Образцы океанской воды дают кладезь данных об РНК-вирусах

Образцы океанской воды, собранные по всему миру, дали сокровищницу новых данных о вирусах РНК, расширяя возможности экологических исследований и изменяя наше понимание того, как эволюционировали эти маленькие, но значительные субмикроскопические частицы.

Самая большая коллекция вновь идентифицированных видов принадлежит предложенному исследователями типу под названием Taraviricota, обнаруженная из 35 000 образцов воды, которые позволили провести анализ: консорциум океанов Тары, продолжающееся глобальное исследование на борту шхуны Тара о влиянии изменения климата на мировой океан.

«Здесь так много нового разнообразия — и целый тип, Taraviricota, был найден по всему океану, что говорит о том, что они экологически важны», — сказал ведущий автор Мэтью Салливан, профессор микробиологии в Университете штата Огайо.

«РНК-вирусы явно важны в нашем мире, но мы обычно изучаем только крошечный кусочек из них — несколько сотен, которые вредят людям, растениям и животным. 

Мы хотели систематически изучать их в очень больших масштабах и исследовать окружающую среду, на которую никто не смотрел глубоко, и нам повезло, потому что практически каждый вид был новым, и многие из них были действительно новыми «.

Исследование появилось в Интернете 7 апреля 2022 года в журнале Science.

В то время как микробы являются важными участниками всей жизни на планете, вирусы, которые заражают или взаимодействуют с ними, оказывают различное влияние на микробные функции. 

Считается, что эти типы вирусов выполняют три основные функции: убивают клетки, изменяют то, как инфицированные клетки управляют энергией, и переносят гены от одного хозяина к другому.

Знание большего разнообразия и обилия вирусов в мировом океане поможет объяснить роль морских микробов в адаптации океана к изменению климата, говорят исследователи. 

Океаны поглощают половину углекислого газа, вырабатываемого человеком из атмосферы, и предыдущие исследования этой группы показали, что морские вирусы являются «ручкой» биологического насоса, влияющего на то, как хранится углерод в океане.

Хотя исследовательская группа выявила сотни новых видов РНК-вирусов, которые вписываются в существующие классификации, их анализ выявил еще тысячи видов, которые они сгруппировали в пять новых предложенных типов: Taraviricota, Pomiviricota, Paraxenoviricota, Wamoviricota и Arctiviricota, которые, как и Taraviricota, имеют очень многочисленные подвиды — по крайней мере, в критической для климата Арктике. Океанские воды — область мира, где потепление наносит наибольший ущерб.

Команда Салливана уже давно каталогизировала виды вирусов ДНК в океанах, увеличив их число с нескольких тысяч в 2015 и 2016 годах до 200 000 в 2019 году. Для этих исследований ученые имели доступ к вирусным частицам для завершения анализа.

В этих текущих усилиях по обнаружению вирусов РНК не было вирусных частиц для изучения. Вместо этого исследователи извлекли последовательности из генов, экспрессируемых в организмах, плавающих в море, и сузили анализ до последовательностей РНК, которые содержали сигнатурный ген, называемый RdRp, который эволюционировал в течение миллиардов лет в РНК-вирусах и отсутствует в других вирусах или клетках.

Поскольку существование RdRp относится к тому времени, когда жизнь была впервые обнаружена на Земле, что означает, что традиционные отношения филогенетического дерева невозможно описать только последовательностями.

Вместо этого команда использовала машинное обучение для организации 44 000 новых последовательностей таким образом, чтобы справиться с этими миллиардами лет расхождения последовательностей, и подтвердила метод, показав, что техника может точно классифицировать последовательности уже идентифицированных вирусов РНК.

«Мы должны были сравнивать известное, чтобы изучать неизвестное», — сказал Салливан, также профессор гражданской, экологической и геодезической инженерии, директор-основатель Центра микробиомных наук штата Огайо и член руководящей группы Института интеграции биологии EMERGE.

«Мы создали вычислительно воспроизводимый способ выравнивания этих последовательностей, где мы можем быть более уверены, что мы выравниваем позиции, которые точно отражают эволюцию».

Дальнейший анализ с использованием 3D-представлений структур последовательностей и выравнивания показал, что кластер из 5500 новых видов не вписывается в пять существующих типов РНК-вирусов, классифицированных в королевстве Орторнавира.

«Мы сравнили наши кластеры с установленными, признанными филогенетическими таксонами, и именно так мы обнаружили, что у нас больше кластеров, чем тех, которые существовали», — сказал соавтор Ахмед Зайед, научный сотрудник по микробиологии в штате Огайо и ведущий научный сотрудник Института EMERGE.

В целом, результаты привели исследователей к предложению не только пяти новых типов, но и, по крайней мере, 11 новых классов РНК-вирусов orthornaviran. Команда готовит предложение запросить формализацию кандидатских типов и классов ICTV.

Заид сказал, что объем новых данных о дивергенции гена RdRp с течением времени приводит к лучшему пониманию того, как ранняя жизнь могла развиваться на планете.

«Предполагается, что RdRp является одним из самых древних генов — он существовал до того, как возникла необходимость в ДНК», — сказал он. «Таким образом, мы не просто отслеживаем происхождение вирусов, но и прослеживаем происхождение жизни».

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур, Суперкомпьютерным центром штата Огайо, Центром микробиомных наук штата Огайо, Институтом интеграции биологии EMERGE, Фондом Рамона-Аречеса и правительственными решениями Laulima / NIAID. 

Работа также стала возможной благодаря беспрецедентному отбору проб и науке Консорциума океанов Тары, некоммерческого фонда океанов Тары и его партнеров.

Дополнительными соавторами статьи были соавторы Джеймс Вайнайна и Гильермо Домингес-Уэрта, а также Цзяронг Го, Мохаммед Мохссен, Фунинг Тянь, Аджи Пратама, Бен Болдук, Оливье Заблоцкий, Дилан Кронин и Линдси Солден, все из лаборатории Салливана; Ральф Бундшух, Курт Фредрик, ЛораКубатко и Элан Шатофф из Колледжа искусств и наук штата Огайо; Ханс-Йоахим Рушвейх, Гильем Салазар и Шиничи Сунагава из Института микробиологии и Швейцарского института биоинформатики; Йенс Кун из Национального института аллергии и инфекционных заболеваний; Александр Калли из Университета Лаваля; Эрван Делаж и Сэмюэль Шафрон из Университета Нанта; и Эрик Пеллетье, Адриана Альберти, Жан-Марк Аури, Квентин Каррадек, Корин да Силва, Карин Лабади, Жюли Пулен и Патрик Винкер из Genoscope.