Большие и очень большие
Открытие мимивируса акантамебы побудило вирусологов заново исследовать разнообразные экосистемы в поисках подобных вирусов. Методами вирусной метагеномики обнаружить их не удалось, но этому есть простое объяснение. Во всех прежних поисках вирусов в окружающей среде пробы предварительно пропускали через фильтры с размером пор в 0,2 микрона. В конце концов, того требовало каноническое определение вируса. Хозяевами первого мимивируса оказались простейшие, такие как акантамеба, поэтому ученые в первую очередь принялись исследовать водные экосистемы. От миллиона до триллиона вирусных частиц, которые обычно обнаруживаются в фильтратах океанической воды, не были гигантскими вирусами, поэтому потребовалось более пристальное изучение. Первое указание на то, что океаническая вода может быть богатым источником новых гигантских вирусов, появилось после повторного анализа проб, собранных во время экспедиции «Сорсерер-2», в ходе которой ученые не ограничились размером фильтра 0,2 микрона (Rusch et al., 2007). Большая часть нуклеотидных последовательностей, собранных учеными, была обнаружена во фракции морской воды, пропущенной через фильтр с порами 0,8 микрона. Эти последовательности задерживались фильтром с порами 0,1 микрона. Большая часть этих последовательностей ДНК имела бактериальное происхождение, но в 3 % случаев ДНК имела вирусное происхождение (Williamson, Rusch et al., 2008). Повторный анализ этого большого набора данных (в нем оказалось 4,9 миллиарда связанных нуклеотидов) позволил выявить множество генных последовательностей, которые прежде считали темной материей, и, как оказалось, эти последовательности были сходными с последовательностями генома мимивируса (Monier, Claverie, Ogata, 208). Очень скоро ученым удалось идентифицировать множество сородичей мимивируса (Colson et al., 2012). Это были мамавирус, терра-2, муму, курдо-11 и самый крупный из обнаруженных к тому времени вирусов Megavirus chilensis. В этом обнаруженном у берегов Чили вирусе культивированном в организме пресноводной амебы, был обнаружен геном величиной 1,25 миллиона пар оснований, кодирующий 1120 белков. Более дальний родственник, названный Кро-V (Cafeteria roenbergensis virus), был обнаружен в представителе морского зоопланктона Cafeteria roenbergensis. Совместное культивирование проб воды с различными видами акантамеб было продолжено, благодаря чему были обнаружены новые гигантские вирусы: Marseillevirus был обнаружен в воде башенного охладителя в Париже, а Lausanevirus – в пробах воды из реки Сены. Стало очевидно, что гигантские вирусы одноклеточных эукариот обильно представлены во всех наших экосистемах.
Ученые, идентифицировавшие чилийский мегавирус, обнаружили его в столбе океанской воды. После этого они решили исследовать также и отложения морского дна, предположив, что в них концентрация потенциальных эукариотических клеток-хозяев будет выше. В 2013 году ученые опубликовали отчет о полученных результатах (Philippe et al., 2013): они обнаружили два новых «пандоравируса», которые были выделены из донных морских отложений в прибрежных водах Центральной Чили, а также из отложений пресноводного водоема в Австралии. Геномы включали 1,9 и 2,5 миллиона пар оснований, что больше геномов некоторых паразитирующих эукариот; больший из этих двух вирусов – Pandoravirus Salinas кодирует 2500 белков. Поразительно, но 93 % из них – это темная материя. Ни один из этих вирусов предполагаемого нового рода не имел никакого филогенетического сходства с вирусами других семейств, включая Mimiviridae. Эти наблюдения замечательны, но одновременно и очень полезны, ибо проливают свет на скудость наших знаний о мире вирусов и микроорганизмов.
Вирофаги: блоха на блохе
Mimiviridae и Marseilleviridae – новые семейства, пополнившие ряды ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов, которые, вероятно, произошли от одного общего предка. Это положение подтверждается филогенетической реконструкцией гипотетического общего предкового вируса, в ходе которой были выделены и идентифицированы около сорока ядерных генов (Yutin et al., 2009). Эти гены по большей части расположены в некоторых ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусах и обеспечивают фундаментальные функции, лежащие в основе способа существования невероятно разнообразного царства вирусов. Размеры их геномов варьируют в широчайших пределах – от 0,2 до 1,25 миллиона пар оснований; при этом молекулы ДНК могут быть линейными или кольцевыми, а реплицироваться вирусы могут как в цитоплазме, так и в ядре клетки. Хозяевами могут быть самые разные организмы – от людей и птиц до насекомых, червей, водорослей, зоопланктона и других фагоцитирующих простейших. Тем не менее все эти вирусы должны реплицировать свою ДНК и окружать капсидами свои геномы, и они делают это с помощью одного и того же набора инструментов, закодированных набором ядерных генов; во всей группе ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов только пять генов обнаруживаются у всех представителей этого класса вирусов. В этом отношении у них много общего с вирусами герпеса, у которых тоже есть основополагающий набор ядерных генов. Ядерные гены вирусов герпеса дополняются вспомогательными генами, которые сообщают функциям вируса многие дополнительные свойства, обеспечивающие взаимную адаптацию вирусов и хозяев. Эта особенность характерна и для поксвирусов, которые сами являются ядерно-цитоплазматическими крупными ДНК-содержащими вирусами, обладающими разнообразными генами, влияющими на проникновение вирусов в организмы разных хозяев и обеспечивающими взаимодействие вирусов с ними. Размер генома крупнейшего мимивируса приблизительно в десять раз превосходит геном мельчайшего поксвируса, который кодирует всего 130 генов. Таким образом, гигантские вирусы могут позволить себе роскошь в высшей степени гибкого генома с огромным адаптивным потенциалом.
Первые ультраструктурные исследования инфицированных мимивирусом клеток, выполненные Раулем и его коллегами, привели к заключению о том, что репликация и сборка вируса происходят в ядре, как у вирусов герпеса (La Scala et al., 2003). Однако более детальное исследование выявило, что ядро оттесняется к периферии клетки и замещается новыми структурами. Вирус строит крупные «вирионные фабрики», и сборка вирусных частиц осуществляется в цитоплазме клетки (Suzan-Monti et al., 2007; Novoa et al., 2005). Эти временные структуры, построенные вирусом в клетке, создают рабочее пространство, куда инфицированная клетка поставляет необходимые ресурсы для экспрессии вирусных генов, репликации генома и морфогенеза вириона. Таких структур ученые в клетках до тех пор не видели. Эти структуры имели мало общего с вирусными фабриками, описанными при исследовании поведения других ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов. Под электронным микроскопом мимивирусная фабрика напоминала связанную с клеточной мембраной органеллу и даже, пожалуй, бактерию. Некоторые ученые уподобили эту структуру воссозданию временно возникающего живого микроорганизма внутри инфицированной клетки. Семя сомнения было посеяно, и научное сообщество раскололось. В какое место эволюционной схемы надо помещать такие вирусы? Не являются ли они реликтами четвертого царства жизни? Дело не только в том, что геном мимивируса содержит генетический материал, который отсутствует у эукариот, бактерий и простейших; геном мимивируса кодирует белки, обладающие теми функциями, которые обеспечиваются при заражении другими вирусами генетического аппарата инфицированной клетки. Сложность генома мимивируса можно сравнить со сложностью генома многих живых клеток; похоже, что этот гигантский вирус существует в виде псевдо-микроорганизма, во всяком случае, в период цикла репликации внутри клетки-хозяина.
