Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Они существуют!

Митохондрия, по сути, является бывшей бактерией, а значит, и она в теории может быть хозяином вируса [1]. Согласно теории симбиогенеза, на определенном этапе эволюции, предок современных эукариот захватил древнюю альфа-протеобактерию (ну или же эта бактерия изначально была внутриклеточным паразитом, взглядов на этот вопрос много) и эта бактерия сначала стала эндосимбионтом, а потом и вовсе передала бóльшую часть своих генов в геном новоиспеченного эукариота, став органеллой. Тем не менее, митохондрия сохранила свои собственные рибосомы (в митохондриях можно найти 70S рибосомы, которые характерны для бактерий), а это значит, что вирус может размножаться и в митохондрии, хотя про такие вирусы редко вспоминают.

Итак, в данной статье вашему вниманию будет представлена такая наинтереснейшая группа вирусов, как митовирусы. Хотя многие миТовирусы являются миКовирусами, эти понятие не стоит путать. Миковирусы — это любые вирусы, которые поражают грибы, а митовирусы — это вирусы, которые размножаются в митохондриях хозяина. Так вот, митовирусы относятся к семейству Narnaviridae. Вирусы из этой группы являются, возможно, самыми простыми и маленькими вирусами (см. рис. 1). Вирион нарнавирусов состоит из одной РНК-зависимой РНК-полимеразы, или сокращенно RdRp, и РНК, которая ее же и кодирует. У этих вирусов нет капсида, а размер их генома составляет до 4,4 тысяч пар нуклеотидов [2] и имеет единственную рамку считывания.

Где встречаются митовирусы

Один из первых открытых и, возможно, наиболее изученный митовирус был найден почти что случайно. В ходе изучения грибка Cryphonectria parasitica, опасного паразита, который в начале 20 века практически полностью уничтожил вид американского каштана, был проведен скрининг гиповирулентных (т.е. менее агрессивных) мицелиев для поиска вирусов, которые способны вызывать ослабленное состояние у паразита. В ходе исследования были изучены двухцепочечные РНК - такие структуры вирус может образовывать на определенной стадии жизненного цикла [4].

В ходе электрофореза образцов РНК одной из проб был обнаружен интересный фрагмент, выделяющийся своим размером. Его длина составляла 2,7 тысяч пар нуклеотидов, в то время как большинство вирусов, которые были найдены в том исследовании, имели размер генома около 10 тысяч нуклеотидов. После секвенирования у этой короткой РНК было обнаружено одно интересное свойство. Рамка считывания вируса имела множественные кодоны UGA. Если вы посмотрите в таблицу генетического кода, то увидите, что данный кодон означает остановку синтеза белка, а значит, с такой РНК не должен транслироваться белок нормальной длины. Однако в реальности все немного сложнее. Как выяснилось, ситуация, в которой с найденной РНК может нормально проходить трансляция, все же существует: такой вирус не будет способен нормально размножаться в цитоплазме, но в митохондрии загадочная РНК способна произвести функциональный белок. У настоящих грибов генетический код митохондрий имеет некоторые отличия от нормального. Одним из таких отличий является тот факт, что кодон UGA не означает остановку трансляции, а вместо этого кодирует аминокислоту триптофан. С учетом новых данных выяснилось, что кодируемый белок — вполне рабочая РНК зависимая РНК полимераза, которая позволяет вирусу размножаться. Найденный элемент нарекли NB631, а в будущем он официально стал именоваться CpMV-1.

Для доказательства митохондриальной локализации вируса были проведены и другие эксперименты. Например, было произведено исследование, в котором зараженный мицелий C. parasitica скрещивали со здоровым. В результате оказалось, что дочерние особи грибка будут заражены только если заражен материнский мицелий. При этом, наличие вируса в мужской особи никак не влияет на состояние потомков. Такая закономерность связана с тем, что при половом размножении аскомицетов митохондрии передаются только от материнского мицелия, так же как у человека. Таким образом, результаты эксперимента говорят в пользу того, что вирус локализуется в митохондриях [4].

Помимо NB631/CpMV-1, были обнаружены и другие митовирусы грибов, однако грибами группа митовирусов не ограничилась.

Например, такие вирусы вероятно были найдены в митохондриях высших растений. Изначально последовательности, похожие на митовирусы, нашли в виде так называемых NERVEs, или неретровирусных встроенных РНК-вирусных элементов. Такие элементы являются своего рода «вирусными ископаемыми», которые образуются, когда вирус случайно подвергается обратной транскрипции и встраивается в геном. Способствовать этому переходу могут, например, транспозоны или вирусы, которые содержат необходимые ферменты. При этом, такие останки древних или не очень древних вирусов, как правило, сильно искажены: они могут включать только часть исходного вирусного генома и, как правило, содержат много мутаций. Относительно недавно было проведено исследование, в ходе которого при помощи последовательности NERVE митовирусного происхождения был проведен поиск схожих с ним РНК растительного происхождения. После обработки полученных данных было найдено 20 РНК-элементов, которые имели характерную для митовирусов длину (около 3 тысяч нуклеотидов) и кодировали белок, похожий на митовирусную RdRp. Все это говорит о том, что найденные РНК вероятнее всего являются митовирусами, однако есть один нюанс. Чтобы доказать, что найденные митовирусы являются именно растительными, а не грибными (грибы часто сожительствуют с растениями, поэтому грибной митовирус мог случайно оказаться в растительной клетке), нужно было сделать еще несколько наблюдений. Во-первых, генетический код найденных митовирусов в отличии от митовирусов грибов не имел кодонов UGA, кроме как в качестве терминатора трансляции. Это говорит о приспособлении обнаруженных вирусов к паразитированию на митохондриях растений, т.к. они в отличии от митохондрий грибов содержат «нормальный» генетический код. Кроме того, все эти элементы вероятно образуют монофилитическую группу среди митовирусов (см. рисунок 3), что было бы крайне маловероятно для случайных митовирусов грибов [2].

Кроме грибов и растений, митовирусы освоили еще одно царство живых организмов — многоклеточных животных. У некоторых насекомых были найдены вирусы, которые размножаются в их митохондриях. Например, у мухи Lutzomyia longipalpis при помощи анализа открытых библиотек РНК был обнаружен митовирус Lul-MV-1 [5].

Влияние на хозяина

А теперь давайте разберемся, как проявляют себя эти необычные вирусы. Для кого-то это может быть разочарованием, но большинство митовирусов не вызывают заметных симптомов. Их простое строение, маленький размер, а также ограниченная локализация внутри клетки как правило не позволяет им оказывать заметное влияние на хозяина. Однако найдутся и интересные случаи.

Таковым, например, является митовирус BcMV-1, который паразитирует на грибке Botrytis cinerea (который, в свою очередь, может вызывать гниль различных растений). Штаммы грибка, которые заражены вирусом, имеют более низкую вирулентность, чем здоровые (т.е. являются гиповирулентными) и отличаются по морфологии колоний (см. рис. 4), кроме того, заражение BcMV-1 вызывает у грибка деформацию митохондрий, а также дефекты цитоплазмы (см. рисунок 5) [6].

Происхождение митовирусов

Несмотря на свою простоту, митовирусы имеют весьма интересную эволюционную историю. Хотя бактериофаги в основном используют в качестве носителя генетической информации двуцепочечную ДНК, существует одна группа, которая содержит +РНК — это левивирусы. При этом любопытно то, что RdRp левивирусов по своему строению похожа на соответствующий фермент у митовирусов и нарнавирусов, из чего можно сделать вывод что эти две группы являются родственными [7]. Проще говоря, нарнавирусы и митовирусы, вероятно, произошли от бактериальных левивирусов. Самое интересное состоит в том, что древние левивирусы, вероятно, попали в эукариотическую клетку, когда эукариоты только начинали свою эволюцию, а именно в то время, когда формировались митохондрии.

Древний левивирус, который обитал в альфа-протеобактерии, продолжил паразитировать и после превращения своего хозяина в органеллу. Есть несколько возможных сценария последующей эволюции этого вируса. В более старой модели древний левивирус быстро утратил капсид и потерял способность к разрушению клетки хозяина (митохондрии), став чем-то похожим на современные митовирусы. После этого вирус дал две эволюционные ветви: митовирусы, которые остались в митохондриях, и нарнавирусы, которые стали размножатся в цитоплазме.

Однако недавно вышла статья, которая предлагает другую модель эволюции этой группы вирусов. Новая модель предполагает, что древний левивирус, который достался митохондриям «по наследству» от предковой альфа-протеобактерии, сохранил литические свойства (т.е. он мог разрывать митохондрии) и поэтому приспособился к жизни в цитоплазме. Уже потом этот вирус деградировал до состояния, где он содержит только одну рамку считывания и не имеет ни литического цикла, ни капсида. Далее этот цитоплазматический вирус дает нарнавирусы и митовирусы, при этом митовирусы «возвращаются» в митохондрии, а нарнавирусы остаются в цитоплазме. Новая модель лучше объясняет раннюю эволюцию древнего леви-подобного вируса, поскольку в ней учитываются особенности его жизненного цикла. Кроме того, в нее лучше вписывается группа «археомитовирусов» (Archeomitoviridae) — древних митовирусов, которые не используют кодон UGA для кодирования триптофана (т.е. вероятно, они обитают в цитоплазме) и имеют некоторые особенности строения РНК, характерные для нарнавирусов. Поскольку археомитовирусы, вероятно, являются базальной группой митовирусов, логично предположить, что митовирусы изначально размножались в цитоплазме [8].

Литература

1. Внимание! Разыскивается предок митохондрий!;
2. Max L. Nibert, Minh Vong, Karen K. Fugate, Humberto J. Debat. (2018). Evidence for contemporary plant mitoviruses. Virology. 518, 14-24;
3. Bradley I. Hillman, Guohong Cai. (2013). The Family Narnaviridae. Advances in Virus Research. 149-176;
4. J. J. Polashock, P. J. Bedker, B. I. Hillman. (1997). Movement of a small mitochondrial double-stranded RNA element of Cryphonectria parasitica: ascospore inheritance and implications for mitochondrial recombination. Mol Gen Genet. 256, 566-571;
5. Paula Fonseca, Flavia Ferreira, Felipe da Silva, Liliane Santana Oliveira, João Trindade Marques, et. al.. (2020). Characterization of a Novel Mitovirus of the Sand Fly Lutzomyia longipalpis Using Genomic and Virus–Host Interaction Signatures. Viruses. 13, 9;
6. M. D. Wu, L. Zhang, G. Q. Li, D. H. Jiang, M. S. Hou, H.-C. Huang. (2007). Hypovirulence and Double-Stranded RNA in Botrytis cinerea. Phytopathology®. 97, 1590-1599;
7. Eugene V. Koonin, Valerian V. Dolja, Mart Krupovic. (2015). Origins and evolution of viruses of eukaryotes: The ultimate modularity. Virology. 479-480, 2-25;
8. Andrés Gustavo Jacquat, Martín Gustavo Theumer, José Sebastián Dambolena. (2023). Putative Mitoviruses without In-Frame UGA(W) Codons: Evolutionary Implications. Viruses. 15, 340.