Чтение онлайн

Репликация генома РНК-вирусов с позитивным геномом, дцРНК-вирусов, вирусов с негативным геномом и обратно транскрибирующихся вирусов (элементов) катализируется другим классом ферментов – вирусных сигнатур: РНК-зависимыми РНК-полимеразами и обратной транскриптазой. Полимеразы РНК-вирусов с позитивным геномом и обратная транскриптаза образуют монофилетическую группу внутри обширного класса так называемых palm-доменов («домены-ладони»), характерных для различных полимераз (Iyer et al., 2005; Koonin et al., 2008). РНК-зависимые РНК-полимеразы дцРНК-вирусов и вирусов с негативным геномом, скорее всего, сильно измененные производные того же полимеразного домена (Delarue et al., 1990; Gorbalenya et al., 2002; Koonin et al., 1989). Этот ген-сигнатура может привести нас к самым ранним этапам эволюции жизни, к миру РНК (см. гл. 11 и 12 – там гораздо подробней) и началу мира вирусов. Palm-домен, вероятно, является изначальным белком-полимеразой, сменившим рибозимные полимеразы (гипотетического) мира РНК. Это предположение поддерживается не только широким распространением palm-домена среди современных форм жизни, но еще и структурной, а следовательно, и эволюционной связью между palm-доменом и доменом, содержащим РНК-распознающий мотив (RRM, RNA Recognition Motif), древний РНК-связывающий домен, который первоначально, возможно, способствовал репликации рибозимов (Aravind et al., 2002). РНК-зависимые РНК-полимеразы и обратные транскриптазы исключены из основного хода репликативного цикла клеточных форм жизни, хотя большинство эукариотических геномов, особенно растений и животных, включает в себя множество копий RT-кодирующих ретроэлементов; у прокариот тоже есть немного подобных элементов (см. также гл. 5 и 7). Эти элементы, однако, эгоистичны и с эволюционной точки зрения принадлежат миру вирусов. Возможно, наиболее впечатляющее вторжение обратной транскриптазы в мир клеток – это каталитическая субъединица эукариотической теломеразы, важнейшего фермента, участвующего в репликации концов хромосом [107] . Конечно, не стоит забывать, что все интроны эукариот произошли от ретроэлементов прокариот (см. гл. 7). Примечательно, что единственная другая известная РНК-зависимая РНК-полимераза, не родственная полимеразам, содержащим palm-домен, и являющаяся компонентом системы РНК-интерференции эукариот (см. гл. 7), также, по-видимому, имеет вирусное происхождение (Iyer et al., 2003).

Таблица 10-2. Белки, кодируемые наиболее распространенными генами – вирусными сигнатурами.

Перечень генов – вирусных сигнатур в табл. 10-2 консервативен. Вероятнее всего, другие гены также заслуживают статуса сигнатур, но отыскать явные свидетельства в пользу этого непросто. Секвенирование новых вирусных геномов в совокупности с всесторонним сравнительным анализом могло бы помочь выявить новые гены, которые, несмотря на относительно узкое распространение среди вирусов, могут считаться «сигнатурами». В самом деле, так может обстоять дело со многими, если не с большинством, генов класса 4, вирусных генов, консервативных для больших групп вирусов, но не клеточных форм жизни.

Комбинация свойств белков – вирусных сигнатур во многом необычна и требует эволюционистского объяснения. В самом деле, все гены-сигнатуры без исключения ответственны за важнейшие, центральные аспекты вирусного жизненного цикла, включая репликацию генома, формирование вириона и упаковку геномной ДНК в вирион (см. табл. 10-2). Обладание этими генами связывает между собой совершенно различные классы вирусов, которые часто имеют совершенно разные стратегии самовоспроизведения и различаются по размеру генома на три порядка. Наконец, у всех генов – вирусных сигнатур есть отдаленные гомологи в клеточных формах жизни (см. табл. 10-2), но вирусные версии, по-видимому, имеют общее происхождение.

Две сразу возникающие гипотезы о происхождении вирусных генов-сигнатур предлагают противоречащие друг другу эволюционные сценарии, ответственные за существование и распространение этих генов (Koonin et al., 2006).

1. Гены-сигнатуры – наследие последнего универсального общего предка вирусов (Last Universal Common Ancestor of Viruses, LUCAV). Этот сценарий предполагает, что, невзирая на все свидетельства в пользу противоположного (см. выше), все ныне живущие вирусы на самом деле монофилетичны, хотя их дальнейшая эволюция включала в себя масштабную потерю генов в некоторых эволюционных линиях, а также обильное заимствование новых генов от хозяев в других.

2. Напротив, в рамках гипотезы о полифилетическом происхождении вирусов распространение генов-сигнатур по всему диапазону групп вирусов может объяснить горизонтальный перенос генов.

При более детальном рассмотрении ни одна из этих гипотез не кажется правдоподобным всеобъемлющим объяснением существования и распределения вирусных генов-сигнатур. Действительно, относительно малое число и мозаичное распространение генов-сигнатур (см. табл. 10-2) вряд ли свидетельствует о существовании LUCAV, хотя очевидно, что множество разнообразных вирусов, если не все они, разделяют некую общую историю. С другой стороны, исключительно отдаленное (но все же различимое) сходство между белками-сигнатурами из различных групп вирусов, обладающих абсолютно разными стратегиями репликации, мало совместимо со сценарием ГПГ.

Ниже в этой главе мы рассмотрим сценарий происхождения и эволюции вирусов, который не включает (в традиционном понимании) LUCAV, но сочетает в себе аспекты общего происхождения и гипотезу ГПГ и естественным образом связан с определенными моделями эволюции клеток. Наиболее простое объяснение того факта, что белки-сигнатуры, участвующие в вирусной репликации и формировании вириона, присутствуют в широком спектре вирусов, но, очевидно, отсутствуют в какой-либо из клеточных форм жизни, заключается в том, что у последних таких генов просто-напросто никогда и не было. Вместо этого наиболее правдоподобный сценарий постулирует, что гены-сигнатуры предшествуют клеткам и происходят непосредственно из первичного, доклеточного пула генов. Как можно представить, в таком первичном пуле отбор будет действовать прежде всего в отношении функций, непосредственно связанных с репликацией, что согласуется со свойствами большинства генов-сигнатур (см. табл. 10-2). Если учесть распространение генов-сигнатур среди многочисленных групп резко различных вирусов, важнейший вывод будет заключаться в том, что крупные классы вирусов и сами возникли на доклеточных этапах эволюции. Этот вывод – ключевой момент концепции древнего мира вирусов. Основная черта мира вирусов состоит в непрерывном потоке генетической информации через огромное разнообразие эгоистичных элементов от доклеточного этапа эволюции до наших дней.

Прежде чем мы обсудим возникающую концепцию происхождения вирусов из первичного пула генов во всей ее полноте, нам надо вкратце рассмотреть существующие гипотезы происхождения и эволюции вирусов. Традиционно эти идеи вращаются вокруг трех тем (см. рис. 10-3):

1. Происхождение вирусов из первичных генетических элементов.

2. Дегенерация одноклеточных паразитов до вирусного состояния.

3. Сценарий «сбежавших генов», который возводит вирусы к генам клеточных организмов, которые сбежали из клеточного генома и переключились на эгоистичный режим самовоспроизводства.

«Первичная» гипотеза была довольно модной в самые первые дни вирусологии, и примечательно, что Феликс д’Эррель (D’Herelle, 1922), первооткрыватель бактериофагов и один из основателей вирусологии, еще в 1922 году предположил, что фаги могут быть эволюционными предшественниками клеток. Несколько лет спустя, в 1928 году, Дж. Б. С. Холдейн предложил ту же гипотезу в классическом эссе на тему происхождения жизни (Haldane, 1928, мы вернемся к поистине пророческим идеям Холдейна в гл. 11). Однако, как только стало ясно, что все вирусы – облигатные внутриклеточные паразиты, «первичная» гипотеза была, по сути, отвергнута в силу простого и, при поверхностном рассмотрении, неопровержимого аргумента, что внутриклеточные паразиты не могут предшествовать появлению полноценных клеток. Напротив, присутствие во многих вирусах (особенно с большими геномами) многочисленных генов, произошедших от хозяев (в противоположность вирус-специфиче ским генам), может быть истолковано в поддержку гипотезы «сбежавших генов» или даже «дегенерации клетки». Во дни расцвета молекулярной биологии, когда фундаментальные различия между вирусами и клетками были четко осознаны – так что происхождение вирусов от клеток (пусть и дегенерировавших) было сочтено маловероятным, – гипотеза сбежавших генов стала, в большей или меньшей степени благодаря исключению прочих, общепринятой концепцией происхождения вирусов (Luria and Darnell, 1967). Однако недавно открытие гигантских вирусов и особенно тот факт, что эти вирусы обладают некоторыми важнейшими «клеточными» генами, например генами для множества компонентов системы трансляции, привели к воскрешению гипотезы клеточной дегенерации (Claverie, 2006). В самом деле, в терминах размера генома и генетической сложности открытие гигантских вирусов уничтожает границу между вирусами и клеточными формами жизни.

Рис. 10-3. Три конкурирующие гипотезы происхождения вирусов: а – сценарий сбежавших генов; б – сценарий клеточной дегенерации; в – сценарий первичного пула генов.

Невзирая на все эти аргументы, существование вирусных генов-сигнатур, по-видимому, успешно фальсифицирует как гипотезу дегенерации клетки, так и гипотезу сбежавших генов (или, по крайней мере, вызывает серьезные сомнения в них). Что касается гипотезы дегенерации клетки, давайте рассмотрим NCDLV (Koonin and Yutin, 2010), класс крупных вирусов, к которым эта концепция легче всего приложима и на самом деле уже прилагалась вскоре после открытия гигантского мимивируса (см. табл. 10-1). Среди девяти генов, которые объединяют (практически) все NCDLV, три наиболее важных (белок капсида с укладкой типа рулета, геликаза суперсемейства 3 и упаковывающая АТФаза) – вирусные гены-сигнатуры. Даже простейшая предковая форма NCDLV не могла бы без них функционировать. Соответственно, для обоснования клеточного происхождения этого предкового NCDLV потребовалось бы привлечь ad hoc определенно неэкономные сценарии, например согласованную потерю всех генов-сигнатур у всех известных клеточных форм жизни или их происхождение от вымершей крупной эволюционной линии клеток. Та же логика в основном отвергает концепцию сбежавших генов, ввиду того что у генов-сигнатур никогда не было клеточного «дома», из которого они бы сбежали. Иными словами, чтобы спасти гипотезу «сбежавших генов», нужно постулировать существование вымерших клеточных доменов, откуда могли бы сбежать гены-сигнатуры.

Таким образом, наиболее экономный сценарий эволюции вирусов, по-видимому, включает доклеточный мир вирусов. Наиболее вероятным кажется, что основные классы вирусов – по крайней мере все стратегии репликации и экспрессии генома – возникли уже в доклеточную эру. Возможно, называть гипотетические 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.

Следует иметь в виду два замечания. Во-первых, рассматривая три сценария происхождения вирусов, мы говорим о вирусах (или вирусных геномах) как о «независимо эволюционирующих генетических элементах». Много, и, в некоторых вирусах, возможно, большинство, вирусных генов может быть клеточного происхождения (см. рис. 10-2), но вирусы как (квази)автономные сущности, по-видимому, не имеют клеточных корней. Во-вторых, хотя для каждой конкретной эволюционной линии вирусов сценарии исключают друг друга, разные группы вирусов в принципе могут иметь разное происхождение. В любом случае пока у нас нет достаточно убедительного свидетельства, что сценарии сбежавших генов или дегенерации клетки – лучшее объяснение происхождения каких-либо известных вирусов.