Вирусы повсеместно присутствуют в мире. Их популяция оценивается в 1031, что в 10 раз больше, чем нониллион (1030) микробов на планете - цифра, которая превосходит количество звезд Млечного Пути. Гигантские вирусы характеризуются непропорционально большими геномами и вирионами, содержащими генетический материал вирусов. Они могут кодировать несколько генов, потенциально участвующих в биосинтезе белков, и эта уникальная особенность привела к расхождению гипотез о происхождении этих вирусов. Но после открытия новой группы гигантских вирусов с более полным набором генов машин трансляции, чем у любого другого вируса, известного на сегодняшний день, ученые из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) считают, что что эта группа (получившая название «вирусы Клоснеу») значительно расширяет наше понимание эволюции вирусов.
Предполагаемыми хозяевами клоснеувирусов являются протисты (одноклеточные эукариотические (содержащие ядро) микроорганизмы), и хотя их прямое воздействие на протистов еще не изучено, считается, что эти гигантские вирусы оказывают большое влияние на эти протисты, которые помогают регулировать биогеохимические циклы планеты. 7 апреля 2017 года Министерство энергетики JGI опубликовало результаты в журнале Science совместно с сотрудниками из Национальных институтов здравоохранения, Венского университета и Калифорнийского технологического института.
«Открытие представляет нам эволюцию вирусов по-новому, значительно расширяя наше понимание того, сколько основных генов-хозяев вирусы могут захватывать в ходе своей эволюции», - сказал биолог-эволюционист и специалист по вычислительной технике Национального института здравоохранения Юджин Кунин, соавтор исследования. - автор, чья лаборатория сотрудничала с DOE JGI при анализе генома Klosneuvirus.«Поскольку синтез белка является одним из наиболее заметных признаков клеточной жизни, это показывает, что эти новые вирусы более «подобны клетке», чем любой вирус, который кто-либо когда-либо видел».
Ученые были очарованы гигантскими вирусами с 2003 года, когда группа французских биологов во главе с Дидье Раулем открыла мимивирусы. С тех пор было обнаружено несколько других гигантских групп вирусов. Уникальная их способность кодировать белки, участвующие в трансляции (обычно ДНК в РНК в белок), вызвала интерес исследователей к происхождению гигантских вирусов. С тех пор возникли две эволюционные гипотезы. Один утверждает, что гигантские вирусы произошли от древней клетки, возможно, из вымершего четвертого домена клеточной жизни. Другой сценарий, поддерживаемый Кунином, представляет идею о том, что гигантские вирусы возникли из более мелких вирусов.
Открытие Klosneuvirus подтверждает последнюю идею, по словам Тани Войк, руководителя программы микробной геномики JGI Министерства энергетики США и старшего автора статьи.«В этом сценарии меньший вирус инфицировал разных эукариот-хозяев и собирал гены, кодирующие компоненты механизма трансляции, из независимых источников в течение длительных периодов времени путем постепенного приобретения», - сказала она..
На первый взгляд набор «клеточных» генов у Klosneuvirus, казалось, имел общее происхождение, но при детальном анализе группа исследователей обнаружила, что они происходят от разных хозяев. Из эволюционных деревьев, которые команда построила, они заметили, что они приобретались вирусами постепенно, на разных этапах их эволюции. Гены Klosneuvirus содержали ферменты аминоацил-тРНК (переносящие рибонуклеиновую кислоту) со специфичностью в отношении 19 из 20 аминокислот, а также более 20 тРНК и множество факторов трансляции и ферментов, модифицирующих тРНК, - беспрецедентное открытие среди всех вирусов, включая ранее известные гигантские вирусы.
Постдокторский исследователь JGI Фредерик Шульц и Войке обнаружили клоснеувирус при анализе данных о последовательности микроколоний из образца очистных сооружений в Клостернойбурге, Австрия. Эти данные были получены в рамках проекта DOE JGI Community Science Program (CSP), ориентированного на разнообразие нитрифицирующих бактерий для преобразования аммиака в нитраты при очистке промышленных и сточных вод. «Мы ожидали последовательности генома нитрифицирующих бактерий в данных о последовательности микроколонии», - сказал Войк. «Обнаружение генома гигантского вируса вывело проект в совершенно новое и неожиданное, но очень захватывающее направление».
Когда Шульц, первый автор исследования, заметил, что несколько метагеномов имеют вирусное происхождение, он и Войк провели анализы, чтобы определить их источник. Они обнаружили, что группа Klosneuvirus происходит от новой вирусной линии, связанной с мимивирусами.
«Извлечение данных о последовательности в интегрированной системе микробных геномов и микробиомов DOE JGI, которая содержит тысячи метагеномов, позволило нам найти эволюционных родственников нашего Клоснеувируса», - сказал Шульц. Он отмечает, что, хотя метагеномное открытие клоснеувирусов помогло ответить на важные эволюционные вопросы, реальная биологическая функция генов системы трансляции остается неясной - по крайней мере, до тех пор, пока эти вирусы не будут выращены в лаборатории вместе с их хозяевами.
И Кунин считает, что есть еще гигантские вирусы, ожидающие своего открытия в метагеномных данных. «Я совершенно уверен, что текущий рекорд размера генома гигантских вирусов будет побит», - говорит он. «Мы увидим настоящих Голиафов гигантского вирусного мира».