מֵידָע

7: פרוקריוטים ווירוסים - ביולוגיה

7: פרוקריוטים ווירוסים - ביולוגיה


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

7: פרוקריוטים ווירוסים

וירוסים תופסים את מרכז הבמה באבולוציה התאית

מקורם של נגיפים אפוף מסתורין, אך התקדמות הגנומיקה וגילוי נגיפי DNA ענקיים מורכבים עוררו השערות חדשות לפיהן נגיפי DNA היו מעורבים בהופעתו של גרעין התא האוקריוטי, וכי הם ראויים להיחשב כחיים. אורגניזמים.

הבעיה הבלתי פתירה לכאורה של מקור הנגיפים הוזנחה מזמן. בספרות המודרנית, 'אבולוציית הווירוס' באה להתייחס למחקרים הדומים יותר לגנטיקה של אוכלוסיות, כמו בדיקה עולמית של פולימורפיזם חדש המופיע מדי יום בנגיף שפעת העופות H5N1 [1], מאשר לשאלה הבסיסית לאן מגיעים הנגיפים מ. זה משתנה כעת במהירות, כתוצאה מצירוף מקרים של רעיונות חדשים ונועזים (והתחדשותם של הישנים), התכונות המרהיבות הבלתי צפויות של כמה וירוסים ענקיים שבודדו לאחרונה [2, 3], כמו גם העלייה המתמדת במספרים. של רצפים גנומיים עבור וירוסים 'רגילים' ואורגניזמים תאיים, מה שמשפר את כוחה של גנומיקה השוואתית [4]. לאחר שנחשבו כלא-חיים ונדחקו לכנפיים על ידי רוב הביולוגים, הווירוסים נמצאים כעת במרכז הבמה: ייתכן שהם היו שם במקור ה-DNA, אולי מילאו תפקיד מרכזי בהופעתו של התא האוקריוטי, ואולי אפילו היו שם. היה הגורם לחלוקה של אורגניזמים ביולוגיים לשלושת תחומי החיים: חיידקים, ארכאה ואוקריה. במאמר זה, אסקר בקצרה כמה מהתגליות האחרונות והמחשבות האבולוציוניות החדשות שהם עוררו, לפני שאוסיף לדיון שאלה משלי: מה אם פספסנו לחלוטין את הטבע האמיתי של (לפחות כמה) וירוסים ?


קישורים שימושיים

זהו אחד מ-2,400 קורסים ב-OCW. חקור חומרים לקורס זה בדפים המקושרים בצד שמאל.

MIT OpenCourseWare הוא פרסום חינמי ופתוח של חומר מאלפי קורסים של MIT, המכסה את כל תכנית הלימודים של MIT.

אין הרשמה או רישום. דפדף חופשי והשתמש בחומרי OCW בקצב שלך. אין הרשמה ואין תאריכי התחלה או סיום.

ידע הוא הפרס שלך. השתמש ב- OCW כדי להדריך את הלמידה שלך לכל החיים, או ללמד אחרים. איננו מציעים אשראי או הסמכה לשימוש ב- OCW.

מיועד לשיתוף. הורד קבצים למועד מאוחר יותר. שלח לחברים ועמיתים. שנה, לערבב מחדש ושימוש חוזר (רק זכור לצטט את OCW כמקור.)

אודות MIT OpenCourseWare

MIT OpenCourseWare הוא פרסום מקוון של חומרים מלמעלה מ-2,500 קורסי MIT, שמשתף ידע בחופשיות עם לומדים ומחנכים ברחבי העולם. למידע נוסף »

© 2001&ndash2018
המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס

השימוש שלך באתר ובחומרים של MIT OpenCourseWare כפוף לרישיון Creative Commons ולתנאי שימוש אחרים שלנו.


וירוסים הם שחקנים חשובים באקולוגיה ובאבולוציה

וירוסים מגוונים ושופעים במיוחד בסביבה. בפלנקטון האוקיינוס, מחקרים חלוצים על ידי צביעת DNA של אולטרה-פילטרטים שאמורים להיות נקיים מחיידקים העלו שחלקיקים נגיפיים (ווירונים) יכולים להיות בשפע של עד סדר גודל יותר מאשר תאים (Fuhrman 1999). לאחר מכן, ניתוח מטאנומי של אותם חלקים נטולי תאים על ידי DNA ישיר או רטרו-תעתוק DNA חשף מגוון גנטי ויראלי עצום (Culley et al. 2003 Edwards and Rohwer 2005). ניתוחים מטאנומיים של וירוסים התרחבו במידה רבה מאז אותם מחקרים ראשוניים, והובילו לגילוי קבוצות חדשות של וירוסים וחומרים דמויי וירוסים המהווים ביחד מאגר גנטי עצום (Kristensen et al. 2010 Suttle משנת 2007). בשל השפע שלהם ובשל ההשפעות שיש להם על אוכלוסיות נגועות של תאים, הם ממלאים תפקידים חשובים במחזוריות תזונתית, קצבי שקיעה ושליטה בפריחת פיטופלנקטון (Danovaro et al. 2011 Fuhrman משנת 1999). וירוסים שולטים באוכלוסיות תאים על ידי השראת תמוגה של תאים, אשר לא רק תורמת לטיפוח תחלופה ביו-גיאוכימית אלא גם לשמירה על המגוון הביולוגי. ואכן, הירידה הדמוגרפית החזקה הנגרמת באוכלוסיות תאים דומיננטיות על ידי תמוגה ויראלית (מה שנקרא מנגנון להרוג את המנצח) מאפשרת למינים אחרים, פחות תחרותיים, להתקיים במקביל בתדירויות ביניים, וכתוצאה מכך להתמדה של מגוון גדול של מינים (רודריגז) -Valera et al. 2009 Suttle 2007). וירוסים תורמים גם לשליטה באוכלוסיות על ידי השפעה על האקולוגיה האבולוציונית שלהם באמצעות השפעות "המלכה האדומה", כלומר, יצירת מירוץ חימוש הכולל התפתחות מתמשכת של עמידות על ידי מארחים לגרסאות וירוסים חדשות. דוגמה יוצאת דופן היא ההשראה הוויראלית של שינויים במחזור התא בפיקואקריוט הפוטוסינתטי אמיליניה הוקסליי. לאחרונה, הוכח ש- phycodnaviruses ענק מדביקים ומשליטים רק את שלב הדיפלואידים של האצות, ובכך מקדם את המעבר משלב חד-מנועי דיפלואידי לשלב המניעי והפלואידי ועמיד בפני וירוסים-אסטרטגיית בריחה של "חתול צ'שייר" (Frada et al. 2008) .

גילוי וירוסים חדשים לא מגיע רק מרצף metagenomic בעל תפוקה גבוהה, אלא גם ממחקרים קלאסיים של וירוסים המדביקים שושלות סלולריות שלא נחקרו קודם לכן. המגוון הוויראלי המתואר נשלט על ידי וירוסים המדביקים בני אדם, בקר או צמחים בעלי עניין חקלאי. עם זאת, ב -20 השנים האחרונות חלה התקדמות חשובה בתיאור הנגיפים המדביקים את תחום החיים השלישי, הארכיאה, שזכה לתשומת לב מועטה או לא. מחקרים שנערכו על וירוסים המדביקים ארכאה היפרתרמופילית חשפו מגוון בלתי צפוי של משפחות ויראליות חדשות, כולל מורפטיפים חדשים. חלק מהוירוסים הללו יכולים לחוות שינויים מורפולוגיים כאשר הם נחשפים לטמפרטורות גבוהות - מעין "מחזור התפתחותי" עקב שינויים בחלבון קונפורמטיבי - שגורמים להם להדבק רק בטמפרטורות שבהן המארח שלהם מסוגל לגדול (Prangishvili et al. 2006). בשנים האחרונות התגלה תגלית יוצאת דופן של וירוסים ענקיים בעלי גנום גדול מאוד (מעל 300 קילו -בייט ועד 1.2 מגה -בייט) המדביקים אמבה ואאוקריוטים מיקרוביאליים אחרים (פרוטיסטים). חלק מהגנומים הללו עולים על הגודל של כמה גנומים חיידקיים טפיליים המקודדים לכמה מאות חלבונים (Arslan וחב' 2011 Boyer וחב' 2009 Raoult וחב' 2004 Van Etten 2011).

וירוסים הם לא רק בשפע, מגוונים וחשובים לאקולוגיה, הם ממלאים תפקיד משמעותי בהתפתחות המארחים שלהם. בנוסף ללחץ הסלקטיבי שהם מפעילים על אוכלוסיות תאים, כפי שהוזכר לעיל, הם מטפחים את האבולוציה של גנים וגנומים ומגייסים גנים על פני שושלות. ואכן, בניגוד לטענות האחרונות הטוענות כי "וירוסים הוזנחו על ידי ביולוגים אבולוציוניים" (Raoult and Forterre 2008), וירוסים שימשו במשך עשרות שנים כמודלים בגנטיקה של אוכלוסיות - לעתים קרובות מנקודת מבט אפידמיולוגית - מכיוון שהם מתפתחים מהר ויש להם גודל אוכלוסיה גדול. . קצב האבולוציה הגדל שלהם נובע בחלקו מהעובדה שפולימראזות ויראליות רבות נוטות לשגיאה אך גם למספר הדורות הגדול שיכולים להתרחש בטווחי זמן קצרים מאוד, למשל כתוצאה מהדבקה רצופה של תאים באותה אוכלוסייה. או אורגניזם. מודלים ויראליים מאפשרים אפוא לבדוק תחזיות המבוססות על השערות שונות בגנטיקה של האוכלוסייה (למשל, Gojobori et al. 1990 Lauring and Andino 2010).

בנוסף, גנומיקה השוואתית וניתוחים פילוגנטיים מולקולריים מראים בבירור כי וירוסים הם כלי פעיל להעברת גנים אופקית (HGT). גנום ויראלי או שברי גנום (DNA או RNA המועבר מחדש) יכולים לשלב מחדש עם DNA מארח, למשל בשלבים ליזוגניים. ניתן לשלב שברי DNA ויראלי גם בגנומים פרוקריוטיים בין רצפים פלינדרוםיים קצרים באזורים הידועים כ-CRISPRs (מקבצים חזרות פלינדרום קצרות מרווחים בקביעות), המספקים חסינות לחיידקים ולארכיאה נגד וירוסים ספציפיים (Horvath andBarrangou 2010). ניתן לשלב גנים מהמארח בגנום הנגיפי במהלך הרקומבינציה או להיפך, גנים ממקור זר (או מנגיפים או מתורמים תאיים מרוחקים המועברים בגנום ויראלי) יכולים להחדיר לגנום התא. בדרך זו, וירוסים עשויים לקדם את האבולוציה המארחת על ידי תיווך של העברת גנים בין קווי תאים, שהיא תופעה נרחבת באבולוציה (Gogarten ו- Townsend 2005) או על ידי קידום רקומבינציה של גנים סלולריים (Zeidner et al. 2005). נראה כי חלק מהגנים התאיים, שמובילים מדי פעם לחידושים, מגיעים מווירוסים, כמו הגנים המקודדים לאנזים הטלומראז (Eickbush 1997 Nakamura et al. 1997) או syncytin (ממקור רטרו-ויראלי אפשרי), המצוי ביונקים שליה (Dupressoir et al. 2009). עם זאת, כפי שראינו, גנים מתפתחים מהר בגנום הנגיפי, ולכן קשה מאוד לקבוע אם גנים ויראליים הם באמת ממקור ויראלי או שהם גנים תאיים שהתפתחו ללא הכר. להיפך, אין ספק שגנים תאיים נלכדים על ידי גנומים ויראליים. ייתכן שגנים תאיים המשולבים בגנום הנגיפי באמצעות רקומבינציה נרכשו בטעות והלכו לאיבוד במשך דורות, אך הם עשויים להיות מועברים לתאים אחרים במהלך שהותם בגנום הנגיפי. עם זאת, גנים תאיים שנלכדו על ידי גנומים ויראליים עשויים להעניק יתרון הסתגלותי, למשל, במהלך הדבקה. דוגמה ברורה היא גנים המקודדים אלמנטים של מערכות פוטו-סיסטם II (Sullivan et al. 2006) ו-I (Sharon et al. 2009) המצויים בציאנופגגים רבים (וירוסים המדביקים את הציאנובקטריה הפוטוסינתטית), המתבטאים במהלך הדבקה בפאג', ומספקים תועלת כלשהי. .

ההכרה ההולכת וגוברת כי נגיפים חשובים באקולוגיה ובאבולוציה, ובמיוחד הגילוי של וירוסים ענקיים בעלי גנום גדול מאוד המקודד מאות חלבונים, החיה מחדש ויכוח ארוך שנים על תפקידם של וירוסים בביולוגיה ומקור החיים, וייחסו לנגיפים תפקיד מפתח או ראשוני. עם זאת, הוויכוח הזה ניזון מהרבה אלמנטים מבלבלים. להלן ננסה להבהירם כדי להבחין בין עובדות ומושגים מהשערות ומן ספקולציות מופרכות. אבל קודם כל, על מה הוויכוח?


תוצאות

מכיוון שהגנום החדש של נגיף ה-BSL מכיל גנים הומולוגיים לנגיפים ssRNA ו-ssDNA כאחד, הוא ייקרא באופן זמני כאן "וירוס היברידי של RNA-DNA", בקיצור "RDHV". למרות שהגנום BSL RDHV הוא מעגלי, גודל הגנום הוא בערך כפול מזה של וירוסים טיפוסיים, וה-ORFs מסודרים באוריינטציה לא שכיחה (איור 1A). ה-BSL RDHV Rep מכיל תחום N-terminal rolling circle replicase endonuclease (RCRE) (PF02407) [25] ותחום C-terminal superfamily-3 RNA helicase (S3H) (PF00910), שניהם נמצאים ב-circoviral Reps [ 26]. לולאת גזע DNA משומרת מאוד באזור הבין-גני במעלה הזרם של Rep נמצא הן ב-BSL RDHV והן בסירקובירוסים של חזירים [27] (איור 1B). הגן CP, לעומת זאת, דומה לאלו של נגיפי הטומבוסים הקטנים האיקוסהדרליים (+)ssRNA (PF00729).

ארגון הגנום BSL RDHV. (א) ייצוג סכמטי של טומבוס -וירוס, BSL RDHV וגנום של נגיף הנגיף (PCV): וירוסים מסוג טומבוס הם וירוסים ssRNA לינארית, BSL RDHV ו- PCV הם וירוסים ssDNA מעגליים. פסים מתחת ל-ORF מציינים משפחות חלבונים שזוהו על ידי InterProScan. (ב) השוואה בין לולאות גזע PCV-1 ו-BSL RDHV: גם ל-BSL RDHV וגם ל-circovirus יש לולאת גזע משומרת באזור הבין-גני במעלה הזרם של Rep. טקסט שחור מציין זהות רצף. מקורות שכפול לא-נוקלאוטידים בלולאה 13nt מסומנים. סוגריים מצביעים על גזע 9 הנוקלאוטידים שלפני החזרות חוזרות H1 ו- H2 (קופסאות אפורות).

חיפושים מ- BLAST וניתוח פילוגנטי מצביעים על כך שה- BSL RDHV Rep קשור קשר הדוק יותר לחזרות סירקווירליות מאשר לאלה של וירוסים או פלסמידים אחרים (איורים 2 ו- 3A). יישור רצף חומצות אמינו מצביע על שימור משמעותי בשני תחומי RCRE ו-S3H Rep (איור 4). תחום ה-N-terminal RCRE מכיל מוטיבים שמורים היטב I, II ו-III. ה-α3-helix המשוער מכיל את מוטיב III (YxxK) טירוזין באתר הפעיל [28-31]. תחום S3H מכיל גם מוטיבים משומרים היטב של Walker-A, Walker-B, B' ו-C [32-35]. ניתוחים אלה, בשילוב עם המעגליות של הגנום והנוכחות של לולאת גזע DNA דמוית סירקובירוס לפני Rep, מצביעים על כך שהמבודד BSL הוא ישות דמוית סירקובירוס [26] ומרמזים שהגנום הארוז מורכב מ-ssDNA.

נתוני BLASTp עבור רצפי חומצות אמינו Rep. רצף חומצות האמינו של BSL RDHV Rep ORF הושווה לרצפי Rep קשורים באמצעות BLASTp. מוצגים פרמטרי פלט. ייעודי משפחת וירוסים מסומנים במידת האפשר. (GOS) Global Ocean Survey פיגומי קריאה 10666 ו-6801. (PCV2) Porcine Circovirus-2, (StCV) Starling Circovirus, (DfCyV) Dragonfly Cyclovirus. (BBTV) וירוס Banana Bunchy Top, (SCSV) וירוס פעלולים תת -קרקעי. (TPCTV) וירוס פסאודו מתולתל עגבניות, (HrCTV) וירוס עליון מתולתל של חזרת.

פילוגניות של מעגל מתגלגל (Rep) וחלבון קפסיד (CP). . (א) פילוגניית החלבון Rep הוסקה מ-204 עמדות חומצות אמינו משומרות בשיטת Neighbor-Joining. ערכי Bootstrap מעל סף מובהקות של 60%, בהתבסס על 1000 שכפולים, מוצגים ליד הענפים. NANOVIRIDAE: (SCSV) וירוס פעלולי תלתן תת קרקעי, (BBTV) נגיף בננה בונצ'י טופ. CIRCOVIRIDAE: (DfCyV) ציקלופירוס שפירית, (BatCV) וירקובית עטלף, (StCV) זרם וירוס זרבובית, (PCV2) סירקרוס וירוס -2. (GOS) Global Ocean Survey פיגומי קריאה 6801 ו-10666. (ב) פילוגניה של חלבון קפסיד (CP) הוסק מ-256 עמדות חומצות אמינו משומרות בשיטת Neighbor-Joining. ערכי Bootstrap מעל סף מובהקות של 60%, בהתבסס על 1000 שכפולים, מוצגים ליד הענפים. TOMBUSVIRIDAE: דיאנטובירוסים (RCNMV) נגיף פסיפס נמק של תלתן אדום, (CRSV) Virus Ringspot Virus. Aureusviruses: (CLSV) וירוס כתמי עלה מלפפון, (PLV) וירוס סמוי פוטוס. וירוסי טומבוס (AMCV) וירוס קמטים ארטישוק, (TBSV) וירוס פעלולים עגבניות, (HaRV) נגיף האוול ריבר טומבוס. Tombusviridae לא מסווג (PLPV) וירוס קו דפוס פלרגוניום. קרמוווירוסים (MNSV) וירוס כתמים נמקיים של מלון, (SgCV) וירוס קקטוס סגוארו, (CMtV) וירוס ציפורנים, (TCV) וירוס קמטים לפת. Avenavirus (OCSV) וירוס פעלולים כלורוטי שיבולת שועל. דמוי NODAVIRIDAE: (SmV-A) Sclerophthora macrospora וירוס-A, (PhV-A) Plasmopara halstedii וירוס-A. (GOS) Global Ocean Survey רצף קריאה מצמד 10665. חלבוני וירוס שעבורם מבנים זמינים מופיעים עם קוד הזיהוי של Protein Data Bank (PDB) לאחר קיצור הנגיף.

יישור רצף מרובה של חומצות אמינו (Rep) העתק מעגל מתגלגל. רצף BSL RDHV Rep ORF (BSL_Rep_ORF) מיושר לרצפים קשורים זה לזה שנאספו מ- NCBI באמצעות חיפושים PSI-BLAST. יישור רצף בוצע באמצעות ClustalW שהוגדר לפרמטרי ברירת מחדל ב-MEGA v.5. המוטיבים של תחום האנדו-נוקליז I, II ו- III, ו- superfamily-3 helicase domain Walker A P-loop NTPase (W-A P-loop), Walker B (W-B), B ’ו- C מוטיבים מסומנים ומתויגים. תחומי נוקלאז של Rep (RCRE) ו- superfamily-3 helicase (S3H helicase) מסומנים על ידי חיצי בלוק מעל יישור הרצף. ערכת צבעים ClustalW מוחלת על היישור המרובה באמצעות Jalview. טווח שאריות חומצות האמינו המשמשות את היישור מוצגות לאחר שם הרצף. (GOS) Global Ocean Survey פיגומי קריאה 10666 ו-6801. CIRCOVIRIDAE: (PCV2) Porcine Circovirus-2, (StCV) Starling Circovirus, (BatCV) Bat Circovirus, (DfCyV) Dragonfly Cyclovirus. NANOVIRIDAE: (BBTV) Banana Bunchy Top Virus, (SCSV) Sub-terranean Clover Stunt Virus.

חיפושי BLAST וניתוח פילוגנטי מצביעים על כך שחלבוני קפסיד BSL RDHV קבוצות עם ה-CPs של נגיפי ssRNA עם גנומים רב-חלקיים (SmV-A ו-PhV-A) וה-ssRNA החד-חלקי Tombusviridae, למעט חלבוני קפסיד המצויים ב-ssDNA circoviruses, וננו-וירוסים מדביקי צמחים וגמיני-וירוס המקודדים גם ל-Rep (איורים 3B ו-5). וירוסי SmV-A ו-PhV-A מסווגים מבחינה טקסונומית כווירוסים דמויי Noda לא מסווגים. הערכה זו מבוססת בעיקר על רצף ה- RNA- פולימראז (RdRp) התלוי ב- RNA ולא על CP [36], שכנראה נרכש מאב קדמון דמוי טומבוס [24]. מכיוון שנגיף הנקודה הנמקית של מלון ומספר נגיפי טומבוס אחרים מועברים אל הצמחים שהם מדביקים על ידי וקטורים פטרייתיים, סביר להניח שה-SmV-A ו-PhV-A הרב-צדדיים, המדביקים טחב פלומתי של צמחים, שילבו תמליל RNA המקודד לדמוי-טומבוס. CP.

נתוני BLASTp עבור רצפי חומצות אמינו של קפסיד (CP). רצף חומצות האמינו BSL RDHV CP ORF הושווה לרצפי CP קשורים באמצעות BLASTp. מוצגים פרמטרי פלט. ייעודי משפחת וירוסים מסומנים במידת האפשר. (GOS) Global Ocean Survey רצפי קריאה לזווג 10665 ו- 6800. (SmV-A) Sclerophthora macrospora וירוס-A, (PhV-A) Plasmopara halstedii וירוס-A. (HaRV) Havel River Tombusvirus, (TBSV) נגיף עגבניות בושי פעלולים, (OCSV) וירוס שיבולת שועל כלורוטי, (MNSV) וירוס כתמים נמקיים של מלון, (SgCV) וירוס קקטוס סאגוארו, (TCV) וירוס קמטים לפת, (CMtV) ציפורן. וירוס, (RCNMV) וירוס פסיפס נמק של תלתן אדום, (CRSV) וירוס כתמי ציפורן, (STNV) לווין של וירוס נמק טבק, (SV-MWLMV) וירוס לווין של וירוס פסיפס קו לבן תירס, (SCSV) וירוס פעלולי תלתן תת קרקעי, ( BBTV) Banana Bunchy Top Virus, (HrCTV) חזרת Curly Top Virus, (PCV2) Porcine Circovirus-2, (StCV) Starling Circovirus, (DfCyV) Dragonfly Cyclovirus.

כַּמָה Tombusviridae מבני חלבון קפסיד נפתרו, כולל ssRNA Tomato Bushy Stunt (TBSV) ו- Melon Necrotic Spot (MNSV) tombusviruses [37, 38]. למבנים אלה יש מעטפת אופיינית (S) ותחומים מקרינים (P) המקושרים באמצעות ציר קצר [39]. האזור ה-N-טרמינלי שלפני תחום ה-S מכונה ה-RNA-interacting, או R domain. תחום ה- R, המאפשר ל- CP לקיים אינטראקציה עם ה- RNA הנגיפי בחלק הפנימי של הוויריון, נמצא בדרך כלל כבלתי מובנה ומכיל שאריות בסיסיות של חומצות גרעין בעלות אינטראקציה [37]. אזור הזרוע המקשרת (a), בין תחומי ה-R וה-S, יוצר מבנה β-annulus המחבר שלושה CPs בצירי הסימטריה המשולשים ב-virion [40]. יישור רצף מרובה של ClustalW של BSL ו-CPs קשורים מדגים רמות שונות של שימור בכל אחד מאזורי תחום ה-CP (איור 6). הרמה הגבוהה ביותר של שימור רצף נמצאת בתחום ה-S של חלבונים אלה [41]. הרבה מה Tombusviridae מכילים גם מוטיב קושר יוני סידן (DxDxxD) באזור האינטראקציה של תחום ה-S [42, 43] שנחשב כמסייע בהסרת הציפוי של הנגיף כאשר הוא נכנס לסביבת הסידן הנמוכה של הציטופלזמה של התא הצמחי [44]. החלפת החומצות האספרטיות D155 ו-D157 באספרגינים (N) במוטיב יצרה מוטנט חסר קושר יוני סידן של נגיף לפת קמטוט (TCV) CP [44]. למרבה הפלא, אותן תחליפי חומצות אמינו קיימים בחלבון BSL RDHV capsid (איור 6).

יישור רצף רב של חומצות אמינו של חלבון קפסיד (CP). . רצף BSL RDHV CP ORF (BSL_Cap_ORF) מיושר לרצפים הקשורים זה לזה שאוחזרו מחיפושי PSI-BLAST באמצעות ClustalW שהוגדרו לפרמטרי ברירת מחדל ב-MEGA v.5. אזורי התחום R, a, S, h ו-P מסומנים על ידי חיצי בלוק מעל יישור הרצף. ערכת צבעים ClustalW מוחלת על היישור המרובה באמצעות Jalview. (GOS) גלובל אושן סקר פיגום קריאה לזווג 10665. דמוי NODAVIRIDAE: (PhV-A) Plasmopara halstedii Virus-A, (SmV-A) Sclerophthora macrospora וירוס-A. TOMBUSVIRIDAE: Avenavirus (OCSV) וירוס פעלולים כלורוטי שיבולת שועל. קרמוווירוסים (MNSV) וירוס כתמים נמקיים של מלון, (CMtV) וירוס ציפורנים, (TCV) וירוס קמטים לפת. וירוס טומבוס (TBSV) וירוס פעלולים עגבניות בושי. טווח שאריות חומצות האמינו המשמשות ביישור מוצגים אחרי שם הרצף. חלבוני וירוס שעבורם מבנים זמינים מופיעים עם קוד הזיהוי של Protein Data Bank (PDB) לאחר קיצור הנגיף.

הדמיון המבני הוערך עבור חלבוני CP ו-Rep על ידי השחלת רצפי BSL RDHV למבנים פתורים הומולוגיים. כדי לבסס את ההשערה שה-BSL RDHV CP תואם את תצורת תחום SP, מבנה ה-BSL RDHV CP נחבא על ידי השחלה באמצעות המבנים הידועים של CPs MNSV (PDB ID: 2ZAH) ו-TBSV (PDB ID: 2TBV) (איור 7A) ). ציוני ה- Z לחיזוי המבנה היו 71.1 ו -54.4, בהתאמה (ציון Z מעל 10 מצביע על מודל אמינות גבוה). המבנה החזוי של חלבון הקפסיד BSL RDHV היה תואם מאוד לארכיטקטורת תחום S-P שנמצאה בנגיפים ssRNA TBSV ו-MNSV tombusvirus. תחום ה-S הוא קפל ג'לי-רול β-barrel קנוני המורכב מתשעה גדילי β אנטי מקבילים ושני סלילי α הממוקמים בין גדילי β-2 / β-3, ו-β-4 / β-5 [45]. תחום ה-P נמצא בתצורת β-barrel המורכבת מ-8 גדילי β אנטי מקבילים, עם סיבוב β נוסף בין הציר לתחום P. לא קיימים סלילי α ב-P-domain. BSL RDHV הוא וירוס ה- DNA הידוע היחיד המכיל את ארכיטקטורת תחום ה- S-P המשוערת, שנמצאת אחרת אך ורק בנגיפי ssRNA.

BSL RDHV חזה מבני חלבון. (א) ניתוח מבני של חלבון קפסיד BSL RDHV: המבנה החזוי לשאריות 156-302 של מונומר חלבון הקפסיד BSL RDHV ORF מונחת על חלבוני הקפסיד של Tomato Bushy Stunt (PDB ID: 2TBV) ו- Melon Necrotic Spot Virus (PDB ID: 2ZAH) (שניים האחרונים אינם מוצגים ). הקפסיד החזוי של BSL RDHV מקודד בצבע על ידי ציון פרמטר התאמת מבנה ממדי "Qres", לפי BLOSUM80, ועל ידי אחוז זהות רצף חומצות אמינו. (ב) ניתוח מבני של הליבה הקטליטית הקטליטית של BSL RDHV: מבנה תחום הגרעינים של ה- BSL RDHV Rep החזוי (בצבע Qres) מושחל על PCV2 Rep (מזהה PDB: 2HW0) בכסף. טירוזין האתר הפעיל השמור מוצג בצהוב.

מבנים עבור אזורי BSL Rep ו-S3H נחזו גם הם בביטחון גבוה בהתבסס על תחום הגרעין של ssDNA Porcine Circovirus-2 (PCV2) Rep (מזהה PDB: 2HW0, Z-score = 128) [30] (איור 7B) ו תחום ההליקאזות מולטימרי E1 של וירוס הפפילומה (PDB ID: 1TUE, Z-score = 68) [46]. תחום הנוקליאז החזוי של נציג BSL RDHV מכיל את מוטיב האתר הפעיל YxxK בסליל α3, בדומה לנציגים ויראליים אחרים [47, 48] (איור 7B). המבנה החזוי של תחום ההליקאזים של BSL RDHV Rep מסוגל להיות מורכב כראוי בסיליקו ליחידה הקסאמרית שלמה (נתונים לא מוצגים).

בשל היעדר דמיון רצף ניתן לזיהוי, לא ניתן להציע פונקציות עבור BSL RDHV ORF-3 או ORF-4. ORF-3 ו-ORF-4 אינם הומולוגים של ORFs tombusvirus עם אותו ייעוד, כפי שמתואר באיור 1A.

זיהוי וירוסים דומים בסביבות אחרות

כדי לקבוע אם ה-BSL RDHV אנדמי לאגם Boiling Springs, או שהוא מייצג קבוצה גדולה יותר של וירוסים, נסרקו מסדי נתונים של רצפים סביבתיים לאיתור רצפי CP ו-Rep הומולוגיים המסודרים בתצורות דומות. רצפים של שני החלבונים נמצאו דומים לרצפי DNA מטאנומי מתורגמים שנגזרו מסקר האוקיינוס ​​העולמי (GOS) [49]. גם רצף החלבון של BSL RDHV Rep היה דומה לזה אנטמובה ו ג'ארדיה רצפים משולבים דמויי Rep, אולי נרכשו מנגיפים או פלסמידים [50] (איורים 23A ו-4).

שלושה גנומים מועמדים דמויי BSL RDHV זוהו בסביבות ימיות. למרות שרצפי GOS רבים דומים לחלבוני BSL RDHV CP או Rep, רק שני פיגומי קריאה מזווגים מה- GOS מכילים גנים מסוג CP דמויי קירק וירוס ודומה ל- tombusvirus הדומים ל- BSL RDHV (GOS 10665-10666 ו- GOS 6800–6801 GI: 142008897 ו- GI: 134313054, בהתאמה) (איורים 2 עד 6). רצף GOS 6800 CP קטוע ולכן לא היה בשימוש ביישור מרובה או בניתוח פילוגנטי, אולם הרצף הזמין הספיק להשוואת BLASTp (איורים 3B5 ו- 6). רצף ה- GOS 6801 Rep (GI: 142008897 / EBA57255.1), בעוד שהוא דומה ל- BSL RDHV, מכיל גם קיפול חלבון parvoviral NS1 משוער שזוהה במספר רצפי Rep circoviral Rep מטריום ימיים [51], ואולי מעיד על היסטוריה של חילופי גנים לרוחב בין קבוצות וירוסים ssDNA לינארית (parvoviral) ועגלית. כן זוהה רצף של רובה ציד מים סרגסו [52] (GI: 129569619), המכיל שברים רציפים של N ו- C של מסוף ו- CP הדומים לרצפי BSL RDHV ונמצאים באותו כיוון (הנתונים אינם מוצגים ). נתונים אלה מצביעים על כך שווירוסים דמויי BSL RDHV שלא זוהו בעבר הם נפוצים בסביבה הימית, וסביר להניח שהם יימצאו גם בסביבות אחרות.


שִׁעתוּק

רבייה בפרוקריוטים היא א-מינית ומתבצעת בדרך כלל בביקוע בינארי. נזכיר שה-DNA של פרוקריוט קיים ככרומוזום יחיד ועגול. פרוקריוטים אינם עוברים מיטוזה. במקום זאת, הכרומוזום משוכפל ושני העותקים המתקבלים נפרדים זה מזה בגלל צמיחת התא. הפרוקריוט, המוגדל כעת, נצבט פנימה בקו המשווה שלו ושני התאים שנוצרו, שהם שיבוטים, נפרדים. ביקוע בינארי אינו מספק הזדמנות לרקומבינציה גנטית או למגוון גנטי, אך פרוקריוטים יכולים לחלוק גנים בשלושה מנגנונים אחרים.

ב טרנספורמציה, הפרוקריוט לוקח DNA שנמצא בסביבתו שנשפך על ידי פרוקריוטים אחרים. אם חיידק לא פתוגני לוקח DNA עבור גן רעלן מפתוגן ומשלב את ה-DNA החדש בכרומוזום שלו, גם הוא עלול להפוך לפתוגני. ב התמרה, בקטריופאגים, הנגיפים המדביקים חיידקים, לפעמים גם מעבירים פיסות קצרות של DNA כרומוזומלי מחיידק אחד למשנהו. התמרה גורמת לאורגניזם רקומביננטי. ארכאים אינם מושפעים מבקטריופאג'ים אלא יש להם וירוסים משלהם המעבירים חומר גנטי מפרט אחד לאחר. ב נְטִיָה, DNA מועבר מפרוקריוט אחד למשנהו באמצעות פילוס, המביא את האורגניזמים במגע זה עם זה. ה-DNA המועבר יכול להיות בצורה של פלסמיד, חתיכה עגולה קטנה של DNA חוץ-כרומוזומלי, או כהיברידית, המכילה גם פלסמיד וגם DNA כרומוזומלי. שלושת התהליכים הללו של חילופי DNA מוצגים באיור 2.

רבייה יכולה להיות מהירה מאוד: כמה דקות עבור מינים מסוימים. זמן הדור הקצר הזה יחד עם מנגנונים של רקומבינציה גנטית ושיעורים גבוהים של מוטציה מביאים לאבולוציה מהירה של פרוקריוטים, מה שמאפשר להם להגיב לשינויים סביבתיים (כגון החדרת אנטיביוטיקה) במהירות רבה.

איור 2. מנגנוני העברת גנים בפרוקריוטים. ישנם שלושה מנגנונים שבאמצעותם פרוקריוטים יכולים להחליף DNA. ב (א) טרנספורמציה, התא קולט DNA פרוקריוטי ישירות מהסביבה. ה-DNA עשוי להישאר נפרד כ-DNA פלסמיד או להיות משולב בגנום המארח. ב-(ב) התמרה, בקטריופאג מחדיר DNA לתא המכיל קטע קטן של DNA מפרוקריוט אחר. ב-(ג) צימוד, ה-DNA מועבר מתא אחד למשנהו דרך גשר הזדווגות, או פילוס, המחבר בין שני התאים לאחר שפילוס המין מושך את שני החיידקים קרוב מספיק כדי ליצור את הגשר.

האבולוציה של פרוקריוטים

כיצד מדענים עונים על שאלות על התפתחות הפרוקריוטים? בניגוד לבעלי חיים, חפצים בתיעוד המאובנים של פרוקריוטים מציעים מעט מאוד מידע. מאובנים של פרוקריוטים עתיקים נראים כמו בועות זעירות בסלע. כמה מדענים פונים לגנטיקה ולעיקרון השעון המולקולרי, הטוען שככל ששני המינים התבדלו לאחרונה, כך הגנים שלהם (וכך החלבונים) יהיו דומים יותר. לעומת זאת, למינים שהתפצלו לפני זמן רב יהיו יותר גנים שאינם דומים.

מדענים במכון האסטרוביולוגיה של נאס"א ובמעבדת הביולוגיה המולקולרית האירופית שיתפו פעולה לניתוח האבולוציה המולקולרית של 32 חלבונים ספציפיים המשותפים ל -72 מינים של פרוקריוטים. 2 המודל שהוציאו מנתוניהם מציין כי שלוש קבוצות חיידקים חשובות - אקטינובקטריה, Deinococcus, וציאנובקטריה (נקראים ביחד Terrabacteria על ידי המחברים) - היו הראשונים ליישב אדמות. אקטינובקטריות הן קבוצה של חיידקים גראם חיוביים נפוצים מאוד המייצרים מבנים מסועפים כמו תפטיר פטרייתי, וכוללים מינים חשובים בפירוק פסולת אורגנית. אתה תזכור את זה Deinococcus הוא סוג של חיידק בעל עמידות גבוהה לקרינה מייננת. יש לו שכבת פפטידוגליקן עבה בנוסף לממברנה חיצונית שנייה, ולכן יש לו תכונות של חיידקים גראם חיוביים וגם של חיידקים גראם שליליים.

ציאנובקטריה הם פוטוסינתיזיזרים, וכנראה היו אחראים לייצור חמצן על פני כדור הארץ הקדום. קווי הזמן של ההתבדלות מצביעים על כך שחיידקים (חברי תחום החיידקים) התפצלו ממינים קדומים נפוצים לפני 2.5 עד 3.2 מיליארד שנים, בעוד שהארכאאה התפצלה קודם לכן: בין 3.1 ל-4.1 מיליארד שנים. מאוחר יותר סטה אוקריה מהקו הארכאי. עוד עולה מהעבודה כי סטרומטוליטים שנוצרו לפני הופעת הציאנובקטריה (לפני כ-2.6 מיליארד שנים) עשו פוטוסינתזה בסביבה אנוקסית וזאת בגלל השינויים של ה- Terrabacteria לקרקע (התנגדות לייבוש והחזקת תרכובות המגנות על האורגניזם מעודף אור), פוטוסינתזה באמצעות חמצן עשויה להיות קשורה קשר הדוק להתאמות לשרוד ביבשה.

לסיכום: התא הפרוקריוטי

פרוקריוטים (תחומים Archaea ו-Bacteria) הם אורגניזמים חד-תאיים חסרי גרעין. יש להם חתיכה אחת של DNA מעגלי באזור הנוקלואיד של התא. לרוב הפרוקריוטים יש דופן תא שנמצאת מחוץ לגבול קרום הפלזמה. לחלק מהפרוקריוטים עשויים להיות מבנים נוספים כגון קפסולה, דגלים ופילי.


נגיף

וירוס הוא חלקיק מיקרוסקופי שיכול להדביק את התאים של אורגניזם ביולוגי.

וירוסים יכולים לשכפל את עצמם רק על ידי הדבקה של תא מארח ולכן אינם יכולים להתרבות בעצמם.

ברמה הבסיסית ביותר, נגיפים מורכבים מחומר גנטי הכלול בתוך מעטה חלבוני מגן הנקרא קפסיד. קיומם של חומר גנטי וחלבון מבדיל אותם מחלקיקים דמויי וירוסים אחרים כמו פריונים וויירואידים.

הם מדביקים מגוון רחב של אורגניזמים: גם אוקריוטים (בעלי חיים, פטריות וצמחים) וגם פרוקריוטים (חיידקים).

וירוס שמדביק חיידקים ידוע בתור בקטריופאג', לרוב מקוצר לפאג'.

חקר הנגיפים ידוע בשם וירולוגיה, ומי שחוקר וירוסים ידוע בתור וירולוגים.

התווכחו רבות אם וירוסים הם אורגניזמים חיים.

רוב הווירוולוגים רואים בהם לא חיים, מכיוון שהם אינם עומדים בכל הקריטריונים של ההגדרה המקובלת לחיים.

הם דומים לטפילים תוך תאיים מכיוון שהם חסרים את האמצעים להתרבות עצמית מחוץ לתא מארח, אך בניגוד לטפילים, וירוסים בדרך כלל אינם נחשבים לאורגניזמים חיים אמיתיים.

סיבה עיקרית היא שלנגיפים אין קרום תא או עוברים חילוף חומרים בעצמם - מאפיינים של כל האורגניזמים החיים.

דוגמאות למחלות אנושיות נפוצות הנגרמות על ידי וירוסים כוללות הצטננות, שפעת, אבעבועות רוח וכוויות קור.

מחלות קשות כמו אבולה, איידס, שפעת העופות וסארס נגרמות גם הן על ידי וירוסים.


פרוקריוטים

פרוקריוטים הם אורגניזמים המורכבים מתאים חסרי גרעין תא או כל אברון עטוף בממברנה. המשמעות היא שהדנ"א של החומר הגנטי בפרוקריוטים אינו קשור בתוך גרעין. בנוסף, ה-DNA פחות מובנה בפרוקריוטים מאשר באוקריוטים: בפרוקריוטים, DNA הוא לולאה בודדת בעוד שבאוקריוטים DNA מאורגן לכרומוזומים. רוב הפרוקריוטים מורכבים מתא בודד בלבד (חד תאי) אך ישנם כמה שעשויים מאוספים של תאים (רב-תאיים).

מדענים חילקו את הפרוקריוטים לשתי קבוצות, החיידקים והארכאים. חיידקים מסוימים, כולל E Coli, Salmonella ו- Listeria, נמצאים במזונות ויכולים לגרום למחלות, אחרים למעשה מועילים לעיכול האדם ולתפקודים אחרים. ארכיאה התגלתה כצורת חיים ייחודית המסוגלת לחיות ללא הגבלת זמן בסביבות קיצוניות כמו פתחי אוורור הידרותרמיים או קרח ארקטי.

תא פרוקריוטי טיפוסי עשוי להכיל את החלקים הבאים:

    : הקרום המקיף את התא ומגן עליו : כל החומר שבתוך התא מלבד הגרעין
  • פלגלה ופילי: נימים המבוססים על חלבון הנמצאים בחלק החיצוני של כמה תאים פרוקריוטים
  • נוקלואיד: אזור דמוי גרעין בתא שבו נשמר החומר הגנטי
  • פלסמיד: מולקולה קטנה של DNA שיכולה להתרבות באופן עצמאי

תודות

המחברים מודים לאליין ברקלי ולקים פינדליי על הכשרת TEM וסיוע בהכנת דגימות TEM, Maite Vaslin de Freitas Silva על אספקת צמחים וריאגנטים בברזיל וצוטומו מטוי לדיונים בנושא הביופיזיקה של NωV. אנו מודים למאט ביירן וטום דנדובן על דיונים מועילים בנושא עיבוד הנתונים של cryo-EM. במרכז ג'ון אינס, עבודה זו נתמכה על ידי מועצת המחקר של בריטניה לביוטכנולוגיה ומדעי הביולוגיה (BBSRC) מרכז המחקר לביולוגיה סינתטית "OpenPlant" (BB/L014130/1), מענק התוכנית האסטרטגית של המכון "מולקולות מהטבע - משופרות יכולת מחקר" (BBS/E/J/000PR9794), פרס מענק הון (BBSRC) לביסוס יכולת Cryo-EM במרכז ג'ון אינס ובקרן ג'ון אינס. הניסויים שנעשו ב-Universidade Federal do Rio de Janeiro נתמכו על ידי Conselho Nacional de desenvolvimento científico e tecnológico, CNPq Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro, FAPERJ. המיקרוסקופים ThermoFisher Titan Krios מומנו על ידי אוניברסיטת לידס (פרס UoL ABSL) ו-Wellcome Trust (108466/Z/15/Z).


הפניות

Raoult D, Audic S, Robert C, Abergel C: רצף הגנום של 1.2 מגה-בסיס של Mimivirus. מַדָע. 2004, 306: 1344-1350. 10.1126/מדע .101485.

Philippe N, Legendre M, Doutre G, Couté Y: וירוסי פנדורה: נגיפי אמבה עם גנומים של עד 2.5 מגה-ביט המגיעים לזה של איקריוטים טפילים. מַדָע. 2013, 341: 281-286. 10.1126/מדע.1239181.

Legendre M, Bartoli J: קרוב משפחה רחוק בן שלושים אלף שנה של נגיפי DNA ענקיים עם מורפולוגיה של פנדורה. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014, ᅟ: ᅟ-doi:10.1073/pnas.1320670111

Campos R, Boratto P: Virus Samba: מימיווירוס חדש מיער גשם ענק, האמזונס הברזילאי. Virol J. 2014, 11: 95-10.1186/1743-422X-11-95.

Yutin N, Koonin E: נגיפי פנדורה הם נגיפי phycodna-נגיפים מאוד. ביול ישיר. 2013, 8: 25-10.1186/1745-6150-8-25.

La SB, Desnues C, Pagnier I, Robert C: The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus. טֶבַע. 2008, 455: 100-104. 10.1038/nature07218.

Fischer M, Suttle C: A virophage at the origin of large DNA transposons. מַדָע. 2011, 332: 231-234. 10.1126/science.1199412.

Yutin N, Raoult D, Koonin EV: Virophages, polintons, and transpovirons: a complex evolutionary network of diverse selfish genetic elements with different reproduction strategies. Virol J. 2013, 10: 158-10.1186/1743-422X-10-158.

Krupovic M, Bamford DH, Koonin EV: Conservation of major and minor jelly-roll capsid proteins in Polinton (Maverick) transposons suggests that they are bona fide viruses. Biol Direct. 2014, 9: 6-10.1186/1745-6150-9-6.

Katzourakis A: Paleovirology: inferring viral evolution from host genome sequence data. Phil Trans R Soc B. 2013, 368: 1626-10.1098/rstb.2012.0493.


צפו בסרטון: The Theory of Evolution by Natural Selection. Cornerstones Education (אוֹקְטוֹבֶּר 2022).