Гены вирусов помогают полярным водорослям выживать в ледяной воде и под солнцем

Фото из открытых источников

Группа исследователей обнаружила, что крошечные водоросли, обитающие в суровых условиях полярных океанов мира, возможно, обязаны своим выживанием сотням генов, заимствованных у так называемых гигантских вирусов. Этот вирусный вклад составляет примерно 5% от всего генома водорослей, что является самым большим показателем для любого вида, пораженного гигантскими вирусами, сообщает сегодня в журнале Current Biology. Более того, группа обнаружила, что гены, заимствованные у вирусов, позволяют этим одноклеточным фотосинтезирующим организмам выживать при низких температурах, палящем ультрафиолетовом (УФ) излучении и колебаниях солености.

«Количество ДНК, полученной от вируса, описанное здесь, поразительно, и уже одно это делает статью очень примечательной», — говорит Жонатас Сантос Абрахао, вирусолог из Федерального университета Минас-Жерайс, не принимавший участия в исследовании. «Это исследование действительно подтверждает точку зрения о том, что гигантские вирусы могут оставлять глубокий и долговременный след».

Необычно крупные и сложные по структуре, часто обладающие необычными щупальцами, гигантские вирусы были впервые обнаружены в 2003 году. Чаще всего они поражают водоросли или амебы, но могут проникать и в более сложные многоклеточные организмы и встречаются по всему миру, в том числе в морских, водных и наземных местообитаниях. С момента своего открытия гигантские вирусы опровергли многие традиционные представления о том, как действуют вирусы. У них «липкие пальцы», поскольку они часто захватывают и ассимилируют фрагменты чужеродной ДНК из клеток-хозяев или бактерий, и в то же время они с такой же вероятностью оставляют генетический материал после заражения.

Мохаммад Монируззаман, вирусолог из Университета Майами и соавтор новой работы, отмечает, что до одной трети геномов одноклеточных организмов, исследованных его командой, содержат некоторое количество встроенной ДНК гигантских вирусов. Это, по его словам, говорит о том, что взаимодействие между вирусами и их хозяевами «вероятно, чрезвычайно распространено и довольно сложно».

Однако об экологических связях между гигантскими вирусами и водорослями в экстремальных условиях известно немного, поэтому Монируззаман и его команда искали доказательства в образцах, собранных другими исследователями во время экспедиций на полюса планеты. Исследователи проанализировали геномы девяти видов полярных водорослей, зарегистрированных в онлайн-базах данных, и обнаружили многочисленные свидетельства интеграции гигантских вирусов во все эти виды.

Геном одной группы — одноклеточных зеленых водорослей Chlamydomonas sp., обитающих во льду Арктики и Антарктики, — содержал особенно высокий уровень вирусной ДНК, включая более 400 гигантских вирусных участков, которые в совокупности кодируют более 25 000 генов. Среди наиболее значимых генов, переданных Chlamydomonas, были гены, связанные с репликацией вирусов, стрессовыми реакциями и производством белков, связывающих лед, которые помогают водорослям не замерзать в воде с температурой 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 оказалось неожиданным, говорит Монируззаман, поскольку хозяева обычно пытаются вырезать или иным образом подавить последовательности ДНК вторгающихся патогенов. Но многие из генов гигантских вирусов, выявленные в ходе анализа генома, активно транскрибировались и, по-видимому, скоординированно реагировали на изменения температуры, солености и воздействия УФ-излучения, как обнаружила группа исследователей после анализа набора данных, собранных другими исследователями, которые подвергали водоросли воздействию изменяющихся условий в лаборатории. Например, при воздействии высокого уровня УФ-излучения водоросли увеличивали экспрессию белка, который гигантские вирусы обычно используют для репликации своей ДНК — потенциально для того, чтобы каким-то образом усилить собственные процессы восстановления хозяина, которые запускаются стрессом.

Команда также обнаружила, что ДНК, полученная из вируса, содержала множество транспозабельных элементов — фрагментов генома, которые могут дублироваться или перемещаться, внося новые генетические вариации. По словам Монируззамана, такие изменения могут «ускорить» эволюцию в условиях стресса окружающей среды, позволяя организмам быстрее адаптироваться к меняющимся условиям.

«Это исследование подчеркивает, что интеграция вирусов — это не просто пережиток прошлых инфекций, а активный, непрерывный диалог между вирусами и их хозяевами, формирующий геномную эволюцию в реальном времени», — говорит Шанталь Абергель, вирусолог из CNRS, французского национального исследовательского агентства, которая не принимала участия в этой работе.

Монируззаман хотел бы глубже изучить вопрос о том, почему именно водоросли могут стремиться активировать вирусные гены и приобретают ли последовательности ДНК новую функцию после интеграции в организм хозяина. «Мне нравится изучать то, что вызывает у меня наибольшее любопытство, и здесь было много поводов для интереса», — говорит он.