Чтение онлайн

В предыдущих разделах этой главы было дано представление о мире вирусов и показано, что он соизмерим по масштабу с миром клеточных форм жизни – и, возможно, количественно доминирует в биосфере. Более того, вирусный мир оказывает определяющее воздействие на эволюцию клеток с помощью агентов переноса генов и огромного арсенала мобильных элементов. Так что изучать эволюцию вирусов необходимо, если мы стремимся к хоть сколько-нибудь глубокому пониманию эволюции жизни в целом.

Сравнительная геномика не свидетельствует в пользу монофилетического происхождения всех вирусов. Здесь мы понимаем под «монофилией» «происхождение от общего предкового вируса или вирусоподобного эгоистического элемента» (Koonin et al., 2006). У многих групп вирусов просто нет общих генов, что позволяет решительно отмести любые идеи об общем происхождении. Идея «общих генов», будучи приложена к вирусам, оказывается непростой: в мире вирусов общность не обязательно ограничивается однозначными отношениями ортологии между генами, которые легко выявить благодаря очевидному сходству последовательностей. Вместо этого, как будет изложено в следующих разделах, отдаленные отношения гомологии между вирусными белками, а также между вирусными белками и их гомологами из клеточных форм жизни могут дать более сложные, но важные свидетельства об эволюции вирусов. Несмотря на эту сложность, среди больших групп вирусов изобилуют случаи, когда между ними либо нет никаких гомологичных генов, какое бы определение мы ни взяли, либо имеются лишь отдаленно родственные домены, чьи эволюционные траектории очевидно различны. Например, большинство вирусов гипертермофильных кренархеот не имеют общих генов ни с какими другими вирусами (Prangishvili et al., 2006b), а РНК-вирусы разделяют с ДНК-вирусами и плазмидами, реплицирующимися способом «катящегося кольца», лишь чрезвычайно отдаленно родственные домены в соответствующих белках репликации.

С другой стороны, можно уверенно показать монофилию нескольких крупных групп вирусов, включая обширные совокупности РНК-вирусов и сложных ДНК-вирусов (см. табл. 10-1). Некоторые из этих монофилетических классов переходят даже границы геномных стратегий: так, монофилетический класс элементов, размножающихся через стадию обратной транскрипции, включает в себя как РНК-вирусы, так и вирусы, мобильные элементы и плазмиды с ДНК-геномами. В классе элементов, реплицирующихся по механизму катящегося кольца, сочетаются вирусы, содержащие одноцепочечную или двухцепочечную ДНК, а также плазмиды. Более того, на основании сходства в структурах комплексов, участвующих в репликации РНК, а также присутствия гомологии, пусть и отдаленной, в ферментах репликации была предложена правдоподобная гипотеза об общем происхождении вирусов, содержащих позитивную РНК-нить, вирусов, содержащих дцРНК, и элементов, способных к обратной транскрипции (Ahlquist, 2006). Однако в целом вывода, что вирусы имеют много различных линий происхождения, по-видимо му, невозможно избежать (Koonin et al., 2006; см. табл. 10-1).

Анализ последовательностей выявил несколько категорий вирусных генов, принципиально отличающихся по происхождению (Koonin et al., 2006). Можно обсуждать, какая степень дробности классификации оптимальна, но четко различаются по меньшей мере пять классов, укладывающихся в три более крупные категории.

Гены с четко опознаваемыми гомологами у клеточных форм жизни:

1. Гены с близкими гомологами у клеточных организмов (обычно это хозяева данного вируса) присутствуют у узкой группы вирусов.

2. Гены, консервативные среди большой группы вирусов или даже нескольких групп и имеющие относительно отдаленные клеточные гомологи.

Вирус-специфичные гены:

3. Гены-сироты [106] – гены без выявленных гомологов, кроме как у близкородственных вирусов.

4. Вирус-специфические гены, консервативные для (относительно) широкой группы вирусов, но не имеющие гомологов у клеточных форм жизни.

5. Гены – вирусные сигнатуры.

Вирусные сигнатуры – это гены, общие для многих разнообразных групп вирусов, имеющие лишь отдаленные гомологи у клеточных организмов, для которых имеются убедительные свидетельства в пользу монофилии (общего происхождения) всех вирусных членов соответствующих семейств генов. Словосочетание «гены-сигнатуры» было использовано, чтобы подчеркнуть, что эти гены являются признаками «вирусного состояния».

Относительный вклад каждого из этих классов генов в наборы генов различных вирусов зависит от размера вирусного генома и его генетической сложности, которые разнятся более чем на три порядка (см. рис. 10-1). Вирусы с малыми геномами, такие как большинство РНК-вирусов, часто обладают лишь несколькими генами, большинство из которых принадлежат к классу генов-сигнатур. Напротив, у вирусов с большими геномами, например поксвирусов, широко представлены все пять классов. Чтобы проиллюстрировать разнообразие генетического состава, на рис. 10-2 показана разбивка набора генов трех вирусов, обладающих малым, средним и крупным геномами соответственно, на пять классов генов. Интересно, что крупные и среднего размера геномы бактериофагов и вирусов архей заполнены «сиротами», которые зачастую составляют более 80 процентов генов этих вирусов. Быстро эволюционирующие «гены-сироты» фагов, возможно, поставляют много, если не большинство «генов-сирот», которые находят в геномах прокариот (несмотря на отсутствие выявляемой консервативности последовательностей), так что они играют ключевую роль в эволюции прокариот (Daubin and Ochman, 2004).

Происхождение пяти классов вирусных генов, скорее всего, различно. Два класса генов, имеющих легко распознаваемые гомологи в клеточных формах жизни, вероятно, представляют собой соответственно относительно недавние (класс 1) и древние (класс 2) заимствования из геномов клеточных хозяев. Откуда произошли вирус-специфические гены – это значительно более трудный и интересный вопрос. Первая возможность заключается в том, что эти гены произошли от других генов вирусов или хозяев, но резкое ускорение эволюции, связанное с появлением новых, специфических вирусных функций, стерло все следы их происхождения. Это соображение согласуется с тем фактом, что многие (возможно, большинство) генов 4-го класса (вирус-специфических генов, консервативных среди группы вирусов) – компоненты вириона, то есть несут важнейшую для вируса функцию, для которой нет эквивалента у клеточных форм жизни. Мы пока отложим обсуждение других путей возникновения и эволюции вирус-специфических генов и обсудим эволюцию вирусных генов-сигнатур. Гены-сигнатуры, пересекающие границы, пролегающие между самыми разными эволюционными линиями вирусов, – глубоко интересный и значимый объект для понимания эволюции и происхождения вирусов.

Таблица 10-1. Наиболее крупные монофилетические классы вирусов и эгоистичных генетических элементов.

Сокращения: JRC – белок капсида с укладкой типа рулета; LTR – long terminal repeat (длинный концевой повтор); RdRp – РНК-зависимая РНК-полимераза; RCRE – (инициирующая) эндонуклеаза репликации по механизму «катящегося кольца»; RT – обратная транскриптаза; S3H – геликаза суперсемейства 3.

1 Уже после выхода этой книги автору посчастливилось участвовать в работе, где из горячего источника в Йеллоустонском парке, населенного исключительно гипертермофильными кренархеотами, методами метагеномики был выделен и секвенирован РНК-геном нового вируса, очень отдаленно родственного разным семействам позитивных РНК-вирусов эукариот (Bolduc B, Shaughnessy DP, Wolf YI, Koonin EV, Roberto FF, Young M. Identification of novel positive-strand RNA viruses by metagenomic analysis of archaea-dominated Yellowstone hot springs. J Virol. 2012 May;86(10):5562-73). Скорее всего, этот вирус представляет новое суперсемейство позитивных РНК-вирусов, которые, возможно, размножаются в археях. Прямые данные, подтверждающие (или отвергающие) это предположение, еще предстоит получить. Если гипотеза подтвердится, наши представления об эволюции этого класса вирусов могут потребовать существенного пересмотра (см. ниже).

Помимо больших классов, перечисленных в табл. 10-1, отчетливых вертикальных родственных отношений между крупными группами вирусов не существует. Однако значительное число генов, кодирующих белки, которые играют ключевую роль в репликации генома, экспрессии и морфогенезе вирионов, входят в пересекающиеся наборы генов, принадлежащие группам вирусов, казалось бы не родственных ни в каком другом отношении, хотя ни один из этих генов не присутствует у всех вирусов (см. табл. 10-2). Большинство генов – вирусных сигнатур не имеют высококонсервативных гомологов у клеточных форм жизни (исключения – легко распознаваемые провирусы и мобильные генетические элементы), хотя отдаленные гомологи бывают. Два наиболее широко распространенных среди вирусов гена кодируют белок капсида с так называемой укладкой типа рулета и геликазу суперсемейства 3. Оба этих белка пересекают барьер между ДНК– и РНК-вирусами и появляются в поразительно широком ассортименте групп вирусов, от некоторых самых мелких РНК-вирусов с позитивным геномом до крупных нуклеоцитоплазматических ДНК-вирусов, класса вирусов, включающего гигантский мимивирус (см. табл. 10-2). Уточняя, можно сказать, что белок капсида с укладкой типа рулета – главный строительный блок икосаэдрических (сферических) вирусных капсидов, наиболее частой формы капсидов, которые крайне различны по величине, но довольно сходны по симметрии и общей форме среди всего огромного диапазона вирусов, которые используют разнообразные стратегии репликации-экспрессии и заражают хозяев, представляющих все или почти все разнообразие клеточной жизни. Так, геликаза суперсемейства 3 участвует в репликации геномов огромного разнообразия РНК– и ДНК-вирусов.

Рис. 10-2. Разбиение вирусных генов на пять эволюционных классов: вирус, обладающий малым геномом: полиовирус (7,4 Кб); вирус, обладающий геномом промежуточного размера: Sulfolobus turreted icosahedral virus (STIV); вирус, обладающий крупным геномом: вирус осповакцины (195 Кб). Данные по Koonin et.al., 2006.

Другие белки, перечисленные в табл. 10-2, не столь широко распространены, как белок капсида с укладкой типа рулета и геликаза суперсемейства 3, но все же за их счет формируются множественные непредвиденные связи между группами вирусов, во всех других отношениях казавшихся неродственными. В качестве примера можно рассмотреть эндонуклеазу инициации репликации по механизму «катящегося кольца», которая объединяет огромное разнообразие небольших репликонов одноцепочечных и двухцепочечных ДНК, включая вирусы, плазмиды и транспозоны, которые размножаются в животных, растениях, бактериях и археях. Детальный анализ аминокислотных последовательностей показал, что ДНК-связывающий домен репликативного белка вирусов полиомы и папилломы (например, T– антигена SV40) представляет собой неактивную производную форму эндонуклеазы инициации репликации способом «катящегося кольца» (Iyer et al., 2005). Таким образом, посредством детального исследования одного из белков-сигнатур хорошо известная связь между различными небольшими репликонами оцДНК (вирусов и плазмид) распространилась также на группу репликонов дцДНК такого же размера. Подобное расширение набора вирусных групп, охватываемых определенным геном-сигнатурой, произошло также в результате детального анализа АТФазы, отвечающей за упаковку вирусной ДНК в капсид, и праймазы архей и эукариот, участвующей в инициации репликации ДНК (Iyer et al., 2005; Iyer et al., 2004b; см. табл. 10-2).