Эволюция генов метаболизма у гигантских вирусов произошла независимо от клеток-хозяев

Ученые выделили из метагеномных данных 501 новый геном крупных ядерно-цитоплазматических ДНК-содержащих вирусов (подгруппы гигантских вирусов) и построили их филогенетическое древо. У гигантских вирусов нашли гены, которые связаны со многими метаболическими путями: питанием, фотосинтезом, азотным обменом и даже метаболизмом углерода (в том числе, гликолизом и циклом Кребса). Гены метаболизма были заимствованы у клеточных организмов в далеком прошлом, эволюционировали и приобрели специфичные для отдельных групп вирусов черты. Таким образом, гигантские вирусы могут глубоко перестраивать жизнедеятельность инфицированной клетки. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Крупные ядерно-цитоплазматические ДНК-содержащие вирусы (NCLDV) — группа гигантских вирусов эукариот, состоит из нескольких семейств, представители которых очень крупные (до 1,5 микрометров — их можно разглядеть даже в оптический микроскоп) и имеют большой геном (около 2,5 миллионов оснований). Гигантские вирусы имеют в том числе целый набор генов метаболизма, они кодируют белки, которые участвуют, например, в азотном обмене и брожении. Вероятно, эти гены вносят свой вклад в изменение физиологии клетки-хозяина. Скорее всего, большинство генов метаболизма вирусы заимствовали у клеточных организмов в результате горизонтального переноса генов, однако происхождение большинства из них и то, насколько они характерны для геномов NCLDV, неизвестно.

Группа ученых из США под руководством Мухаммеда Монируззамана (Mohammad Moniruzzaman) из Политехнического университета Виргинии искала геномы NCLDV в 1545 общедоступных метагеномных образцах. Отбирали те участки ДНК, которые содержали хотя бы четыре из пяти генов, характерных для NCLDV, и были не меньше 100 тысяч пар оснований.

Используя 121 геном известных вирусов авторы построили филогенетическое древо, а затем подтвердили эту классификацию с помощью анализа сходства аминокислот и размеров геномов. Для того, чтобы оценить эволюционные взаимоотношения клад, нашли группы ортологичных белков (гомологичных, но разошедшихся в ходе эволюции).

Ученым удалось выделить 501 новый геном из образцов от 400 до 1400 тысяч пар оснований, большая часть происходила из проб морских и пресноводных водоемов (444 и 36 соответственно). Большую часть геномов отнесли к семейству мимивирусов (Mimiviridae) или фикоднавирусов (Phycodnaviridae), среди последних выделили две монофилетические подгруппы. Анализ сходства аминокислот показал большой разброс (от 26 до 100 процентов) даже внутри одного семейства, поэтому исследователи разделили существующие группы на 54 более узкие клады. Интересно, что для 31 клады нет выделенных в культуру представителей.

Ортологичные группы белков значительно отличались между геномами (68 процентов групп обнаружили только в одном геноме), что характерно для двухцепочных ДНК-вирусов в целом. Распределение групп ортологичных белков совпадало с семействами вирусов. Некоторые группы вирусов образовали обособленные кластеры внутри клад, и авторы сделали вывод, что изменение генома NCLDV может происходить и на небольших эволюционных отрезках, в том числе за счет горизонтального переноса генов.

В геномах гигантских вирусов часто встречались гены белков, которые участвуют в метаболизме — с помощью них вирусы изменяют физиологию клетки-хозяина. Распространены гены супероксиддисмутазы и глутатионпероксидазы — ферментов, которые защищают белки от окислительного повреждения; вероятно, вирусы используют их для того, чтобы размножаться в условиях окислительного стресса. Кроме того, во многих геномах ученые обнаружили гены, которые участвуют в регуляции программируемой клеточной гибели, репарации и процессинге ДНК (например, фотолиазы и гистоны), а также гены, благодаря которым вирусы могут перестраивать потоки питательных веществ и энергии в клетках-хозяевах (белков родопсинов, ферритина, метаболизма азота, связывающих хлорофилл и различных транспортеров).

Удивительно, но во многих геномах NCLDV нашли гены, которые связаны с метаболизмом углерода, включая большинство ферментов гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного шунта. Обычно метаболизм углерода рассматривают как фундаментальное свойство клеточной жизни, но оказалось, что гигантские вирусы могут контролировать каждый его этап. 

Филогенетический анализ генов метаболизма показал, что они были заимствованы у клеток-хозяев, однако в ходе эволюции видоизменились и приобрели новые специфичные функции. Вероятно, NCLDV на протяжении долгого времени коэволюционировали со своими хозяевами, подстраивая работу своих генов для наиболее выгодного развития.

Гигантские вирусы можно увидеть, а вот понять, как выглядят остальные вирусы, не так-то просто. Красивые изображения, с которыми мы регулярно сталкиваемся, моделируют теоретически. Этим занимается, например, компания Visual Science — они строят точные и подробные модели различных вирусов с разрешением до атома. Интервью с основателем этой компании вы можете почитать в материале «Все знают, как выглядит Марс, но вирусы остаются невидимы».

Алиса Бахарева