Классификация вирусов по Балтимору

Введение

Система классификации вирусов, разработанная Дэвидом Балтимором.

Классификация Балтимора – это система, используемая для классификации вирусов на основе способа синтеза мРНК (матричной РНК). Организуя вирусы по способу производства мРНК, можно изучать вирусы с аналогичным поведением как отдельную группу. Описаны семь групп Балтимора, которые учитывают, состоит ли вирусный геном из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК), является ли геном одноцепочечным или двухцепочечным, и какова полярность одноцепочечного РНК-генома – положительная или отрицательная. Классификация Балтимора также тесно связана со способом репликации генома, поэтому она полезна для объединения вирусов как с точки зрения транскрипции, так и репликации. Определенные аспекты, касающиеся вирусов, связаны с несколькими специфическими группами Балтимора, такие как специфические формы трансляции мРНК и спектр хозяев различных типов вирусов. Структурные характеристики, такие как форма вирусного капсида, хранящего вирусный геном, и эволюционная история вирусов не обязательно коррелируют с группами Балтимора. Классификация Балтимора была создана в 1971 году вирусологом Дэвидом Балтимором. С тех пор вирусологи обычно используют классификацию Балтимора наряду со стандартной вирусной таксономией, основанной на эволюционной истории. В 2018 и 2019 годах классификация Балтимора была частично интегрирована в вирусную таксономию на основании данных о том, что определенные группы произошли от общих предков. Различные домены, царства и типы теперь соответствуют конкретным группам Балтимора.

ДНК-вирусы

ДНК-вирусы имеют геномы, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), и подразделяются на две группы: вирусы с двуцепочечной ДНК (dsDNA) и вирусы с одноцепочечной ДНК (ssDNA). Они отнесены к четырем различным надцарствам: Аднавирия, Дуплоднавирия, Моноднавирия и Вариднавирия. Многие из них еще не отнесены ни к одному надцарству.

Группа II: одноцепочечные вирусы ДНК

Вторая группа Балтимора содержит вирусы, имеющие геном одноцепочечной ДНК (ssDNA). Вирусы ssDNA используют тот же механизм транскрипции, что и вирусы dsDNA. Однако, поскольку геном одноцепочечный, при проникновении в клетку-хозяина он сначала превращается в двухцепочечную форму ДНК-полимеразой. Затем из двухцепочечной формы синтезируется мРНК. Двухцепочечная форма вирусов ssDNA может образовываться либо непосредственно после проникновения в клетку, либо в результате репликации вирусного генома. Эукариотические вирусы ssDNA реплицируются в ядре. Большинство вирусов ssDNA содержат циркулярные геномы, которые реплицируются посредством репликации с использованием катящейся круговой структуры (RCR). ssDNA RCR инициируется эндонуклеазой, которая связывается и расщепляет положительную нить, позволяя ДНК-полимеразе использовать отрицательную нить в качестве матрицы для репликации. Репликация протекает по кругу вокруг генома путем удлинения 3'-конца положительной нити, вытесняя предыдущую положительную нить, после чего эндонуклеаза снова расщепляет положительную нить, создавая самостоятельный геном, который лигируется в круговую петлю. Новая ssDNA может быть упакована в вирионы или реплицирована ДНК-полимеразой для образования двухцепочечной формы для транскрипции или продолжения цикла репликации. Почти все вирусы ssDNA имеют геномы положительной полярности, но существуют некоторые исключения и особенности. Семейство Anelloviridae – единственное семейство ssDNA, члены которого имеют геномы отрицательной полярности, которые являются циркулярными. Парвовирусы, как упоминалось ранее, могут упаковывать в вирионы как нить положительной, так и отрицательной полярности. В любом случае, полярность вирусов ssDNA, в отличие от вирусов ssRNA, недостаточна для разделения вирусов ssDNA на две группы, поскольку все вирусные геномы ssDNA преобразуются в формы dsDNA перед транскрипцией и репликацией. dsRNA не синтезируется клетками, поэтому живые клетки выработали противовирусные системы для обнаружения и инактивации вирусной dsRNA. Чтобы противодействовать этому, многие геномы dsRNA построены внутри капсидов, тем самым избегая обнаружения в цитоплазме клетки-хозяина. мРНК высвобождается из капсида для трансляции или для транслокации из зрелого капсида в капсид потомства. Все вирусы Duplornaviricota являются вирусами dsRNA. В Pisuviricota все представители класса Duplopiviricetes являются вирусами dsRNA.

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.

Группа IV: одноцепочечные РНК-вирусы с положительным чувством

Четвертая группа Балтимора содержит вирусы, имеющие одноцепочечную РНК положительного смысла (+ssRNA) в качестве генома. Для вирусов +ssRNA геном функционирует как мРНК, поэтому транскрипция для трансляции не требуется. Однако +ssRNA-вирусы также производят копии генома положительного смысла из отрицательных цепей промежуточной двухцепочечной РНК (dsRNA). Этот процесс служит одновременно транскрипцией и репликацией, поскольку реплицированная РНК также является мРНК. 5'-конец может быть незащищенным, иметь колпачок или быть ковалентно связанным с вирусным белком, а 3'-конец может быть незащищенным или полиаденилированным. Многие +ssRNA-вирусы способны транскрибировать лишь часть своего генома. Обычно субгеномные РНК (sgRNA) используются для трансляции структурных и белков движения, необходимых на промежуточных и поздних стадиях инфекции. Транскрипция sgRNA может происходить путем начала синтеза РНК внутри генома, а не с 5'-конца, путем остановки синтеза РНК в определенных последовательностях генома или путем синтеза лидирующих последовательностей из вирусной РНК, которые затем присоединяются к нитям sgRNA. Поскольку репликация необходима для синтеза sgRNA, RdRp всегда транслируется первой. Поскольку процесс репликации вирусного генома производит промежуточные молекулы dsRNA, +ssRNA-вирусы могут быть мишенью для иммунной системы клетки-хозяина. Чтобы избежать обнаружения, +ssRNA-вирусы реплицируются в мембранных везикулах, которые служат фабриками репликации. Оттуда в основную цитоплазматическую область клетки поступает только вирусная +ssRNA, которая может быть мРНК. Второй механизм аналогичен, но вместо синтеза колпачка RdRp может использовать захват колпачка, при котором короткая последовательность мРНК клетки-хозяина изымается и используется в качестве 5'-колпачка вирусной мРНК. Геномная ssRNA реплицируется из антигенома положительного смысла аналогично транскрипции, за исключением того, что антигеном используется в качестве матрицы для генома, процесс идет в обратном направлении. RdRp перемещается от 3'-конца к 5'-концу антигенома и игнорирует все сигналы транскрипции при синтезе геномной ssRNA. Различные ssRNA-вирусы используют специальные механизмы для транскрипции. Образование поли(А)-хвоста может происходить за счет "запинания" полимеразы, когда RdRp транскрибирует аденин из урацила, а затем возвращается в последовательность РНК вместе с мРНК, чтобы транскрибировать его снова, продолжая этот процесс многократно, пока к 3'-концу мРНК не будут добавлены сотни аденинов. Кроме того, некоторые ssRNA-вирусы являются амбисенсными, поскольку как положительная, так и отрицательная цепи по отдельности кодируют вирусные белки, и эти вирусы производят две отдельные нити мРНК: одну непосредственно из генома, а другую из комплементарной цепи. ssRNA-вирусы неформально подразделяются на вирусы с несегментированными и сегментированными геномами. Несегментированные ssRNA-вирусы реплицируются в цитоплазме, а сегментированные ssRNA-вирусы реплицируются в ядре. Во время транскрипции RdRp производит одну моноцистроническую нить мРНК из каждого сегмента генома. Все ssRNA-вирусы классифицируются в типе Negarnaviricota в царстве Orthornavirae в области Riboviria. Negarnaviricota содержит только ssRNA-вирусы, поэтому термин "ssRNA-вирус" является синонимом "Negarnaviricota".

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.

Вирусы обратной транскрипции

Вирусы обратной транскрипции (РТ) имеют геномы, состоящие либо из ДНК, либо из РНК, и реплицируются с помощью обратной транскрипции. Существуют две группы вирусов обратной транскрипции: одноцепочечные РНК-вирусы обратной транскрипции (ssRNA RT) и двухцепочечные ДНК-вирусы обратной транскрипции (dsDNA RT). Вирусы обратной транскрипции классифицируются в царстве Pararnavirae в области Riboviria.

Группа VI: одноцепочечные вирусы РНК с промежуточным ДНК

Шестая балтиморская группа содержит вирусы, имеющие (положительный смысл) одноцепочечный РНК-геном, в цикле репликации которого присутствует ДНК-промежуточный продукт ((+)ssRNA RT). Вирусы ssRNA RT транскрибируются аналогично вирусам ДНК, однако их линейные геномы сначала преобразуются в двухцепочечную ДНК (dsDNA) посредством процесса, называемого обратной транскрипцией. Вирусная обратная транскриптаза синтезирует цепь ДНК из цепи ssRNA, при этом РНК-цепочка разрушается и заменяется цепью ДНК, формируя геном dsDNA. Затем геном интегрируется в ДНК клетки-хозяина, где он называется провирусом. РНК-полимераза II клетки-хозяина транскрибирует РНК в ядре из провирусной ДНК. Часть этой РНК может стать мРНК, а другие цепи – копиями вирусного генома для репликации. Все вирусы ssRNA RT включены в класс Revtraviricetes, тип Arterviricota, царство Pararnavirae в области Riboviria. За исключением Caulimoviridae, относящихся к группе VII, все представители отряда Revtraviricetes Ortervirales являются вирусами ssRNA RT.

Группа VII: двойные ДНК-вирусы с РНК-межсодержащим

Седьмая группа Балтимора содержит вирусы с двухцепочечным ДНК-геномом, использующим РНК-промежуточный продукт (dsDNA RT) в цикле репликации. У вирусов dsDNA RT имеется разрыв в одной из цепей, который восстанавливается для формирования полной двухцепочечной ДНК перед транскрипцией. Транскрипция вирусов dsDNA RT происходит аналогично вирусам dsDNA.

Вирусы dsDNA RT, как и ssRNA RT, все включены в класс Revtraviricetes. Выделяют два семейства вирусов dsDNA RT: Caulimoviridae, относящиеся к порядку Ortervirales, и Hepadnaviridae, являющееся единственным семейством в порядке Blubervirales.

Сегментация генома

Вирусные геномы могут существовать в одном, или монопартитном, сегменте, либо быть разделенными на несколько молекул, называемых мультипартитными. У монопартитных вирусов все гены расположены на единственном сегменте генома. Мультипартитные вирусы обычно упаковывают свои геномы в один вирион, таким образом весь геном находится в одной вирусной частице, а отдельные сегменты содержат различные гены. Монопартитные вирусы встречаются во всех группах Балтимора, в то время как мультипартитные вирусы обычно являются РНК-вирусами. Это связано с тем, что большинство мультипартитных вирусов инфицируют растения или грибы, являющиеся эукариотами, а большинство эукариотических вирусов – РНК-вирусы. Семейство Pleolipoviridae отличается разнообразием: некоторые вирусы монопартитны и содержат одноцепочечную ДНК (ссДНК), а другие – бипартитны, с одним сегментом, представляющим собой ссДНК, и другим – двухцепочечную ДНК (дсДНК). Вирусы семейства Geminiviridae, вызывающие заболевания растений и содержащие ссДНК, также могут быть как монопартитными, так и бипартитными.

Диапазон хостов

Различные группы Балтимора обычно обнаруживаются в разных ветвях клеточной жизни. У прокариот подавляющее большинство вирусов – вирусы с двухцепочечной ДНК (dsDNA), а значительная часть – вирусы с одноцепочечной ДНК (ssDNA). Прокариотические РНК-вирусы, напротив, встречаются относительно редко. Большинство эукариотических вирусов, включая большинство вирусов животных и растений, являются РНК-вирусами, хотя эукариотические ДНК-вирусы также распространены. По группам, подавляющее большинство вирусов dsDNA инфицируют прокариоты, вирусы ssDNA встречаются во всех трех доменах жизни, вирусы dsRNA и +ssRNA в основном встречаются у эукариот, но также и у бактерий, а вирусы ssRNA и ретровирусы (с обратной транскриптазой) встречаются только у эукариот.

Линейные и круговые геномы

Вирусные геномы могут быть линейными с концами или кольцевыми. То, имеет ли вирус линейный или кольцевой геном, различается в зависимости от группы. Значительная часть вирусов с двухцепочечной ДНК имеют оба типа геномов, вирусы с одноцепочечной ДНК преимущественно кольцевые, вирусы РНК и вирусы ssRNA РТ обычно линейные, а вирусы dsDNA РТ обычно кольцевые. В семействе Sphaerolipoviridae и семействе Pleolipoviridae вирусы содержат как линейные, так и кольцевые геномы, которые различаются в зависимости от рода.

Редактирование РНК

Редактирование РНК используется различными одноцепочечными РНК-вирусами для получения разных белков из одного гена. Это может происходить за счет проскальзывания полимеразы во время транскрипции или посредством посттранскрипционного редактирования. При проскальзывании полимеразы РНК-полимераза сдвигается на один нуклеотид назад во время транскрипции, вставляя нуклеотид, отсутствующий в матричной цепи. Редактирование геномной матрицы привело бы к нарушению экспрессии генов, поэтому редактирование РНК происходит только во время и после транскрипции. У вирусов Эбола редактирование РНК повышает способность адаптироваться к хозяевам. Альтернативный сплайсинг отличается от редактирования РНК тем, что он не изменяет последовательность мРНК, как редактирование РНК, а изменяет кодировочный потенциал последовательности мРНК в результате использования альтернативных сайтов сплайсинга. В остальном оба механизма приводят к одному и тому же результату: из одного гена экспрессируется несколько белков.

История

Балтиморская классификация была предложена в 1971 году вирусологом Дэвидом Балтимором в статье под названием «Экспрессия геномов вирусов животных». Изначально она включала первые шесть групп, но впоследствии была расширена до семи, включив группу VII. Благодаря своей полезности, Балтиморская классификация используется наряду со стандартной вирусной таксономией, основанной на эволюционных взаимосвязях и регулируемой Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV). Год спустя Riboviria была расширена, включив в себя обе группы RT. В рамках этой области вирусы RT включены в царство Pararnavirae, а РНК-вирусы – в царство Orthornavirae. Более того, три группы Балтиморской классификации для РНК-вирусов используются в качестве определяющих характеристик фил в Orthornavirae. В отличие от РНК-вирусов и RT-вирусов, ДНК-вирусы не объединены в единую область, а распределены по четырем областям и различным таксонам, не отнесенным к областям. Области Adnaviria и Duplodnaviria содержат исключительно двуцепочечные ДНК-вирусы (dsDNA), Monodnaviria преимущественно содержит одноцепочечные ДНК-вирусы (ssDNA), но также включает и двуцепочечные ДНК-вирусы, а Varidnaviria содержит исключительно двуцепочечные ДНК-вирусы, хотя некоторые предполагаемые представители Varidnaviria, в частности семейство Finnlakeviridae, являются одноцепочечными ДНК-вирусами (ssDNA).