Virusų kilmės paslaptis

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Virusai vargu ar gyvi. Tačiau jų kilmė ir evoliucija dar mažiau suprantama nei „normalių“ląstelinių organizmų atsiradimas. Vis dar nežinoma, kas pasirodė anksčiau – pirmosios ląstelės ar pirmieji virusai. Galbūt jie visada lydėjo gyvenimą, kaip pragaištingas šešėlis.

Problema ta, kad virusai yra ne kas kita, kaip genomo (DNR arba RNR) fragmentai, uždengti baltymo apvalkalu. Fosilijose jie nepalieka jokių pėdsakų, o tyrinėti jų praeitį belieka tik šiuolaikiniai virusai ir jų genomai.

Lygindami, ieškodami panašumų ir skirtumų, biologai atranda evoliucinius ryšius tarp skirtingų virusų, nustato jų seniausias ypatybes. Deja, virusai yra neįprastai įvairūs ir įvairūs. Užtenka prisiminti, kad jų genomus gali pavaizduoti ne tik DNR grandinės (kaip pas mus ir, pavyzdžiui, herpeso virusai), bet ir giminingos RNR molekulės (kaip koronavirusų).

Virusų DNR/RNR molekulė gali būti viena arba suskirstyta į dalis, linijinė (adenovirusai) arba žiedinė (poliomavirusai), viengrandė (aneliovirusai) arba dvigrandė (bakulovirusai).

Vizualinis mokslas Gripo A / H1N1 virusas

Virusinių dalelių struktūros, jų gyvavimo ciklo ypatumai ir kitos charakteristikos, kurias būtų galima panaudoti įprastam palyginimui, yra ne mažiau įvairios. Daugiau apie tai, kaip mokslininkai įveikia šiuos sunkumus, galite perskaityti pačioje šio įrašo pabaigoje. Kol kas prisiminkime, ką visi virusai turi bendro: jie visi yra parazitai. Nežinomas nei vienas virusas, kuris pats galėtų vykdyti metabolizmą, nenaudodamas ląstelės šeimininkės biocheminių mechanizmų.

Jokiame viruse nėra ribosomų, kurios galėtų sintetinti baltymus, ir niekas neturi sistemų, kurios leistų gaminti energiją ATP molekulių pavidalu. Visa tai daro juos įpareigojančiais, tai yra, besąlyginiais viduląsteliniais parazitais: jie negali egzistuoti patys.

Nenuostabu, kad pagal vieną pirmųjų ir žinomiausių hipotezių pirmiausia atsirado ląstelės, o tik tada šioje dirvoje išsivystė visas įvairus virusų pasaulis.

Regresyviai. Nuo sudėtingo iki paprasto

Pažvelkime į riketsijas – taip pat tarpląstelinius parazitus, nors ir bakterijas. Be to, kai kurios jų genomo dalys yra artimos DNR, kuri yra eukariotinių ląstelių, įskaitant žmones, mitochondrijose. Matyt, abu turėjo bendrą protėvį, tačiau „mitochondrijų linijos“įkūrėjas, užkrėsdamas ląstelę, jos nesunaikino, o netyčia išliko citoplazmoje.

Dėl to šios bakterijos palikuonys prarado masę daugiau nereikalingų genų ir degradavo iki ląstelių organelių, kurios aprūpina šeimininkus ATP molekulėmis mainais už visa kita. „Regresyvi“virusų kilmės hipotezė mano, kad toks degradavimas galėjo įvykti ir jų protėviams: kadaise visiškai pilnaverčiai ir nepriklausomi ląsteliniai organizmai, per milijardus parazitinio gyvenimo metų, jie tiesiog prarado viską, kas nereikalinga.

Šią seną idėją atgaivino neseniai atrasti milžiniški virusai, tokie kaip pandoravirusai ar mimivirusai. Jie ne tik labai dideli (mimiviruso dalelių skersmuo siekia 750 nm – palyginimui, gripo viruso dydis yra 80 nm), bet ir turi itin ilgą genomą (1,2 mln. mimiviruso nukleotidų, palyginti su keliais šimtais dažni virusai), koduojantys daugybę šimtų baltymų.

Tarp jų taip pat yra baltymų, reikalingų DNR kopijavimui ir „taisymui“(remontui), pasiuntinio RNR ir baltymų gamybai.

Šie parazitai yra daug mažiau priklausomi nuo savo šeimininkų, o jų kilmė iš laisvai gyvenančių protėvių atrodo daug įtikinamesnė. Tačiau daugelis ekspertų mano, kad tai neišsprendžia pagrindinės problemos – visi „papildomi“genai vėliau galėjo atsirasti iš milžiniškų virusų, pasiskolinti iš savininkų.

Juk sunku įsivaizduoti parazitinę degradaciją, kuri galėtų nueiti taip toli ir paveikti net genetinio kodo nešėjo formą bei paskatinti RNR virusų atsiradimą. Nenuostabu, kad lygiai taip pat gerbiama ir kita hipotezė apie virusų kilmę – visiškai priešinga.

Progresyvus. Nuo paprasto iki sudėtingo

Pažvelkime į retrovirusus, kurių genomas yra vienos grandinės RNR molekulė (pavyzdžiui, ŽIV). Patekę į šeimininko ląstelę, tokie virusai naudoja specialų fermentą atvirkštinę transkriptazę, paverčiant ją įprasta dviguba DNR, kuri vėliau prasiskverbia į ląstelės „šventąją šventą“– į branduolį.

Čia pradeda veikti kitas viruso baltymas – integrazė, kuri įterpia viruso genus į šeimininko DNR. Tada su jais pradeda veikti pačios ląstelės fermentai: gamina naują RNR, jų pagrindu sintetina baltymus ir kt.

Vaizdo mokslas Žmogaus imunodeficito virusas (ŽIV)

Šis mechanizmas primena mobiliųjų genetinių elementų – DNR fragmentų, kurie neneša mums reikalingos informacijos, bet yra saugomi ir kaupiami mūsų genome, dauginimąsi. Kai kurie iš jų, retrotranspozonai, net geba jame daugintis, plisti naujomis kopijomis (daugiau nei 40 procentų žmogaus DNR sudaro tokie „šiukšlių“elementai).

Tam juose gali būti fragmentų, koduojančių abu pagrindinius fermentus – atvirkštinę transkriptazę ir integrazę. Tiesą sakant, tai yra beveik paruošti retrovirusai, neturintys tik baltyminio apvalkalo. Tačiau jo įsigijimas yra laiko klausimas.

Įterpdami į genomą čia ir ten, mobilieji genetiniai elementai gali užfiksuoti naujus šeimininko genus. Kai kurie iš jų gali būti tinkami kapsidų formavimui. Daugelis baltymų yra linkę savarankiškai surinkti į sudėtingesnes struktūras. Pavyzdžiui, ARC baltymas, kuris vaidina svarbų vaidmenį neuronų funkcionavime, spontaniškai susilanksto laisvoje formoje į virusą panašias daleles, kurios viduje gali nešti net RNR. Daroma prielaida, kad tokių baltymų inkorporacija gali įvykti apie 20 kartų, todėl susidaro didelės šiuolaikinės virusų grupės, kurios skiriasi savo apvalkalo struktūra.

Lygiagretus. Gyvenimo šešėlis

Tačiau pati jauniausia ir perspektyviausia hipotezė vėl viską apverčia aukštyn kojomis, darant prielaidą, kad virusai atsirado ne vėliau kaip pirmosios ląstelės. Labai seniai, kai gyvenimas dar nebuvo nuėjęs taip toli, savaime besidauginančių molekulių, galinčių kopijuoti save, protoevoliucija vyko „pirminėje sriuboje“.

Palaipsniui tokios sistemos tapo sudėtingesnės, virsdamos vis didesniais molekuliniais kompleksais. Ir vos vieni įgijo gebėjimą sintetinti membraną ir tapo protoląstelėmis, kiti – virusų protėviai – tapo jų parazitais.

Tai atsitiko gyvybės aušroje, gerokai prieš bakterijų, archėjų ir eukariotų atsiskyrimą. Todėl jų (ir labai skirtingi) virusai užkrečia visų trijų gyvojo pasaulio sričių atstovus, o tarp virusų gali būti tiek daug RNR turinčių: būtent RNR laikomos „protėvių“molekulėmis, savaiminis replikacija ir evoliucija. iš kurių atsirado gyvybė.

Pirmieji virusai galėjo būti tokios „agresyvios“RNR molekulės, kurios tik vėliau įgavo baltymų apvalkalus koduojančius genus. Iš tiesų, buvo įrodyta, kad kai kurių tipų kriauklės galėjo atsirasti dar prieš paskutinį bendrą visų gyvų organizmų protėvį (LUCA).

Tačiau virusų evoliucija yra dar painesnė sritis nei viso ląstelinių organizmų pasaulio evoliucija. Labai tikėtina, kad visi trys požiūriai į jų kilmę savaip yra teisingi. Šie tarpląsteliniai parazitai yra tokie paprasti ir tuo pat metu įvairūs, kad skirtingos grupės gali atsirasti nepriklausomai viena nuo kitos, vykstant iš esmės skirtingiems procesams.

Pavyzdžiui, tie patys milžiniški DNR turintys virusai gali atsirasti suirus protėvių ląstelėms, o kai kurie RNR turintys retrovirusai – „įgijus nepriklausomybę“mobiliaisiais genetiniais elementais. Tačiau gali būti, kad šios amžinos grėsmės atsiradimą skolingi visiškai kitam mechanizmui, dar neatrastai ir nežinomam.

Genomai ir genai. Kaip tiriama virusų evoliucija

Deja, virusai yra neįtikėtinai nepastovūs. Jiems trūksta sistemų, skirtų DNR pažeidimams atitaisyti, o bet kokia mutacija lieka genome, atsižvelgiant į tolesnę atranką. Be to, skirtingi virusai, užkrečiantys tą pačią ląstelę, lengvai keičiasi DNR (arba RNR) fragmentais, todėl atsiranda naujų rekombinantinių formų.

Galiausiai kartų kaita vyksta neįprastai greitai – pavyzdžiui, ŽIV gyvavimo ciklas yra tik 52 valandos ir toli gražu nėra trumpiausias. Visi šie veiksniai užtikrina greitą virusų kintamumą, o tai labai apsunkina tiesioginę jų genomų analizę.

Tuo pačiu metu, patekę į ląstelę, virusai dažnai nepaleidžia savo įprastos parazitinės programos – vieni sukurti taip, kiti dėl atsitiktinio gedimo. Tuo pačiu metu jų DNR (arba RNR, anksčiau paversta DNR) gali integruotis į šeimininko chromosomas ir čia pasislėpti, pasiklysta tarp daugelio pačios ląstelės genų. Kartais viruso genomas vėl suaktyvinamas, o kartais išlieka toks latentinis, perduodamas iš kartos į kartą.

Manoma, kad šie endogeniniai retrovirusai sudaro iki 5–8 procentų mūsų pačių genomo. Jų kintamumas nebėra toks didelis – ląstelių DNR taip greitai nesikeičia, o daugialąsčių organizmų gyvenimo ciklas siekia ne valandas, o dešimtis metų. Todėl jų ląstelėse saugomi fragmentai yra vertingas informacijos apie virusų praeitį šaltinis.

Atskira ir dar jaunesnė sritis yra virusų proteomika – jų baltymų tyrimas. Juk bet kuris genas yra tik tam tikros baltymo molekulės, reikalingos tam tikroms funkcijoms atlikti, kodas. Kai kurie „telpa“kaip „Lego“gabalėliai, sulankstydami viruso apvalkalą, kiti gali surišti ir stabilizuoti viruso RNR, o dar kiti gali būti naudojami užkrėstos ląstelės baltymams atakuoti.

Tokių baltymų aktyvios vietos yra atsakingos už šias funkcijas, o jų struktūra gali būti labai konservatyvi. Jis išlaiko didelį stabilumą per visą evoliuciją. Gali keistis net atskiros genų dalys, tačiau baltymo vietos forma, elektros krūvių pasiskirstymas joje – viskas, kas yra kritinė norimai funkcijai atlikti – išlieka beveik tokia pati. Jas palyginus galima rasti tolimiausius evoliucinius ryšius.