Monodnaviria

Monodnaviria
Вирионы парвовируса в крови
Вирионы парвовируса в крови
Научная классификация
Группа:
Вирусы[1]
Реалм:
Monodnaviria
Международное научное название
Monodnaviria

Monodnaviria (лат.) — реалм[Ком. 1] ДНК-содержащих вирусов. Геном большинства членов реалма представлен кольцевой[англ.] одноцепочечной ДНК, которая реплицируется по типу катящегося кольца, причём инициация репликации обеспечивается эндонуклеазой из суперсемейства HUH, закодированной в геномах Monodnaviria. В состав реалма также включаются вирусы, произошедшие от «типичных» Monodnaviria и имеющих либо линейный геном, представленный одноцепочечной ДНК, либо геном в виде кольцевой двуцепочечной ДНК.

Реалм Monodnaviria был выделен в 2019 году и содержит четыре царства: Loebvirae[англ.], Sangervirae[англ.], Trapavirae[англ.] и Shotokuvirae. Представители трёх первых царств поражают прокариот, а представители царства Shotokuvirae, в состав которого входят и атипичные Monodnaviria, инфицируют эукариот. В ходе эволюции представители Monodnaviria, вероятно, возникали неоднократно и независимо от линейных плазмид бактерий и архей, которые кодируют эндонуклеазу HUH. Члены реалма, поражающие эукариот, по-видимому, также возникали несколько раз в ходе рекомбинации, которая приводила к слиянию вышеупомянутых плазмид с фрагментами ДНК, кодирующими белки капсида ряда РНК-содержащих вирусов. Большинство вирусов, имеющих одноцепочечную геномную ДНК, входят в состав реалма Monodnaviria.

Прототипные члены реалма часто обозначаются как CRESS-ДНК-вирусы. CRESS-ДНК-вирусы вызывают широкий спектр заболеваний, включая инфекции хозяйственно значимых культур растений, кроме того, они могут вызывать заболевания и у животных. К атипичным представителям реалма относятся, в числе прочих, папилломавирусы и полиомавирусы, которые могут вызывать разные виды рака. Многие представители Monodnaviria способны встраиваться в геномы своих хозяев, кроме того, среди Monodnaviria есть и вирусы, характеризующиеся высокой частотой мутаций и рекомбинаций.

Этимология названия

[править | править код]

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].

Описание

[править | править код]

Все прототипные члены Monodnaviria, за исключением нитчатых бактериофагов из семейства Inoviridae[англ.], 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[англ.] в цепь ДНК положительной полярности[англ.]. При этом эндонуклеаза также связывается с 5'-концом разрыва при помощи остатка тирозина, который формирует ковалентную связь с сахарофосфатным[англ.] 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[англ.] — 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[англ.], используют различные стратегии для репликации. Парвовирусы используют механизм катящейся шпильки[англ.] (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[англ.] и используют двунаправленную репликацию ДНК с образованием тета-структур[англ.]. 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[англ.] внутри капсида. Высокая частота мутаций и рекомбинаций свидетельствует, что оцДНК-вирусы могут стать опасными патогенами[4].

Филогенетика

[править | править код]

Сравнительный анализ геномов и филогенетический анализ последовательностей[англ.] 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[англ.], 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[англ.], 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].

Классификация

[править | править код]

По состоянию на 2020 год 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[англ.]*. 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[англ.]. Было высказано предположение, что Anelloviridae относятся к CRESS-ДНК-вирусам с геномами отрицательной полярности, хотя обычно они имеют геномы положительной полярности[12].

Взаимодействие с хозяином

[править | править код]

CRESS-ДНК-вирусы, инфицирующие эукариот, являются возбудителями многих болезней. Семейства вирусов растений Geminiviridae[англ.] и Nanoviridae[англ.] 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[англ.] и пятую болезнь[англ.] у человека[13]. Папилломавирусы и полиомавирусы вызывают различные виды рака и другие заболевания. В частности, полиомавирусы вызывают карциному клеток Меркеля[англ.], 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].

История изучения

[править | править код]

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[англ.] и проявляющейся в утрате оперения. Первым охарактеризованным вирусом из группы CRESS-ДНК, поражающий животных, стал цирковирус свиней[англ.], 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].

Примечания

[править | править код]

Комментарии

  1. ↑ На данный момент устоявшегося русскоязычного термина, соответствующего англ. realm в таксономии, нет.

Источники

  1. ↑ Таксономия вирусов (англ.) на сайте Международного комитета по таксономии вирусов (ICTV).
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Koonin EV, Dolja VV, Krupovic M, Varsani A, Wolf YI, Yutin N, Zerbini M, Kuhn JH. Create a megataxonomic framework, filling all principal taxonomic ranks, for ssDNA viruses (англ.) (docx). International Committee on Taxonomy of Viruses (18 октября 2019). Дата обращения: 27 мая 2020. Архивировано 4 января 2022 года.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 Chandler M., de la Cruz F., Dyda F., Hickman A. B., Moncalian G., Ton-Hoang B. Breaking and joining single-stranded DNA: the HUH endonuclease superfamily. (англ.) // Nature Reviews. Microbiology. — 2013. — August (vol. 11, no. 8). — P. 525—538. — doi:10.1038/nrmicro3067. — PMID 23832240. [исправить]
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Malathi V. G., Renuka Devi P. ssDNA viruses: key players in global virome. (англ.) // Virusdisease. — 2019. — March (vol. 30, no. 1). — P. 3—12. — doi:10.1007/s13337-019-00519-4. — PMID 31143827. [исправить]
  5. ↑ 1 2 3 4 ssDNA Rolling circle. ViralZone. Swiss Institute of Bioinformatics. Дата обращения: 27 мая 2020. Архивировано 29 декабря 2021 года.
  6. ↑ Kerr J, Cotmore S, Bloom ME. Parvoviruses. — CRC Press, 2005-11-25. — P. 171–185. — ISBN 9781444114782.
  7. ↑ 1 2 3 Kazlauskas D., Varsani A., Koonin E. V., Krupovic M. Multiple origins of prokaryotic and eukaryotic single-stranded DNA viruses from bacterial and archaeal plasmids. (англ.) // Nature Communications. — 2019. — 31 July (vol. 10, no. 1). — P. 3425—3425. — doi:10.1038/s41467-019-11433-0. — PMID 31366885. [исправить]
  8. ↑ dsDNA bidirectional replication. ViralZone. Swiss Institute of Bioinformatics. Дата обращения: 27 мая 2020. Архивировано 15 января 2022 года.
  9. ↑ Viral replication/transcription/translation. ViralZone. Swiss Institute of Bioinformatics. Дата обращения: 15 июня 2020. Архивировано 24 января 2022 года.
  10. ↑ Krupovic M., Koonin E. V. Evolution of eukaryotic single-stranded DNA viruses of the Bidnaviridae family from genes of four other groups of widely different viruses. (англ.) // Scientific Reports. — 2014. — 18 June (vol. 4). — P. 5347—5347. — doi:10.1038/srep05347. — PMID 24939392. [исправить]
  11. ↑ 1 2 3 Таксономия вирусов (англ.) на сайте Международного комитета по таксономии вирусов (ICTV). (Дата обращения: 27 апреля 2020).
  12. ↑ Zhao L., Rosario K., Breitbart M., Duffy S. Eukaryotic Circular Rep-Encoding Single-Stranded DNA (CRESS DNA) Viruses: Ubiquitous Viruses With Small Genomes and a Diverse Host Range. (англ.) // Advances In Virus Research. — 2019. — Vol. 103. — P. 71—133. — doi:10.1016/bs.aivir.2018.10.001. — PMID 30635078. [исправить]
  13. ↑ Parvoviridae. ViralZone. Swiss Institute of Bioinformatics. Дата обращения: 27 мая 2020. Архивировано 20 февраля 2022 года.
  14. ↑ Polyomaviridae. ViralZone. Swiss Institute of Bioinformatics. Дата обращения: 27 мая 2020. Архивировано 20 февраля 2022 года.
  15. ↑ Papillomaviridae. ViralZone. Swiss Institute of Bioinformatics. Дата обращения: 27 мая 2020. Архивировано 20 февраля 2022 года.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Monodnaviria&oldid=138753110