Vīrusu izcelsmes noslēpums

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Vīrusi gandrīz nav dzīvi. Tomēr to izcelsme un evolūcija ir vēl mazāk izprotama nekā "normālu" šūnu organismu rašanās. Joprojām nav zināms, kas parādījās agrāk, pirmās šūnas vai pirmie vīrusi. Varbūt viņi vienmēr ir pavadījuši dzīvi kā postoša ēna.

Problēma ir tā, ka vīrusi ir nekas vairāk kā genoma (DNS vai RNS) fragmenti, kas ir ietverti proteīna apvalkā. Viņi neatstāj nekādas pēdas fosilajos ierakstos, un atliek tikai izpētīt viņu pagātni, ir mūsdienu vīrusi un to genomi.

Salīdzinot, atrodot līdzības un atšķirības, biologi atklāj evolūcijas saiknes starp dažādiem vīrusiem, nosaka to senākās pazīmes. Diemžēl vīrusi ir neparasti mainīgi un daudzveidīgi. Pietiek atgādināt, ka viņu genomus var attēlot ne tikai DNS ķēdes (kā pie mums un, piemēram, herpes vīrusi), bet arī radniecīgas RNS molekulas (kā koronavīrusos).

DNS/RNS molekula vīrusos var būt viena vai segmentēta daļās, lineāra (adenovīrusi) vai cirkulāra (poliomavīrusi), vienpavedienu (anellovīrusi) vai divpavedienu (bakulovīrusi).

Vizuālā zinātne Gripas A / H1N1 vīruss

Ne mazāk daudzveidīgas ir vīrusu daļiņu struktūras, to dzīves cikla īpatnības un citi raksturlielumi, kurus varētu izmantot parastai salīdzināšanai. Vairāk par to, kā zinātnieki tiek galā ar šīm grūtībām, varat lasīt šīs ziņas pašās beigās. Pagaidām atcerēsimies, kas visiem vīrusiem ir kopīgs: tie visi ir parazīti. Nav zināms neviens vīruss, kas varētu veikt metabolismu pats, neizmantojot saimniekšūnas bioķīmiskos mehānismus.

Neviens vīruss nesatur ribosomas, kas varētu sintezēt olbaltumvielas, un nevienam nav sistēmu, kas ļauj ražot enerģiju ATP molekulu veidā. Tas viss padara tos par obligātiem, tas ir, beznosacījumu intracelulāriem parazītiem: viņi nespēj pastāvēt paši.

Nav pārsteidzoši, ka saskaņā ar vienu no pirmajām un pazīstamākajām hipotēzēm vispirms parādījās šūnas, un tikai pēc tam uz šīs augsnes attīstījās visa daudzveidīgā vīrusu pasaule.

Regresīvi. No sarežģīta līdz vienkāršam

Apskatīsim riketsiju – arī intracelulāros parazītus, kaut arī baktērijas. Turklāt dažas to genoma daļas ir tuvu DNS, kas atrodas eikariotu šūnu, tostarp cilvēku, mitohondrijās. Acīmredzot abiem bija kopīgs sencis, taču "mitohondriju līnijas" dibinātājs, inficējot šūnu, to nenogalināja, bet nejauši saglabājās citoplazmā.

Rezultātā šīs baktērijas pēcteči zaudēja daudz vairāk nevajadzīgu gēnu un degradējās līdz šūnu organellām, kas apmaiņā pret visu pārējo apgādā saimniekus ar ATP molekulām. "Regresīvā" hipotēze par vīrusu izcelsmi uzskata, ka šāda degradācija varēja notikt ar viņu senčiem: reiz pilnīgi pilnvērtīgi un neatkarīgi šūnu organismi, miljardiem gadu ilgas parazītiskās dzīves laikā, viņi vienkārši zaudēja visu lieko.

Šo veco ideju atdzīvināja nesen atklātie milzu vīrusi, piemēram, pandoravīrusi vai mimivīrusi. Tie ir ne tikai ļoti lieli (mimivīrusa daļiņu diametrs sasniedz 750 nm - salīdzinājumam, gripas vīrusa izmērs ir 80 nm), bet tiem ir arī ārkārtīgi garš genoms (1,2 miljoni nukleotīdu saišu mimivīrusā pret vairākiem simtiem parastie vīrusi), kas kodē daudzus simtus proteīnu.

Starp tiem ir arī proteīni, kas nepieciešami DNS kopēšanai un "labošanai" (remontam), RNS un proteīnu ražošanai.

Šie parazīti ir daudz mazāk atkarīgi no saviem saimniekiem, un to izcelsme no brīvi dzīvojošiem senčiem izskatās daudz pārliecinošāk. Tomēr daudzi eksperti uzskata, ka tas neatrisina galveno problēmu – no milzu vīrusiem vēlāk varētu parādīties visi "papildu" gēni, kas aizgūti no īpašniekiem.

Galu galā ir grūti iedomāties parazītisku degradāciju, kas varētu iet tik tālu un ietekmēt pat ģenētiskā koda nesēja formu un izraisīt RNS vīrusu rašanos. Nav pārsteidzoši, ka tikpat cienīta ir vēl viena hipotēze par vīrusu izcelsmi – pilnīgi pretēja.

Progresīvs. No vienkārša līdz sarežģītam

Apskatīsim retrovīrusus, kuru genoms ir vienpavedienu RNS molekula (piemēram, HIV). Nonākuši saimniekšūnā, šādi vīrusi izmanto īpašu enzīmu reverso transkriptāzi, pārvēršot to parastā dubultā DNS, kas pēc tam iekļūst šūnas "svētākajā vietā" – kodolā.

Šeit spēlē vēl viens vīrusa proteīns, integrāze, un ievieto vīrusa gēnus saimnieka DNS. Tad ar tiem sāk strādāt paši šūnas enzīmi: ražo jaunu RNS, uz to bāzes sintezē olbaltumvielas utt.

Vizuālā zinātne Cilvēka imūndeficīta vīruss (HIV)

Šis mehānisms atgādina mobilo ģenētisko elementu vairošanos – DNS fragmentus, kas nenes mums nepieciešamo informāciju, bet tiek glabāti un uzkrāti mūsu genomā. Daži no tiem, retrotransposoni, tajā pat spēj vairoties, izplatoties ar jaunām kopijām (vairāk nekā 40 procentus cilvēka DNS veido šādi "junk" elementi).

Šim nolūkam tie var saturēt fragmentus, kas kodē abus galvenos enzīmus - reverso transkriptāzi un integrāzi. Faktiski tie ir gandrīz gatavi retrovīrusi, kuriem nav tikai proteīna apvalka. Bet tā iegūšana ir laika jautājums.

Iekļaujot genomā šeit un tur, mobilie ģenētiskie elementi ir diezgan spējīgi uztvert jaunus saimniekgēnus. Daži no tiem varētu būt piemēroti kapsīdu veidošanai. Daudzām olbaltumvielām ir tendence paškomplektēties sarežģītākās struktūrās. Piemēram, ARC proteīns, kam ir svarīga loma neironu funkcionēšanā, spontāni brīvā veidā salokās par vīrusiem līdzīgām daļiņām, kas var pat pārnēsāt RNS. Tiek pieņemts, ka šādu proteīnu iekļaušana varētu notikt apmēram 20 reizes, radot lielas mūsdienu vīrusu grupas, kas atšķiras pēc to apvalka struktūras.

Paralēli. Dzīves ēna

Taču jaunākā un daudzsološākā hipotēze atkal visu apgriež kājām gaisā, pieņemot, ka vīrusi parādījušies ne vēlāk kā pirmās šūnas. Sen, kad dzīve vēl nebija tik tālu aizgājusi, pašreplicējošo molekulu protoevolūcija, kas spēj sevi kopēt, norisinājās "pirmajā zupā".

Pamazām šādas sistēmas kļuva sarežģītākas, pārvēršoties lielākos un lielākos molekulāros kompleksos. Un tiklīdz daži no viņiem ieguva spēju sintezēt membrānu un kļuva par protošūnām, citi - vīrusu priekšteči - kļuva par viņu parazītiem.

Tas notika dzīves rītausmā, ilgi pirms baktēriju, arheju un eikariotu atdalīšanas. Tāpēc viņu (un ļoti atšķirīgie) vīrusi inficē visu trīs dzīvās pasaules domēnu pārstāvjus, un starp vīrusiem var būt tik daudz RNS saturošu: tieši RNS tiek uzskatītas par "senču" molekulām, pašreplikācija un evolūcija. kas noveda pie dzīvības rašanās.

Pirmie vīrusi varētu būt tādas "agresīvas" RNS molekulas, kuras tikai vēlāk ieguva proteīnu apvalkus kodējošos gēnus. Patiešām, ir pierādīts, ka daži čaumalu veidi varēja parādīties pat pirms pēdējā visu dzīvo organismu kopīgā priekšteča (LUCA).

Tomēr vīrusu evolūcija ir joma, kas ir vēl mulsinošāka nekā visas šūnu organismu pasaules evolūcija. Ļoti iespējams, ka savā veidā visi trīs viedokļi par to izcelsmi ir patiesi. Šie intracelulārie parazīti ir tik vienkārši un tajā pašā laikā dažādi, ka dažādas grupas var parādīties neatkarīgi viena no otras, principiāli atšķirīgu procesu gaitā.

Piemēram, tie paši milzu DNS saturoši vīrusi varētu rasties senču šūnu degradācijas rezultātā un daži RNS saturoši retrovīrusi pēc mobilo ģenētisko elementu "neatkarības iegūšanas". Taču iespējams, ka šo mūžīgo draudu parādīšanos esam parādā pavisam citam, vēl neatklātam un nezināmam mehānismam.

Genomi un gēni. Kā tiek pētīta vīrusu evolūcija

Diemžēl vīrusi ir neticami nepastāvīgi. Viņiem trūkst sistēmu DNS bojājumu labošanai, un jebkura mutācija paliek genomā, ievērojot turpmāku atlasi. Turklāt dažādi vīrusi, kas inficē vienu un to pašu šūnu, viegli apmainās ar DNS (vai RNS) fragmentiem, radot jaunas rekombinantās formas.

Visbeidzot, paaudžu maiņa notiek neparasti ātri - piemēram, HIV dzīves cikls ir tikai 52 stundas, un tas ir tālu no īsākā dzīves cikla. Visi šie faktori nodrošina ātru vīrusu mainīgumu, kas ievērojami sarežģī to genomu tiešu analīzi.

Tajā pašā laikā, nonākot šūnā, vīrusi bieži vien nepalaiž savu parasto parazītu programmu - daži ir izstrādāti šādi, citi nejaušas kļūmes dēļ. Tajā pašā laikā to DNS (vai RNS, kas iepriekš pārveidota par DNS) var integrēties saimniekorganisma hromosomās un šeit paslēpties, pazūdot starp daudzajiem pašas šūnas gēniem. Dažreiz vīrusa genoms tiek atkārtoti aktivizēts, un dažreiz tas paliek tādā latentā formā, kas tiek nodots no paaudzes paaudzē.

Tiek uzskatīts, ka šie endogēnie retrovīrusi veido līdz pat 5–8 procentiem no mūsu pašu genoma. To mainība vairs nav tik liela – šūnu DNS nemainās tik strauji, un daudzšūnu organismu dzīves cikls sasniedz desmitiem gadu, nevis stundas. Tāpēc to šūnās glabātie fragmenti ir vērtīgs informācijas avots par vīrusu pagātni.

Atsevišķa un vēl jaunāka joma ir vīrusu proteomika – to proteīnu izpēte. Galu galā jebkurš gēns ir tikai noteiktas proteīna molekulas kods, kas nepieciešams noteiktu funkciju veikšanai. Daži “pieder”, piemēram, Lego gabaliņi, salokot vīrusa apvalku, citi var saistīt un stabilizēt vīrusa RNS, bet vēl citus var izmantot, lai uzbruktu inficētas šūnas olbaltumvielām.

Šādu proteīnu aktīvās vietas ir atbildīgas par šīm funkcijām, un to struktūra var būt ļoti konservatīva. Tas saglabā lielu stabilitāti visā evolūcijas laikā. Var mainīties pat atsevišķas gēnu daļas, taču proteīna vietas forma, elektrisko lādiņu sadalījums tajā – viss, kas ir kritisks vēlamās funkcijas veikšanai – paliek gandrīz nemainīgs. Salīdzinot tos, var atrast visattālākās evolūcijas sakarības.