СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ
Наиболее распространенные современные гипотезы происхождения вирусов основаны на двух крупных достижениях молекулярной биологии: во-первых, открытии рибозимов (молекул РНК, обладающих ферментативной активностью) и формулировании теории «мира РНК», постулирующей, что РНК была «изобретена» раньше ДНК и белков, и, во-вторых, успехах геномики (расшифровки нуклеотидной последовательности огромного числа клеточных и вирусных геномов). Общим для большинства современных гипотез является представление о об очень значительном, если не решающем, вкладе вирусов в генетическую информацию клеточных организмов.
В качестве примера таких взглядов кратко рассмотрим две в чем-то перекрывающиеся, но, все же, существенно различные гипотезы происхождения вирусов и их роли в эволюции клеточных организмов. Одна из гипотез принадлежит П. Фортеру (Forterre, 2006а, Ь). Французский исследователь постулирует, что последний общий предшественник всего живого (Last Universal Common Ancestor или LUCA) представлял собой клетку с РНК-геномом, в которой «жили» РНК-содержащие вирусы (рис. 6). Важно, что для репликации клеточного и вирусного геномов в этом случае требуется один и тот же класс ферментов — РНК-зависимые РНК-лолимеразы (RNA-dependent RNA polymerase; RdRP). Предполагается, что современные РНК-вирусы унаследовали этот ключевой фермент с тех древнейших времен. Действительно, RdRP большинства известных вирусов с позитивным однонитевым или двунитевым РНК-геномом проявляют столь существенное сходство, что можно говорить об их общем происхождении. Для возникновения РНК-вирусов потребовалось изобрести капсид, т. е. белковую оболочку. Опять-таки, белки оболочки многих вирусов с однонитевым и двунитевым РНК-геномом обладают принципиально сходной структурной организацией, несмотря на то, что аминокислотные последовательности этих белков могут иметь между собой мало общего (см. также Bamford, 2003). Отсюда выводится предположение, что эти капсидные белки имеют общего прародителя.
Следующим фундаментальным эволюционным событием, по гипотезе Фортера, было возникновение ДНК (рис. 6). Постулируется, что первые ДНК появились, в результате синтеза на матрице РНК, т.е. в результате обратной транскрипции, и появились они у вирусов, которые по современной терминологии называют ретровирусами (рис. 4, 5). Возникновение ретровирусов сопряжено с двумя принципиальными новшествами. Во-первых, потребовались ферменты, умеющие осуществлять обратную транскрипцию, т.е. РНК-зависимые ДНК-полимеразы (обратные транскриптазы).
Рис. 6. Модель перехода от мира РНК к миру ДНК по П. Фортсру (Fortcrre, 2006а, о).
Изобретение таких ферментов существенно облегчала уже имеющаяся «подсказка» — обратные транскриптазы устроены в значительной степени по образу и подобию уже существовавших тогда RdRP. Действительно, между этим двумя классами ферментов имеется заметное структурное сходство. Второе изобретение — это появление ферментов, способных превращать субстраты для синтеза РНК (рибонуклеозиды или рибонуклеотиды) в субстраты для синтеза ДНК (дезоксирибонуклеозиды или дезоксирибонуклеотиды). Так или иначе, и эта задача была решена. Следует заметить, что изобретать для ретровирусов принципиально новый класс белков оболочки не понадобилось — был использован (и до сих пор используется) общий план строения капсидных белков РНК-вирусов.
И, наконец, наступает закат «мира РНК» и возникновение «эпохи ДНК» (рис. 6). С биохимической точки зрения, ключевым этапом здесь было появление нового класса ферментов -ДНК-зависимых ДНК-полимераз, что, в свою очередь, обеспечило возможность возникновения ДНК-вирусов. Превращение клеток с РНК-геномом в клетки с привычным для нас ДНК-геномом произошло, по Фортеру, в результате заражения ДНК-вирусами. При этом три домена клеточных организмов возникли независимо в результате заражения разными ДНК вирусами-основоположниками (founder viruses). Особые основоположники положили начало эубактериям, археям и плазмидам, в то время как для появления эукариот потребовалось несколько разных вирусов-основателей.
По гипотезе, которую развивает Е. Кунин с коллегами (Koonin, Martin, 2005; Koonin et al., 2006), жизнь зародилась в микроскопических неорганических ячеистых структурах, которые могли служить суррогатами клеток — рис. 7. Рибозимы, возникшие на добиологической стадии эволюции, могли накапливаться в таких ячейках в относительно высоких концентрациях, могли передвигаться между ячейками и «заражать» их. Следующий фундаментальный этап -возникновение РНК-вирусов с однонитевым и двунитевым геномом. Затем, как и у Фортера, следует появление обратной транскрипции и ретровирусов и, наконец, возникновение ДНК-зависимого синтеза ДНК и ДНК-вирусов. Но все это происходило, по Кунину, еще на доклеточной стадии эволюции. А клетки с ограничивающими их мембранами появились уже после того, как возникли основные способы хранения и передачи генетической информации. Но сначала возникли археи и эубактерии. Эукариоты же появились, в соответствии с широко распространенной точкой зрения, в результате поглощения бактериальной клетки архейной клеткой (рис. 8). При этом эукариотические клетки унаследовали генетические структуры не только от этих двух клеточных прародителей, но и от их вирусов, а вирусы эукариот от фагов и вирусов архей.
Рис. 7. Модель перехода от доклеточного мира РНК к археям и бактериям по Е. Кунину (Koonin ct 2006).
Этот вывод подкрепляется сравнительным анализом нуклеотидных последовательностей и белковых структур таких ключевых ферментов, как RdRP, обратные транскриптазы, некоторые ферментов синтеза ДНК, а также капсидных белков.
Таким образом, по этому сценарию, клетки произошли позже вирусов и на их основе. Что же касается самих вирусов, то их разные группы могут не иметь общего предшественника (т. е. не являются монофилетичными), но, в то же время, в каком-то смысле, все они — родственники.
Общим для этих двух гипотез эволюционной истории является представление о том, что современные вирусы унаследовали от древнейшего мира многие молекулярные механизмы, которые не сохранились у клеточных организмов. Именно поэтому способы транскрипции и репликации у вирусов существенно более разнообразны по сравнению с таковыми у клеточных организмов (рис. 5). Однако возникновение клеток не означало прекращения обмена генетической информацией между миром вирусов и миром клеточных организмов. Такой обмен, по-видимому, продолжался на протяжении всей истории биосферы. В частности, можно полагать, что некоторые вирусы приобрели у клеток вспомогательные ферменты синтеза РНК и ДНК, а также, что очень важно, протеазы. Пример относительно более свежих вирусных заимствований у клеток — белки, взаимодействующие с компонентами врожденного и приобретенного иммунитета, особенно характерные для крупных вирусов.
Не останавливался и поток генов от вирусов к клеткам. Здесь следует упомянуть об эндогенных вирусах — остатках генов ретровирусов, интегрировавших в клеточные хромосомы. По некоторым оценкам, более половины генома млекопитающих имеет вирусное происхождение, если учитывать как самые древнейшие, так и более новые приобретения.
Рис. 8. Модель появления эукариотической клетки, а также вирусов эукариот в результате поглощения бактерии археоном (Koonin el al., 2006).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Краткое рассмотрение современных взглядов на происхождение клеточных организмов показывает, сколь важную, а возможно, и решающую роль придают в этом процессе вирусам. Как выразился один вирусолог: «Древо жизни своими корнями погружено в океан вирусов» (Bamford, 2003). При этом многие (хотя и не все — см., например, Altstein, 1992) исследователи полагают, что ДНК-содержащие вирусы произошли из РНК-содержащих. Эти эволюционные сценарии весьма интересны, они объясняют сравнительное богатство способов хранения и реализации генетической информации у вирусов, а также стимулируют дальнейшие исследования. Конечно, мы не может и не должны забывать, что мир вирусов — один из главных источников болезней человека, животных и растений. В этой ипостаси вирусы — то, с чем надо бороться самым активнейшим образом. Но нельзя сбрасывать со счетов и то, что мы как человечество, да и вся живая природа не были бы без вирусов таковыми, как есть, а, может быть, и не существовали бы вообще.
В заключение я бы согласился с замечанием Ф. Дулитла (Doolittle, 2006), что пока эволюционные сценарии все же ближе к произведениям искусства и не обязательно должны быть истинными («Evolutionary scenarios are an artform. They do not have to be true!»). Будем надеяться, что прогресс науки либо подтвердит их справедливость, либо выдвинет новые, еще более увлекательные сценарии.
Настоящая статья частично основана на материалах лекции, прочитанной на научной школе «Evolution from Cellular to Social Scales» (NATO AS1, Гейло, Норвегия, 10-20 апреля 2007) (Agol, 2008).
Вблизи карачаевского аула Нижняя Теберда, на берегу реки Теберда, располагается старинный сентинский храм , возведенный в X веке и до сих пор считающийся Меккой для многих христиан. Совершить виртуальную прогулку по каменным коридорам многовекового строения Вы сможете, прочитав статью АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ «СИНИЛЬГА» на сайте travel.landroverlife.ru