Бактериофаг свидетельствует в пользу вирусной теории происхождения клеточного ядра

Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (МГУ) и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого впервые установили, как изменяется бактериальная клетка при заражении гигантским вирусом бактерий — бактериофагом phiKZ. Оказалось, что по мере созревания псевдоядра, образуемого фагом в ходе инфекции, внутри него появляется густая сеть из тяжей вирусной ДНК и белков, напоминающая функционально упаковку ДНК в ядрах живых организмов. Это может говорить в пользу теории о том, что клеточные ядра эукариот имеют вирусное происхождение. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Viruses, кратко о них рассказывается на сайте РНФ.

Существует несколько гипотез о том, как из прокариотических (доядерных) организмов возникли эукариоты, клетки которых обладают ядром. Предполагают, например, что появление клеточного ядра связано с симбиозом между представителями двух царств прокариот: бактерией и археей. Проникшая в бактериальную клетку архея, по этой версии, превратилась в ядро. По другой версии, ядро возникло, когда клетка выработала вторую мембрану, а первичная мембрана превратилась в барьер между ядром и остальной частью клетки. Согласно еще одной гипотезе («теория вирусного эукариогенеза»), появившейся в XXI веке, клеточной ядро происходит от вируса, который после заражения клетки (бактерии или археи) стал управлять ей. Эта теория получила значительную поддержку после открытия гигантских сложных ДНК-вирусов (таких как мимивирус), способных к биосинтезу белков.

В новой работе исследователи выяснили, что происходит, когда синегнойную палочку заражает гигантский вирус бактерий — бактериофаг phiKZ. «Некоторое время назад было показано, что бактериофаг phiKZ в ходе инфекции бактериальной клетки образует внутри нее сферическую область — компартмент, причем его размер сравним с самой бактерией. Он покрыт белковой оболочкой, внутри которой упаковывается огромное количество ДНК этого вируса, а также часть ДНК-связывающих белков. По форме и предполагаемой функции этот компартмент напоминает ядро эукариотической клетки, поэтому он и называется псевдоядром», — рассказывает руководитель проекта Мария Якунина, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии Института биомедицинских систем и биотехнологий СПбПУ.

Ученые заражали клетки бактерии бактериофагом phiKZ, а затем окрашивали ДНК вируса и собственную ДНК бактерии флуоресцентными красителями после определенных промежутков времени. Оказалось, что бактериальная ДНК покидает центральное положение в клетке и уходит на периферию, тогда как ее место постепенно занимает вирусная ДНК, которой становится всё больше. Этот же результат показал и другой метод — просвечивающая электронная микроскопия: уже через пять минут после заражения нуклеоид бактерии сдвигается на периферию, а через 15 минут появляется псевдоядро с вирусной ДНК. С самого начала заражения ДНК бактериофага располагается внутри специальных шаровидных компартментов, затем внутри псевдоядра и, наконец, переносится в новообразованные фаговые частицы. Как считают авторы, каждый из этих «отсеков» эффективно отделяет ДНК от систем защиты хозяина.

Новые бактериофаги появляются спустя 30 минут после начала инфицирования. Чтобы исследовать строение зрелого псевдоядра на этом этапе, ученые использовали 3D-электронную микроскопию, или электронную томографию. Они показали, что трехмерная организация фаговой ДНК внутри псевдоядра напоминает сеть из ДНК-белковых комплексов. Вероятно, это отражает сложный механизм компактизации фаговой ДНК, похожей на упаковку ДНК эукариот.

«Мы показали, что инфекция бактериофагом phiKZ приводит к значительным перестройкам внутри бактериальной клетки, превращая бактерию во что-то абсолютно непохожее на нее прежнюю, — комментирует Мария Якунина. — Теория вирусного происхождения ядра — только одна из многих. Однако, наблюдая за процессами внутри клетки, инфицированной гигантским фагом phiKZ, довольно легко представить, что это действительно могло произойти много-много веков назад. При этом высока вероятность, что белки внутри псевдоядра выполняют функцию, аналогичную таковой у гистонов при упаковке ДНК в ядре эукариотической клетки».