Monodnaviria

Название таксона происходит от др.-греч. μόνος, что означает «одиночный» (отсылка к одноцепочной ДНК), и DNA (ДНК), а также стандартного для реалмов суффикса -viria[2].

Все прототипные члены Monodnaviria, за исключением нитчатых бактериофагов из семейства Inoviridae, кодируют эндонуклеазу суперсемейства HUH. Эндонуклеазы этого семейства содержат особый мотив HUH, который состоит из двух остатков гистидина и остатка крупной гидрофобной аминокислоты, а также мотив Y, который содержит один или два остатка тирозина. У вирусов, чей геном представлен одноцепочечной ДНК (оцДНК), эндонуклеазу HUH нередко называют белком инициации репликации или сокращённо Rep, поскольку именно с внесения этим ферментом разрыва в определённый сайт в геноме запускает репликацию вирусного генома по типу катящегося кольца[2][3].

После того как вирусная оцДНК попадает в клетку хозяина, она реплицируется хозяйской ДНК-полимеразой с образованием новой формы вирусного генома — двуцепочечной ДНК (дцДНК). Эндонуклеаза HUH распознаёт короткую последовательность на 3'-конце от ориджина репликации, с которой связывается и вносит одноцепочечный разрыв в цепь ДНК положительной полярности. При этом эндонуклеаза также связывается с 5'-концом разрыва при помощи остатка тирозина, который формирует ковалентную связь с сахарофосфатным остовом ДНК с образованием фосфотирозина, который связывает фермент с вирусной ДНК[3][4][5].

3'-Конец разрыва, несущий гидроксильную группу, служит сигналом для хозяйской ДНК-полимеразы, чтобы та начала репликацию генома. Репликация происходит как удлинение свободного 3'-конца разрыва на цепи положительной полярности, а цепь отрицательной полярности выступает как матрица для репликации. По мере удлинения новосинтезированная цепь вытесняет исходную цепь положительной полярности, в которую и был внесён разрыв, вновь формируя двуцепочечную ДНК. Гидроксильная группа 3'-OH вытесненной цепи затем разрывает связь тирозина с ДНК, благодаря чему цепь положительной полярности высвобождается и замыкается в кольцо, тем самым становясь копией вирусного генома. Далее следует очередной цикл репликации, в начале которого эндонуклеаза HUH распознает сайт на двуцепочечной форме ДНК-генома вируса и вносит в неё разрыв, начиная новый раунд репликации по типу катящегося кольца[3][4][5].

Эндонуклеаза HUH может вносить второй разрыв в цепь положительной полярности, используя для этого второй остаток тирозина. В ходе репликации может образовываться конкатемер — несколько копий генома, следующих друг за другом в составе одной молекулы ДНК. После того, как положительная цепь будет полностью вытеснена от отрицательной и в неё будет внесён разрыв, OH-группа на 3'-конце может образовать связь с фосфотирозином на 5'-конце, формируя полноценную копию генома в виде оцДНК. Далее она может быть переведена в форму дцДНК, чтобы могла начаться транскрипция вирусных генов, использоваться для нового раунда репликации или быть упакованной в собранные вирусные капсиды. С одного и того же кольцевого генома процесс репликации может начинаться несколько раз, давая множество копий вирусного генома[3][4][5].

Атипичные представители Monodnaviria реплицируются не по механизму катящегося кольца. Вирусы, имеющие линейные геномы в виде оцДНК, такие как члены семейств Parvoviridae и Bidnaviridae, используют различные стратегии для репликации. Парвовирусы используют механизм катящейся шпильки (англ. rolling hairpin replication), при которой концы генома имеют петли в виде шпилек, которые в ходе репликации разворачиваются и сворачиваются заново, чтобы сменить направление синтеза ДНК. В ходе такой репликации непрерывно образуются новые копии генома в составе одного конкатемера, который потом разрезается на отдельные вирусные геномы эндонуклезой HUH[3][6]. Члены семейства Bidnaviridae вместо эндонуклеазы HUH используют собственную ДНК-полимеразу, направляемую белками. Она реплицирует геном, представленный двумя молекулами ДНК, которые упаковываются в два разных вириона. ДНК-полимераза клетки-хозяина при этом не используется[2][4][7].

Некоторые члены Monodnaviria, такие как представители семейств Polyomaviridae и Papillomaviridae, имеют кольцевые дцДНК-геномы. Такие вирусы включены в состав типа Cossaviricota и используют двунаправленную репликацию ДНК с образованием тета-структур. В этом случае репликация ДНК начинается с раскручивания дцДНК в ориджине репликации на две разные цепи. Далее происходит сборка двух репликативных вилок и их продвижение в противоположных направлениях. Репликация завершается, когда две вилки встречаются в сайте, противолежащем ориджину репликации[8].

Помимо описанного пути репликации, представителей Monodnaviria с оцДНК-геномами сближают и некоторые другие черты. Их капсиды, как правило, имеют икосаэдрическую форму и состоят из одного типа белка (исключение составляют парвовирусы, капсиды которых состоят из нескольких типов белков). У всех вирусов с оцДНК-геномами, структура капсидных белков была проанализирована с высоким разрешением, белки капсида содержат один мотив jelly roll[2][4].

У подавляющего большинства вирусов с оцДНК-геномами геномы представлены цепями ДНК положительной полярности. Единственное исключение составляют вирусы семейства Anelloviridae, которые пока не отнесены к какому-либо реалму и имеют оцДНК-геномы отрицательной полярности. В любом случае, для начала транскрипции вирусных генов необходимо, чтобы вирусные геномы были переведены в форму дцДНК[2][4][5][9]. Наконец, все вирусы с оцДНК-геномами характеризуются относительно высокой частотой генетической рекомбинации и точечных мутаций, приводящих к аминокислотным заменам. Рекомбинация оцДНК-геномов может происходить между близкородственными вирусами, когда один и тот же ген реплицируется и транскрибируется в одно и то же время. Это обстоятельство может приводить к тому, что ДНК-полимеразы клетки-хозяина переключаются на репликацию цепей с отрицательной полярностью, что приводит к рекомбинации. Как правило, рекомбинации затрагивают цепи отрицательной полярности и происходят вне генов или на их периферии, а не в самих генах[4].

Высокая частота точечных мутаций у вирусов с оцДНК-геномами необычна, поскольку их удвоением занимаются ДНК-полимеразы клетки-хозяина, имеющие специальные механизмы корректировки ошибок репликации. Точечные мутации могут происходить из-за того, что вирусная ДНК окисляется внутри капсида. Высокая частота мутаций и рекомбинаций свидетельствует, что оцДНК-вирусы могут стать опасными патогенами[4].

Сравнительный анализ геномов и филогенетический анализ последовательностей эндонуклеаз HUH, хеликаз суперсемейства 3, а также капсидных белков представителей Monodnaviria показал, что они являются полифилетической группой и возникали в ходе эволюции независимо несколько раз. Эндонуклеазы HUH CRESS-ДНК-вирусов наиболее близки к тем, что закодированы в маленьких плазмидах бактерий и архей, которые реплицируются по механизму катящегося кольца, и происходили от этих предковых ферментов по меньшей мере три раза. Эндонуклеазы HUH CRESS-ДНК-вирусов, инфицирующих прокариот, вероятно, произошли от эндонуклеаз, кодируемых плазмидами и лишенных домена S3H, в то время как у CRESS-ДНК-вирусов, заражающих эукариот, эти ферменты произошли от эндонуклеаз с S3H-доменами[2][7].

Капсидные белки CRESS-ДНК-вирусов, инфицирующих эукариот, наиболее близки к тем, что кодируют различные вирусы растений и животных, геном которых представлен одноцепочечной РНК (оцРНК) положительной полярности. Эти вирусы входят в состав реалма Riboviria. По этой причине эукариотические CRESS-ДНК-вирусы, вероятно, возникали несколько раз в результате рекомбинации между ДНК-плазмидами архей и бактерий и комплементарными копиями РНК-вирусов положительной полярности. Таким образом, CRESS-ДНК-вирусы можно рассматривать как пример конвергентной эволюции: организмы, неродственные друг другу, независимо приобрели схожие черты[2].

Входящие в состав Monodnaviria вирусы с линейными оцДНК-геномами, в особенности, парвовирусы, вероятно, произошли от CRESS-ДНК-вирусов в результате утраты механизмов, позволяющих замкнуть линейный геном в кольцо. Представители Monodnaviria с дцДНК-геномами, возможно, произошли от парвовирусов в результате инактивации эндонуклеазного домена у Rep. Домен HUH в результате стал просто ДНК-связывающим доменом, а механизм репликации этих вирусов сменился с механизма катящегося кольца на двунаправленную репликацию. Капсидные белки этих дцДНК-вирусов сильно отличаются друг от друга, поэтому остаётся неясным, произошли ли они от капсидных белков парвовирусов или от других источников[2]. Члены семейства Bidnaviridae, геномы которых представлены линейной оцДНК, скорее всего, произошли в результате интеграции генома парвовируса в состав полинтона, при этом эндонуклеаза HUH была заменена на ДНК-полимеразу полинтона[7][10].

На март 2020 года к реалму Monodnaviria относят следующие таксоны до класса включительно[11]:

В состав Monodnaviria входит подавляющее большинство вирусов с оцДНК-геномами, которые относятся к группе II в классификации вирусов по Балтимору. Из 16 семейств вирусов с геномами в виде оцДНК к Monodnaviria не относятся только семейства Anelloviridae, Finnlakeviridae (предполагаемый член реалма Varidnaviria) и Spiraviridae. Представители Monodnaviria с дцДНК-геномами относятся к группе I в классификации Балтимора[2][4][11]. Семейство Anelloviridae, возможно, все же относится к Monodnaviria, так как они морфологически близки к вирусам семейства Circoviridae. Было высказано предположение, что Anelloviridae относятся к CRESS-ДНК-вирусам с геномами отрицательной полярности, хотя обычно они имеют геномы положительной полярности[12].

CRESS-ДНК-вирусы, инфицирующие эукариот, являются возбудителями многих болезней. Семейства вирусов растений Geminiviridae и Nanoviridae содержат возбудителей заболеваний хозяйственно важных растений и наносят существенный урон растениеводству. Вирусы семейства Circoviridae, поражающие животных, вызывают респираторные и кишечные инфекции, а также болезни репродуктивной системы. Вирусы семейства Bacilladnaviruses поражают преимущественно диатомовые водоросли и играют существенную роль в регуляции цветения водоёмов[4]. Атипичные члены реалма также вызывают ряд болезней. Парвовирусы вызывают смертельную инфекцию у собак и пятую болезнь у человека[13]. Папилломавирусы и полиомавирусы вызывают различные виды рака и другие заболевания. В частности, полиомавирусы вызывают карциному клеток Меркеля, а папилломавирусы вызывают рак репродуктивных органов и приводят к появлению бородавок[14][15].

Эндонуклеазы HUH, или белки Rep, не имеют гомологов у клеточных организмов, поэтому по их наличию в клеточных геномах можно судить о факте встраивания (эндогенизации) вируса из реалма Monodnaviria в геном хозяина. Таким образом, геномы представителей Monodnaviria могут выступать как инструменты горизонтального переноса генов. Чаще всего признаки эндогенизации выявляются у растений, однако они также были найдены в геномах животных, грибов и протистов. Эндогенизация могла происходить с помощью интегразы и транспозазы или же аппарата рекомбинации клетки-хозяина. Некоторые Monodnaviria интегрировались в геномы своих хозяев довольно давно. Так, некоторые члены семейств Circoviridae и Parvoviridae интегрировались в геномы своих хозяев по меньшей мере 40—50 миллионов лет назад[4].

Первые упоминания о вирусе, входящего в реалм Monodnaviria, относятся к 752 году, когда японская Императрица Кокэн написала стихотворение, в котором описала заболевание посконника (Eupatorium), сопровождающееся пожелтением или исчезновением жилок в листьях и, вероятно, вызванное вирусом семейства Geminiviridae. Много веков спустя, в 1888 году, в Австралии была отмечена вспышка инфекции птиц, вызванной вирусом рода Circovirus и проявляющейся в утрате оперения. Первым охарактеризованным вирусом из группы CRESS-ДНК, поражающий животных, стал цирковирус свиней, который был описан в 1974 году. В 1977 году был детально охарактеризован геном вируса золотой мозаики бобовых (англ. Bean golden mosaic virus). С начала 1970-х годов было описано множество семейств представителей Monodnaviria, первым из которых стало семейство Parvoviridae[2][4][11].

В последние годы благодаря метагеномному анализу морских отложений и фекалиев стало понятно, что вирусы с геномами в виде оцДНК очень широко распространены в природе. В 2015—2017 годах были установлены родственные связи между вирусами группы CRESS-ДНК[4], и в 2019 году было предложено выделение реалма Monodnaviria, в который вошли CRESS-ДНК-вирусы и произошедшие от них группы вирусов. Несмотря на полифилетическое происхождение, представители реалма имеют множество общих признаков[2].

Комментарии

Источники