Гигантских вирусов назвали продуктом «генного грабежа»

Американские ученые описали новую группу гигантских вирусов, которые кодируют множество необычных генов, в том числе целый ряд компонентов аппарата трансляции, которых раньше у вирусов описано не было. Филогенетический анализ показал, что такое разнообразие свидетельствует не в пользу теории о клеточном или независимом происхождении домена вирусов, а является следствием увеличения генома более мелких предков. Исследование опубликовано в Science.

Происхождение вирусов до сих пор остается загадкой. Существует, как минимум, три гипотезы, описывающие этот процесс. Согласно первой, вирусы когда-то были мелкими клетками, паразитирующими внутри более крупных, и утратили за ненадобностью большую часть собственных генов и, как следствие, и другие органеллы. Согласно второй гипотезе, вирусы в прошлом были фрагментами ДНК или РНК нормальных клеток, которые отделились от своих хозяев в виде плазмид (небольших кольцевых ДНК, способных передаваться от клетки к клетке) или транспозонов (самостоятельных элементов ДНК, способных перемещаться внутри генома с места на место и реплицироваться отдельно от остальных). Согласно третьей гипотезе, вирусы возникли независимо во время зарождения жизни на планете и с самого начала ведут паразитический образ жизни.

Большинство известных вирусов имеет диаметр до 300 нм, однако существуют и так называемые гигантские вирусы, достигающие 300 нм и больше (рекордсменом является найденный в 2014 году в многолетней мерзлоте Сибири Pithovirus, достигающий 1,5 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре). Гигантские вирусы зачастую являются носителями генов, нетипичных для своих собратьев, в том числе генов аппарата трансляции, необходимого для синтеза белков. Согласно разным гипотезам, они опять-таки могли возникнуть за счет упрощения древней клеточный формы, или за счет собирания генов у других организмов изначально небольшими вирусами.

Исследуя метагеномы образцов из австрийских очистных сооружений города Клостернойбург, ученые обнаружили новый гигантский вирус, который назвали Klosneuvirus. Собранный геном этого вида оказался большим (1,57 Мб). Метатранскриптомные данные показали, что по крайней мере 15% генов этого вируса являются рабочими. Снимки, полученные с помощью электронной микроскопии, позволили предположить наличие у него типичной икосаэдрической структуры размерами около 300 нм.

По результатам поиска родственников Klosneuvirus, среди 7000 метагеномов таких обнаружилось трое, размерами 0,86 Мб (Indivirus), 1,33 Мб (Hokovirus) и 1,53 Мб (Catovirus). В их геномах ученые выявили около 2500 новых семейств генов, которые никогда раньше не были описаны для вирусов. 355 из них были семействами, известными среди эукариот, но лишь 14 таких эукариотических семейств нашлось у всех четырех новых вирусов одновременно. Это подчеркивает разнообразие группы Klosneuviruses, и указывает на то, что хозяева у них, скорее всего, разные. Таксономическая классификация метагенома, сделанная с помощью анализа 18s РНК, показала, что их хозяева относятся, по-видимому, к типу Cercozoa. Это отличает Klosneuviruses от других гигантских вирусов, которые паразитируют на амебах из рода Acanthamoeba, и лишний раз подчеркивает важность методики изучения вирусов по отдельности, без изначальной привязки к хозяину.

Более всего новые вирусы были похожи на вирусы семейства Mimiviridae. Построенные филогенетические деревья позволили поместить их между вирусом Cafeteria roenbergensis (CroV) и родом Mimiviruses. После этого ученые стали отслеживать ход эволюции, в результате которого эти вирусы, предположительно, возникли, начав с последнего общего предка СroV, Mimiviruses и Klosneuviruses. По всей видимости, это был вирус с небольшим геномом. Результаты анализа показали, что с течением времени все три линии независимо друг от друга приобретали все больше генов, причем особенно преуспевали в своем росте Klosneuviruses. В какие-то моменты гены терялись (возможно, такие этапы связаны со сменой хозяина, отмечают ученые), но, в среднем, прирост оказывался сильнее убытков.

Интересно, что наличие гигантских вирусов, родственных Mimiviruses, уже предсказывалось раньше. Ученые полагали, что новые описанные виды, содержащие большое количество нехарактерных для вирусов генов, подтвердят теорию происхождения вирусов за счет упрощения клеточных форм, но полученные в ходе данного исследования филогенетические данные не свидетельствуют в ее пользу.

В геноме Klosneuvirus закодированы многие компоненты системы трансляции, в том числе двадцать пять транспортных РНК с антикодонами к, по крайней мере, четырнадцати разным аминокислотам, а также аминоацил-тРНК-синтетазы со специфичностью ко всем основным аминокислотам, факторы инициации трансляции и множество других. Если бы они представляли совместно эволюционирующую группу, отдельную от всех прочих веток филогенетического дерева, это свидетельствовало бы в пользу другой гипотезы, согласно которой домен вирусов возник самостоятельно и независимо. Однако выяснилось, что большая часть этих компонентов, согласно данным сравнительной геномики, набрана у самых разных организмов, в том числе амеб и одноклеточных водорослей. Таким образом, Klosneuviruses произошли от небольших вирусов, которые с ходом эволюции набирали все больше генов у всевозможных хозяев, следуя по пути усложнения, а не упрощения.

Изучение вирусов порой приводит к совершенно неожиданным открытиям, касающимся хода эволюции. Выяснилось, например, что вирусы повлияли на возникновение врожденного иммунитета человека. Зачем гигантским вирусам столько «награбленных» частей трансляционного аппарата, при том, что рибосомальных генов и РНК у вирусов еще никогда не находилось, остается не вполне ясным. Возможно, они пригождаются, когда хозяева пытаются отключить собственную трансляционную систему, чтобы справиться с вирусной инфекцией.