Viroloogia avastused võivad bioloogiat muuta

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Viirused on pisikesed, kuid "uskumatult võimsad olendid", ilma kelleta me ellu ei jääks. Nende mõju meie planeedile on vaieldamatu. Neid on lihtne leida, teadlased jätkavad seni tundmatute viirustüüpide tuvastamist. Aga kui palju me neist teame? Kuidas me teame, kumba kõigepealt uurida?

SARS-CoV-2 koroonaviirus on vaid üks mitmest miljonist meie planeedil elavast viirusest. Teadlased tuvastavad kiiresti palju uusi tüüpe.

Maya Breitbart on otsinud uusi viirusi Aafrika termiidiküngastest, Antarktika hüljestest ja Punasest merest. Kuid nagu selgus, et midagi tõesti leida, pidi ta lihtsalt oma Florida koduaeda vaatama. Sealt basseini ümbert võib leida orb-web-ämblikke liigist Gasteracantha cancriformis.

Neil on särav värv ja ümarad valged kehad, millel on märgatavad mustad täpid ja kuus helepunast okast, mis sarnanevad keskajast pärit võõrapärase relvaga. Kuid nende ämblike kehade sees tabas Maya Brightbarti üllatus: kui Brightbart, Lõuna-Florida ülikooli viirusökoloogia ekspert teadusele tundmatu.

Teatavasti on meid, tavainimesi, alates 2020. aastast hõivanud vaid üks praegu kõigile teadaolev eriti ohtlik viirus, kuid on palju teisi viiruseid, mida pole veel avastatud. Teadlaste sõnul on umbes 10³¹erinevaid viirusosakesi, mis on kümme miljardit korda suurem kui vaadeldava universumi tähtede ligikaudne arv.

Nüüdseks on selge, et ökosüsteemid ja üksikud organismid sõltuvad viirustest. Viirused on tillukesed, kuid uskumatult võimsad olendid, nad kiirendasid miljonite aastate jooksul evolutsioonilist arengut, nende abiga viidi läbi geenide ülekanne peremeesorganismide vahel. Maailmameres elades lahkasid viirused mikroorganisme, paiskades nende sisu veekeskkonda ja rikastades toiduvõrku toitainetega. "Me ei oleks ilma viirusteta ellu jäänud," ütleb Kanadas Vancouveris asuva Briti Columbia ülikooli viroloog Curtis Suttle.

Rahvusvaheline viiruste taksonoomia komitee (ICTV) leidis, et hetkel on maailmas 9110 erinevat tüüpi viirusi, kuid see on ilmselgelt väike osa nende koguarvust. See on osaliselt tingitud asjaolust, et viiruste ametlik klassifikatsioon nõudis varem teadlastelt viiruse kultiveerimist peremeesorganismis või selle rakkudes; see protsess on aeganõudev ja tundub mõnikord ebareaalselt keeruline.

Teine põhjus on see, et teadusuuringute käigus pandi rõhku nende viiruste leidmisele, mis põhjustavad inimestel või teistes elusorganismides haigusi, mis on inimesele teatud väärtusega, näiteks puudutab see põllumajandusloomi ja põllukultuure.

Sellegipoolest, nagu COVID-19 pandeemia meenutas, on oluline uurida viiruseid, mis võivad ühelt peremeesorganismilt teisele edasi kanduda ja just see ohustab inimesi, aga ka koduloomi või põllukultuure.

Viimase kümnendi jooksul on teadaolevate viiruste arv hüppeliselt tõusnud tänu avastamistehnoloogia täiustumisele ja ka hiljuti toimunud muudatustele uut tüüpi viiruste tuvastamise reeglites, mis võimaldasid tuvastada viiruseid ilma, et oleks vaja neid viiruse abil kasvatada. peremeesorganism.

Üks levinumaid meetodeid on metagenoomika. See võimaldab teadlastel koguda keskkonnast genoomide proove, ilma et oleks vaja neid kasvatada. Uued tehnoloogiad, nagu viiruste järjestamine, on lisanud loendisse rohkem viiruste nimesid, sealhulgas mõned, mis on üllatavalt laialt levinud, kuid teadlaste eest siiski suuresti varjatud.

"Praegu on suurepärane aeg seda tüüpi uurimistöö tegemiseks," ütleb Maya Brightbart. - Ma arvan, et praegu on paljuski käes viroomi aeg [virome - kõigi viiruste kogum, mis on iseloomulikud üksikule organismile - u tõlge.] ".

Ainuüksi 2020. aastal lisas ICTV oma ametlikku viiruste nimekirja 1044 uut liiki, kusjuures veel tuhanded viirused ootavad kirjeldust ja seni nimetamata. Nii suure hulga genoomide esilekerkimine ajendas virolooge viiruste klassifitseerimise viisi ümber mõtlema ja aitas selgitada nende evolutsiooniprotsessi. On kindlaid tõendeid selle kohta, et viirused ei pärine ühest allikast, vaid esinesid mitu korda.

USA riikliku allergia- ja nakkushaiguste instituudi (NIAID) viroloog Jens Kuhn Marylandis Fort Detrickis on aga ülemaailmse viiruskogukonna tegelik suurus suures osas teadmata: "Meil pole tegelikult aimugi, et see toimub."

Igal pool ja igal pool

Igal viirusel on kaks omadust: esiteks on iga viiruse genoom ümbritsetud valgukattega ja teiseks kasutab iga viirus oma paljunemiseks võõrast peremeesorganismi – olgu selleks mees, ämblik või taim. Kuid selles üldises skeemis on lugematu arv variatsioone.

Näiteks pisikestel tsirkoviirustel on ainult kaks või kolm geeni, samas kui massiivsetel mimiviirustel, mis on suuremad kui mõned bakterid, on sadu geene.

Näiteks on olemas bakteriofaagid, mis on mõneti sarnased Kuule maandumise aparatuuriga – need bakteriofaagid nakatavad baktereid. Ja loomulikult teavad tänapäeval kõik okastest pungil killerpallid, mille pildid on nüüdseks valusalt tuttavad ehk igale inimesele ükskõik millises maailma riigis. Ja viirustel on ka see omadus: üks viiruste rühm salvestab oma genoomi DNA, teine - RNA kujul.

On olemas isegi bakteriofaag, mis kasutab alternatiivset geneetilist tähestikku, milles kanoonilises ACGT süsteemis asendatakse lämmastiku alus A teise molekuliga, mida tähistatakse tähega Z [täht A tähistab lämmastiku alust "adeniin", mis on osa nukleiinhappest. happed (DNA ja RNA); ACGT- lämmastikualused, mis moodustavad DNA, nimelt: A - adeniin, C - tsütosiin, G - guaniin, T - tümiin, - u. tõlge].

Viirused on nii üldlevinud ja uudishimulikud, et võivad ilmuda isegi siis, kui teadlased neid ei otsi. Nii näiteks ei kavatsenud Frederik Schulz viirusi üldse uurida, tema teadusliku uurimistöö valdkond on reovee genoomide järjestus. Viini ülikooli magistrandina kasutas Schultz 2015. aastal metagenoomikat bakterite leidmiseks. Selle lähenemisviisi abil isoleerivad teadlased DNA paljudest organismidest, jahvatavad need väikesteks tükkideks ja järjestavad. Seejärel koostab arvutiprogramm nendest tükkidest üksikud genoomid. See protseduur meenutab mitmesaja pusle korraga kokkupanemist eraldi segatud fragmentidest.

Bakterigenoomide hulgas ei saanud Schultz märkamata jätta tohutut tükki viiruse genoomist (ilmselt seetõttu, et sellel tükil olid viiruse ümbriku geenid), mis sisaldas 1,57 miljonit aluspaari. See viiruse genoom osutus hiiglaseks, see oli osa viiruste rühmast, mille liikmed on hiiglaslikud viirused nii genoomi suuruselt kui ka absoluutmõõtmetelt (tavaliselt läbimõõduga 200 nanomeetrit või rohkem). See viirus nakatab amööbe, vetikaid ja muid algloomi, mõjutades nii veeökosüsteeme kui ka maismaa ökosüsteeme.

Frederick Schultz, praegu mikrobioloog USA energeetikaministeeriumi ühendgenoomiinstituudis Berkeleys, Californias, otsustas otsida metagenoomilistest andmebaasidest seotud viiruseid. 2020. aastal kirjeldasid Schultz ja tema kolleegid oma artiklis üle kahe tuhande hiiglaslikke viiruseid sisaldava rühma genoomi. Tuletame meelde, et varem lisati avalikult kättesaadavatesse andmebaasidesse ainult 205 sellist genoomi.

Lisaks pidid viroloogid uute liikide otsimisel vaatama ka inimkeha sisse. Viiruste bioinformaatika spetsialist Luis Camarillo-Guerrero analüüsis koos kolleegidega Hinkstonis (Ühendkuningriik) asuvast Sengeri Instituudist inimese soolestiku metagenoome ja lõi andmebaasi, mis sisaldas enam kui 140 000 bakteriofaagi liiki. Rohkem kui pooled neist olid teadusele tundmatud.

Veebruaris avaldatud teadlaste ühisuuring langes kokku teiste teadlaste järeldustega, et üks levinumaid inimese soolestiku baktereid nakatavaid viirusrühmi on rühm, mida tuntakse crAssphage'ina (nimetatud ristkoostaja programmi järgi, mis selle 2014. aastal avastas).. Vaatamata selles rühmas esindatud viiruste rohkusele, teavad teadlased vähe sellest, kuidas selle rühma viirused osalevad inimese mikrobioomis, ütleb Camarillo-Guerrero, kes töötab praegu DNA järjestuse määramise ettevõttes Illumina (Illumina asub Ühendkuningriigis Cambridge'is).

Metagenoomika on avastanud palju viiruseid, kuid samal ajal ignoreerib metagenoomika paljusid viirusi. Tüüpilistes metagenoomides RNA viiruseid ei sekveneerita, mistõttu mikrobioloog Colin Hill Iirimaal Corkis asuvast Iiri riiklikust ülikoolist otsis koos kolleegidega neid RNA andmebaasidest, mida nimetatakse metatranskriptideks.

Tavaliselt viitavad teadlased nendele andmetele populatsioonis geene uurides, s.t. need geenid, mis muudetakse aktiivselt messenger-RNA-ks [messenger RNA-d (ehk mRNA-d) nimetatakse ka messenger RNA-ks (mRNA) - u. tõlge] osalevad valkude tootmises; kuid sealt võib leida ka RNA viiruste genoome. Kasutades arvutustehnikaid andmetest järjestuste eraldamiseks, leidis töörühm 1015 viiruse genoomi muda- ja veeproovide metatranskriptoomides. Tänu teadlaste tööle on pärast ühe artikli ilmumist märkimisväärselt suurenenud teave teadaolevate viiruste kohta.

Tänu nendele meetoditele on võimalik kogemata koguda genoome, mida looduses ei eksisteeri, kuid selle vältimiseks on teadlased õppinud kasutama tõrjemeetodeid. Kuid on ka muid nõrkusi. Näiteks on väga raske eraldada teatud tüüpi viiruseid, millel on suur geneetiline mitmekesisus, kuna arvutiprogrammidel on keeruline erinevaid geenijärjestusi kokku panna.

Alternatiivne lähenemisviis on sekveneerida iga viiruse genoom eraldi, nagu seda teeb mikrobioloog Manuel Martinez-Garcia Alicante ülikoolist Hispaanias. Pärast merevee läbi filtrite juhtimist eraldas ta mõned spetsiifilised viirused, võimendas nende DNA-d ja asus sekveneerima.

Pärast esimest katset leidis ta 44 genoomi. Selgus, et üks neist on üks levinumaid ookeanis elavaid viiruseid. Sellel viirusel on nii suur geneetiline mitmekesisus (st selle viirusosakeste geneetilised fragmendid on erinevates viirusosakestes nii erinevad), et selle genoom pole metagenoomika uuringutes kunagi ilmunud. Teadlased andsid sellele nimeks "37-F6" selle asukoha tõttu laboratoorsel tassil. Martinez-Garcia tegi aga nalja, arvestades genoomi võimet end nähtavasti peita, oleks see pidanud kandma superagendi James Bondi järgi nime 007.

Viiruste sugupuud

Sellistel ookeaniviirustel, nii salajastel nagu James Bond, pole ametlikku ladina nime, nagu ka enamikul mitmest tuhandest viimase kümnendi jooksul metagenoomika abil avastatud viirusgenoomidest. Need genoomsed järjestused esitasid ICTV jaoks keerulise küsimuse: kas ühest genoomist piisab viiruse nimetamiseks? Kuni 2016. aastani kehtis järgmine järjekord: kui teadlased pakkusid ICTV jaoks välja mis tahes uut tüüpi viirust või taksonoomilist rühma, siis harvade eranditega oli vaja kultuuris esitada mitte ainult see viirus, vaid ka peremeesorganism. Kuid 2016. aastal jõudsid viroloogid pärast intensiivset arutelu, et ühest genoomist piisab.

Hakkas saabuma rakendusi uutele viirustele ja viirusrühmadele. Kuid nende viiruste vahelised evolutsioonilised seosed on mõnikord jäänud ebaselgeks. Viroloogid klassifitseerivad viiruseid tavaliselt nende kuju (näiteks "pikk", "õhuke", "pea ja saba") või genoomide (DNA või RNA, ühe- või kaheahelaline) alusel, kuid need omadused ütlevad meile üllatavalt vähe. nende ühise päritolu kohta. Näiteks näib, et kaheahelalise DNA genoomiga viirused pärinevad vähemalt neljast erinevast olukorrast.

ICTV viiruste esialgne klassifikatsioon (mis tähendab, et viiruste puu ja rakuliste eluvormide puu eksisteerivad üksteisest eraldi) hõlmas ainult evolutsioonilise hierarhia madalamaid astmeid, ulatudes liikidest ja perekondadest kuni tasemeni, mis vastavalt mitmerakulise elu klassifikatsioon, on samaväärne primaatide või okaspuudega. Viiruste evolutsioonilises hierarhias ei olnud kõrgemaid tasemeid. Ja paljud viiruste perekonnad eksisteerisid isoleeritult, ilma seosteta teist tüüpi viirustega. Seega lisas ICTV 2018. aastal kõrgemaid järjestustasemeid viiruste klassifitseerimiseks: klassid, tüübid ja valdkonnad.

Viiruste klassifikatsiooni tippu paigutas ICTV rühmad nimega "valdkonnad" (sfäärid), mis on rakuliste eluvormide (bakterid, arheed ja eukarüootid) "domeenide" analoogid, st. ICTV kasutas kahe puu eristamiseks teist sõna. (Mitu aastat tagasi väitsid mõned teadlased, et mõned viirused võiksid ilmselt sobida rakuliste eluvormide puusse, kuid see idee pole leidnud laialdast heakskiitu.)

ICTV on visandanud viirusepuu harud ja määranud RNA viirused piirkonda nimega Riboviria; muide, osa sellest piirkonnast on SARS-CoV-2 viirus ja teised koroonaviirused, mille genoomid on üheahelalised RNA-d. Kuid siis pidi suur viroloogide kogukond välja pakkuma täiendavaid taksonoomilisi rühmi. Juhtus nii, et evolutsioonibioloog Eugene Koonin Marylandi osariigis Bethesda osariigis asuvast riiklikust biotehnoloogiateabe keskusest kogus teadlaste meeskonna, et leida esimene viis viiruste kategoriseerimiseks. Selleks otsustas Kunin analüüsida kõiki viirusgenoome, samuti viirusvalkude uuringute tulemusi.

Nad korraldasid Riboviria piirkonna ümber ja pakkusid välja veel kolm valdkonda. Mõne detaili üle on Kunini sõnul olnud vaidlusi, kuid 2020. aastal kiitsid ICTV liikmed süstematiseeringu ilma suuremate raskusteta heaks. Kunini sõnul anti 2021. aastal roheline tuli veel kahele valdkonnale, kuid algsed neli jäävad tõenäoliselt suurimaks. Lõpuks arvab Kunin, et valdkondade arv võib ulatuda 25-ni.

See arv kinnitab paljude teadlaste kahtlust: viirustel pole ühist esivanemat. "Kõigi viiruste jaoks pole ühte eellaslooma," ütleb Kunin. "Seda lihtsalt pole olemas." See tähendab, et viirused on Maa eluajaloo jooksul tõenäoliselt mitu korda ilmunud. Seega pole meil põhjust väita, et viirused uuesti ilmuda ei saaks. "Loodusse ilmub pidevalt uusi viiruseid," ütleb Pariisi Pasteuri Instituudi viroloog Mart Krupovic, kes on osalenud nii ICTV otsuste tegemisel kui ka Kunini grupi süstematiseerimise alase uurimistööga.

Viroloogidel on valdkondade põhjuste kohta mitmeid hüpoteese. Võib-olla tekkisid valdkonnad iseseisvatest geneetilistest elementidest planeedi Maa elu alguses, isegi enne rakkude moodustumist. Või äkki nad jätsid terved rakud, "põgenesid" nende eest, hülgades enamiku rakumehhanismidest, et säilitada nende olemasolu minimaalsel tasemel. Kunin ja Krupovitš pooldavad hübriidhüpoteesi, mille kohaselt need esmased geneetilised elemendid "varastasid" rakust geneetilise materjali, et ehitada üles viirusosakesi. Kuna viiruste päritolu kohta on palju hüpoteese, on täiesti võimalik, et nende ilmumise viise on palju, ütleb viroloog Jens Kuhn, kes töötas ICTV komitees viiruste uue süstematiseerimise ettepanekuga.

Hoolimata asjaolust, et viirus- ja rakupuud on erinevad, ei puutu nende oksad mitte ainult kokku, vaid vahetavad ka geene. Kuhu siis viirused liigitada – elusad või elutud? Vastus sõltub sellest, kuidas määratlete "elus". Paljud teadlased ei pea viirust elusolendiks, samas kui teised ei nõustu sellega. "Ma kaldun uskuma, et nad on elus," ütleb bioinformaatika teadlane Hiroyuki Ogata, kes uurib viiruseid Jaapanis Kyoto ülikoolis. "Nad arenevad, neil on DNA-st ja RNA-st valmistatud geneetiline materjal. Ja nad on väga oluline tegur kõigi elusolendite evolutsioonis.

Praegune klassifikatsioon on laialdaselt aktsepteeritud ja kujutab endast esimest katset üldistada viiruste mitmekesisust, kuigi mõned viroloogid usuvad, et see on mõnevõrra ebatäpne. Kümmekonnal viirusperekonnal pole ikka veel seost ühegi valdkonnaga. "Hea uudis on see, et me püüame selles segaduses vähemalt korra sisse seada," lisab mikrobioloog Manuel Martinez-Garcia.

Nad muutsid maailma

Maal elavate viiruste kogumass võrdub 75 miljoni sinivaalaga. Teadlased on kindlad, et viirused mõjutavad toiduvõrke, ökosüsteeme ja isegi meie planeedi atmosfääri. Columbuse Ohio osariigi ülikooli keskkonnaviroloogiaspetsialisti Matthew Sullivani sõnul avastavad teadlased üha enam uut tüüpi viirusi, kusjuures teadlased "avastavad varem tundmatuid viise, kuidas viirustel on otsene mõju ökosüsteemidele". Teadlased üritavad seda viiruslikku kokkupuudet kvantifitseerida.

"Praegu ei ole meil toimuvate nähtuste kohta ühtegi lihtsat seletust," ütleb Hiroyuki Ogata.

Maailmameres võivad viirused lahkuda oma peremeesmikroobidest, vabastades süsiniku, mille ringlusse võtavad teised olendid, kes söövad nende peremeesmikroobide sisemust ja eraldavad seejärel süsinikdioksiidi. Kuid viimasel ajal on teadlased jõudnud ka järeldusele, et lõhkevad rakud kogunevad sageli kokku ja vajuvad maailma ookeani põhja, sidudes atmosfäärist süsinikku.

Matthew Sullivan ütles, et igikeltsa sulamine maismaal on peamine süsiniku tekke allikas ja näib, et viirused aitavad selles keskkonnas mikroorganismidest süsinikku vabastada. 2018. aastal kirjeldasid Sullivan ja tema kolleegid 1907 viiruse genoomi ja nende fragmente, mis koguti Rootsis igikeltsa sulamise ajal, sealhulgas valkude geene, mis võivad kuidagi mõjutada süsinikuühendite lagunemisprotsessi ja võib-olla ka nende muutumist kasvuhoonegaasideks..

Viirused võivad mõjutada ka teisi organisme (näiteks segada nende genoome). Näiteks kannavad viirused antibiootikumiresistentsuse geene ühelt bakterilt teisele ja lõpuks võivad domineerida ravimiresistentsed tüved. Luis Camarillo-Guerrero sõnul võib selline geeniülekanne aja jooksul põhjustada tõsiseid evolutsioonilisi nihkeid konkreetses populatsioonis – ja mitte ainult bakterites. Seega on mõnede hinnangute kohaselt 8% inimese DNA-st viirusliku päritoluga. Nii näiteks said meie imetajatest esivanemad platsenta arenguks vajaliku geeni just viirusest.

Paljude viiruste käitumist puudutavate küsimuste lahendamiseks vajavad teadlased enamat kui lihtsalt oma genoome. Samuti on vaja leida viiruse peremehed. Sel juhul võib vihje olla talletatud viirusesse endasse: viirus võib näiteks sisaldada oma genoomis äratuntavat fragmenti peremeesorganismi geneetilisest materjalist.

Mikrobioloog Manuel Martinez-Garcia ja tema kolleegid on hiljuti avastatud 37-F6 viirust sisaldavate mikroobide tuvastamiseks kasutanud üherakulist genoomikat. Selle viiruse peremeesorganismiks on bakter Pelagibacter, mis on üks levinumaid ja mitmekesisemaid mereorganisme. Mõnes maailma ookeani piirkonnas moodustab Pelagibakter peaaegu poole kõigist selle vetes elavatest rakkudest. Kui viirus 37-F6 äkki kaoks, jätkab Martinez-Garcia, oleks veeorganismide elu tõsiselt häiritud.

Teadlased peavad välja mõtlema, kuidas see peremeesorganismi muudab, et saada täielikku ülevaadet konkreetse viiruse mõjust, selgitab evolutsiooniökoloog Alexandra Worden Ookeani teaduskeskusest. Helmholtz (GEOMAR) Saksamaal Kielis. Warden uurib hiiglaslikke viiruseid, mis kannavad geene fluorestseeruva valgu jaoks, mida nimetatakse rodopsiiniks.

Põhimõtteliselt võivad need geenid olla kasulikud ka peremeesorganismidele, näiteks energia ülekandmiseks või signaalide edastamiseks, kuid seda fakti pole veel kinnitatud. Et teada saada, mis juhtub rodopsiini geenidega, plaanib Alexandra Vorden kultiveerida peremeesorganismi (peremeesorganismi) koos viirusega, et uurida selle üheks kompleksiks liidetud paari (peremees-viiruse) toimimismehhanismi. - "virocell".

"Ainult rakubioloogia abil saate öelda, milline on selle nähtuse tõeline roll ja kuidas see täpselt mõjutab süsinikuringet," lisab Warden.

Maya Brightbart ei kasvatanud oma Florida kodus ämblikest Gasteracantha cancriformis eraldatud viirusi, kuid tal õnnestus nende kohta üht-teist teada saada. Nendest ämblikest leitud kaks senitundmatut viirust kuuluvad rühma, mida Brightbart on kirjeldanud kui "hämmastavaid" – ja seda kõike nende pisikeste genoomide tõttu: esimene kodeerib valgukatte geeni, teine – replikatsioonivalgu geeni.

Kuna üks neist viirustest esineb ainult ämbliku kehas, kuid mitte tema jalgades, usub Brightbart, et tegelikult on selle ülesanne nakatada saaki, mille ämblik hiljem ära sööb. Teist viirust võib leida ämbliku erinevatest kehapiirkondadest – munade ja järglaste haardest –, seega usub Brightbart, et see viirus kandub edasi vanemalt järglastele. Brightbarti sõnul on see viirus ämblikule kahjutu.

Nii et viiruseid on "tegelikult kõige lihtsam leida", ütleb Maya Brightbart. Palju keerulisem on kindlaks teha mehhanismi, mille abil viirused mõjutavad peremeesorganismi elutsüklit ja ökoloogiat. Kuid kõigepealt peavad viroloogid vastama ühele kõige keerulisemale küsimusele, tuletab Brightbart meile meelde: "Kuidas me teame, millist neist kohe alguses uurida?"