Орторнавирусы | |
---|---|
По часовой стрелке сверху слева: ТЭМ птичьего коронавируса , вируса полиомиелита , бактериофага Qβ , вируса Эбола , вируса табачной мозаики , вируса гриппа А , ротавируса , вируса везикулярного стоматита . В центре: филогенетическое дерево общего репликационного белка RdRp . | |
Классификация вирусов | |
(без рейтинга): | Вирус |
Область : | Рибовирус |
Королевство: | Орторнавирусы |
Типы и классы | |
Вирусы с положительной цепью РНК |
Orthornavirae — это царство вирусов , геномы которых состоят из рибонуклеиновой кислоты (РНК), включая гены, кодирующие РНК -зависимую РНК-полимеразу (RdRp). RdRp используется для транскрипции вирусного РНК-генома в информационную РНК (мРНК) и для репликации генома. Вирусы в этом царстве имеют ряд общих характеристик, которые способствуют быстрой эволюции , включая высокие показатели генетической мутации , рекомбинации и реассортации .
Вирусы Orthornavirae принадлежат к царству Riboviria . Они произошли от общего предка , который мог быть невирусной молекулой, кодирующей обратную транскриптазу вместо RdRp для репликации. Царство подразделяется на пять филумов, которые разделяют вирусы-члены на основе типа их генома, круга хозяев и генетического сходства. Включены вирусы с тремя типами генома: вирусы с положительной цепью РНК , вирусы с отрицательной цепью РНК и вирусы с двухцепочечной РНК .
Многие из наиболее широко известных вирусных заболеваний вызываются представителями этого царства, включая коронавирусы , вирус Эбола , вирусы гриппа , вирус кори и вирус бешенства , а также первый из когда-либо обнаруженных вирусов — вирус табачной мозаики . В современной истории РНК-вирусы, кодирующие RdRp, стали причиной многочисленных вспышек заболеваний и заражают многие экономически важные культуры. Большинство эукариотических вирусов, включая большинство вирусов человека, животных и растений, являются РНК-вирусами, кодирующими RdRp. Напротив, в царстве относительно мало прокариотических вирусов.
Первая часть Orthornavirae происходит от греческого ὀρθός [orthós], что означает прямой, средняя часть, rna , относится к РНК, а -virae — это суффикс, используемый для обозначения царств вирусов. [1]
РНК-вирусы в Orthornavirae обычно не кодируют много белков, но большинство вирусов с положительной полярностью, одноцепочечных (+ssRNA) и некоторые вирусы с двухцепочечной РНК (dsRNA) кодируют основной капсидный белок, который имеет одну складку в виде рулета-желе , названную так потому, что складчатая структура белка содержит структуру, напоминающую рулет-желе . [2] Многие также обладают оболочкой , типом липидной мембраны, которая обычно окружает капсид. В частности, вирусная оболочка является почти универсальной среди вирусов с отрицательной полярностью, одноцепочечных (-ssRNA). [3] [4]
Вирусы Orthornavirae имеют три различных типа геномов: dsRNA, +ssRNA и -ssRNA. Одноцепочечные РНК-вирусы имеют либо положительную, либо отрицательную смысловую цепь , а dsRNA-вирусы имеют обе. Эта структура генома важна с точки зрения транскрипции для синтеза вирусной мРНК, а также репликации генома, оба из которых осуществляются вирусным ферментом РНК-зависимой РНК-полимеразой (RdRp), также называемой РНК-репликазой. [1] [2]
Вирусы с положительной цепью РНК имеют геномы, которые могут функционировать как мРНК, поэтому транскрипция не является необходимой. Однако +ssRNA будет производить формы dsRNA как часть процесса репликации их геномов. Из dsRNA синтезируются дополнительные положительные цепи, которые могут использоваться как мРНК или для геномов для потомства. Поскольку вирусы +ssRNA создают промежуточные формы dsRNA, им приходится избегать иммунной системы хозяина, чтобы реплицироваться. Вирусы +ssRNA достигают этого, реплицируясь в мембранно-ассоциированных везикулах, которые используются в качестве репликационных фабрик. [5] Для многих вирусов +ssRNA субгеномные части генома будут транскрибироваться для трансляции определенных белков, тогда как другие будут транскрибировать полипротеин, который расщепляется для производства отдельных белков. [6] [7]
Вирусы с отрицательной цепью РНК имеют геномы, которые функционируют как шаблоны, из которых мРНК может быть синтезирована напрямую с помощью RdRp. [8] Репликация - это тот же процесс, но выполняемый на положительном антигеноме, во время которого RdRp игнорирует все сигналы транскрипции, так что может быть синтезирован полный геном -ssRNA. [9] Вирусы -ssRNA различаются между теми, которые инициируют транскрипцию с помощью RdRp, создавая кэп на 5'-конце (обычно произносится как «пять прайм-конец») генома, или путем отрывания кэпа от мРНК хозяина и присоединения его к вирусной РНК. [10] Для многих вирусов -ssRNA в конце транскрипции RdRp запинается на урациле в геноме, синтезируя сотни аденинов подряд как часть создания полиаденилированного хвоста для мРНК. [11] Некоторые вирусы -ssRNA по сути являются амбисенс-вирусами и имеют белки, кодируемые как положительной, так и отрицательной цепью, поэтому мРНК синтезируется непосредственно из генома и из комплементарной цепи. [12]
Для вирусов dsRNA RdRp транскрибирует мРНК, используя отрицательную цепь в качестве шаблона. Положительные цепи также могут использоваться в качестве шаблонов для синтеза отрицательных цепей для построения геномной dsRNA. dsRNA не является молекулой, вырабатываемой клетками, поэтому клеточная жизнь развила механизмы для обнаружения и инактивации вирусной dsRNA. Чтобы противостоять этому, вирусы dsRNA обычно сохраняют свои геномы внутри вирусного капсида, чтобы избежать иммунной системы хозяина. [13]
РНК-вирусы в Orthornavirae испытывают высокую частоту генетических мутаций , поскольку RdRp склонен делать ошибки в репликации, поскольку у него обычно отсутствуют механизмы корректуры для исправления ошибок. [примечание 1] Мутации в РНК-вирусах часто зависят от факторов хозяина, таких как зависимые от dsRNA аденозиндезаминазы , которые редактируют вирусные геномы, заменяя аденозины на инозины . [14] [15] Мутации в генах, которые необходимы для репликации, приводят к уменьшению числа потомков, поэтому вирусные геномы обычно содержат последовательности, которые высококонсервативны с течением времени с относительно небольшим количеством мутаций. [16]
Многие вирусы РНК, кодирующие RdRp, также испытывают высокую скорость генетической рекомбинации , хотя скорости рекомбинации значительно различаются, с более низкими скоростями в вирусах -ssRNA и более высокими скоростями в вирусах dsRNA и +ssRNA. Существует два типа рекомбинации: рекомбинация с выбором копии и реассортация. Рекомбинация с выбором копии происходит, когда RdRp переключает шаблоны во время синтеза, не высвобождая предыдущую, вновь созданную цепь РНК, что генерирует геном смешанного происхождения. Реассортация , которая ограничена вирусами с сегментированными геномами, имеет сегменты из разных геномов, упакованные в один вирион или вирусную частицу, которая также производит гибридное потомство. [14] [17]
Для реассортации некоторые сегментированные вирусы упаковывают свои геномы в несколько вирионов, что производит геномы, которые являются случайными смесями родителей, тогда как для тех, которые упакованы в один вирион, как правило, отдельные сегменты меняются местами. Обе формы рекомбинации могут происходить только в том случае, если в клетке присутствует более одного вируса, и чем больше присутствует аллелей, тем более вероятно, что произойдет рекомбинация. Ключевое различие между рекомбинацией с выбором копии и реассортацией заключается в том, что рекомбинация с выбором копии может происходить в любом месте генома, тогда как реассортация меняет местами полностью реплицированные сегменты. Следовательно, рекомбинация с выбором копии может производить нефункциональные вирусные белки, тогда как реассортация не может. [14] [17] [18] [19]
Скорость мутации вируса связана со скоростью генетических рекомбинаций. Более высокие скорости мутаций увеличивают как количество полезных, так и неблагоприятных мутаций, тогда как более высокие скорости рекомбинации позволяют отделить полезные мутации от вредных. [ неопределенно ] Таким образом, более высокие скорости мутаций и рекомбинаций до определенного момента улучшают способность вирусов адаптироваться. [14] [20] Известными примерами этого являются рекомбинации, которые обеспечивают межвидовую передачу вирусов гриппа, что привело к многочисленным пандемиям, а также к появлению штаммов гриппа с лекарственной устойчивостью через мутации, которые были рекомбинированы. [19]
Точное происхождение Orthornavirae не установлено, но вирусный RdRp показывает связь с ферментами обратной транскриптазы (RT) интронов группы II , которые кодируют RT и ретротранспозоны , последние из которых являются самореплицирующимися последовательностями ДНК, которые интегрируются в другие части той же молекулы ДНК. [1] [2] Более крупное исследование (2022), в котором были описаны новые линеаги (филы), предположило, что РНК-вирусы происходят от мира РНК , предполагая, что ретроэлементы (ретротранспозоны и интроны группы II) произошли от предка, связанного с типом Lenarviricota , и что члены недавно обнаруженной линии (филума) Taraviricota будут предками всех РНК-вирусов. Согласно этому исследованию, геномы как dsRNA, +ssRNA, так и -ssRNA развивались независимо и несколько раз изменялись в ходе эволюции. [21]
РНК-вирусы, кодирующие RdRp, относятся к царству Orthornavirae , которое содержит шесть официальных типов, шесть неофициальных типов [21] и несколько таксонов, которые не отнесены к типу из-за отсутствия информации. Пять типов разделены на основе типов генома, диапазонов хозяев и генетического сходства вирусов-членов. [1] [22]
Нераспределенные таксоны перечислены ниже ( -viridae обозначает семейство, а -virus обозначает род). [1] [22]
Королевство содержит три группы в системе классификации Балтимора , которая группирует вирусы вместе на основе их способа синтеза мРНК, и которая часто используется наряду со стандартной таксономией вирусов, которая основана на эволюционной истории. Эти три группы - Группа III: вирусы dsRNA, Группа IV: вирусы +ssRNA и Группа V: вирусы -ssRNA. [1] [2]
РНК-вирусы связаны с широким спектром заболеваний, включая многие из наиболее известных вирусных заболеваний. Известные вирусы, вызывающие заболевания в Orthornavirae, включают: [22]
Вирусы животных в Orthornavirae включают орбивирусы , которые вызывают различные заболевания у жвачных животных и лошадей, включая вирус синего языка , вирус африканской чумы лошадей , вирус энцефалоза лошадей и вирус эпизоотической геморрагической болезни . [24] Вирус везикулярного стоматита вызывает заболевание у крупного рогатого скота, лошадей и свиней. [25] Летучие мыши переносят множество вирусов, включая эболавирусы и генипавирусы , которые также могут вызывать заболевания у людей. [26] Аналогично, вирусы членистоногих родов Flavivirus и Phlebovirus многочисленны и часто передаются людям. [27] [28] Коронавирусы и вирусы гриппа вызывают заболевания у различных позвоночных, включая летучих мышей, птиц и свиней. [29] [30]
Вирусы растений в королевстве многочисленны и поражают многие экономически важные культуры. По оценкам, вирус пятнистого увядания томатов ежегодно наносит ущерб более чем на 1 миллиард долларов США, поражая более 800 видов растений, включая хризантему, салат, арахис, перец и томаты. Вирус мозаики огурцов поражает более 1200 видов растений и также вызывает значительные потери урожая. Картофельный вирус Y вызывает значительное снижение урожайности и качества перца, картофеля, табака и томатов, а вирус шарки сливы является наиболее важным вирусом среди косточковых культур. Вирус мозаики костра , хотя и не вызывает значительных экономических потерь, встречается во многих частях мира и в основном поражает травы, включая злаковые. [22] [31]
Заболевания, вызываемые РНК-вирусами у Orthornavirae, были известны на протяжении большей части истории, но их причина была обнаружена только в наше время. В целом, РНК-вирусы были обнаружены в период крупных достижений в молекулярной биологии, включая открытие мРНК как непосредственного носителя генетической информации для синтеза белка. [32] Вирус табачной мозаики был обнаружен в 1898 году и был первым обнаруженным вирусом. [33] Вирусы в королевстве, которые передаются членистоногими, были ключевой целью в разработке контроля переносчиков , который часто направлен на предотвращение вирусных инфекций. [34] В современной истории многочисленные вспышки заболеваний были вызваны РНК-вирусами, кодирующими RdRp, включая вспышки, вызванные коронавирусами, Эболой и гриппом. [35]
Orthornavirae был создан в 2019 году как царство в пределах области Riboviria , предназначенное для размещения всех РНК-вирусов, кодирующих RdRp. До 2019 года Riboviria был создан в 2018 году и включал только РНК-вирусы, кодирующие RdRp. В 2019 году Riboviria был расширен, чтобы также включать обратно транскрибирующие вирусы, помещенные в царство Pararnavirae , поэтому Orthornavirae был создан для отделения РНК-вирусов, кодирующих RdRp, от обратно транскрибирующих вирусов. [1] [36]