Многие вирусы научились перестраивать под себя нормальный клеточный цикл клетки-хозяина. Например, некоторые вирусы эукариот стимулируют переход клеток из фазы G1 клеточного цикла в S-фазу, чтобы удваивать свои геномы вместе с геномом клетки-хозяина. Клеточный цикл архей чем-то напоминает таковой у эукариот, хоть и с некоторыми отличиями. Лучше всего он изучен у архей рода Sulfolobus — экстремофилов, обитающих при температуре около 80 °C и pH 3. В экспоненциально растущих клетках Sulfolobus выделяют пререпликативный период (G1-фаза), стадию репликации хромосомы (S-фаза), второй период клеточного роста (G2-фаза), быструю сегрегацию геномов и собственно разделение дочерних клеток, обозначаемые как M- и D-фазы соответственно. Ключевой фактор деления бактериальных клеток близок к эукариотическому комплексу ESCRT (от англ. endosomal sorting complex required for transport), который играет важную роль в перестройках мембран во время формирования везикул [1].

Именно у гипертермофильных архей описано множество разнообразных вирусов .

Подробнее о вирусах архей вы можете прочитать в нашей статье «Загадочные вирусы архей» [2].

В отличие от бактериофагов, которые зачастую быстро убивают клетку, вирусы архей, как и вирусы эукариот, чаще превращают инфицированную клетку в настоящую фабрику по производству вирусных частиц. Иногда такие клетки называют вироклетками. Чтобы сделать из клетки комбинат по производству вирусных частиц, вирусы хитрым образом перестраивают клеточный цикл и другие аспекты функционирования клетки под себя, изменяя ее до неузнаваемости [1].

Авторы недавнего исследования, опубликованного в PNAS, изучали взаимодействие клеток архей и вирусов на примере нелитического, то есть не вызывающего быструю гибель клетки, вируса STSV2 семейства Bicaudaviridae и его хозяина — гипертермофильной археи Sulfolobus islandicus REY15A. Ученые наблюдали за динамикой зараженной и незараженной клеточных популяций в течение 10 дней, измеряя оптическую плотность культуры. Поначалу плотность зараженной культуры, как и следовало ожидать, снижалась вследствие замедления роста и гибели клеток, а титр вирусных частиц в ней возрастал. Однако к 7 дню после заражения ситуация начала меняться: плотность инфицированной популяции начала быстро расти, а титр вирусных частиц, наоборот, стал снижаться, что свидетельствует о появлении в ней клеток, устойчивых к вирусу [1].

Чтобы детально изучить особенности клеток на разных стадиях инфекции, авторы брали образцы зараженной культуры спустя разное время после инфицирования и визуализировали клетки с помощью световой микроскопии (подробнее о методах микроскопии читайте в статье «12 методов в картинках: микроскопия» [3]). Они обнаружили удивительный факт: клетки, инфицированные STSV2, значительно увеличивались в размерах. Если на первые сутки после инфицирования они превосходили здоровые клетки по размеру в два раза, то постепенно эта разница увеличивалась аж до 20 раз к шестому дню после инфицирования! Изучение зараженных клеток с помощью сканирующей электронной микроскопии позволило установить, что их поверхность густо усеяна вирионами STSV2. Интересно, что, начиная с седьмого дня после инфицирования, доля клеток нормального размера постепенно начинала возрастать, и после восьмого дня инфекции уже 96% клеток имели нормальные размеры (рис. 1) [1].

Ученые также исследовали, как меняется количество ДНК в популяции зараженных клеток архей. В обычной популяции Sulfolobus islandicus большинство клеток находятся в фазе G2 и содержат две копии хромосомы, а меньшая доля клеток, находящаяся в фазе S, имеет одну хромосому. По мере приближения к стационарной фазе роста в популяции начинают преобладать клетки в G1-фазе с одной хромосомой. Авторы работы исследовали количество ДНК в клетках с помощью проточной цитофлуориметрии и выяснили, что спустя сутки после заражения около 80% клеток содержали более четырех копий хромосом. По мере развития инфекции количество ДНК в клетках увеличивалось, и в некоторых зараженных клетках достигало целых 300 копий хромосомы. В то же время, начиная с шестых суток после заражения, в популяции стали выявляться клетки, содержащие одну или две копии хромосомы, что согласуется с наблюдениями, полученными с помощью микроскопии: в какой-то момент на лидирующее положение в популяции вместо клеток-гигантов начинали выходить клетки нормального размера [1].

О проточной цитофлуориметрии можно прочитать в статье «12 методов в картинках: проточная цитофлуориметрия» [4].

А что же происходит в ходе инфекции с количеством вирусной ДНК? Для ответа на этот вопрос ученые брали пробы инфицированных клеток на разных стадиях инфекции, выделяли из них ДНК и с помощью ПЦР в реальном времени определяли принадлежность ДНК — является ли она вирусной или клеточной (подробнее про ПЦР читайте в статье «12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция» [5]). Здесь исследователей снова ждал сюрприз. В ходе инфекции количество вирусных геномов в зараженных клетках стремительно росло и к шестому дню достигало более двух тысяч копий на одну гигантскую клетку, однако после этого число вирусных геномов резко шло на спад, что также согласуется с гипотезой о том, что после шестого дня инфекции в популяции начинают доминировать резистентные клетки нормального размера. Стоит отметить, что вирусные геномы в инфицированных клетках равномерно распространены по цитоплазме и не образуют выраженных скоплений [1].

Но почему же зараженные клетки превращаются в гигантских полиплоидных монстров? Самая очевидная гипотеза — вирус каким-то образом препятствует финальной стадии деления, то есть разделению дочерних клеток. И действительно, анализ экспрессии генов компонентов ESCRT-подобного комплекса показал, что в инфицированных клетках уровень его синтеза сильно снижен по сравнению с нормальными и достигает самых низких значений на второй день инфекции. В период с 3 по 6 день инфекции уровень экспрессии генов ESCRT в зараженных клетках остается постоянным, а после шестого дня инфекции, когда в популяции начинают доминировать нормальные клетки, он поднимается до значений, характерных для неинфицированных клеток. Одновременно с повышением уровня производства комплекса ESCRT растет и оптическая плотность культуры, что указывает на интенсивное деление клеток [1].

На протяжении всего эксперимента, помимо гигантских клеток, примерно 20% популяции составляли клетки нормального размера. Откуда они берутся? Детальное исследование гигантских клеток показало наличие на их поверхности бугорков, которые по размерам соответствовали нормальным клеткам архей. Авторы работы предположили, что нормальные клетки отпочковываются от гигантских в ходе процесса, похожего на почкование дрожжей. Действительно, иммунофлуоресцентный анализ показал, что в местах отхождения бугорков от клеточной поверхности образуется кольцо или, точнее, спиральная сеть из комплекса ESCRT, который в нормальных клетках локализуется в их центре и обеспечивает равное бинарное деление (рис. 2) [1].

Как мы отмечали ранее, в какой-то момент гигантские клетки почти полностью исчезают из популяции, и большинство вновь начинают составлять клетки нормального размера. Ученые показали, что эти клетки обладают устойчивостью к STSV2 благодаря системе CRISPR. Этап адаптации, то есть вставка спейсеров, соответствующих STSV2, начинается примерно на седьмой день после заражения, причем адаптация происходит не только в клетках нормального размера, но и в гигантских клетках [1].

STSV2 — не единственный вирус архей, который вызывает резкое увеличение зараженных клеток в размерах. Авторы показали, что схожие изменения вызывает вирус SMV1, который, как и STSV2, относится к семейству Bicaudaviridae, при этом вирус SSV2, принадлежащий к другому семейству, на размер инфицированных клеток не влияет. Авторы отмечают, что индукция гигантизма инфицированных архей может являться консервативной стратегией вирусов семейства Bicaudaviridae.

Примечательно также, что резкое увеличение размеров клеток архей возможно и по иным причинам. Например, архея Staphylothermus marinus, родственная Sulfolobus, при выращивании на среде, содержащей большое количество дрожжевого экстракта, может дорастать до диаметра 15 мкм при нормальном диаметре 0,5–1 мкм. Авторы исследования предполагают, что пластичность клеток архей в отношении размеров может быть обусловлена тем, что они, в отличие от большинства бактерий, не имеют жесткой пептидогликановой клеточной стенки [1].

Литература

1. Junfeng Liu, Virginija Cvirkaite-Krupovic, Diana P. Baquero, Yunfeng Yang, Qi Zhang, et. al.. (2021). Virus-induced cell gigantism and asymmetric cell division in archaea. Proc Natl Acad Sci USA. 118, e2022578118;
2. Загадочные вирусы архей;
3. 12 методов в картинках: микроскопия;
4. 12 методов в картинках: проточная цитофлуориметрия;
5. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция.