Loss of replication and transcription systems accompanying transition to nucleus-dependent replication in Ariadnavirales, a proposed new order in nucleocytoviricot class Megaviricetes

問題
門 Nucleocytoviricota は、40 kbから5 Mbに及ぶ、多様な真核生物由来の二本鎖DNAウイルスを包含している。これらのウイルスの大部分は、独自の複製および転写機構をコードしており、宿主の核とは独立して、細胞質のウイルスファクトリー内で自律的に複製することが可能である。しかし、これらウイルスの進化の歴史には、遺伝子の喪失や複製戦略の変化の事例が含まれている。特定のウイルスである Sicyoidochytrium minutum DNA virus (SmDNAV) は、プロティスト宿主から単離されたものであり、特異な現象を示した。それは、既知の他のウイルスとは遺伝子内容やタンパク質配列においてほとんど類似性を示さなかったが、当該門に属しているように見受けられた。そのユニークな特性、特に感染細胞における報告された「核の消失」は、その系統学的配置とゲノム削減の程度を理解するためのさらなる調査を必要とする、明確に異なる進化の軌跡を示唆していた。

方法論
著者らは、SmDNAVを特徴付け、関連するウイルスを特定するために、ゲノムおよびメタゲノムデータベースを用いた広範なバイオインフォマティクス・マイニングを用いた。

• 配列検索と特定: SmDNAVの主要カプシドタンパク質（MCP）をクエリとして用い、GenBankおよびIMG/VRデータベースを検索し、多数の関連するMCPおよびコンティグを特定した。Durusdinium trenchii および Aurantiochytrium sp. 8W の細胞ゲノムに統合された、2つのほぼ完全なゲノム（~200 kbp）が見出された。さらに、フォーアミニフェラ Cassidula limbina に関連する細菌のメタゲノム構築ゲノム（MAG）由来の6つのコンティグが、誤注釈された部分的なウイルスゲノムとして特定された。
• タンパク質クラスタリングとアノテーション: SmDNAVおよび新たに特定されたコンティグのタンパク質を配列類似性によってクラスタリングし、60個のクラスターを得た。これらは、既知のヌクレオサイトウイルス科のタンパク質と連結させるために、Conserved Domain Database (CDD)、Pfam、およびNCVOGs（nucleocytoviricots orthologous groups）を用いてアノテーションされた。
• 系統解析: 進化関係を決定するために、著者らは門内で保存されている3つのコアタンパク質（MCP、パッケージングATPase、および転写因子VLTF3）の連結アライメントを用いて系統樹を構築した。非コア遺伝子の起源を調査するために、特定のタンパク質ファミリーを用いた追加の系統樹も構築された。
• 構造予測: タン𝐷質クラスターの3D構造はESM-foldを用いて予測され、FoldSeekを用いてPDBデータベースと比較された。

主な貢献と結果

• 新しい目の提案: 本研究は、クラス Megaviricetes 内の新しい目、暫定的に "Ariadnavirales" と命名される目を提案しており、SmDNAVをそのプロトタイプとしている。この目は、系統学的に Mamonoviridae および "Manesviridae"（"Manovirales" という目として提案）を含むクレードの姉妹群として位置付けられる。
• 広範な遺伝子喪失: Ariadnavirales の定義的な特徴は、Nucleocytoviricota において通常保存されている複製および転写機構をコードする遺伝子のほぼ完全な喪失である。具体的には、ファミリーB DNAポリメラーゼ、D5様プライマー・ヘリカーゼ、RNAポリメラーゼサブユニット、およびmRNAキャッピング酵素を欠いている。
• 保持されたコア機能: これらの喪失にもかかわらず、Ariadnaviruses はコアとなる構造および形態形成タンパク質（MCP、パッケージングATPase、ジスルフィド酸化還元酵素、OTUプロテアーゼ）と、限定的な一連の情報処理タンパク質（TFIIB、ウイルス転写因子（VLTF2, VLTF3）、リコンビナーゼ、レゾルベース、PCNA、および特定のヘリカーゼ/プライマーゼ（Pif1様およびUL9様））を保持している。
• 複製戦略: 自律的複製遺伝子の喪失は、宿主の核に依存する複製戦略への移行を示唆している。これは、SmDNAV感染細胞における核の消失の観察によって支持されており、これは "Manesviridae" と同様であるが、著者らは、Ariadnavirales が核内複製への完全な移行ではなく、細胞質での複製を維持しながら核をハイジャックする独自のメカニズムを採用している可能性があると述べている。
• 非コア遺伝子のダイナミクス: 解析により、Ariadnavirales とその姉妹群である "Manovirales"（および Mirusviridae のような他のウイルス）との間の共有された非コア遺伝子は、垂直継承ではなく、主に水平遺伝子転移（HGT）による収斂的な獲得の結果であることが明らかになった。獲得された注目すべき遺伝子には、HMGボックスタンパク質、エンドヌクレアーゼ、およびヘリオロドプシンが含まれる。
• 代謝の濃縮: Ariadnavirales のプロテオームは、グリコシル転移酵素やグリコシド加水分解酵素を含む炭水化物代謝タンパク質に富んでおり、複雑なビリオンの糖鎖修飾および侵入時の細胞壁分解における潜在的な役割を示唆している。

意義
本論文は、Ariadnavirales の発見が Nucleocytoviricota 内における重要な進化的転換を浮き彫りにしていると主張している。これらのウイルスは、自律的な複製および転写システムを脱ぎ捨てることで、ゲノム（~200 kb）を簡素化した「低減進化（reductive evolution）」の事例を代表しており、これらの機能に対して実質的に宿主の核に依存している。これは、これらのシステムを元々持っていなかった可能性が高い、あるいは極端なゲノム退化を表している他の低減したヌクレオサイトウイルス（Mriyaviricetes など）とは対照的である。本研究は、独立した系統が、コア機構の喪失や宿主由来遺伝子の収斂的獲得を含む異なる進化経路を通じて、同様の複製戦略（核依存性）へと収斂していくという、ウイルスの進化のダイナミックな性質を強調している。Ariadnavirales の特定は、Megaviricetes クラスの既知の多様性を拡大し、細胞質依存的な複製から核依存的な複製への移行を理解するための新しいモデルを提供するものである。