Сянката на живота: Хипотези за произхода на вирусите

Вирусите трудно могат да се нарекат живи. За техния произход и еволюция обаче се знае по-малко проучени от появата на „нормални“ клетъчни организми. Все още не е известно кой се е появил по-рано, първите клетки или първите вируси. А може би те винаги са съпътствали живота като гибелна сянка.

Проблемът е, че вирусите не са нищо повече от фрагменти от генома (ДНК или РНК), затворени в протеинова обвивка. Те не оставят следи във вкаменелостите и за изследване на миналото им остават само съвременните вируси и техните геноми. Сравнявайки, откривайки прилики и разлики, биолозите откриват еволюционни връзки между различни вируси, определят най-древните им характеристики. За съжаление, вирусите са необичайно променливи и разнообразни. Достатъчно е да припомним, че техните геноми могат да бъдат представени от вериги не само от ДНК (както у нас и, например, херпесни вируси), но и от свързана РНК молекула (както при коронавирусите). ДНК / РНК молекулата във вирусите може да бъде единична или сегментирана на части, линейна (аденовируси) или кръгова (полиомавируси), едноверижна (анеловируси) или двуверижна (бакуловируси).

Структурите на вирусни частици, характеристиките на техния жизнен цикъл и други характеристики, които биха могли да се използват за извършване на конвенционални сравнения, са не по-малко разнообразни. Но все пак какво е общото между всички вируси? Всички те са паразити. Не е известен нито един вирус, който да може да осъществява метаболизма сам, без да използва биохимичните механизми на клетката гостоприемник.

Нито един вирус не съдържа рибозоми, които биха могли да синтезират протеини, и никой не носи системи, които позволяват производството на енергия под формата на АТФ молекули. Всичко това ги прави задължителни, тоест безусловни вътреклетъчни паразити: те не са в състояние да съществуват сами. Не е изненадващо, че според една от първите и най-известни хипотези, клетките се появяват за първи път и едва след това целият разнообразен вирусен свят се развива на тази почва.

Регресивно. От сложно към просто

Нека да разгледаме рикетсията – също вътреклетъче паразит, макар и бактерия. Освен това някои части от техния геном са близки до ДНК, която се съдържа в митохондриите на еукариотните клетки, включително хората. Очевидно и двамата са имали общ предшественик, но основателят на „линията на митохондриите“, заразявайки клетката, не я е убил, но е бил случайно запазен в цитоплазмата. В резултат на това потомците на тази бактерия загубиха маса от повече ненужни гени и се разградиха до клетъчни органели, които снабдяват гостоприемниците с молекули АТФ в замяна на всичко останало. „Регресивната“ хипотеза за произхода на вирусите смята, че подобно разграждане е можело да се случи на техните предци: веднъж напълно пълноценни и независими клетъчни организми, в продължение на милиарди години паразитен живот, те просто са загубили всичко излишно.

Тази стара идея получи нов живот благодарение на неотдавнашното откритие на гигантски вируси като пандоравируси или мимивируси. Те са не само много големи (диаметърът на частиците на мимивируса достига 750 nm – за сравнение, размерът на грипния вирус е 80 nm), но те също носят изключително дълъг геном (1,2 милиона нуклеотидни връзки в мимивирус срещу няколкостотин в обикновени вируси), кодиращи много стотици протеини. Сред тях има и протеини, необходими за копиране и „възстановяване“ (възстановяване) на ДНК, за производството на пратеник РНК и протеини.

Тези паразити са много по-малко зависими от своите домакини и произходът им от свободно живеещите предци изглежда много по-убедителен. Много експерти обаче смятат, че това не решава основния проблем – всички „допълнителни“ гени могат да се появят по-късно от гигантски вируси, заимствани от техните домакини. В крайна сметка е трудно да си представим паразитна деградация, която би могла да стигне толкова далеч и да засегне дори формата на носителя на генетичния код и да доведе до появата на РНК вируси. Не е изненадващо, че еднаква хипотеза за произхода на вирусите се спазва еднакво – точно обратното.

Прогресивно. От просто до сложно

Нека да разгледаме ретровирусите, чийто геном е едноверижна РНК молекула (например ХИВ). Попадайки в клетката гостоприемник, такива вируси използват специален ензим, обратна транскриптаза, превръщайки я в обикновена двойна ДНК, която след това прониква в „светинята на светиите“ на клетката – в ядрото. Тук влиза в действие друг вирусен протеин, интеграза, който вмъква вирусните гени в ДНК на гостоприемника. Тогава собствените ензими на клетката започват да работят с тях: те произвеждат нова РНК, синтезират протеини на тяхна основа и т.н.

Вирус на човешка имунна недостатъчност (ХИВ)
Този механизъм наподобява възпроизвеждането на подвижни генетични елементи – ДНК фрагменти, които не носят

информация, от която се нуждаем, но се съхранява и натрупва в нашия геном. Някои от тях, ретротранспозони, дори са способни да се размножават в него, разпространявайки се с нови копия (повече от 40 процента от човешката ДНК се състои от такива „боклуци“ елементи). За това те могат да съдържат фрагменти, кодиращи и двата ключови ензима – обратна транскриптаза и интеграза. Всъщност това са почти готови ретровируси, лишени само от протеинова обвивка. Но придобиването му е въпрос на време.

Вграждайки се в генома тук-там, мобилните генетични елементи са напълно способни да улавят нови гени-гостоприемници. Някои от тях може да са подходящи за образуване на капсиди. Много протеини са склонни да се самосглобяват в по-сложни структури. Например, ARC протеинът, който играе важна роля за функционирането на невроните, спонтанно се сгъва в свободна форма във вирусоподобни частици, които дори могат да бъдат пренесени вътре в РНК. Предполага се, че включването на такива протеини може да се случи около 20 пъти, което води до големи съвременни групи вируси, които се различават по структурата на обвивката си.

Паралелно. Сянка на живота

Най-младата и многообещаваща хипотеза обаче отново обръща всичко с главата надолу, като се предполага, че вирусите са се появили не по-късно от първите клетки. Преди много време, когато животът още не беше отишъл толкова далеч, протоеволюцията на самовъзпроизвеждащите се молекули, способни да се копират, протичаше в „първичната супа“. Постепенно такива системи стават по-сложни, превръщайки се във все по-големи молекулни комплекси. И веднага след като някои от тях придобиха способността да синтезират мембрана и се превърнаха в прото-клетки, други – предците на вирусите – станаха техните паразити.

Това се случи в зората на живота, много преди отделянето на бактериите, археите и еукариотите. Следователно, техните собствени (и много различни) вируси заразяват представители на трите домена на живия свят и сред вирусите може да има толкова много РНК-съдържащи: именно РНК се считат за „прародителни“ молекули, самовъзпроизвеждането и еволюцията на които доведе до появата на живот. Първите вируси могат да бъдат такива „агресивни“ молекули на РНК, които едва по-късно са придобили гени, кодиращи протеиновите обвивки. Всъщност беше показано, че някои видове черупки може да са се появили дори преди последния общ прародител на всички живи организми (LUCA).

Еволюцията на вирусите обаче е област, дори по-объркваща от еволюцията на целия свят на клетъчните организми. Много е вероятно по свой начин и трите възгледи за техния произход да са верни. Тези вътреклетъчни паразити са толкова прости и в същото време разнообразни, че различни групи могат да се появят независимо една от друга, в хода на фундаментално различни процеси. Например едни и същи гигантски ДНК-съдържащи вируси могат да възникнат в резултат на разграждане на клетките на предците и някои РНК-съдържащи ретровируси – след „придобиване на независимост“ от мобилни генетични елементи. Но е възможно появата на тази вечна заплаха да дължим на съвсем различен, все още неоткрит и непознат механизъм.

Източник: Тень жизни: гипотезы о происхождении вирусов, Роман Фишман

Как се изучава еволюцията на вирусите? За съжаление, вирусите са изключително променливи. Липсват им системи за възстановяване на увреждане на ДНК и всяка мутация остава в генома, подлежаща на допълнителен подбор. В допълнение, различни вируси, които заразяват една и съща клетка, лесно обменят фрагменти на ДНК (или РНК), пораждайки нови рекомбинантни форми. Смяната на поколенията се случва необичайно бързо – например, жизненият цикъл на ХИВ е само 52 часа и далеч не е най-краткотраен. Всички тези фактори осигуряват бързата вариабилност на вирусите, което значително усложнява директния анализ на техните геноми. В същото време, попаднали в клетка, вирусите често не стартират обичайната си паразитна програма – някои са проектирани по този начин, други поради случайна повреда. В същото време тяхната ДНК (или РНК, предварително превърната в ДНК) може да се интегрира в хромозомите на гостоприемника и да се скрие тук, като се загуби сред многото гени на самата клетка. Понякога вирусният геном се активира отново, а понякога остава в такава скрита форма, предавана от поколение на поколение. Смята се, че такива ендогенни ретровируси представляват до 5-8 процента от собствения ни геном. Тяхната вариабилност вече не е толкова голяма – клетъчната ДНК не се променя толкова бързо и жизненият цикъл на многоклетъчните организми достига десетки години, а не часове. Следователно фрагментите, които се съхраняват в клетките им, служат като ценен източник на информация за миналото на вирусите. Отделна и още по-млада област е протеомиката на вирусите – изследването на техните протеини. В крайна сметка всеки ген е просто код за определена протеинова молекула, необходима за изпълнение на определени функции. Някои „се напасват“ като Lego парчета, сгъвайки вирусната обвивка, други могат да свързват и стабилизират вирусна РНК, а трети могат да се използват за атака на протеините на заразена клетка. Активните места на такива протеини са отговорни за тези функции и тяхната структура може да бъде много консервативна. Той запазва голяма стабилност по време на еволюцията. Дори отделни части от гените могат да се променят, но формата на протеиновия сайт, разпределението на електрическите заряди в него – всичко, което е критично за изпълнението на желаната функция – остава почти същото. Сравнявайки ги, може да се открият най-отдалечените еволюционни връзки.

Откриха пълен ХИВ-геном в проба от човешка тъкан, взета през 1966 г.