Хлоровирус , также известный как вирус хлореллы, представляет собой род гигантских двухцепочечных ДНК-вирусов семейства Phycodnaviridae . Этот род встречается по всему миру в пресноводной среде [1] , где естественными хозяевами служатпресноводные микроскопические водоросли . В этом роде 19 видов. [2] [3]
Хлоровирус был открыт в 1981 году Расселом Х. Мейнцом, Джеймсом Л. Ван Эттеном, Дэниелом Кучмарски, Китом Ли и Барбарой Анг при попытке культивировать хлореллоподобные водоросли. В ходе попытки вирусные частицы были обнаружены в клетках через 2–6 часов после первоначального выделения с последующим лизисом через 12–20 часов. Первоначально этот вирус назывался HVCV (вирус Hydra viridis Chlorella), поскольку впервые было обнаружено, что он заражает хлореллоподобные водоросли. [4] [5]
Хотя один из видов, хлоровирус ATCV-1 , который обычно встречается в озерах, является относительно новым для вирусологов и, следовательно, недостаточно изучен, недавно было обнаружено, что он заражает людей. [6] В настоящее время также появляются новые исследования, посвященные последствиям инфекции на мышах. [6] [7]
Хлоровирус — это род гигантских вирусов с двухцепочечной ДНК (дцДНК) из семейства Phycodnaviridae и балтиморской группы 1: вирусы с дцДНК . Род включает следующие виды: [3]
Хлоровирусы широко распространены в пресноводных средах во всех частях земного шара и были выделены из источников пресной воды в Европе , Азии , Австралии , а также в Северной и Южной Америке . [1] [8] Природные хозяева хлоровирусов включают различные типы одноклеточных эукариотических хлореллоподобных водорослей, причем отдельные виды вируса обычно заражают только внутри отдельного штамма. Известно, что эти водоросли-хозяева устанавливают эндосимбиотические отношения с более крупными протистами, такими как Paramecium bursaria (представитель инфузорий ) , Acanthocystis turfacea ( центрогелиозой ) и Hydra viridis (представитель гидрозоа ) . [9] Хотя отдельный простейший может содержать до нескольких сотен клеток водорослей в любой момент времени, свободно плавающие водоросли очень восприимчивы к хлоровирусам, что указывает на то, что такой эндосимбиоз служит для обеспечения устойчивости к инфекции. [10]
Титры хлоровирусов варьируются в зависимости от сезона и местоположения, но обычно колеблются от 1 до 100 БОЕ/мл, хотя в некоторых средах могут встречаться высокие концентрации до 100 000 БОЕ/мл. Благодаря богатому генетическому разнообразию и высокой специализации отдельных видов в отношении ареала заражения, вариации в их экологии не являются чем-то необычным, что приводит к уникальным пространственно-временным закономерностям, которые в конечном итоге зависят от образа жизни и природы хозяина. Таким образом, данные предыдущего исследования выявили два заметных сезонных пика численности вирусов Chlorella variabilis NC64A и Chlorella variabilis Syngen — один приходится на поздней осени, а другой — с конца весны до середины лета, что, вероятно, связано с тем фактом, что они имеют общий вид хозяина. И наоборот, вирусы Chlorella heliozoae SAG достигали пика в разное время года и в целом демонстрировали большую вариабельность титров по сравнению с вирусами NC64A и Syngen. [1] Кроме того, исследования показали, что хлоровирусы демонстрируют некоторую устойчивость в ответ на понижение температуры, наблюдаемое в зимний сезон, характеризующееся наличием инфекционных частиц под слоями льда в пруду для сбора ливневых вод в Онтарио, Канада . [11] Кроме того, Делонг и др. (2016) предполагают, что хищничество мелких ракообразных может играть косвенную роль в колебаниях титра, поскольку деградация клеток протистов, проходящих через пищеварительный тракт, приводит к высвобождению большого количества одноклеточных водорослей, которые становятся восприимчивыми к вирусной инфекции из-за нарушения эндосимбиоза. [10] В целом, сезонная численность хлоровирусов зависит не только от вида хозяина, но и от численности других микроорганизмов, общего состояния питательных веществ и экологических условий. [12]
В совокупности хлорвирусы способны выступать посредниками в глобальных биогеохимических циклах посредством оборота фитопланктона . Известно, что хлорелла в сочетании с другими типами микроскопических водорослей, такими как Microcystis aeruginosa , вызывает токсичное цветение водорослей , которое обычно длится с февраля по июнь в северном полушарии, что приводит к истощению кислорода и гибели более крупных организмов в пресноводных средах обитания. [13] [14] Литическое заражение одноклеточных водорослей хлорвирусами приводит к прекращению цветения водорослей и последующему высвобождению углерода, азота и фосфора, захваченных в клетках, транспортировке их на более низкие трофические уровни и, в конечном итоге, питанию пищевой цепи. [12]
Вирусы рода Chlorovirus имеют оболочку, икосаэдрическую и сферическую геометрию и симметрию T = 169 ( число триангуляции ). Диаметр составляет около 100-220 нм. Геномы линейные, обычно однокопийные, состоят из дцДНК (двухцепочечной ДНК) и имеют длину около 330 т.п.н. ДцДНК закрыта на конце шпилькой. Геномы также часто имеют несколько сотен открытых рамок считывания . [2] Как группа, хлорвирусы кодируют 632 семейства белков; однако каждый отдельный вирус имеет только от 330 до 416 генов, кодирующих белок. В рамках систем модификации ДНК хлорвирусы имеют метилированные основания в определенных участках последовательности ДНК. Некоторые хлоровирусы также содержат интроны и интеины , хотя в пределах рода это встречается редко. [9]
Вирус 1 Paramecium bursaria Chlorella (PBCV-1) имеет диаметр 190 нм [9] и ось пятого порядка. [15] На месте соединения одного лица имеется выступающий шип, который является первой частью вируса, контактирующей с хозяином. [16] Внешний капсид покрывает одну липидную двухслойную мембрану, полученную из эндоплазматического ретикулума хозяина . [15] Некоторые капсомеры на внешней оболочке имеют волокна, отходящие от вируса и способствующие прикреплению к хозяину. [17] [16]
Хлоровирусы заражают некоторые одноклеточные, эукариотические хлореллоподобные зеленые водоросли, называемые зоохлореллами , и очень специфичны для видов и даже штаммов. Эти зоохлореллы обычно устанавливают эндосимбиотические отношения с простейшими Paramecium bursaria , кишечнополостными Hydra viridis , гелиозоном Acanthocystis turfacea и другими пресноводными и морскими беспозвоночными и простейшими. Вирусы не могут инфицировать зоохлореллы, когда они находятся в симбиотической фазе, и нет никаких доказательств того, что зоохлореллы растут свободно от своих хозяев в местных водах. [18] Недавно было обнаружено, что хлоровирусы заражают людей, что привело к исследованиям инфекций на мышах. [6]
Репликация вируса ядерно-цитоплазматическая. Репликация следует модели смещения цепи ДНК , а транскрипция с помощью матрицы ДНК является методом транскрипции. Вирус покидает клетку-хозяина путем лизиса через литические фосфолипиды, при этом механизмом передачи является пассивная диффузия. [ нужна цитата ]
В трехмерных реконструкциях PBCV-1 видно, что шип сначала контактирует с клеточной стенкой хозяина [21] и ему помогают волокна, чтобы закрепить вирус на хозяине. Прикрепление PBCV-1 к его рецептору очень специфично и является основным источником ограничений в отношении диапазона вирусных хозяев. Связанные с вирусом ферменты позволяют стенке клетки-хозяина разрушаться, и внутренняя мембрана вируса сливается с мембраной хозяина. Это слияние позволяет перенести вирусную ДНК и белки, связанные с вирионом, в клетку-хозяина, а также вызывает деполяризацию мембраны хозяина. Предположительно, это происходит из-за закодированного вирусом канала K+ . Исследования показывают, что этот канал находится внутри вируса и действует как внутренняя мембрана, высвобождающая K+ из клетки, что может способствовать выбросу вирусной ДНК и белков из вирусной клетки в хозяина. Считается также, что деполяризация клеточной мембраны хозяина предотвращает вторичное заражение другим вирусом или вторичными переносчиками. [19]
Поскольку PBCV-1 не имеет гена РНК-полимеразы , его ДНК и белки, связанные с вирусом, перемещаются в ядро, где транскрипция начинается через 5–10 минут после заражения. Эту быструю транскрипцию приписывают некоторому компоненту, облегчающему перенос вирусной ДНК в ядро. Предполагается, что этот компонент является продуктом гена PBCV-a443r , который приобретает структуры, напоминающие белки, участвующие в транспортировке ядер в клетках млекопитающих.
Скорость транскрипции хозяина снижается на этой ранней фазе инфекции, и фасилитаторы транскрипции хозяина перепрограммируются для транскрипции новой вирусной ДНК. Через несколько минут после заражения начинается деградация хромосомной ДНК хозяина. Предполагается, что это происходит посредством кодируемых и упакованных PBCV-1 эндонуклеаз рестрикции ДНК . Деградация хромосомной ДНК хозяина ингибирует транскрипцию хозяина. Это приводит к тому, что через 20 минут после первоначального заражения 33-55% полиаденилированных мРНК в инфицированной клетке имеют вирусное происхождение. [22]
Репликация вирусной ДНК начинается через 60–90 минут, после чего следует транскрипция поздних генов внутри клетки-хозяина. Примерно через 2–3 часа после заражения начинается сборка капсидов вируса. Это происходит в локализованных областях цитоплазмы, при этом капсиды вируса становятся заметными через 3–4 часа после первоначального заражения. Через 5–6 часов после заражения PBCV-1 цитоплазма клетки-хозяина заполняется инфекционными вирусными частицами-потомками. Вскоре после этого (6–8 часов после заражения) локализованный лизис клетки-хозяина высвобождает потомство. Из каждой зараженной клетки высвобождается ~1000 частиц, ~30% из которых образуют бляшки . [19]
У водорослей, инфицированных хлоровирусами, результатом является лизис и, следовательно, смерть. Таким образом, хлоровирусы являются важным механизмом прекращения цветения водорослей и играют жизненно важную роль в поставке питательных веществ в толщу воды [17] ( дополнительную информацию см. в разделе «Экология» ). Хлоровирусы также способны изменять структуру стенок инфицированных клеток. Некоторые хлоровирусы содержат гены хитинсинтазы (CHS), тогда как некоторые другие содержат гены гиалуронансинтазы (HAS), что соответственно запускает образование чувствительных к хитину волокон или чувствительных к гиалуронану волокон. Хотя функция образования волокнистого мата окончательно не известна, считается, что волокна могут: сдерживать поглощение инфицированной клетки симбиотическими простейшими, которые вызывают переваривание лизированной клетки; заразить другого хозяина, который поглотит водоросли, покрытые волокнами; или присоединиться к другим инфицированным и покрытым волокнами клеткам. Способность кодировать ферменты, запускающие синтез гиалуронана (гиалуроновой кислоты), не обнаружена ни у каких других вирусов. [23]
Недавно ДНК хлоровируса ATCV-1 была обнаружена в образцах ротоглотки человека . До этого не было известно, что хлоровирус может заразить человека, поэтому знания об инфекциях у людей ограничены. У людей, у которых было обнаружено заражение, наблюдалась задержка памяти и снижение внимания. У людей, у которых было обнаружено заражение ATCV-1, наблюдалось снижение способности к обработке зрительной информации и снижение скорости зрительной моторики. Это привело к общему снижению способности выполнять задачи, основанные на зрении и пространственном мышлении. [6]
Исследования по заражению мышей ACTV-1 были проведены после того, как было обнаружено, что хлоровирус может заражать людей. Исследования, проведенные на инфицированных мышах, показывают изменения в пути Cdk5 , который способствует обучению и формированию памяти, а также изменения в экспрессии генов в дофаминовом пути. [6] Кроме того, было обнаружено, что инфицированные мыши менее социальны и меньше взаимодействуют с недавно введенными мышами-компаньонами, чем контрольная группа. Зараженные мыши также дольше находились в освещенной части испытательной камеры, тогда как контрольные мыши предпочитали темную сторону и избегали света. Это указывает на снижение тревожности при инфекции ACTV-1. Тестовые мыши также были менее способны распознавать объект, который был перемещен с предыдущего места, что свидетельствует об уменьшении пространственной привязочной памяти. [7] Как и у людей, наблюдается снижение способности зрения к пространственным задачам. В гиппокампе (области мозга, ответственной за память и обучение) происходят изменения в экспрессии генов, а инфекция приводит к изменению путей функционирования иммунных клеток и обработки антигенов . Было высказано предположение, что это, возможно, указывает на реакцию иммунной системы на вирус ACTV-1, вызывающий воспаление , которое может быть причиной когнитивных нарушений. [6] Представленные симптомы также могут указывать на вмешательство в гиппокамп и медиальную префронтальную кору вследствие инфекции ACTV-1. [7]
Хлоровирусы, как и остальные члены семейства Phycodnaviridae, считаются частью более широкой группы микробов, называемой большими нуклеоцитоплазматическими ДНК-вирусами (NCLDV). Хотя фикоднавирусы генетически разнообразны и заражают разных хозяев, они демонстрируют высокий уровень сходства на структурном уровне друг с другом и с другими NCLDV. Филогенетический анализ основного капсидного белка внутри группы указывает на большую вероятность близкого родства, а также на предшествующее отклонение от одного общего предка, которым, как полагают, является небольшой ДНК-вирус. [24] [25] Кроме того, исследования показывают, что гигантизм генома, характерный для всех хлоровирусов, является свойством, которое развилось на ранних этапах истории NCLDV, а последующие адаптации к соответствующим хозяевам и конкретным средам обитания привели к мутациям и событиям потери генов, которые в конечном итоге сформировали все существующие в настоящее время виды хлоровирусов. [25]
Секвенирование генома и функциональный скрининг белков PBCV-1 и ATCV-1 выявили большое количество горизонтально перенесенных генов , что указывает на долгую историю совместной эволюции с одноклеточным хозяином и латерального переноса генов с другими, казалось бы, неродственными организмами. [25] Кроме того, было обнаружено, что оба вируса кодируют несколько так называемых «ферментов-прародителей», которые меньше по размеру, но менее специализированы, чем их современные аналоги. Например, было показано, что один из ферментов, манипулирующих сахаром, в PBCV-1 ( GMD-d-маннозо-4,6-дегидратаза или GMD ) опосредует катализ не только обезвоживания GDP-d-маннозы , но и восстановления сахара. молекула, полученная в первоначально предсказанном процессе. Такая двойная функциональность необычна среди существующих в настоящее время ферментов, манипулирующих сахаром, и, возможно, предполагает древнюю природу GMD PBCV-1. [26]
Исследования инфекционного цикла PBCV-1 показали, что вирус зависит от уникального процесса гликозилирования капсида, независимого от ЭР хозяина или аппарата Гольджи . Эта особенность еще не наблюдалась ни у одного другого вируса, известного в настоящее время науке, и потенциально представляет собой древний и консервативный путь, который мог развиться до эукариогенеза , который, по оценкам, произошел около 2,0–2,7 миллиарда лет назад. [26]
Недавнее открытие, касающееся присутствия последовательностей ДНК, гомологичных ATCV-1, в орофарингеальном вироме человека, а также последующие исследования, демонстрирующие успешное заражение моделей млекопитающих ATCV-1, также указывают на вероятность древней эволюционной истории хлорвирусов, которые обладают структурные особенности и используют молекулярные механизмы, которые потенциально допускают репликацию в различных животных-хозяевах. [6] [27] [28]