Loss of replication and transcription systems accompanying transition to nucleus-dependent replication in Ariadnavirales, a proposed new order in nucleocytoviricot class Megaviricetes
본 연구는 자체적인 복제 및 전사 기작의 상실로 인해 숙주 핵 의존적 복제 및 전사로 향하는 독특한 진화적 전이를 보이는 Sicyoidochytrium minutum DNA 바이러스와 관련 서열들에 근거하여, Megaviricetes 강 내에 새로운 바이러스 목인 Ariadnavirales를 신설할 것을 제안한다.
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바이러스는 흔히 세포의 기계를 해킹하여 자신의 복사본을 만드는 단순한 기생체로 생각됩니다. DNA로 이루어진 유전 물질을 운반하는 알려진 가장 큰 바이러스들의 경우, 이들이 숙주 세포의 세포질, 즉 핵 주변을 채우고 있는 젤리 같은 액체 안에 자신만의 공장을 건설한다는 것이 표준적인 이야기였습니다. 이러한 바이러스 공장은 이들이 세포의 명령 센터인 핵(숙주의 자체 DNA가 보관된 곳)에 들어갈 필요 없이, 자신의 유전 코드를 복제하고 새로운 바이러스 입자를 구축할 수 있게 해줍니다. 이러한 독립성은 누클리오시토비로티카(nucleocytoviricots)라고 알려진 집단의 정의적인 특징인데, 이들은 지구상에서 가장 거대한 생물학적 실체들을 포함하는 거대한 이중 가닥 DNA 바이러스 가족입니다. 과학자들은 이 바이러스들이 숙주를 감염시킨 후 일단 독립적인 기계처럼 작동하기 위해, 자신의 복제 및 전사 과정을 운영하는 데 필요한 완전한 지침 세트를 지니고 있다고 오랫동안 가정해 왔습니다.
하지만 새로운 연구는 이러한 전략을 완전히 포기한 것으로 보이는 이 거대 바이러스 그룹을 발견했습니다. 해양 및 담수 환경의 방대한 유전 데이터 컬렉션을 조사함으로써, 연구진은 자신의 DNA를 복제하거나 유전 지침을 읽는 데 필요한 거의 모든 유전자를 잃어버린, 이전에 알려지지 않았던 새로운 차수의 바이러스를 식별했습니다. 스스로 공장을 만드는 대신, 이 바이러스들은 자신의 일을 수행하기 위해 전적으로 숙주 세포의 핵에 의존하는 것으로 보입니다. 이 발견은 거대 바이러스가 자급자족한다는 기존의 오랜 관점에 도전하며, 일부 거대 바이러스들이 자신들이 피한다고 생각했던 바로 그 명령 센터에 의존하는 쪽으로 선택하며 더 복잡한 진화적 역사를 거쳐왔음을 시사합니다.
국립보건원(NIH)과 파스퇴르 연구소의 팀이 이끈 연구진은 시코이도키트리움 미눔투눔 DNA 바이러스(Sicyoidochytrium minutum DNA virus), 줄여서 SmDNAV라고 불리는 바이러스로부터 조사를 시작했습니다. 이 바이러스는 원래 해양 환경에서 발견되는 프로티스트 그룹에 속하는 단세포 생물인 트라우스토키트리드(thraustochytrid)로부터 분리되었습니다. 발견 당시 SmDNAV는 기이한 존재였습니다. 거대 바이러스처럼 보였지만 다른 알려진 바이러스와 유전적 유사성이 거의 없었습니다. 이 바이러스가 생명의 나무 어디에 위치하는지 이해하기 위해, 연구팀은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 genomic 데이터베이스를 샅샅이 뒤져 SmDNAV에서 발견된 단백질과 일치하는 다른 유전 서열을 찾았습니다. 그들은 해수와 담수 서식지 모두의 조류와 다양한 프로티스트를 포함한 다른 단세포 생물의 유전 데이터 속에 숨겨진 수많은 일치 항목을 찾아냈습니다.
이 유전적 파편들을 하나로 모음으로써, 연구팀은 SmDNAV와 관련된 여러 새로운 바이러스의 게놈을 재구성했습니다. 연구진은 이 새로운 그룹을 '아리아드나비랄레스(Ariadnavirales)'라고 명명했는데, 이는 영웅 테세우스가 미궁에서 탈출하도록 도운 신화 속 공주 아리아드나에 대한 경의를 표한 것으로, 이 바이러스들이 감염시키는 프로티스트 숙주의 복잡하고 구불구불한 성격을 반영합니다. 이 바이러스들의 게놈은 길이는 약 200,000 염기쌍에 달하며, 이는 수백 개의 단백질을 인코딩할 수 있을 만큼 큽니다. 그러나 연구진이 이 게놈 내의 구체적인 지침을 조사했을 때, 놀라운 부재를 발견했습니다. 이 바이러스들은 거의 모든 다른 거대 바이러스가 DNA를 복제하고 이를 RNA로 전사하는 데 사용하는 핵심 기계에 대한 유전자를 잃어버렸습니다. 구체적으로, 이들은 주요 복사 기계이자 유전 정보의 판독 도구 역할을 하는 효소들이 결여되어 있었습니다.
이 바이러스들이 유지하고 있는 유일한 정보 처리 도구는 DNA를 조직하고 수리하는 데 도움을 주는 몇 가지 특화된 단백질뿐이었으며, 무거운 작업인 복제와 전사는 사라진 상태였습니다. 이러한 손실은 아리아드나비랄레스가 자신의 유전 물질을 복제하기 위해 숙주의 핵에 완전히 의-존하도록 진화했음을 시사합니다. 미스터리를 더하는 반전으로, 이전의 SmDNAV 감염 세포 관찰 결과는 이 바이러스가 숙주의 핵을 사라지게 만들면서도 여면 복제를 수행한다는 것을 보여주었습니다. 이는 바이러스가 핵 구조가 붕괴되기 전에 핵의 기계에 접근하기 위해 핵 장벽을 깨뜨리거나, 혹은 구조가 무너지기 전에 필요한 도구들을 핵으로부터 모집하는 독특한 전략을 취하고 있음을 암시합니다. 이러한 행동은 세포질 내에서 자신의 도구를 가지고 머물거나, 핵을 온전하게 유지하면서 핵 내부에서 복제하는 다른 알려진 바이러스들과는 구별됩니다.
연구는 또한 이 바이러스들을 진화적 지도 위에 배치했습니다. 모든 거대 바이러스가 공유하는 단백질, 예를 들어 외각 껍질의 구성 요소를 비교함으로써, 연구진은 아리아드나비랄레스가 복제 유전자가 결여된 또 다른 그룹과 밀접하게 관련되어 있음을 확인했습니다. 이들은 함께 거대 바이러스의 계통도에서 깊은 가지를 형성하며, 이는 필수 유전자의 손실이 그들의 공유된 역사 초기 단계에서 발생했음을 시사합니다. 연구진은 다른 작은 바이러스들도 이러한 유전자를 잃어버린 경우가 있지만, 그들은 훨씬 더 작은 게놈 크기를 가진다는 점에 주목했습니다. 아리아드나비랄레스는 운영 툴킷의 가장 중요한 부분들을 버리면서도 큰 게놈 크기를 유지했다는 점에서 독특합니다. 이러한 선택적 손실은 단순한 퇴화라기보다는 정교한 진화 경로를 나타냅니다.
이 연구 결과는 또한 얼마나 많은 바이러스 세계가 숨겨져 있는지를 강조합니다. 이 새로운 바이러스들은 실험실 배양에서 발견된 것이 아니라, 해양의 숨겨진 생명 다양성을 밝혀낸 기술인 환경 샘플의 유전 데이터를 채굴함으로써 발견되었습니다. 이 연구는 숙주 핵에 의존하는 전략이 거대 바이러스들 사이에서 생각보다 더 흔하며, 여러 독립적인 계통에서 나타난다는 점을 시사합니다. 이 바이러스들이 숙주 핵과 상호작용하는 정확한 메커니즘은 여전히 불분명하지만, 증거는 이들이 숙주의 내부 시스템이 자신들의 조상이 스스로 했던 일을 수행하도록 맡김으로써 독립성을 거래하고 효율성을 얻었다는 점을 가리킵니다. 이 발견은 바이러스 진화의 유연성과 독립적인 생명체와 완전히 의존적인 생명체 사이의 경계에 대한 새로운 질문을 던집니다.
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