Метилирование ДНК позволяет вирусным последовательностям существовать в геномах эукариот

Метилирование ДНК с образованием 5-метилцитозина — широко распространенная модификация генома эукариот. У некоторых организмов метилирование регулирует уровень транскрипции, чаще всего — подавляет мобильные элементы. Широко известная функция метилирования — ингибирование ретровирусов у млекопитающих. Многие гены эукариот имеют вирусное происхождение, чаще всего их источник — гигантские вирусы Nucleocytoviricota. Некоторые исследователи считают, что гены гигантских вирусов сыграли большую роль в появлении эукариот. Недавние работы показали, что гигантские вирусы могут встраиваться в геномы существующих эукариот. Однако теоретически этот процесс очень опасен для эукариот, неясно, почему он не сопровождается их гибелью.

Изучение связи между контролем вирусных вставок и эпигенетической регуляцией затруднено несколькими факторами. Так, известно не так много примеров относительно недавней вставки генов гигантских вирусов в геномы эукариот. К тому же многие эукариоты утратили способность к метилированию цитозина в ходе эволюции. А у тех эукариот, у которых способность сохранилась, метилирование имеет разные функции. Чтобы прояснить этот вопрос, авторы работы в Science Advances искали ближайшего к животным протиста, который бы имел ортолог ДНК-метилтрансферазы DNMT1, то есть обладал способностью метилировать ДНК.

Для поиска авторы использовали геномные и транскриптомные данные одноклеточных представителей группы Holozoa. В результате они обнаружили амебу Amoebidium appalachense, которая первоначально была выделена из кутикулы пресноводных членистоногих и входит в состав группы Ichthyosporea. Доменная архитектура DNMT1 у A. appalachense близка к таковой у гомологов DNMT1 животных, в частности, у нее есть цинковый палец CXXC, который не входит в состав ДНК-метилтрансфераз у организмов вне Holozoa. Видимо, такая доменная архитектура была инновацией Holozoa, хотя потом многие представители группы ее потеряли.

Далее ученые исследовали паттерны метилирования ДНК у A. appalachense, для чего полностью секвенировали геном амебы. Геном A. appalachense состоит из 202 миллионов п.о., 96,6% из которых авторы расположили на одной из 18 хромосом. В общей сложности в геноме A. appalachense закодированы 18 ДНК-метилтрансфераз. Среди видов группы Holozoa с секвенированными геномам и транскриптомами только у хоанофлагеллята Achanthoeca spectabilis и у Pigoraptor есть гомологи DNMT3 A. appalachense.

Для оценки уровня метилирования генома A. appalachense в качестве отрицательного контроля авторы использовали других представителей Ichthyosporea, у которых нет метилирования ДНК. У A. appalachense общий уровень метилирования достигает 40%, причем метильные метки находятся только в контексте динуклеотидов CG, что отличает ее от большинства беспозвоночных, грибов и многих других эукариот. Следует отметить, что не все динуклеотиды CG имеют одинаковый уровень метилирования. Симметричные тринуклеотиды mCGC и GmCG гиперметилированы вплоть до 70%, а уровень метилирования остальных динуклеотидов CG составляет около 20%. Таким образом, гиперметилированию у A. appalachense подвергаются строго определенные последовательности, причем все активные гены все же имеют некоторый уровень метилирования, хотя гены с подавленной экспрессией метилированы сильнее.

В отличие от большинства беспозвоночных, мобильные элементы у A. appalachense подвергаются метилированию. Особенно высок уровень метилирования недавно приобретенных мобильных элементов и выключенных генов, причем окружающий CG контекст не имеет значения. В активно экспрессирующихся генах метилированию подвергаются сайты CGC/GCG, а сайленсинг обеспечивается 5-метилцитозинами вне контекста CGC/GCG. Около половины генома A. appalachense приходится на мобильные генетические элементы — очень высокий показатель для одноклеточных представителей Holozoa, но близкий к позвоночным.

Детальное исследование гиперметилированных участков показало, что в них содержится множество вставок вирусного происхождения. Например, в геноме амебы были идентифицированы поздний транскрипционный фактор (VLTF3), ДНК-праймаза D5, а также капсидный белок крупных ядерно-цитоплазматических ДНК-содержащих вирусов (NCLDV). Более того, авторы нашли фрагменты геномов конкретных гигантских вирусов, в частности, Medusavirus и Clandestinovirus. В общей сложности в геноме A. appalachense были выявлены 90 вставок вирусного происхождения практически на всех хромосомах, а в общей сложности с вирусных вставок синтезируется 14% протеома. Авторы работы отмечают, что эти вставки были приобретены не одномоментно. Среди эукариот A. appalachense обладает одним из самых больших количеств вставок. Вирусные фрагменты различных изолятов Amoebidium значительно отличаются. Предположительно, встраивание и ингибирование гигантских вирусов — динамический процесс.

Вставки были обогащены доменами, ассоциированными с вирусной репликацией и интеграцией (рекомбиназы, интегразы), регуляцией вирусных генов (факторы транскрипции) и транспортерами, а также слиянием мембран, деполимеризацией тубулинов и регуляцией хроматина. Известно, что для гигантских вирусов характерно метилирование ДНК, которое может играть роль в заражении клеток. Ученые отметили, что многие вирусные вставки кодируют гистоновые деметилазы, в частности, KDM4. Эти ферменты могли использоваться для того, чтобы избежать ингибирования хроматином клетки-хозяина или для дестабилизации ее генома и облегчения встраивания вируса. Дополнительные эксперименты показали, что устранение метильных меток в геноме A. appalachense стимулирует транскрипцию вирусных последовательностей.

Традиционно вирусы рассматриваются как захватчики, но авторы предполагают, что их взаимоотношения с эукариотами более сложные. Возможно, вирусные вставки сыграли роль в эволюции сложных организмов, предоставляя им новые гены. По словам авторов, это стало возможным благодаря «химическому укрощению» чужеродной ДНК. Как и у A. appalachense, у человека и других млекопитающих в геноме есть остатки древних вирусов — эндогенные ретровирусы. Конечно, они намного меньше, чем гигантские вирусы, а геномы млекопитающих намного больше. Но авторы считают, что A. appalachense могут помочь нам разобраться в сложных взаимоотношениях вирусов и сложных форм жизни.

Гигантские вирусы произошли от более мелких вирусных предков