Отслеживание вирусных паразитов гигантских вирусов во времени

В пресноводных озерах микробы регулируют поток углерода, определяя, будут ли водоёмы поглощать или выделять углерод. Водоросли и цианобактерии могут улавливать и использовать углерод, но на их способность влиять на это. Вирусы существуют среди всех бактерий, обычно в 10-кратном избытке, и имеют разный размер — от гигантских вирусов до гораздо более мелких вирофагов (которые живут в гигантских вирусах и используют их механизмы для репликации и распространения). Вирофаги могут менять способ взаимодействия гигантского вируса с его клеткой-хозяином (эукариотической). Например, если водоросль одновременно инфицирована вирофагом и гигантским вирусом, вирофаг ограничивает способность гигантского вируса эффективно размножаться. Это снижает влияние гигантского вируса на перераспределение питательных веществ, позволяя водоросли-хозяину размножаться, что может привести к более частым цветениям воды.

Используя наборы метагеномных данных, собранные за несколько лет в северных пресноводных озерах, команда под руководством исследователей из Университета штата Огайо и Института совместных исследований генома Министерства энергетики США (DOE JGI) обнаружила 25 новых последовательностей вирофагов. Как сообщалось 11 октября 2017 года в Nature Communications, идентификация этих новых последовательностей фактически удваивает количество известных вирофагов с момента их открытия десять лет назад.

«Обычно наборы метагеномных данных — это разовые проекты, — сказал учёный DOE JGI и первый автор Саймон Ру. — Люди начали замечать вирофаги в метагеномах, но до сих пор у нас не было длительных временных рядов. Он был здесь однажды? Всегда? Мы действительно не знали этого, но это критически важная информация для понимания их значимости».

Работа началась с предложения по программе поддержки научных сообществ (CSP), касающегося северных пресноводных озёр, от К.Т. (Трины) МакМахон из Университета Висконсин-Мэдисон. Образцы микробных сообществ в озере Мендота и озере Траут-Бог регулярно собирались в течение нескольких лет в рамках проекта долгосрочных экологических исследований северных умеренных озёр (NTL-LTER), финансируемого Национальным научным фондом (NSF). Секвенирование и анализ этих метагеномов из 3-летних и 5-летних временных рядов позволили исследователям идентифицировать членов сообщества, определить их метаболические пути и отследить изменения в сообществах за несколько лет.

Помимо изучения микробных сообществ, МакМахон и Рекс Мальмстрем, руководитель группы микроскопических приложений DOE JGI, спросили сотрудника Мэтта Салливана из Университета штата Огайо, не заинтересован ли он в использовании тех же наборов метагеномных данных для изучения вирусной экологии озёр. Ру начал анализировать наборы данных, ещё будучи постдоком в лаборатории Салливана. «Я знал, что в данных последовательностей много вирусов, но не знал, что некоторые из этих вирусов сами являются хозяевами для других вирусов, — сказал Мальмстрем. — С данными временных рядов мы могли сделать больше, чем собрать геном и построить филогенетические деревья; данные позволили нам изучить генетические вариации внутри популяций и найти закономерности совместной встречаемости и численности между вирофагами и их хозяевами — гигантскими вирусами. Имея так много временных точек в наборе данных, можно найти сильные связи».

Трина МакМахон, чьи наборы данных CSP легли в основу этой работы, говорит, что информация о вирусной экологии помогает составить более полную картину экосистемы. «Мы в восторге от того, что получили ещё один фрагмент головоломки. Вирусы явно играют важную роль в формировании состава сообщества и, следовательно, функционирования всей озерной экосистемы. Моей собственной лаборатории не хватает опыта для самостоятельного изучения вирусов, поэтому сотрудничество с Саймоном и Мэттом Салливаном так важно. Наша долгосрочная цель — узнать достаточно о силах, контролирующих сборку и динамику сообщества, а также об экологических чертах каждой линии, чтобы создавать более прогностические модели о том, как пресноводные озёра будут реагировать на изменение климата и землепользования на уровне экосистемы».

Помимо удвоения количества вирофагов в публичных базах данных, временные ряды позволили Ру и его коллегам увидеть экологические профили вирусов — влияют ли такие факторы, как сезоны или обилие определённых микробов, на их собственное присутствие. С помощью анализа совместной встречаемости исследователи связали вирофаги с последовательностями известных линий гигантских вирусов и предложили существование 3 новых групп кандидатов в гигантские вирусы, инфицированные вирофагами. Эти анализы также позволили им найти предполагаемые связи между последовательностями гигантских вирусов и конкретными эукариотическими хозяевами.

«Эти выводы основаны на корреляции, — отметил Ру, — но это хороший пример использования метагеномики. Метагеномы помогли нам не только открыть новое вирусное разнообразие и определить, какую роль оно должно играть в экосистеме, но и сформулировать гипотезы и последующие эксперименты о взаимодействиях вируса и хозяина, чтобы мы не забрасывали сеть вслепую».