Что такое гигантские вирусы

Обновлено: 28.03.2024

В своем бескрайнем эгоцентризме человек долгое время видел себя на самой вершине пирамиды живых существ. Представлялось, что верхние этажи ее населяют близкие к нам животные, следом идут неподвижные грибы и растения, а основание занимают мириады мельчайших организмов, простейших и бактерий. И где-то на самом дне этой условной пирамиды, прямо на границе живого, расположились бесчисленные вирусы.

Больше, длиннее, древнее: вирусы-гиганты

Возбудители оспы (сверху) – одни из самых крупных вирусов. Похожее на гантель ядро содержит ДНК, защищенную белковым капсидом. Его окружает сферическая оболочка, оторванная от мембраны хозяйской клетки. Белковые трубочки на поверхности скрывают вирус от иммунной системы и обеспечивают заражение.

Неудивительно, что в пирамиде жизни место им нашлось только в самом низу. Вполне живым можно назвать разве что вирус, захвативший клетку и начавший действовать, используя ее механизмы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Но в свободной форме он скорее мертв, чем жив: с появлением электронных микроскопов в 1930-х годах выяснилось, что их крошечные частицы (вирионы) представляют собой большие молекулярные комплексы, состоящие из белков и ДНК (или РНК), и способны разве что пассивно сохранять и переносить геном паразита от одного хозяина к другому.

Древо жизни

А по мере все лучшего понимания их устройства к этим отрицаниям добавились новые: не делятся, не синтезируют белки, не производят энергию. Наконец, вирусы не оставляют окаменелостей и следов в палеонтологической летописи, так что даже вопрос о том, откуда они появились, по-прежнему остается загадкой.

Не существует ни единого гена, который был бы общим для всех вирусов на свете. Вдобавок их крошечные геномы чрезвычайно изменчивы, что сильно затрудняет анализ происхождения и эволюции вирусов привычными методами биоинформатики – например, сравнением последовательности нуклеотидов в их ДНК или РНК. Это же касается и аминокислотной последовательности вирусных белков. С другой стороны, функции, которые выполняют те же белки, определяются не столько их набором аминокислот, сколько пространственной конфигурацией, формой – фолдингом. Поэтому важные детали белковых структур остаются куда более стабильными во времени, чем их аминокислотные цепочки или кодирующие их нуклеотиды.

Это позволяет анализировать эволюционные отношения организмов, исходя из характерных элементов фолдинга их белков. Несколько лет назад такой анализ был проделан для 11 млн белковых структур. Биологи выделили в общей сложности 1995 суперсемейств фолдинга (Folding Superfamilies, FSF), две трети которых имеются только у клеточных организмов – бактерий, архей, эукариот. При этом большая часть остальных суперсемейств встречается у всех организмов, включая и вирусы. Это в общей сложности 424 FSF – более 1/5 их общего числа, весьма внушительное количество, которое свидетельствует в пользу гипотезы о долгом общем прошлом и коэволюции древнейших протоклеточных и протовирусных форм.

Что появилось раньше — вирусы или клетки

Проблема в том, что вирусы представляют собой не более чем фрагменты генома (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку. В палеонтологической летописи они не оставляют никаких следов, и все, что остается для изучения их прошлого – это современные вирусы и их геномы. Сравнивая, находя сходства и различия, биологи обнаруживают эволюционные связи между разными вирусами, определяют их древнейшие черты. К сожалению, вирусы необычайно изменчивы и разнообразны. Достаточно вспомнить, что их геномы могут быть представлены цепочками не только ДНК (как у нас и, например, герпесвирусов), но и родственной молекулы РНК (как у коронавирусов). Молекула ДНК/РНК у вирусов может быть единой или сегментированной на части, линейной (аденовирусы) или кольцевой (полиомавирусы), одноцепочечной (анелловирусы) или двухцепочечной (бакуловирусы).

Не менее разнообразны структуры вирусных частиц, особенности их жизненного цикла и прочие характеристики, по которым можно было бы проводить обычное сопоставление. Подробнее о том, как ученые обходят эти сложности, вы можете прочесть в самом конце этой заметки. А пока давайте вспомним, что же у всех вирусов общего: все они – паразиты. Не известно ни одного вируса, который мог бы проводить метаболизм самостоятельно, без использования биохимических механизмов клетки-хозяина.

Ни один вирус не содержит рибосом, которые могли бы синтезировать белки, и ни один не несет систем, позволяющих вырабатывать энергию в форме молекул АТФ. Все это делает их облигатными, то есть безусловными внутриклеточными паразитами: существовать сами по себе они неспособны. Неудивительно, что, согласно одной из первых и самых известных гипотез, сперва появились клетки, и лишь затем на этой почве развился весь разнообразный вирусный мир.

Регрессивно. От сложного к простому

Прогрессивно. От простого к сложному

Параллельно. Тень жизни

К сожалению, вирусы невероятно изменчивы. У них отсутствуют системы починки (репарации) повреждений ДНК, и любая мутация сохраняется в геноме, подвергаясь дальнейшему отбору. К тому же, разные вирусы, заразившие одну и ту же клетку, легко обмениваются фрагментами ДНК (или РНК), порождая новые рекомбинантные формы.

Наконец, смена поколений происходит необычайно быстро – например, продолжительность жизненного цикла ВИЧ составляет всего 52 часа, и он далеко не самый короткоживущий. Все эти факторы и обеспечивают стремительную изменчивость вирусов, которая сильно затрудняет прямой анализ их геномов.

Вместе с тем, оказавшись в клетке, вирусы зачастую не запускают своей обычной паразитической программы – одни так устроены, другие – из-за случайного сбоя. При этом их ДНК (или РНК, заранее превращенная в ДНК) может встраиваться в хромосомы хозяина и затаиться здесь, затерявшись среди множества генов самой клетки. Иногда вирусный геном реактивируется, а иногда сохраняется в таком скрытом виде, передаваясь из поколение в поколение.

Считается, что на такие эндогенные ретровирусы приходится до 5-8 процентов нашего собственного генома. Изменчивость их уже не так велика – клеточная ДНК меняется не столь стремительно, да и жизненный цикл многоклеточных организмов достигает десятков лет, а не часов. Поэтому фрагменты, которые сохраняются в их клетках, служат ценным источником информации о прошлом вирусов.

За выполнение этих функций отвечают активные сайты таких белков, и их структура может быть очень консервативна. Она сохраняет большую устойчивость на протяжении эволюции. Меняться могут даже отдельные участки генов, но форма белкового сайта, распределение в нем электрических зарядов – все, что критически важно для выполнения нужной функции – остается почти прежней. Сравнивая их, можно находить самые отдаленные эволюционные связи.


Тогда усилиями французской группы во главе с Дидье Раулем (Didier Raoult), в которую входил и Жан-Мишель Клавери (Jean-Michel Claverie), и еще много других ученых, удалось выделить вирус необычно большого размера, он получил название мимивирус. В 2004 году его геном был полностью прочитан, и оказалось, что это, в общем, действительно настоящий вирус как с точки зрения структуры, так и в смысле генетической организации.



Реконструкция капсида мимивируса на основе анализа электронной микроскопии.

Дело, однако, не ограничилось мимивирусами. Затем были обнаружены мамавирусы, мегавирусы и вот сейчас — пандоравирусы. Как все эти вирусы, объединенные вроде бы одним только своим гигантским размером, соотносятся между собой? Так ли уж сильно отличается от остальных новый тип — пандоравирусы?

Довольно долгое время после того, как был открыт мимивирус, ученые находили только его родственников. Все эти мама-, муму-, мега- и так далее — это достаточно близкие родственники. Если проводить аналогию с многоклеточными, то это, видимо, виды внутри одного рода, не более того. В терминах геномики речь идет о совпадении последовательностей ДНК как минимум на 80 процентов, обычно даже больше. Это сильно похожие вещи.

Статья Жан-Мишеля Клавери, в которой описывалось открытие вируса Пандора, была опубликована в одном из двух важнейших научных журналов, Science, и даже попала на обложку.

Теперь что касается пандоры. Все, что я говорил до этого, я знаю совершенно точно, потому что мы сами все это изучали, и изучали весьма внимательно. Про пандору я знаю гораздо меньше, а точнее говоря, только то, что написано в данной статье. А то, что там написано, заставляет предполагать, что эта вещь действительно отличается очень сильно, что, может быть, это даже и не родственник тех гигантских вирусов, про которые мы узнали 10 лет назад. И хотя в статье проделана вполне приличная работа по анализу генома пандоры, тем не менее из нее не вполне понятны ее родственные взаимоотношения с другими вирусами.

Из генома пандоравирусов только семь процентов последовательности удалось найти в базах данных, а все остальное ученые видят впервые. Семь процентов — это мало? С чем это можно сравнить?

Это очень мало. Это действительно очень-очень мало. Ну, скажем, для мимивируса аналогичная цифра составит как минимум 25, а скорее и все 30 процентов. У них для трети генов можно найти гомологи за пределами группы. А семь процентов — это очень-очень-очень мало. Насколько достоверно получена эта цифра? Понимаете, здесь, в этом месте, ничего абсолютного нет. И многое зависит от того, где вы проведете черту — что вы назовете гомологами, что нет. Еще раз повторю, все это делали грамотные люди и делали достаточно корректно, не ставили соответствующий порог слишком высоко. Так что, может, они что-то и пропустили, но этой цифре можно верить, и она действительно аномально низкая.


Вирусы не способны самостоятельно воспроизводиться и не имеют признаков клеточного организма — например, энергетического обмена. Многие исследователи считают, что их нельзя называть живыми организмами. Ведь по сути вирус — это частица, образованная двумя типами биополимеров — нуклеиновыми кислотами и белками. Иногда, правда, присутствуют и липиды.

Большинство вирусов по размеру меньше, чем клетки, и обладают довольно скромным набором генов. Они размножаются, приспосабливая для своих нужд зараженные клетки и используя их ресурсы, а зачастую и убивая. У некоторых вирусов имеются только два гена. Для сравнения: у обычной кишечной палочки Escherichia coli генов более четырех тысяч.

Разбудили дьявола Как генная инженерия изменит наш мир до неузнаваемости

Однако среди вирусов встречаются удивительные создания. Так, в 2003 году в журнале Science была опубликована статья, в которой исследователи сообщили об обнаружении внутри амебы Acanthamoeba polyphaga частиц, напоминающих бактерии, но вместе с тем имеющих вирусную структуру. Они были названы мимивирусами (от англ. mimicking microbe — имитирующие микробы). Это открытие потрясло ученых: мало того что вирусы были гигантскими, они еще и несли в себе больше генов (свыше 2500), чем некоторые микроорганизмы.


Изображение: C.Bickel / Science

Международная группа исследователей, в которую кроме Кунина входили Фредерик Шульц из Объединенного института генома при Министерстве энергетики США и несколько австрийских ученых, проанализировали генетический материал, извлеченный из осадка на станции очистки сточных вод в Клостернойбурге (Австрия), и установили последовательность всей ДНК в образцах, чтобы выяснить, каким организмам принадлежали те или иные фрагменты геномов. Такой метод применяется в тех случаях, когда невозможно изолировать и культивировать в лабораторных условиях сам организм.

Исследователи обнаружили, что некоторые фрагменты ДНК являются вирусными. Когда кусочки были собраны в единый геном, ученые пришли к выводу, что он принадлежит новому гигантскому вирусу, названному Klosneuvirus (KNV). Также были выявлены три родственных ему вируса — Indivirus, Hokovirus и Catovirus. В каждом находился свой набор генов, гомологичных (сходных по нуклеотидной последовательности) генам эукариотических организмов. Это значит, что каждая из четырех найденных разновидностей KNV заражает разных хозяев. Ученые выяснили, что последние относятся к протистам церкозоям (Cercozoa). До этого почти все найденные гигантские вирусы паразитировали на акантамебах.

Геномы гигантских вирусов

Геномы гигантских вирусов

Изображение: Frederik Schulz / Department of Energy Joint Genome Institute, Walnut Creek (журнал Science)

Геномный анализ также показал, что KNV занимают промежуточное место между мимивирусами и гигантскими вирусами CroV, которые инфицируют морской жгутиковый организм Cafeteria roenbergensis. Ученые отнесли KNV к семейству Mimiviridae.

Интересно, что у Klosneuvirus имеются гены, осуществляющие процесс трансляции, при котором происходит синтез белков на основе содержащейся в ДНК информации. Так, вирус кодирует 25 различных транспортных РНК (тРНК) и 40 связанных с трансляцией белков. В том числе 19 аминоацил-тРНК-синтетаз (aaRS), которые помогают тРНК встроить правильную аминокислоту в строящуюся последовательность белка. В мимивирусах количество таких ферментов не превышает семи.

Исследователи выяснили происхождение сложного генетического аппарата, связанного с синтезом белков. Оказалось, что большинство aaRS и других белков связано с разнообразными простейшими эукариотами. Это опровергает мнение, что гигантские вирусы могли произойти от таинственных организмов, относящихся к четвертому домену. Более того, они также не происходили от эукариот. Вместо этого вирусы просто постепенно захватывали гены других организмов, становясь такими, какими мы их видим сейчас. Проще говоря, предками гигантских вирусов были более мелкие вирусы.

Читайте также: