Обнаружена вирусная темная материя – у гигантских вирусов есть метаболические гены

Исследователи из Virginia Tech обнаружили гены клеточных метаболических циклов в геномах гигантских вирусов.

На спутниковых фотографиях Земли облака ярко-зеленого цвета распускаются по поверхности озер и океанов, когда популяция водорослей взрывается в богатой питательными веществами воде. С воздуха морские водоросли, кажется, являются основными игроками в экологической драме, разворачивающейся ниже.

Но те одноклеточные организмы, которые, как мы полагаем, влияют на водную среду у основания пищевой цепи, могут находиться под влиянием чего-то другого: вирусов, гены которых могут реконфигурировать метаболизм своих хозяев.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications , исследовательская группа из Virginia Tech сообщила, что они обнаружили значительную коллекцию генов для метаболических циклов – определяющую характеристику клеточной жизни – в широком спектре гигантских вирусов.

Гигантские вирусы нарушают привычное повествование о вирусах: они – самые маленькие обитатели микробиома, чуть больше, чем урезанная шелуха организма – всего лишь несколько генов ДНК или РНК, сложенных в оболочку, настолько маленькую, что нужен электронный микроскоп, чтобы увидеть это. На самом деле, гигантские вирусы, в десять раз превышающие размеры их более компактных сородичей и с сотнями или даже тысячами генов, настолько не похожи на остальную семью, что, когда первый вид был обнаружен в 1992 году, исследователи отклонили его как бактерии.

В конце концов они были правильно классифицированы, но даже тогда считались изолированными для изучения. Фрэнк Эйлвард, доцент кафедры биологических наук, который возглавлял исследование, объяснил, что обычные исследования вирусного разнообразия часто пропускают их по прозаической причине: они настолько велики, что попадают в фильтры, которые исследователи используют для того, чтобы отделить вирусы от бактерий и других более крупных организмов.

Но постепенно стало ясно, что эти негабаритные вирусы были повсюду – и особенно в изобилии в водной среде, где они заражают одноклеточные организмы, такие как водоросли и простейшие организмы. Это важно, поскольку метаболизм этих сравнительно сложных организмов – какие питательные вещества они потребляют, какие отходы они производят – сильно влияет на здоровье океанов и озер, в которых они живут, и, в конечном счете, на углеродный цикл планеты.

“Они распространены по всей биосфере. Просто мы не обращали на них должного внимания”, – сказала Эйлвард.

Эйлвард начал обращать на себя внимание после того, как научный сотрудник докторской диссертации Монир Монируццаман, главный автор нового исследования, присоединился к лаборатории в 2018 году.

“Монир – гигантский эксперт по вирусам”, – рассмеялся Эйлвард. – “Он просто не переставал говорить о гигантских вирусах, поэтому, наконец, я сказал, хорошо, мы начнем работать над ними”.

Работая с общедоступными базами метагеномов, в которых хранятся беспорядочные генетические данные из множества организмов в различных средах, Монируццаман начал выявлять геномы, принадлежавшие гигантским вирусам. Используя известные гены гигантских вирусов в качестве маркеров и паттернов данных в качестве подсказок, он собрал воедино геномы для 501 гигантского вируса, в основном из морской и пресноводной среды. Эти геномы содержали стандартные функции, которые вы ожидаете – гены, которые управляют созданием защитной оболочки вируса и позволяют ему заражать и убивать своего хозяина.

Они не ожидали увидеть так много метаболических генов. Метаболизм, совокупность процессов, используемых клетками для извлечения энергии из питательных веществ, является отличительной чертой клеточной жизни, отсутствующей у вирусов почти по определению. Тем не менее, эти гигантские вирусы, по-видимому, имеют гены, связанные с несколькими ключевыми метаболическими путями в живых клетках.

Это были не первые метаболические гены, которые появились в вирусных геномах, но они включали много функций, которые никогда не были обнаружены в вирусах. Другими примерами были выделенные вирусные гены, которые были практически идентичны их клеточным аналогам, предполагая, что они были случайно получены от хозяина во время инфекции и вставлены в геном вируса относительно недавно: рудиментарные артефакты прошлых инвазий, а не функциональные инструменты.

Обнаруженные гены Moniruzzaman и Aylward, с другой стороны, содержали большие части известных метаболических путей, но имели свою уникальную сигнатуру.

“Это подразумевает, что вирусы имели эти гены в течение миллионов лет, даже миллиардов лет, и они являются вирус-специфическими метаболическими генами”, – объяснила Эйлвард.

Это говорит о том, что эти гены являются не просто генетическими флотациями, а рабочими компонентами, которые вирус развертывает, захватывая своего хозяина. В этом случае, говорят исследователи, подразумевается, что вирус изменяет метаболизм клетки.

“Как только вирусы заражают клетку, мы больше не можем думать о ней как о своей собственной автономной сущности”, – говорит Эйлвард. – “Фундаментальные аспекты клеточной физиологии пересматриваются этими вирусами при заражении”.

Изменения в метаболизме хозяина могут сместить баланс питательных веществ, которые потребляются и выбрасываются в окружающую среду, давая вирусу влияние на водную биогеохимию. Эйлвард объясняет, что хотя вирусы еще не живы, “они каждый день в окружающей среде значительно меняют жизненный путь”.

Следующим шагом является выяснение того, как с помощью экспериментальных методов можно раскрыть, как эти гены функционируют и взаимодействуют с нативным метаболизмом хозяина. Команда также исследует эволюцию этих генов, чтобы определить, как они проникли в вирусный геном и когда.

Обнаружение этих генов, которые расширяют наши представления о том, как гигантские вирусы влияют на их среду, имеет более широкое значение для вирусологии. Поиск строительных блоков для метаболизма в чем-то, что не живо, стирает грань между тем, что живо, а что нет.

“Я думаю об этих диаграммах Венна, где раньше было очень мало совпадений, и чем больше мы учимся, тем больше они продолжают перекрываться”, – сказала Эйлвард. – “Теперь дело дошло до того, что на самом деле очень мало генов, которые встречаются только в клетках, и очень мало генов, которые встречаются только в вирусах. С точки зрения геномного репертуара, у них гораздо больше общего, чем мы могли бы ожидать”.

Монируцзаман подозревает, что в этих геномах скрывается больше сюрпризов, которые наполнены тем, что он описывает как “вирусную темную материю” – генами, которые продолжают появляться в исследованиях гигантских вирусов, но функции которых до сих пор неизвестны.

“Вы не находите, что они очаровательны? А я просто думаю, что они очаровательны”, – удивляется Монируззаман. – “Они просто кладезь загадок. Они как большой лес, а вы стоите перед лесом, и вы не знаете, что в нем. И я думаю, что сейчас самое время это понять. Я думаю, что они загадочные”.