Профессор Роберт Синклер из Окинавского института науки и технологий, аспирантура (OIST) и профессор Деннис Бэмфорд и доктор Янне Равантти из Хельсинкского университета нашли новые доказательства в поддержку системы классификации вирусов, основанной на структуре вируса..
Команда разработала новый высокочувствительный вычислительный инструмент-прототип и использовала его для обнаружения сходства в генетическом коде вирусов с похожей внешней структурой, которые не удалось обнаружить с помощью обычных инструментов, предполагая, что они имеют общего предка. Это не то, чего можно было бы ожидать, если бы сходство в структуре вирусов было связано с одинаковым давлением окружающей среды - явление, известное как конвергенция..
Результаты, опубликованные в Journal of Virology, предполагают, что структура вируса может служить средством категоризации вирусов с их близкими родственниками - потенциально лучший подход к современным системам классификации. Применение этой новой системы классификации на основе структуры может упростить выявление и лечение новых вирусов, которые не могут быть легко классифицированы с помощью существующих систем классификации.
Вирусы, как известно, трудно классифицировать из-за их огромного разнообразия, высокой скорости изменений и склонности к обмену генетическим материалом. Они бросают вызов самой концепции четкого различия между живыми и мертвыми, со многими характеристиками, напоминающими характеристики живых существ, но лишенными способности воспроизводить себя без помощи клетки-хозяина. Таким образом, они не вписываются в установленную систему биологической классификации клеточных организмов.
Существующие системы классификации несовершенны и часто приводят к тому, что очень похожие вирусы классифицируются как совершенно разные объекты. Эти системы также не в состоянии учесть тот факт, что вирусы постоянно меняются.
Если бы ученые могли определить что-то, что вирусы не могут изменить, это могло бы стать основой для более осмысленного подхода к классификации и позволить научному сообществу бороться с новыми вирусами, такими как ВИЧ, коронавирус SARS и вирус Зика, больше легко.
Ранее наблюдаемое сходство между белковой оболочкой или «капсидом» вирусов, которая окружает и защищает генетический материал, обеспечивает основу для системы классификации, основанной на структуре капсида, как ранее было предложено профессором Бэмфордом. Несколько способов упаковки вирусов очень похожи даже между вирусами, которые, вероятно, имели своего общего родственника более миллиарда лет назад. Вопрос о том, связано ли это сохранение с конвергенцией или общим происхождением, остается спорным.
Чтобы система классификации, основанная на структуре вирусного капсида, имела смысл, аминокислоты, составляющие строительные блоки белков капсида, должны быть одинаковыми у родственных вирусов. Кажущееся отсутствие достаточного сходства аминокислотных последовательностей, обнаруженное традиционными инструментами анализа последовательностей, ранее подрывало структуру капсида как жизнеспособный способ классификации вирусов.
Используя идеи из математики и компьютерных наук, профессор Синклер из отдела математической биологии OIST совместно с учеными из Хельсинкского университета заново исследовал, действительно ли основанная на структуре классификация вирусных капсидов подтверждается ранее необнаруженным сходством последовательностей.
«Обычные инструменты для обнаружения подобия последовательностей очень быстры, но они могут что-то упустить», - говорит профессор Синклер. «Мы использовали более классический подход, который требует больше времени, но гораздо более чувствителен».
Команда разработала компьютерный прототип инструмента под названием «Хельсинки, Окинава, сходство последовательностей» или сокращенно HOSS, для обнаружения сходства аминокислотных последовательностей в белках вирусной оболочки икосаэдрических вирусных капсидов - полиэдрических капсидах с 20 гранями. Команда также рассмотрела сходство нуклеотидной последовательности.
«Случайным изменением порядка аминокислот и нуклеотидов в парах или триплетах вирусных последовательностей мы использовали статистику, чтобы найти ранее необнаруженные сходства ниже 17% идентичности белковых последовательностей, что намного ниже того, что способны обнаружить обычные инструменты», говорит профессор Деннис Бэмфорд.
Обнаружение чрезвычайно слабого сходства в белках и кодирующих последовательностях с помощью HOSS предполагает, что сходство вирусных капсидов обусловлено общим происхождением, а не конвергенцией, как предполагалось ранее. Это может отражать аспект вирусов, который чрезвычайно трудно изменить, и, следовательно, обеспечивает как жизнеспособный подход к классификации, так и потенциальную терапевтическую мишень.
«Наша работа впервые настолько всесторонне связывает структурные линии с последовательностями», - говорит профессор Синклер.
Команда также продемонстрировала силу своего метода, идентифицировав капсидный ген-кандидат в геноме Pandoravirus salinus, чего не смогла сделать ни одна другая команда.
Теперь, когда исследователи показали, что между вирусами, которые ранее не были обнаружены, есть сходство, дальнейшая работа будет сосредоточена на поиске более эффективных методов извлечения данных, помимо прототипа HOSS.
"Мы также начали переключать наше внимание на РНК-вирусы, примерами которых являются вирусы Зика и Эбола. Геномы РНК-вирусов, как правило, более изменчивы, чем ДНК-вирусы, и поэтому они еще более сложны", говорит профессор Синклер. «Но с помощью утонченного метода это вполне возможно».