Вирофа́ги (, ) — группа вирусов, которые могут размножаться в клетках только в присутствии другого вируса (вируса-хозяина), однако имеющих более сложные геномы и вирионы, чем другие вирусы-сателлиты. Вирофаги имеют икосаэдрические капсиды, их геномы представлены двуцепочечными молекулами ДНК. Первые представители этой группы вирусов описаны в 2008 году, и к концу 2016 года было известно 18 геномов вирофагов, два из которых почти полностью секвенированы. Вирофаги обнаружены в самых разных местообитаниях — в глубоководных районах океанов и на суше; один вирофаг был выделен из жидкости для контактных линз, поэтому, возможно, вирофаги взаимодействуют и с организмом человека.
Вирофагов предложено выделять в семейство Lavidaviridae, филогенетические связи которого пока не вполне выяснены. Впрочем, по состоянию на март 2018 года Международный комитет по таксономии вирусов официально признавал только два рода и три вида.
История изучения У всех изученных вирофагов вирус-хозяин относится к семейству (впрочем, у ряда выделенных вирофагов вирус-хозяин неизвестен), поэтому история изучения вирофагов тесно связана с историей изучения данного семейства гигантских вирусов. До 2008 года в этом семействе был известен только один представитель — мимивирус Acanthamoeba polyphaga mimivirus, поражающий амёбу Acanthamoeba polyphaga. В 2008 году был описан ещё один член семейства Mimiviridae, размножающийся в амёбе Acanthamoeba castellanii и получивший название . В то же время в цитоплазме амёб, заражённых мамавирусом, с помощью электронной микроскопии удалось идентифицировать маленькие вирионы диаметром около 50 нм (их геном состоял из 18 343 пар оснований, кодирующих 21 белок). Они обнаружены в вирусных фабриках мамавируса, за что новый вирус получил название Спутник ().
В амёбах, заражённых мамавирусом и Спутником одновременно, образующиеся вирионы мамавируса имели неправильную морфологию, и только 30 % от них были способны вызывать инфекцию в других клетках. Поскольку Спутник использовал для своего размножения вирусные фабрики мамавируса, снижая эффективность размножения последнего, его выделили в новую группу вирусов, получившую название вирофагов. С тех пор было описано ещё несколько вирофагов (главным образом, на основании метагеномных данных). Удалось выделить шесть вирофагов из самых разных источников — таких как вода, почва и даже жидкость для промывки контактных линз — добытых в самых разных местах: во Франции, США (Техас), Бразилии и Тунисе. Ещё большее число вирофагов известны только по геномным данным и описаны по результатам метагеномного скрининга образцов из самых разных мест.
Описание
Все выделенные вирофаги — это маленькие вирусы, имеющие икосаэдрические капсиды диаметром 35—74 нм. Только у вирофага Спутник была изучена пространственная структура капсида (с помощью криоэлектронной микроскопии). Вирионы Спутника имеют диаметр 74 нм, а его икосаэдрический капсид состоит из 260 псевдогексамерных и 12 пентамерных капсомеров, которые располагаются в вершинах капсида. Псевдогексамерные капсомеры образуются при тримеризации мономеров с помощью укладки типа . В капсомерах имеются центральные полости, которые, как и у бактериофагов, могут служить для входа и выхода из капсида молекул ДНК. Под капсидом находится липидный бислой толщиной 4 нм.
Геномы вирофагов представлены двуцепочечными молекулами ДНК размером от 17 до 30 тысяч пар оснований (п. о.) и кодируют от 16 до 34 белков. Около 60 % генов каждого вирофага — гены-сироты () с неизвестными функциями, то есть они не имеют гомологии ни с одним из известных на данный момент генов. Шесть из известных генов вирофагов есть почти у всех вирофагов; они, как правило, играют важнейшую роль в их репликации. К числу этих генов относятся гены, кодирующие большой и малый белки капсида, гены предполагаемого семейства упаковывающих ДНК АТФаз FtsK-HerA, ген цистеиновой протеазы, ген ДНК-хеликазы/праймазы (S3H), а также ген, кодирующий белок, содержащий домен цинковой ленты (). Кроме того, у нескольких вирофагов имеются консервативные гены, кодирующие интегразы двух различных семейств (предполагаемая тирозиновая интеграза у Спутника и предполагаемая интеграза rve у мавируса и AML). Наличие нескольких консервативных генов свидетельствует в пользу монофилетического происхождения вирофагов.
Разнообразие По состоянию на 2016 год, в базе данных GenBank находились полные или частичные геномные последовательности 18 вирофагов. К концу 2017 года число полных или частичных геномных последовательностей вирофагов, доступных исследователям, возросло до 57.
За открытием вирофага Спутник в 2008 году последовало описание трёх других родственных ему вирофагов. Спутник 2 был выделен в 2012 году из жидкости для промывки контактных линз в ассоциации с Lentillevirus — мимивирусом группы А. Оказалось, что геном лентиллевируса содержит интегрированный в него геном Спутника 2, а также ранее неизвестные мобильные элементы, получившие название . Спутник 3 был обнаружен при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР) в 2013 году в образце почвы. В 2014 году был описан Спутник Рио Негро — вирофаг, паразитирующий на вирусе Самба (мимивирус группы С). Капсид этого вирофага вдвое меньше капсидов других Спутников (его диаметр составляет 35 нм против ~70 нм у остальных мимивирусов).
Геномы всех известных на данный момент Спутников представлены кольцевыми молекулами ДНК. У вирофага Спутника геном включает 18 343 пар оснований (п. о.), 18 338 п. о. — у Спутника 2 и столько же у Спутника 3. Геном Спутника Рио Негро ещё недоступен. Отличия между геномами трёх Спутников составляют менее 10 п. о.; у всех трёх вирофагов геном имеет низкий GC-состав, как у мимивирусов. Они содержат 20—21 открытую рамку считывания (), которые кодируют белки длиной от 88 до 779 аминокислотных остатков (а. о.). Для четырёх генов из геномов мимивирусов нашлись гомологи в геномах эукариот и бактериофагов, для трёх — среди генов мимивирусов и один ген гомологичен гену вируса архей; остальные гены не обнаруживают какой-либо гомологии с известными последовательностями. Столь мозаичный состав генов свидетельствует о том, что эти вирофаги участвуют в горизонтальном переносе генов.
Мавирус стал вторым известным вирофагом. Его капсид имеет сферическую форму и достигает 60 нм в диаметре. Он был выделен в 2010 году из прибрежных вод в Техасе, США. Как уже отмечалось, он паразитирует на вирусе , который заражает морского жгутиконосца . Геном мавируса представляет собой кольцевую двуцепочечную ДНК из 19 063 п. о., содержащую 20 ORF. Как и у Спутников, геном этого вирофага характеризуется низким GC-составом. 10 открытых рамок считывания в обнаруживают гомологию с генами ретровирусов, бактерий, эукариот и вирусов, чей геном представлен двуцепочечной ДНК. В частности, 4 гомологичные ORF найдены в геноме Спутника; они кодируют белок капсида, предполагаемую цистеиновую протеазу, предполагаемую GIY-YIG-эндонуклеазу и предполагаемую упаковывающую ДНК АТФазу.
Вирофаг Замилон был выделен в 2013 году из образца почвы из Туниса вместе с мимивирусом Mont1, принадлежащим к группе С. Вирион имеет сферическую форму, его диаметр достигает 50—60 нм. Геном Замилона — это кольцевая молекула ДНК длиной 17 276 п. о. с низким GC-составом, содержит 20 ORF длиной от 222 до 2337 п. о. Он значительно отличается от генома Спутника: у них идентичны 76 % нуклеотидов при покрытии генома Спутника на 75 %. Тем не менее, 17 ORF Замилона гомологичны генам Спутника, две ORF гомологичны генам Megavirus chiliensis, и одна ORF гомологична гену Moumouvirus monve. Согласно предложенной в 2016 году классификации вирофагов, Замилон и Спутник с его вариантами объединяют в один род Sputnikvirus (где они представляют соответственно виды Mimivirus-dependent virus Zamilon и Mimivirus-dependent virus Sputnik), а мавирус выделяют в отдельный род Mavirus (вид Cafeteriavirus-dependent mavirus).
Первым вирофагом, открытым при помощи методов метагеномики, стал (OVL). Он был обнаружен в 2011 году в пробе воды из — гиперсолёного меромиктического озера (Берег Ингрид Кристенсен, Восточная Антарктида). Сферические частицы этого вирофага диаметром 50 нм были обнаружены при помощи просвечивающей электронной микроскопии. Геном OLV представляет собой кольцевую двуцепочечную молекулу ДНК, содержащую 26 421 п. о. и имеющую GC-состав 36,5 %. Предполагается, что в геноме OLV закодированы 24 белка, из которых шесть гомологичны белкам Спутника. Среди них белок капсида, упаковывающая ДНК АТФаза, предполагаемая ДНК-полимераза/праймаза и три белка с неизвестной функцией.
В 2012—2014 годах при метагеномном анализе вод озера Йеллоустон были получены полные геномные последовательности семи вирофагов, получивших название Yellowstone Lake virophages (YSLV, возможное русское название — вирофаги озера Йеллоустон). Их геномы насчитывают 22—29 тысяч п. о.; в частности длина генома у вирофага YSLV1 составляет 27 849 п. о. с 26 ORF, у YSLV2 — 23 184 п. о. с 21 ORF, у YSLV3 — 27 050 п. о. с 23 ORF, у YSLV4 — 28 306 п. о. с 34 ORF. GC-состав равен 33,4 % у YSLV1, 33,6 % у YSLV2, 34,9 % у YSLV3 и 37,2 % у YSLV4. По результатам проведённого в 2013 году предварительного кладистического анализа, 4 известных тогда вирофага YSLV образовывали единую кладу — сестринскую группу для Спутника, а вирофаг ALM входил совместно с мавирусом в другую кладу. Ещё 3 вирофага из группы YSLV были обнаружены в 2014 году; это — YSLV5 с длиной генома 29 767 п. о. и 32 ORF, YSLV6 (24 837 п. о. и 29 ORF) и YSLV7 (23 193 п. о. и 26 ORF). У вирофага YSLV5 GC-состав равен 51,1 % (что намного выше, чем у других вирофагов группы), у YSLV6 — 26,8 %, у YSLV7 — 27,3 %.
Геном вирофага, паразитирующего на вирусе Phaeocystis globosa virus (PgV), был обнаружен в 2013 году при метагеномном анализе прибрежных вод Нидерландов в ходе сборки цепочки PgV-16T генома вируса PgV. В геноме этого вирофага (Phaeocystis globosa virus-associated virophage, PgVV) были предсказаны 16 ORF, большинство из которых не гомологичны каким-либо из известных последовательностей. Три ORF, кодирующие эндонуклеазу, предполагаемую ДНК-полимеразу и праймазу, гомологичны генам мавируса, ещё одна ORF гомологична гену OLV. Возможно, что данный вирофаг утратил структурные гены, потому что в заражённых клетках гаптофитовой водоросли Phaeocystis globosa обнаруживаются только вирусные частицы вируса-хозяина (PgV). Было высказано предположение, что вирофаг PgVV существует в виде линейной плазмиды или провирофага, интегрированного в геном вируса-хозяина.
В 2013 году была опубликована почти полная геномная последовательность вирофага, получившего название мавирус Эйс-Лейк (, ALM). Она была получена из пробы воды озера Эйс-Лейк в Антарктике. Длина генома этого вирофага составляет 17 767 п. о., он имеет невысокий GC-состав (26,7 %) и содержит 22 ORF, 14 из которых имеют гомологов среди ORF мавируса.
В 2015 году были опубликованы данные о присутствии генома вирофага, похожего на Замилон, в непроветриваемом биореакторе. Новый вирофаг получил название Замилон 2. В том же году появилась информация о присутствии нуклеотидных последовательностей, похожих на последовательности вирофагов, в пищеварительном тракте животных, в том числе человека.
В том же году было обнаружено, что в ядерном геноме хлорарахниофитовой водоросли имеются активно транскрибируемые вставки, соответствующие геномам вирофагов. Кроме того, в геноме этой водоросли имеются последовательности, произошедшие от вирусов порядка Megavirales, а также повторяющиеся элементы, похожие на трансповироны. Возможно, эта водоросль приобрела вставки в виде вирофагов в качестве молекулярного оружия против вирусов.