Что такое гигантские вирусы

Главная ≫ Инфотека ≫ Биология ≫ Гигантские вирусы отнесли к новой форме жизни

За последнее десятилетие биологи обнаружили несколько ранее неизвестных созданий природы, которые окончательно их запутали своими свойствами, а главное — размерами.

Вся жизнь на Земле делится на три надцарства или домена: бактерии, археи и эукариоты. Вирусов за живых организмов учёные никогда не считали. Вместо этого их называют инфекционными агентами, поскольку воспроизводиться они могут только внутри клеток хозяина. Но недавние открытия учёных заставили их усомниться в этой научной догме.

Первое открытие было сделано в 1992 году, когда биологи обнаружили мимивирус. Он обладал очень крупными размерами — около 500 нанометров в диаметре и 1,2 миллиона пар нуклеотидов. Затем в 2011 году Жан-Мишель Клавери (Jean-Michel Claverie) и Шанталь Абержель (Chantal Abergel) обнаружили ещё более крупный вирус. Он был найден в ходе анализа образцов, собранных у побережья Чили. Мегавирус (Megavirus chilensis) заражал и убивал амёб.

Открытие мегавируса подтвердилось, когда точно такого же "монстра" обнаружили у берегов Австралии. Он обладает ещё большими размерами — около 1 микрометра в длину и 0,5 микрометров в ширину, а его геном состоял из 1,9-2,5 миллионов оснований. Под микроскопом мегавирус выглядит как большое тёмное пятно, напоминающее бактериальную клетку. При этом по размерам он даже превышает некоторые эукариотические клетки, что само по себе очень удивительно.

Увеличенный снимок гигантского вируса (фото Chantal Abergel and Jean-Michel Claverie).

Но размеры — это не единственное, что делает гигантские вирусы уникальными: лишь 7% их генов были известны науке ранее.

"Мы вообще не понимали, что это за гены. Обнаружение гигантских вирусов сравнимо с открытием ящика Пандоры. Мы даже не можем себе представить, что будет с биологией после того, как мы изучим их подробнее", — говорит Клавери.

Интересно то, что места, где можно обнаружить гигантские вирусы, расположены в самых разных точках планеты. Во-первых, это говорит о том, что "мегавирусы" могут быть чрезвычайно распространены в природе, а во-вторых — что они довольно неприхотливы.

Самый интересный случай обнаружения вируса Пандоры (Pandoravirus salinus) рассказал Рольф Мишель (Rolf Michel), паразитолог из Центрального института при Медико-санитарной службе Германии (Zentraler Sanitätsdienst der Bundeswehr). Он нашёл гигантский вирус внутри амёбы, которая жила на поверхности контактной линзы женщины, страдавшей воспалением роговицы. "Когда я прочитал работу своих коллег, то понял, что это был пандоравирус. Но я и не предполагал, что вирусы вообще бывают такими!" — рассказывает учёный.

И всё же вирусы Пандоры не обладают признаками клеточных организмов, таких как бактерии. Они не производят собственные белки, энергию через аденозинтрифосфат и не размножаются с помощью деления клеток. Тем не менее, у них есть несколько ключевых генов и вирусный цикл жизни.

Пандоравирус под электронным микроскопом (фото Chantal Abergel and Jean-Michel Claverie).

Рассмотрев под электронным микроскопом загадочных созданий, изъятых из организмов амёб, исследователи увидели, что вирусы опустошают клетки хозяина, поглощая белки и ДНК. Из-за их активности разрушается ядро клетки амёбы (или любого другого организма-хозяина), а вирус Пандоры воспроизводится в количестве нескольких сотен копий и оставляет клетку открытой.

Теперь главная задача, которая стоит перед биологами, − определение происхождения гигантских вирусов. Для этого необходимо рассмотреть внимательно их гены и белки, которые они кодируют. Существует гипотеза, что вирусы Пандоры произошли от полноценных клеток. Если она подтвердится, то это будет означать, что предок гигантских вирусов сильно отличался от предков бактерий, архей и эукариотов.

"Мы считаем, что жизнь намного богаче, чем думают люди, и не укладывается в известные науке три домена. Некоторые клетки эволюционировали и стали живыми организмами, а другие избрали путь паразитизма и эволюционировали в вирусы", — поясняет Абержель.

Учёным предстоит провести масштабное исследование этих созданий природы, изучить их природу и происхождение. Кто бы мог подумать, что именно вирусы укажут на бесчисленное многообразие форм жизни и образуют целое новое надцарство.

О предварительных выводах биологов можно почитать в журнале Science, где недавно вышла статья Абержель, Клавери и их коллег.

Жан-Мишель Клавери (Jean-Michel Claverie) и Шанталь Абержель (Chantal Abergel) — известные на весь мир вирусологи, которые посвятили свою карьеру изучению гигантских вирусов. Именно они открыли питовирус, пролежавший 30 тысяч лет в сибирских льдах и выживший после стольких лет суровых условий.

Исследуя природу необычных гигантских вирусов, учёные обнаружили, что они обладают куда более странными свойствами, чем можно было предполагать. Прежде всего, в отличие от подавляющего большинства вирусов, питовирус обладает очень большими размерами — он даже больше некоторых бактерий. Но самое удивительное, он не полностью зависит от хозяйского организма, как положено вирусам, и способен производить некоторые этапы репликации самостоятельно.

Питовирус, длина которого составляет 1,5 микрометра (фото Jean-Michel Claverie, Chantal Abergel).

К тому же довольно большое число генов питовируса отличаются от генетического набора у других вирусов, которые чаще всего имеют всего четыре гена. Питовирус же обладает пятьюстами, и некоторые из них используются для выполнения сложных задач, таких как создание белков, восстановление и репликация ДНК.

В силу этих странных свойств Клавери и Абержель предположили, что именно гигантские вирусы могут быть ключом к разгадке зарождения жизни на Земле. Напомним, что обычные вирусы биологи даже к царству Жизнь не причисляют, а называют их неклеточными инфекционными агентами.

"Как правило, вирусы полагаются на клеточные механизмы организмов-хозяев, которые должны помочь им в репликации. Поэтому им нужны чужие клетки для использования этих механизмов в своих целях. Другими словами, без клеток вирусы не могут существовать", — рассказывает Джек Шостак (Jack Szostak), известнейший биохимик из Гарвардского университета и лауреат Нобелевской премии.

Некоторые учёные говорят, что открытие гигантских вирусов может перевернуть наши представления об этих инфекционных агентах. Они предполагают, что предки современных вирусов могли предоставить "сырьё" для развития клеточной жизни и помогали диверсификации живых организмов и становлению различных видов.

"Гигантские вирусы являются идеальным примером того, как мир простых вирусоподобных элементов может превратиться в нечто гораздо более сложное", — говорит Евгений Кунин (Eugene Koonin), вычислительный биолог из Национального института здравоохранения США, который описал свою теорию о вирусном происхождении жизни в статье, опубликованной в журнале Microbiology and Molecular Biology Reviews.

Кунин и другие вирусологи постепенно собирают доказательства того, что вирусоподобные элементы стимулировали некоторые из самых важных этапов становления жизни: эволюция ДНК, формирование первых клеток и раскол жизни на три домена —археи, бактерии и эукариоты. Археи и бактерии, одноклеточные организмы, существовали задолго до появления эукариотов, которые возникли в результате слияния первых двух доменов.

Общепринятые теории относительно происхождения вирусов гласят, что они появились либо из вырожденных клеток, которые потеряли способность к автономной репликации, либо из генов, по какой-то причине покинувшие пределы живой клетки. Гигантские вирусы, впервые описанные в 2003 году, подорвали авторитет этих двух теорий, поскольку представляли собой совершенно новый, необычный тип организма.

Учёным потребовались годы, чтобы идентифицировать гигантские вирусы. Сначала они решили, что перед ними бактерия, поскольку структура обладала приблизительно такими же размерами, как и многие бактерии. К тому же в результате обработки особым химическим веществом, которое окрашивает только некоторые бактерии, гигантский вирус приобрёл ярко-синюю окраску. Однако несмотря на всё это, все попытки вырастить организм в лаборатории оказались тщетными. Оставив эксперименты, учёные поместили уникальный образец в морозильную камеру.

Примерно десять лет спустя аспиранты забрали организм и отнесли его в лабораторию к Дидье Раулю (Didier Raoult), французскому микробиологу, специализирующемуся на бактериях, которых трудно вырастить в лабораторных условиях. Сначала для изучения организма исследователь рассмотрел его в мощный электронный микроскоп.

Тогда же с Раулем работали Клавери и Абержель, но над другим проектом. Они сразу же распознали вирусоподобную форму, несмотря ни на размеры исследуемого организма, ни на его другие необычные свойства. Вирусологи тотчас же взялись за изучение генома гигантского вируса и обнаружили в его ДНК тысячи генов, что даже больше, чем у некоторых бактерий. Тогда учёные назвали организм мимивирусом (от MImicking MIcrobe VIRUS или "вирус, имитирующих микробов") за то, что амёбы принимали его за бактерий и пытались поглотить.

Клавери и Абержель давно подозревали, что гигантские вирусы должны быть широко распространены в природе, но остаются незамеченными из-за их размера. Они взяли образцы воды, изобилующей амёбами, практически в каждом месте, где побывали. В двух образах (один из Мельбурна, другой с берегов Чили) они нашли ещё больший вирус и назвали его пандоравирусом.

"Каждый эксперимент мы повторили по 10 раз. Вирус был настолько необычным, что мы думали, что где-то допустили ошибку", — вспоминает Абержель.

Поскольку пандоравирус обладал поразительно крупным числом генов, примерно 2500 штук, учёные решили, что пора относить гигантские вирусы к новой форме жизни. Самое удивительное, что более 90% генов вируса не имели ничего общего с другими организмами, населяющими Землю.

Позднее Клавери и Абержель обнаружили питовирус, который превосходит пандоравирус по своим размерам и не уступает ему в численности генов. Необычный генофонд заставил учёных задуматься о происхождении гигантских вирусов. Поскольку гены патогенов сильно отличались от других организмов, биологи предположили, что предки гигантских вирусов возникли на очень раннем этапе зарождения жизни.

Эта идея идёт вразрез с общепринятой теорией о том, что вирусы возникли в очень поздней истории эволюции жизни. Но могли ли вирусы появится до формирования клеточной жизни?

Кунин и его коллеги полагают, что вирусы предшествовали клеточной жизни. Согласно его теории, получившей название "вирусный мир" (Virus World), предки современных вирусов возникли, когда вся жизнь была ещё плавающей в водоёмах Земли генетической информацией из аминокислот и липидов. Самые ранние образцы генетического материала, скорее всего, представляли собой отрезки РНК с относительно небольшим набором генов, которые часто паразитировали на других формах протожизни, чтобы создавать копии самих себя.

Эти "лысые" участки генетической информации постоянно обменивались генами, забирая второсортные единицы у соседей и высвобождая то, что им было уже не нужно. Со временем, утверждает Кунин, паразитические генетические элементы оказались не в состоянии воспроизводиться самостоятельно и превратилась в современных вирусов, которые по-прежнему не могут существовать без чужих клеток. А гены, на которых они прежде паразитировали, начали создавать барьеры для защиты себя от генетических халявщиков, и так в конечном итоге появилась клеточная жизнь.

Теория вирусного мира по своей сути схожа с Гипотезой мира РНК, которая гласит, что жизнь впервые появились в виде небольших участков РНК, которые медленно развились в сложные организмы-носители ДНК. Обе версии согласуются в том, как возник первый генетический материал, но различаются в том, когда именно возникли первые вирусы — до или после клеток.

Сторонники того, что вирусы возникли первостепенно, оперируют несколькими весомыми доказательствами. Во-первых, разнообразие вирусов сильно превышает разнообразие представителей клеточной жизни. А если бы вирусы были вторичным продуктом, то их диверсификация была бы значительно беднее, поскольку клетки бы содержали весь спектр генов, доступных вирусам.

"Та же самая дилемма возникает, когда мы говорим о происхождении людей. Мы знаем, что люди — выходцы из Африки, так как генетическое разнообразие среди жителей этого континента намного больше, чем в любой другой точке планеты. Если это верно для людей, то почему это не верно для вирусов?" — задаётся вопросом Кунин.

Во-вторых, вирусы намного более "изобретательны", когда речь заходит о самовоспроизведении. У клеток есть всего два способа репликации их ДНК: одним располагают бактерии, а другим — археи и эукариоты. Вирусы пользуются всем остальным.

Мимивирус, один из первых гигантских вирусов, найденных учёными (иллюстрация Wikimedia Commons).

Существует и ещё одна промежуточная теория, которая гласит, что вирусы могли появиться после примитивных клеток и до современных. Отдельные вирусы, которые заражают три различных домена жизни, имеют некоторые общие белки, что позволяет предположить, что вирусы развивались до возникновения жизни в современном понимании. Однако, по мнению сторонников теории вирусного мира, вирусы существовали задолго до появления предка всего живого на Земле.

Изучение гигантских вирусов привело к почти философскому вопросу о том, что есть жизнь. Согласно стандартному определению, традиционные вирусы не живые организмы, поскольку они не способны реплицировать собственные гены и должны "воровать" у хозяйских клеток.

Но гигантские вирусы стоят где-то посередине между бактериями и обычными вирусами. У них есть некоторые гены, участвующие в репликации, что указывает на возможность существования этапа их эволюции, при котором они могли быть независимыми организмами.

Некоторые исследователи утверждают, что по этой причине им необходимо отвести отдельный домен на древе жизни. В эту же пользу говорит тот факт, что гигантские вирусы обладают уникальными только для себя генами, не похожими ни на какие другие.

Тем не менее, гигантские вирусы были сгруппированы в более крупные семейства вирусов, известные как цитоплазматические крупные ДНК-вирусы, в которые также входят вирусы оспы. Гигантские вирусы являются гораздо более сложными, чем те, что вызывают оспу, поэтому учёные решили, что они возникли позднее в истории эволюции. Однако дальнейшая работа учёных указала на то, что эти вирусы эволюционировали гораздо раньше, чем предполагалось.

Густаво Каэтано-Анольес (Gustavo Caetano-Anolles) из университета Иллинойса в Урбана-Шампейн проследил эволюционную историю белков, обнаруженных в нескольких гигантских вирусах при исследовании 2012 года. Его работа показывает, что гигантские вирусы представляют собой форму жизни, которая либо предшествовала, либо сосуществовала с последним универсальным общим предком всего живого.

Если гигантские вирусы так стары, как показывает работа Каэтано-Анольеса, то биологическую историю Земли необходимо в корне пересмотреть. В таком случае ведущую роль в зарождении жизни сыграли именно вирусы. Это также может означать, что вирусы являются одной из доминирующих эволюционных сил на нашей планете, и что каждый организм имеет своё вирусное прошлое.

Шостак считает, что вирусы действительно были мощной эволюционной силой, и что они эволюционировали раньше, чем учёные прежде считали. Однако он указывает на существенное различие между паразитарными генетическими элементами, представлявшими собой участки генетического материала, которые используют другие участки генетического материала, чтобы сделать копии себя, и истинными вирусами, которые не могут существовать без клетки.

"Всякий раз, когда вы смешиваете кучу маленьких молекул РНК, вы получаете кучу паразитарных последовательностей, которые хороши только тем, что умеют быстро реплицироваться. Для того чтобы эти последовательности стали похожи на современные вирусы, они должны паразитировать на живой клетке, а не просто на ещё одной нити РНК", — отмечает Шостак.

Сторонники теории вирусного мира говорят, что клетки не могли эволюционировать без участия вирусов: для того чтобы перейти от РНК к ДНК, необходим фермент обратной транскриптазы, а они содержатся только в вирусах, но не в клетках.

Клавери и Абержель, однако, полагают, что вирусы вышли из клеток. Они предлагают другое объяснение необычному набору генов у гигантских вирусов: вероятно, они происходят от тех клеток, которые к настоящему моменту уже вымерли.

Согласно этой теории, предок гигантских вирусов утратил способность к репликации в качестве независимой формы жизни и был вынужден полагаться на другие клетки, чтобы скопировать собственную ДНК. Кусочки генов этих древних клеток выжили в современных мимивирусах, пандоравирусах и питовирусах, что может быть логичным объяснением наличию уникальных генов.

"У всего живого не может быть единого общего предка. В ранней истории существовало множество клеток живых организмов, которые конкурировали друг с другом и оставили одного победителя, который лёг в основу жизни, какой мы её знаем сегодня", — считает Клавери.

Споры на эту тему вряд ли утихнут в ближайшее время. Но вирусологи уже ищут новых гигантских вирусов, которые, возможно, прольют свет на историю эволюции жизни в целом.

Американские биологи провели обширное метагеномное исследование с целью выявить функциональный состав геномов гигантских вирусов — как уже открытых, так и неизвестных науке (последние, естественно, изучаются пока только по нуклеотидным последовательностям). Гигантскими вирусами называется открытая в 2003 году группа очень крупных вирусов эукариот: они бывают крупнее некоторых клеток и имеют огромные геномы, в рекордных случаях тоже превосходящие размерами многие клеточные. Самые крупные известные представители гигантских вирусов паразитируют в пресноводных амебах. Анализ геномов показал, что у гигантских вирусов (особенно у семейства мимивирусов) есть аналоги множества клеточных генов, и в том числе генов, кодирующих ферменты метаболизма углерода. Многие гигантские вирусы имеют собственные ферменты гликолиза, глюконеогенеза и даже цикла Кребса. Соответствующие гены, конечно, были заимствованы вирусами от клеточных организмов. Но эти заимствования произошли давно (даже в эволюционном масштабе времени). Исследователей поразил сам факт, что у вирусов могут не только случайно появляться, но и устойчиво сохраняться в разных эволюционных ветвях гены, связанные с такими глубинными механизмами обмена веществ, которые раньше считались исключительной принадлежностью клеток.

Принято считать, что вирусы — это самые мелкие и самые простые живые организмы. Понимание того, что вирусы — отнюдь не бактерии, когда-то возникло под влиянием двух фактов: оказалось, что они, во-первых, невидимы под световым микроскопом, и во-вторых, свободно проходят сквозь фильтры, предназначенные для задержки бактерий. И то, и другое объясняется тем, что вирусы — а точнее, их компактные расселительные формы (вирионы) — как правило, чрезвычайно малы по меркам обычной биологии, изучающей животных, растения или даже микробов.

Для всех выделенных последовательностей авторы построили общее филогенетическое древо, добавив туда и некоторое количество референтных геномов, принадлежащих вирусам, которые уже заведомо известны (рис. 2). На этом древе вновь открытые вирусы распределились по шести семействам: оказалось, что большинство из них относится к мимивирусам и фикоднавирусам, а некоторые — к иридовирусам, асфарвирусам, марсельвирусам или питовирусам. Здесь, между прочим, хорошо видно, какое место занимает в современной биологии эволюционный подход. Раньше биологи сначала изучали живые организмы по отдельности, описывая в деталях их устройство, и только потом отваживались строить гипотезы о филогенетических отношениях между ними. Построенное филогенетическое древо было высшим уровнем исследовательской работы, ее венцом. Теперь же построение такого древа стало рутинной технической процедурой, и исследование (во всяком случае, биоинформатическое) с нее начинается. Авторы сначала выясняют хотя бы в общих чертах, какие места на филогенетическим древе занимают открытые ими существа, а уж потом переходят к подробностям.

Все это, однако, в целом было более или менее известно и раньше. Удивило исследователей другое. Оказалось, что у гигантских вирусов достаточно широко распространены гены, кодирующие ферменты, которые принимают участие в обмене углерода, в частности в таких процессах, как гликолиз (распад молекул глюкозы надвое, протекающий в несколько ступеней с выделением энергии) и глюконеогенез (синтез той же глюкозы из других соединений, например из аминокислот). Обмен углерода — это самая что ни на есть основа метаболизма живых клеток. Это центр, к которому сходятся все цепочки идущих в клетке химических реакций. Теперь выяснилось, что гигантские вирусы вторгаются даже сюда, причем очень основательно. Например, почти для каждого фермента гликолиза можно найти альтернативный ген, входящий в состав генома того или иного гигантского вируса. Особенно богато такими генами семейство мимивирусов, хотя и в других семействах они тоже встречаются. В нескольких вирусных геномах обнаружены блоки как минимум из двух генов, кодирующих ферменты смежных реакций гликолиза: иными словами, там фактически закодирован целый сплошной отрезок этого биохимического пути. У одного гигантского вируса есть гены, кодирующие аж 7 из 10 основных гликолитических ферментов, — то есть две трети реакций гликолиза этот вирус может провести сам, без поддержки клеточного генома. Причем вирусные ферменты гликолиза заметно отличаются от клеточных (в чем функциональный смысл отличий — еще предстоит разобраться, это интересная проблема). Можно ли после этого сомневаться в том, что у вирусов бывает свой метаболизм?

Еще интереснее, что у некоторых гигантских вирусов есть гены, кодирующие ферменты цикла Кребса, он же цикл трикарбоновых кислот (рис. 3). Цикл Кребса — это замкнутая цепочка химических реакций, служащая центром пересечения великого множества метаболических путей и являющаяся у организмов, дышащих кислородом, ключевым этапом клеточного дыхания (впрочем, цикл Кребса важен и в других отношениях). Казалось бы, ну зачем все это вирусам? Однако выяснилось, что не менее восьми ферментов цикла Кребса имеют у гигантских вирусов свои аналоги, причем более или менее широко распространенные. Соответствующих вирусных генов на самом деле еще больше: например, такой фермент, как сукцинатдегидрогеназа, состоит из трех субъединиц, каждая из которых кодируется отдельным геном — и все эти гены у вирусов есть. Пока, правда, не совсем понятно, как именно они их используют, но как-то используют точно: ген, на протяжении эволюционно значимого срока сохраняющийся в геноме в работоспособном состоянии, не может не иметь функции.

Рис. 3. Цикл Кребса, он же цикл трикарбоновых кислот. Ферменты цикла Кребса, гомологи которых есть у гигантских вирусов: цитратсинтаза (CS), аконитаза (ACON), изоцитратдегидрогеназа (ICD), изоцитратлиаза (ICL), сукцинатдегидрогеназа (SDA, SDB, SDC — три ее субъединицы), фумаратгидратаза (FH), малатсинтаза (MS), малатдегидрогеназа (MDH). Числа в цветных квадратиках — это число вирусных геномов, в которых обнаружен ген данного фермента. Они указаны отдельно для каждого семейства вирусов (см. легенду сбоку). Как видим, для некоторых ферментов эти числа измеряются десятками. Фрагмент иллюстрации из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Источник: Mohammad Moniruzzaman, Carolina A. Martinez-Gutierrez, Alaina R. Weinheimer, Frank O. Aylward. Dynamic genome evolution and complex virocell metabolism of globally-distributed giant viruses // Nature Communications. 2020. V. 11. № 1. P. 1–11. DOI: 10.1038/s41467-020-15507-2.

Пандоравирус под электронным микроскопом
(фото Chantal Abergel and Jean-Michel Claverie).

Новая форма жизни. Вирусы Пандоры. Гигантские вирусы. За последнее десятилетие биологи обнаружили несколько ранее неизвестных созданий природы, которые окончательно их запутали своими свойствами, а главное — размерами.

Вся жизнь на Земле делится на три надцарства или домена: бактерии, археи и эукариоты. Вирусы живыми организмами учёные никогда не считали. Вместо этого их называют инфекционными агентами, поскольку воспроизводиться они могут только внутри клеток хозяина. Но недавние открытия учёных заставили их усомниться в этой научной догме.

Самый интересный случай обнаружения вируса Пандоры (Pandoravirus salinus) рассказал Рольф Мишель (Rolf Michel), паразитолог из Центрального института при Медико-санитарной службе Германии (Zentraler Sanitätsdienst der Bundeswehr). Он нашёл гигантский вирус внутри амёбы, которая жила на поверхности контактной линзы женщины, страдавшей воспалением роговицы. "Когда я прочитал работу своих коллег, то понял, что это был пандоравирус. Но я и не предполагал, что вирусы вообще бывают такими!" — рассказывает учёный.

Читайте также: