Открытия вирусологов могут изменить биологию

0
9

Открытия вирусологов могут изменить биологию

Вирусы – крошечные, но «неимоверно могущественные создания», без которых мы бы не выжили. Их влияние на нашу планету бесспорно. Найти их легко, ученые продолжают выявлять неизвестные ранее типы вирусов. Но как много мы знаем о них? Как нам понять, какой из них нужно исследовать в первую очередь?

Коронавирус SARS-CoV-2 – это лишь один из нескольких миллионов вирусов, обитающих на нашей планете. Ученые быстро выявляют множество новых типов.

Майя Брайтбарт (Mya Breitbart) искала новые вирусы в африканских термитниках, у антарктических тюленей и в водах Красного моря. Но, как оказалось, чтобы действительно хоть что-нибудь найти, ей нужно было всего лишь заглянуть в свой домашний сад во Флориде. Там вокруг бассейна можно обнаружить пауков-кругопрядов вида Gasteracantha cancriformis.

Открытия вирусологов могут изменить биологию

Gasteracantha cancriformis

У них яркая окраска и округлые белые тела, на которых заметны черные пятнышки и шесть алых шипов, похожие на диковинное оружие времен Средневековья. Но внутри тел этих пауков Майю Брайтбарт ждал сюрприз: когда Брайтбарт, специалист в области вирусной экологии из Южно-Флоридского университета в Сент-Питерсберге, вместе со своими коллегами собрала несколько таких пауков и измельчила их тела, то в них были обнаружены два вируса, ранее неизвестные науке.

Как известно, начиная с 2020 года мы, простые люди, были озабочены только одним особо опасным и всем известным сейчас вирусом, но существует множество других вирусов, которые пока не обнаружены. По мнению ученых, в одном только мировом океане в любой момент времени обитает около 1031 разных вирусных частиц, что в десять миллиардов раз превышает приблизительное количество звезд в наблюдаемой Вселенной.

Теперь ясно, что экосистемы и отдельные организмы зависят от вирусов. Вирусы — крошечные, но неимоверно могущественные создания, они ускоряли эволюционное развитие на протяжении миллионов лет, с их помощью осуществлялось перемещение генов между организмами-носителями. Обитая в мировом океане, вирусы вскрывали микроорганизмы, выбрасывая их содержимое в водную среду и обогащая пищевую сеть питательными веществами. «Без вирусов мы бы не выжили», — утверждает вирусолог Кертис Саттл (Curtis Suttle) из Университета Британской Колумбии в канадском Ванкувере.

Открытия вирусологов могут изменить биологию

Кертис Саттл (Curtis Suttle)Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV) было установлено, что на данный момент в мире существует 9110 отдельных видов вирусов, но это, очевидно, мизерная доля от их общего числа. Отчасти это связано с тем, что официальная классификация вирусов в прошлом требовала от ученых культивирования вируса в организме-носителе или его клетках; этот процесс отнимает много времени, а порой кажется нереально сложным.

Вторая причина заключается в том, что в ходе научных поисков акцент делался на отыскании тех вирусов, которые вызывают заболевания у человека или у других живых организмов, представляющих собой определенную ценность для человека, например, это касается сельскохозяйственных животных и сельскохозяйственных культур.

Тем не менее, как напомнила нам пандемия covid-19, важно изучать вирусы, которые могут передаваться от одного организма-носителя другому, в этом как раз и заключается угроза для человека, а также для домашних животных или сельскохозяйственных культур.

Открытия вирусологов могут изменить биологию

Коронавирус (окрашен желтым) атакует клетки в организме заболевшего

За последнее десятилетие количество известных вирусов резко увеличилось за счет того, что усовершенствовались технологии их обнаружения, а также благодаря недавно произведенному изменению правил идентификации новых видов вирусов, что позволило выявлять вирусы без необходимости его культивирования с помощью организма-носителя.

Одним из наиболее расхожих методов является метагеномика. Она позволяет ученым производить забор образцов геномов из окружающей среды без необходимости их культивирования. С помощью новых технологий, таких как секвенирование вируса, список пополнился еще бóльшим числом названий вирусов, включая такие, которые на удивление широко распространены, но при этом до сих пор оставались скрытыми от ученых.

«Сейчас прекрасное время для проведения такого рода исследований, — говорит Майя Брайтбарт. — Я думаю, что во многих отношениях сейчас настало время вирома [виром — совокупность всех вирусов, которые характерны для отдельного организма, — прим.перев.]».

Только в 2020 году ICTV добавила 1044 новых вида в свой официальный список вирусов, при этом еще тысячи вирусов ждут своего описания и остаются пока безымянными. Появление столь великого множества геномов побудило вирусологов переосмыслить способ классификации вирусов и помогло уточнить процесс их эволюции. Существуют убедительные доказательства того, что вирусы возникли не из одного источника, а возникали несколько раз.

И все-таки истинные размеры глобального вирусного сообщества по большому счету неизвестны — таково мнение вирусолога Дженса Куна (Jens Kuhn) из Национального института аллергии и инфекционных заболеваний США (NIAID) в Форт-Детрике, штат Мэриленд: «Мы действительно понятия не имеем, что там происходит».

Повсюду и везде

Любой вирус обладает двумя свойствами: во-первых, геном каждого вируса заключен в белковую оболочку, и, во-вторых, каждый вирус с целью своего воспроизводства использует чужой организм-носитель — будь то человека, паука или растение. Но в этой общей схеме существует бесчисленное множество вариаций.

Так, например, у крохотных цирковирусов имеется всего два-три гена, а у массивных мимивирусов, которые по размерам превосходят некоторые бактерии, — сотни генов.

Открытия вирусологов могут изменить биологию

Бакутериофаг

Еще, к примеру, существуют бактериофаги, чем-то похожие на аппарат для посадки на Луну, — эти бактериофаги заражают бактерии. И, конечно же, в наши дни все знают об утыканных шипами шариках-убийцах, изображения которых теперь до боли знакомы, пожалуй, каждому человеку в любой стране мира. И еще у вирусов есть такая особенность: одна группа вирусов хранит свой геном в виде ДНК, в то время как другая — в виде РНК.

Есть даже бактериофаг, использующий альтернативный генетический алфавит, в котором азотистое основание A в канонической системе ACGT заменено другой молекулой, обозначенной буквой Z [буквой A обозначается азотистое основание «аденин», которое входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК); ACGT- азотистые основания, входящие в состав ДНК, а именно: A— аденин, С- цитозин, G— гуанин, T— тимин, — прим. перев.].

Вирусы настолько вездесущи и пронырливы, что могут появляться даже в том случае, если ученые их не ищут. Так, например, Фредерик Шульц (Frederik Schulz) вообще не собирался изучать вирусы, область его научных исследований — последовательности геномов из сточных вод. Будучи аспирантом Венского университета, Шульц в 2015 году использовал метагеномику для поиска бактерий. При данном подходе ученые выделяют ДНК из целого ряда организмов, измельчают их на мелкие кусочки и секвенируют. Затем компьютерная программа собирает из этих кусочков отдельные геномы. Эта процедура напоминает сборку сразу нескольких сотен головоломок из отдельных фрагментов, перемешанных друг с другом.

Среди бактериальных геномов Шульц не мог не заметить громадный кусок вирусного генома (очевидно, потому что у этого куска имелись гены вирусной оболочки), в который входило 1,57 миллиона пар нуклеотидов. Этот вирусный геном оказался гигантом, он входил в группу вирусов, члены которой являются вирусами-великанами как по размеру генома, так и по абсолютным габаритам (обычно 200 нанометров и более в поперечнике). Этим вирусом заражаются амебы, водоросли и другие простейшие, тем самым он оказывает влияние на водные экосистемы, а также на экосистемы, находящиеся на суше.

Фредерик Шульц, ныне работающий микробиологом в Объединенном институте генома при Министерстве энергетики США в г. Беркли, штат Калифорния, решил заняться поиском родственных вирусов в метагеномных базах данных. В 2020 году в своей статье Шульц вместе с коллегами описали более двух тысяч геномов из той группы, в которой содержатся вирусы-гиганты. Напомним, что ранее в общедоступные базы данных было внесено всего 205 таких геномов.

Помимо этого, в поисках новых видов вирусологам также пришлось заглянуть внутрь человеческого тела. Специалист в области биоинформатики вирусов Луис Камарилло-Герреро (Luis Camarillo-Guerrero) вместе с коллегами из Института Сенгера в Хинкстоне (Великобритания) анализировал метагеномы кишечника человека и создал базу данных, содержащую более 140 тысяч видов бактериофагов. Более половины из них науке были неизвестны.Совместное исследование ученых, опубликованное в феврале, совпало с выводами других ученых о том, что одной из наиболее распространенных групп вирусов, заражающих бактерии человеческого кишечника, является группа, известная как crAssphage (названная в честь программы кросс-ассемблера, которая обнаружила его в 2014 году). Несмотря на обилие вирусов, представленных в этой группе, ученым мало что известно о том, каким образом вирусы этой группы участвуют в человеческом микробиоме, утверждает Камарилло-Герреро, который сейчас работает в компании Illumina, занимающейся секвенированием ДНК (Illumina расположена в британском Кембридже).

С помощью метагеномики было обнаружено множество вирусов, однако в то же время метагеномика многие вирусы игнорирует. В типичных метагеномах РНК-вирусы не секвенированы, поэтому микробиолог Колин Хилл (Colin Hill) из Ирландского национального университета в Корке (Ирландия) и его коллеги занялись их поисками в базах данных РНК, которые называются метатранскриптомами.

Открытия вирусологов могут изменить биологию

ДНК и РНК

Ученые обычно обращаются к этим данным при изучении генов в популяции, т.е. тех генов, которые активно превращаются в информационную РНК [информационную РНК (или иРНК) также называют матричной РНК (мРНК) — прим. перев.], участвующую в продуцировании белков; но там также могут попадаться и геномы РНК-вирусов. Используя вычислительные методы для извлечения последовательностей из данных, группа ученых обнаружила в метатранкриптомах из образцов ила и воды 1015 вирусных геномов. Благодаря работе ученых, информация об известных вирусах значительно увеличилась после появления только одной статьи.

Благодаря этим методам можно случайно собрать и не существующие в природе геномы, но чтобы это предотвратить, ученые научились использовать методы контроля. Но имеются и другие слабые места. Например, крайне трудно выделить некоторые разновидности вирусов, отличающиеся большим генетическим разнообразием, поскольку компьютерным программам сложно собрать воедино разрозненные последовательности генов.

Альтернативный подход состоит в секвенировании каждого по отдельности вирусного генома, как это делает микробиолог Мануэль Мартинес-Гарсия (Manuel Martinez-Garcia) из Университета Аликанте в Испании. Пропустив морскую воду через фильтры, он выделил некоторые специфические вирусы, амплифицировал их ДНК и приступил к секвенированию.

После первой попытки он обнаружил 44 генома. Оказалось, что один из них представляет собой разновидность одного из самых распространенных вирусов, живущих в океане. Этот вирус отличается настолько большим генетическим разнообразием (т.е. генетические фрагменты его вирусных частиц настолько сильно различаются в разных вирусных частицах), что его геном никогда не появлялся в исследованиях по метагеномике. Ученые назвали его «37-F6» из-за его расположения на лабораторной чашке. Однако, как пошутил Мартинес-Гарсия, учитывая способность этого генома прятаться на самом видном месте, его следовало бы назвать 007 в честь суперагента Джеймса Бонда (James Bond).

Генеалогические древа вирусов

У подобных океанических вирусов, таких же скрытных будто Джеймс Бонд, нет официального латинского названия, как и у большинства из нескольких тысяч вирусных геномов, обнаруженных за последнее десятилетие с помощью метагеномики. Эти геномные последовательности поставили перед ICTV непростой вопрос: достаточно ли одного генома, чтобы дать вирусу название? До 2016 года существовал следующий порядок: если ученые предлагали для ICTV какой-либо новый вид вируса или таксономической группы, то, за редкими исключениями, необходимо было предоставить в культуре не только данный вирус, но и организм-носитель. Но в 2016 году, после напряженных споров, вирусологи согласились тем, что одного генома было бы достаточно.

Стали поступать заявки по новым вирусам и группам вирусов. Но эволюционные взаимосвязи между этими вирусами подчас оставались неясными. Вирусологи обычно классифицируют вирусы на основе их формы (например, «длинные», «тонкие», «голова с хвостом») или на основе их геномов (ДНК или РНК, одно или двухцепочечные), но все эти свойства на удивление мало что говорят нам об общем их происхождении. Например, вирусы с геномами, состоящими из двухцепочечной ДНК, по-видимому, могли возникнуть, по крайней мере, в четырех различных ситуациях.

Первоначальная классификация вирусов ICTV (а она подразумевает, что древо вирусов и древо клеточных форм жизни существуют отдельно друг от друга) включала только нижние ступени эволюционной иерархии, начиная от видов и родов вплоть до уровня, который по классификации многоклеточной жизни эквивалентен приматам или хвойным растениям. Более высоких уровней эволюционной иерархии вирусов не имелось. И многие вирусные семейства существовали изолированно, без каких-либо связей с другими видами вирусов. Итак, в 2018 году ICTV добавила для классификации вирусов уровни более высокого порядка: классы, типы и царства.

На самом верху классификации вирусов ICTV поставил группы под названием «реалмы» (realm), являющиеся аналогами «доменов» для клеточных форм жизни (бактерий, архей и эукариот), т.е. ICTV использовал иное слово для различения этих двух деревьев. (Несколько лет назад некоторые ученые предположили следующее: некоторые вирусы могли бы, наверное, вписаться в древо клеточных форм жизни; но эта идея не получила широкого одобрения).

ICTV очертил контуры ветвей древа вирусов и отнес РНК-вирусы к области под названием Riboviria; кстати, частью этой области является вирус SARS-CoV-2 и другие коронавирусы, геномы которых представляют собой одноцепочечные РНК. Но затем обширное сообщество вирусологов должно было предложить дополнительные таксономические группы. Так получилось, что биолог-эволюционист Юджин Кунин (Eugene Koonin) из Национального центра биотехнологической информации в городе Бетесде, штат Мэриленд, собрал группу ученых, чтобы предложить первый вариант систематизации вирусов. С этой целью Кунин решил проанализировать все вирусные геномы, а также результаты исследований по вирусным белкам.

Они реорганизовали область Riboviria и предложили еще три реалма. По словам Кунина, возникали споры по поводу некоторых деталей, но в 2020 году систематизация была одобрена членами ICTV без особых затруднений. По словам Кунина, в 2021 году еще двум реалмам был дан зеленый свет, но исходные четыре реалма, вероятно, останутся крупнейшими. В конце концов, предполагает Кунин, количество реалмов может достигать 25.

Это число подтверждает подозрение многих ученых: у вирусов нет общего предка. «Не существует единого прародителя для всех вирусов, — полагает Кунин. — Его попросту не существует». Это означает, что вирусы, вероятно, возникали несколько раз на протяжении всей истории жизни на Земле. Таким образом, у нас нет никаких оснований утверждать, что вирусы не могут появиться еще раз. «Новые вирусы в природе появляются постоянно», — говорит вирусолог Март Крупович (Mart Krupovic) из Института Пастера в Париже, который принимал участие как в принятии решений ICTV, так и в исследовательской работе группы Кунина в области систематизации.

По поводу причин возникновения реалмов у вирусологов имеется несколько гипотез. Возможно, реалмы произошли от независимых генетических элементов на заре жизни на планете Земля еще до того момента, как сформировались клетки. А может быть, они покинули целые клетки, «сбежали» из них, отказавшись от большинства клеточных механизмов для поддержания своего существования на минимальном уровне. Кунин и Крупович выступают в пользу гибридной гипотезы, согласно которой эти первичные генетические элементы «похитили» генетический материал из клетки для того, чтобы построить вирусные частицы. Поскольку существует множество гипотез происхождения вирусов, то, вполне возможно, существует и множество способов их появления, утверждает вирусолог Дженс Кун, который работал в комитете ICTV над предложением по новой систематизации вирусов.

Несмотря на тот факт, что вирусное и клеточное деревья различны, их ветви не только соприкасаются, но и обмениваются генами. Так куда же следует отнести вирусы — к живой или неживой природе? Ответ зависит от того, как именно вы определите понятие «живой». Многие ученые не считают вирус живым существо, в то время как другие с этим не согласны. «Я склонен верить, что они живые, — полагает специалист по биоинформатике Хироюки Огата (Hiroyuki Ogata), он занимается исследованием вирусов в Киотском университете (Япония). — Они эволюционируют, у них есть генетический материал, состоящий из ДНК и РНК. И они являются очень важным фактором эволюции всего живого».

Современная классификация является широко признанной, она представляет собой первую попытку обобщить все многообразие вирусов, хотя некоторые вирусологи и полагают, что она несколько неточна. У десятка семейств вирусов до сих пор нет связи с каким-либо реалмом. «Уже хорошо то, что мы пытаемся навести хотя бы какой-то порядок в этом беспорядке», — добавляет микробиолог Мануэль Мартинес-Гарсия.

Они изменили мир

Общая масса вирусов, обитающих на Земле, эквивалентна массе 75 миллионов синих китов. Ученые уверены, что вирусы оказывают влияние на пищевые сети, экосистемы и даже на атмосферу нашей планеты. По словам специалиста в области экологической вирусологии Мэтью Салливана (Matthew Sullivan) из Университета штата Огайо в Колумбусе, ученые все чаще стали открывать новые виды вирусов, при этом исследователи «стали обнаруживать ранее неизвестные способы, при помощи которых вирусы оказывают прямое воздействие на экосистемы». Ученые пытаются количественно оценить это вирусное воздействие.

«В настоящий момент у нас нет какого-то простого объяснения происходящих явлений», — говорит Хироюки Огата.

В мировом океане вирусы могут покидать своих микробов-хозяев, высвобождая углерод, — последний будет переработан другими существами, которые поедают внутренности этих микробов-хозяев, а затем выделяют углекислый газ. Но в последнее время ученые также пришли к выводу, что лопнувшие клетки часто образуют сгустки и опускаются на дно мирового океана, связывая углерод из атмосферы.

По словам Мэтью Салливана, таяние вечной мерзлоты на суше является основным источником генерирования углерода, а вирусы, по-видимому, способствуют в этой среде высвобождению углерода из микроорганизмов. В 2018 году Салливан вместе с коллегами описал 1907 вирусных геномов и их фрагментов, собранных во время таяния вечной мерзлоты в Швеции, включая гены белков, которые могут каким-то образом влиять на процесс распада углеродных соединений и, возможно, на процесс их превращения в парниковые газы.

Вирусы способны оказывать влияние и на другие организмы (скажем, перемешивать их геномы). Например, вирусы переносят от одной бактерии к другой гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам, при этом, штаммы, устойчивые к лекарствам, могут в итоге одержать победу. По словам Луиса Камарилло-Герреро, со временем такой перенос генов может стать причиной серьезных эволюционных сдвигов в той или иной популяции — причем, не только у бактерий. Так, по некоторым оценкам, 8% ДНК человека имеет вирусное происхождение. Так, например, именно от вируса наши предки-млекопитающие получили ген, необходимый для развития плаценты.

Для решения многих вопросов, касающихся поведения вирусов, ученым потребуется нечто большее, чем просто их геномы. Необходимо также найти хозяев вируса. При этом ключ к разгадке может храниться в самóм вирусе: вирус, например, может содержать в себе узнаваемый фрагмент генетического материала хозяина в своем собственном геноме.

Микробиолог Мануэль Мартинес-Гарсия вместе с коллегами использовал одноклеточную геномику для идентификации микробов, содержащих недавно открытый вирус 37-F6. Организм-носитель этого вируса — бактерия Pelagibacter, она принадлежит к числу одних из самых распространенных и многоликих морских организмов. В некоторых регионах мирового океана на Pelagibacter приходится почти половина всех клеток, обитающих в его водах. Если бы вирус 37-F6 внезапно исчез, продолжает Мартинес-Гарсия, то жизнь гидробионтов была бы сильно нарушена.

Чтобы составить полное представление о влиянии того или иного вируса, ученым необходимо выяснить, каким образом он меняет своего хозяина, поясняет эколог-эволюционист Александра Ворден (Alexandra Worden) из Центра изучения океана им. Гельмгольца (GEOMAR) в Киле, Германия. Ворден занимается изучением вирусов-гигантов, у которых имеются гены флуоресцирующего белка, называемого родопсином.

Открытия вирусологов могут изменить биологию

В принципе, эти гены могут быть полезны и организмам-носителям, например, для таких целей, как передача энергии или передача сигналов, но данный факт пока не подтвержден. Для того чтобы выяснить, что происходит с генами родопсина, Александра Ворден планирует культивировать организм-носитель (хозяин) вместе с вирусом для того, чтобы изучить механизм функционирования этой пары (хозяин-вирус), объединенной в единый комплекс — «вироцелл».

«Только при помощи клеточной биологии можно сказать, какова истинная роль этого явления и как именно оно влияет на углеродный цикл», — добавляет Ворден.

У себя дома во Флориде Майя Брайтбарт отнюдь не занималась культивированием вирусов, выделенных из пауков Gasteracantha cancriformis, но все же ей удалось кое-что о них узнать. Два ранее неизвестных науке вируса, обнаруженных у этих пауков, принадлежат к той группе, которую Брайтбарт охарактеризовала словом «удивительная» — и все из-за их крошечных геномов: первый кодирует ген белковой оболочки, второй — ген белка репликации.

Поскольку один из этих вирусов присутствует только в теле паука, но не в его ногах, Брайтбарт полагает, что на самом деле его функция — заражать добычу, которую впоследствии поедает паук. Второй вирус можно обнаружить в различных областях тела паука — в кладке яиц и потомстве — поэтому Брайтбарт полагает, что данный вирус передается от родителей к потомству. По мнению Брайтбарт, этот вирус для паука безвреден.

Итак, найти вирусы «в действительности проще всего», утверждает Майя Брайтбарт. Гораздо сложнее определить тот механизм, с помощью которого вирусы влияют на жизненный цикл и экологию организма-носителя. Но сначала вирусологи должны ответить на один из самых сложных вопросов, напоминает Брайтбарт: «Как нам понять, какой из них нужно исследовать в самом начале?»

Amber Dance (Эмбер Дэнс)