Virusi pri arhejah

Uvod

Virusi arhej so precej drugačni od bakterijskih in evkariontskih, kljub temu da arheje izkazujejo precejšnjo podobnost z bakterijami in evkarionti. Zaenkrat je znanih 65 virusov, ki tvorijo kar 17 novih družin glede na svojo morfološko in genetsko raznolikost. Metagenomske analize z razvojem sekvenciranja, bioinformatike in novih računalniških orodji so omogočile nov vpogled v raznolikost virusov arhej. Veliko virusnih genomov iz vzorcev pripada že obstoječim družinam virusov, še veliko pa je neznanih, ki ne sodijo v nobeno izmed njih. Z analizo vzorca iz vrelca v ameriškem narodnem parku Yellowstone so odkrili kar 110 različnih genomov, med njimi le 6,3 % že znanih, kar potrjuje, da je raznolikost res velika. Z raziskovanjem metagenomskih vzorcev so odkrili tudi nove vrste arhej in njihove viruse, ki so še posebej pomembni za okolje. Take so na primer arheje skupine Thaumarchaeota in nano arheje ARMAN, katerih virusi še niso identificirani, ter arheje Marine group II, ki jih najdemo v plitvih delih oceanov. Virusi Magroviruses povzročajo njihovo odmiranje, ob tem pa se sprosti med 0,3 in 0,5 gigaton CO2 letno. Virusi arhej so tako še bistveno bolj raznoliki in pomembni za okolje, kar bodo prikazale nadaljnje študije.

Evolucija

Viruse lahko razdelimo na take, ki so specifični arhejam, in Cosmopolitan viruse, ki imajo strukturne in genetske podobnosti z virusi bakterij in evkariontov. Raziskovanje evolucijske povezanosti virusov arhej je precej oteženo zaradi horizontalnih prenosov genov, pogostih mutacij in veliko genov, ki so zelo specifični in nimajo znanih homologov. Evolucijski razvoj virusov si tako lažje predstavljamo kot omrežje, v katerem so povezani glede na skupne genske družine, in ne kot filogenetsko drevo. Organiziranost temelji na 3 značilnih razredih ohranjenih genov: connector (povezovalni) geni, prisotni v podskupinah skupin virusov, signature (značilni) geni, specifični za določene viruse znotraj modulov, in hallmark geni, ki vsebujejo zapise za proteine, udeležene v replikaciji genoma in oblikovanju virionov. Med slednjimi so najbolj ohranjeni transkripcijski faktorji z RHH domenami in glikoziltransferaze. Celotno omrežje virusov z dvoverižno DNA je razdeljeno na 19 modulov, razdeljenih na 5 supermodulov. Virusi, specifični za arheje, tvorijo supermodul, ki je z ostalimi precej nepovezan. Znanstveniki ugotavljajo, da so se virusi verjetno razvili neodvisno in ni prišlo do obširnega prenašanja genov med virusi arhej in bakterij oziroma evkariontov. Tudi med skupinami je malo podobnih proteinov za genomsko replikacijo in tvorbo virionov, zaradi česar morda nimajo skupnega prednika. Kljub temu so nekateri precej povezani z genetskim zapisom mobilnih genetskih elementov (MGE). To so samostojni nosilci gentskega materiala, na primer plazmidi, transposoni itd., ki se lahko prenašajo med vrstami. Pyrococcus abyssi virus 1 (PAV1) ima kar polovico celotnega genoma homologno plazmidom arheje reda Thermococcales, druga polovica, ki nosi zapis za strukturne proteine, pa je privzeta iz virusov, ki jo lahko okužijo. Zaradi malo povezav med moduli znanstveniki sklepajo, da so se nekateri arhejam specifični virusi razvili iz MGE in s pridobitvijo zapisov za strukturne proteine. Ker so precej preprosti, so se mogoče oblikovali de novo, ali pa je prišlo do spremembe funkcije celičnih proteinov.

Morfologija

Virusi, ki so specifični za arheje

Viruse vretenaste oblike delimo v tri družine. V družino Fuselloviridae spada 9 vrst. Na enem izmed koničastih koncev imajo kratka in tanka vlakna, s pomočjo katerih se pritrdijo na gostiteljske celice. Preko vlaken se lahko več virionov poveže v rozetaste agregate. Izjemi sta virusa SSV6 in ASV1, ki jih s svojimi debelejšimi vlakni ne moreta tvoriti. Družina Bicaudaviridae ima samo enega predstavnika ATV, ki ima na obeh koncih repke, a se ti razvijejo ekstracelularno oziroma zunaj gostitelja. Ima dva cevasta repka s sidrasto strukturo na koncu. Z njunim razvojem se volumen viriona zmanjša za dve tretjini. Pri nastanku najverjetneje sodeluje protein P800, ki s strukturo spominja na intermediarne filamente. Virusi družine Salterprovirus so po obliki sicer podobni fusellovirusom, a so genetsko popolnoma drugačni.

Virusi, ki so na enem delu širši, na drugem pa se zožajo, z obliko spominjajo na steklenico ali kapljico. Delimo jih v tri družine. Predstavnik Ampullaviridae je ABV, ki je strukturno eden najbolj kompleksnih virusov na sploh. Na širšem delu je 20 rigidnih filamentov, katerih funkcija je še neznana. Ogrodje predstavljajo dodatno zviti nukleoproteinski filamenti v toroidni obliki, okrog pa je lipidni ovoj. Predstavnik družine Clavaviridae je APBV1, ki je nekoliko bolj bacilaste oblike. Vsebuje krožno dvoverižno DNA, ki je velika samo 5278 bp in tako predstavlja najmanjši genom znanih prokariontskih virusov z dvoverižno DNA. V družino Guttaviridae spada SNDV, ki ima obliko panja. Površina je rebrasta, koničast konec pa pokrivajo tanka vlakna.

Filamentni ali linearni virusi so najbolj pogosti virusi v ekstremnem geotermalnem okolju. Lipothrixviridae so fleksibilni filamenti dolgi do 2000 nm. Vsak virion ima na koncu specifično strukturo. Zaradi majhne genetske podobnosti lahko viruse razdelimo v 4 skupine: alfa, beta, gama in delta. Rudiviridae so bolj paličasti in nimajo ovoja. Rudivirusi imajo kontrolo nad razporeditvijo ligandov na površini, zato bi lahko bili uporabni kot nanodelci.

Sferične viruse delimo v dve skupini. Okrogli Globuloviridae imajo okrog ovoj, ki vsebuje lipide. Druga skupina so Portogloboviridae, ki imajo DNA zgoščeno v spiralasto zvit filament, ki jo obdaja lipidna membrana, okrog katere je ikozaedrična kapsida. Na stičiščih ploskev so strukture, ki se med posameznimi vrstami razlikujejo in so verjetno pomembne za prepoznavanje gostitelja. Pod proteinsko kapsido imajo lipidni monosloj.

Pleolipoviridae so sferični pleomorfični virusi brez kapside. To so membranski vezikli iz lipidov gostitelja. V membrani sta dve vrsti transmembranskih proteinov – notranje in zunanje. Eden izmed predstavnikov te družine je HRPV1, ki je edini znan virus z enoverižno DNA, ki lahko okuži arheje.

Cosmopolitan virusi

Virusi iz reda Caudovirales imajo ikozaedrične kapside z repkom. Morfološko se ne razlikujejo od bakteriofagov z repki, ki so prevladujoča skupina pri bakterijah. Družino Sphaerolipoviridae najdemo tako pri arhejah kot pri bakterijah in so ikozaedrične oblike brez repkov. Pod proteinsko kapsido je notranja membrana. Podobni so družini Turriviridae.

Genom

Vsi vsebujejo linearen ali krožen DNA genom. Virusi z linearnim genomom imajo različne oblike zaščite in replikacije terminalnih koncev DNA. To so npr. lasnične zanke, terminalne obrnjene ponovitve, kovalentno vezani terminalni proteini... DNA je večinoma dvoverižna. Izjema je pri HRPV1 iz družine pleolipoviridae. V Yellowstonu, kjer se nahaja veliko arhej, so sicer že odkrili RNA viruse, a še ne vedo, če so gostitelji le-teh arheje. Virusi, ki so specifični za arheje, imajo manjši genom.

Mehanizmi genomske replikacije

Procesi replikacije genoma arhealnih virusov so precej neraziskani. Poleg krožeče in dvosmerne replikacije genomi teh virusov nakazujejo na do sedaj še ne poznane mehanizme. Rudivirus SIRV2 je eden redkih primerov arhealnih virusov, pri katerem so bili mehanizmi replikacije genoma eksperimentalno raziskani in ne določeni s sklepanjem iz podobnosti drugih vrst virusov. Med drugim so bili določeni rezolvaza Hollidayjevega križa gp35, gp17, ki se veže na enoverižno DNA, nukleaza gp19 in Rep protein gp16, ki je homologen endonukleazam krožeče-replikacijskega mehanizma (RCRE). Pri tem procesu podvajanje virusne DNA poteka enosmerno, s krožno DNA kot končnim produktom in je eden najpogostejših načinov replikacije genoma pri arhealnih virusih. V prvih stopnjah replikacije protein gp1 interagira s homologom PCNA (proliferacijski jedrni antigen celic), ki jo kodira gostiteljska arheja, iz česar sledi organizacija celičnega replisoma na virusni DNA. SIRV2 ne kodira DNA polimeraze, zato se zanaša na enega od paralogov gostiteljske DNA polimeraze Dpo1. Raziskave so pokazale, da SIRV2 uporabi različne mehanizme replikacije in tvori razvejane intermediate, velike do 1200 kb, a natančni procesi, ki potekajo pri teh replikacijskih mehanizmih, niso še bili raziskani. Virusi z manjšimi genomi (5-50 kb) so običajno sposobni uporabiti replisom gostitelja. Izjeme so ampulavirusi, salterprovirus His1, pleolipovirus His2 in MetSV. Za replikacijo DNA takih virusov so v virusnem genomu najpogosteje kodirane helikaze. Zapise za te helikse, med drugim tudi replikativne helikaze za vzdrževanje minikromosomov (MCM), so virusi večkrat neodvisno pridobili iz gostiteljev. Ostali virusi – holoarhealni sifovirusi in miovirusi oz. virusi z večjimi genomi (več kot 100 kb), pa kodirajo skoraj celoten replisom. Zapise za proteine replisoma so virusi tekom evolucije prevzeli od arhej, obstajajo pa tudi primeri, kjer so arheje prevzele virusne zapise za replisom.

Strukturna genomika

Zaradi pomanjkanja podobnosti med znanimi proteini in proteini, ki jih kodirajo arhealni virusi, je določanje njihovih funkcij zahtevno. Več kot četrtina proteinov teh virusov, katerih struktura je bila določena s krio-EM, rentgensko kristalografijo ali pa z NMR spektroskopijo, nima znanih homologov. Znanstveniki domnevajo, da so ti proteini specifični za uravnavanje interakcij med virusom in gostiteljem, kot je npr. inaktivacija obrambnih mehanizmov arhej. Čeprav so mehanizmi transkripcije precej podobni tistim pri evkariontih, so številni transkripcijski faktorji, ki jih kodirajo arheje in njihovi virusi bolj podobni bakterijskim, kar potrjujejo raziskave struktur teh proteinov. Strukturi proteina velike kapside in penton proteina pri nekem torrivirusu STIV sta namreč homologni določenim proteinom ikozaedričnih virusov, ki okužujejo evkarionte in bakterije. Iz tega pa sledijo teorije, da STIV pripada stari virusni liniji, ki bi lahko nastala še pred ločitvijo organizmov v domene arhej, bakterij in evkariontov. Raziskave posebnih zvitij proteinov velike kapside, ki so prisotna le pri rudivirusih in lipotrixvirusih pa so vodile v njihovo združenje v nov red Ligamenvirales.

Funkcijska genomika

Raziskovanje biologije virusov arhej in njihovega vpliva na gostiteljske organizme je omogočil razvoj novih metod, kot so DNA microarray, RNA sekvenciranje in analize proteoma. Študije so bile osredotočene predvsem na 4 skupine virusov, ki lahko okužijo arheje rodu Sulfolobus. Te so bile rudivirus (SIRV2), fussellovirusa (SSV1 in SSV2), turrivirus (STIV) in bicaudavirus (STSV2). Vsi virusi prikazujejo časovno nadzorovanje izražanja genov, vendar različno močno. To pomeni, da se določeni geni izražajo le ob določenem delu razvoja, večinoma takoj po okužbi in se nato enakomerno povečujejo tekom cikla. Analizirali so tudi izražanje genov gostitelja po okužbi in ugotovili da so odzivi glede na virus precej različni. SRIV2, STSV2, SSV2 izzovejo močan imunski odziv gostitelja, kateremu se precej poveča izražanje genov sistemov CRISPR-cas in toksin-antitoksin. SSV1 ta odziv skoraj povsem zaobide. S pomočjo transkriptomike, ti. študija RNA molekul, so odkrili tudi gostiteljske proteine, ki so udeleženi v razvojnem ciklu virusov. Po okužbi celic s SSV1, SSV2 in STIV se je povišalo izražanje Orc1/Cdc6 in reverzne giraze. Okužba s STSV2 je povzročila povečano izražanje drugih proteinov, reverzna giraza pa je bila manj izražena. Interakcije med virusi in gostitelji so preučevali tudi s pomočjo študij proteoma, katere so izvajali z identificiranjem proteinov z elektroforezami in masno spektrometrijo ter ugotavljanjem aktivnosti proteinov. Za viruse manj dovzetni sevi arhej so imeli povišano raven izražanja več vrst proteinov. Najbolj opazno komponente CRISPR-Cas sistema in proteine Cdv (crenarchaeal cell division), ki so udeleženi v celični delitvi.

Viri

[1] Krupovic M, Cvirkaite-Krupovic V, Iranzo J, Prangishvili D, Koonin EV. Viruses of archaea: Structural, functional, environmental and evolutionary genomics. Virus Research. 2018;244: 181–193. https://doi.org/10.1016/j.virusres.2017.11.025

[2] Wirth J, Young M. The intriguing world of archaeal viruses. Spindler KR, editor. PLoS Pathog. 2020;16: e1008574. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1008574

[3] Danovaro R, Dell’Anno A, Corinaldesi C, Rastelli E, Cavicchioli R, Krupovic M, et al. Virus-mediated archaeal hecatomb in the deep seafloor. Sci Adv. 2016;2: e1600492. https://doi.org/10.1126/sciadv.1600492

[4] Pina M, Bize A, Forterre P, Prangishvili D. The archeoviruses. FEMS Microbiol Rev. 2011;35: 1035–1054. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2011.00280.x

[5] Prangishvili D, Bamford DH, Forterre P, Iranzo J, Koonin EV, Krupovic M. The enigmatic archaeal virosphere. Nat Rev Microbiol. 2017;15: 724–739. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2017.125