Вирофаги

Все выделенные вирофаги — это маленькие вирусы, имеющие икосаэдрические капсиды диаметром 35—74 нм. Только у вирофага Спутник была изучена пространственная структура капсида (с помощью криоэлектронной микроскопии). Вирионы Спутника имеют диаметр 74 нм, а его икосаэдрический капсид состоит из 260 псевдогексамерных и 12 пентамерных капсомеров, которые располагаются в вершинах капсида. Псевдогексамерные капсомеры образуются при тримеризации мономеров с помощью укладки типа jelly roll^[англ.]. В пентамерных^[англ.] капсомерах имеются центральные полости, которые, как и у бактериофагов, могут служить для входа и выхода из капсида молекул ДНК. Под капсидом находится липидный бислой толщиной 4 нм^[5].

Геномы вирофагов представлены двуцепочечными молекулами ДНК размером от 17 до 30 тысяч пар оснований (п. о.) и кодируют от 16 до 34 белков. Около 60 % генов каждого вирофага — гены-сироты (англ. ORFans) с неизвестными функциями, то есть они не имеют гомологии ни с одним из известных на данный момент генов. Шесть из известных генов вирофагов есть почти у всех вирофагов; они, как правило, играют важнейшую роль в их репликации^[10]. К числу этих генов относятся гены, кодирующие большой и малый белки капсида, гены предполагаемого семейства упаковывающих ДНК АТФаз FtsK-HerA, ген цистеиновой протеазы, ген ДНК-хеликазы/праймазы (S3H), а также ген, кодирующий белок, содержащий домен цинковой ленты (англ. zinc-ribbon domain). Кроме того, у нескольких вирофагов имеются консервативные гены, кодирующие интегразы двух различных семейств (предполагаемая тирозиновая интеграза у Спутника и предполагаемая интеграза rve у мавируса и AML). Наличие нескольких консервативных генов свидетельствует в пользу монофилетического происхождения вирофагов^[5].

По состоянию на 2016 год, в базе данных GenBank находились полные или частичные геномные последовательности 18 вирофагов^[5]. К концу 2017 года число полных или частичных геномных последовательностей вирофагов, доступных исследователям, возросло до 57^[11].

За открытием вирофага Спутник в 2008 году последовало описание трёх других родственных ему вирофагов. Спутник 2 был выделен в 2012 году из жидкости для промывки контактных линз в ассоциации с Lentillevirus — мимивирусом группы А. Оказалось, что геном лентиллевируса содержит интегрированный в него геном Спутника 2, а также ранее неизвестные мобильные элементы, получившие название трансповироны^[англ.]. Спутник 3 был обнаружен при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР) в 2013 году в образце почвы. В 2014 году был описан Спутник Рио Негро — вирофаг, паразитирующий на вирусе Самба (мимивирус группы С). Капсид этого вирофага вдвое меньше капсидов других Спутников (его диаметр составляет 35 нм против ~70 нм у остальных мимивирусов)^[5][12].

Геномы всех известных на данный момент Спутников представлены кольцевыми молекулами ДНК. У вирофага Спутника геном включает 18 343 пар оснований (п. о.), 18 338 п. о. — у Спутника 2 и столько же у Спутника 3. Геном Спутника Рио Негро ещё недоступен. Отличия между геномами трёх Спутников составляют менее 10 п. о.; у всех трёх вирофагов геном имеет низкий GC-состав, как у мимивирусов. Они содержат 20—21 открытую рамку считывания (англ. open reading frame, ORF), которые кодируют белки длиной от 88 до 779 аминокислотных остатков (а. о.). Для четырёх генов из геномов мимивирусов нашлись гомологи в геномах эукариот и бактериофагов, для трёх — среди генов мимивирусов и один ген гомологичен гену вируса архей; остальные гены не обнаруживают какой-либо гомологии с известными последовательностями. Столь мозаичный состав генов свидетельствует о том, что эти вирофаги участвуют в горизонтальном переносе генов^[5].

Мавирус стал вторым известным вирофагом. Его капсид имеет сферическую форму и достигает 60 нм в диаметре. Он был выделен в 2010 году из прибрежных вод в Техасе, США. Как уже отмечалось, он паразитирует на вирусе CroV^[англ.], который заражает морского жгутиконосца Cafeteria roenbergensis^[англ.]. Геном мавируса представляет собой кольцевую двуцепочечную ДНК из 19 063 п. о., содержащую 20 ORF. Как и у Спутников, геном этого вирофага характеризуется низким GC-составом. 10 открытых рамок считывания в обнаруживают гомологию с генами ретровирусов, бактерий, эукариот и вирусов, чей геном представлен двуцепочечной ДНК. В частности, 4 гомологичные ORF найдены в геноме Спутника; они кодируют белок капсида, предполагаемую цистеиновую протеазу, предполагаемую GIY-YIG-эндонуклеазу и предполагаемую упаковывающую ДНК АТФазу^[5].

Вирофаг Замилон был выделен в 2013 году из образца почвы из Туниса вместе с мимивирусом Mont1, принадлежащим к группе С. Вирион имеет сферическую форму, его диаметр достигает 50—60 нм. Геном Замилона — это кольцевая молекула ДНК длиной 17 276 п. о. с низким GC-составом, содержит 20 ORF длиной от 222 до 2337 п. о. Он значительно отличается от генома Спутника: у них идентичны 76 % нуклеотидов при покрытии генома Спутника на 75 %. Тем не менее, 17 ORF Замилона гомологичны генам Спутника, две ORF гомологичны генам Megavirus chiliensis, и одна ORF гомологична гену Moumouvirus monve^[5]. Согласно предложенной в 2016 году классификации вирофагов, Замилон и Спутник с его вариантами объединяют в один род Sputnikvirus (где они представляют соответственно виды Mimivirus-dependent virus Zamilon и Mimivirus-dependent virus Sputnik), а мавирус выделяют в отдельный род Mavirus (вид Cafeteriavirus-dependent mavirus)^[6].

Первым вирофагом, открытым при помощи методов метагеномики, стал вирофаг Organic Lake^[англ.] (OVL). Он был обнаружен в 2011 году в пробе воды из Organic Lake^[англ.] — гиперсолёного меромиктического озера (Берег Ингрид Кристенсен, Восточная Антарктида). Сферические частицы этого вирофага диаметром 50 нм были обнаружены при помощи просвечивающей электронной микроскопии. Геном OLV представляет собой кольцевую двуцепочечную молекулу ДНК, содержащую 26 421 п. о. и имеющую GC-состав 36,5 %. Предполагается, что в геноме OLV закодированы 24 белка, из которых шесть гомологичны белкам Спутника. Среди них белок капсида, упаковывающая ДНК АТФаза, предполагаемая ДНК-полимераза/праймаза и три белка с неизвестной функцией^[5].

В 2012—2014 годах при метагеномном анализе вод озера Йеллоустон были получены полные геномные последовательности семи вирофагов, получивших название Yellowstone Lake virophages (YSLV, возможное русское название — вирофаги озера Йеллоустон). Их геномы насчитывают 22—29 тысяч п. о.; в частности длина генома у вирофага YSLV1 составляет 27 849 п. о. с 26 ORF, у YSLV2 — 23 184 п. о. с 21 ORF, у YSLV3 — 27 050 п. о. с 23 ORF, у YSLV4 — 28 306 п. о. с 34 ORF^[5][13]. GC-состав равен 33,4 % у YSLV1, 33,6 % у YSLV2, 34,9 % у YSLV3 и 37,2 % у YSLV4. По результатам проведённого в 2013 году предварительного кладистического анализа, 4 известных тогда вирофага YSLV образовывали единую кладу — сестринскую группу для Спутника, а вирофаг ALM входил совместно с мавирусом в другую кладу^[13]. Ещё 3 вирофага из группы YSLV были обнаружены в 2014 году; это — YSLV5 с длиной генома 29 767 п. о. и 32 ORF, YSLV6 (24 837 п. о. и 29 ORF) и YSLV7 (23 193 п. о. и 26 ORF). У вирофага YSLV5 GC-состав равен 51,1 % (что намного выше, чем у других вирофагов группы), у YSLV6 — 26,8 %, у YSLV7 — 27,3 %^[14].

Геном вирофага, паразитирующего на вирусе Phaeocystis globosa virus (PgV), был обнаружен в 2013 году при метагеномном анализе прибрежных вод Нидерландов в ходе сборки цепочки PgV-16T генома вируса PgV. В геноме этого вирофага (Phaeocystis globosa virus-associated virophage, PgVV) были предсказаны 16 ORF, большинство из которых не гомологичны каким-либо из известных последовательностей. Три ORF, кодирующие эндонуклеазу, предполагаемую ДНК-полимеразу и праймазу, гомологичны генам мавируса, ещё одна ORF гомологична гену OLV. Возможно, что данный вирофаг утратил структурные гены, потому что в заражённых клетках гаптофитовой водоросли Phaeocystis globosa обнаруживаются только вирусные частицы вируса-хозяина (PgV). Было высказано предположение, что вирофаг PgVV существует в виде линейной плазмиды или провирофага, интегрированного в геном вируса-хозяина^[5][6].

В 2013 году была опубликована почти полная геномная последовательность вирофага, получившего название мавирус Эйс-Лейк (англ. Ace Lake Mavirus, ALM). Она была получена из пробы воды озера Эйс-Лейк в Антарктике. Длина генома этого вирофага составляет 17 767 п. о., он имеет невысокий GC-состав (26,7 %) и содержит 22 ORF, 14 из которых имеют гомологов среди ORF мавируса^[5].

В 2015 году были опубликованы данные о присутствии генома вирофага, похожего на Замилон, в непроветриваемом

В том же году было обнаружено, что в ядерном геноме хлорарахниофитовой водоросли Bigelowiella natans^[англ.] имеются активно транскрибируемые вставки, соответствующие геномам вирофагов. Кроме того, в геноме этой водоросли имеются последовательности, произошедшие от вирусов порядка Megavirales, а также повторяющиеся элементы, похожие на трансповироны. Возможно, эта водоросль приобрела вставки в виде вирофагов в качестве молекулярного оружия против вирусов^[5].

В 2016 году новая группа вирофагов была обнаружена при анализе вод искусственного озера Дишуй в Шанхае (Китай). Была получена полная геномная последовательность вирофага Dishui Lake virophage (DSLV1). Его геном представляет собой кольцевую двуцепочечную ДНК длиной 28 788 п. о. с GC-составом 43,2 % и 28 ORF. В этих же образцах были выявлены последовательности вирофагов, родственных OLV и вирофагам группы YSLV^[15]. В том же году новый вирофаг был описан при изучении планктонного микробного сообщества горного озера Кукунор в китайской провинции Цинхай. Он получил название Qinghai Lake virophage (QLV, возможное русское название — вирофаг озера Цинхай). Геном QLV имеет длину 23 379 п. о., имеет GC-состав 33,2 % и содержит 25 ORF, из которых 7—11 ORF гомологичны генам OLV и вирофагов группы YSLV, а остальные специфичны для QLV. В тех же образцах выявлялись последовательности, близкие к последовательностям фикоднавирусов^[англ.] (Phycodnaviridae)^[16], которые, по-видимому, являются хозяевами этого вирофага^[17].

В 2017 году выполнена метагеномная сборка геномной последовательности вирофага Med-OCT2015-2000m, обнаруженного в 2015 году в пробах воды из Средиземного моря (первый вирофаг, найденный в глубоких морских водах). Длина его генома составила 30 521 п. о. с 35 ORF. На построенном филогенетическом дереве этот вирофаг образовал кладу с вирофагом YSLV5, хотя оба вирофага сильно различаются по GC-составу (27,7 % и 51,1 % соответственно)^[18].

Тогда же были получены полные (или почти полные) геномные последовательности 17 новых вирофагов из озёр штата Висконсин, США: 9 из озера Мендота^[англ.] и 8 из озера Траут-Бог-Лейк^[англ.]. Предполагается, что длина полного генома у этих вирофагов лежит в диапазоне от 13,8 до 25,8 тыс. п. о., причём они содержат от 13 до 25 ORF. Полученные геномные последовательности достаточно разнообразны: на реконструированном филогенетическом дереве вирофаги из Траут-Бог-Лейк образуют 3 кластера (совместно со Sputnikvirus и вирофагами YSLV7 и YSLV5 соответственно), в то время как большинство вирофагов из озера Мендота входит в группу, представленную вирофагами OLV, QLV, DSLV1 и большей частью вирофагов группы YSLV, хотя один из них оказывается сестринской группой для Sputnikvirus и ещё один — сестринской группой для клады из Mavirus и ALM^[11].

Большое количество последовательностей, похожих на последовательности генов, кодирующих белок капсида вирофагов, было выявлено при метагеномном анализе микробных сообществ озёр (в том числе озёр Антарктики), рек и мелких пресноводных прудов. Они также обнаруживались при метагеномном анализе активного ила, пресноводных донных отложений, пищеварительного тракта у разных животных, морских и сточных вод. Эти данные свидетельствуют о чрезвычайной распространённости и большом разнообразии вирофагов^[5].

Существует точка зрения, что вирофагов нужно рассматривать в составе

Вероятнее всего, все вирофаги обитают в вирусных фабриках гигантских вирусов, в которых происходит их транскрипция и репликация. Способы попадания вирофагов в клетку-хозяина в большинстве случаев неизвестны

Предполагается, что вирионы Спутника слишком малы, чтобы амёба могла их фагоцитировать, поэтому для проникновения вирофага внутрь клетки нужен другой механизм. Незадолго до проникновения внутрь амёбы Спутник прикрепляется к фибриллам на поверхности мамавируса при помощи белка R135, и образующийся комплекс фагоцитируется амёбой. Как и следовало ожидать, разновидности мимивирусов, лишённые фибрилл, устойчивы к действию Спутника^[5].

Через 1—2 часа после заражения в цитоплазме амёбы можно наблюдать эндоцитозные вакуоли. Далее в течение 2—4 часов происходят репликация вирусных геномов и синтез вирусных белков. Репликация Спутника и мимивируса происходит в хорошо различимых плотных зонах цитоплазмы, отличных от ядра — вирусных фабриках. На этой стадии увидеть или выделить частицы вирофага ещё невозможно^[5].

Образование вирионов вирофага начинается на одном из полюсов вирусной фабрики, до образования вирионов мимивируса. В редких случаях в заражённых клетках удаётся наблюдать вирусные фабрики, занимающиеся производством только частиц вирофага и только частиц мимивируса. Через 16 часов после заражения амёба полностью наполнена частицами Спутника и мимивируса; вирионы могут свободно располагаться в цитоплазме или накапливаться в вакуолях амёбы. Через сутки после заражения более двух третей заражённых амёб подвергаются лизису, высвобождая наружу новосинтезированные частицы вирофага и мимивируса^[5].

В отличие от Спутника, который может паразитировать на самых разных мимивирусах, вирофаг Замилон, описанный в 2014 году, может размножаться только в присутствии мимивирусов групп В и С (характерными представителями которых являются соответственно Moumouvirus и Megavirus chiliensis): мимивирусы группы А (куда входят Mimivirus и Mamavirus) к нему устойчивы. В частности, вирофаг мавирус^{[англ.][3]} (Mavirus) размножается внутри морского жгутиконосца Cafeteria roenbergensis^[англ.] только в присутствии входящего в семейство Mimiviridae гигантского вируса Cafeteria roenbergensis virus^[англ.] (CroV). В отличие от Спутника, эндоцитоз мавируса происходит независимо от эндоцитоза CroV (вероятно, при помощи клатрин-опосредованного эндоцитоза)^[5][12].

Было показано, что репликация вирофага замилон значительно усиливалась после

В 2017 году был проведён анализ протеомов нескольких вирофагов, заключающийся в поиске мотивов с известными функциями в белках вирофагов. Сходство белкового состава протеомов двух вирофагов оценивалось с помощью коэффициента корреляции Спирмена^[англ.]. Например, оказалось, что в наибольшей степени функционально схожи протеомы вирофагов YLV5 и DSLV, поэтому, вероятно, эти вирофаги запускают одни и те же сигнальные каскады в клетке-хозяине. Также, вероятно, схожий клеточный ответ вызывают вирофаги OLV и YLV6, а также замилон и QLV. Наиболее сильные функциональные значения наблюдались между протеомами Спутника 2 и Спутника 3. Предполагается, что схожие последовательности в геномах разных вирофагов происходят от общего предка или из геномов близкородственных хозяев (из-за горизонтального переноса генов)^[10].

Поиск функциональных мотивов показал, что около 70 % белков вирофага замилон имеют SUMO-связывающий мотив, в то время как у Спутника этот мотив имеется у примерно 38 % белков. Поскольку ковалентное присоединение белка SUMO является одной из самых распространённых посттрансляционных модификаций, предполагается, что ключевую роль в репликации замилона играют именно посттрансляционные модификации. Вероятно, посттрансляционные модификации, а также фибриллы капсида мимивируса играют ключевую роль в подавлении размножения Спутника. Если нокаутировать гены, кодирующие белки фибрилл, то начинается активное размножение вирофага. Кроме того, в белках Спутника и мавируса найдены мотивы ITAM^[англ.] (от англ. Immunoreceptor tyrosine-based activation motifs — иммунорецепторные активирующие тирозинзависимые мотивы), а в белках замилона, PgVV и QLV они не были обнаружены. Мотивы ITAM имеются в белках ряда вирусов и связаны с избеганием иммунного ответа, подавлением апоптоза и злокачественной трансформацией некоторых клеток. Ни один из белков PgVV не содержит сигнал ядерной локализации (англ. nuclear localization signal, NLS), а у замилона NLS имеет лишь один белок. Возможно, вирофаги используют альтернативные пути для попадания в ядро, а PgVV, вероятно, размножается только в цитоплазматической вирусной фабрике^[10].

Вирофаги демонстрируют заметное сходство с особой группой мобильных элементов — полинтонами. Полинтоны представляют собой необычную группу мобильных элементов, поскольку они могут удваиваться с помощью собственных полимеразы и интегразы (отсюда название: POLymerase-INTegrase-ON). Полинтоны и вирофаги представлены ДНК, имеют схожий размер и ряд генов общего происхождения: большой и малый белок капсида, АТФазу, служащую для упаковки ДНК в капсид, и протеазу, задействованную в созревании вирионов. Впрочем, белки капсида вирофагов и полинтонов значительно отличаются. Часть сходств полинтонов и вирофагов можно объяснить горизонтальным переносом генов и конвергентной эволюцией, однако данные филогенетических и геномных исследований убедительно свидетельствуют об общности их происхождения^[19].

Вопрос о том, каков был общий предок полинтонов и вирофагов — был это мобильный элемент, похожий на современные полинтоны, или же он был вирусом — окончательно не решён. Согласно одной из гипотез, вирофаги представляют собой потомков «сбежавших» полинтонов. Против этой гипотезы свидетельствует тот факт, что для размножения вирофагов необходимы гигантские вирусы, а для размножения полинтонов — нет, и вряд ли это свойство было приобретено вирофагами с нуля. Стоит отметить, что вирофаг Мавирус разделяет с полинтонами семь генов, а с другими вирофагами — всего три и потому стоит ближе к полинтонам, чем к другим вирофагам. Этот факт говорит в пользу того, что существовал поток генов от вирусов к мобильным элементам, и общим предком вирофагов и полинтонов был именно вирус. Известно несколько примеров встраивания вирофагов в геномы вирусов-хозяев и заражаемых клеток, поэтому возможно, что полинтоны произошли от интегрированных в клеточный геном вирофагов. Предполагается существование гипотетической группы вирусов — полинтовирусов, — которые дали начало не только полинтонам и вирофагам, но также

Взаимосвязи вирофагов с другими мобильными элементами можно проиллюстрировать кладограммой, построенной на основании последовательностей ДНК-полимеразы^[21].

Открытие новых вирофагов позволило в 2016 году провести новое исследование

В течение нескольких лет, прошедших с момента открытия первых вирофагов, вирусы данной группы были при помощи метагеномики обнаружены в различных местообитаниях, от глубоководий до суши, и в самых разных частях земного шара. Вирофагов обнаруживают в пресной воде и донных отложениях чаще, чем в образцах воды из глубоководных областей. Кроме того, вирофаги были найдены в почве, льде и воздухе. Вирофаги активно взаимодействуют с другими микроорганизмами и даже могут влиять на их рост; например, Спутник может контролировать не только популяцию амёб, но и рост бактерий, регулируя вирулентность своих вирусов-хозяев. Влияя на динамику популяций гигантских вирусов и их эукариотических хозяев, вирофаги могут оказывать значительное влияние на разнообразные экосистемы^[5].

Связь вирофагов с человеком пока не вполне ясна. В образцах фекалий и

• Jane Flint, Vincent R. Racaniello, Glenn F. Rall, Anna Marie Skalka & Lynn W. Enquist. Principles of Virology. — Washington, DC: ASM Press, 2015. — Vol. II: Pathogenesis and Control. —
  doi:10.1128/9781555818968
  .

Ссылки

	В Викисловаре есть статья «вирофаг»

• Чугунов, Антон. …А на блохе — блошиночка поменьше  (неопр.). // Сайт Biomolecula.ru (6 сентября 2008). Дата обращения: 21 марта 2018.
• Панов, Андрей. Паразит паразиту враг  (неопр.). // Сайт Biomolecula.ru (9 января 2017). Дата обращения: 21 марта 2018.

Эта статья входит в число избранных статей русскоязычного раздела Википедии.