Такое поведение вируса-сателлита обнаружили впервые
Американские и испанские исследователи обнаружили две ранее неизвестных системы хелпер-сателлит у поражающих бактерии-стрептомицеты бактериофагов, в которых сателлиты не обладают ключевыми генами репликации. В одной из этих систем вирус-сателлит физически прикреплен к шейке хелпера, что обеспечивает их одновременное проникновение в клетку. Отчет о работе опубликован в The ISME Journal.
Настоящие вирусы-сателлиты представляют собой вирусоподобные мобильные генетические элементы, которые могут проникать в клетки хозяина и встраиваться в их геном, но для репликации нуждаются в заражении этих клеток другим (полноценным) вирусом, который в этом случае носит название хелпера. Хорошо известными примерами таких сателлитов служат вирус гепатита дельта (HDV) и аденоассоциированный вирус (AAV). Также существуют сателлитные нуклеиновые кислоты, которые используют оболочечные белки капсида вируса-хелпера для упаковки собственного генетического материала, что позволяет им передаваться к другим клеткам. Они широко распространены среди бактериофагов (например, фаг P4), встраиваются в бактериальный геном в виде фаг-индуцируемых хромосомных островков (PICI) и имеют собственные репликазы. В январе 2023 года описаны подобные элементы, содержащие все необходимое для синтеза капсида и его сборки (cf-PICI); хелперы им нужны только для формирования хвоста. В случае патогенов бактерий сателлитные нуклеиновые кислоты обычно называют вирусами-сателлитами, поскольку истинных сателлитов среди фагов до сих пор известно не было.
В ходе исследовательского курса по программе SEA-PHAGES студенты Мэрилендского университета в округе Балтимор (UMBC) изолировали фагов, поражающих стрептомицеты, из образцов почвы, собранных в Мэриленде и Миссури. Выделенные вирусы были отправлены для секвенирования в Университет Питтсбурга, где выяснилось, что помимо типичной для фагов длинной последовательности в обоих образцах присутствует короткая, не известная ранее. Анализ их генетического состава и эксперименты по очистке и выделению позволили заключить, что они представляют собой системы хелпер-сателлит. Первую студенты назвали Mulch («мульча») с хелпером MulchMansion и сателлитом MulchRoom, вторую — Flayer («живодер») с хелпером MindFlayer и сателлитом MiniFlayer. Их исследованием занялась команда ученых во главе с Иваном Эриллом (Ivan Erill), аффилированным с UMBC и Барселонским автономным университетом.
Хелперы — MulchMansion и MindFlayer — оказались схожими представителями кластера BE актинобактериофагов. Линейный геном каждого из них содержит около 230 генов, кодирующих белки, более 40 генов транспортной РНК (тРНК) и один ген транспортно-матричной РНК (тмРНК). Сателлиты — MulchRoom и MiniFlayer — обладают линейными геномами, включающими соответственно 20 и 26 генов белков и не содержащими гены тРНК, причем друг с другом они практически не схожи. Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) показала, что их капсиды невелики — соответственно 43,7 и 42,5 нанометра против 81,9 и 81,4 у их хелперов. При этом хвост у MulchRoom длинный, схожий с таковыми у сифовирусов и cf-PICI, а у MiniFlayer — короткий с морфологией, напоминающей подовирусную.
Чтобы разобраться в необычной морфологии MiniFlayer, авторы работы провели отдельную ТЭМ-характеризацию их смешанных лизатов с хелпером MindFlayer. Выяснилось, что хвост сателлита специфично присоединяется к белкам шейки (соединения хвоста и головки, которое также называют «воротничок») хелпера, физически связывая вирусы. В 79 процентах случаев (49 из 62) капсиды MiniFlayer и MindFlayer смыкались, частично адсорбируя друг друга. Присоединенные сателлиты были обнаружены более чем у половины (26 из 50) хелперов. Когда для анализа использовали не лизаты, а нативные образцы фаговых бляшек (стерильных пятен), это соотношение достигло 80 процентов (40 из 50). При этом на шейке большинства остальных MindFlayer были видны следы предшествующего прикрепления MiniFlayer.
Полногеномный филогенетический анализ показал, что сателлиты MulchRoom и MiniFlayer не имеют прямого родства ни со своими хелперами, ни с PICI рода актиномицетов, ни с какими-либо другими системами хелпер-сателлит. Расчеты индексов адаптации тРНК (tAI) показали, что сателлиты используют кодоны, соответствующие тРНК хелперов, то есть используют ее, а не тРНК клетки-хозяина, для трансляции своих белков.
По мнению авторов работы, такой неизвестный ранее тип связи между вирусами появился в результате длительного эволюционного процесса, который мог продолжаться порядка 100 миллионов лет. Полученные анализы также указывают на вероятно большое разнообразие стратегий сателлитов по адаптации к хелперам и возможность того, что многие образцы вирусов, которые считались загрязненными посторонним генетическим материалом, на самом деле представляют собой системы хелпер-сателлит.
В 2021 году португальские исследователи сообщили о первой успешной попытке создания синтетических бактериофагов. За основу они взяли геном фага РЕ3, поражающего синегнойную палочку (Pseudomonas aeruginosa). Четырьмя годами ранее финские ученые смогли получить снимки разных стадий инфицирования бактерий вирусами — в этом помогла гелиевая микроскопия.
Выросли только эмбрионы с крысиным сердцем — но и они не дожили до рождения
Испанские исследователи отработали методику создания химерных мышей, у которых сердечная мышца и стенки сосудов построены из клеток другой особи. Эта технология сработала для химеры из двух мышей, на свет появились живые и здоровые детеныши. Но воспроизвести ее для химеры мышь-крыса не удалось. Возможно, проблема в том, что развитие сосудов у мыши и крысы отличается на молекулярном уровне. Работа опубликована в журнале Developmental Cell. Чтобы решить проблему с нехваткой донорских органов, можно научиться их выращивать внутри других животных. Технология давно известна — она называется комплементация бластоцисты или эмбриона. Нужно взять животное, удалить из его половых клеток или зиготы ген, ответственный за работу какого-нибудь органа, вырастить эмбрион (например, до стадии бластоцисты) — и подсадить в него эмбриональные стволовые клетки другого вида (например, человека). Если в результате получится жизнеспособный организм с нужным органом, то этот орган точно будет человеческим. Но с этой технологией пока немало сложностей (о них мы подробно писали в материале «О свиньях и людях»). В том числе такая: допустим, мы научились выращивать в организме животного какую-нибудь человеческую ткань, например мышцу. Но кроме собственно мышечных клеток в ней есть и другие типы, в том числе соединительно-тканные, например эндотелий (выстилка сосудистых стенок). Они тоже могут вызвать иммунный ответ и отторжение после пересадки. Значит, нужно удалить из организма животного сразу несколько генов — чтобы требуемый орган полностью состоял из человеческих клеток. Группа исследователей под руководством Шавьера Арангурена (Xabier Aranguren) из Университета Наварры попробовала решить эту задачу на примере сердца и вырастить химеру, у которой весь организм будет мышиным, а мышечные клетки сердца и стенки сосудов — крысиными. Исследователи пошли нестандартным путем: они не стали выключать гены, которые отвечают за развитие сердца и сосудов — в экспериментах их предшественников это получалось не очень успешно, — а заставили погибнуть мышиные клетки, в которых эти гены работают. Сначала авторы работы создали зародышей, у которых в клетках, где работал ген Nkx2.5 — регулятор развития сердца, — начинался синтез дифтерийного токсина. Под действием токсина клетки погибали и сердце не развивалось. В некоторые из этих зародышей на стадии восьми клеток ввели эмбриональные стволовые клетки мыши с флуоресцентным маркером. Родились живые здоровые мышата с бьющимися сердцами: сердечная мышца в них была построена только из светящихся клеток, а эндотелий состоял из смеси «хозяйских» и «донорских» клеток. Потом ту же процедуру повторили с другой линией мышей и геном Tie2 — он начинает работать на девятый день развития в предшественниках эндотелия и кроветворных клеток. Таким образом исследователи получили эмбрионы без эндотелия. Они не были жизнеспособны и погибли к пятнадцатому дню внутриутробного развития. И точно так же этот дефект развития компенсировали с помощью эмбриональных стволовых клеток: зародыши, которым досталась инъекция светящихся клеток, развивались нормально по меньшей мере до пятнадцатого дня. Наконец, исследователи получили зародышей-двойных мутантов: у них токсин и клетки-предшественники сердечной мышцы, и будущий эндотелий. В такие эмбрионы на стадии восьми клеток ввели стволовые клетки мыши. Из 1024 экспериментальных эмбрионов получилось 11 живых мышат, у которых и сердечная мышца, и эндотелий были «донорскими», и еще 21 мышонок, у которого «донорским» было только сердце. А с крысиными стволовыми клетками так не сработало. У исследователей получилось всего 19 химерных эмбрионов без гена Nkx2.5 (точнее, без клеток, которые его экспрессируют) и с зачатком сердца крысы — но они перестали развиваться после десятого дня. И всего два химерных эмбриона без клеток с Nkx2.5 и Tie2 — но у них не сформировались ни сердце, ни сосуды. Таким образом, авторы работы, с одной стороны, отработали методику двойной внутривидовой комплементации — и показали, что возможно вырастить мышь с сердцем и стенками сосудов от другой особи. Но, с другой стороны, наткнулись на барьер для межвидовой комплементации. Анализируя свою неудачу, они предположили, что эндотелий у мышей и крыс как-то отличается по своим сигнальным молекулам или набору клеточных контактов с окружающими тканями. Из-за этого крысиные сосуды могли не вырасти в организме мыши. И это же могло бы объяснить, почему мышиные эмбрионы с крысиным сердцем остановились в развитии: возможно, нарушенное взаимодействие между крысиными мышечными клетками и мышиными сосудами лишило растущее сердце кислорода. Неудача с крысиным сердцем означает, что до других межвидовых химер биологи доберутся нескоро. В других экспериментах химеры мышь-крыса часто вырастают здоровыми, а вот с приматами технология пока совсем не отработана. Только недавно ученые впервые добились рождения химерной обезьяны — в ее теле были как обычные обезьяньи клетки, так и модифицированные, — но и она умерла вскоре после рождения.