Происхождение гигантских вирусов

Обнаружение новой группы гигантских вирусов вновь заставило задуматься над вопросом, откуда взялись такие необычные вирусы. Авторы работы приводят весомые аргументы в пользу того, что эти вирусы происходят от вирусов меньшего размера и с меньшим геномом, но в ходе развития им удалось обзавестись новыми генами, похитив их у других организмов.

Впервые о гигантских вирусах заговорили в 2003 году, когда в журнале Science было опубликовано описание вируса с диаметром капсида до 500 нанометров. Он на самом деле был известен гораздо раньше – с 1992 года, когда его обнаружили в одном из видов амеб. Но тогда из-за своего размера он был принят за бактерию. Когда ошибка разъяснилась, вирус получил название мимивирус – сокращение от mimicking microbe virus «мимикрирующий под микроба вирус».

Чемпионам по размеру мимивирус был до 2011 года, когда в морской воде у побережья Чили был найден мегавирус (Megavirus chilensis) с капсидом в 680 нанометров. Позднее выяснилось, что он также паразитирует на амебах рода Acanthamoeba. В 2015 году появился новый чемпион – пандоравирус. Его размеры составляют 1,5 на 0,5 микрометра, то есть его с легкостью можно увидеть в оптический микроскоп. Известно три вида пандоравиросов: один был найден в морской воде в Чили (Pandoravirus salinus), другой – в пресной воде в Австралии (Pandoravirus dulcis), а третий (Pandoravirus inopinatum) немного позднее был обнаружен в пробах, взятых еще в 2008 году у пациента больного акантамебным кератитом.

За последние годы было найдено еще несколько необычно крупных вирусов размерами от 200 нанометров до 1 микрометра. Например, в одном и том же образце из зоны вечной мерзлоты обнаружились молливирус (Mollivirus sibericum, 600 нм) и питховирус (Pithovirus sibericum, до 1,5 микрометров в длину, конкурент пандоравирусов за титул самого крупного вируса). Все они размножаются в амебах Acanthamoeba. Чтобы показать, насколько велики для вирусов такие размеры, напомним, что размер капсиды вируса Зика составляет примерно 45 нанометров, вируса полиомиелита – 30 нанометров, вируса иммунодефицита человека (HIV-1) – 120 нанометров.

Даже более важной, чем размер, особенностью гигантских вирусов оказались их генетические характеристики. Геномы этих вирусов велики и содержат много генов, которые не встречаются у других вирусов. Геном мимивируса содержит 1 181 404 пары оснований, мегавируса – 1 259 197 пары. Еще больше геномы пандоравирусов: Pandoravirus salinus – 2,77 млн. пар, Pandoravirus dulcis – 1,93 млн. пар, Pandoravirus inopinatum – 2,24 млн. пар. Такие большие геномы содержат более полутора тысяч генов (у P. salinus их даже 2556), хотя у некоторых обычных вирусов имеется всего парочка генов.

Такая непохожесть гигантских вирусов на ранее известные вызвала появление гипотезы о том, что он возникли независимо от прочих вирусов, причем произошли от каких-то неизвестных организмов, не относящихся к трем имеющимся доменам: бактериям, археям и эукариотам. Эти организмы имели клеточную природу, но пошли по пути паразитизма, постепенно утратили много генов и, соответственно, клеточных органелл и в итоге “докатились” до стадии вируса. Допускалась возможность, что жизнь на Земле возникла (или была занесена на Землю из космоса) дважды – один раз возникли предки бактерий, архей и эукариот, а другой – предки гигантских вирусов.

В новой работе доказывается, что гипотеза об особенно происхождении гигантских вирусов неверна и что они куда теснее связаны с вирусами обычных размеров. Авторами ее стала международная группа ученых во главе с Фредериком Шульцем (Frederik Schulz) из Объединенного института генома, Евгением Куниным из Национального центра биотехнологической информации Национальных институтов здравоохранения США и Таней Войке (Tanja Woyke) из Объединенного института генома.

Генетический материал новых гигантских вирусов был обнаружен в сточных водах из очистных сооружений в австрийском городе Клостернойбург, поэтому они получили название Klosneuvirus. Геном вируса состоит из 1,57 миллионов пар оснований. Обнаружен он был при помощи метода, которые называется метагеномика, то есть секвенирования всех фрагментов ДНК, встречающихся во взятом из природной среды образце. При помощи этого метода можно определить видовой состав всех обитателей этой среды, включая и вирусы. Он позволяет получить в том числе и геномы тех организмов, которых не удается культивировать в лаборатории. Чаще всего таким образом исследуют океанскую воду или воду подземных источников, морские отложения или бактериальное население организма человека.

Именно из полученных фрагментов генома ученым удалось собрать полный геном нового вируса. Размер его капсида, предположительно, равен 300 нанометрам. Klosneuvirus, как выяснили ученые, имеет гены, нужные для синтеза белков со всеми двадцатью необходимыми аминокислотами.

Также были найдены метагеномы трех родственных вирусов, получивших названия Indivirus, Hokovirus и Catovirus. Паразитируют эти вирусы, предположительно, в организме одноклеточных существ из типа церкозоев (Cercozoa). Это первый случай, когда гигантские вирусы размножаются не в амебах. В геномах всех этих вирусов найдены примерно 2500 новых семейств генов, ранее у других вирусов не отмечавшихся. Зато 355 из них имеют эукариотическое происхождение.

Основываясь на полученных геномах, ученые построили генеалогическое древо этих вирусов. Они пришли к выводу, что Klosneuvirus и его родственники наиболее близки мимивирусам. Наиболее вероятно, что предки этих вирусов когда-то имели сравнительно небольшой геном, но в ходе эволюции они захватывали все новые и новые гены эукариотических организмов, в которых размножались. И в результате обзавелись весьма большими (по меркам вирусов) геномами. Важным фактом оказывается то, что заимствованные генетические элементы соотносятся с разными организмами-хозяевами. Если бы они имели общую природу, можно было бы предположить, что гигантские вирусы произошли от невирусных организмов в ходе постепенного упрощения генома. В этой же ситуации оказывается, что они не сокращали, а расширяли свой геном, присваивая понемногу то тут, то там.

Таким образом, исследование доказывает, что нет весомых свидетельств в пользу существования гипотетического «четвертого домена» живой природы, от представителей которого происходят гигантские вирусы. Часть коллег высоко оценила доказательность новой работы. «Я нахожу ее весьма убедительной, – говорит вирусолог Маттиас Фишер (Matthias Fischer) из Института медицинских исследований Общества Макса Планка в Гейдельберге. – Исходя из имеющихся данных, я бы не стал ставить деньги на гипотезу четвертого домена». Однако другие ученые высказывают и сомнения. Среди них Дидье Рауль (Didier Raoult) из Университета Экс – Марсель, один из первооткрывателей мимивируса. Ему не кажется, что филогенетическое дерево этих вирусов построено в работе на надежных основаниях. Генетик Жан-Мишель Клавери (Jean-Michel Claverie) из того же университета, входивший в группу, которая открыла пандоравирусы, считает, что выводы об эволюционных путях вирусов можно будет делать только после получения их изолированных культуры, а не на основе результатов метагеномики.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.