Вирус - двигатель эволюции
Благодаря масс-медиа, человечество сегодня полно предубеждений против вирусов, а что если мы стали современными людьми в том числе и благодаря вирусам? Может быть, даже сегодня они продолжают меняют нас?
Понятие о месте вирусов в биосфере и ее эволюции радикально изменилось за последние несколько десятков лет. Сейчас мы понимаем, что представление о вирусах как непримечательных внутриклеточных паразитах чрезвычайно далеко от действительности. Напротив, вирусы представляют собой наиболее распространенные биологические объекты на Земле, как физически, так и генетически.
До сих пор ученое сообщество не пришло к единому мнению насчет происхождения вирусов, поскольку они не оставляют каких бы то ни было ископаемых останков.
следующий абзац будет о гипотезах, можете пропустить)
Во дни расцвета молекулярной биологии, когда фундаментальные различия между вирусами и клетками были четко осознаны – так что происхождение вирусов от клеток было маловероятным, однако недавно открытие гигантских вирусов, привели к воскрешению гипотезы клеточной дегенерации.
Нот также наиболее вероятным кажется, что основные стратегии вирусов: репликации и экспрессии генома – возникли уже в доклеточную эру. Возможно, называть возникшие первичные эгоистичесные элементы вирусами нецелесообразно, учитывая отсутствие клеток на этом этапе их эволюции. Однако, если их называть «вирусоподобными» агентами или как-то вроде этого, это никак не изменит того факта, что нет ни следа клеточного происхождении вирусов, и ни в коей мере не опровергнет гипотезу древнего мира вирусов.
Другими словами: происхождение вирусов весьма темная и запутанная история, и если кто нибудь в ближайшем будущем найдет гарантированные доказательства их происхождения, то вполне сможет претендовать на Нобелевскую премию.
Картинки в посте по большей части никак не связаны с текстом и призваны разбавить ваше чтение и продемонстрировать различное видовое многообразие вирусов.
Совместно эволюционирующие системы паразит–хозяин могут поддерживать стабильную эволюционную траекторию, лишь постоянно изменяясь в непрерывной гонке вооружений. Хозяева развивают новые защитные механизмы, и паразиты отвечают, развивая механизмы взлома защиты, а также новые механизмы для атаки, и так до бесконечности, если рассматривать эволюцию жизни в целом, либо до вымирания хозяина или паразита.
Защитные системы многоклеточных организмов, разумеется, намного сложнее чем у бактерий. Они включают аппарат РНК-интерференции и различные другие механизмы врожденного и приобретенного иммунитета (в частности, система интерферона)
Вирусы никогда далеко не отставали от своих клеточных хозяев (исключая вымерших). Лучший известный тому пример – вирусы с большими геномами, такие как поксвирусы или бакуловирусы: до половины генов у этих вирусов функционируют как устройства взлома защиты клетки. Основная стратегия, применяемая этими вирусами, проста и эффективна: вирус «крадет» ген, кодирующий компонент защиты хозяина. После мутирования в вирусном геноме белковый продукт этого гена превращается в доминантивный ингибитор соответствующей системы защиты. Более маленькие вирусы не могут позволить себе сравнимый ассортимент генов взлома защиты, но тем не менее несут гены белков, которые по большей части участвуют в агрессивном расщеплении белковых факторов защиты, необходимых для РНК хозяина, но не вирусных РНК
Вирусы инфицируют в основном соматические клетки (не используемые для размножения). Затем вирусы погибают вместе с теми клетками, в которых они похозяйничали. Т. е. вирусы сами подготавливают и свою собственную смерть. Однако это не всегда так происходит. Очень редко в эволюции человека происходило инфицирование вирусами клеток зародышевого пути, образовывались провирусы, но организм выживал и внедренный провирус становился наследуемым элементом генома человека. Так в клетке появляется «лжепрограмма» (провирус), которая изменяет геном гораздо сильнее, чем это возможно при «нормальной» эволюционной изменчивости.
Когда секвенировали геном человека (многолетние исследования человеческих генов) и многих других млекопитающих, оказалось, что в их составе содержится очень большое число повторяющихся элементов, имеющих сходство с инфекционными вирусами. Повторяющиеся элементы, способные кодировать 2–3 белка и окруженные с двух сторон еще одними особыми повторами — названными длинными концевыми повторами (ДКП), — были отнесены к семейству, получившему название ретротранспозонов(нетипичные ретровирусы). У человека они составляют довольно существенную часть — около 8% генома.
Отличия ретровирусов: типичного вверху, и нетипичного внизу.
Встроенные вирусы напоминают структуру отдельных современных ретровирусов, хотя зачастую существенно отличается от них.
Черные горизонтальные линии — последовательности генома человека. Черные поперечные полосы в генах — мутации.
Мутации, накопившиеся в ходе эволюции в нетипичных ретровирусах, не позволяют им образовывать новые инфекционные вирусные частицы, как это происходит обычно в случае типичных вирусов (например, вируса иммундефицита человека, вызывающего такое страшное заболевание, как СПИД).
По результатам исследования, такие провирусы появились в геноме человека от 10 до 50 млн. лет назад в результате инфицирования зародышевых клеток наших предшественников и с тех пор передаются по наследству, как и все другие собственные элементы генома. Так «чужие» молекулы ДНК стали частью нашего генома. В сумме их насчитывается несколько десятков тысяч, но разумеется точное количество подсчитать не остается возможным.
Как я уже говорил, обычно вирусы не оставляют ископаемых останков, но в случае ретровирусов - встроенные участки (ретротранспозоны) очень часто рассматривают как «ископаемые останки» древних ретровирусов.
Однако при определенных воздействиях на геном существует вероятность(очень минимальная) активировать "спящие" вирусы и этим нарушить нормальный метаболизм в клетке. Таким образом, некоторые из них и по прошествии тысячелетий продолжают представлять потенциальную опасность для человека.
Всё это приводит нас к важному выводу: встроенные вирусы не просто окаменелые остатки прошлых эпох, а элементы генома человека, которые определяют присущую ему нестабильность.
Генетики заявляют, что важной особенностью является то, что каким-то странным образом, при включении генома вируса в цепочку ДНК человека он выбирает именно то место, хромосомы которого, отвечают за формирование иммунной системы. Эти места в конце цепочки называются теломерами. В случае их повреждения иммунный ответ организма на наличие в нем вирусов снижается.
Еще одна интересная особенность:
Помимо своих генов ретровирусы способны принести в наш геном еще и гены других организмов – это явление называет горизонтальный перенос генов. Обычно мы получаем гены от своих родителей и передаем их своим детям – это называется вертикальный перенос генов. Но в природе существует еще и горизонтальный перенос между особями, которые не являются детьми и родителями. У бактерий это встречается очень часто, а вот в более сложных организмах такой перенос затруднен. Однако ретровирусы могут играть роль «переносчиков»: встроившись в ДНК хозяина, при копировании они могут «зацепить» соседние участи ДНК, и все будущие их копии будут нести часть хозяйской ДНК. Когда они встроятся в геном следующего хозяина, то туда попадет и часть ДНК предыдущего. Таким образом, генетическая информация может мигрировать между организмами.
Как правило, большинство ретровирусов оседает в «мусорной ДНК», это часть нашей ДНК, которая, предположительно, не несет в себе никакой функции, поэтому, когда вирус встраивается в эту область, он не портит наследственную информацию и не причиняет никакого вреда нашим генам. Но это происходит не всегда и некоторые ретровирусы, предположительно, способствовали появлению мутаций, которые в последствие прошли естественный отбор и закрепились у разных видов. Таким образом, получается, что эти вирусы всё таки непосредственно участвовали в нашей эволюции.
Есть теория, что кембрийский взрыв (резкое увеличение видового разнообразия 540млн лет назад) произошел, в том числе, благодаря активности древних ретровирусов.
Несколько интересных фактов о вирусах:
-
Вирусы способствовали появлению сложных организмов
Величайшее изобретение эволюции – клеточное ядро – предположительно появилось благодаря вирусам. Клеточное ядро и вирусы имеют на удивление сходное строение: оба представляют собой хромосомы заключенные в белковую капсулу. В некоторых, сравнительно простых организмах, таких как красная водоросль, ядро может проникать из клетки в клетку. Этот процесс очень напоминает вирусное инфицирование.
-
Мимивирус – самый крупный представитель вирусов. Мимивирус в 30 раз больше, чем вирус обычного гриппа. Его считают недостающим звеном между вирусами и бактериями. Однако имеется и более радикальное мнение, согласно которому мимивирус представляет собой принципиально новую форму жизни, не относящуюся к вирусам или бактериям
-
По предварительным подсчётам, в биосфере находится намного больше вирусов-бактериофагов: видов убивающих бактерий вирусов, чем все остальные формы жизни вместе взятые.
-
Вечная дилемма - живые они или нет?
Никто не может с точностью сказать, являются ли вирусы биологическими или химическими паразитами на биологической основе. У них есть генетический материал, но они зависят от других существ, чтобы его производить. Все ещё больше усложняется, если принять во внимание тот факт, что у вируса намного больше генетического материала, чем у любой бактерии, а бактерия – это уже живой организм.
Моё скромное мнение - вирусы все таки живые организмы, просто иного внеклеточного строения.
-
Уже более столетия медицине известно о способности вирусов убивать бактерии, но с открытием антибиотиков для борьбы с ними, вирусы были незаслуженно отодвинуты на задний план. Науке ещё подлинно не известно, способны ли бактерии вырабатывать антитела на вирусы, при этом успешно сопротивляясь антибиотикам, но вирусы всё также остаются вариантом уничтожения бактерий с резистентностью к антибиотикам.
Ну и последняя важная тема, о которой я бы хотел рассказать:
До этого тема поста была больше о противопоставлении вируса и человека. но есть и другая важная часть нашего взаимодействия.
Симбиоз – это не менее важный фактор эволюции, чем конкуренция. Большую роль в симбиотических системах играют вирусы. Теплокровный организм – идеальное место для размножения бактерий, и если бы не иммунная система – бактерии просто уничтожили бы нас. Иммунную систему сформировали «прирученные» животными вирусы. Только симбиоз с вирусами помогает человечеству выживать.
Что происходит, когда мы вырабатываем иммунитет к новой болезни?
В геноме человека нет готовых генов антител, а есть набор заготовок. Ген антитела собирается из трех кусочков, причем в геноме есть сотни вариантов первого кусочка, несколько десятков вариантов второго кусочков и несколько вариантов третьего, их надо собрать. Вот в каждом лимфоците происходит вырезание, берется один кусочек ДНК первого типа, один второго, один третьего, и они склеиваются вместе в работающий ген, и уже с него синтезируется антитело. Оно потом еще может дополнительно доводиться до нужной кондиции, но начальный этап – это нарезание и сбор из кусочков гена. Так происходит редактирование генома.
Кто совершает эти операции – нарезку, перемещение? Это делают белки, тоже заимствованные у мобильных генетических элементов – у вирусов. Есть так называемые транспозоны - это давно «прирученный» вирус, потерявший способность передаваться между организмами, эти вирусы передаются только от родителей к потомкам, но они некоторые из них сохранили подвижность внутри генома. Транспозон кодирует белок, который способен этот транспозон вырезать и перенести на новое место, размножить. Они могут размножаться, они и составляют от 30% до 40% нашего генома (а если сложить с 8% ретротранспозонами то до 50% нашего генома имеют вирусное происхождение). Для нарезки блоков иммунных молекул были тоже использованы ферменты мобильных генетических элементов.
Еще пара примеров симбиозов с вирусами:
Недавно был обнаружен ген в геноме млекопитающих, который необходим для развития плаценты – того органа, который осуществляет обмен между организмом матери и плодом, благодаря которому сравнительно долго плод может безопасно развиваться в утробе матери. Структура этого гена оказалась сходной со структурой одного из мобильно-генетических элементов. То есть это опять-таки «прирученный» РНК-вирус.
Известная теломераза по своему происхождению, скорее всего, вирусный объект. Дело в том, что теломераза – это специальный белок, который занимается тем, что он достраивает кончики хромосом. Согласно одной из теорий, многоклеточные организмы стареют, потому что при каждом клеточном делении хромосома немножечко укорачивается и возникает опасность, что хромосомы в конце концов так укоротятся, что утратят функциональность и каким-то образом нужно эти кончики, которые не воспроизводятся при копировании, достраивать. Это фермент, который спасает наши клетки от необратимого старения.
В заключении хотелось бы привести мнение академика Свердлова:
Вирусы сыграли решающую роль в «очеловечивании» обезьяны. Возможно, что в процессе эволюции молекулы ДНК человека включили в свой состав уже готовые фрагменты генетического материала вирусов с одной лишь целью — облегчить конструирование собственных генов для кодирования новых признаков.
Включение генетического материала вирусов в геном человека служит еще одним подтверждением универсального характера молекул ДНК, имеющихся у всех живых существ — от самых простейших организмов вплоть до человека.
