Тем не менее, область вирусологии изобилует оставшимися без ответа вопросами об этих архитектурно простых, но загадочных объектах. В новом исследовании Арвинд Варсани, молекулярный вирусолог из Университета штата Аризона, присоединяется к престижной международной команде для изучения определенного класса вирусов, выявляя генетические фрагменты, раскрывающие сложности вирусной эволюции.
Новое исследование исследует эволюционную динамику кольцевых Rep-кодирующих одноцепочечных (CRESS) ДНК-вирусов.
Полученные данные показывают, что этот широкий класс одноцепочечных ДНК-вирусов, которые инфицируют все три клеточных домена жизни, приобрели свои генетические компоненты в результате сложных эволюционных процессов, не связанных с одним наследственным событием. Скорее, вирусы являются навязчивыми заемщиками, присваивая генетический материал из многих источников, включая бактериальные, архейные и эукариотические клетки, а также кольцевые паразитические репликоны, известные как плазмиды, и другие мобильные генетические элементы, такие как транспозоны.
Когда группа мобильных элементов, таких как ДНК-вирусы CRESS, возникает из более чем одного общего эволюционного предка или группы предков, они известны как полифилетические. Это обычное явление в вирусном мире, представляющее как проблемы, так и возможности для исследователей, поскольку определения, таксономии и эволюционные траектории этой обширной области пересматриваются с помощью новых мощных методов.
Лучшее понимание беспорядочного обмена генетической информацией между различными вирусами и генетическими фрагментами клеточного происхождения может однажды улучшить усилия по борьбе с этими паразитическими образованиями, некоторые из которых оказали разрушительное воздействие на благосостояние человека и урожайность.
Такие исследования также могут пролить новый свет на происхождение самой ранней жизни на Земле и решить вопрос о том, как клеточная жизнь сосуществовала с огромным количеством вирусов на планете (получивших название виром).
«В течение последнего десятилетия мы открывали вирусы в различных экосистемах, используя метагеномные подходы, и в результате заполняли вирусные базы данных CRESS DNA», – говорит Варсани. "Это проложило путь к глобальному анализу ДНК-вирусов CRESS, который поможет понять происхождение этих и других родственных вирусов."
Варсани – научный сотрудник Центра биодизайна механизмов эволюции, Центра фундаментальной и прикладной микробиомики, а также Школы наук о жизни АГУ.
Он объединяется с Дариусом Казлаускасом, Институт биотехнологии, Центр наук о жизни, Вильнюсский университет, Литва; Евгений V. Кунин, Национальные институты здравоохранения, Бетесда, Мэриленд; и Март Крупович, отделение микробиологии, Институт Пастера, Франция.
Новое исследование опубликовано в текущем номере журнала Nature Communications.
Мир вирусов
Недавние исследования экологической геномики показали, что наиболее распространенными биологическими объектами на Земле являются вирусы, причем количество вирусных частиц превышает количество клеток на один-два порядка.
Они демонстрируют необычайное разнообразие и адаптировались практически ко всем земным условиям. Их также можно считать наиболее успешными биологическими игроками с точки зрения их потенциала роста, численности, биоразнообразия, приспособляемости и воздействия.
Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты – РНК или ДНК – окруженной защитной оболочкой, известной как капсид.
Описание работы каждого вируса простое: проникнуть в живую клетку, захватить ее метаболический механизм и произвести потомство.
Вирусы заметно отличаются от клеток, принадлежащих к сферам бактерий, эукариот и архей, особенно с точки зрения способов их репликации. В то время как вся клеточная жизнь основана на наследовании двухцепочечной ДНК, вирусы могут быть одноцепочечными или двухцепочечными и использовать либо ДНК, либо РНК в качестве своего генетического материала.
Кроме того, их геномы могут быть кольцевыми или линейными, состоящими из одной или нескольких молекул. У вирусов нет единого общего предка, и действительно, ни один ген не сохраняется во всем вироме, что делает вирусы своего рода генетическим коллажем.
Вирусная метагеномика, иногда называемая секвенированием дробовика, открыла новое окно в вирусный мир. Это позволяет исследователям, таким как Казлаускас, Кунин, Крупович и Варсани, исследовать сложные вирусные сообщества без каких-либо предварительных знаний о вирусах, присутствующих в образце окружающей среды. Этот метод полезен для исследования впечатляющего глобального разнообразия вирусов, многие из которых трудно или невозможно культивировать в лабораторных условиях.
Успех через эгоизм
Среди вирусов, выявленных с помощью вирусной метагеномики, есть вирусы CRESS DNA.
Когда-то считавшиеся редкими, такие вирусы с тех пор были обнаружены в почвах, глубоководных жерлах, антарктических озерах и прудах, пробах сточных вод, океанах и горячих источниках. ДНК-вирусы CRESS являются частью обширной и разнообразной вирусной супергруппы, имеющей решающее значение как с медицинской, так и с экономической точки зрения.
ДНК-вирусы CRESS можно идентифицировать с помощью специфического белкового фермента, известного как Rep. Этот белок играет решающую роль в механизме репликации генома, который является общим для ДНК-вирусов CRESS, а также для различных кольцевых плазмид, обнаруженных у бактерий и архей.
Исследователи недавно отметили, что ген rep сохраняется во всех ДНК-вирусах CRESS. Среди их биологических задач – разрезание и соединение одноцепочечных сегментов ДНК – активность, необходимая для механизма репликации, известного как репликация по катящемуся кругу.
Процесс катящегося круга начинается, когда белок Rep надрезает одну из цепей в форме дцДНК вирусного генома, инициируя последовательность репликации. Свободная одиночная цепь, созданная разрывом, удлиняется с помощью ДНК-полимеразы хозяина, используя неразрезанную цепь в качестве матрицы.
В конце концов, вновь синтезированная однониточная ДНК полностью отделяется от исходной двухцепочечной формы, и ее концы соединяются вместе в новый однонитевой круг с помощью Rep. Затем может образоваться дополнительная цепь, создавая новую двухцепочечную единицу (см. Рисунок 1). Процесс позволяет быстро синтезировать несколько копий кольцевой ДНК.
Рекомбинация различных функциональных модулей из различных вирусных и плазмидных групп, происходящих из разных уголков виросферы, – это непрерывный процесс, который постоянно генерирует новые вирусы оцДНК. Настоящее исследование исследует сходство последовательностей между различными ДНК-вирусами CRESS и невирусными репликонами, такими как плазмиды, в сочетании с филогенетическими инструментами, используемыми для изучения их эволюционных взаимоотношений.
Результаты показывают три различных эволюционных события, вносящих вклад в генетический состав вирусов CRESS-ДНК. По-видимому, существует интригующее родство между вирусами CRESS-ДНК и плазмидами катящегося круга, обнаруженными у бактерий, архей и некоторых эукариот.
Новые результаты помогают пролить свет на расширяющуюся галактику вирусов оцДНК, которые реплицируются с использованием механизма катящегося круга, в том числе вирусов CRESS-ДНК.
«Замечательно видеть все эти эволюционные связи между вирусами и невирусными эгоистичными репликонами, которые когда-то считались не связанными друг с другом», – говорит Крупович. "В результате общие механизмы эволюции вирусов, а также глобальная организация огромного вирусного мира начинают распутываться."