Марнавирусы | |
---|---|
Изображение марнавируса с низким разрешением под электронным микроскопом | |
Классификация вирусов | |
(без рейтинга): | Вирус |
Область : | Рибовирус |
Королевство: | Орторнавирусы |
Тип: | Писувирикота |
Сорт: | Пизонивирицеты |
Заказ: | Пикорнавирусы |
Семья: | Марнавирусы |
Роды [1] | |
|
Marnaviridae — это семейство вирусов с положительной цепью РНК в порядке Picornavirales , которые заражают различных фотосинтезирующих морских простейших. [2] Члены семейства имеют безоболочечные икосаэдрические капсиды. Репликация происходит в цитоплазме и вызывает лизис клетки-хозяина. Первым видом этого семейства, который был изолирован, является РНК-вирус Heterosigma akashiwo (HaRNAV) из рода Marnavirus , [3] который заражает токсичную водоросль Raphidophyte , образующую цветение, Heterosigma akashiwo . [4] По состоянию на 2021 год в этом семействе насчитывается двадцать видов из семи родов, а также множество других связанных вирусных последовательностей, обнаруженных с помощью метагеномного секвенирования, которые в настоящее время неклассифицированы. [5]
Взаимодействие между членами семейства Marnaviridae и их хозяевами имеет важное значение в морской экологии, а также актуально в аквакультурной отрасли. Известно, что HaRNAV и вирусы Bacillarnavirus играют роль в регулировании динамики и состава цветения своих хозяев. [6] [7] Неклассифицированная последовательность, Baishivirus, была предложена в качестве возможного патогена постличиночной болезни стекла, которая распространена в аквакультуре креветок. [8] Вирусы, обнаруженные у культивируемых видов креветок, которые были поражены болезнью задержки роста, также были отнесены к Marnaviridae. [9]
Название « marnaviridae » основано на типе его генома (РНК-вирус - rnaviridae ), а префикс «ma» происходит от латинского слова mare (море). [10]
Семейство было предложено после открытия РНК-вируса (HaRNAV), который заражает H. akashiwo у побережья Британской Колумбии , что стало первым сообщением о вирусе с одноцепочечной РНК, способном вызывать лизис клеток в фитопланктоне. [6]
HaRNAV был выделен из воды, собранной в проливе Джорджия в Британской Колумбии , Канада, из концентрированной вирусной сборки с использованием хозяина H. akashiwo (NEPCC 522). [6] Его не следует путать с двумя другими неродственными вирусами, которые заражают этого хозяина, вирусом H. akashiwo 01 (HaV-1, изолят: HaV53) из рода Raphidovirus и вирусом ядерного включения Heterosigma akashiwo (HaNIV). [11]
Marnaviridae существовали в течение нескольких лет с Marnavirus как единственным родом и HaRNAV как единственным видом. После использования метагеномного анализа аминокислотных последовательностей капсидных белков и доменов RdRp вирусов порядка Picornavirales было обнаружено , что Marnaviridae имеет большее разнообразие вирусов, классифицированных под ним. Ранее не назначенные Labyrnavirus и Bacillarnavirus также были классифицированы как роды под Marnaviridae . [10]
Дальнейшие метагеномные исследования выявили 653 последовательности, подобные марнавирусу [12], что побудило к предложению о таксономической реорганизации для включения новых данных в существующие структуры. [13]
Выделяют следующие роды: [14]
Хотя Marnaviridae имеет несколько характеристик, которые схожи с характеристиками других вирусов в более широком порядке Picornavirales , члены Marnaviridae размещаются с помощью анализа последовательности аминокислот RdRp. [5] Семь родов Marnaviridae обозначены на основе анализа последовательностей РНК-зависимой РНК-полимеразы (RdRp) и последовательностей аминокислот капсида, [10] виды перечислены под каждым родом. [5]
Виды Bacillarnavirus разделяют 57,8–64,4% RdRp и 29,1–33,4% последовательностей аминокислот капсида, если сравнивать их друг с другом в пределах Bacillarnavirus. При сравнении с другими родами семейства, они разделяют 23,8–47,8% RdRp и 18,3–29,4% последовательностей капсида. [ 10]
У кусарнавируса 25,4–48,2% последовательностей RdRp и 21,7–47,9% последовательностей капсида совпадают с последовательностями других родов этого семейства.
Labyrnavirus разделяет 22,4-33,6% идентичностей RdRp и 17,1-22,5% последовательностей капсида. Это глубоко ветвящийся таксон. [10]
Виды Locarnavirus разделяют 52,4–59,1% идентичностей RdRp и 32,2–38,3% последовательностей капсида, если сравнивать их друг с другом в пределах Locarnavirus . При сравнении с другими родами семейства, они разделяют 24,0–48,2% последовательностей RdRp и 17,2–27,4% последовательностей капсида .
Марнавирус разделяет 22,4-30,3% аминокислотной последовательности RdRp и 18,5-26,4% капсидных последовательностей. Это наиболее дивергентный и глубоко разветвленный таксон в пределах семейства. [10]
Виды Salisharnavirus разделяют 35,6–63,6% последовательностей RdRp и 24,9–34,4% последовательностей капсида, если сравнивать их друг с другом в пределах Salisharnavirus . При сравнении с другими родами семейства, они разделяют 24,3–47,2% последовательностей RdRp и 18,2–31,5% последовательностей капсида.
Виды Sogarnavirus разделяют 48,8–77,0% последовательностей RdRp и 27,6–59,0% последовательностей капсида, если сравнивать их друг с другом в пределах Sogarnavirus . При сравнении с другими родами семейства, они разделяют 24,3–47,2% последовательностей RdRp и 17,1–47,9% последовательностей капсида.
Кроме того, есть 653 вирусных последовательности, которые были идентифицированы (с помощью метагеномного анализа) как возможно принадлежащие к семейству Marnaviridae . Однако эти последовательности не отнесены ни к одному из существующих родов. [12]
Вирионы у Marnaviridae не имеют оболочки, имеют икосаэдрическую геометрию и симметрию T=pseudo3. Вирусные частицы имеют диаметр 22-35 нм. Капсид состоит из трех основных капсидных белков (MCP: VP1, VP2, VP3), каждый из которых имеет складку Jelly roll . Большинство видов также кодируют второстепенный капсидный белок (mCP: VP4). Все VP состоят из β-слоев и α-спиралей, которые расположены вокруг пятикратных осей на внутренней стороне капсида. [16]
Определены структуры вируса РНК Chaetoceros socialis forma radians 1 (CsfrRNAV01, Bacillarnavirus ) и вируса РНК Chaetoceros tenuissimus типа II (CtenRNAVII, Sogarnavirus ). У обоих видов VP1 окружает пятикратные оси, в то время как VP2 и VP3 образуют двух- и трехкратные оси. Складки желеобразного рулета на MCP являются неканоническими, при этом VP1 имеет девять β-нитей, а VP2 и VP3 — семь. VP1 также содержит уникальную петлю EF, соединенную с дополнительной β-нитью в складке желеобразного рулета, которая выступает с поверхности вирусной частицы. На VP1 также присутствует петля CD, которая скрывает структуру каньона, связывающую рецепторы хозяина в родственном семействе Picornaviridae . [16] В отличие от других видов, VP4 не присутствует в капсиде CsfrRNAV01, хотя соответствующий ген все еще существует. [17]
Геномы Marnaviridae состоят из линейной, несегментированной, положительно-полярной одноцепочечной РНК длиной 8,6-9,6 кб. [15] Геномная РНК обычно содержит одну или две открытые рамки считывания (ORF), которые могут перекрываться. Для видов, геномы которых имеют две ORF, ORF1 кодирует белки, участвующие в репликации (РНК-хеликаза, RdRp) и цистеиновую протеазу, которая расщепляет полипротеин, в то время как ORF2 кодирует структурные белки. [18] Геномы также содержат внутренние сайты входа рибосомы (IRES) в межгенных областях и на 5'-конце. 3'-конец генома содержит поли(А)-хвост. [5]
Одним из исключений из типичной организации генома Marnaviridae является вирус Aurantiochytrium single-strand RNA 01 (AuRNAV01), имеющий третью ORF, которая кодирует белок с неизвестной функцией. [19] Считается, что в AuRNAV01 ORF 2 и 3 транслируются с субгеномной РНК, а не с использованием IRES.
Различные виды морского фитопланктона служат хозяевами для членов семейства Marnaviridae. Проникновение вируса достигается путем проникновения в клетку-хозяина. Предполагается, что петли EF, CD и E 1 E 2 взаимодействуют с рецепторами хозяина, запуская проникновение вируса. [17]
Репликация происходит в цитоплазме и зависит от вирусного RdRp. [14] Геном РНК с положительным смыслом напрямую транслируется для производства вирусных белков. [14] После латентного периода между 8–48 часами клетки-хозяева, как правило, испытывают цитопатические симптомы, такие как отек эндоплазматического ретикулума, образование вакуолей, появление волокнистого вещества в вакуолизированных частях клетки и ухудшение цитоплазмы. [14] Вирусные частицы накапливаются в цитоплазме и могут образовывать кристаллические массивы или случайные агрегаты. [18] Затем вирус покидает клетку-хозяина с помощью вирусного движения, направляемого канальцами, и вирионы высвобождаются путем лизиса клеток. [15] Размеры всплесков сильно различаются между видами и составляют от 66 до 10 6 . [14] Поскольку инфицированные клетки лизируются вскоре после проявления признаков инфекции, доля инфицированных клеток в окружающей среде остается низкой. [20]
HaRNAV — первый идентифицированный вирус в семействе Marnaviridae . [4] Когда вирус заражает H. akashiwo , токсичную водоросль, образующую цветение, он реплицируется внутри цитоплазмы своего хозяина и распространяется либо поодиночке, либо группами в виде кристаллических массивов. Внутри тех, которые выровнены в кристаллических массивах, секционированные частицы показывают, что они либо упакованы полностью (электронно-плотные), либо не полностью (кольцевые). После заражения клетки-хозяева проявляют такие симптомы, как отек эндоплазматического ретикулума, распад и вакуолизация цитоплазмы, а также волокнистый материал, появляющийся в этих вакуолизированных областях.
Известно, что HaRNAV способен инфицировать несколько штаммов H. akashiwo в Тихом океане, а именно 3 штамма (NEPCC 102, NEPCC 522, NEPCC 764) из северо-восточного региона Тихого океана и 2 штамма (H93616, H94608) из Японии. Отмечено, что HaRNAV инфицирует разные штаммы H. akashiwo , чем другие вирусы H. akashiwo , что предполагает сосуществование, при этом каждый вирус имеет немного отличающийся диапазон хозяев. Клетки H. akashiwo также демонстрируют большую вирусную устойчивость после того, как его цветение прекращается, что предполагает, что штаммы H. akashiwo могут меняться в ходе цветения водорослей, которое регулируется вирусами. [6]
CtenRNAV01 заражает цветущий диатомовый водоросль Chaetoceros tenussimus Meunier. Впервые он был выделен из штамма 2-10, но способен заражать другие штаммы того же вида. Клетки-хозяева в стационарной фазе более восприимчивы к вирусу, чем клетки в логарифмической фазе. [18] На восприимчивость хозяина также влияет температура, при этом различные штаммы более восприимчивы при температуре выше 20 °C. Однако штамм 2–10 более восприимчив при температуре ниже 20 °C, что не является оптимальным для роста хозяина. [21] Также было показано, что ограничение железа снижает уровень вирусной инфекции. [22] Инфекция в стационарной фазе и вызванный вирусом лизис клеток-хозяев также нарушаются бактериями родов Nautella, Polaribacter и Sulitobacter , которые сосуществуют с диатомовыми водорослями-хозяевами в морской среде. [23] Считается, что это механизм, позволяющий восприимчивым видам диатомовых водорослей выживать при вирусных инфекциях.
Диатомовая водоросль C. socialis является естественным хозяином CsfrRNAV01. Заражение вирусом вызывает образование спор в клетках-хозяевах, и образовавшиеся споры прорастают дольше, чем споры, вызванные ограничением питательных веществ хозяина. Хотя вирусная РНК присутствует в этих спорах, те, которые прорастают, не способны производить инфекционные вирусные частицы. [24]
Как и CtenRNAV01, CtenRNAVII был впервые выделен из штамма 2–10 C. tenussimus Meunier, однако он также способен инфицировать по меньшей мере 4 других вида Chaetoceros . [25] Это единственный вид Marnaviridae, идентифицированный на сегодняшний день, который продемонстрировал такой широкий спектр хозяев.
Учитывая природу метавиромного анализа, трудно определить точный диапазон хозяев этих вирусов. Однако, поскольку виды относятся к Marnaviridae , а также сравнивая генетические коды в других группах вирусов в скоплении Яншань, был сделан вывод, что эти вирусы, вероятно, заражают одноклеточные эукариоты. [12]
В ходе исследования, направленного на изучение разнообразия РНК-вирусов, инфицирующих виды в пределах типа Echinodermata , были проанализированы транскриптомы и вирусные метагеномы 38 видов иглокожих, с представлением видов из всех пяти классов иглокожих, и классифицированы по соответствующим семействам и родам. В результате этого анализа было обнаружено, что из восстановленных вирусных контигов более половины были классифицированы в пределах вирусного порядка Picornavirales , при этом наибольшее количество пикорнавирусов было помещено в семейство Marnaviridae . [26] Это открытие предполагает, что простейшие, такие как симбионты, которые связаны с иглокожими, инфицируются Marnaviridae, или что члены этого вирусного семейства способны инфицировать более широкий круг хозяев, чем одноклеточные эукариоты, которых они изначально, как было известно, инфицировали.
Marnaviridae используют узкий круг хозяев, поскольку они лизируют свои виды хозяев, что, как полагают, связано с механизмом связывания рецепторов, уникальным для этого семейства. [17] В тестах с участием вида вируса РНК Chaetoceros socialis forma radians (CsfrRNAV) полные и пустые капсиды анализировались по их атомной структуре, в результате чего были выявлены общие и разнообразные структурные особенности поверхности белка VP1 между различными видами вирусов в составе Marnaviridae. [17]
В отличие от вирусов подсемейства Picornaviridae , Marnaviridae имеют дополнительную EF-петлю, что подразумевает использование уникального механизма связывания рецепторов. Возможный сайт связывания для водорослевых хозяев был также обнаружен в петлях E 1 E 2 и/или CD, которые могут играть решающую роль в его уникальном механизме связывания рецепторов. [17]
В структурном анализе крио-ЭМ карт капсида и атомных моделей PyMOL 1.4 использовался для получения среднеквадратичного отклонения (RMSD) на остаток, что дало значение структурного разнообразия. Анализ структурных белков VP1, VP2 и VP3 показал, что VP1 отвечает за специфичность вируса к хозяину, и был основан на разнообразии белка VP1. [17]
При рассмотрении структурной филогении Marnaviridae на основе VP1 локальное структурное разнообразие, которое отражается, может быть использовано для лучшего прогнозирования целевых водорослевых хозяев различных вирусов Marnaviridae . [17]
Хотя HaRNAV был первоначально выделен из вод Британской Колумбии, было обнаружено, что HaRNAV также способен инфицировать штаммы H. akashiwo , происходящие из Японии, что позволяет предположить, что члены семейства Marnaviridae могут иметь широкое распространение по всему Тихому океану. [27] Поскольку вирусы семейства Marnaviridae были идентифицированы у креветок и видов аквакультуры креветок в китайских водах, это еще раз подтверждает, что Marnaviridae широко распространены по всему Тихому океану от Северной Америки до Азии. [8] [9] Кроме того, секвенирование РНК-виромов, происходящих из озера Лимнополяр в Антарктике, выявило четыре вируса, подобных Antarctia picorna (APLV), один из которых, как было обнаружено, кластеризуется с семейством Marnaviridae , тем самым еще больше расширяя потенциальное распространение семейства на юг в холодную пресноводную среду в Антарктиде. [28]
Сложная связь между HaRNAV и другими вирусами, способными инфицировать H. akashiwo , важна с точки зрения понимания того, какую роль вирусы играют в динамике цветения H. akashiwo . [6] При сравнении с вирусом ядерного включения Heterosigma akashiwo (HaNIV) показано, что хотя оба вируса инфицируют штаммы-хозяева из северо-восточной части Тихого океана (при этом HaRNAV также способен инфицировать штаммы-хозяева из Японии), каждый из них нацелен на разные подмножества штаммов-хозяев. Разница в диапазоне хозяев между двумя вирусами предполагает, что они, вероятно, сосуществовали в локальной среде, каждый из которых инфицировал своих конкретных хозяев, поэтому можно сделать вывод о составе штаммов популяции H. akashiwo в период цветения. [6] Исследования показали, что восприимчивость H. akashiwo к вирусам имеет тенденцию меняться в ходе цветения, при этом клетки становятся гораздо более устойчивыми к вирусной инфекции после того, как цветение прекращается. Это говорит о том, что вирусы могли играть важную роль в регуляции цветения H. akashiwo . [29] Аналогичным образом, исследование, проведенное по составу вирусной группы HaRNAV, показало, что разнообразие HaRNAV коррелирует с составом его хозяина, поэтому также предполагает, что HaRNAV влияет на состав H. akashiwo. [30]
С точки зрения экологического воздействия и видового разнообразия в океане род Chaetoceros считается основной таксономической группой, играющей важную роль в качестве первичных производителей в периоды цветения. Было показано, что вирусы под названием Bacillarnavirus нацелены на Chaetoceros в естественной среде, при этом различные виды нацелены на определенные штаммы диатомовых водорослей. Исследования показали, что эти вирусы играют важную роль в контроле и регулировании популяции Chaetoceros , тем самым влияя на весеннее цветение и впоследствии влияя также на местные морские экосистемы. [31]
GdelRNAV — это вид Bacillarnavirus , который заражает цветущий диатомовый водоросль Guinardia delicatula, присутствующую в умеренных прибрежных водах. [32] Штаммы этого вируса были успешно выделены только вскоре после летнего цветения G. delicatula. Это говорит о том, что вирус может играть роль в сокращении популяции хозяев в конце летнего цветения, хотя другие паразиты G. delicatula , вероятно, также вовлечены.
Thraustochytrids считаются важными разрушителями в экосистемах. Было показано, что вирус Aurantiochytrium RNA (AuRNAV) заражает thraustochytrids вместе с другим вирусом, вирусом ДНК Sicyoidochytrium minutum (SmDNAV). Исследования показали, что эти два вируса поддерживают различные модели колебаний друг от друга, причем AuRNAV показывает значительное увеличение численности после увеличения Aurantiochytrium sp. thraustochytrids (которые разлагают органические вещества во время спада цветения H. akashiwo ), в то время как SmDNAV не продемонстрировал эту модель. Это говорит о том, что AuRNAV, вероятно, нацелен на хозяев, которые могут эффективно использовать мертвые клетки фитопланктона, поэтому вирус также является важной частью динамики цветения. [33]
Penaeus vannamei — важный вид аквакультуры креветок, который выращивается по всему миру, и особенно в Китае. Однако из-за стеклянной постличиночной болезни (GPD), высокопатогенного заболевания, которое быстро распространяется в местах аквакультуры, отрасль понесла значительные убытки в последние годы, что привело к экономической нестабильности. Креветки, инфицированные GPD, демонстрируют признаки замедления движений и реакций, а также изменение цвета тканей печени и поджелудочной железы (с полностью коричневого на светло-коричневый). Через 24–48 часов после заражения у креветок также наблюдаются опухшие жаберные лепестки, а все тело становится более прозрачным и ломким (отсюда и название заболевания). Обнаруженный путем метагеномного секвенирования образца P. vannamei , инфицированного GPD, байшивирус был предложен как член семейства Marnaviridae и, как было обнаружено, содержит три ОРС в своем геноме длиной 9,895 кб.Предполагается, что основным возбудителем заболевания является байшивирус , что открывает возможный путь к поиску профилактических мер против GPD в креветочной промышленности. [8]
Распространенность болезни задержки роста (GRD), которая вызывает снижение темпов роста и преждевременное половое созревание пресноводной креветки Macrobrachium rosenbergii , привела к значительным финансовым потерям в китайской аквакультурной отрасли по разведению этой креветки. [9] Как правило, зрелые самцы и самки креветок имеют длину тела 10 см и 8 см соответственно, однако при воздействии GRD креветки демонстрируют раннюю зрелость, при которой самцы демонстрируют брачное поведение на 6 см, а самки вынашивают икру на 5 см. [34] [35] Воздействие GRD привело к снижению производства креветок более чем на 50% в некоторых случаях. [36] Благодаря метатранскриптомному секвенированию виромов здоровых креветок и креветок с GRD и филогенетическому анализу полученных последовательностей РНК четыре марна-подобных вируса были помещены в семейство Marnaviridae . Эти вирусы, называемые вирусами Macrobrachium rosenbergii (MRV) MRV3, MRV4, MRV5 и MRV6, имеют последовательности длиной 9242, 8887, 8548 и 9153 пар оснований соответственно. [9] Было обнаружено, что MRV3, MRV5 и MRV6 являются новыми вирусами, при этом MRV3 был помещен в род Labyrnavirus , а MRV5 и MRV6 принадлежат к роду Sogarnavirus. Напротив, MRV4 был охарактеризован как ранее идентифицированный вирус, похожий на пикорну Бэйхай, в роде Kusarnavirus.