Тайна происхождения пожирателей вирусов

При цитировании информации активная гиперссылка на evo-rus.com обязательна.

Деятельность вирофага мешает гигантскому вирусу размножаться, что облегчает протекание эпидемии в популяции и способствует выживанию большего количества одноклеточных организмов. Однако такое поведение является нетипичным для ДНК вируса: обычно он держит свою ДНК отдельно от клеточной. Интеграция в клеточный геном – характерная черта другого типа эгоистических генетических элементов под названием транспозонов. Более того, вирофаг Mavirus имеет в своем арсенале гены, типичные для транспозонов группы Maverick / Polinton, в частности интегразы (От англ. Integrate – встраиваться), которую он использует для попадания в клеточную ДНК. Этот факт напрямую указывает на его близкое родство с транспозонами указанной группы. Но здесь возникает классическая дилемма курицы и яйца: вирофаги дали начало траспозонам или наоборот?

Наличие интегразы свидетельствовало о теоретической способность Mavirus встраиваться в геном жгутиконосцев C. roenbergensis. Но в то же время самой клетке выгодно «иметь при себе» вирофаг, который противодействует явной угрозе со стороны гигантского вируса (Cafeteria roenbergensis virus, CroV). Такая кооперация между клеткой и вирофагом создает предпосылки к накоплению вирофагов в геноме клетки. Однако со временем, особенно при отсутствии давления со стороны гигантского вируса, часть интегрированных последовательностей «портится» за счет нейтральной молекулярной эволюции, В результате чего они теряют гены, важные для реактивации, и таким образом перестают быть вирусами. Именно такую модель преобразования вируса на транспозон предложили авторы.

Результаты дальнейших экспериментов, опубликованных недавно в журнале Nature, четко доказывали тот факт, что Mavirus действительно встраивается в геном C. roenbergensis. Также их данные с уверенностью свидетельствовали в пользу того, что вирофаг, даже в интегрированной форме, препятствует распространению CroV в популяции клеток. Поэтому, казалось бы, модель «вирофаг -> Polinton» выглядела довольно убедительной. Однако глобальное видение эволюционной истории траспозонов явно не согласовывалось с таким сценарием.

Впервые на это обратили внимание Yutin, N., Raoult, D. и Koonin, E. В 2013 году они опубликовали свое видение происхождения вирофагов основанное на результатах молекулярно-филогенетического анализа консервативных белков

Здесь – небольшое отступление для быстрого объяснения, что имелось в виду. Консервативными являются протеины, которые крайне необходимы для жизнедеятельности и размножения вирусов, в том числе тех, которые отвечают за образование оболочек (большой и малый капсидный белок и цистеиновая протеаза, которая их активирует). Поскольку эти компоненты незаменимы, они наследуются в поколениях вирусов с минимальными изменениями аминокислотного состава. Аминокислотные последовательности белков из разных представителей вирофагов можно напрямую сравнить сходством методом так называемого выравнивания. Далее, зная все расстояния между вирусами, строится «родословная» (так называемое филогенетическое дерево), из которого можно узнать какие группы выделились раньше, а какие – эволюционно моложе.

Итак, по данным исследователей, все вирофаги распределялись на две эволюционные ветви, одна из которых представлена Mavirus, другая – Sputnik. Но обе эти ветви сходились в одной точке. Это означало, что упомянутые вирофаги ушли от общего предка. Такое распределение подтверждалось анализом всех консервативных белков, кроме одного – ДНК полимеразы. Оказалось, что они вообще относятся к разным классам. Sputnik – похожа на бактериальную полимеразу первого типа (TVpol), тогда как в Mavirus – это полимераза типа Б (pPolB). Как мы увидим далее, именно эта маленькая зацепка выведет нас на таинственного общего предка вирофагов.

Полимераза типа Б является уникальной в плане механизма начала синтеза ДНК (так называемого праймирования). В то время как обычные полимеразы нуждаются в РНК затравке для старта матрицезависимого копирования ДНК, pPolB добавляет первый дезоксирибонуклетидтрифосфат к -OH-группе остатка тирозина, серина или треонина на терминальном протеине, Поэтому, новообразованная ДНК будет ковалентно связана с указанным протеином. Такая стратегия праймирования не используется ни одним клеточным организмом – только вирусами и … транспозонами группы Polinton. «Совпадение? – вряд ли»- подумали ученые, и решили проверить в каких отношениях находятся вирофаги и полинтоны. К счастью, у обоих упомянутых генетических элементах нашлись общие консервативные протеины, а именно, цистеиновая протеаза и АТФаза, что позволило сделать прямое сравнение и построение общей «родословной» по каждому из указанных генов.

Оказалось, что на обоих филогенетических деревьях (как по протеазе, так и по АТФазе) вирофаги являются лишь небольшим боковым побегом в гуще разнообразной эволюционной ветви полинтонов. Такая схема расположения (еще и поддержанная сразу двумя консервативными протеинами) однозначно указывала на то, что общим предком всех вирофагов был транспозон группы Polinton. Такой же результат был получен по итогам анализа pPolB вирофагу Mavirus. К сожалению, Sputnik принципиально невозможно посадить на одно дерево вместе с полинтонами из-за последовательности полимеразы, поскольку она принадлежит к другому классу – TVpol.

Исследователи объясняют это замещением гена полимеразы у предкового Sputnik-вирофага путем случайной рекомбинации с другим неизвестным вирусом. Вообще, такая мобильность генов является характерной особенностью мира вирусов и транспозонов.

Через год после публикации результатов филогенетического анализа вирофагов было сделано еще одно интересное открытие: в геномах гидры ( Hydra magnipapillata ) и рыбки Danio rerio нашли полинтоны, которые имели гены, похожие на капсидный белки ДНК вирусов. Из этого следовало, что в прошлом Polinton-траспозоны были настоящими вирусами, а, возможно, некоторые из них еще не потеряли способности к образованию активных вирусных частиц, хотя прямых доказательств последнего утверждения исследователи не имели. Однако, оставался принципиальный вопрос: если вирофаги ни были предками полинтонов, тогда как же выглядел тот вирус, который в итоге стал полинтоном?

Вероятный эволюционный сценарий, отвечавший на поставленный вопрос, был выложен в обзорной статье Nature Reviews Microbiology авторства Krupovic, M. и Koonin, E., в 2015 году. Их гипотеза предполагала древнее происхождение полинтонов, что достигает момента возникновения самых эукариот. К такому выводу исследователи пришли на основании распространенности полинтонов среди всех основных супергрупп эукариот (исключая растений). Поэтому, Krupovic, M. и Koonin, E. выдвигают смелое предположение, что предком упоминавшихся транспозонов может быть вирус бактерий – бактериофаг из семьи Tectiviridae, Поскольку он разделяет с полинтонами целых четыре гомологичных гена: большой и малый капсиды, АТФазу, а также упоминавшуюся выше уникальную полимеразу типа Б. Они объясняют, что бактериофаг мог попасть в эукариотических клетки вместе с альфа-протеобактериями – предком современной митохондрии. Известно, что процесс установления эндосимбиоза между предком всех эукариотов и будущей митохондрии сопровождался активным переносом генов в направлении от митохондрии к эукариту. Этот феномен, как считали ученые, ответственен за появление последовательности ДНК бактериофага в эукариотических геноме.

Интересно, что современные представители семьи Tectiviridae способны к интеграции в бактериальный геном. Поэтому логично предположить, что предок полинтонов также не имел такой возможности, а получил ее лишь позже за счет рекомбинации с другими генетическими элементам, которые присутствовали у тогдашнего предка эукариотов. Именно такая гибридная стратегия выживания позволила вирусу достичь немалого эволюционного успеха, выражавшегося в повсеместном распространении среди эукариот. В дальнейшем часть этих успешных гибридов выбрала путь потери своей вирусной части и превратилась в настоящих транспозонов. Другие наоборот – перестали полагаться на возможность интеграции с иноплеменниками ДНК и стали типичными вирусами (по мнению авторов, именно так поступили предки современных аденовирусов). А герои нашей истории – вирофаги – так и не смогли отказать себе в роскоши вести двойную жизнь, и выбрали путь паразитирования на гигантских вирусах.

До последнего времени общепринятым тезисом было то, что вирус принципиально отличается от мобильного генетического элемента способностью образовывать вирионы, построенные из капсидных белков. Но главный вывод из всего этого научного детектива таков: на самом деле нет четкой границы между вирусами и транспозонами. Причина такой перемешанности не только в том, что эти два класса генетических паразитов обмениваются генами как открытками, но и в том, что их эволюционные истории тесно переплетены. Конечно, не следует забывать, что эволюционные сценарии строятся исходя из имеющихся данных и доступных методов их обработки, поэтому являются только гипотетическими, а в некоторых случаях – даже спекулятивными. Однако следить за научными дебатами и игрой аргументов иногда бывает довольно интересно.

2 Комментариев

  1. Столько новых интересных слов и вариантов их перемешивания в предложениях. Большое спасибо!

  2. Я понимаю, что автор не знает как произнисится имя “Март Крупович”, но Наталью Ютин и Евгения Кунина можно было бы написать и по-русски. А вообще-то у нормальных людей принято давать ссылки на статьи.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»