содержат 457-519 генов. Любопытно, что гены, кодирующие белки капсида, разбросаны по участку длиной 17 тысяч пар оснований, поэтому эти гены могут подвергаться интенсивному сплайсингу. До этого в вирусном мире сплайсинг был описан только у аденовирусов и у гена белка капсида мимивируса [6].
Рисунок 6. Электронная микрофотография вириона фаустовируса подпись
[6]
Каумебовирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид
Размер вириона: 0,25 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 350 т.п.н.
Использование V. vermiformis позволило описать еще одну группу гигантских вирусов, известную как каумебовирусы. Как и фаустовирусы, они выделены из образцов сточных вод и не имеют близких родственников среди известных вирусов. Наиболее близки к каумебовирусам фаустовирусы и асфавирусы. Капсид имеет икосаэдрическую форму (рис. 7). Гены белков капсида разбросаны по участку длиной 5 тысяч пар оснований. По размеру генома каумебовирусы наиболее близки к марселевирусам [6].
Рисунок 7. Электронная микрофотография вириона каумебовируса
[6]
Цедратвирусы
Внешняя оболочка: двуслойный тегумент толщиной 55 нм
Размер вириона: около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 600 т.п.н.
В 2016 году в образце воды из Алжира с помощью амебы A. castellanii обнаружили новый гигантский вирус - цедратвирус. Из известных на данный момент вирусов к нему наиболее близок пифовирус, хотя лишь одна пятая генов цедратвируса похожа на гены пифовируса. От других гигантских вирусов цедратвирус отличается наличием двуслойных покровов. На ранних стадиях инфекции вирионы покрыты тегументом толщиной 40 нм, а у зрелых вирионов его толщина составляет 55 нм. Содержимое вириона попадает в цитоплазму через апикальную пору (рис. 8). Размер генома цедратвируса близок к таковому у пифовируса. Еще один цедратвирус описан в 2017 году. В геномах обоих отсутствуют некодирующие повторы, которые так обильно представлены в геноме пифовирусов [6].
Рисунок 8. Электронная микрофотография вириона цедратвируса
[6]
Пакманвирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид
Размер вириона: 0,25 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 400 т.п.н.
Пакманвирусы описаны в 2017 году с помощью амебы A. castellanii. Свое название эти вирусы получили за форму капсида, наблюдаемую при негативном окрашивании в электронный микроскоп: он похож на главного героя одноименной видеоигры Pac-Man (рис. 9). Пакманвирусы очень быстро размножаются, и уже через 8 часов после заражения наступает лизис клеток амеб. По размеру вирионов и геномов пакманвирусы близки к каумебовирусам и фаустовирусам, а наиболее близкими родственниками пакманвирусов являются фаустовирусы, асфавирусы и каумебавирусы [6].
Рисунок 9. Электронная микрофотография вириона пакманвируса
[6]
ПРОДОЛЖЕНИЕ