У гигантских вирусов есть ферменты цикла Кребса

Рис. 1. Гигантские вирусы. А — физические размеры и размеры генома гигантских вирусов в сравнении с «обычными» вирусами и с клетками. Б — изображения гигантских вирусов. Слева направо: мимивирус, пандоравирус, питовирус. Иллюстрации со страницы quantamagazine.org, с изменениями

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.

Но биология — наука, в которой из большинства правил есть исключения. В 2003 году были открыты гигантские вирусы. Строго говоря, они были известны биологам и раньше, но сначала их приняли за каких-то необычных бактерий. Гигантские вирусы, а их сейчас обнаружено довольно много, принадлежат к эволюционной ветви, которую называют крупными нуклеоцитоплазматическими ДНК-содержащими вирусами (nucleocytoplasmic large DNA viruses, сокращенно NCLDV). Все они паразиты эукариот, от амёб и водорослей до насекомых и позвоночных. С отдельными представителями NCLDV-вирусов человек, как выяснилось, сталкивался вообще издавна — это поксвирусы, то есть вирусы оспы. По «общевирусным» меркам вирус оспы велик и сложен, но некоторые его дальние родственники оказались гораздо крупнее (рис. 1). Например, у питовируса, паразитирующего в пресноводных амёбах, размер вириона достигает полутора микрон. Мало сказать, что такие вирусы сравнимы по размеру с бактериями — они просто-напросто в разы крупнее некоторых бактерий (например, каких-нибудь микоплазм). Более того, они крупнее некоторых одноклеточных эукариот! Их прекрасно видно под световым микроскопом, и бактериальные фильтры их не пропускают.

Генетические параметры гигантских вирусов тоже поразили исследователей. У одного из самых крупных из них — пандоравируса, который тоже паразитирует в пресноводных амёбах — геном имеет размер почти 2,5 мегабазы (см. Геномы хвостатых амфибий с самого начала были большими, «Элементы», 24.06.2015) и содержит две с половиной тысячи белок-кодирующих генов. У ряда других вирусов размеры генома лишь ненамного ему уступают. Такие геномы превосходят как числом пар нуклеотидов, так и количеством генов геномы не только многих бактерий, но и некоторых эукариот. Таким образом, и по физическим размерам, и по величине генома гигантские вирусы уверенно перекрываются с клеточными организмами.

Принципиальное отличие вирусов от клеток состоит не в размере. Оно в том, что вирус не может самостоятельно, без помощи другого живого организма, реализовать свою генетическую программу. У вирусов нет рибосом, молекулярных «машинок», синтезирующих белки по генетическим инструкциям, — этот процесс, как известно, называется трансляцией. Именно отсутствием рибосом любой вирус отличается от любой клетки. Характерно, что даже здесь приходится делать кое-какие оговорки: в 2017 году был описан гигантский вирус (он относится к семейству мимивирусов), у которого есть несколько десятков генов, кодирующих именно составные части аппарата трансляции: транспортные РНК, аминоацил-тРНК-синтетазы и еще некоторые белки (см. Обнаружены гигантские вирусы с расширенным репертуаром генов для синтеза белка, «Элементы», 10.04.2017). Но полного аппарата трансляции там нет. Если бы у какого-то вируса нашлись работоспособные рибосомы — это был бы уже не вирус.

Зато у гигантских вирусов бывает много всего другого. Такой вирус не просто подключается к уже готовым клеточным механизмам — он активно перепрограммирует эти механизмы, превращая клетку (тут уже можно сказать «бывшую клетку») в некую принципиально новую структуру, которая даже и выглядеть-то может по-другому, но при этом остается живой и функционирующей. Только вот работает она теперь в интересах размножения вируса. У современных вирусологов такой составной организм называется «вироклеткой» (virocell). Превращение клетки в вироклетку — процесс, требующий сложного обеспечения, в том числе и на генетическом уровне.

Группа ученых из Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech) предприняла обширное исследование геномов гигантских вирусов, в том числе и тех, которые еще неизвестны вирусологам. Такие вещи сейчас возможны благодаря области науки, которая называется метагеномикой: она исследует ДНК, полученную прямо из природных сред (например, из воды или почвы), читая и анализируя набор генов сразу всех организмов, оставивших там свои генетические следы, — так называемый метагеном. Метагеномные исследования уже привели к множеству разнообразных открытий: например, благодаря метагеномике были открыты асгардархеи — крупная эволюционная ветвь архей, к которой относятся вероятные предки эукариот (см. Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот, «Элементы», 16.01.2017). Подавляющее большинство асгардархей до сих пор известно биологам только по метагеномным сборкам. Многие гигантские вирусы тоже были открыты именно в результате метагеномных исследований, которые сейчас вовсю продолжаются. В данном случае, однако, целью исследователей было не столько открытие новых разновидностей гигантских вирусов (хотя это тоже важный результат), сколько составление «коллективного портрета» этой группы, отображающего как можно больше генетических и физиологических свойств.

Виргинские ученые исследовали 1545 метагеномов, из которых удалось «собрать» 501 новый вирусный геном. Генные последовательности, принадлежащие клеточным организмам или другим вирусам (не гигантским), естественно, игнорировались. Маркером фрагментов геномов, интересующих исследователей, были специфические гены, присущие только группе NCLDV. Большинство «нащупанных» таким методом новых гигантских вирусов живет в пресных водах или в море, хотя некоторые сборки относятся и к другим местообитаниям — например, к почве. Ничего удивительного тут нет, вирусы на Земле присутствуют всюду, где есть хоть что-то живое.

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.

Рис. 2. Преобладают в выборке, как видим, мимивирусы — больше половины всех геномов. «Ранние» и «поздние» фикоднавирусы — это на самом деле два разных семейства: группа фикоднавирусов оказалась сборной, но самостоятельных названий ветви, из которых она на самом деле состоит, еще не получили. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature Communications, с изменениями

В данном случае как раз подробности и есть самое интересное. У гигантских вирусов встречается множество собственных (то есть уже вирусных) генов, контролирующих те или иные клеточные функции. В первую очередь, конечно, это гены, кодирующие ферменты репликации и репарации ДНК, а также белки, обеспечивающие пространственную укладку генетического материала. Часто встречаются у гигантских вирусов гены ферментов, блокирующих окислительный стресс, и белков — ингибиторов апоптоза: последние не дают пораженной вирусом клетке совершить программируемое «самоубийство». У некоторых вирусов есть даже гены калиевых каналов — сложных белковых комплексов, которые встраиваются в мембрану хозяйской клетки и меняют в интересах вируса электрическое напряжение на ней. Кроме того, многие вирусы способны перестраивать (если выразиться более наукообразно — реструктурировать) обмен веществ хозяйской клетки, чтобы она эффективнее работала на производство новых вирусных частиц. У ряда гигантских вирусов обнаружились гены, функции которых связаны с фотосинтезом: гены родопсинов, хлорофиллсвязывающих белков и некоторых других. Благодаря этим белкам вирус может помешать клетке затормозить процесс фотосинтеза (многие клетки водорослей делают это в ответ на вирусное заражение) и, более того, может «научить» ее улавливать энергию как можно более широкого спектра световых волн. Распространены у вирусов гены, кодирующие транспортёры фосфатов, ионов железа и некоторых других небольших молекул: вирус заинтересован в том, чтобы зараженная им клетка была вдоволь обеспечена всеми нужными для обмена веществ химическими «деталями», а для этого нужно, чтобы она эффективно захватывала их из внешней среды (из морской воды, например). Вот вирус ей в этом и помогает.

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

Все эти новости еще раз подтверждают, что классическая точка зрения, согласно которой вирус считался просто сгустком информации — «завернутой в белок скверной новостью», как выразился сэр Питер Медавар (Sir Peter Brian Medawar), — сейчас окончательно устарела. Вирус — это достаточно сложный живой организм. Некоторые вирусы превосходят размером и сложностью некоторые клетки. Даже у самых простых вирусов есть капсид — футляр из белков, кодируемых специфически вирусными генами, которые не имеют аналогов в клеточных геномах. А у сложных вирусов есть огромные репертуары всевозможных генов, благодаря продуктам которых вирус вступает с хозяйской клеткой в многогранное физиологическое взаимодействие.

Интересный вопрос, откуда все эти гены берутся. Метаболические гены, имеющие в клетках аналоги (а точнее — гомологи) в виде генов, кодирующих соответствующие ферменты обмена веществ, скорее всего приходят к вирусам от клеточных хозяев путем горизонтального переноса генов (ГПГ). Иное дело, что после этого у них начинается собственная эволюция, уже «внутривирусная», и она может быть очень быстрой. Такой сценарий подтверждается специально построенными для этих генов молекулярно-филогенетическими деревьями. Причем многие важные гены, судя по всему, заимствовались вирусами от клеточных организмов независимо несколько раз: это надежно показано, например, для ряда генов, кодирующих белки фотосинтеза. Что касается генов цикла Кребса, то их заимствование — довольно давнее, судя по распределению этих генов на вирусном эволюционном древе. Правда, пока нельзя сказать, сколько именно миллионов лет назад оно произошло. Но сам факт, что эти гены долго сохранялись в вирусных геномах и наследовались новыми эволюционными ветвями, подтверждает, что гигантским вирусам они зачем-то нужны.

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.

Сергей Ястребов