Что появилось раньше бактерия или вирус
Обновлено: 12.05.2024
Новые методы химического анализа свидетельствуют о том, что три основных строительных блока жизни – аминокислоты, нуклеотиды и липиды – можно синтезировать в первичном бульоне Дарвина при поступлении энергии из окружающей среды. Британский химик Джон Сазерленд может осуществлять однореакторный синтез всех трех строительных блоков жизни в одной пробирке, и при этом стартовым условием является наличие простых предшественников, в частности синильной кислоты, фосфора, сероводорода и воды, а также ультрафиолетового излучения. Вот так и могла начаться жизнь. Только после появления типичных клеток вирусы смогли изменить образ существования и превратиться во внутриклеточных паразитов – это хорошо известная тенденция в эволюционном развитии, определяемая средовыми условиями. Борясь за клеточные ресурсы, они сталкивались с конкурентами и создали ранние примитивные механизмы противовирусной защиты, клеточного иммунитета. Возможно даже, что вирусы принесли ядро в первые эукариотические клетки.
В соответствии с третьим сценарием вирусы отвечают за горизонтальный перенос генов (ГПГ). Затем гены и вирусы перемещаются горизонтально и используются для переноса генов. Нам известно о существовании горизонтального переноса генов в обоих направлениях – от вирусов к клеткам и от клеток к вирусам. Это вполне соответствовало бы большому количеству параллельных линий. Такого не могло быть на первых этапах существования жизни на Земле, но могло появиться позже.
И тут вступаю я со своим личным заключительным апофеозом вирусов. Все органисты знают, что у Иоганна Себастьяна Баха после прелюдии следует фуга, которая заканчивается слиянием всех голосов и полным звучанием максимального числа труб – . И вот я со своим – резюме – применительно к вирусам.
Вирусы и клетки учатся друг у друга, обмениваются генами, рекомбинируют их в обоих направлениях, то есть мы имеем дело с коэволюцией. В последние годы у нас неоднократно вызывали удивление результаты наблюдений, согласно которым различные экосистемы – от тех, что обитают в кишечнике человека, до состава микробиома океана – мирно сосуществуют. Я слушала доклад Эрика Карсенти об океанической экспедиции. Его удивило мирное сосуществование компонентов, составляющих микробиом Мирового океана. Меня же удивило, что 73% микробиома Мирового океана и кишечника человека, состоящего из вирусов и фагов, родственны с функциональной точки зрения и что самый распространенный белок – обратная транскриптаза.
Подверженная ошибкам обратная транскриптаза ретровирусов или ретроэлементов является самым щедрым поставщиком новой информации. Полученные свидетельства подтверждают, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов. Ретроэлементы могут заполнять 75% генома кукурузы и 50% генома риса. Приобретя оболочку, они становятся подвижными и могут покинуть клетку. Обратная транскриптаза и РНКаза Н – самые распространенные белки в мире, и их структуры в ретровирусах, дрожжах, бактериях, планктоне, растениях или организме млекопитающих и человека практически ничем не отличаются.
Лично для меня удивительно, что я стала свидетелем открытия обратной транскриптазы и что до сих пор, по прошествии более 45 лет, это открытие сохраняет свою важность, что мои исследования расщепляющего фермента РНКазы привели меня к ретровирусам и позволили проследить весь эволюционный путь, а также иммунологические защитные системы. Вирусы создали противовирусную защиту. Интегрированные ретровирусы, ДНК-содержащие провирусы как клеточные гены легкодоступны для противовирусной защиты.
И те и другие используют один и тот же инструментарий. Вирусные компоненты создают противовирусные эффекты, такие как РНК-интерференция, сайленсинг, интерферон и иммуноглобулины, у которых очень схожие механизмы расщепления по принципу действия РНКазы. Ретроэлементы являются двигателем эволюции. Вероятно, даже ядра эукариотов произошли от вирусов. Возможно, они сформировали эукариоты. И наконец, скорость репликации вируса в миллионы раз быстрее, чем при прочих способах. Вирусов огромное количество, и они очень успешны.
Итак, относятся ли вирусы к живым организмам? Почти. Скорее да, чем нет. Не существует четкой границы между живыми и неживыми микроорганизмами. И на этом моя сольная партия на орг?не заканчивается.
Обзор
Автор
Редакторы
Обратите внимание!
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Эволюция и происхождение вирусов
В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.
Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.
Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?
Строение вирусов и иммунный ответ организма
Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).
Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].
Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).
Причины поражений в борьбе с ВИЧ
Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.
Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.
Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.
Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].
* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.
Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г. Рисунок с сайта phil.cdc.gov.
Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.
Проблема в том, что вирусы представляют собой не более чем фрагменты генома (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку. В палеонтологической летописи они не оставляют никаких следов, и все, что остается для изучения их прошлого – это современные вирусы и их геномы. Сравнивая, находя сходства и различия, биологи обнаруживают эволюционные связи между разными вирусами, определяют их древнейшие черты. К сожалению, вирусы необычайно изменчивы и разнообразны. Достаточно вспомнить, что их геномы могут быть представлены цепочками не только ДНК (как у нас и, например, герпесвирусов), но и родственной молекулы РНК (как у коронавирусов). Молекула ДНК/РНК у вирусов может быть единой или сегментированной на части, линейной (аденовирусы) или кольцевой (полиомавирусы), одноцепочечной (анелловирусы) или двухцепочечной (бакуловирусы).
Не менее разнообразны структуры вирусных частиц, особенности их жизненного цикла и прочие характеристики, по которым можно было бы проводить обычное сопоставление. Подробнее о том, как ученые обходят эти сложности, вы можете прочесть в самом конце этой заметки. А пока давайте вспомним, что же у всех вирусов общего: все они – паразиты. Не известно ни одного вируса, который мог бы проводить метаболизм самостоятельно, без использования биохимических механизмов клетки-хозяина.
Ни один вирус не содержит рибосом, которые могли бы синтезировать белки, и ни один не несет систем, позволяющих вырабатывать энергию в форме молекул АТФ. Все это делает их облигатными, то есть безусловными внутриклеточными паразитами: существовать сами по себе они неспособны. Неудивительно, что, согласно одной из первых и самых известных гипотез, сперва появились клетки, и лишь затем на этой почве развился весь разнообразный вирусный мир.
Регрессивно. От сложного к простому
Прогрессивно. От простого к сложному
Параллельно. Тень жизни
К сожалению, вирусы невероятно изменчивы. У них отсутствуют системы починки (репарации) повреждений ДНК, и любая мутация сохраняется в геноме, подвергаясь дальнейшему отбору. К тому же, разные вирусы, заразившие одну и ту же клетку, легко обмениваются фрагментами ДНК (или РНК), порождая новые рекомбинантные формы.
Наконец, смена поколений происходит необычайно быстро – например, продолжительность жизненного цикла ВИЧ составляет всего 52 часа, и он далеко не самый короткоживущий. Все эти факторы и обеспечивают стремительную изменчивость вирусов, которая сильно затрудняет прямой анализ их геномов.
Вместе с тем, оказавшись в клетке, вирусы зачастую не запускают своей обычной паразитической программы – одни так устроены, другие – из-за случайного сбоя. При этом их ДНК (или РНК, заранее превращенная в ДНК) может встраиваться в хромосомы хозяина и затаиться здесь, затерявшись среди множества генов самой клетки. Иногда вирусный геном реактивируется, а иногда сохраняется в таком скрытом виде, передаваясь из поколение в поколение.
Считается, что на такие эндогенные ретровирусы приходится до 5-8 процентов нашего собственного генома. Изменчивость их уже не так велика – клеточная ДНК меняется не столь стремительно, да и жизненный цикл многоклеточных организмов достигает десятков лет, а не часов. Поэтому фрагменты, которые сохраняются в их клетках, служат ценным источником информации о прошлом вирусов.
За выполнение этих функций отвечают активные сайты таких белков, и их структура может быть очень консервативна. Она сохраняет большую устойчивость на протяжении эволюции. Меняться могут даже отдельные участки генов, но форма белкового сайта, распределение в нем электрических зарядов – все, что критически важно для выполнения нужной функции – остается почти прежней. Сравнивая их, можно находить самые отдаленные эволюционные связи.
— Первая задача вируса — попасть в клетку, — продолжает рассказ вирусолог Лукашев. — В течение нескольких часов он подчиняет ее. В клетке есть системы противовирусной защиты, и вирусу необходимо их подавить, не допустив, чтобы она покончила жизнь самоубийством. Ведь когда вирус попал внутрь клетки, ее уже не спасти, и она сама себя старается убить. Или же клетка может дать сигнал другим клеткам, что с ней что-то не так, и начнется воспаление. Вирусы этот механизм тоже подавляют, но с разной степенью успешности. Попыток захвата клеток вирусами на самом деле намного больше, чем случаев, когда начинается болезнь. Чаще клетка побеждает, и мы даже не узнаем, что в нас проникал вирус. Но как же тогда возникают эпидемии? И почему вдруг разбушевался коронавирус в Китае? По словам экспертов, на руку вирусам играет банальное стечение обстоятельств. Притом что вирусы обстреливают людей с завидным упрямством, смертоносными они становятся, когда им удается перейти от одного вида к другому. Да, у каждого вируса есть строго специфичный набор клеток, в которые он может проникнуть, но время от времени, как известно, и палка стреляет.
Вместе с тем наука признала, что вирусы — это наследие древнего мира, существовавшего до появления первой живой клетки, четыре миллиарда лет назад. Более того, из вирусов или их остатков по большей части состоит геном человека. Это значит, что они были основой развития жизни на Земле. Доказано, что человек, как млекопитающее, обязан существованием именно им, поскольку благодаря вирусам у наших предков начала формироваться плацента. Как? Они привнесли в человеческий геном белок, отвечающий за ее функцию. Кроме того, вирусы сильно повысили эффективность эволюции. Они переносили генетическую информацию намного эффективнее, чем это делалось только в ходе естественного размножения. То есть удачные гены они передавали не потомству вида, а сразу в новый организм.
Читайте также: