Точечная мутация в перегруженном участке генома может сделать вирус «мошенником»

Рис. 1. Трехмерная структура вирусной частицы бактериофага MS2, полученная методом дифракции рентгеновских лучей. Показан икосаэдрический капсид вируса, состоящий из 180 идентичных субъединиц белка оболочки. Цветами показаны три типа конформационных изомеров белка. Рисунок с сайта rcsb.org

Вирус использует ресурсы клетки-жертвы, чтобы производить новые копии себя. Поскольку биологические процессы небезошиобочны, некоторые вирусные частицы из нового поколения могут нести дефектный геном вируса. Уже довольно давно известно, что иногда эти дефекты обладают удивительным свойством: такие вирусы, попав в новую клетку, не могут размножаться сами, но если в ту же клетку попадет полноценная вирусная частица, то обладатель дефекта сможет воспользоваться ее генами и при этом получит преимущество — будет размножаться быстрее. Такие дефектные вирусы называют «мошенниками». Генные механизмы превращения в «мошенников» пока изучены лишь в общих чертах. Авторы недавнего исследования решили выяснить, какие мутации превращают бактериофагов MS2 в «мошенников». В ходе контролируемого эволюционного эксперимента им удалось получить несколько вариантов «мошенников». Генетический анализ показал, что ключевые мутации располагаются в их геноме в непосредственной близости друг от друга — в области, где гены и регуляторные элементы генома перекрываются. Из-за этого одна и та же мутация может затронуть сразу несколько важных функциональных элементов. Результаты работы подчеркивают, как легко могут появляться «мошенники» в мире вирусов, геномы которых часто имеют такие области.

Как известно, вирусы не могут воспроизводить сами себя — в этом их основное отличие от живых клеток. Чтобы породить «потомство», вирусная частица должна попасть внутрь живой клетки и подчинить себе внетриклеточные процессы, чтобы вместо необходимых клетке белков она начала производить белки и генетический материал вируса. Из этих «деталей» собираются вирусные частицы следующего поколения, которые, покинув клетку, отправляются на поиски новых жертв. Каждая из них представляет собой «посылку» из генома вируса (в форме ДНК или РНК), заключенного в белковую оболочку-капсид, у некоторых вирусов дополнительно покрытую липидной мембраной, позаимствованной у клетки при выходе из нее. Так в общих чертах устроен «жизненный» цикл вируса.

Детали, как водится, оказываются гораздо любопытнее. Многие вирусы кодируют свои ферменты репликации, не отличающиеся точностью. В итоге при вирусной инфекции в зараженном организме (или в бактериальной колонии, если речь о бактериофагах) циркулирует множество различных генетических вариантов, которые, в частности, конкурируют друг с другом. Некоторые из вариантов вирусного генома могут нести в себе дефекты — от точечных мутаций до больших делеций, когда целые гены исчезают из генома. Это может привести к интересному эффекту. Сама по себе такая дефектная вирусная частица, попав в клетку, воспроизводиться не сможет — ей либо не будет хватать каких-то генов для этого, либо имеющиеся гены будут нефункциональны из-за мутаций. Но если в ту же клетку попадет полноценный вирус (то есть произойдет коинфекция), то его белки, синтезируемые клеткой, сможет позаимствовать и дефектный вариант. А значит, дефектный вариант, вопреки тому, что у него не достает генов «размножения», прекрасно может реплицироваться! Более того, при некоторых условиях дефектные варианты получают преимущество. Например, если геном такого вируса короче, чем у полноценного, его скорость репликации выше, поэтому размножается он быстрее. Такие дефектные вирусы называют «мошенниками» (cheater virus).

Бывает и так, что для успешкого размножения «мошенника» нужно, чтобы в ту же клетку попал другой, неродственный ему вирус. Такие вирусы называют «сателлитами»; примером является вирус гепатита дельта, который использует белки оболочки гепатита В.

В последнее время интерес к вирусам-«мошенникам» возрос благодаря их потенциальному терапевтическому применению: конкурируя за ресурсы с «полноценными» вирусами, они могут снизить инфекционную нагрузку и стимулировать иммунный ответ. Например, дефектные вирусные частицы, полученные из SARS-CoV-2, способны подавлять размножение вируса в культуре клеток и снижать вирусную нагрузку и симптоматику на животных моделях инфекции (S. Chaturvedi et al., 2021. Identification of a therapeutic interfering particle—A single-dose SARS-CoV-2 antiviral intervention with a high barrier to resistance).

Рис. 2. В экспериментах на культурах клеток и хомячках дефектные вирусные частицы SARS-CoV2 доказали эффективность в борьбе с полноценным вирусом. Схема из статьи S. Chaturvedi et al., 2021. Identification of a therapeutic interfering particle—A single-dose SARS-CoV-2 antiviral intervention with a high barrier to resistance

«Мошенничество» среди вирусов может сильно повлиять на их эволюцию. Например, недавно была предложена гипотеза, отводящая «мошенникам» главную роль в возникновении многокомпонентных вирусов (multipartite virus, см. A. Leeks et al., 2023. Cheating leads to the evolution of multipartite viruses). У таких вирусов геном сегментирован и распределен на несколько вирусных частиц, которые должны одновременно проникнуть в клетку для успешного заражения. Звучит как что-то не очень удобное, тем не менее, около 20% известных вирусов существуют именно в этой форме, и такой способ организации генома независимо возникал в ходе эволюции несколько раз. Как в этом могли участвовать «мошенники»? Вспомним, что это дефектные вирусные частицы, у которых может отсутствовать часть генома. При этом они могут иметь большое преимущество перед полноценными вирусами в скорости размножения — в десятки тысяч раз! Гипотеза предполагает, что многокомпонентные вирусы — это «мошенники», объединившие свои лучшие стороны и закрывшие недостатки друг друга.

Рис. 3. Схема возникновения многокомпонентности через «мошенничество». Предковая популяция состоит только из «честных» вирусов, каждый из которых кодирует полный вирусный геном. В этой популяции сначала возникает один тип «мошенничества», а затем второй. Когда два типа «мошенников» заражают одни и те же клетки, они могут настолько хорошо дополнять друга, что вытеснят «честный» вариант. Следовательно, при условии, что коинфекция происходит достаточно часто, дружба «мошенников» может привести к исчезновению исходного вируса — останется только многокомпонентная популяция. Моделирование показало, что этот механизм может иметь место даже тогда, когда такая многокомпонентная популяция имеет более низкий уровень продуктивности, чем предковая. Рисунок из статьи A. Leeks et al., 2023. Cheating leads to the evolution of multipartite viruses

Бактериофаг MS2 — первый объект, чей геном был полностью прочитан (в 1976 году). И сам вирус, и полученные из него вирусоподобные частицы (ВПЧ) имеют большой потенциал применения в биотехнологиях. Особые усилия прикладываются к разработке на основе ВПЧ MS2 защитных капсул для доставки в клетки различных молекул и каркасов для вакцинных эпитопов.

Цикл размножения MS2 в бактериальной клетке состоит из четырех основных стадий: (I) — вход, (II) — репликация генома, (III) — упаковка генома в вирусную частицу и (IV) — лизис клетки и выход вирусного потомства. Каждая стадия осуществляется одним из четырех белков, которые кодирует геном вируса. А переходы между стадиями жизненного цикла вируса жестко контролируются пространственными структурами РНК в геноме вируса, которые перекрываются с генами белков: структуры Min-Jou (MJ) и coat terminator (CT) влияют на трансляцию фермента репликазы и, следовательно, на репликацию генома; cвязывание белка оболочки со структурой петли TR инициирует упаковку вируса; синтез белка лизиса и, следовательно, лизис клеток и выход вирусов контролируется шпилькой лизиса (LH).

Рис. 4. Схема репликационного цикла и строения генома бактериофага MS2. (a) — упрощенная схема цикла репликации, состоящего из четырех основных стадий: (I) — проникновение вируса, которое включает прикрепление к клетке-хозяину и проникновение в нее вирусной РНК, (II) — образование вирусных белков и репликация генома, (III) — упаковка и сборка вирусных геномов в вирионы и (IV) — лизис клеток и выход вирионов. Переходы между стадиями опосредованы структурами вирусной РНК. (b) — схема генома MS2 с четырьмя генами, каждый из которых отвечает за одну инфекционного цикла. Вторичные структуры РНК показаны над геномом. Рисунок из обсуждаемой статьи

Авторы работы провели экспериментальную эволюцию MS2 при высокой концентрации вирусов в среде — то есть, в условиях, способствующих появлению «мошенников». Они нашли три независимых способа возникновения дефектных вариантов, каждый из которых обеспечивался одной точечной мутацией (заменой одного нуклеотида другим).

При низкой концентрации вирусов в среде «мошенники» не могли размножаться, зато при высоком шансе совместного заражения одной и той же бактерии честным вирусом и «мошенником», последние процветали. Все три мутации происходили в участке генома вируса, содержащем два перекрывающихся гена и серию наложенных на них структур РНК. За счет такой концентрации функциональных элементов одна мутация в этом участке может влиять сразу на несколько процессов жизненного цикла вируса. Если в каком-то аспекте мутация полезна (например, улучшает эффективность упаковки генома), а в каком-то вредна (например, ломает фермент, нужный для репликации генома), то мутантный вирус становится «мошенником», используя ресурсы «нормальных» вирусов и при этом получая над ними преимущество. Со временем «мошенники» накапливали вторичные мутации, частично компенсирующие их недостатки: например, если первая мутация снижает скорость репликации генома, вторая может отложить лизис клетки, что даст вирусу больше времени на репликацию. Преимущество подобных мутаций в том, что если «мошенник» заразит бактерию в отсутствии «нормального» вируса, и ему не на кого будет положиться, он пусть медленно, но размножится.

«Мошенники» способны выжить и получить преимущество только при большой вероятности попадания в клетку вместе с полноценным вирусом. Кроме того, будучи зависимыми от полноценных вирусов, «мошенники» не могут вытеснить их полностью. Однако, потенциально «мошенник» может обрести последующие мутации, которые сохранят преимущество и починят недостатки первой. Получается, что «мошенники» могут служить авангардом эволюции, исследуя новые уголки пространства генотипов.

Источник: Moran Meir, Arielle Kahn, Carmel Farage, Yael Maoz, Noam Harel, Adi Ben Zvi, Shir Segev, Maria Volkov, Ravit Yahud, Uri Gophna, Adi Stern. Navigating a Fine Balance: Point-Mutant Cheater Viruses Disrupt the Viral Replication Cycle // Molecular Biology and Evolution. 2025. DOI: 10.1093/molbev/msae258.

Галина Клинк