JISME: Ученые впервые наблюдали сцепление двух вирусов

Никто до сих пор не видел, как один вирус цепляется за другой вирус, пока аномальные результаты секвенирования не направили команду UMBC в кроличью нору, которая привела к первому в своем роде открытию.

Известно, что некоторые вирусы, называемые сателлитами, для завершения своего жизненного цикла зависят не только от организма-хозяина, но и от другого вируса, известного как «помощник», — объясняет Иван Эрилл, профессор биологических наук.

Вирус-сателлит нуждается в помощнике либо для создания своего капсида — защитной оболочки, в которой заключен генетический материал вируса, либо для помощи в репликации его ДНК. Такие взаимоотношения вирусов требуют, чтобы вирус-спутник и вирус-помощник хотя бы временно находились рядом друг с другом, однако до сих пор не было известно ни одного случая, когда вирус-спутник действительно прикреплялся бы к вирусу-помощнику.

В работе, опубликованной в Journal of the International Society of Microbial Ecology, команда UMBC и коллеги из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU) впервые описали наблюдение, как бактериофаг-спутник (вирус, заражающий бактериальные клетки) последовательно прикрепляется к бактериофагу-помощнику на его «шее» — в месте соединения капсида с хвостом вируса.

На детальных электронно-микроскопических снимках, сделанных Тагиде деКарвальо, помощником директора Core Facilities Колледжа естественных и математических наук и первым автором новой работы, 80 процентов (40 из 50) бактериофагов-помощников имели спутник, прикрепленный к шейке. У некоторых из тех, кто не имел спутника, на шее присутствовали остатки усиков спутника. Эрилл, старший автор работы, описывает их как «следы укусов».

Когда я увидел это, я просто не мог поверить, — говорит-де Карвальо.

Никто никогда не видел, чтобы бактериофаг — или любой другой вирус — прикреплялся к другому вирусу.

Долгосрочные отношения между вирусами

После первых наблюдений Элиа Масколо, аспирант исследовательской группы Эрилла и соавтор статьи, проанализировал геномы вирусов-сателлитов, вирусов-помощников и вирусов-хозяев, что позволило получить дополнительные сведения об этих невиданных ранее взаимоотношениях вирусов. Большинство вирусов-сателлитов содержат ген, который позволяет им интегрироваться в генетический материал клетки-хозяина после попадания в нее. С этого момента сателлит может размножаться каждый раз, когда в клетку попадает помощник. При делении клетка-хозяин также копирует ДНК спутника вместе со своей собственной.

Образец бактериофага из Университета WashU также содержал помощника и спутника. Сателлит из WashU имеет ген интеграции и не прикрепляется непосредственно к своему хелперу, что напоминает ранее наблюдавшиеся системы сателлит-хелпер.

Однако сателлит из образца UMBC, названный студентами, выделившими его, MiniFlayer, является первым известным случаем сателлита, не имеющего гена интеграции. Поскольку спутник не может интегрироваться в ДНК клетки-хозяина, для выживания он должен находиться рядом со своим помощником, названным MindFlayer, каждый раз, когда попадает в клетку-хозяина.

Несмотря на то, что команда не смогла напрямую доказать это объяснение, «прикрепление теперь имеет полный смысл, — говорит Эрилл, — потому что иначе как вы сможете гарантировать, что войдете в клетку в одно и то же время?

Дополнительный биоинформационный анализ, проведенный Масколо и Джулией Лопес-Перес, еще одной аспиранткой, работающей с Эриллом, показал, что MindFlayer и MiniFlayer коэволюционировали в течение длительного времени.

Этот спутник настраивался и оптимизировал свой геном для связи с помощником в течение, я бы сказал, по меньшей мере 100 млн лет, — говорит Эрилл, и это говорит о том, что, возможно, существует еще много случаев такого рода взаимоотношений, ожидающих своего открытия.

Заражение или открытие?

Это новаторское открытие можно было легко пропустить. Проект начинался как обычный семестр в рамках программы SEA-PHAGES — исследовательской программы, в ходе которой студенты выделяют бактериофаги из образцов окружающей среды, отправляют их на секвенирование, а затем используют инструменты биоинформатики для анализа полученных результатов. Когда лаборатория секвенирования Питтсбургского университета сообщила о загрязнении образца из UMBC, который должен был содержать фаг MindFlayer, путешествие началось.

Образец содержал одну большую последовательность: ожидаемый фаг. Но вместо того, чтобы найти только ее, мы обнаружили еще и небольшую последовательность, которая не совпадала ни с чем из того, что мы знали, — говорит Эрилл.

Вместе со Стивеном Карузо, главным преподавателем биологических наук, он является одним из руководителей программы SEA-PHAGES, так называемой «Охотники за фагами» в UMBC. Карузо повторил выделение, отправил его на секвенирование и получил идентичные результаты.

Тогда команда привлекла деКарвальо, чтобы получить представление о происходящем с помощью трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ) в центре визуализации Кита Р. Портера (KPIF) при UMBC. Без этих снимков открытие было бы невозможным.

Не все имеют в своем распоряжении ТЭМ. Но благодаря приборам, имеющимся в KPIF, — говорит-де Карвальо, — я могу проследить за некоторыми из этих наблюдений и подтвердить их с помощью изображений. Есть элементы открытий, которые мы можем сделать только с помощью ТЕМ.

Открытие команды закладывает основу для дальнейшей работы по выяснению того, как прикрепляется спутник, насколько распространено это явление и многое другое.

Возможно, многие бактериофаги, которые люди считали зараженными, на самом деле являются системами-спутниками, — говорит деКарвальо, — и теперь, благодаря этой работе, люди смогут распознать больше таких систем.

02.11.2023