Положение вирусов в системе органического мира всегда было спорным. Можно ли считать их живыми организмами? С одной стороны, они имеют собственный геном, кодирующий РНК и белки, но, с другой стороны, свойства живого они начинают проявлять только внутри живых клеток. Кроме того, долгое время считалось, что геномы вирусов значительно меньше и проще геномов клеточных организмов, а вирусные частицы можно рассмотреть только под электронным микроскопом. Пятнадцать лет назад описали странные вирусы, полностью разорвавшие устоявшиеся шаблоны. Они различимы под световым микроскопом, а их геномы по размеру превосходят геномы многих бактерий и кодируют несколько сотен белков, причем во многих генах есть даже интроны и интеины. Речь идет о так называемых гигантских вирусах, наиболее известным из которых является вирус с трогательным названием «мимивирус». Наш обзор посвящен различным аспектам биологии этих в высшей степени необычных вирусов.
С самого открытия вирусов в конце XIX века было неясно, считать ли их живыми или нет. 15 лет назад были описаны вирусы, еще больше размазавшие границу между живым и неживым. Гигантские вирусы имеют размеры, сопоставимые с размерами бактериальных клеток, и различимы в световой микроскоп, а их геномы по размеру и сложности даже превосходят геномы многих бактерий. Какие аспекты биологии фундаментально отличают гигантских вирусов от «обычных» вирусов? Каково место гигантских вирусов в системе органического мира? Как гигантские вирусы взаимодействуют с человеком? Ответам на все эти вопросы и посвящена наша статья.
С чего все начиналось
История изучения гигантских вирусов началась в 1992 году в Англии. Изучая причины возникновения вспышки пневмонии, ученые исследовали образцы воды, взятые из воздухоохлаждающей системы. Образцы некоторое время инкубировали вместе с культурой амеб Acanthamoeba polyphaga, чтобы выявить внутриклеточные патогенные организмы, похожие на бактерию легионеллу, которая обитает внутри амеб. Действительно, исследователи смогли обнаружить неизвестного патогена, который был видим в световой микроскоп и красился по Граму положительно, в связи с чем и был отнесен к бактериям. Удивительно, но новооткрытую бактерию никак не удавалось вырастить в чистой культуре без амеб. В течение более чем десяти лет попытки классифицировать новую бактерию терпели неудачу за неудачей. Стандартный способ определения новых видов бактерий и архей основан на размножении с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) участка генома, кодирующего 16S рРНК (один из трех видов РНК, входящих в состав прокариотических рибосом), и его последующем секвенировании. Однако «поднять» этот участок генома загадочной бактерии никак не удавалось, какой бы протокол ПЦР не использовали. В 2003 году таинственный микроб изучила с помощью электронной микроскопии французская исследовательская группа Дидье Рауля. Оказалось, что это никакая не бактерия, а очень крупный вирус с икосаэдрическим капсидом. За свое сходство с микробами новый вирус получил название «мимивирус» (от англ. mimicking microbes — похожий на микробы). С самого открытия вирусов в конце XIX века было принято считать, что вирусы невозможно рассмотреть с помощью светового микроскопа, поэтому открытие мимивируса стало настоящим разрывом шаблонов для вирусологов. Оказалось, что мимивирус — это чрезвычайно большой вирус, инфицирующий амеб, — и генов 16S рРНК у него не было по той простой причине, что в вирусных геномах никогда не бывают закодированы собственные рибосомы.
После открытия мимивируса открылась настоящая охота на гигантские вирусы: множество исследовательских групп начали массово инкубировать культуры амеб с различными образцами из окружающей среды, и по прошествии некоторого времени во многих случаях в культуре обнаруживали очень крупные вирусы. Появилось множество усовершенствований первоначального протокола, делающих его все более и более эффективным. Ученые даже перекинулись от амеб на других протистов. Одних видов мимивирусов на данный момент известно около сотни. Гигантские вирусы были обнаружены даже в образце сибирской вечной мерзлоты. В последние годы несколько гигантских вирусов удалось обнаружить с помощью метагеномики. В 2008 году открыли первый вирофаг (вирофаг Спутник) — вирус, который может размножаться в клетках только в присутствии вируса-хозяина и мешает его успешному размножению. На данный момент известно более десяти видов вирофагов.
РАЗНООБРАЗИЕ ГИГАНТСКИХ ВИРУСОВ
Мимивирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с фибриллами
Размер вириона: 500 нм
Длина фибрилл: 75 нм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: более 1000 т.п.н.
Вирион мимивируса состоит из икосаэдрического капсида размером 500 нм и покрывающих его фибрилл длиной 75 нм (рис. 1). Эти фибриллы имеют уникальное для вирусов строение и позволяют вириону прикрепляться к клеткам бактерий, членистоногих и грибов. Спустя год после описания мимивируса его геном секвенировали . Оказалось, что геном мимивируса представлен кольцевой двухцепочечной ДНК длиной 1,2 миллиона пар оснований, в которой, предположительно, находятся 979 генов. Некоторые из них, такие как гены белков трансляции (аминоацил-тРНК-синтетаз и факторов трансляции), раньше никогда не находили в вирусных геномах. В целом гены мимивируса можно разделить на четыре группы:
кóровые гены;
гены, приобретенные горизонтально;
дуплицированные гены (паралоги);
гены-сироты, которые больше не обнаруживаются ни у каких живых организмов (в англоязычных источниках их называют ORFans из-за игры слов: ORF (open reading frame) — отрытая рамка считывания, а слово ORFan звучит как orphan — сирота).
К коровым генам относят гены, имеющиеся также у так называемых ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов (англ. nucleocytoplasmic large DNA viruses, NCLDVs) — вирусов, которые до открытия мимивируса считались самыми большими. В геноме мимивируса обнаруживаются последовательности, позаимствованные у бактерий, эукариот, архей и других вирусов. Однако абсолютное большинство генов мимивируса — сироты, для которых во всех базах данных нет гомологов. Любопытно, что в вирионе мимивируса кроме геномной ДНК содержится некоторое количество мРНК.
Рисунок 1. Электронная микрофотография вириона мимивируса
Сейчас мимивирус и близкие к нему вирусы выделяют в семейство Mimiviridae, подразделяющееся на три линии: А, В и С. К линии А относятся такие вирусы, как мимивирус и мамавирус амебы Acantamoeba polyphaga, к линии В относится мумувирус Acantamoeba polyphaga, а представителем линии С может служить Megavirus chiliensis. Некоторые представители Mimiviridae не удалось отнести ни к одной из перечисленных линий, как, например, вирус, поражающий протиста Cafeteria roenbergensis.
Марселевирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с фибриллами
Размер вириона: 250 нм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: более 300 т.п.н.
Через шесть лет после открытия мимивируса был описан еще один гигантский вирус, поражающий амеб. Как и мимивирус, его обнаружили в воде из воздухоохлаждающего сооружения, но на этот раз в Париже. Новый вирус получил название «марселевирус». Его вирион мельче вириона мимивируса и имеет икосаэдрический капсид размером 250 нм (рис. 2). Геном марселевируса представлен кольцевой двухцепочечной ДНК, в которой находятся 457 генов, значительно отличающиеся от генов мимивируса. Среди них даже есть два гена, кодирующие гистоноподобные белки. Однако среди генов марселевируса можно выделить все те же четыре основные группы: коровые гены, гены-паралоги, горизонтально приобретенные гены и гены-сироты. Как и у мимивируса, в геноме марселевируса есть гены, полученные от эукариот (в том числе амебы-хозяина), бактерий, архей и вирусов, в том числе и гигантских. Предполагается, что такая высокая степень мозаицизма генома обусловлена интенсивным обменом генами с другими организмами, обитающими в цитоплазме амебы-хозяина.
Рисунок 2. Электронная микрофотография вириона марселевируса
В 2011–2014 годах в образцах воды из разных частей света обнаружили четыре вируса, родственные марселевирусу. Кроме того, один родственный вирус нашли в Тунисе в насекомом, а еще один родственник марселевируса — в кале здорового человека в Сенегале, что стало первым прецедентом обнаружения гигантских вирусов в образцах человеческого происхождения. Марселевирус и родственные ему вирусы выделяют в семейство Marseilleviridae.
Пандоравирусы
Внешняя оболочка: овальной формы чехол (тегумент) толщиной 70 нм
Размер вириона: около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: до 2500 т.п.н.
В 2013 году описали два новых гигантских вируса, получивших названия Pandoravirus salinus и Pandoravirus dulcis. Собственно говоря, эти организмы были известны давно, но, как в случае с мимивирусом, их вирусная природа была установлена далеко не сразу. В заблуждение, как и в случае с мимивирусом, ввел необычный размер: их вирионы достигают около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре. Размер их генома составляет 1,9 и 2,5 миллиона пар оснований, что на данный момент является абсолютным рекордом среди вирусов. Подавляющее большинство генов пандоравирусов (84% для P. salinus) являются генами-сиротами. У пандоравирусов имеются свои уникальные транспозоны , известные как MITEs (англ. miniature inverted repeat transposable elements — миниатюрные мобильные элементы с инвертированными повторами).
Пожалуй, самой удивительной чертой и без того незаурядных пандоравирусов является полное отсутствие в их геноме генов, гомологичных каким-либо генам, кодирующим белки капсида. По этой причине у них нет капсида и какой-либо структуры, хотя бы отдаленно на него похожей. Их вирионы окружены особым чехлом (тегументом) толщиной около 70 нм, и на его верхушке имеется пора, через которую содержимое вириона попадает в цитоплазму амебы (рис. 3). В 2017 году, впрочем, у пандоравирусов был идентифицирован ген, который может кодировать белок капсида. Кроме того, другие вирусные черты в полной мере присущи пандоравирусам: как и все вирусы, они размножаются в клетках и покидают их в виде вирионов, а в их геномах отсутствуют гены, кодирующие компоненты рибосом и белки, связанные с клеточным делением.
Рисунок 3. Электронная микрофотография вириона пандоравируса
В 2015 году описали третий пандоравирус — Pandoravirus inopinatum. Его геном содержит 2,24 миллиона пар оснований и на 85 и 89% совпадает с геномами P. salinus и P. dulcis соответственно. В 2018 году сообщили об открытии еще трех пандоравирусов: Pandoravirus quercus, Pandoravirus neocaledonia, Pandoravirus macleodensis. Также предложено выделить пандоравирусы в собственное семейство Pandoraviridae.
Пифовирусы
Внешняя оболочка: овальной формы чехол (тегумент) толщиной 60 нм
Размер вириона: около 1,5 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 610 т.п.н.
2013 год стал знаковым в истории изучения гигантских вирусов. В 2013 году были открыты не только пандоравирусы, но и вирус, по сей день считающийся самым крупным вирусом, — Pithovirus sibericum. Его выделили из образца сибирской вечной мерзлоты возрастом более 30 тысяч лет при помощи культивирования в клетках амебы Acanthamoeba castellanii. Внешне его вирионы похожи на вирионы пандоравирусов, но существенно крупнее — их длина может достигать 1,5 мкм, что на данный момент является абсолютным рекордом в вирусном мире. Как и у пандоравирусов, вирионы пифовируса окружены тегументом толщиной 60 нм с апикальной порой в форме правильного шестиугольника (рис. 4). Типичного капсида у пифовируса тоже нет, однако в геноме пифовируса нашелся ген, отдаленно похожий на ген, кодирующий белок капсида у иридовирусов. По составу генов пифовирус наиболее близок к марселевирусам и иридовирусам. Более одной пятой генома пифовируса представлено регулярно расположенными копиями одного и того же некодирующего повтора.
Рисунок 4. Электронная микрофотография вириона пифовируса
Поскольку первый пифовирус выделили из очень древнего образца, высказывали предположения, что пифовирусы давным-давно вымерли. Однако в 2016 году нашли еще один пифовирус — Pithovirus massiliensis — в образце сточных вод с юга Франции. Удивительно, но, несмотря на колоссальный размер вирионов пифовирусов, их геномы не так уж и велики: размер генома P. sibericum составляет около половины генома мимивируса (рис. 11).
Молливирус
Внешняя оболочка: сферический капсид
Размер вириона: 0,5–0,6 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 625 т.п.н.
В 2014 году из того же образца вечной мерзлоты, что и пифовирус, выделили еще один гигантский вирус — Mollivirus sibericum. Как и пифовирус, он размножается в амебах Acanthamoeba castellanii. Сферический вирион молливируса достигает 500–600 нм в диаметре и заключает в себе геном длиной 625 тысяч пар оснований (рис. 5). В вирионы, помимо вирусного генома, упаковываются многие белки амебы, в том числе рибосомные. Генетически молливирус, хотя и весьма отдаленно, наиболее близок к пандоравирусам.
Рисунок 5. Электронная микрофотография вириона молливируса
Фаустовирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид, состоящий из двух белковых слоев
Размер вириона: 0,2 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 450–500 т.п.н.
Помимо амеб рода Acanthamoeba, в качестве клеток для выделения гигантских вирусов используют амебу Vermamoeba vermiformis — наиболее многочисленную амебу человеческих фекалий и образцов больничной воды. С помощью этой амебы в 2015 году из сточных вод выделили еще один гигантский вирус — фаустовирус. Любопытно, что его капсид имеет форму икосаэдра и состоит из двух белковых слоев, а не одного, как у большинства вирусов (рис. 6). Впоследствии фаустовирусы обнаружили в разных частях света, но во всех случаях их выявляли только в сточных водах, благодаря чему они могут служить индикатором загрязнения воды фекалиями. Среди гигантских вирусов и NCLDVs ближайшими родственниками фаустовирусов являются асфарвирусы — патогены свиней, —однако геномы фаустовирусов в три раза крупнее геномов асфарвирусов. Геномы фаустовирусов достигают 456–491 тысяч пар нуклеотидов и содержат 457–519 генов. Любопытно, что гены, кодирующие белки капсида, разбросаны по участку длиной 17 тысяч пар оснований, поэтому эти гены могут подвергаться интенсивному сплайсингу. До этого в вирусном мире сплайсинг был описан только у аденовирусов и у гена белка капсида мимивируса.
Рисунок 6. Электронная микрофотография вириона фаустовируса
Каумебовирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид
Размер вириона: 0,25 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 350 т.п.н.
Использование V. vermiformis позволило описать еще одну группу гигантских вирусов, известную как каумебовирусы. Как и фаустовирусы, они выделены из образцов сточных вод и не имеют близких родственников среди известных вирусов. Наиболее близки к каумебовирусам фаустовирусы и асфавирусы. Капсид имеет икосаэдрическую форму (рис. 7). Гены белков капсида разбросаны по участку длиной 5 тысяч пар оснований. По размеру генома каумебовирусы наиболее близки к марселевирусам.
Рисунок 7. Электронная микрофотография вириона каумебовируса
Цедратвирусы
Внешняя оболочка: двуслойный тегумент толщиной 55 нм
Размер вириона: около 1 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 600 т.п.н.
В 2016 году в образце воды из Алжира с помощью амебы A. castellanii обнаружили новый гигантский вирус — цедратвирус. Из известных на данный момент вирусов к нему наиболее близок пифовирус, хотя лишь одна пятая генов цедратвируса похожа на гены пифовируса. От других гигантских вирусов цедратвирус отличается наличием двуслойных покровов. На ранних стадиях инфекции вирионы покрыты тегументом толщиной 40 нм, а у зрелых вирионов его толщина составляет 55 нм. Содержимое вириона попадает в цитоплазму через апикальную пору (рис. 8). Размер генома цедратвируса близок к таковому у пифовируса. Еще один цедратвирус описан в 2017 году. В геномах обоих отсутствуют некодирующие повторы, которые так обильно представлены в геноме пифовирусов.
Рисунок 8. Электронная микрофотография вириона цедратвируса
Пакманвирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид
Размер вириона: 0,25 мкм в диаметре
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 400 т.п.н.
Пакманвирусы описаны в 2017 году с помощью амебы A. castellanii. Свое название эти вирусы получили за форму капсида, наблюдаемую при негативном окрашивании в электронный микроскоп: он похож на главного героя одноименной видеоигры Pac-Man (рис. 9). Пакманвирусы очень быстро размножаются, и уже через 8 часов после заражения наступает лизис клеток амеб. По размеру вирионов и геномов пакманвирусы близки к каумебовирусам и фаустовирусам, а наиболее близкими родственниками пакманвирусов являются фаустовирусы, асфавирусы и каумебавирусы.
Рисунок 9. Электронная микрофотография вириона пакманвируса
Тупанвирусы
Внешняя оболочка: икосаэдрический капсид с хвостом
Размер вириона: диаметр капсида около 0,45 мкм + хвост 0,55 мкм
Геном: двухцепочечная ДНК
Размер генома: около 1500 т.п.н.
В феврале 2018 года объявили об открытии двух близкородственных гигантских вирусов, получивших названия Tupanvirus Soda Lake и Tupanvirus Deep Ocean согласно происхождению проб воды, из которых они были выделены. Они могут заражать амеб Acanthamoeba castellanii и Vermamoeba vermiformis. Капсиды тупанвирусов по размеру примерно соответствуют мимивирусным (около 450 нм), однако они также имеют длинный цилиндрический хвост длиной около 550 нм, прикрепленный к основанию капсида. Ни у одного из известных на данный момент вирусов нет таких крупных придатков капсида (рис. 10).
Рисунок 10. Электронная микрофотография вирионов тупанвируса
Геном тупанвирусов представлен линейной двухцепочечной ДНК длиной около 1,5 млн пар оснований. В геноме содержится 1200–1400 открытых рамок считывания, из которых около 380 являются генами-сиротами. Тупанвирусы — абсолютные рекордсмены среди вирусов по количеству кодируемых компонентов трансляции. По сути, для полного набора им не хватает только рибосом. Они имеют гены около 20 аминоацил-тРНК-синтетаз, 70 тРНК (транспортных РНК), причем у Tupanvirus Deep Ocean есть даже тРНК для редкой аминокислоты пирролизина, восьми факторов инициации трансляции, одного фактора элонгации и одного фактора терминации, а также ряда вспомогательных белков, участвующих в трансляции. Ближайшие родственники тупанвирусов — мимивирусы. Настолько близкие, что тупанвирусы вошли в семейство Mimiviridae.
На графике, представленном на рисунке 11, в сравнении отображены размеры геномов и вирионов некоторых гигантских вирусов.
Рисунок 11. Распределение размеров вирионов и геномов некоторых гигантских вирусов. В скобках около названия каждого вируса указан GC-состав его генома.
ЧТО ЖЕ ИХ ВСЕХ ОБЪЕДИНЯЕТ?
Хотя с момента открытия первого гигантского вируса прошло всего лишь 15 лет, колоссальное разнообразие гигантских вирусов уже сейчас стало очевидно. Под гигантскими вирусами обычно понимают вирусы с геномом длиннее 200 тысяч пар оснований и вирионами больше 0,2 мкм. Что же объединяет их всех, кроме размеров геномов и вирионов? Является ли объединение их в одну группу искусственным?
На самом деле, гигантским вирусам присущ ряд общих генетических и структурных особенностей. Во-первых, их геномы всегда представлены двухцепочечной ДНК и содержат значительную долю генов-сирот: от 31% у цедратвируса до 84% у Pandoravirus salinus. Во-вторых, в их геномах имеются интроны и интеины (участки белковых молекул, которые могут сами вырезаться и сращивать концы разрыва), а также мобильные генетические элементы (трансповироны у мимивирусов и MITEs у Pandoravirus salinus).
Самым разительным отличием гигантских вирусов от остальных вирусов является то, что в их геномах закодированы молекулы, принимающие участие в трансляции: аминоацил-тРНК-синтетазы, факторы трансляции и тРНК. Таких генов нет только у Pithovirus sibericum. Марселевирусы, пифовирусы, фаустовирусы, каумебовирусы и цедратвирусы не имеют генов, кодирующих тРНК. Гигантских вирусов также сближают некоторые особенности структуры. Например, вирионы мимивируса и марселевируса снабжены особыми фибриллами. Для выхода генетического материала в цитоплазму амебы у гигантских вирусов имеются поры, находящиеся в вершинах капсидов или тегументов. У тех гигантских вирусов, вирионы которых покрыты настоящим капсидом, в его мажорном белке имеется особый мотив, известный как double jelly-roll fold. Он имеется только у белков капсидов вирусов с двухцепочечным геномом и нигде более в живом мире. Такие белки формируют олигомеры по типу черепицы, в конечном итоге собираясь в замкнутую белковую оболочку. У фаустовирусов с двуслойным капсидом, мотив jelly-roll имеется только у белков верхнего слоя.
Таксономическое положение гигантских вирусов еще не до конца определено, и многие недавно описанные виды, роды и даже семейства гигантских вирусов еще не получили официального признания Международным комитетом по таксономии вирусов (англ. International committee on virus taxonomy, ICTV). Пока ICTV признал два семейства гигантских вирусов: Mimiviridae и Marseilleviridae. В 2012 году было предложено объединить гигантских вирусов и NCLDV в новый порядок — Megavirales. Таким образом, в порядок Megavirales входят мимивирусы, марселевирусы, асковирусы, асфарвирусы, иридовирусы, фикоднавирусы и поксвирусы.
ЖИЗНЕННЫЕ ЦИКЛЫ
Большинство известных на данный момент гигантских вирусов поражает амеб рода Acanthamoeba. Однако неизвестно, есть ли у них другие хозяева. Эти амебы питаются самыми разнообразными микроорганизмами: бактериями, дрожжами и другими грибами, вирусами и водорослями, поэтому в их цитоплазме находится много чужеродной ДНК. Вероятно, мозаицизм геномов гигантских вирусов обусловлен интенсивным горизонтальным переносом генов от «соседей по клетке». Некоторые гигантские вирусы описаны у другого вида амеб — V. vermiformis. Ряд далеких родственников мимивирусов заражает морских жгутиконосцев и одноклеточных водорослей. Попытки использовать для выращивания гигантских вирусов клетки, отличные от амеб, пока не увенчались успехом.
Однако имеются некоторые свидетельства, что гигантские вирусы могут обитать не только в амебах. Например, эксперименты показали, что мимивирусы могут проникать в фагоцитирующие клетки (моноциты и макрофаги) человека и мыши, а у мышей даже описали мимивирусную инфекцию, затронувшую макрофаги. Показано также, что мимивирус может размножаться в одноядерных периферических кровяных клетках человека, стимулируя выделение интерферона I типа и подавляя экспрессию генов, стимулируемых интерфероном, в этих клетках. Кроме того, марселевирусы могут проникать в иммортализованные человеческие Т-лимфоциты, и их даже удалось обнаружить в макрофагах из лимфоузлов.
Жизненный цикл гигантских вирусов длится от 6 до 24 часов. Как правило, вирусы оказываются в клетке посредством фагоцитоза, однако марселевирусы могут попадать в цитоплазму при помощи эндоцитоза. Этим гигантские вирусы значительно отличаются от остальных вирусов, которые проникают в клетку после взаимодействия с рецепторами на ее поверхности. После попадания вириона в цитоплазму его внутренняя мембрана, залегающая под капсидом, сливается с мембраной везикулы, и содержимое вириона изливается в цитоплазму. После этого начинается формирование вирусных фабрик — особых зон цитоплазмы, где проходят репликация вирусной ДНК и сборка вирусных частиц (рис. 12). Нередко при инфицировании гигантскими вирусами изменяется и морфология ядра. В клетках, зараженных пандоравирусом или молливирусом, наблюдаются впячивания ядерной оболочки, а в случае молливируса вирусные фабрики даже попадают в ядро. По сути, вирусная фабрика становится функциональным ядром клетки, зараженной вирусом (вироклетки).
Рисунок 12. Вирусные фабрики в клетках Acanthamoeba castellanii. а — Амеба, зараженная мимивирусом. б — Вирусная фабрика мимивируса. в — Внешняя граница вирусной фабрики мимивируса. Голубыми стрелками помечены вирионы мимивируса, а желтыми — вирофага. г — Амеба, зараженная марселевирусом.
Сборка вирионов у гигантских вирусов происходит по-разному. В случае мимивирусов образование внутренней мембраны, сборка капсида, упаковка ДНК и сборка фибрилл происходят последовательно и сопровождаются перемещением вирионов из центра вирусной фабрики к ее краям. У пандоравирусов и молливируса сборка оболочки и внутреннего содержимого вириона происходят одновременно. Выход вирионов гигантских вирусов сопровождается лизисом клетки амебы, и только вирионы молливируса покидают клетку посредством экзоцитоза (рис. 13).
Рисунок 13. Схемы жизненных циклов некоторых гигантских вирусов: а — мимивируса, б — пифовируса, в — пандоравируса, г — молливируса.
Судя по наличию в геномах гигантских вирусов генов, кодирующих белки транскрипции и трансляции, в плане репликации они в той или иной мере независимы от клетки-хозяина. Впрочем, пандоравирусы, молливирус и один из марселевирусов лишены белков, связанных с транскрипцией, поэтому для их репликации все-таки необходимо ядро амебы. В случае одного представителя марселевирусов транскрипция начинается в вирусной фабрике, но, по-видимому, за счет привлечения транскрипционного аппарата клетки-хозяина.
БОГАТЫЕ ТОЖЕ ПЛАЧУТ: ЧТО УГРОЖАЕТ ГИГАНТСКИМ ВИРУСАМ
Через пять лет после установления вирусной природы мимивируса стало ясно, что жизнь гигантских вирусов далеко не безоблачна. Вместе с открытием нового члена семейства мимивирусов, мамавируса, был открыт первый вирофаг — вирус, размножение которого зависит от вируса-хозяина. В вирусных фабриках мамавируса обнаружили маленькие икосаэдрические вирионы, не похожие на вирионы мамавируса. Новый вирус получил название «вирофаг Спутник» (рис. 14).
Рисунок 14. Изображение вириона вирофага Спутник, полученное с помощью криоэлектронной микроскопии
Геномы вирофагов представлены кольцевой ДНК длиной от 17 до 29 тысяч пар оснований и содержат 16–34 гена, из которых некоторые гомологичны генам гигантских вирусов. После Спутника описали еще несколько вирофагов, размножающихся при участии мимивирусов всех трех линий (А, В и С). Настоящим сюрпризом стало открытие вирофага, который мог паразитировать только на мимивирусах линий В и С; мимивирусы линии А были к нему устойчивы. Загадочный вирофаг получил название Замилон. Еще более удивительным стал тот факт, что в геноме мимивирусов линии А нашли последовательности, принадлежащие Замилону. Образуемый ими кластер получил название MIMIVIRE (от mimivirus virophage resistant element) , и вначале считалось, что принцип его работы схож с работой бактериальных систем CRISPR/Cas, обеспечивающих защиту от бактериофагов. Тем не менее последние исследования говорят о том, что MIMIVIRE не имеет к CRISPR/Cas никакого отношения. Любопытно, что копии геномов вирофагов обнаружены в геноме морской хлорарахниофитовой водоросли Bigelowiella natans.
Гигантские вирусы страдают не только от вирофагов. В 2012 году в геноме одного из мимивирусов были найдены мобильные генетические элементы, получившие название «трансповироны». Трансповироны состоят из семи тысяч пар оснований и содержат 6–8 белоккодирующих генов, а на их концах находятся длинные инвертированные повторы. Все трансповироны кодируют белки, содержащие хеликазный домен I типа и домен с цинковыми пальцами типа Cys2His2 (C2H2). По-видимому, для размножения трансповироны используют как собственные белки, так и белки вируса-хозяина. Трансповироны выявляются даже в геномах вирофагов, вставленных в геном водоросли B. natans. Мы уже упоминали, что мобильные генетические элементы (известные как MITEs) выявлены в геноме Pandoravirus salinus. Как и трансповироны, они имеют концевые инвертированные повторы, но не кодируют никаких белков.
ПОЛОЖЕНИЕ ГИГАНТСКИХ ВИРУСОВ В СИСТЕМЕ ЖИВОГО МИРА
Одной из самых необычных черт, отделяющих гигантских вирусов от прочих вирусов, является наличие генов, продукты которых задействованы в трансляции. У тупанвирусов имеется даже полный комплект белков и РНК, необходимых для трансляции, кроме компонентов рибосом. Дидье Рауль (впервые изучивший мимивирус) высказал предположение, что гигантские вирусы возникли как результат эволюционной редукции древней клетки и представляют собой четвертый домен жизни, наряду с археями, бактериями и эукариотами. Возможно, что во время возникновения гигантских вирусов на Земле обитали несколько независимо возникших линий клеточных организмов, из которых до наших дней дожила одна, а гигантские вирусы могут быть потомками одной из вымерших линий.
Однако в строгом смысле слова гигантские вирусы не могут являться доменом, поскольку разделение клеточных организмов на три домена было осуществлено путем сравнения генов рРНК, которых у гигантских вирусов нет. Поэтому в 2013 году Дидье Рауль предложил отказаться от системы трех доменов и перейти к системе четырех TRUC — аббревиатура от Things Resisting Uncompleted Classification (с англ. — «сущности, не поддающиеся незавершенной классификации»). Таким образом всю земную жизнь можно подразделить на четыре TRUC: эукариоты, бактерии, археи и гигантские вирусы. При этом остальные вирусы по-прежнему остаются «за бортом» системы живого мира. Выделение гигантских вирусов в отдельную ветвь жизни скептически встретил Евгений Кунин, который считает, что обособление гиганстких вирусов связано с ошибками реконструкции филогении, а большое число генов, общих с клеточными организмами, есть результат горизонтального переноса.
Стоит подчеркнуть, что гигантские вирусы можно смело называть микробами, так как микробы, по определению, — это организмы, различимые в световой микроскоп, что в полной мере относится к гигантским вирусам.
ГИГАНТСКИЕ ВИРУСЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭУКАРИОТ
Тот факт, что вирусная фабрика гигантских вирусов, по сути, является ядром зараженной клетки (вироклетки), наводит на мысль, что эволюция гигантских вирусов и эволюция эукариот могут быть тесно связаны. На самом деле, сходство вирусной фабрики и клеточного ядра отнюдь не поверхностно: обе структуры залегают в цитоплазме, и часто вирусные фабрики окружают себя мембранами эндоплазматического ретикулума, которые служат источником мембран для вирионов. У многих NCLDVs вирусные фабрики собираются вблизи центра организации микротрубочек, который задействован в делении ядра. С помощью атомно-силовой микроскопии было показано, что вирусные фабрики также образуются при слиянии везикул, произошедших от впячивания ядерной оболочки. Наконец, молливирус и отчасти пандоравирусы используют в качестве вирусной фабрики само ядро, а в роли источника для внутренних мембран вирионов — ядерные мембраны.
Можно предположить, что клеточное ядро произошло от вирусной фабрики древнего NCLDV, размножавшегося в протоэукариотической клетке. После этого вирусный геном слился с геномом протоэукариотической клетки и утратил способность к формированию вирионов, навеки став частью эукариотического генома.
Предлагали и другой сценарий, согласно которому гигантские вирусы, наоборот, произошли от ядра древней эукариотической клетки. На первый взгляд, трудно представить, как может клеточное ядро стать вирионом. Однако можно предположить, что клеточное ядро стало вирусной фабрикой, после того как в нем появились гены, необходимые для формирования вирионов. Впрочем, неясно, каким образом в вирион могла упаковаться целая хромосома.
Согласно третьей гипотезе, клеточное ядро появилось в результате взаимодействия протоэукариотической клетки с вирусом в качестве защитной структуры. Ядро давало возможность обезопасить репликацию и транскрипцию генома клетки от действия вируса, однако в ходе эволюции большинство вирусов научилось преодолевать эту преграду.
ГИГАНТСКИЕ ВИРУСЫ И ЧЕЛОВЕК
Судя по всему, гигантские вирусы распространены в природе очень широко: их удалось обнаружить в пробах морской и пресной вод, а также почвы, собранных по всему миру. Их амебы-хозяева также распространены очень широко и часто обитают рядом с человеком. Некоторых гигантских вирусов, а именно, мимивирусов, удалось выделить из различных животных: устриц, пиявок, мартышек и коров. Марселевирус выделили из двукрылых насекомых, а фаустовирус однажды был найден в организме мокреца. В связи с этим возникает вопрос: а в каких отношениях состоят гигантские вирусы и человек, как они взаимодействуют? Могут ли гигантские вирусы вызывать заболевания у человека?
Гигантские вирусы не раз и не два обнаруживали в биологических материалах, взятых от людей. Они были выявлены в кале и крови здоровых людей, соскобах верхних дыхательных путей больных пневмонией и даже в жидкости для контактных линз, использовавшихся пациентами с кератитом. В 2013 году марселевирус обнаружили в крови и лимфоузлах одинадцатимесячного ребенка, страдавшего от аденита. Гигантские вирусы часто выявляют в метагеномных данных, связанных с человеком. Так, последовательности, вероятно, принадлежащие мимивирусам, обнаружены в человеческом кале и копролитах, слюне, слизистой вагины. Последовательности, относящиеся к вирофагам, найдены в желудочно-кишечном тракте. Пандоравирусы, пифовирус и фаустовирус были выявлены в плазме крови пациентов, страдающих от разных патологий печени.
Мы уже отмечали, что мимивирусы могут проникать в человеческие и мышиные фагоциты. Показано, что в течение 30 часов после попадания мимивируса в мышиный макрофаг количество вирусной ДНК в клетке значительно увеличивалось, а экстракт из зараженных макрофагов приводил к лизису амеб. Также обнаружили, что мимивирус может размножаться в одноядерных клетках периферической крови человека и подавлять в этих клетках экспрессию генов, стимулированных интерфероном. Через 21 день после заражения марселевирусом иммортализованных человеческих Т-лимфоцитов в них удалось выявить не только вирусную ДНК, но и целые вирионы. Таким образом, гигантские вирусы могут успешно размножаться и вне амеб.
Как известно, мимивирус был обнаружен случайно при исследовании причин вспышки пневмонии. Действительно, в плазме крови пациентов с пневмонией мимивирусы обнаруживают в существенно бóльшем количестве, чем у здоровых людей. У пациентов, заразившихся пневмонией уже в больнице, в крови выявляли многочисленные антитела против мимивируса. При этом независимые исследования показали, что в больницах мимивирусы присутствуют в гораздо бóльшем количестве, чем в обычных помещениях. Был описан один любопытный случай заболевшего пневмонией лаборанта, который много работал с мимивирусом голыми руками. В его крови обнаружили антитела к 23 белкам мимивируса, из которых 4 были уникальны для мимивируса. Похожая история произошла в 1968 году с лаборантом, не соблюдавшим правила безопасности при работе с вирусом Эпштейна—Барр, который в итоге заболел инфекционным мононуклеозом. Теперь мы знаем, что инфекционный мононуклеоз вызывается именно вирусом Эпштейна—Барр. У двух пациентов, вернувшихся во Францию из поездки в Лаос и страдавших от астении, лихорадки, миалгии и тошноты, в крови выявили антитела к вирофагу Спутник, который, как известно, паразитирует на мимивирусах.
Таким образом, на данный момент однозначно записать гигантских вирусов в список человеческих патогенов еще рано, однако можно определенно сказать, что они замешаны в патогенезе многих заболеваний человека.
Источник: БИОМОЛЕКУЛА
