Гиганты вирусного мира
31 АВГУСТА 2018 г.
АВТОР
ЧАСТЬ 2
( НАЧАЛО)
Гиганты вирусного мира
Вирион мимивируса имеет необычно сложное для вирусов строение
Will warmer weather wake the sleeping giant (viruses)?
Тупанвирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с хвостом
Размер вириона: диаметр капсида около 0,45 мкм + хвост 0,55 мкм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 1500 т.п.н.
Рисунок 10. Электронная микрофотография вирионов тупанвируса
Wikimedia
Геном тупанвирусов представлен линейной двухцепочечной ДНК длиной около 1,5 млн пар оснований. В геноме содержится 1200-1400 открытых рамок считывания, из которых около 380 являются генами-сиротами. Тупанвирусы - абсолютные рекордсмены среди вирусов по количеству кодируемых компонентов трансляции. По сути, для полного набора им не хватает только рибосом. Они имеют гены около 20 аминоацил-тРНК-синтетаз, 70 тРНК (транспортных РНК), причем у Tupanvirus Deep Ocean есть даже тРНК для редкой аминокислоты пирролизина, восьми факторов инициации трансляции, одного фактора элонгации и одного фактора терминации, а также ряда вспомогательных белков, участвующих в трансляции. Ближайшие родственники тупанвирусов - мимивирусы. Настолько близкие, что тупанвирусы вошли в семейство Mimiviridae [11].
На графике, представленном на рисунке 11, в сравнении отображены размеры геномов и вирионов некоторых гигантских вирусов.
Рисунок 11. Распределение размеров вирионов и геномов некоторых гигантских вирусов. В скобках около названия каждого вируса указан GC-состав его генома.
[6]
Что же их всех объединяет?
Хотя с момента открытия первого гигантского вируса прошло всего лишь 15 лет, колоссальное разнообразие гигантских вирусов уже сейчас стало очевидно. Под гигантскими вирусами обычно понимают вирусы с геномом длиннее 200 тысяч пар оснований и вирионами больше 0,2 мкм. Что же объединяет их всех, кроме размеров геномов и вирионов? Является ли объединение их в одну группу искусственным?
На самом деле, гигантским вирусам присущ ряд общих генетических и структурных особенностей. Во-первых, их геномы всегда представлены двухцепочечной ДНК и содержат значительную долю генов-сирот: от 31% у цедратвируса до 84% у Pandoravirus salinus. Во-вторых, в их геномах имеются интроны и интеины (участки белковых молекул, которые могут сами вырезаться и сращивать концы разрыва), а также мобильные генетические элементы (трансповироны у мимивирусов и MITEs у Pandoravirus salinus).
Самым разительным отличием гигантских вирусов от остальных вирусов является то, что в их геномах закодированы молекулы, принимающие участие в трансляции: аминоацил-тРНК-синтетазы, факторы трансляции и тРНК. Таких генов нет только у Pithovirus sibericum. Марселевирусы, пифовирусы, фаустовирусы, каумебовирусы и цедратвирусы не имеют генов, кодирующих тРНК. Гигантских вирусов также сближают некоторые особенности структуры. Например, вирионы мимивируса и марселевируса снабжены особыми фибриллами. Для выхода генетического материала в цитоплазму амебы у гигантских вирусов имеются поры, находящиеся в вершинах капсидов или тегументов. У тех гигантских вирусов, вирионы которых покрыты настоящим капсидом, в его мажорном белке имеется особый мотив, известный как double jelly-roll fold. Он имеется только у белков капсидов вирусов с двухцепочечным геномом и нигде более в живом мире. Такие белки формируют олигомеры по типу черепицы, в конечном итоге собираясь в замкнутую белковую оболочку [12].
У фаустовирусов с двуслойным капсидом, мотив jelly-roll имеется только у белков верхнего слоя [6].
Таксономическое положение гигантских вирусов еще не до конца определено, и многие недавно описанные виды, роды и даже семейства гигантских вирусов еще не получили официального признания Международным комитетом по таксономии вирусов (англ. International committee on virus taxonomy, ICTV). Пока ICTV признал два семейства гигантских вирусов: Mimiviridae и Marseilleviridae. В 2012 году было предложено объединить гигантских вирусов и NCLDV в новый порядок - Megavirales. Таким образом, в порядок Megavirales входят мимивирусы, марселевирусы, асковирусы, асфарвирусы, иридовирусы, фикоднавирусы и поксвирусы [6].
Жизненные циклы
Большинство известных на данный момент гигантских вирусов поражает амеб рода Acanthamoeba. Однако неизвестно, есть ли у них другие хозяева. Эти амебы питаются самыми разнообразными микроорганизмами: бактериями, дрожжами и другими грибами, вирусами и водорослями, поэтому в их цитоплазме находится много чужеродной ДНК. Вероятно, мозаицизм геномов гигантских вирусов обусловлен интенсивным горизонтальным переносом генов от «соседей по клетке». Некоторые гигантские вирусы описаны у другого вида амеб - V. vermiformis. Ряд далеких родственников мимивирусов заражает морских жгутиконосцев и одноклеточных водорослей. Попытки использовать для выращивания гигантских вирусов клетки, отличные от амеб, пока не увенчались успехом.
Однако имеются некоторые свидетельства, что гигантские вирусы могут обитать не только в амебах. Например, эксперименты показали, что мимивирусы могут проникать в фагоцитирующие клетки (моноциты и макрофаги) человека и мыши, а у мышей даже описали мимивирусную инфекцию, затронувшую макрофаги. Показано также, что мимивирус может размножаться в одноядерных периферических кровяных клетках человека, стимулируя выделение интерферона I типа и подавляя экспрессию генов, стимулируемых интерфероном, в этих клетках. Кроме того, марселевирусы могут проникать в иммортализованные человеческие Т-лимфоциты, и их даже удалось обнаружить в макрофагах из лимфоузлов [6].
Жизненный цикл гигантских вирусов длится от 6 до 24 часов. Как правило, вирусы оказываются в клетке посредством фагоцитоза, однако марселевирусы могут попадать в цитоплазму при помощи эндоцитоза. Этим гигантские вирусы значительно отличаются от остальных вирусов, которые проникают в клетку после взаимодействия с рецепторами на ее поверхности. После попадания вириона в цитоплазму его внутренняя мембрана, залегающая под капсидом, сливается с мембраной везикулы, и содержимое вириона изливается в цитоплазму. После этого начинается формирование вирусных фабрик - особых зон цитоплазмы, где проходят репликация вирусной ДНК и сборка вирусных частиц (рис. 12). Нередко при инфицировании гигантскими вирусами изменяется и морфология ядра. В клетках, зараженных пандоравирусом или молливирусом, наблюдаются впячивания ядерной оболочки, а в случае молливируса вирусные фабрики даже попадают в ядро. По сути, вирусная фабрика становится функциональным ядром клетки, зараженной вирусом (вироклетки).
Рисунок 12. Вирусные фабрики в клетках Acanthamoeba castellanii. а - Амеба, зараженная мимивирусом. б - Вирусная фабрика мимивируса. в - Внешняя граница вирусной фабрики мимивируса. Голубыми стрелками помечены вирионы мимивируса, а желтыми - вирофага. г - Амеба, зараженная марселевирусом.
[6]
Сборка вирионов у гигантских вирусов происходит по-разному. В случае мимивирусов образование внутренней мембраны, сборка капсида, упаковка ДНК и сборка фибрилл происходят последовательно и сопровождаются перемещением вирионов из центра вирусной фабрики к ее краям. У пандоравирусов и молливируса сборка оболочки и внутреннего содержимого вириона происходят одновременно. Выход вирионов гигантских вирусов сопровождается лизисом клетки амебы, и только вирионы молливируса покидают клетку посредством экзоцитоза (рис. 13) [6].
Рисунок 13. Схемы жизненных циклов некоторых гигантских вирусов: а - мимивируса, б - пифовируса, в - пандоравируса, г - молливируса.
[20]
Судя по наличию в геномах гигантских вирусов генов, кодирующих белки транскрипции и трансляции, в плане репликации они в той или иной мере независимы от клетки-хозяина. Впрочем, пандоравирусы, молливирус и один из марселевирусов лишены белков, связанных с транскрипцией, поэтому для их репликации все-таки необходимо ядро амебы. В случае одного представителя марселевирусов транскрипция начинается в вирусной фабрике, но, по-видимому, за счет привлечения транскрипционного аппарата клетки-хозяина [6].
Богатые тоже плачут: что угрожает гигантским вирусам
Через пять лет после установления вирусной природы мимивируса стало ясно, что жизнь гигантских вирусов далеко не безоблачна. Вместе с открытием нового члена семейства мимивирусов, мамавируса, был открыт первый вирофаг - вирус, размножение которого зависит от вируса-хозяина. В вирусных фабриках мамавируса обнаружили маленькие икосаэдрические вирионы, не похожие на вирионы мамавируса. Новый вирус получил название «вирофаг Спутник» (рис. 14).
Рисунок 14. Изображение вириона вирофага Спутник, полученное с помощью криоэлектронной микроскопии
[21]
Геномы вирофагов представлены кольцевой ДНК длиной от 17 до 29 тысяч пар оснований и содержат 16-34 гена, из которых некоторые гомологичны генам гигантских вирусов. После Спутника описали еще несколько вирофагов, размножающихся при участии мимивирусов всех трех линий (А, В и С). Настоящим сюрпризом стало открытие вирофага, который мог паразитировать только на мимивирусах линий В и С; мимивирусы линии А были к нему устойчивы.
Загадочный вирофаг получил название Замилон. Еще более удивительным стал тот факт, что в геноме мимивирусов линии А нашли последовательности, принадлежащие Замилону. Образуемый ими кластер получил название MIMIVIRE (от mimivirus virophage resistant element) , и вначале считалось, что принцип его работы схож с работой бактериальных систем CRISPR/Cas, обеспечивающих защиту от бактериофагов. Тем не менее последние исследования говорят о том, что MIMIVIRE не имеет к CRISPR/Cas никакого отношения. Любопытно, что копии геномов вирофагов обнаружены в геноме морской хлорарахниофитовой водоросли Bigelowiella natans [6].
Гигантские вирусы страдают не только от вирофагов. В 2012 году в геноме одного из мимивирусов были найдены мобильные генетические элементы, получившие название «трансповироны». Трансповироны состоят из семи тысяч пар оснований и содержат 6-8 белоккодирующих генов, а на их концах находятся длинные инвертированные повторы. Все трансповироны кодируют белки, содержащие хеликазный домен I типа и домен с цинковыми пальцами типа Cys2His2 (C2H2). По-видимому, для размножения трансповироны используют как собственные белки, так и белки вируса-хозяина. Трансповироны выявляются даже в геномах вирофагов, вставленных в геном водоросли B. natans [14]. Мы уже упоминали, что мобильные генетические элементы (известные как MITEs) выявлены в геноме Pandoravirus salinus. Как и трансповироны, они имеют концевые инвертированные повторы, но не кодируют никаких белков [15].
Положение гигантских вирусов в системе живого мира
Одной из самых необычных черт, отделяющих гигантских вирусов от прочих вирусов, является наличие генов, продукты которых задействованы в трансляции. У тупанвирусов имеется даже полный комплект белков и РНК, необходимых для трансляции, кроме компонентов рибосом. Дидье Рауль (впервые изучивший мимивирус) высказал предположение, что гигантские вирусы возникли как результат эволюционной редукции древней клетки и представляют собой четвертый домен жизни, наряду с археями, бактериями и эукариотами [16]. Возможно, что во время возникновения гигантских вирусов на Земле обитали несколько независимо возникших линий клеточных организмов, из которых до наших дней дожила одна, а гигантские вирусы могут быть потомками одной из вымерших линий.
Однако в строгом смысле слова гигантские вирусы не могут являться доменом, поскольку разделение клеточных организмов на три домена было осуществлено путем сравнения генов рРНК, которых у гигантских вирусов нет. Поэтому в 2013 году Дидье Рауль предложил отказаться от системы трех доменов и перейти к системе четырех TRUC - аббревиатура от Things Resisting Uncompleted Classification (с англ. - «сущности, не поддающиеся незавершенной классификации»). Таким образом всю земную жизнь можно подразделить на четыре TRUC: эукариоты, бактерии, археи и гигантские вирусы. При этом остальные вирусы по-прежнему остаются «за бортом» системы живого мира. Выделение гигантских вирусов в отдельную ветвь жизни скептически встретил Евгений Кунин, который считает, что обособление гиганстких вирусов связано с ошибками реконструкции филогении, а большое число генов, общих с клеточными организмами, есть результат горизонтального переноса [17].
Стоит подчеркнуть, что гигантские вирусы можно смело называть микробами, так как микробы, по определению, - это организмы, различимые в световой микроскоп, что в полной мере относится к гигантским вирусам [4].
Гигантские вирусы и происхождение эукариот
Тот факт, что вирусная фабрика гигантских вирусов, по сути, является ядром зараженной клетки (вироклетки), наводит на мысль, что эволюция гигантских вирусов и эволюция эукариот могут быть тесно связаны. На самом деле, сходство вирусной фабрики и клеточного ядра отнюдь не поверхностно: обе структуры залегают в цитоплазме, и часто вирусные фабрики окружают себя мембранами эндоплазматического ретикулума, которые служат источником мембран для вирионов. У многих NCLDVs вирусные фабрики собираются вблизи центра организации микротрубочек, который задействован в делении ядра. С помощью атомно-силовой микроскопии было показано, что вирусные фабрики также образуются при слиянии везикул, произошедших от впячивания ядерной оболочки. Наконец, молливирус и отчасти пандоравирусы используют в качестве вирусной фабрики само ядро, а в роли источника для внутренних мембран вирионов - ядерные мембраны [18].
Можно предположить, что клеточное ядро произошло от вирусной фабрики древнего NCLDV, размножавшегося в протоэукариотической клетке. После этого вирусный геном слился с геномом протоэукариотической клетки и утратил способность к формированию вирионов, навеки став частью эукариотического генома [18].
Предлагали и другой сценарий, согласно которому гигантские вирусы, наоборот, произошли от ядра древней эукариотической клетки. На первый взгляд, трудно представить, как может клеточное ядро стать вирионом. Однако можно предположить, что клеточное ядро стало вирусной фабрикой, после того как в нем появились гены, необходимые для формирования вирионов. Впрочем, неясно, каким образом в вирион могла упаковаться целая хромосома [18].
Согласно третьей гипотезе, клеточное ядро появилось в результате взаимодействия протоэукариотической клетки с вирусом в качестве защитной структуры. Ядро давало возможность обезопасить репликацию и транскрипцию генома клетки от действия вируса, однако в ходе эволюции большинство вирусов научилось преодолевать эту преграду (рис. 15) [18].
Рисунок 15. Схема, иллюстрирующая возможные гипотезы вирусного эукариогенеза. а - Ядро произошло от вириона, возможно, после его слияния с предковым ядром. б - Ядро сформировалось из вирусной фабрики. в - Вирусная фабрика произошла от ядра, которое приобрело способность к производству вирионов.
[18]
Гигантские вирусы и человек
Судя по всему, гигантские вирусы распространены в природе очень широко: их удалось обнаружить в пробах морской и пресной вод, а также почвы, собранных по всему миру. Их амебы-хозяева также распространены очень широко и часто обитают рядом с человеком. Некоторых гигантских вирусов, а именно, мимивирусов, удалось выделить из различных животных: устриц, пиявок, мартышек и коров. Марселевирус выделили из двукрылых насекомых, а фаустовирус однажды был найден в организме мокреца [19]. В связи с этим возникает вопрос: а в каких отношениях состоят гигантские вирусы и человек, как они взаимодействуют? Могут ли гигантские вирусы вызывать заболевания у человека?
Гигантские вирусы не раз и не два обнаруживали в биологических материалах, взятых от людей. Они были выявлены в кале и крови здоровых людей, соскобах верхних дыхательных путей больных пневмонией и даже в жидкости для контактных линз, использовавшихся пациентами с кератитом. В 2013 году марселевирус обнаружили в крови и лимфоузлах одинадцатимесячного ребенка, страдавшего от аденита. Гигантские вирусы часто выявляют в метагеномных данных, связанных с человеком. Так, последовательности, вероятно, принадлежащие мимивирусам, обнаружены в человеческом кале и копролитах, слюне, слизистой вагины. Последовательности, относящиеся к вирофагам, найдены в желудочно-кишечном тракте. Пандоравирусы, пифовирус и фаустовирус были выявлены в плазме крови пациентов, страдающих от разных патологий печени [19].
Мы уже отмечали, что мимивирусы могут проникать в человеческие и мышиные фагоциты. Показано, что в течение 30 часов после попадания мимивируса в мышиный макрофаг количество вирусной ДНК в клетке значительно увеличивалось, а экстракт из зараженных макрофагов приводил к лизису амеб. Также обнаружили, что мимивирус может размножаться в одноядерных клетках периферической крови человека и подавлять в этих клетках экспрессию генов, стимулированных интерфероном. Через 21 день после заражения марселевирусом иммортализованных человеческих Т-лимфоцитов в них удалось выявить не только вирусную ДНК, но и целые вирионы. Таким образом, гигантские вирусы могут успешно размножаться и вне амеб [19].
Как известно, мимивирус был обнаружен случайно при исследовании причин вспышки пневмонии. Действительно, в плазме крови пациентов с пневмонией мимивирусы обнаруживают в существенно бóльшем количестве, чем у здоровых людей. У пациентов, заразившихся пневмонией уже в больнице, в крови выявляли многочисленные антитела против мимивируса. При этом независимые исследования показали, что в больницах мимивирусы присутствуют в гораздо бóльшем количестве, чем в обычных помещениях. Был описан один любопытный случай заболевшего пневмонией лаборанта, который много работал с мимивирусом голыми руками. В его крови обнаружили антитела к 23 белкам мимивируса, из которых 4 были уникальны для мимивируса. Похожая история произошла в 1968 году с лаборантом, не соблюдавшим правила безопасности при работе с вирусом Эпштейна-Барр, который в итоге заболел инфекционным мононуклеозом. Теперь мы знаем, что инфекционный мононуклеоз вызывается именно вирусом Эпштейна-Барр. У двух пациентов, вернувшихся во Францию из поездки в Лаос и страдавших от астении, лихорадки, миалгии и тошноты, в крови выявили антитела к вирофагу Спутник, который, как известно, паразитирует на мимивирусах [19].
Таким образом, на данный момент однозначно записать гигантских вирусов в список человеческих патогенов еще рано, однако можно определенно сказать, что они замешаны в патогенезе многих заболеваний человека.
Литература
[Литература]
via
АВТОР
РЕДАКТОР
ЧАСТЬ 2
( НАЧАЛО)
Гиганты вирусного мира
Вирион мимивируса имеет необычно сложное для вирусов строение
Will warmer weather wake the sleeping giant (viruses)?
Тупанвирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с хвостом
Размер вириона: диаметр капсида около 0,45 мкм + хвост 0,55 мкм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 1500 т.п.н.
Рисунок 10. Электронная микрофотография вирионов тупанвируса
Wikimedia
Геном тупанвирусов представлен линейной двухцепочечной ДНК длиной около 1,5 млн пар оснований. В геноме содержится 1200-1400 открытых рамок считывания, из которых около 380 являются генами-сиротами. Тупанвирусы - абсолютные рекордсмены среди вирусов по количеству кодируемых компонентов трансляции. По сути, для полного набора им не хватает только рибосом. Они имеют гены около 20 аминоацил-тРНК-синтетаз, 70 тРНК (транспортных РНК), причем у Tupanvirus Deep Ocean есть даже тРНК для редкой аминокислоты пирролизина, восьми факторов инициации трансляции, одного фактора элонгации и одного фактора терминации, а также ряда вспомогательных белков, участвующих в трансляции. Ближайшие родственники тупанвирусов - мимивирусы. Настолько близкие, что тупанвирусы вошли в семейство Mimiviridae [11].
На графике, представленном на рисунке 11, в сравнении отображены размеры геномов и вирионов некоторых гигантских вирусов.
Рисунок 11. Распределение размеров вирионов и геномов некоторых гигантских вирусов. В скобках около названия каждого вируса указан GC-состав его генома.
[6]
Что же их всех объединяет?
Хотя с момента открытия первого гигантского вируса прошло всего лишь 15 лет, колоссальное разнообразие гигантских вирусов уже сейчас стало очевидно. Под гигантскими вирусами обычно понимают вирусы с геномом длиннее 200 тысяч пар оснований и вирионами больше 0,2 мкм. Что же объединяет их всех, кроме размеров геномов и вирионов? Является ли объединение их в одну группу искусственным?
На самом деле, гигантским вирусам присущ ряд общих генетических и структурных особенностей. Во-первых, их геномы всегда представлены двухцепочечной ДНК и содержат значительную долю генов-сирот: от 31% у цедратвируса до 84% у Pandoravirus salinus. Во-вторых, в их геномах имеются интроны и интеины (участки белковых молекул, которые могут сами вырезаться и сращивать концы разрыва), а также мобильные генетические элементы (трансповироны у мимивирусов и MITEs у Pandoravirus salinus).
Самым разительным отличием гигантских вирусов от остальных вирусов является то, что в их геномах закодированы молекулы, принимающие участие в трансляции: аминоацил-тРНК-синтетазы, факторы трансляции и тРНК. Таких генов нет только у Pithovirus sibericum. Марселевирусы, пифовирусы, фаустовирусы, каумебовирусы и цедратвирусы не имеют генов, кодирующих тРНК. Гигантских вирусов также сближают некоторые особенности структуры. Например, вирионы мимивируса и марселевируса снабжены особыми фибриллами. Для выхода генетического материала в цитоплазму амебы у гигантских вирусов имеются поры, находящиеся в вершинах капсидов или тегументов. У тех гигантских вирусов, вирионы которых покрыты настоящим капсидом, в его мажорном белке имеется особый мотив, известный как double jelly-roll fold. Он имеется только у белков капсидов вирусов с двухцепочечным геномом и нигде более в живом мире. Такие белки формируют олигомеры по типу черепицы, в конечном итоге собираясь в замкнутую белковую оболочку [12].
У фаустовирусов с двуслойным капсидом, мотив jelly-roll имеется только у белков верхнего слоя [6].
Таксономическое положение гигантских вирусов еще не до конца определено, и многие недавно описанные виды, роды и даже семейства гигантских вирусов еще не получили официального признания Международным комитетом по таксономии вирусов (англ. International committee on virus taxonomy, ICTV). Пока ICTV признал два семейства гигантских вирусов: Mimiviridae и Marseilleviridae. В 2012 году было предложено объединить гигантских вирусов и NCLDV в новый порядок - Megavirales. Таким образом, в порядок Megavirales входят мимивирусы, марселевирусы, асковирусы, асфарвирусы, иридовирусы, фикоднавирусы и поксвирусы [6].
Жизненные циклы
Большинство известных на данный момент гигантских вирусов поражает амеб рода Acanthamoeba. Однако неизвестно, есть ли у них другие хозяева. Эти амебы питаются самыми разнообразными микроорганизмами: бактериями, дрожжами и другими грибами, вирусами и водорослями, поэтому в их цитоплазме находится много чужеродной ДНК. Вероятно, мозаицизм геномов гигантских вирусов обусловлен интенсивным горизонтальным переносом генов от «соседей по клетке». Некоторые гигантские вирусы описаны у другого вида амеб - V. vermiformis. Ряд далеких родственников мимивирусов заражает морских жгутиконосцев и одноклеточных водорослей. Попытки использовать для выращивания гигантских вирусов клетки, отличные от амеб, пока не увенчались успехом.
Однако имеются некоторые свидетельства, что гигантские вирусы могут обитать не только в амебах. Например, эксперименты показали, что мимивирусы могут проникать в фагоцитирующие клетки (моноциты и макрофаги) человека и мыши, а у мышей даже описали мимивирусную инфекцию, затронувшую макрофаги. Показано также, что мимивирус может размножаться в одноядерных периферических кровяных клетках человека, стимулируя выделение интерферона I типа и подавляя экспрессию генов, стимулируемых интерфероном, в этих клетках. Кроме того, марселевирусы могут проникать в иммортализованные человеческие Т-лимфоциты, и их даже удалось обнаружить в макрофагах из лимфоузлов [6].
Жизненный цикл гигантских вирусов длится от 6 до 24 часов. Как правило, вирусы оказываются в клетке посредством фагоцитоза, однако марселевирусы могут попадать в цитоплазму при помощи эндоцитоза. Этим гигантские вирусы значительно отличаются от остальных вирусов, которые проникают в клетку после взаимодействия с рецепторами на ее поверхности. После попадания вириона в цитоплазму его внутренняя мембрана, залегающая под капсидом, сливается с мембраной везикулы, и содержимое вириона изливается в цитоплазму. После этого начинается формирование вирусных фабрик - особых зон цитоплазмы, где проходят репликация вирусной ДНК и сборка вирусных частиц (рис. 12). Нередко при инфицировании гигантскими вирусами изменяется и морфология ядра. В клетках, зараженных пандоравирусом или молливирусом, наблюдаются впячивания ядерной оболочки, а в случае молливируса вирусные фабрики даже попадают в ядро. По сути, вирусная фабрика становится функциональным ядром клетки, зараженной вирусом (вироклетки).
Рисунок 12. Вирусные фабрики в клетках Acanthamoeba castellanii. а - Амеба, зараженная мимивирусом. б - Вирусная фабрика мимивируса. в - Внешняя граница вирусной фабрики мимивируса. Голубыми стрелками помечены вирионы мимивируса, а желтыми - вирофага. г - Амеба, зараженная марселевирусом.
[6]
Сборка вирионов у гигантских вирусов происходит по-разному. В случае мимивирусов образование внутренней мембраны, сборка капсида, упаковка ДНК и сборка фибрилл происходят последовательно и сопровождаются перемещением вирионов из центра вирусной фабрики к ее краям. У пандоравирусов и молливируса сборка оболочки и внутреннего содержимого вириона происходят одновременно. Выход вирионов гигантских вирусов сопровождается лизисом клетки амебы, и только вирионы молливируса покидают клетку посредством экзоцитоза (рис. 13) [6].
Рисунок 13. Схемы жизненных циклов некоторых гигантских вирусов: а - мимивируса, б - пифовируса, в - пандоравируса, г - молливируса.
[20]
Судя по наличию в геномах гигантских вирусов генов, кодирующих белки транскрипции и трансляции, в плане репликации они в той или иной мере независимы от клетки-хозяина. Впрочем, пандоравирусы, молливирус и один из марселевирусов лишены белков, связанных с транскрипцией, поэтому для их репликации все-таки необходимо ядро амебы. В случае одного представителя марселевирусов транскрипция начинается в вирусной фабрике, но, по-видимому, за счет привлечения транскрипционного аппарата клетки-хозяина [6].
Богатые тоже плачут: что угрожает гигантским вирусам
Через пять лет после установления вирусной природы мимивируса стало ясно, что жизнь гигантских вирусов далеко не безоблачна. Вместе с открытием нового члена семейства мимивирусов, мамавируса, был открыт первый вирофаг - вирус, размножение которого зависит от вируса-хозяина. В вирусных фабриках мамавируса обнаружили маленькие икосаэдрические вирионы, не похожие на вирионы мамавируса. Новый вирус получил название «вирофаг Спутник» (рис. 14).
Рисунок 14. Изображение вириона вирофага Спутник, полученное с помощью криоэлектронной микроскопии
[21]
Геномы вирофагов представлены кольцевой ДНК длиной от 17 до 29 тысяч пар оснований и содержат 16-34 гена, из которых некоторые гомологичны генам гигантских вирусов. После Спутника описали еще несколько вирофагов, размножающихся при участии мимивирусов всех трех линий (А, В и С). Настоящим сюрпризом стало открытие вирофага, который мог паразитировать только на мимивирусах линий В и С; мимивирусы линии А были к нему устойчивы.
Загадочный вирофаг получил название Замилон. Еще более удивительным стал тот факт, что в геноме мимивирусов линии А нашли последовательности, принадлежащие Замилону. Образуемый ими кластер получил название MIMIVIRE (от mimivirus virophage resistant element) , и вначале считалось, что принцип его работы схож с работой бактериальных систем CRISPR/Cas, обеспечивающих защиту от бактериофагов. Тем не менее последние исследования говорят о том, что MIMIVIRE не имеет к CRISPR/Cas никакого отношения. Любопытно, что копии геномов вирофагов обнаружены в геноме морской хлорарахниофитовой водоросли Bigelowiella natans [6].
Гигантские вирусы страдают не только от вирофагов. В 2012 году в геноме одного из мимивирусов были найдены мобильные генетические элементы, получившие название «трансповироны». Трансповироны состоят из семи тысяч пар оснований и содержат 6-8 белоккодирующих генов, а на их концах находятся длинные инвертированные повторы. Все трансповироны кодируют белки, содержащие хеликазный домен I типа и домен с цинковыми пальцами типа Cys2His2 (C2H2). По-видимому, для размножения трансповироны используют как собственные белки, так и белки вируса-хозяина. Трансповироны выявляются даже в геномах вирофагов, вставленных в геном водоросли B. natans [14]. Мы уже упоминали, что мобильные генетические элементы (известные как MITEs) выявлены в геноме Pandoravirus salinus. Как и трансповироны, они имеют концевые инвертированные повторы, но не кодируют никаких белков [15].
Положение гигантских вирусов в системе живого мира
Одной из самых необычных черт, отделяющих гигантских вирусов от прочих вирусов, является наличие генов, продукты которых задействованы в трансляции. У тупанвирусов имеется даже полный комплект белков и РНК, необходимых для трансляции, кроме компонентов рибосом. Дидье Рауль (впервые изучивший мимивирус) высказал предположение, что гигантские вирусы возникли как результат эволюционной редукции древней клетки и представляют собой четвертый домен жизни, наряду с археями, бактериями и эукариотами [16]. Возможно, что во время возникновения гигантских вирусов на Земле обитали несколько независимо возникших линий клеточных организмов, из которых до наших дней дожила одна, а гигантские вирусы могут быть потомками одной из вымерших линий.
Однако в строгом смысле слова гигантские вирусы не могут являться доменом, поскольку разделение клеточных организмов на три домена было осуществлено путем сравнения генов рРНК, которых у гигантских вирусов нет. Поэтому в 2013 году Дидье Рауль предложил отказаться от системы трех доменов и перейти к системе четырех TRUC - аббревиатура от Things Resisting Uncompleted Classification (с англ. - «сущности, не поддающиеся незавершенной классификации»). Таким образом всю земную жизнь можно подразделить на четыре TRUC: эукариоты, бактерии, археи и гигантские вирусы. При этом остальные вирусы по-прежнему остаются «за бортом» системы живого мира. Выделение гигантских вирусов в отдельную ветвь жизни скептически встретил Евгений Кунин, который считает, что обособление гиганстких вирусов связано с ошибками реконструкции филогении, а большое число генов, общих с клеточными организмами, есть результат горизонтального переноса [17].
Стоит подчеркнуть, что гигантские вирусы можно смело называть микробами, так как микробы, по определению, - это организмы, различимые в световой микроскоп, что в полной мере относится к гигантским вирусам [4].
Гигантские вирусы и происхождение эукариот
Тот факт, что вирусная фабрика гигантских вирусов, по сути, является ядром зараженной клетки (вироклетки), наводит на мысль, что эволюция гигантских вирусов и эволюция эукариот могут быть тесно связаны. На самом деле, сходство вирусной фабрики и клеточного ядра отнюдь не поверхностно: обе структуры залегают в цитоплазме, и часто вирусные фабрики окружают себя мембранами эндоплазматического ретикулума, которые служат источником мембран для вирионов. У многих NCLDVs вирусные фабрики собираются вблизи центра организации микротрубочек, который задействован в делении ядра. С помощью атомно-силовой микроскопии было показано, что вирусные фабрики также образуются при слиянии везикул, произошедших от впячивания ядерной оболочки. Наконец, молливирус и отчасти пандоравирусы используют в качестве вирусной фабрики само ядро, а в роли источника для внутренних мембран вирионов - ядерные мембраны [18].
Можно предположить, что клеточное ядро произошло от вирусной фабрики древнего NCLDV, размножавшегося в протоэукариотической клетке. После этого вирусный геном слился с геномом протоэукариотической клетки и утратил способность к формированию вирионов, навеки став частью эукариотического генома [18].
Предлагали и другой сценарий, согласно которому гигантские вирусы, наоборот, произошли от ядра древней эукариотической клетки. На первый взгляд, трудно представить, как может клеточное ядро стать вирионом. Однако можно предположить, что клеточное ядро стало вирусной фабрикой, после того как в нем появились гены, необходимые для формирования вирионов. Впрочем, неясно, каким образом в вирион могла упаковаться целая хромосома [18].
Согласно третьей гипотезе, клеточное ядро появилось в результате взаимодействия протоэукариотической клетки с вирусом в качестве защитной структуры. Ядро давало возможность обезопасить репликацию и транскрипцию генома клетки от действия вируса, однако в ходе эволюции большинство вирусов научилось преодолевать эту преграду (рис. 15) [18].
Рисунок 15. Схема, иллюстрирующая возможные гипотезы вирусного эукариогенеза. а - Ядро произошло от вириона, возможно, после его слияния с предковым ядром. б - Ядро сформировалось из вирусной фабрики. в - Вирусная фабрика произошла от ядра, которое приобрело способность к производству вирионов.
[18]
Гигантские вирусы и человек
Судя по всему, гигантские вирусы распространены в природе очень широко: их удалось обнаружить в пробах морской и пресной вод, а также почвы, собранных по всему миру. Их амебы-хозяева также распространены очень широко и часто обитают рядом с человеком. Некоторых гигантских вирусов, а именно, мимивирусов, удалось выделить из различных животных: устриц, пиявок, мартышек и коров. Марселевирус выделили из двукрылых насекомых, а фаустовирус однажды был найден в организме мокреца [19]. В связи с этим возникает вопрос: а в каких отношениях состоят гигантские вирусы и человек, как они взаимодействуют? Могут ли гигантские вирусы вызывать заболевания у человека?
Гигантские вирусы не раз и не два обнаруживали в биологических материалах, взятых от людей. Они были выявлены в кале и крови здоровых людей, соскобах верхних дыхательных путей больных пневмонией и даже в жидкости для контактных линз, использовавшихся пациентами с кератитом. В 2013 году марселевирус обнаружили в крови и лимфоузлах одинадцатимесячного ребенка, страдавшего от аденита. Гигантские вирусы часто выявляют в метагеномных данных, связанных с человеком. Так, последовательности, вероятно, принадлежащие мимивирусам, обнаружены в человеческом кале и копролитах, слюне, слизистой вагины. Последовательности, относящиеся к вирофагам, найдены в желудочно-кишечном тракте. Пандоравирусы, пифовирус и фаустовирус были выявлены в плазме крови пациентов, страдающих от разных патологий печени [19].
Мы уже отмечали, что мимивирусы могут проникать в человеческие и мышиные фагоциты. Показано, что в течение 30 часов после попадания мимивируса в мышиный макрофаг количество вирусной ДНК в клетке значительно увеличивалось, а экстракт из зараженных макрофагов приводил к лизису амеб. Также обнаружили, что мимивирус может размножаться в одноядерных клетках периферической крови человека и подавлять в этих клетках экспрессию генов, стимулированных интерфероном. Через 21 день после заражения марселевирусом иммортализованных человеческих Т-лимфоцитов в них удалось выявить не только вирусную ДНК, но и целые вирионы. Таким образом, гигантские вирусы могут успешно размножаться и вне амеб [19].
Как известно, мимивирус был обнаружен случайно при исследовании причин вспышки пневмонии. Действительно, в плазме крови пациентов с пневмонией мимивирусы обнаруживают в существенно бóльшем количестве, чем у здоровых людей. У пациентов, заразившихся пневмонией уже в больнице, в крови выявляли многочисленные антитела против мимивируса. При этом независимые исследования показали, что в больницах мимивирусы присутствуют в гораздо бóльшем количестве, чем в обычных помещениях. Был описан один любопытный случай заболевшего пневмонией лаборанта, который много работал с мимивирусом голыми руками. В его крови обнаружили антитела к 23 белкам мимивируса, из которых 4 были уникальны для мимивируса. Похожая история произошла в 1968 году с лаборантом, не соблюдавшим правила безопасности при работе с вирусом Эпштейна-Барр, который в итоге заболел инфекционным мононуклеозом. Теперь мы знаем, что инфекционный мононуклеоз вызывается именно вирусом Эпштейна-Барр. У двух пациентов, вернувшихся во Францию из поездки в Лаос и страдавших от астении, лихорадки, миалгии и тошноты, в крови выявили антитела к вирофагу Спутник, который, как известно, паразитирует на мимивирусах [19].
Таким образом, на данный момент однозначно записать гигантских вирусов в список человеческих патогенов еще рано, однако можно определенно сказать, что они замешаны в патогенезе многих заболеваний человека.
Литература
[Литература]
- Вирусы. Раскрась вирусные частицы;
- Вирусы с большой дороги;
- …А на блохе - блошиночка поменьше;
- Sarah Aherfi, Philippe Colson, Bernard La Scola, Didier Raoult. (2016). Giant Viruses of Amoebas: An Update. Front. Microbiol.. 7;
- 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
- Philippe Colson, Bernard La Scola, Didier Raoult. (2017). Giant Viruses of Amoebae: A Journey Through Innovative Research and Paradigm Changes. Annu. Rev. Virol.. 4, 61-85;
- 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
- Паразит паразиту враг;
- Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов;
- Matthieu Legendre, Elisabeth Fabre, Olivier Poirot, Sandra Jeudy, Audrey Lartigue, et. al.. (2018). Diversity and evolution of the emerging Pandoraviridae family. Nat Commun. 9;
- Jônatas Abrahão, Lorena Silva, Ludmila Santos Silva, Jacques Yaacoub Bou Khalil, Rodrigo Rodrigues, et. al.. (2018). Tailed giant Tupanvirus possesses the most complete translational apparatus of the known virosphere. Nat Commun. 9;
- Shanshan Cheng, Charles L. Brooks. (2013). Viral Capsid Proteins Are Segregated in Structural Fold Space. PLoS Comput Biol. 9, e1002905;
- MIMIVIRE: как мимивирусы защищаются от вирофагов;
- Adrien Villain, Lucie Gallot-Lavallée, Guillaume Blanc, Florian Maumus. (2016). Giant viruses at the core of microscopic wars with global impacts. Current Opinion in Virology. 17, 130-137;
- Cheng Sun, Cédric Feschotte, Zhiqiang Wu, Rachel Lockridge Mueller. (2015). DNA transposons have colonized the genome of the giant virus Pandoravirus salinus. BMC Biol. 13;
- Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?;
- Natalya Yutin, Didier Raoult, Eugene V Koonin. (2013). Virophages, polintons, and transpovirons: a complex evolutionary network of diverse selfish genetic elements with different reproduction strategies. Virology Journal. 10, 158;
- Patrick Forterre, Morgan Gaïa. (2016). Giant viruses and the origin of modern eukaryotes. Current Opinion in Microbiology. 31, 44-49;
- Philippe Colson, Sarah Aherfi, Bernard La Scola, Didier Raoult. (2016). The role of giant viruses of amoebas in humans. Current Opinion in Microbiology. 31, 199-208;
- Chantal Abergel, Matthieu Legendre, Jean-Michel Claverie. (2015). The rapidly expanding universe of giant viruses: Mimivirus, Pandoravirus, Pithovirus and Mollivirus. FEMS Microbiology Reviews. 39, 779-796;
- S. Sun, B. La Scola, V. D. Bowman, C. M. Ryan, J. P. Whitelegge, et. al.. (2010). Structural Studies of the Sputnik Virophage. Journal of Virology. 84, 894-897.
via