Биологи обнаружили, как вирусы захватывают клеточные механизмы

Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые задокументировали, как очень крупные вирусы перепрограммируют клеточный механизм бактерий во время заражения, чтобы он стал больше напоминать клетку животного или человека. Этот процесс позволяет захватчикам обмануть клетки, заставив их производить сотни новых вирусов, которые в итоге разрывают и убивают инфицированные клетки.

В статье, опубликованной 13 января в журнале Science, исследователи провели серию экспериментов, позволивших детально увидеть, что происходит внутри бактериальных клеток при репликации вторгшихся вирусов.

"Ученые изучают вирусы сто лет, но мы никогда не видели ничего подобного. Каждый эксперимент давал что-то новое и захватывающее в этой системе", — сказал Джо Поджиано, профессор молекулярной биологии, возглавлявший исследовательскую группу.

Вирусы, заражающие бактерии (бактериофаги), — одни из самых многочисленных объектов на Земле. Ученые выбрали для изучения семейство необычно крупных бактериофагов и применили передовые методы, чтобы наблюдать их репликацию с беспрецедентной детализацией.

Ход заражения

Джо Поджиано и его коллеги обнаружили, что вскоре после заражения бактериофаги разрушают большую часть существующей архитектуры бактериальных клеток, включая бактериальную ДНК, а затем захватывают оставшийся клеточный механизм. Затем вирусы реорганизуют всю клетку в эффективную централизованную фабрику по производству следующего поколения вирусов.

"Эта фабрика и окружающая организация инфицированной клетки поразительно похожи на структуру, наблюдаемую в клетках растений и животных", — отметил Поджиано.

Создание "ядра"

Бактерии лишены многих специализированных структур, которые компартментализируют клеточные процессы в клетках растений или животных (эукариотических клетках). Например, у них нет окруженного мембраной ядра.

Однако постдок Воррапон Чайкеератисак и аспирантка Катрина Нгуен из лаборатории Поджиано обнаружили, что вторгающиеся вирусы организуют структуры внутри бактерий, имитируя эукариотические клетки. С помощью флуоресцентной микроскопии они выяснили, что реплицирующиеся вирусы строят компартменты, чтобы разделить различные процессы во время инфекции.

"Эти компартменты заключают в себе всю вирусную ДНК, подобно тому, как ядро действует в клетке растения или млекопитающего. Процессы, связанные с ДНК, такие как репликация или транскрипция, происходят внутри компартмента, а белки производятся снаружи", — пояснил Чайкеератисак, первый автор статьи.

Визуализация процесса

Профессор Элизабет Вилья и профессор Дэвид Агард использовали специализированную технику крио-электронной томографии, чтобы получить изображения процессов, открытых Чайкеератисаком и Нгуен, с чрезвычайно высоким увеличением. Снимки показали, что вирусное потомство собирается вокруг ядроподобного компартмента в бактерии. В конечном итоге новые вирусы разрывают клетку и распространяются для заражения соседних клеток.

"Эти наблюдения за вирусной манипуляцией клеткой совершенно неожиданны, поскольку ни один бактериальный вирус не был замечен в столь радикальной реорганизации клетки. Перестройка простой клетки, чтобы она напоминала более сложную систему, стирает грань между простыми бактериальными клетками и клетками «высших» организмов, таких как растения и животные", — сказал Поджиано.

Эволюционный контекст

Существующая теория "вирусной эукариогении" предполагает, что первая эукариотическая клетка возникла, когда крупный вирус захватил бактерию. В конечном итоге бактерия и вирус сформировали составную клетку, в которой вирус эволюционировал в ядро.

"Возможно, еще рано говорить, является ли этот конкретный вирус промежуточным звеном в переходе от бактерий и вирусов к многоклеточным эукариотам, но это открытие может расширить знания о происхождении жизни, какой мы ее знаем", — заключил Поджиано.