Какъв е произходът на гигантските вируси, показва ново изследване

Повечето вируси са малки и имат минимални геноми. Дори един от най-големите малки вируси, Vaccinia, е с размер едва 1/50 от размера на зърно полен и съдържа само 270 гена. Гигантските вируси не спазват тези правила. С размери, съперничещи на малките бактерии, и геноми, съдържащи хиляди гени, тяхната сложност наподобява тази на клетъчния живот.

Как тези вируси са станали толкова големи, е предмет на много спорове. Сега учените са готови най-накрая да разгадаят загадката на еволюционния им произход благодарение на набор от инструменти, базирани на генетичния редактор CRISPR/Cas9, описани в статия в Nature Communications.

"Случайно се сблъскахме с първия гигантски вирус", разказва Шантал Абержел (Chantal Abergel), вирусолог в университета Екс-Марсилия във Франция. "Това бе мимивирус, който всъщност бяхме сбъркали с бактерия".

През 20-те години след това откритие вирусолозите са поставили като приоритет изследването на разнообразието на гигантските вируси. Сега, след като са открили доста от тях, фокусът се измества към по-подробно изучаване на еволюцията им с помощта на техники от молекулярната биология.

Еволюционните биолози се занимават с два възможни произхода на гигантските вируси. Едната възможност е, че някога те са били клетъчни организми, които с течение на времето са се свили физически и генетично. Но повечето вирусолози вече подозират, че гигантските вируси са се появили от много по-малки вируси, въпреки че доказателствата в подкрепа на двете хипотези са оскъдни.

За да започне да се занимава с този въпрос за произхода, Абержел решава да проучи как са разпределени основните гени в генома на Pandoravirus. В клетъчните организми основните гени са разпръснати из целия геном - така че ако гигантските вируси са по същество умалени клетки, може да се очаква подобен модел. Ако пък гените са разположени накуп, това би могло да означава, че големите геноми на вирусите са започнали в по-компактна форма.

Един от начините да се открият съществените гени на вируса е да се изключат един по един гените, за да се открият тези, които са необходими за функционирането на вируса. Но за да направи това с гигантски вирус, Абержел се нуждае от система за редактиране на гени, която да работи при членове от групата.

С помощта на Хюго Бизио (Hugo Bisio), постдокторант в лабораторията на Абержел, и колеги от Университета Екс-Марсилия, Абержел използва система за генно редактиране, базирана на CRISPR/Cas9, за да модифицира генома на амебата Acanthamoeba castellanii и гигантския вирус Pandoravirus neocaledonia, който я заразява.

Системата CRISPR/Cas9 е създадена за премахване на специфични гени и се състои от две водещи РНК и ензима Cas9. Подобно на други системи CRISPR/Cas9, всяка водеща РНК съдържа 17 до 20 бази, предназначени да се свързват с едно конкретно място в генома на гигантския вирус или амебата, което позволява на ензима Cas9 да отреже генома на това място.

Амебата A. castellanii съдържа 25 копия на всяка хромозома, което затруднява проектирането на ефективна система CRISPR/Cas9, която да може да премахне всяко копие на гена. За да преодолеят този проблем, изследователите модифицират своята система CRISPR/Cas9, за да генерират верижна реакция. Всеки път, когато ДНК се прекъсва, за да се премахне ген, ДНК сегмент, кодиращ ензима Cas9, и водещите РНК, отговорни за изрязването, заемат мястото на липсващия ген в генома. Това позволява генните делеции да се повтарят и размножават, докато всички копия не бъдат премахнати.

След като оптимизират системата CRISPR/Cas9, екипът премахва всеки ген поотделно от генома на Pandoravirus и измерва получената промяна в функционирането на вируса, за да определи колко важен е всеки ген за жизнения цикъл на вируса. Те откриват, че съществените гени се групират в единия край на генома и са отделени от несъществените в другия край. Според Бизио такова ниво на подреденост на гените не е наблюдавано при вирусите. Дори бактериалните геноми не са толкова подредени: Въпреки че те групират гени със свързани функции в генни клъстери, известни като оперони, те са по-скоро разпръснати из целия геном, отколкото групирани на едно място.

Бизио посочва, че клъстерът от важни гени може да е ехо на по-малък "основен геном" на древен вирус. Този геном може да се е удължил чрез множество кръгове на дублиране на гени, които са били насочени в една посока, за да се получи допълнителен набор от резервни несъществени гени. Това би могло да обясни как съвременните гигантски вируси са придобили хиляди гени.

"Нашите данни показват, че сложните вируси са възникнали от по-малки и по-прости", обяснява Бизио за The Scientist, отбелязвайки, че ще са необходими допълнителни изследвания, за да се определи дали това важи за всички гигантски вируси или само за Pandoravirus.

Други изследвания установяват, че някои гени в гигантските вируси са узурпирани от техните амеби-гостоприемници, което предполага, че обменът на гени е друг начин, по който гигантските вируси са увеличили размера си.

След това екипът се насочва към една от многото еволюционни загадки на пандоравируса: липсата на капсид - малките вируси пакетират геномите си в капсули, изградени от вирусни протеини. Докато някои гигантски вируси, като Mimivirus, продължават тази традиция, други, включително Pandoravirus, не го правят. Ако гигантските вируси наистина са еволюирали от по-малките, в геномите им може да се крият следи от капсидни протеини. Затова изследователите се заемат да проучат функцията на потенциалните остатъци от капсидни протеини в близък братовчед на Pandoravirus, по-малкия Mollivirus, който също може да зарази A. castellanii.

Изследователите подозират, че протеинът на моливируса, наречен ml_347, е еволюирал от капсиден ген, основавайки се на последователността на гена му и предсказаната му 3D форма. Затова екипът изследва неговата функция, премахвайки гена с помощта на системата CRISPR/Cas9. Те откриват, че генът е важен за сглобяването на моливируса, което според авторите е интригуващо предвид възможния му капсиден произход. Възможно е при загубата на капсидите по време на еволюцията на гигантските вируси остарелите капсидни гени да са били адаптирани за нови функции за сглобяване.

Фредерик Шулц (Frederik Schulz), еволюционен биолог от Съвместния геномен институт на Министерството на енергетиката в Калифорния, който не е участвал в изследването, но в миналото е работил с Шантал Абержел, разказва пред The Scientist, че резултатите съвпадат с последните открития.

"Дълго време имаше дебат [за това] как са еволюирали гигантските вируси", добавя Шулц. "Работната хипотеза в предишните години беше, че те са еволюирали от по-малки вируси, и точно това Шантал и нейният екип успяха да покажат и потвърдят, използвайки своя подход за редактиране на гени CRISPR/Cas9."

Шулц отбелязва, че ще бъде интересно да се види как технологията CRISPR/Cas9 се въвежда в други видове гостоприемници, като например водорасли, което ще позволи на изследователите да разширят проучванията върху по-голямо разнообразие от гигантски вируси. Той също така посочва, че системата работи само за вируси, които се реплицират в ядрото на клетката-гостоприемник, докато повечето гигантски вируси се реплицират в цитоплазмени структури, наречени вирусни фабрики, в които ензимът Cas9 и водещите РНК не могат да проникнат.

Въпреки това Бизио смята, че има какво още да се открива в Pandoravirus.

"[Тази технология CRISPR/Cas9 е] златна мина за откриване на нови функции", убеден е Бизио, "такава, каквато той и колегите му с нетърпение искат да използват, за да разберат какво правят всички гени на вируса.

Справка: Bisio, H., Legendre, M., Giry, C. et al. Evolution of giant pandoravirus revealed by CRISPR/Cas9. Nat Commun 14, 428 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36145-4

Източник: Giant Viruses Grew Out of Small Ones: Study, The Scientist