Ранее перенесенная водорослями вирусная инфекция может вызвать долгосрочные благоприятные эволюционные изменения.
Исследовательская группа обнаружила, что крошечные водоросли, обитающие в суровых условиях полярных океанов, возможно обязаны своим выживанием сотням генов, заимствованных у так называемых гигантских вирусов. Как сообщает группа в недавней публикации в журнале Current Biology, этот вирусный вклад составляет примерно 5% всего генома водорослей, что на сегодняшний день является максимальным показателем среди всех видов, поражаемых гигантскими вирусами. Более того, группа обнаружила, что гены, заимствованные у вирусов, позволяют одноклеточным фотосинтезирующим организмам выживать при минусовых температурах, под воздействием сильного ультрафиолетового излучения и при колебаниях солености. «Количество описанной здесь ДНК вирусного происхождения впечатляет, и уже одно это делает статью весьма примечательной», — отмечает Жонатас Сантос Абрахао, вирусолог из Федерального университета Минас-Жерайс (Бразилия), не участвовавший в исследовании. «Исследование действительно подкрепляет мнение о том, что гигантские вирусы могут оставлять сильный и длительный след».
Гигантские вирусы, необычайно крупные и сложные, часто с необычными отростками, были впервые обнаружены в 2003 году. Чаще всего они заражают водоросли или амеб, но могут проникать и в более сложные многоклеточные организмы; они встречаются по всему миру, в том числе в морских, водных и наземных средах обитания. С момента своего открытия гигантские вирусы перевернули многие традиционные представления о том, как действуют вирусы. У них есть «липкие пальчики» в том смысле, что они часто захватывают и ассимилируют фрагменты чужеродной ДНК из клеток-хозяев или бактерий, и в то же время с такой же вероятностью оставляют генетический материал после инфицирования.
Мохаммад Монируззаман, вирусолог из Университета Майами и соавтор новой работы, отмечает, что в геномах целой трети одноклеточных организмов, исследованных его группой, обнаружено некоторое количество встроенной ДНК гигантских вирусов. По его словам, это свидетельствует о том, что взаимодействия между вирусами и их хозяевами «вероятно, чрезвычайно распространены и довольно многогранны». Однако об экологических связях между гигантскими вирусами и водорослями в экстремальных условиях известно мало, поэтому Монируззаман и его коллеги искали доказательства в образцах живых организмов, собранных другими исследователями во время экспедиций к полюсам планеты. Ученые проанализировали геномы девяти видов полярных водорослей, зарегистрированных в онлайн-базах данных, и обнаружили повсеместные свидетельства интеграции гигантских вирусов во всех из них.
Геном одной группы — одноклеточных зеленых водорослей Chlamydomonas sp., обитающих во льдах Арктики и Антарктики, — содержал особенно высокий уровень вирусной ДНК, включая более 400 участков, происходящих от гигантских вирусов, которые в совокупности кодируют более 25 000 генов. Среди наиболее значимых вкладов в Chlamydomonas были гены, связанные с вирусной репликацией, реакциями на стресс и производством белков, связывающих лед, которые помогают водорослям не замерзать в водах, температура которых может опускаться до –2 °C. (Уже было известно, что полярные микробы производят эти белки, но не то, что гены водорослей, отвечающие за них, происходят от вирусов.)
Влияние вирусных генов было неожиданным, говорит Монируззаман, поскольку хозяева обычно пытаются удалить или иным образом заглушить ДНК-последовательности проникших патогенов. Однако многие из генов гигантских вирусов, выявленных в ходе анализа генома, активно транскрибировались и, по-видимому, скоординированно реагировали на изменения температуры, солености и воздействия УФ-излучения, как обнаружила группа после анализа данных, собранных другими исследователями, которые подвергали водоросли изменяющимся условиям в лаборатории. Например, при воздействии высоких уровней УФ-излучения водоросли усиливали экспрессию белка, который гигантские вирусы обычно используют для репликации своей ДНК — возможно, с целью каким-то образом поддержать собственные процессы репарации, запускаемые стрессом.
Исследователи также обнаружили, что ДНК вирусного происхождения содержит множество транспозонов — фрагментов генома, способных к самовоспроизведению или перемещению, что приводит к появлению новых генетических вариаций. По мнению Монируззамана, такие перемены могут «ускорить» эволюцию в условиях экологического стресса, позволяя организмам быстрее адаптироваться к меняющимся условиям. «Это исследование подчеркивает, что вирусная интеграция — это не просто пережиток прошлых инфекций, а активный, непрерывный диалог между вирусами и их хозяевами, формирующий эволюцию генома в режиме реального времени», — отмечает Шанталь Абержель, вирусолог из CNRS, французского национального научно-исследовательского агентства, которая не участвовала в работе.
Монируззаман хотел бы глубже изучить вопрос о том, почему именно водоросли могут нуждаться в активации вирусных генов, и приобретают ли ДНК-последовательности новую функцию после интеграции в хозяина. «Мне нравится исследовать то, что вызывает у меня наибольшее любопытство, и здесь было много интересного», — говорит он.
