Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа заняла первое место в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

---

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

---

Партнеры номинации — медико-биологическая школа «Вита» и «Новая школа».

---

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

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

Обычная жизнь вирусов

Для начала поговорим о том, как обычно проводят свою жизнь вирусы, а потом перейдем к сложным взаимодействиям с геномами. Вирусы становятся живыми после того, как попадают в чей-нибудь организм. С точки зрения биологии целью всех живых организмов является размножение, соответственно, вирусам как-то тоже необходимо увеличить свою популяцию внутри организма, но сами создать себе новую ДНК/РНК и белковую оболочку они не могут, потому что у них отсутствуют почти все «детали» для синтеза белка. Им приходится эксплуатировать аппарат биосинтеза белка чужой клетки. У вирусов нет ни рибосом, ни тРНК, есть только ДНК или РНК. Им необходимо произвести белки, которые на этой РНК/ДНК записаны, и воспроизвести саму РНК или ДНК. Как они используют для этого клетку?

Сначала вирусу нужно внедрить свою наследственную информацию в клетку, и различные вирусы делают это по-разному. Бактериофаги протыкают оболочку клетки своим отростком и впрыскивают нуклеиновую кислоту. Другие вирусы научились «взламывать» рецепторы на мембране клетки: рецепторы клетки считают вирус своим и пропускают его внутрь, уже там вирус выпускает свой наследственный материал. Клетка, как правило, не отличает вирусную нуклеиновую кислоту от своей и продуцирует белки, которые записаны на вирусной, то есть производит его белковую оболочку, реплицирует его ДНК и РНК и создает другие белки, которые могут также способствовать распространению вируса, например белки, которые вызывают лизис клетки — растворение её частей, чтобы выпустить вирусные частицы дальше и заразить другие клетки.

Шпионы: химеры из РНК

Понятно, что зараженная клетка хочет синтезировать свои белки, а не вируса. Как вирусу заставить рибосому заметить именно РНК вируса? Ведь у РНК клетки есть преимущества: она обладает специфическими участками, не кодирующими белок, а служащими маяком для рибосомы. Среди них так называемый 5′-кэп — конец РНК, с которого начинается трансляция. Он представляет собой видоизмененный нуклеотид (метилированный гуанозин), связанный с первым нуклеотидом транскрипта (иногда тоже измененным).

У некоторых вирусов есть 5′-кэп, они справляются без шпионских ухищрений и ждут, чтобы на них обратили внимание. Но некоторые смогли украсть «кепку» (cap — «кепка» по-английски), скопировать тот самый кусок мРНК клетки, с которого запускается трансляция, и некоторое количество нуклеотидов со стартовым кодоном AUG и присоединить к себе. То есть трансляция начинается не с AUG вируса, а с AUG куска РНК, заимствованного у клетки. В итоге получаются такие химерные, смешанные вирусные мРНК (рис. 1). Из известных так могут делать вирусы гриппа (Orthomyxoviridae), вирус Ласса (Arenaviridae), хантавирусы (Hantaviridae) и вирус лихорадки долины Рифт (Phenuiviridae). Так они обманывают рибосомы — притворяются обычными мРНК организма.

Но этим вирусы не ограничиваются, некоторые крадут еще и последовательности нуклеотидов, кодирующие белки организма, и используют их в своих целях — это может влиять на иммунную реакцию и вирулентность вируса — степень его способности вызывать заболевание [1].

Бактериофаги WO: похищение яда пауков, путешествия сквозь геномы

Если знакомые нам по болезням вирусы похищают только начала мРНК клеток, исключительно чтобы сделать синтез своих белков за счет клеток возможным, то некоторые крадут крупные куски генетического кода и даже передают их другим организмам. Как известно, бактериофаги поражают бактериальные клетки, при этом многие из них избирательны, то есть могут поражать бактерии только одного вида. Для бактериофага WO это — вольбахии, облигатные паразиты членистоногих, которые не могут жить вне хозяина. Перед фагом стоит задача попасть в организм членистоногого, а потом внедрить свою нуклеиновую кислоту в бактерию. Ему придется проникать в эукариотические клетки и преодолевать ихперед главной целью — вольбахией. После расшифровки его генома обнаружили, что в нем есть целые куски эукариотического генома пауков. Авторы, которые описали это явление, назвали эти куски EAM (eukaryotic association module), и их у вируса в геноме почти половина (рис. 2) [2]. В том числе, что наиболее интересно, — вирус заимствовал кусок, кодирующий C-концевой фрагмент белка латротоксина, яда, который может вызывать лизис как эукариотических клеток, так и бактериальных. Впрочем, при созревании латротоксина этот C-концевой фрагмент отрезается.

Этот же кусок гена яда также обнаружили и у ос. Как он мог туда попасть, если не посредством вируса? Представьте, фаг получил кусок генома с ядом от паука, потом добрался до вольбахии, поменял геном вольбахии, а гены с токсином вместе с вольбахией переехали к другим членистоногим, например к осам.

Встраивать свой геном внутрь чужого умеют многие вирусы при помощи фермента интегразы. Ярким примером является ВИЧ. Подробно о нем и о том, как он встраивает свою генетическую информацию в человеческую ДНК, можно читать здесь: «СПИД: как ВИЧ разрушает нашу иммунную систему» [3]. Но в отличие от ВИЧ, бактериофаги WO встраивают еще и украденный геном. Перемещение куска генома пауков довольно интересно и очень вариативно благодаря фагам WO (рис. 3) [2].

Вирус-предатель

Глядя на предыдущие примеры манипуляций вирусов с геномами, кажется, что этой техникой они владеют в совершенстве и всегда действуют в своих интересах, но это не так. Иногда вирусы делают странные вещи, которые им никак не помогают, и даже приносят пользу зараженному организму. Так один вирус случайно защитил своих жертв от другого вируса.

Браковирусы (Bracovirus) находятся в интересном симбиозе с осами-наездницами. Сначала они живут в теле осы, а когда оса нападает на гусеницу, чтобы отложить в нее яйца, браковирусы тоже попадают в организм гусеницы. Такие случаи были замечены с бабочками монархами и некоторыми другими чешуекрылыми. Браковирусы, попав в новый организм, посредством подчинения себе синтеза белка в клетках не дают иммунной системе гусениц атаковать личинки наездников и благодаря этому личинки осы могут спокойно развиваться внутри гусеницы (рис. 4).

Осы приручили вирусы, внедрив их в свой геном, для ос они не опасны, а даже полезны. Но, к сожалению, такой союз оказался неидеальным для вирусов. В какой-то момент вирус скопировал кусок ДНК ос-наездниц и встроил его в геном бабочек, при этом выбрал тот кусок, который защищал ос от других вирусов — бакуловирусов, а после переноса от ос стал защищать и бабочек [4].

Бакуловирусы убивают насекомых, которые заражаются ими, как правило, во время еды. Сам по себе этот вирус тоже очень интересен: как и многие другие, в конце размножения в конкретной клетке вирус вызывает ее лизис, так что с течением болезни гусеницы буквально растворяются изнутри. Вирусу это надо для того, чтобы заразить как можно больше особей. На последних стадиях заболевания он делает из гусеницы зомби, которая ест, а потом забирается как можно выше по растению и там висит, пока не умрет. Умирая, гусеница взрывается брызгами (из-за лизиса) по растениям, и те гусеницы, которые будут эти растения есть, тоже заболеют. В итоге гусеница заразна, и пока жива, ведь ее фекалии на листьях многих заразят, и особенно заразна, умирая. Такой вот выгодный и страшный жизненный цикл (рис. 5) [5], [6].

Таким образом, бакуловирус может контролировать популяции разных видов, подавлять вспышки их размножения, поэтому его иногда используют, как инсектицид. Но предательский браковирус, даря гусеницам куски генома ос, ставит эффективность этого метода под угрозу, потому что такие гусеницы, так же как и осы, становятся устойчивыми к такому методу борьбы [6].

Возможности вирусов невероятны и знание их полезно людям. Случаи с воровством генов открывают много подробностей не только о вирусах, но и о животных, растениях, их взаимодействиях на уровне геномов.

Литература

1. Jessica Sook Yuin Ho, Matthew Angel, Yixuan Ma, Elizabeth Sloan, Guojun Wang, et. al.. (2020). Hybrid Gene Origination Creates Human-Virus Chimeric Proteins during Infection. Cell. 181, 1502-1517.e23;
2. Sarah R. Bordenstein, Seth R. Bordenstein. (2016). Eukaryotic association module in phage WO genomes from Wolbachia. Nat Commun. 7;
3. СПИД: как ВИЧ разрушает нашу иммунную систему;
4. Laila Gasmi, Helene Boulain, Jeremy Gauthier, Aurelie Hua-Van, Karine Musset, et. al.. (2015). Recurrent Domestication by Lepidoptera of Genes from Their Parasites Mediated by Bracoviruses. PLoS Genet. 11, e1005470;
5. Zimmer C. (2014). Mindsuckers — meet nature's nightmare. National Geographic;
6. Trevor Williams, Cristina Virto, Rosa Murillo, Primitivo Caballero. (2017). Covert Infection of Insects by Baculoviruses. Front. Microbiol.. 8.