В течение миллионов лет вирусы участвовали в обширном бизнесе импорта-экспорта, обмениваясь фрагментами себя как с вирусными, так и с невирусными агентами и приобретая новые свойства. Недостаток внешней сложности этих крошечных объектов компенсируется их удивительными способностями заменять модульные геномные компоненты и постоянно заново изобретать себя.
В новом исследовании, опубликованном в журнале mBio, Арвинд Варсани и его коллеги изучают недавно обнаруженный класс вирусов, которые подняли характерную универсальность вирусного мира на новую высоту.
Называемые круцивирусами, эти мельчайшие формы обнаруживают слияние компонентов как РНК-, так и ДНК-вирусов, доказывая, что эти ранее разные геномные домены могут при надлежащих условиях смешиваться, образуя гибридный или химерный вариант вируса.
Варсани, вирусолог из Центра биодизайна фундаментальной и прикладной микробиомики Университета штата Аризона, глубоко заинтригован этими новыми вирусами, которые начинают появляться в большем изобилии и разнообразии в самых разных средах.
«Приятно видеть, что исследовательские группы, которые примерно в одно и то же время впервые выявили круцивирусы, объединяются для обмена и анализа метагеномных данных с целью выявления большего разнообразия круцивирусов», - говорит Варсани, доцент. со Школой естественных наук АГУ.
Новый вирус в городе
Последовательности круцивирусов были идентифицированы коллегой Варсани и соавтором Кеннетом М. Стедман и его группа в Портлендском государственном университете. Команда обнаружила, что вирусы процветают в экстремальных условиях - на озере Бойлинг-Спрингс (BSL) в вулканическом национальном парке Лассен в Северной Калифорнии. Примерно в то же время исследовательская группа Варсани и Майи Брейтбарт идентифицировала крестовирус в образце стрекозы из Флориды.
С момента открытия в 2012 году крестовирусы были обнаружены в самых разных средах по всему миру, от озер в северной части штата Нью-Йорк и Флориды до антарктических и глубоководных отложений. До настоящего исследования было идентифицировано около 80 различных круцивирусов, что увеличивает их число до 461.
Первые круцивирусы были идентифицированы с использованием метода, известного как вирусная метагеномика, при котором вирусный генетический материал, полученный непосредственно из окружающей среды, секвенируется, а не культивируется из вида-хозяина или природного резервуара.
Результаты этих ранних исследований выявили своеобразные генетические последовательности, радикально отличные от всего, что наблюдалось ранее. Эти последовательности явно демонстрировали сигнатуру ДНК-вируса, но также содержали ген, который, по-видимому, произошел от РНК-вируса.
Вирусная метагеномика позволяет исследователям идентифицировать все геномные паттерны, присутствующие в образце окружающей среды, а затем выделять отдельные вирусные последовательности, подобно рыбаку, извлекающему множество морских последовательностей. существа из его сети.
Эта методика произвела революцию в вирусологии. В дополнение к выявлению целой галактики ранее неизвестных вирусов метагеномика дала интересные сведения о генетическом разнообразии и помогает раскрыть некоторые секреты эволюции вирусов, и все это без необходимости первоначального выделения вирусных видов или культивирования вирусов в лаборатории.
Форма и функция
Круцивирусы принадлежат к более широкому классу вирусов, известных как CRESS, ДНК-вирусы, которые недавно были отнесены к типу Cressdnaviricota. Определяющей характеристикой таких вирусов является их способ репликации, основанный на специфическом компоненте, известном как белок Rep. Белок Rep важен для управления методом репликации этих вирусов, известным как репликация ДНК по катящемуся кругу. Присутствие белка Rep и репликация по катящемуся кругу указывает на то, что вирус принадлежит к cressdnaviruses, и помогает исследователям распутать дьявольски сложные отношения и родословные, обнаруженные в вирусном мире.
В дополнение к Rep, обнаруживаемому в крессднавирусах, крузивирусы содержат еще одну центрально важную особенность - капсидный белок, аналогичный тому, который ранее обнаруживался только у РНК-вирусов. Капсиды жизненно важны, так как образуют внешнюю оболочку или оболочку, заключающую в себе идентичность вируса - его генетическую последовательность. Капсид укрывает жизненно важные нуклеиновые кислоты, изолированные внутри от переваривания ферментами клетки-хозяина, позволяет вирусным частицам прикрепляться к клеткам-хозяевам и позволяет вирусам уклоняться от защиты клеток-хозяев. Наконец, капсиды обладают особыми особенностями, которые придают вирусу способность прокалывать мембрану клетки-хозяина и вводить вирусную нуклеиновую кислоту в цитоплазму клетки.
Анализ показывает, что капсидный белок крестовирусов тесно связан с капсидным белком другого вируса из семейства Tombusviridae - вируса с одноцепочечной РНК, который, как известно, заражает растения. Этот гибридный вирусный характер, содержащий компоненты кодирования ДНК- и РНК-вируса, делает круцивирусы такими уникальными.
Неопределенное происхождение
Но как заурядный cressdnavirus приобрел свою последовательность, кодирующую капсидный белок РНК-вируса? Это остается предметом серьезных споров, хотя предположительно имела место некоторая форма латерального переноса генов.
Вирусы могут приобретать гены от своих непосредственных предшественников, подобно тому, как генетические признаки передаются от человеческих родителей их потомству. Вирусы, однако, гораздо более генетически беспорядочны, собирая новые гены из клеток, которые они заражают, из других неродственных вирусов и даже из бактериальных симбионтов. (Это явление также распространено среди бактерий, которые могут использовать горизонтальный перенос генов для приобретения устойчивости к антибиотикам.)
С помощью какого-то такого механизма крессднавирус приобрел капсидоподобный ген РНК-вируса, создав первый круцивирус. Также представляется, что различные круцивирусы активно обменивались функциональными элементами между собой, что еще больше запутало их эволюционную историю.
Хотя КАК рекомбинация ДНК-РНК крузивируса остается загадочной, ПОЧЕМУ она может быть более простой. Ясно, что способность заимствовать генетические признаки из таких отдаленно родственных вирусных источников может дать одноцепочечным ДНК-вирусам значительное адаптивное преимущество.
Коллекционное издание
В текущем исследовании исследователи изучили обширный набор данных, включая 461 круцивирус и 10 кольцевых генетических элементов, кодирующих капсид, идентифицированных из различных сред и организмов, что делает это исследование наиболее масштабным исследованием последовательностей круцивирусов, которое когда-либо проводилось.
Образцы были обнаружены в различных средах, от озер с умеренным климатом до вечной мерзлоты, и скрывались в организмах, включая красные водоросли и беспозвоночных. Исследование указывает на супергруппу stramenopiles/alveolates/Rhizaria или SAR (разнообразное сообщество эукариот, включая множество фотосинтезирующих организмов) как на вероятных кандидатов-хозяев для этих необычных вирусов, хотя это еще предстоит проверить.
Изучив множество последовательностей, исследователи собрали сети сходства крестовирусных белков с родственными вирусами, чтобы попытаться лучше понять извилистые эволюционные пути, которые, возможно, привели к их возникновению, обнаружив богатое перекрестное опыление вирусных признаков между многие большие семейства вирусов, включая Geminiviridae, Circoviridae, Nanoviridae, Alphasatellitidae, Genomoviridae, Bacilladnaviridae, Smacoviridae и Redondoviridae.
Остаются интригующие вопросы
Выводы могут пролить свет на ранний переход от РНК как основной наследственной молекулы жизни к принятию более сложных геномов ДНК, которые стали доминировать в жизни в клеточном мире. Существование и поведение круцивирусов позволяют предположить, что вирусы могли играть решающую роль в этом крайне важном переходе, действуя как своего рода геномный мост между мирами РНК и ДНК, во время самого раннего появления жизни, хотя требуется гораздо больше работы, чтобы выяснить это. изучить эти возможности.
Рекомбинируя в бесконечные формы, вирусы стали самыми вездесущими биологическими существами на планете, поражающими каждый живой организм и занимающими все экологические ниши. Все чаще вирусы проявляют себя не только как возбудители болезней, но и как движущие силы эволюции видов и жизненно важные участники формирования экосистем.
Расширенные возможности крестовирусов заимствовать геномные элементы из самых отдаленных регионов пространства вирусных последовательностей позволяют предположить, что совершенно новые вирусные группы могут возникать в результате многочисленных событий рекомбинации между отдаленно родственными формами.