Дэвид Балтимордың вирус классификациясы

Кіріспе

Дэвид Балтимор жасаған вирустарды жіктеу жүйесі. Балтимор жіктеуі – вирустарды олардың хабаршы РНК (мРНК) синтезінің жолы бойынша жіктеуге қолданылатын жүйе. Вирустарды мРНК өндіру тәсіліне қарай ұйымдастыру арқылы, ұқсас мінез-құлық танытатын вирустарды жеке топ ретінде зерттеуге мүмкіндік туады. Жеті Балтимор тобы вирустың геномы дезоксирибонуклеин қышқылынан (ДНК) немесе рибонуклеин қышқылынан (РНК) тұратынын, геном бір немесе екі тізбекті болып келетінін, ал бір тізбекті РНК геномының оң немесе теріс полюсті екенін ескереді. Балтимор жіктеуі геномды көбейту жолымен да тікелей байланысты, сондықтан вирустарды транскрипция және репликация үшін топтастыруға ыңғайлы. Вирустарға қатысты белгілі бір мәселелер, мысалы, мРНК-ның нақты түрде аудармалануы және вирустардың әртүрлі түрлерінің таралған ортасы, бірнеше нақты Балтимор топтарымен байланысты. Вирустық геномды сақтайтын вирустық капсидтің пішіні және вирустардың эволюциялық тарихы сияқты құрылымдық ерекшеліктері Балтимор топтарымен міндетті түрде байланысты емес. Балтимор жіктемесі 1971 жылы вирусолог Дэвид Балтимор жасаған. Одан бері вирусологтар арасында эволюциялық тарихқа негізделген стандартты вирустық таксономиямен қатар Балтимор жіктемесін қолдану кеңінен таралды. 2018 және 2019 жылдары Балтимор жіктемесінің белгілі бір топтары ортақ ата-тектен шыққандығын дәлелдейтін мәліметтерге сүйене отырып, вирустардың таксономиясына ішінара енгізілді. Әртүрлі салалар, патшалықтар және типтер қазір Балтимордың белгілі бір топтарымен сәйкес келеді.

ДНҚ вирустары

ДНҚ вирустарының геномдары дезоксирибонуклеин қышқылынан (ДНҚ) тұрады және екі топқа жіктеледі: қос тізбекті ДНҚ (dsDNA) вирустары және бір тізбекті ДНҚ (ssDNA) вирустары. Олар төрт бөлек патшалыққа жатады: Аднавирия, Дуплоднавирия, Моноднавирия және Вариднавирия. Көптеген вирустар әлі қай патшалыққа жататыны анықталмаған.

II топ: бір тізбекті ДНК вирустары

Екінші Балтимор тобында бір тізлімді ДНК (ssDNA) геномдары бар вирустар кездеседі. ssDNA вирустарының транскрипциясы екі тізлімді ДНК (dsDNA) вирустарына ұқсас. Дегенмен, геном бір тізлімді болғандықтан, ол жасушаға енген кезде ДНК полимеразаның әрекетімен екі тізлімді түріне айналады. mРНК екі тізлімді формадан синтезделеді. ssDNA вирустарының екі тізлімді түрі жасушаға кіргеннен кейін тікелей немесе вирус геномының көбейіп, нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Эукариоттық ssDNA вирустары ядрода көбейеді. Көптеген ssDNA вирустары шеңберлі геномдарды қамтиды, олар шеңберлі дөңгелек репликация (RCR) арқылы көбейеді. ssDNA RCR оң тізлімге байланысып, оны кесетін эндонуклеазамен басталады, бұл ДНК полимеразасына теріс тізлімді көбейту үшін матрица ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Көбейту оң тізлімнің 3' ұшын ұзарту арқылы, бұрынғы оң тізлімді ығыстырып, геном айналасында циклмен жүреді, ал эндонуклеаза оң тізлімді қайтадан кесіп, шеңберлі циклге біріктірілген дербес геномды жасайды. Жаңа ssDNA вириондарға жиналады немесе транскрипция немесе көбейту циклын жалғастыру үшін қос тізлімді форманы құру үшін ДНК полимеразамен көбейтіледі. ssDNA вирустарының басым көпшілігі оң сезімді геномдарға ие, бірақ кейбір ерекшеліктері де бар. Anelloviridae тұқымы – мүшелері шеңберлі теріс сезімді геномдарға ие болған жалғыз ssDNA тұқымы. Бұрын айтылғандай, парвовирустар оң немесе теріс сезімді тізлімдерді вириондарға жинауы мүмкін. Қандай жағдайда болсын, ssDNA вирустарының сезімі, ssRNA вирустарынан айырмашылығы, ssDNA вирустарын екі топқа бөлуге жеткіліксіз, өйткені барлық ssDNA вирус геномдары транскрипция мен көбейтуге дейін dsDNA формасына айналады. dsRNA – жасушалар жасамайтын молекула, сондықтан жасушалық өмір вирусқа қарсы жүйелерді дамытқан, олар вирус dsRNA-ны анықтап, оны белсенділіксіздендіреді. Бұған қарсы тұру үшін көптеген dsRNA геномдары капсидтердің ішінде құрылады, осылайша жасушаның цитоплазмасында анықталудан сақталады. mРНК аударма үшін немесе жетілген капсидтен ұрпақ капсидке транслокация үшін капсидтен шығарылады. Duplornaviricota тобындағы барлық вирустар dsRNA вирустары болып табылады. Pisuviricota-да Duplopiviricetes класының барлық мүшелері dsRNA вирустары болып табылады.

The second Baltimore group contains viruses that have a single stranded DNA (ssDNA) genome. ssDNA viruses have the same manner of transcription as dsDNA viruses. Because the genome is single stranded, however, it is first made into a double stranded form by a DNA polymerase upon entering a host cell. mRNA is then synthesized from the double stranded form. The double stranded form of ssDNA viruses may be produced either directly after entry into a cell or as a consequence of replication of the viral genome. Eukaryotic ssDNA viruses are replicated in the nucleus. Most ssDNA viruses contain circular genomes that are replicated via rolling circle replication (RCR). ssDNA RCR is initiated by an endonuclease that bonds to and cleaves the positive strand, allowing a DNA polymerase to use the negative strand as a template for replication. Replication progresses in a loop around the genome by means of extending the 3′ end of the positive strand, displacing the prior positive strand, and the endonuclease cleaves the positive strand again to create a standalone genome that is ligated into a circular loop. The new ssDNA may be packaged into virions or replicated by a DNA polymerase to form a double stranded form for transcription or continuation of the replication cycle. Nearly all ssDNA viruses have positive sense genomes, but a few exceptions and peculiarities exist. The family Anelloviridae is the only ssDNA family whose members have negative sense genomes, which are circular. Parvoviruses, as previously mentioned, may package either the positive or negative sense strand into virions. In any case, the sense of ssDNA viruses, unlike for ssRNA viruses, is not sufficient to separate ssDNA viruses into two groups since all ssDNA viral genomes are converted to dsDNA forms prior to transcription and replication. dsRNA is not a molecule made by cells, so cellular life has evolved antiviral systems to detect and inactivate viral dsRNA. To counteract this, many dsRNA genomes are constructed inside of capsids, thereby avoiding detection inside of the host cell's cytoplasm. mRNA is forced out from the capsid in order to be translated or to be translocated from a mature capsid to a progeny capsid. All viruses in Duplornaviricota are dsRNA viruses. In Pisuviricota, all members of the class Duplopiviricetes are dsRNA viruses.

IV топ: оңдық мағыналы бір тізбекті РНК вирустары

Төртінші Балтимор тобында оңдық сезімді бір тізгілі РНК (+ssRNA) геномды вирустар бар. +ssRNA вирустары үшін геном мРНК ретінде жұмыс істейді, сондықтан транскрипция үшін трансляция қажет емес. +ssRNA вирустары сонымен қатар, аралық екі тізгілі РНК (dsRNA) геномның теріс сезімді тізгілерінен геномның оң сезімді көшірмелерін жасайды. Бұл транскрипция және репликация процесінің екеуі ретінде әрекет етеді, себебі репликацияланған РНК сонымен қатар мРНК болып табылады. 5'-ұшы жалаңаш, қақпақпен немесе ковалентті түрде вирус ақуызына байланысты болуы мүмкін, ал 3'-ұшы жалаңаш немесе полиаденилденген болуы мүмкін. Көптеген +ssRNA вирустары өз геномдарының тек бір бөлігін ғана транскрипциялай алады. Әдетте, субгеномдық РНК (sgRNA) тізгілері инфекцияның орта және соңғы сатыларында қажетті құрылымдық және қозғалыс ақуыздарын аудару үшін қолданылады. sgRNA транскрипциясы 5'-ұшынан емес, геномда РНК синтезін бастау арқылы, геномдағы белгілі бір тізбектерде РНК синтезін тоқтату арқылы немесе екі алдыңғы әдістің бір бөлігі ретінде вирус РНК-сынан кейін sgRNA тізгілеріне қосылатын бастаушы тізбектерді синтездеу арқылы жүзеге асуы мүмкін. sgRNA синтезі үшін репликация қажет болғандықтан, RdRp әрқашан бірінші болып аударылады. Вирус геномын көбейту процесі аралық dsRNA молекулаларын жасайтындықтан, +ssRNA вирустарын жаңашыл клетканың иммундық жүйесі нысанаға алады. Байқаудан қашу үшін +ssRNA вирустары репликация фабрикалары ретінде пайдаланылатын мембранамен байланысты көпіршіктерде көбейеді. Одан кейін тек вирус +ssRNA, яғни мРНК, клетканың негізгі цитоплазмалық аймағына енеді. Екінші тәсіл ұқсас, бірақ RdRp қақпақты синтездеудің орнына қақпақ ұрлауды қолдана алады, онда жаңашыл клетканың мРНК-сының қысқа тізбектері алынып, вирус мРНК-сының 5'-қақпағы ретінде қолданылады. Геномдық ssRNA оң сезімді антигеномнан транскрипция сияқты көбейеді, бірақ керісінше антигеномды геномның үлгісі ретінде пайдаланады. RdRp антигеномның 3'-ұшынан 5'-ұшына қарай қозғалады және геномдық ssRNA синтездегенде барлық транскрипция сигналдарын елемейді. Әртүрлі ssRNA вирустары транскрипция үшін арнайы механизмдерді қолданады. Поли(А) құйрығын жасау әдісі полимеразалық дірілдеу арқылы болуы мүмкін, оның барысында RdRp урацилден аденин транскрипциялайды, содан кейін оны қайта транскрипциялау үшін РНК тізбегімен мРНК-ға қайта оралады, бұл процесс мРНК-ның 3'-ұшына жүздеген аденин қосылғанға дейін бірнеше рет жалғасады. Сонымен қатар, кейбір ssRNA вирустары амбисенсті, себебі оң және теріс тізгілер вирус ақуызын бөлек кодтайды, ал бұл вирустар екі бөлек мРНК тізгісін жасайды: бірі тікелей геномнан, екіншісі толықтырушы тізгіден. ssRNA вирустарын геномдары сегменттелген және сегменттелмеген вирустарға бейресми түрде бөлуге болады. Сегменттелмеген ssRNA вирустары цитоплазмада, ал сегменттелген ssRNA вирустары ядрода көбейеді. Транскрипция кезінде RdRp геномның әрбір сегментінен бір моноцистронды мРНК тізбегін жасайды. Барлық ssRNA вирустары Рибовирия аймағындағы Orthornavirae патшалығындағы Negarnaviricota филумына жатады. Negarnaviricota тек ssRNA вирустарын ғана қамтиды, сондықтан "ssRNA вирусы" сөзі Negarnaviricota сөзімен синонимді болып табылады.

The fourth Baltimore group contains viruses that have a positive sense single stranded RNA (+ssRNA) genome. For +ssRNA viruses, the genome functions as mRNA, so no transcription is required for translation. +ssRNA viruses will also, however, produce positive sense copies of the genome from negative sense strands of an intermediate dsRNA genome. This acts as both a transcription and a replication process since the replicated RNA is also mRNA. The 5′ end may be naked, capped, or covalently bound to a viral protein, and the 3′ end may be naked or polyadenylated. Many +ssRNA viruses are able to have only a portion of their genome transcribed. Typically, subgenomic RNA (sgRNA) strands are used for translation of structural and movement proteins needed during intermediate and late stages of infection. sgRNA transcription may occur by commencing RNA synthesis within the genome rather than from the 5′ end, by stopping RNA synthesis at specific sequences in the genome, or by, as a part of both prior methods, synthesizing leader sequences from the viral RNA that are then attached to sgRNA strands. Because replication is required for sgRNA synthesis, RdRp is always translated first. Because the process of replicating the viral genome produces intermediate dsRNA molecules, +ssRNA viruses can be targeted by the host cell's immune system. To avoid detection, +ssRNA viruses replicate in membrane associated vesicles that are used as replication factories. From there, only viral +ssRNA, which may be mRNA, enters the main cytoplasmic area of the cell. The second manner is similar but instead of synthesizing a cap, RdRp may make use of cap snatching, whereby a short sequence of host cell mRNA is taken and used as the 5′ cap of the viral mRNA. Genomic ssRNA is replicated from the positive sense antigenome in a similar manner as transcription, except in reverse using the antigenome as a template for the genome. RdRp moves from the 3′ end to the 5′ end of the antigenome and ignores all transcription signals when synthesizing genomic ssRNA. Various ssRNA viruses use special mechanisms for transcription. The manner of producing the polyA tail may be via polymerase stuttering, during which RdRp transcribes an adenine from uracil and then moves back in the RNA sequence with the mRNA to transcribe it again, continuing this process numerous times until hundreds of adenines have been added to the 3′ end of the mRNA. Additionally, some ssRNA viruses are ambisense, as both the positive and negative strands separately encode viral proteins, and these viruses produce two separate mRNA strands: one directly from the genome and one from a complementary strand. ssRNA viruses can be subdivided informally between those that have nonsegmented and segmented genomes. Nonsegmented ssRNA viruses replicate in the cytoplasm, and segmented ssRNA viruses replicate in the nucleus. During transcription, the RdRp produces one monocistronic mRNA strand from each segment of the genome. All ssRNA viruses are classified in the phylum Negarnaviricota in the kingdom Orthornavirae in the realm Riboviria. Negarnaviricota only contains ssRNA viruses, so " ssRNA virus" is synonymous with Negarnaviricota.

Кері транскрипцияланатын вирустар

Кері транскрипцияланатын (РТ) вирустардың геномдары ДНК немесе РНК-дан тұрады және кері транскрипция арқылы көбейеді. Кері транскрипцияланатын вирустардың екі тобы бар: бір тізбекті РНК RT (ssRNA RT) вирустары және екі тізбекті ДНК RT (dsDNA RT) вирустары. Кері транскрипцияланатын вирустар Riboviria әлеміндегі Pararnavirae патшалығына жатады.

VI топ: ДНК аралық бөлігі бар бір тізбекті РНК вирустары

Алтыншы Балтимор тобында репликация циклында ДНК аралық ((+) сРНК RT) бар, оң мағыналы бір тізгілі РНК геномға ие вирустар кездеседі. сРНК RT вирустары ДНК вирустары сияқты транскрипцияланады, бірақ олардың тізбекті геномдары ең алдымен кері транскрипция процесі арқылы қос тізгілі ДНК (dsDNA) түріне айналады. Вирустық кері транскриптаза ферменті бір тізгілі РНК-дан ДНК тізбегін синтездейді, ал РНК тізбегі ыдырайды және қос тізгілі ДНК геномын құру үшін ДНК тізбегімен алмастырылады. Геном содан кейін жас тінді клетканың ДНК-сына енгізіледі, онда ол провирус деп аталады. Жақын клетканың РНК полимераза II провирустық ДНК-дан ядрода РНК-ны транскрипциялайды. Бұл РНК-ның бір бөлігі мРНК-ға айналуы мүмкін, ал қалған тізбектер репликация үшін вирус геномының көшірмелеріне айналады. сРНК RT вирустарының барлығы Revtraviricetes класына, Arterviricota филумына, Pararnavirae патшалығына және Riboviria әлеміне жатады. VII топқа жататын Caulimoviridae-ден басқа, Revtraviricetes Ortervirales орденінің барлық мүшелері сРНК RT вирустары болып табылады.

VII топ: РНҚ аралық құрамы бар екі тізбекті ДНК вирустары

Жетінші Балтимор тобында қос спиральді ДНК геномы бар, көбейтілу циклінде РНК аралық (dsDNA RT) пайдаланатын вирустар бар. dsDNA RT вирустарының бір тізбегінде үзіліс болады, ол транскрипцияға дейін толық dsDNA геномын жасау үшін жазылады. dsDNA RT вирустары dsDNA вирустары сияқты транскрипцияланады.

dsDNA RT вирустары, ssRNA RT вирустары сияқты, Revtraviricetes класына жатады. dsDNA RT вирустарының екі отбасы белгілі: Ortervirales орденіне жататын Caulimoviridae және Blubervirales орденіндегі жалғыз отбасы – Hepadnaviridae.

Геномды сегменттеу

Вирустық геномдар бір немесе монопартитті сегментте болуы мүмкін, немесе көппартитті деп аталатын бірнеше молекулаға бөлінуі мүмкін. Монопартитті вирустарда барлық гендер геномның жалғыз сегментінде орналасады. Көппартитті вирустар әдетте геномдарын бір вирионға жинақтайды, сондықтан толық геном бір вирус бөлшегінде болады, ал жеке сегменттерде әртүрлі гендер кездеседі. Монопартитті вирустар Барлық Балтимор топтарында табылса, көппартитті вирустар көбінесе РНК вирустары болып табылады. Бұл себебі көптеген көппартитті вирустар эукариоттар болып табылатын өсімдіктер мен саңырауқұлақтарға жұғады, ал эукариоттық вирустардың көпшілігі РНК вирустарынан тұрады. Pleolipoviridae тұқымындағы вирустардың құрамы әртүрлі: кейбіреулері монопартитті ssDNA, ал басқалары екі бөлікті – бір сегменті ssDNA, екіншісі dsDNA. ssDNA өсімдік вирустары тұқымына жататын Geminiviridae вирустары да монопартитті және бипартитті болып кездеседі.

Хосттар диапазоны

Балтимордың әртүрлі топтары жасушалық өмірдің әртүрлі тармақтарында кездеседі. Прокариоттарда вирустардың көп бөлігі – қос тізбекті ДНК вирустары (dsDNA), ал айтарлықтай аз бөлігі – бір тізбекті ДНК вирустары (ssDNA). Прокариоттық РНК вирустары, керісінше, салыстырмалы түрде сирек кездеседі. Эукариоттық вирустардың көпшілігі, оның ішінде көптеген жануарлар мен өсімдік вирустары РНК вирустары болып табылады, бірақ эукариоттық ДНК вирустары да кең таралған. Топтары бойынша, қос тізбекті ДНК вирустарының басым көпшілігі прокариоттарға жұғады, бір тізбекті ДНК вирустары тіршілік әлемінің барлық үш доменінде кездеседі, қос тізбекті РНК және оң тізбекті РНК вирустары негізінен эукариоттарда, бірақ бактерияларда да кездеседі, ал бір тізбекті РНК және кері транскрипцияланатын вирустар тек эукариоттарда ғана табылған.

Сызықтық геномы мен дөңгелек геномы

Вирустық геномдар ұштары бар сызықтық немесе шеңберлі болуы мүмкін. Вирустың сызықтық немесе шеңберлі геномы әр топқа қарай өзгереді. Екі тізгілі ДНК вирустарының көп бөлігі екеуі де, бір тізгілі ДНК вирустары көбінесе шеңберлі, РНК вирустары және бір тізгілі РНК кері транскриптаза вирустары әдетте сызықтық, ал екі тізгілі ДНК кері транскриптаза вирустары көбінесе шеңберлі болады. Sphaerolipoviridae тұқымдасының екі тізгілі ДНК вирустары мен Pleolipoviridae тұқымдасының вирустары сызықтық және шеңберлі геномдардың екеуін де қамтиды, олар туысқа қарай өзгереді.

РНК өңдеу

РНҚ-ны өңдеу әртүрлі бір тізгілі РНҚ вирустары бір геннен әртүрлі ақуыздарды жасау үшін пайдаланады. Бұл транскрипция кезінде полимеразаның сығанақтауы арқылы немесе транскрипциядан кейінгі өңдеу арқылы іске асырылуы мүмкін. Полимераза сығанақтағанда, РНҚ полимераза транскрипция кезінде бір нуклеотидты артқа қарай сығанақтап, шаблондық тізбекке енбеген нуклеотидті қосады. Геномдық үлгіні өңдеу гендік экспрессияны нашарлатады, сондықтан РНҚ өңдеу тек транскрипция кезінде және одан кейін ғана жүзеге асырылады. Эбола вирустары үшін РНҚ өңдеу олардың иелеріне бейімделу мүмкіндігін жақсартады. Альтернативті тізілім РНҚ өңдеуден өзгеше, себебі альтернативті тізілім РНҚ өңдеу сияқты мРНҚ тізбегін өзгерте қоймайды, керісінше, альтернативті тізілім орындарының нәтижесінде мРНҚ тізбегінің кодтау қабілетін өзгертеді. Екі механизмнің де нәтижесі бірдей: бір геннен бірнеше ақуыз экспрессияланады.

Тарих

Балтимор жіктелуі 1971 жылы вирусолог Дэвид Балтимор "Жануар вирустары геномдарының экспрессиясы" деген мақаласында ұсынды. Алғашқыда ол алты топты қамтыды, бірақ кейіннен VII топ қосылды. Балтимор жіктелуінің тиімділігіне байланысты, ол эволюциялық байланыстарға негізделген және Вирустар таксономиясы жөніндегі халықаралық комитет (ICTV) басқаратын стандартты вирустық таксономиямен бірге қолданыла бастады. Бір жыл өткен соң Riboviria екі RT тобын да қамтыды. Осы сала шеңберінде RT вирустары Pararnavirae патшалығына, ал РНК вирустары Orthornavirae патшалығына жатады. Сонымен қатар, РНК вирустарының үш Балтимор тобы Orthornavirae-дегі филаларды анықтау үшін негізгі сипаттама ретінде қолданылады. РНК вирустары мен RT вирустарынан өзгеше, ДНК вирустары бір ғана салаға біріктірілмейді, олар төрт салаға және салаға жатқызылмаған түрлі таксондарға таратылған. Adnaviria және Duplodnaviria салаларында тек екі тізбекті ДНК (dsDNA) вирустары ғана бар, Monodnaviria негізінен бір тізбекті ДНК (ssDNA) вирустарын қамтиды, бірақ екі тізбекті ДНК (dsDNA) вирустары да кездеседі, ал Varidnaviria тек екі тізбекті ДНК (dsDNA) вирустарын қамтиды, бірақ Varidnaviria-ның кейбір ұсынылған мүшелері, атап айтқанда Finnlakeviridae тұқымы бір тізбекті ДНК (ssDNA) вирустары болып табылады.