Вирусы - это крошечные захватчики, вызывающие широкий спектр заболеваний, от бешенства до вируса пятнистого увядания томатов и, совсем недавно, COVID-19 у людей. Но вирусы могут не только вызывать болезни, и не все вирусы крошечные.
Крупные вирусы, особенно из семейства ядерно-цитоплазматических больших ДНК-вирусов, могут интегрировать свой геном в геном своего хозяина, резко изменяя генетический состав этого организма. Это семейство ДНК-вирусов, также известное как «гигантские» вирусы, известно в научных кругах уже довольно давно, но до сих пор степень их воздействия на эукариотические организмы была окутана тайной.
Вирусы играют центральную роль в эволюции жизни на Земле. Один из способов, которым они формируют эволюцию клеточной жизни, - это процесс, называемый эндогенизацией, когда они вводят новый геномный материал в своих хозяев. Когда гигантский вирус эндогенизируется в геном водоросли-хозяина, она создает огромное количество сырья для эволюции», - сказал Фрэнк Эйлуорд, доцент кафедры биологических наук Вирджинского технологического колледжа науки и член Глобального Центр изменений, расположенный в Институте наук о жизни Фралина.
Мохаммад «Монир» Монируззаман, исследователь с докторской степенью в лаборатории Эйлуорда, изучает эндогенные вирусные элементы, которые представляют собой фрагменты или целые последовательности необработанной вирусной ДНК, вставленные в геном инфицированного хозяина.
Вместе Эйлуорд и Монируззаман недавно обнаружили, что эндогенные вирусные элементы, происходящие от гигантских вирусов, гораздо чаще встречаются в хлорофитных зеленых водорослях, чем считалось ранее.
Их выводы были недавно опубликованы в журнале Nature.
Хлорофиты, группа зеленых водорослей, являются важной группой фотосинтезирующих организмов, которые лежат в основе пищевой цепи во многих экосистемах и производят огромное количество пищи и кислорода по всей планете. Хлорофиты процветают в наших озерах и прудах, и их динамика с гигантскими вирусами, а также их уникальная эволюционная история были центральными элементами исследований Эйлуорда и Монируззамана..
Хлорофитные водоросли являются близкими родственниками наземных растений, и изучение их взаимодействия с гигантскими вирусами может пролить свет на ту роль, которую вирусы играли в ранней эволюции растений.
Теперь мы знаем, что эндогенные вирусные элементы распространены среди хлорофитов, что наводит на мысль, что растения могут также взаимодействовать с этими гигантскими вирусами. Есть некоторые данные, свидетельствующие о том, что некоторые ранние растения, такие как мох и папоротники, действительно испытали эти события эндогенизации на временной шкале эволюции. Но мы не совсем уверены в масштабах этого явления у других ранних растений», - сказал Монируззаман, первый автор этой опубликованной статьи.
Чтобы узнать больше о преобладании эндогенных вирусных элементов в водорослях, Монируццаман и Эйлуорд провели биоинформатический анализ секвенированных геномов различных групп водорослей.
Они обнаружили, что 24 из 65 проанализированных геномов имели некоторые виды вирусных сигнатур в своих геномах, которые возникли в результате повторной эндогенизации различных вирусов. В одном водорослевом организме, Tetrabaena socialis, исследователи обнаружили, что около 10 процентов его генов произошли от вируса из семейства ядерно-цитоплазматических вирусов с большой ДНК.
Хотя эндогенизация вирусов хорошо изучена, исследования в основном ограничивались небольшими РНК-содержащими вирусами, такими как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), ретровирус, который вызывает синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД).
Исследование Эйлуорда и Монируззамана - одно из первых, в котором внимание уделяется крупным эукариотическим ДНК-вирусам, что знаменует собой серьезный сдвиг в этой области.
Электронная микрофотография AaV, гигантского вируса, который заражает и убивает одноклеточную водоросль, вызывающую вредоносное цветение водорослей. Гигантские вирусы, принадлежащие к той же группе, что и AaV, часто могут вставлять свои геномы в геномы своих хозяев. Изображение предоставлено Chuan Xiao и Yuejiao Xian, Техасский университет в Эль-Пасо; Стивен В. Вильгельм и Эрик Р. Ганн, Университет Теннесси, Ноксвилл.
Эти большие эндогенные вирусные элементы гораздо более распространены, чем считалось ранее. Теперь, когда у нас есть систематический анализ, другие исследователи действительно начнут обращать внимание. Это исследование показывает, что эндогенные вирусные элементы довольно распространены, и поэтому, возможно, это может быть общий механизм эволюции генома. Я думаю, что эти результаты расширят наш взгляд на роль гигантских вирусов как простых агентов смертности хозяина до важных игроков в эволюции генома хозяина», - сказал Монируззаман.
Теперь, когда Moniruzzaman и Aylward подтвердили, что эндогенизация происходит в более крупных вирусах, они задаются вопросом, какие условия заставляют эти вирусы вводить EVE в зеленые водоросли в первую очередь - и почему хозяева не проявляют никаких признаков их отторжения.
Мы не знаем, каков механизм или как поддерживается ДНК, но вполне возможно, что эндогенизация является случайным, почти случайным процессом. И как только вирусная ДНК эндогенизируется, она может изменить эволюционную динамику хозяина, и что это может в дальнейшем влиять на эволюцию этой линии», - сказал Эйлуорд.
Идея о том, что существуют потенциально выгодные отношения между носителем и его вирусом, представляет особый интерес для Moniruzzaman.
"Может быть причина, по которой хозяин хранит эти вирусные геномы внутри себя. Это не значит, что эти вирусные гены заставляют хозяев становиться неудачными или неспособными выживать в окружающей среде. Так вот в чем дело: полезны ли эндогенные вирусные элементы для хозяина? И как они туда попадают и остаются там?" - спросил Монируццаман.