биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Паразит паразиту враг

[9 января, 2017 г.]

Не все вирусы чувствуют себя в безопасности, заражая эукариотические клетки: в любой момент они могут подвергнуться нападению паразитических вирусов — вирофагов. Однако эта вирусная беда спасла не одно планктонное одноклеточное от неминуемой гибели. Немецкие ученые выяснили, как именно паразитический мавирус мешает более крупному паразиту устроить диверсию биосферного масштаба.

В прибрежных океанических водах среди прочей планктонной мелюзги обитает одноклеточный эукариот Cafeteria roenbergensis. Жизнь кафетерии неспокойна — за ней то и дело охотятся гигантские вирусы семейства Mimiviridae. Они проникают в клетку, организуют там «вирусную фабрику», размножаются и выходят, убивая кафетерию. Но в микромире всё же есть справедливость: у этих мимивирусов есть свои враги — вирофаги семейства Lavidaviridae, которые при случае не брезгуют «рейдерским захватом» вирусной фабрики, останавливая тем самым воспроизводство гигантских вирусов и спасая кафетерий (рис. 1).

Паразитический вирус может защищать популяцию клеток хозяина

Рисунок 1. Паразитический вирус может защищать популяцию клеток хозяина от уничтожения более агрессивными вирусами. а — Мавирус, инфицируя клетку кафетерии в лабораторных условиях, интегрируется в ее ядерный геном. б — При последующем заражении гигантским вирусом CroV мавирус активируется, реплицируется и строит свои частицы. При разрушении клетки мавирус и CroV выходят во внешнюю среду и заражают соседние клетки. в — Там мавирус блокирует формирование новых частиц гигантского вируса. Рисунок из [8].

Действующие лица

Cafeteria roenbergensis

Кафетерии — морские одноклеточные жгутиковые организмы, питающиеся бактериями (так называемые бактериоворы). Обитают в почве и водоемах, но особенно предпочитают прибрежные воды, богатые бактериальными «пастбищами». Зато самих кафетерий «ведрами не начерпаешь»: их популяции невелики, поэтому их нелегко обнаружить случайно, а можно выделить лишь специальными методами [1].

C. roenbergensis впервые описали морской эколог Том Фенхель и таксономист Дэвид Паттерсон в 1988 году. Предвкушая гримасы удивления на лицах биологов, Том Фенхель высказался о происхождении столь странного для протиста названия так: «Мы нашли новую разновидность жгутиконосца во время морского полевого курса в Рёнбьерге и после множества дискуссий за обедом в местном кафетерии назвали ее Cafeteria roenbergensis — из-за ее неуемного и неразборчивого аппетита» [2].

Клетки кафетерий бесцветны и имеют размеры от 3 до 10 мкм. Размножаются они асексуально делением пополам раз в 10 часов, но даже при плевом для других жгутиконосцев дефиците бактерий предпочитают с размножением повременить. Вообще, в природе C. roenbergensis мало разборчивы в еде, при росте же в лабораторных условиях выбирают бактерий рода Vibrio [1].

У кафетерий есть два жгутика разных размеров и вида (см. заглавный рисунок):

  1. Гладкий короткий жгутик при движении направлен назад, а когда клетка трапезничает, служит для прикрепления к поверхности.
  2. Длинный жгутик с ресничками направлен вперед и ответственен за передвижение и питание клетки. При перемещении он совершает быстрые спиральные движения, а во время еды бьется 40 раз в секунду, создавая поток воды с бактериями ко «рту» кафетерии.

C. roenbergensis отличается от других эукариот крайне компактным митохондриальным геномом и особенностями интерпретации кодонов при митохондриальной трансляции.

Главный враг кафетерии — гигантский вирус CroV. Если кафетерия контролирует численность бактериальных популяций, то ее собственное процветание зависит от CroV.

CroV

Вирус CroV (аббревиатура от Cafeteria roenbergensis virus) обнаружили в 1995 году (рис. 2а). Он относится к семейству мимивирусов и группе крупных ядерно-цитоплазматических ДНК-содержащих вирусов (nucleocytoplasmic large DNA viruses, NCLDV). Внешняя белковая оболочка CroV имеет форму икосаэдра и диаметр 300 нм. Под ней — липидный слой и внутреннее «ядро», содержащее геном. Линейный геном CroV — один из самых больших среди геномов морских вирусов (~730 т.п.н.): он содержит 544 открытых рамки считывания [3, 4].

CroV и Cafeteria roenbergensis

Рисунок 2. CroV и Cafeteria roenbergensis. а — Гигантский вирус атакует кафетерию. б — Кафетерия с развернутым вирусным производством внутри. Рисунки с сайтов www.spiegel.de и www.mpimf-heidelberg.mpg.de.

CroV проникает в клетки кафетерий посредством фагоцитоза. Оказавшись внутри, вирус разрушает свой капсид и выпускает в цитоплазму белки и ДНК. Чтобы не зависеть от клеточных систем транскрипции и трансляции, он выстраивает так называемую вирусную фабрику, где реплицируется и собирает свои частицы (рис. 2б). Такую свободу Cro-вирусу предоставляют белки, закодированные в его собственном геноме: РНК-полимераза, транскрипционные и некоторые трансляционные факторы, тРНК и тРНК-синтетаза. Размножившись до определенного предела, CroV разрушает клетку-хозяина и выходит наружу, чтобы затем попасть в соседние клетки [4].

У CroV тоже есть непримиримый противник — вирофаг мавирус.

Мавирус

CroV и мавирус

Рисунок 3. Вирион гигантского вируса CroV (синий) и несколько частиц вирофага мавируса (красный). Рисунок с сайта cdn.phys.org.

Мавирус (от Maverick virus) — вирофаг из семейства Lavidaviridae, паразит гигантских мимивирусов (рис. 3)*. Этого вирофага открыл и описал Маттиас Фишер в 2011 году. Капсид мавируса имеет форму икосаэдра и диаметр 75 нм [5].

* — О вирусе Спутнике, паразитирующем на представителях другого рода мимивирусов — мамавирусах, — «биомолекула» уже рассказывала: «...А на блохе — блошиночка поменьше» [6].

Геном мавируса представлен кольцевой двунитевой ДНК размером 19 063 п.н. Он кодирует белки, ответственные за морфогенез вирофага, репликацию и интеграцию в ДНК клетки-хозяина. Геном мавируса очень похож на транспозоны из суперсемейства Маверик/Полинтон (Maverick/Polinton), которые широко распространены у эукариот. До недавнего времени мавирус-подобные вирофаги даже называли полинтовирусами, полагая, что они произошли от транспозонов. Сейчас считают, что вирофаги и транспозоны типа Маверик/Полинтон имеют общего предка, о природе которого пока еще дискутируют [7, 8].

Мавирусы проникают в клетку независимо от их «мишени» — CroV — вероятно, используя клатрин-опосредованный путь. Это так называемый независимый способ входа. ДНК мавируса встраивается в клеточный геном и «активируется» при заражении клеток гигантским вирусом. Свои частицы вирофаг производит на «вирусной фабрике» CroV, по сути, конкурируя с ним за ресурсы, чем тормозит производство новых вирионов CroV [8].

Бойцы, встройся!

Маттиас Фишер и Томас Хакл из Института медицинских исследований Макса Планка наблюдали за коинфекцией Cafeteria roenbergensis гигантским вирусом CroV и мавирусом [7]. Не все кафетерии смогли противостоять такой атаке, многие погибли. А 32% выживших изменились навсегда: мавирус проник в ядра клеток и встроил свой геном в их ДНК, став провирофагом. Ученые выбрали клон с самым сильным мавирусным ПЦР-сигналом и использовали его в дальнейших экспериментах (рис. 4а).

Создание эндогенного вирофага в кафетерии

Рисунок 4. Создание эндогенного вирофага в Cafeteria roenbergensis. a — Клетки C. roenbergensis инфицировали CroV и мавирусом. Выживших кафетерий тестировали с помощью ПЦР на присутствие ДНК мавируса. Геном клона с самым сильным сигналом секвенировали для обнаружения сайтов интеграции мавируса. б — Встроенный в хромосому кафетерии геном мавируса длиной 20 190 п.н. содержит гены, ответственные за репликацию и интеграцию (окрашены красным цветом), за построение капсида (окрашены синим), а также другие гены (желтые) и инвертированные концевые повторы (серые). Ниже показан GC-состав ДНК вирофага и фланкирующих ее участков генома кафетерии. Рисунок из [7].

После секвенирования ДНК этого клона C. roenbergensis стало понятно, что геном эндогенного мавируса больше генома, представленного в GenBank, на длину дополнительных концевых инвертированных повторов (TIRs), идентичных друг другу на 99,7%. Фишер и Хакл выявили в геноме кафетерии 11 сайтов интеграции мавируса, один из которых детально охарактеризовали (рис. 4б).

Пятая колонна

Известно, что промоторы — регуляторные последовательности, необходимые для начала транскрипции, — мавирусных генов очень похожи на промоторы генов CroV. Поэтому ученые предположили, что заражение гигантским вирусом клеток кафетерии с уже интегрированным мавирусом может активировать экспрессию генов последнего. Для подтверждения предположения коллектив из Института Макса Планка с помощью количественной ОТ-ПЦР измерил уровень экспрессии пяти генов мавируса, трех генов CroV и одного клеточного гена в нулевой точке (сразу же после инфекции) и спустя 24 часа (рис. 5). Транскрипты CroV были обнаружены в зараженных им культурах через 24 часа после инфекции. Геном мавируса не экспрессировался в нормальных условиях и в момент инфекции CroV. Однако через 24 часа в зараженных гигантским вирусом клетках фиксировали большое количество мавирусных транскриптов. Так удалось установить, что CroV активирует экспрессию генома мавируса, причем ответственен за это, скорее всего, поздний транскрипционный фактор CroV, проникающий в ядро кафетерии (рис. 6).

Экспрессия генов в клетках кафетерий

Рисунок 5. Экспрессия генов в клетках кафетерий с разными вариантами вирусной инфекции. Анализировали экспрессию выбранных генов в ложно инфицированных и CroV-инфицированных культурах кафетерий без мавируса и с интегрированным мавирусом. Исследуемые гены: клеточный AspRS — аспартил-тРНК-синтетаза; crov342 — основной белок капсида CroV, crov497 — ДНК-полимераза B CroV, crov505 — изолейцил-тРНК-синтетаза CroV; MV03 — ДНК-полимераза B мавируса, MV15 — упаковывающая геном АТФаза мавируса, MV16 — протеаза созревания мавируса, MV17 — минорный белок капсида мавируса, MV18 — основной белок капсида мавируса. Чем выше столбец, то есть ниже значение Cq (количественный/пороговый цикл; показывает, с какого цикла сигнал начинает превышать уровень шума), тем выше экспрессия конкретного гена. Значения Cq для отрицательных реакций обратной транскрипции показаны справа от значений для каждой положительной реакции. Рисунок из [7].

CroV-индуцированная реактивация эндогенного мавируса

Рисунок 6. Гипотеза о CroV-индуцированной реактивации эндогенного мавируса. Схематическое изображение клетки C. roenbergensis, показывающее основные события инфекционного цикла CroV в штаммах без встроенного мавируса (слева) и с ним (справа). После проникновения в клетку CroV (1) в цитоплазме формируется «вирусная фабрика» (2). В начале поздней фазы цикла гигантского вируса синтезируется транскрипционный фактор (TF), проникающий внутрь клеточного ядра (3) и распознающий поздние промоторы CroV. В ядрах клеток, содержащих эндогенный мавирус, этот фактор соединяется с промоторами мавируса и активирует экспрессию генов провирофага (4). Мавирусные транскрипты экспортируются в цитоплазму и транслируются (5). Затем некоторые из белков мавируса направляются в ядро, чтобы вырезать или скопировать геном провирофага (6). В результате геном мавируса переносится в «вирусную фабрику» (7), где реплицируется и упаковывается в синтезированные капсиды (8). Сборка вирионов CroV завершается лизисом клетки, и частицы двух вирусов оказываются снаружи (9). Во время последующей коинфекции (10) реактивированные вирофаги ингибируют распространение CroV. Но если в клетках нет мавируса, ничто не мешает CroV «прореживать» популяцию кафетерий (11). Рисунок из [7].

Электронная микроскопия показала, что из разрушенных клеток в среду вместе с частицами гигантских вирусов выходят и мавирусы [7]. Репликация CroV, лизис клеток и количество частиц вируса в лизатах были сходными в культурах с интегрированным мавирусом и без него. А это означает, что активированный провирофаг не ингибирует размножение CroV и не предотвращает лизис инфицированных клеток. Однако ученые задались вопросом: если вирофаги никак не влияют на CroV, то зачем они таятся в клеточной ДНК? Может быть, им просто не хватает времени, чтобы проявить себя, поскольку синтезируются мавирусы лишь в поздней фазе цикла CroV?

Многоходовочка

Чтобы проследить за развитием отношений между вирусами, клетками и вирофагами, Фишер и Хакл взяли культуру кафетерий, не знакомых с мавирусом, и смешали ее с тремя видами лизатов:

  • ложно инфицированных клеток (контроль);
  • клеток без мавируса, инфицированных CroV;
  • клеток с мавирусом, инфицированных CroV.

В первом лизате вирусов не было совсем, во втором присутствовал только CroV, а в третьем среди частиц гигантского вируса притаилась «пятая колонна» мавирусов [7].

На четвертый день эксперимента между исследуемыми культурами клеток C. roenbergensis уже проявись различия (рис. 7):

  • в первом случае популяция кафетерий чувствовала себя хорошо и стабильно росла;
  • во втором — CroV уже успел истребить треть кафетерий и, размножаясь, продолжал свое черное дело;
  • в третьем же случае активированный мавирус подавил репликацию гигантского собрата, и популяция последнего в итоге сократилась на два порядка по сравнению со вторым случаем; при этом кафетерии выживали, и их количество практически не отличалось от контрольного [7].
Мавирус подавляет распространение CroV

Рисунок 7. Активированный мавирус подавляет распространение CroV. Штамм кафетерий без эндогенного мавируса был ложно инфицирован (слева), инфицирован лизатом, содержащим частицы CroV (в середине), и лизатом с CroV и мавирусом (справа). В третьем случае мавирус подавлял распространение гигантского вируса и способствовал выживанию популяции C. roenbergensis. Рисунок из [7].

Получается, что активированный вирофаг, смешавшись с популяцией CroV после первого заражения, в следующем раунде инфекции подавлял воспроизводство гигантского вируса и предотвращал его распространение. Для проверки этой гипотезы Фишер и Хакл провели эксперимент, в котором облучали частицы мавируса ультрафиолетом (λ = 254 нм) перед инфицированием. После такой обработки вирофаги бездействовали, и события развивались по типу обычной инфекции CroV [7].

Примечательно, что почти каждая клетка, зараженная CroV, погибала независимо от того, содержала она провирофаг или нет. То есть мавирус, скорее всего, останавливает распространение гигантского вируса, каким-то образом блокируя выход его вирионов из лизирующейся клетки. Как это происходит — пока не известно, но благодаря мавирусу поведение отдельных кафетерий соответствует альтруистической модели: они жертвуют собой, защищая соседей, а значит, и популяцию в целом от уничтожения вирусом CroV [7, 9].

Заключение

По мнению Евгения Кунина, эксперта NCBI в области биоинформатики и эволюционной биологии, использование кафетериями мавируса как защитного агента может быть одним из видов адаптивного иммунитета, хранящего память о прошлых инфекциях. У бактерий есть свой вариант — системы CRISPR-Cas*, — где фрагменты ДНК бактериофагов (вирусов, поражающих бактериальные клетки) и плазмид сохраняются и используются для борьбы с повторной инвазией тех же молекулярных агентов. Не исключено, что кафетерии «хранят» эндогенных мавирусов как косвенную память об агрессоре, CroV. Косвенную — потому что провирофаг не содержит кусочки врага кафетерии, а просто активируется его транскрипционным фактором [9]. Если для протиста вторжение CroV — трагедия, то для мавируса — удачная возможность размножиться, а спасение популяции кафетерий будет скорее «побочным эффектом», хотя и вполне желательным — нельзя же вовсе без хозяина остаться...

* — Узнать, что из себя представляет система CRISPR-Cas, можно из статьи «Просто о сложном: CRISPR/Cas» [10]. Об истории открытия и изучения этой системы рассказывает материал «CRISPR-эпопея и ее герои» [11]. — Ред.

Однако в случае системы CroV-мавирус не ясно, как клетки могут сохранять иммунологическую память, если инфекция CroV для них чаще всего смертельна. В системе CRISPR-Cas иммунологическая память предположительно формируется, когда бактерий атакуют дефектные фаги. От подобной неудачи при инфицировании кафетерий не застрахован и CroV. Кроме того, мавирус может проникать в клетку независимо от CroV, интегрироваться в ядерный геном и далее спокойно передаваться потомкам. Так приобретенный иммунитет может персистировать в популяции кафетерий [9].

Мавирус относится к классу Полинтон-подобных мобильных генетических элементов, которые могут интегрироваться в геномы разнообразных организмов. Обеспечивают ли защиту от вирусных инфекций и его родственники? Случайны ли для эукариотических геномов эндогенные вирусные элементы или клетка «специально» сохранила их в качестве иммунологической памяти? Пока вопросов больше, чем ответов, и основные исследования еще впереди [9].

Тем не менее отношения между C. roenbergensis, CroV и мавирусом иллюстрируют два фундаментальных биологических принципа:

  • существование паразитов почти у всех реплицирующихся биологических объектов;
  • использование альтруистических способов защиты, которые, вероятно, свойственны клеточной жизни вообще [9].

Литература

  1. Википедия: Cafeteria roenbergensis (англ.);
  2. Fenchel T. (1988). Marine plankton food chains. Annu. Rev. Ecol. Syst. 19, 19–38;
  3. Изучен чрезвычайно крупный морской вирус. (2010). Сайт Nanonewsnet.ru;
  4. Википедия: Cafeteria roenbergensis virus (англ.);
  5. Fischer M.G. and Suttle C.A. (2011). A virophage at the origin of large DNA transposons. Science332, 231–234;
  6. биомолекула: «...А на блохе — блошиночка поменьше»;
  7. Fischer M.G. and Hackl T. (2016). Host genome integration and giant virus-induced reactivation of the virophage mavirus. Nature540, 288–291;
  8. Krupovic M., Kuhn J.H., Fischer M.G. (2016). A classification system for virophages and satellite viruses. Arch. Virol. 161, 233–247;
  9. Koonin E.V. and Krupovic M. (2016). A parasite’s parasite saves host’s neighbours. Nature540, 204–205;
  10. биомолекула: «Просто о сложном: CRISPR/Cas»;
  11. биомолекула: «CRISPR-эпопея и ее герои».

Автор: Панов Андрей.

Число просмотров: 598.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.