20 януари 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Сянката на живота: Хипотези за произхода на вирусите

Учените все още не знаят какво е било първо - вирусите или клетките, върху които паразитират.

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 28 ноември 2020 в 20:07 48950
Кредит: Pixnio/Doug Jordan, M.A, USCDCP

Едва ли вирусите могат да бъдат наречени живи. Техният произход и еволюция обаче са още по-неясни дори от появата на „нормалните“ клетъчни организми.

Все още не е известно кой се е появил по-рано, първите клетки или първите вируси.

Може би те винаги са съпътствали живота, като смъртоносна сянка.

Проблемът е, че вирусите не са нищо повече от фрагменти от геном (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, търсейки прилики и разлики, биолозите откриват еволюционни връзки между различни вируси и така определят най-древните им характеристики. За съжаление, вирусите са изключително изменчиви и разнообразни. Достатъчно е да си припомним, че техните геноми могат да бъдат представени от вериги не само от ДНК (както са например херпесните вируси), но и от РНК молекула (като 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 вирусните частици, характеристиките на техния жизнен цикъл и други характеристики, които биха могли да се използват за извършване на  сравнения, са не по-малко разнообразни.

Според строгата дефиниция на живота те не са живи. Не всички учени обаче смятат така. Може би вирусите представляват различен тип организъм на дървото на живота.

Но какво е общото между всички вируси? Всички те са паразити. Не е известен нито един вирус, който би могъл 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 няма системи, които позволяват производството на енергия под формата на АТФ молекули. Всичко това ги прави задължително и безусловно вътреклетъчни паразити - те не могат да съществуват сами. Не е изненадващо, че според една от първите и най-известни хипотези за пръв път се появяват клетките и едва тогава целият разнообразен вирусен свят се развива на тази почва.

Регресивно. От сложно към просто

Нека да разгледаме рикетсията - също вътреклетъчни паразити, макар и бактерии. Освен това някои части от техния геном са близки до ДНК, която се съдържа в митохондриите на еукариотните клетки, включително хората. Очевидно те са имали общ предшественик, но основоположникът на „линията на митохондриите“, заразяващ клетката, не я е убил, но е бил случайно запазен в цитоплазмата. В резултат на това потомците на тази бактерия са загубили ненужните си гени и са деградировали до клетъчни органели, които доставят молекули АТФ на гостоприемниците в замяна на всичко останало. „Регресивната“ хипотеза за произхода на вирусите смята, че подобна деградация би могла да се случи на техните предци -  някога напълно пълноценни и независими клетъчни организми, в резултата на милиарди години паразитен живот са загубили всичко излишно.

Тази стара идея получава нов шанс благодарение на неотдавнашното откритие на гигантски вируси като пандоравирусите или мимивирусите. Те са не само много големи (диаметърът на частиците на мимивируса достига 750 nm - за сравнение, размерът на грипния вирус е 80 nm), но и имат изключително дълъг геном (1,2 милиона нуклеотидни връзки в мимивируса срещу няколкостотин при обикновените вируси), кодиращи много стотици протеини. Сред тях има протеини, необходими за копиране и „ремонт“ на ДНК, за производството на матрична РНК и протеини.

Криоелектронна микроскопия на гигантски мимивирус. Кредит: Wikimedia Commons

Тези паразити са много по-малко зависими от своите гостоприемници и произходът им от свободно живеещите предци изглежда много по-убедителен. Много специалисти обаче смятат, че това не решава основния проблем - всички „допълнителни“ гени биха могли да се появят в гигантските вируси по-късно, заимствани от техните гостоприемници. 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 с не по-малко уважение се ползва и другата хипотеза за произхода на вирусите, която твърди точно обратното.

Прогресивно. От просто към сложно

Нека да разгледаме ретровирусите, чийто геном е едноверижна РНК молекула (например ХИВ). Попадайки в клетката гостоприемник, тези вируси използват специален ензим, обратна транскриптаза, превръщайки своята РНК молекула в обикновена двойна ДНК, която след това прониква в ядрото на клетката. 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 нови РНК, синтезират протеини на тяхна основа и т.н.

Такъв механизъм наподобява възпроизвеждането на подвижни генетични елементи - ДНК фрагменти, които не носят необходимата ни информация, но се съхраняват и натрупват в нашия геном. Някои от тях, ретротранспозоните, дори са способни да се размножават в него, разпространявайки се с нови копия (повече от 40% от човешката ДНК се състои от такива "боклучави" елементи). За тази цел те може 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 й е въпрос на време.

Включвайки се тук и там в генома, 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, в свободна форма самопроизволно се сгъва във вирусоподобни частици, които дори могат да имат вътре в себе си РНК. Предполага се, че включването на такива протеини би могло да се случи около 20 пъти, пораждайки големите съвременни групи вируси, различаващи се по структурата на обвивката си.

Ретровирусите имат едноверижен РНК геном. Когато вирусът навлезе в клетката гостоприемник, вирусен ензим, обратна транскриптаза, превръща тази едноверижна РНК в двуверижна ДНК. След това тази вирусна ДНК мигрира към ядрото на клетката гостоприемник. Друг вирусен ензим, интеграза, вмъква новообразуваната вирусна ДНК в генома на клетката гостоприемник. След това вирусните гени могат да бъдат транскрибирани и транслирани. РНК-полимеразата на клетката гостоприемник може да произведе нови копия на едноверижния РНК геном на вируса. Потомците на вируса се събират и излизат от клетката, за да започнат процеса отново.

Паралелно. Сянка на живота

Най-младата и многообещаваща хипотеза обаче отново обръща всичко с главата надолу, предполагайки, че вирусите са се появили не по-късно от първите клетки. Отдавна, много отдавна, когато животът е бил в началната си фаза, в  „първичната супа“ е протичала протоеволюция на самовъзпроизвеждащи се молекули, способни да се саамокопират.

Постепенно такива системи се усложняват, превръщайки се във все по-големи молекулни комплекси. И щом някои от тях придобиват способността да синтезират мембрана и се превръщат в протоклетки, други - предците на вирусите - стават техните паразити.

Това се случва в зората на живота, много преди отделянето на бактериите, археите и еукариотите. Затова вирусите заразяват представители и на трите области на живия свят, а сред вирусите може да има толкова много РНК-съдържащи - именно РНК се считат за молекулата-„прародител“, чието самовъзпроизвеждане и еволюция са довели до появата на живота. Първите вируси може да са били такива "агресивни" РНК молекули, които едва по-късно са придобили гени, кодиращи протеинови обвивки. Всъщност някои видове обвивки 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 клетъчните организми. Много е вероятно по свой начин и трите възгледа за техния произход да са верни. Тези вътреклетъчни паразити са толкова прости и в същото време разнообразни, че различни групи могат да са се появили независимо една от друга благодарение на фундаментално различни процеси. Например егигантски ДНК-съдържащи вируси биха могли да възникнат в резултат на деградация на клетките на техните предци, а някои РНК-съдържащи ретровируси - след „придобиване на независимост“ на мобилни генетични елементи. Но е възможно появата на тази вечна заплаха да дължим на съвсем различен, все още неоткрит и непознат механизъм.

Как се изследва еволюцията на вирусите

За съжаление, вирусите са изключително изменчиви. Липсват им системи за възстановяване на повредите на ДНК и всяка мутация се запазва в генома, подлежаща на понататъшен естествен отбор. Освен това различни вируси, които заразяват една и съща клетка, лесно обменят фрагменти на ДНК (или РНК), пораждайки нови рекомбинантни форми.

И накрая, смяната на поколенията настъпва необичайно бързо - например, ХИВ вирусът има жизнен цикъл от само 52 часа и далеч не е с най-кратък живот. Всички тези фактори осигуряват бързата изменчивост на вирусите, което значително усложнява директния анализ на техните геноми.

В същото време, попаднали в клетката, вирусите често не стартират обичайната си паразитна програма - някои са устроени така, други поради случайна повреда. В същото време тяхната ДНК (или РНК, предварително трансформирана в ДНК) може да се интегрира в хромозомите на гостоприемника и да се скрие там, загубена сред многото гени на самата клетка. Понякога вирусният геном се активира отново, а понякога остава в такава скрита форма, предавайки се от поколение на поколение.

Смята се, че такива ендогенни ретровируси представляват до 5-8 % от собствения ни геном. Тяхната променливост 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 ни, служат като ценен източник на информация за миналото на вирусите.

Друга, 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 блокчета Lego, сгъвайки вирусната обвивка, други могат да свързват и стабилизират вирусната 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. Тя 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 едно и също. Сравнявайки ги, може да се открият най-отдалечените еволюционни връзки.

Справка: 

Structural Co-Evolution of Viruses and Cells in the Primordial World
Matti Jalasvuori, Jaana K H Bamford, Origins of Life and Evolution of Biospheres 38(2):165-81, DOI: 10.1007/s11084-008-9121-x

The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria. Andersson, S. G. E. et al. Nature 396, 133–143 (1998) doi:10.1038/24094.

Viral eukaryogenesis: Was the ancestor of the nucleus a complex DNA virus? Bell, P. J. L. Journal of Molecular Evolution 53, 251–256 (2001) doi:10.1007/s002390010215.

Източник: 

The Origins of Viruses, David R. Wessner, 2010 Nature Education 

Тень жизни: гипотезы о происхождении вирусов, Роман Фишман


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Биология
(НЕ) живото във Вселената
23 септември 2020 в 00:00
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.