Сравнение живой клетки с вирусом немного похоже на сравнение Сикстинской капеллы с собачьей конурой на заднем дворе. Не имея сложного механизма живых клеток, вирусы представляют собой биологию, урезанную до предела. Они настоящие минималисты биологического мира.
Тем не менее, область вирусологии полна оставшихся без ответа вопросов об этих архитектурно простых, но загадочных объектах. В новом исследовании Арвинд Варсани, молекулярный вирусолог из Университета штата Аризона, присоединяется к престижной международной команде для изучения определенного класса вирусов, выискивая генетические фрагменты, раскрывающие сложности вирусной эволюции.
Новое исследование изучает эволюционную динамику кольцевых Rep-кодирующих одноцепочечных ДНК-вирусов (CRESS). Полученные данные показывают, что этот широкий класс одноцепочечных ДНК-вирусов, поражающих все три клеточных домена жизни, приобрел свои генетические компоненты в результате сложных эволюционных процессов, не связанных с одним событием предков. Скорее, вирусы являются навязчивыми заемщиками, присваивающими генетический материал из многих источников, включая бактериальные, архейные и эукариотические клетки, а также кольцевые паразитические репликоны, известные как плазмиды, и другие мобильные генетические элементы, такие как транспозоны..
Когда группа мобильных элементов, таких как ДНК-вирусы CRESS, возникает более чем от одного общего эволюционного предка или группы предков, они известны как полифилетические. Это явление распространено в вирусном мире и представляет как проблемы, так и возможности для исследователей, поскольку определения, таксономии и эволюционные траектории этой обширной области пересматриваются с помощью новых мощных методов.
Лучшее понимание беспорядочного обмена генетической информацией между различными вирусами и полученными из клеток генетическими фрагментами может однажды улучшить усилия по контролю над этими паразитическими существами, некоторые из которых оказали разрушительное воздействие на благополучие человека и урожайность.
Такие исследования также могут пролить новый свет на происхождение самой ранней жизни на Земле и решить вопрос о том, как клеточная жизнь сосуществовала с ошеломляющим множеством вирусов на планете (получивших название вирома).
«За последнее десятилетие мы обнаруживали вирусы в различных экосистемах, используя метагеномные подходы и в результате заполняя базы данных ДНК вирусов CRESS», - говорит Варсани. «Это проложило путь для глобального анализа ДНК-вирусов CRESS, позволяющего понять происхождение этих и других родственных вирусов».
Варсани - исследователь Центра биодизайна механизмов эволюции, Центра фундаментальной и прикладной микробиомики, а также Школы наук о жизни АГУ.
Он объединяется с Дарюсом Казлаускасом, Институт биотехнологии, Центр наук о жизни, Вильнюсский университет, Литва; Юджин В. Кунин, Национальные институты здравоохранения, Бетесда, Мэриленд; и Март Крупович, кафедра микробиологии, Институт Пастера, Франция.
Новое исследование опубликовано в текущем выпуске журнала Nature Communications.
Мир вирусов
Недавние исследования в области геномики окружающей среды показали, что наиболее распространенными биологическими объектами на Земле являются вирусы, количество вирусных частиц которых превышает число клеток на один-два порядка. Они демонстрируют необычайное разнообразие и приспособились практически ко всем земным условиям. Их также можно считать наиболее успешными биологическими игроками с точки зрения их потенциала роста, изобилия, биоразнообразия, приспособляемости и воздействия.
Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты - либо РНК, либо ДНК - окруженной защитной оболочкой, известной как капсид. Описание работы каждого вируса простое: проникнуть в живую клетку, захватить ее метаболический механизм и произвести потомство.
Вирусы заметно отличаются от клеток, принадлежащих к бактериальным, эукариотическим и архейным царствам, особенно с точки зрения их способов репликации. В то время как вся клеточная жизнь основана на наследовании двухцепочечной ДНК, вирусы могут быть одноцепочечными или двухцепочечными и использовать ДНК или РНК в качестве своего генетического материала. Кроме того, их геномы могут быть кольцевыми или линейными, состоящими из одной или нескольких молекул. У вирусов нет единого общего предка, и действительно, ни один ген не сохраняется во всем вироме, что делает вирусы своего рода генетическим коллажем.
Вирусная метагеномика, иногда называемая дробовым секвенированием, открыла новое окно в мир вирусов. Это позволяет исследователям, таким как Казлаускас, Кунин, Крупович и Варсани, исследовать сложные вирусные сообщества без каких-либо предварительных знаний о вирусах, присутствующих в образце окружающей среды. Этот метод полезен для исследования впечатляющего глобального разнообразия вирусов, многие из которых трудно или невозможно культивировать в лабораторных условиях.
Успех через эгоизм
Среди вирусов, освещенных вирусной метагеномикой, есть ДНК-вирусы CRESS. Когда-то считавшиеся редкими, такие вирусы с тех пор были обнаружены в почве, глубоководных жерлах, антарктических озерах и прудах, образцах сточных вод, океанах и горячих источниках. ДНК-вирусы CRESS являются частью обширной и разнообразной вирусной супергруппы, которая имеет решающее значение как с медицинской, так и с экономической точки зрения.
ДНК-вирусы CRESS можно идентифицировать с помощью специфического белкового фермента, известного как Rep. Этот белок играет решающую роль в механизме репликации генома, характерном для ДНК-вирусов CRESS, а также разнообразных кольцевых плазмид, обнаруженных у бактерий и архей. Исследователи недавно отметили, что ген rep сохраняется во всех ДНК-вирусах CRESS. Среди их биологических задач - разрезание и воссоединение одноцепочечных сегментов ДНК - деятельность, необходимая для механизма репликации, известного как репликация по катящемуся кругу..
Процесс катящегося круга начинается, когда белок Rep разрывает одну из цепей в форме двухцепочечной ДНК вирусного генома, инициируя последовательность репликации. Свободная одиночная цепь, созданная разрывом, удлиняется с помощью ДНК-полимеразы хозяина, используя цепь без разрыва в качестве матрицы.
В конце концов, вновь синтезированная одноцепочечная ДНК полностью диссоциирует от исходной двухцепочечной формы, и ее концы соединяются вместе в новый одноцепочечный цикл с помощью Rep. Затем может образоваться комплементарная цепь, создание новой двухцепочечной единицы (см. рисунок 1). Этот процесс позволяет быстро синтезировать множество копий кольцевой ДНК.
Рекомбинация различных функциональных модулей из различных вирусных и плазмидных групп, полученных из виросферы, представляет собой непрерывный процесс, который постоянно генерирует новые вирусы с одноцепочечной ДНК. В текущем исследовании изучается сходство последовательностей между различными ДНК-вирусами CRESS и невирусными репликонами, такими как плазмиды, в сочетании с филогенетическими инструментами, используемыми для изучения их эволюционных отношений..
Результаты показывают три различных эволюционных события, влияющих на генетический состав вирусов CRESS-DNA. Интригующее родство, по-видимому, существует между вирусами CRESS-DNA и плазмидами с катящимся кругом, обнаруженными у бактерий, архей и некоторых эукариот. Новые результаты помогают пролить свет на расширяющуюся плеяду вирусов с одноцепочечной ДНК, которые реплицируются с использованием механизма катящегося круга, среди которых вирусы CRESS-ДНК.
«Удивительно видеть все эти эволюционные связи между вирусами и невирусными эгоистичными репликонами, которые когда-то считались несвязанными», - говорит Крупович. «В результате общие механизмы эволюции вирусов, а также глобальная организация огромного вирусного мира начинают разваливаться».