Что такое вирус и архей

Обновлено: 26.04.2024

В последние годы биологи активно исследуют недавно открытый особый тип иммунитета у бактерий и архей. Иммунный ответ обеспечивают специальные РНК, гены которых располагаются в особых локусах, получивших название CRISPR. Эти РНК распознают чужеродную ДНК и помогают ее уничтожить. Замечательно, что при внедрении нового вируса формируются новые соответствующие гены в системе CRISPR у зараженной бактерии, и родительская клетка передает приобретенный иммунитет по наследству. В системе CRISPR также имеется встроенный механизм защиты собственной ДНК от аутоиммунного разрушения.

Иммунитет помогает всем живым существам справляться с внедрением чужеродных агентов, в том числе и паразитов. Иммунная система — это сложный биохимический аппарат; у высших животных он нацелен на быстрое распознавание паразита и усиленное производство антител, которые помогают его обезвредить. Важнейшее звено иммунной машины позвоночных — выработка нужных, специфических, антител — является остроумным изобретением природы: из миллионов имеющихся лимфоцитов выбирается один или несколько таких, у которых поверхностные белки оказываются комплементарными антигену внедрившегося паразита. Образование комплекса антиген–антитело вызывает усиленное размножение именного этого типа лимфоцитов, что и обеспечивает быструю иммунную реакцию.

Источником замечательного разнообразия лимфоцитов служат неисчислимые комбинации нескольких коротких отрезков нуклеотидных последовательностей, из которых в созревающем лимфоците собираются гены антител. Таким образом, клетке не обязательно хранить отдельные гены для каждого антитела, можно хранить набор заготовок, а затем, по мере надобности, подбирать нужную комбинацию заготовок. Родители передают потомкам именно наборы заготовок. Поэтому приобретенный за жизнь иммунитет не может наследоваться, наследуется только возможность его приобрести. Так обстоят дела у позвоночных животных.

В 2002 году началось планомерное изучение особых участков (локусов) бактериального генома, которые представляют собой расположенные группами короткие палиндромные повторы (CRISPR, clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Эти локусы найдены у 90% архей и 40% бактерий.

В непосредственной близости от CRISPR расположены гены специальных белков, называемых Cas (CRISPR associated). Обычно Cas — это нуклеазы, полимеразы, нуклеотид-связывающие белки; всего эта группа объединяет около 40 семейств белков.

Повторы CRISPR-последовательностей очень консервативны в пределах каждого вида микробов, но сильно различаются от вида к виду.

В последующие два года ученые доказали, что локусы CRISPR эволюционируют в ответ на вирусную активность, так что состав и порядок расположения спейсеров указывает на историю различных вирусных атак. Итак, взаимодействие с вирусами и чужеродными плазмидами приводит к появлению иммунитета, который сохраняется в ряде поколений данного штамма. Ученые предположили, каким может быть механизм приобретения и наследования иммунитета.

В результате получается внушительный набор коротких crРНК с различными вирусными спейсерами. Среди них и тот, который был счастливо приобретен при недавнем инфицировании. crРНК объединяются с некоторыми Сas-белками. Если в такую клетку снова попадает этот вирус, то РНК, несущая соответствующий спейсер, узнает комплементарный участок вирусной ДНК, а Сas-белки обеспечивают инактивацию и избавление от паразитической ДНК. Само собой разумеется, что узнавание чужеродной ДНК при помощи crРНК осуществляется гораздо эффективнее и быстрее, чем исходное распознавание, с которого началось формирование иммунитета.

Источники:
1) Philippe Horvath, Rodolphe Barrangou. CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea // Science. 2010. V. 327. P. 167–170. DOI: 10.1126/science.1179555.
2) Luciano A. Marraffini, Erik J. Sontheimer. Self versus non-self discrimination during CRISPR RNA-directed immunity // Nature. 13 January 2010. Doi: 10.1038/nature08703.

Код вставки на сайт

Обзор

Человек, обжитая археями территория, на фоне горячих источников, с которыми принято ассоциировать архей

иллюстрация авторов статьи

Авторы

Редакторы

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

Археи. Самые древние, самые загадочные

Само название архей намекает на их раннее происхождение. По последним данным, они — самые древние из ныне живущих организмов [3], но выделены были в отдельную группу самыми последними, всего 40 лет назад [4]. Прежде представителей архей относили к бактериям, и лишь Карл Вёзе смог убедительно показать, что они достаточно далеко эволюционно отстоят друг от друга [5].

Рисунок 1. Дерево жизни, три домена: археи, бактерии, эукариоты

Впервые архей обнаружили в вулканических горячих источниках [6], и долгое время считалось, что они могут существовать только в экстремальных средах обитания с высокой температурой и повышенной кислотностью. Сегодня они известны как большая и разнообразная группа, широко распространенная в природе: благодаря молекулярным методам исследователи стали обнаруживать архей во многих местах, например, в почве или на коже человека. Получение чистой культуры многих архей — дело очень трудоемкое и не всегда заканчивается успехом, потому что археи часто требуют экзотических условий или не желают расти без присутствия других микроорганизмов [7].

Немного о роли молекулярных методов в современной микробиологии

Мы уже не раз упоминали, что именно молекулярные методы позволили нам больше узнать об археях. Но что конкретно это означает на практике?

Археи в необычных местах

При помощи метагеномики мы обнаружили архей вне типичных для них, как мы думали, условий обитания. Например, оказалось, что метанобразующие археи (они же метаногены) населяют желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) травоядных животных. В рубце жвачных или в кишечнике термитов различные бактерии разлагают целлюлозу, образуя водород в качестве побочного продукта, а метаногены превращают водород и углекислый газ в метан, который затем выделяется из пищеварительного тракта их хозяев. Есть гипотеза, утверждающая, что, если бы этого процесса не было, происходящее накопление водорода в пищеварительном тракте влияло бы на равновесие в реакции разложения целлюлозы и она разлагалась бы медленнее. В последнее время метаногенных архей находят во все большем числе видов животных [10].

И это не единственный пример архей как эндосимбионтов. Например, их удалось обнаружить в морских губках, хотя на данный момент их роль в этом союзе не совсем ясна. Тем не менее один и тот же вид архей обнаружен во многих образцах губок, и такая ассоциация является довольно устойчивой [11]. В другом исследовании архей из разных типов удалось обнаружить на нескольких видах кораллов, причем археи составляли половину всего прокариотического сообщества [12], [13].

Становится все более очевидным, что археи распределены по всему миру и хорошо приспособлены к различному образу жизни, включая симбиотическое партнерство с эукариотическими хозяевами. Но несмотря на то, что этим открытиям уже больше десятка лет, роль архей в большинстве таких симбиозов неясна. Тот факт, что они составляют значительную часть микробного сообщества, указывает на их важную роль, но подробности таких союзов нам пока неизвестны.

Археом человека

Как же обстоят дела с изучением архей, обитающих в человеческом теле?

И вот, когда исследователи принялись за метагеном различных сообществ тела человека, оказалось, что архей можно встретить и там. Но какова же их роль? Это случайные пассажиры или археи действительно освоили человека как одно из своих местообитаний? На самом деле, на этот вопрос до сих пор нет однозначного ответа.

Да, ученым достоверно известно о том, что археи составляют значительную часть нашего микробиома, но их почти всегда упускают из виду при изучении различных патологий. Дело в том, что на данный момент нет стандартных протоколов обнаружения архей, поэтому справочные базы данных по ним не полны, и выделение и установление последовательности ДНК происходит с большими трудностями [14]. Хотя уже в конце 2010-х некоторые некультивируемые виды удалось обнаружить с помощью метагеномики, только развитие высокопроизводительного секвенирования позволило выявить сообщества архей, ассоциированных с человеком [15], [16].

Рисунок 2. Человеческий археом. Обзор хронологии открытия видов архей, обнаруженных как часть человеческого микробиома в разных местах.

Взаимодействие с иммунной системой

В исследованиях 2016 года [20], [21] удалось выявить корреляцию между количеством архей родов Methanobrevibacter и Akkermansia с риском возникновения рассеянного склероза — аутоиммунного заболевания, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон головного и спинного мозга. Было обнаружено, что повышенное содержание этих архей в кишечнике человека вызывает синтез провоспалительных цитокинов в некоторых иммунных клетках и ингибирует производство подавляющих воспаление белков [22]. Казалось бы, эти археи — явные патогены, ведь в ответ на их присутствие организм начинает воспалительный процесс! Однако прямое патогенное действие не было доказано in vitro, так как совместная инкубация вида Methanobrevibacter smithii и иммунных клеток не воспроизводила эти результаты, что было показано в том же исследовании [23].

Потенциальные механизмы влияния на здоровье человека

На сегодняшний день можно выделить несколько потенциальных механизмов, с помощью которых археи могут влиять на здоровье человека.

Во-первых, это метаногенез. Метаногены поддерживают благоприятные условия для развития условно-патогенных бактерий, что косвенно способствует развитию заболеваний: различные вредоносные микроорганизмы лучше растут в тесном союзе с археями [24]. Однако присутствие архей-метаногенов имеет две стороны. Положительным эффектом метаногенеза является снижение общего давления в желудочно-кишечном тракте. В случае бескислородного дыхания одна молекула CO₂ и четыре молекулы H₂ используются для получения одной молекулы метана (CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O) [25], что приводит к уменьшению вздутия живота.

Рисунок 3. Основные виды архей-метаногенов и их расположение в теле человека. Красной стрелкой показано повторное поступление метана в кишечник.

Еще один способ влияния архей на здоровье человека — преобразование металлов и металлоидов. В процессе метаногенеза метильные группы различных соединений превращаются в метан. По-видимому, архейные ферменты-переносчики метильной группы, которые участвуют в этом процессе, могут взаимодействовать со многими веществами. Например, они способны превращать металлы и металлоиды, такие как мышьяк, селен, теллур, сурьма и висмут, в их более опасные летучие производные [26].

Помимо этого, археи способны удалять триметиламин (ТМА), превращая его в метан, что противодействует развитию атеросклероза — заболевания, поражающего артерии, в стенках которых накапливается холестерин (рис. 3) [27]. Связь повышенной концентрации TMA с развитием сердечно-сосудистых заболеваний не вызывает сомнений [28].

Археи (как и многие бактерии) также могут образовывать биопленки — устойчивые конгломераты микроорганизмов, защищенные от воздействия внешней среды и погруженные в общий матрикс. Для различных видов архей было показано образование биопленок [29], и предполагается, что метаноархеи в ЖКТ встречаются в таких сообществах, оседая на поверхности слизистой оболочки. Биопленки также наблюдались в полости рта, и в них археи Methanobrevibacter oralis обнаруживались у каждого второго пациента, страдающего пародонтозом (поражение околозубной ткани), при этом у здоровых людей подобные биопленки не встречаются [30]. В биопленках присутствуют организмы разных таксономических групп, и, возможно, архейные биопленки способствуют сохранению групп патогенных бактерий, например, защищая их от антибиотиков [29].

Таким образом, археи могут оказывать на организм человека как положительный, так и отрицательный эффект. Например, метаногенные археи вовлечены во многие процессы, помогают пищеварению и снижают общее давление в ЖКТ, однако несколько исследований предполагали участие метаногенных архей в желудочно-кишечных заболеваниях, таких как рак, ожирение, анорексия и воспалительное заболевание кишечника [31]. Тем не менее следует уточнить, что в этих исследованиях отсутствуют соответствующие методы количественной оценки, и в других работах сообщается о спорных результатах общей численности этих микроорганизмов в исследуемых группах пациентов [32].

Что же мы в итоге можем сказать о роли архей в нашем организме? Способны ли они вызывать болезни?

Рисунок 4. Таксономический ландшафт архей в человеческом теле. Синий — легкие, желтый — кожа, красный — нос, коричневый — ЖКТ.

Заключение

На данный момент не существует четких доказательств существования патогенных, или, тем более, паразитических архей [33], [34]. Разница между паразитизмом и патогенностью состоит в том, что патогенность — это способность быть причиной патологии, а паразитизм — один из способов взаимодействия видов, в ходе которого паразит использует хозяина в качестве источника пищи и/или среды обитания. Мы рассказали о возможной роли архей в патогенезе, но именно паразитами они, по-видимому, быть не могут.

Это тем более удивительно, что паразитические организмы встречаются в огромном количестве в двух других доменах. Либо археям что-то мешает перейти к паразитизму, либо их паразитические отношения настолько своеобразны, что мы до сих пор это не обнаружили. Почему же так произошло? Возможно, из-за своих метаболических особенностей бактерии более успешны на этом поприще и просто не дают археям развиваться в том же направлении. Археи также, как правило, не обмениваются ДНК с патогенными бактериями: обмен генетической информацией более типичен между экстремофильными бактериями и археями [35].

Зачем же тогда ученые потратили столько времени и сил на изучение данного вопроса? Пока что из исследований на эту тему можно сделать несколько выводов. Археи присутствуют в большинстве, если не во всех, микробиомах, связанных с эукариотическими хозяевами, но из-за отсутствия стандартных протоколов обнаружения архей их часто упускают из виду. И даже слегка копнув эту тему, можно смело заявить, что роль домена архей велика как в жизнедеятельности человека, так и в различных экосистемах, ассоциированных с эукариотами. Будущие исследования археомов, ассоциированных с хозяином, позволят лучше понять их роль в здоровье человека и их потенциальную роль в развитии болезни.

Обзор

Человеческая Т-клетка (синий), атакованная ВИЧ (желтый). Вирус ориентирован на Т-клетки, которые играют важную роль в иммунной реакции организма против вторжений, таких как бактерии и вирусы.

Автор

Редакторы

Вопрос о происхождении вирусов

Существует три основные теории возникновения вирусов:

Зарождение жизни. Идея последнего универсального общего предка: каким он мог бы быть и что ему предшествовало?

Рисунок 1. Схема трехдоменной классификации, предложенная Вёзе. В основании этой схемы должен находиться последний универсальный общий предок (англ. last universal common ancestor, LUCA).

Самый сильный аргумент в пользу существования LUCA — сохранившаяся общая система экспрессии генов (передачи наследственной информации от гена с образованием РНК или белков), одинаковая для всех живущих организмов. Все известные клеточные формы жизни используют один и тот же генетический код из 20 универсальных аминокислот и стоп-сигналов, закодированных в 64 кодонах (единицах генетического кода). Трансляция генетической информации в процессе синтеза белков по заданной матрице выполняется рибосомами, состоящими из трех универсальных молекул РНК и примерно 50 белков, из которых 20 так же одинаковы для всех организмов.

В 2010 году американский биохимик Даглас Теобальд математически проверил вероятность существования LUCA [6]. Он выбрал 23 белка, встречающихся у организмов из всех трех доменов, но имеющих разную структуру у различных видов. И исследовал эти белки у 12 различных видов (по четыре из каждого домена), после чего использовал компьютерное моделирование различных эволюционных сценариев, чтобы понять, при каком из них наблюдаемая картина будет наиболее вероятной. Оказалось, что концепция, включающая существование универсального предка, значительно вероятнее концепций, где его нет. Еще более вероятна модель, основанная на существовании общего предка, но допускающая обмен генами между видами [7].

Предположение о том, что LUCA был прокариотической клеткой, похожей на современные, часто принимается по умолчанию. Однако мембраны архей и бактерий имеют разное строение (рис. 2). Получается, что общий предок должен был обладать комбинаторной мембраной. Новая информация о мембранах LUCA появилась в 2012 году, когда несколько групп ученых подробно проанализировали историю генов всех ферментов биосинтеза компонентов липидов у бактерий, архей и эукариот [8].

Рисунок 2. Строение мембранных липидов бактерий (справа) и архей (слева)

Родственными у архей и бактерий оказались ферменты для синтеза терпеновых спиртов и пришивания полярных голов к спиртам. Значит, эти реакции мог проводить и LUCA. Проще всего было предположить, что липиды LUCA состояли из одного остатка терпенового спирта, остатка фосфата и полярной группы (серина или инозитола). Подобные липиды были синтезированы искусственно. Образующиеся из них мембраны обладают высокой подвижностью по сравнению с современными мембранами, хорошо пропускают ионы металлов и малые органические молекулы. Это могло позволять древним протоклеткам поглощать готовую органику из внешней среды даже без транспортных белков.

Реконструкции LUCA методами сравнительной геномики указывают на то, что это должен быть сложный организм без обширного ДНК-генома (геном, состоящий из нескольких сотен РНК-сегментов или ДНК провирусного типа). Но даже если считать возможность существования общего предка доказанной, остается загадкой, в какой среде он мог бы появиться.

Рисунок 3. Сценарий вирусного мира в гипотезе доклеточного происхождения вирусов подпись

Предполагается, что идеальные условия для формирования жизни существовали вблизи термальных геоисточников (морских или наземных) в виде сети неорганических ячеек, обеспечивающих градиенты температуры и рН, способствующих первичным реакциям, и предоставляющих универсальные каталитические поверхности для примитивной биохимии [10].

Эти отсеки могли быть населены разнородной популяцией генетических элементов. Вначале сегментами РНК. Затем более крупными и сложными молекулами РНК (один или несколько белок-кодирующих генов). А позднее и сегментами ДНК, которые постепенно увеличивались (рис. 3).

Такие простейшие генетические системы использовали неорганические соединения из раствора и продукты деятельности других генетических систем. Сначала они должны были подчиняться индивидуальному отбору ввиду большого разнообразия. Но ясно, что важным фактором такого отбора была способность передавать генетическую информацию, то есть, копировать себя. Присутствие одновременно в одной ячейке молекул, способных копировать РНК, кодировать полезные белки и управлять синтезом новых молекул, давало больше шансов выживать в каждой отдельной ячейке. И в такой системе рано или поздно должны были появиться паразитирующие элементы. А если это так, то вирусные элементы стоят у самых истоков эволюции [11].

Возникновение паразитов — неизбежное последствие эволюционного процесса

Рисунок 4. Схематическое представление структуры модели эволюции РНК-подобной системы. На втором этапе цепочки последовательностей начинают соединяться комплементарными связями сами с собой. В результате у двух видов (cat-C и cat-A) возникает вторичная структура молекулы, которая обладает каталитическим свойством. Она ускоряет собственную репликацию (или репликацию несвернувшихся соседей). Два вида при этом приобретают паразитические свойства (par-G и par-U). Пояснения в тексте.

Таким образом, паразитарные репликаторы способствуют эволюции разнообразия, вместо того, чтобы мешать этому разнообразию. Это также делает существующую систему репликатора чрезвычайно стабильной при эволюции паразитов.

Согласно гипотезе Черной Королевы, чтобы поддержать свое существование в постоянно эволюционирующем мире, вид должен реагировать на эти эволюционные изменения и должным образом приспосабливаться к среде. Поэтому, если мы говорим о вирусах как о паразитах, мы обязаны представлять себе взаимоотношения вируса с хозяином. В борьбе с вирусом хозяева развивают новые защитные механизмы, а паразиты отвечают, развивая механизмы для атаки и взлома защиты. Этот процесс может длиться бесконечно либо до вымирания одной из противоборствующих сторон. Так множественные системы защиты составляют существенную часть геномов всех клеточных организмов, а взлом защиты — одна из основных функций генов у вирусов с большими геномами .

Механизмы клеточной защиты против вирусов

Механизмы защиты от вирусов стандартны, поскольку все вирусы уникальны, и приспособиться к каждому не представляется возможным. Это такие механизмы как:

Деградация РНК (вирусных и клеточных) — РНК-интерференция;
Угнетение синтеза белков (вирусных и клеточных);
Ликвидация зараженных клеток — апоптоз (программируемая клеточная смерть);
Воспаление.

Получается, что клетка борется с вирусом, нарушая собственные обмен веществ и/или структуру. Защитные реакции клетки — это в основном самоповреждающие механизмы.

Вирус заражает конкретную клетку потому, что его механизмы нападения направлены именно против данного типа клеток. Это такие механизмы как:

Угнетение синтеза клеточной РНК;
Угнетение синтеза клеточных белков;
Нарушение клеточной инфраструктуры и транспорта;
Подавление/включение апоптоза и других видов клеточной смерти.

Схемы защитных приемов клетки и противозащиты вирусов во многом идентичны. Вирусы и клетки применяют одни и те же приемы. Для подавления синтеза вирусных белков клетка использует интерферон, а чтобы подавить образование интерферона, вирус угнетает синтез белков.

Поскольку узнавание вируса неспецифическое, клетка не может знать намерения конкретного вируса. Она может бороться с вирусом лишь стандартными приемами, поэтому ее оборонные действия часто могут быть чрезмерными.

Понятие о вирусном геноме, типы вирусных генов, концепция генов-сигнатур

В исследовании, проведенном вирусологом Евгением Куниным и его коллегами [16], анализ последовательностей вирусных геномов выявил несколько категорий вирусных генов, принципиально отличающихся по происхождению. Можно обсуждать, какая степень дробности классификации оптимальна, но четко различаются пять классов, укладывающихся в две более крупные категории.

Гены с четко опознаваемыми гомологами у клеточных форм жизни:

Гены, присутствующие у узких групп вирусов (обычно это гены, гомологичные генам хозяев этих вирусов).
Гены, консервативные среди большой группы вирусов или даже нескольких групп и имеющие относительно отдаленные клеточные гомологи.

Таким образом, отличительные особенности генов-сигнатур:

Происхождение из первичного пула генов;
Наличие лишь очень отдаленных гомологов среди генов клеточных форм жизни, из чего можно сделать вывод, что они никогда не входили в геномы клеточных форм;
Необходимость для репродукции вирусов.

Из всего вышесказанного следует, что эти гены переходили от вируса к вирусу (или к элементу, подобному вирусу) на протяжении четырех миллиардов лет эволюции жизни, а вирусные геномы появились благодаря перемешиванию и подгонке друг к другу генов в гигантской генетической сети, которую представляет собой мир вирусов. Многочисленные гены клеточных форм жизни также пронизывают эту сеть, прежде всего благодаря геномам крупных вирусов, таких как NCDLV и крупным бактериофагам, которые позаимствовали множество генов от своих хозяев на разных этапах эволюции. Однако большинство заимствованных генов сами по себе не критичны для репликации и экспрессии вирусного генома (исключая некоторые случаи возможного неортологичного замещения генов-сигнатур); обычно эти гены участвуют во взаимодействии между вирусом и хозяином. Таким образом, несмотря на интенсивный взаимообмен генами с хозяевами, вирусы всегда происходят от других вирусов.

Вирусы, встроенные в геном, и горизонтальный перенос генов

В процессе эволюции многие вирусы встроились в геномы клеточных форм жизни путем горизонтального переноса генов (ГПГ). Впервые горизонтальный перенос был описан в 1959 году, когда ученые продемонстрировали передачу резистентности к антибиотикам между разными видами бактерий. В 1999 году Рави Джайн, Мария Ривера и Джеймс Лейк в своей статье писали о произошедшей значительной передаче генов между прокариотами [17]. Этот процесс, по-видимому, оказал некоторое влияние также и на одноклеточные эукариоты. В 2004 году Карл Вёзе опубликовал статью, в которой утверждал, что между древними группами живых организмов происходил массивный перенос генетической информации. В древнейшие времена преобладал процесс, который он называет горизонтальным переносом генов. Причем, чем дальше в прошлое, тем это преобладание сильнее [18].

Горизонтальный перенос генов — процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. Горизонтальная передача генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации — процессы конъюгации, трансдукции, трансформации, переноса генов в составе плазмидных векторов, вирусов, мобильных генетических элементов (МГЭ).

Трансдукция — перенос бактериофагом (агентами переноса генов, АПГ) в заражаемую клетку фрагментов генетического материала клетки, исходно содержавшей бактериофаг [19]. Такой бактериофаг обычно переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина от одной клетки (донор) к другой (реципиент). В зависимости от типа трансдукции — неспецифической (общей), специфической или абортивной, геном фага или хозяина-бактерии может быть изменен тем или иным образом:

При неспецифической трансдукции (рис. 5) ДНК клетки-хозяина включаются в частицу фага (дополнительно к его собственному геному или вместо него);
При специфической трансдукции гены фага замещаются генами хозяина;
При абортивной трансдукции внесённый фрагмент ДНК донора не встраивается в ДНК хозяина-реципиента, а остаётся в цитоплазме и не реплицируется. Это приводит к тому, что при клеточном делении он передаётся только одной из дочерних клеток и затем теряется в потомстве.

Рисунок 5. Схема общей трансдукции

Наиболее известным примером специфической трансдукции служит трансдукция, осуществляемая фагом λ. Поскольку этот фаг при переходе в состояние профага включается в хромосому бактерий между генами, кодирующими синтез галактозы и биотина, именно эти гены он может переносить при трансдукции.

Вот несколько примеров важных эволюционных событий, связанных с молекулярным одомашниванием:

Ферменты теломеразы, служащие для восстановления концевых участков хромосом, возможно, ведут свое происхождение от обратных транскриптаз, кодируемых ретровирусами и ретротранспозонами [22];
Белки RAG, играющие ключевую роль в системе адаптивного иммунитета, по-видимому, происходят от прирученных транспозаз — ферментов, кодируемых транспозонами;
Ген Peg10, необходимый для развития плаценты, был позаимствован древними млекопитающими у ретротранспозона (рис. 6) [23].

Рисунок 6. Роль гена Peg10 в эмбриональном развитии. Ученые под руководством Рюичи Оно из Токийского медицинского университета Японии показали, что у мышей с выключенным геном Peg10 нарушается развитие плаценты, от чего эмбрион погибает через 10 дней после зачатия [24].

В 2008 году в ходе целенаправленного поиска неиспорченных вирусных генов в геноме человека исследователи нашли два очень похожих друг на друга ретровирусных гена (их назвали ENVV1 и ENVV2), которые, по всей видимости, находятся в рабочем состоянии [25]. Это гены белков оболочки ретровируса. Каждый из них входит в состав своего эндогенного ретровируса (ЭРВ), причем все остальные части этих ЭРВ давно не функционируют.

Вирусные гены ENVV1 и ENVV2 у человека и обезьян работают в плаценте и, скорее всего, выполняют следующие функции:

Таким образом, как минимум три полезных применения нашли себе вирусные гены в плаценте приматов. Это показывает, что генетические модификации, которым ретровирусы подвергают организмы, в долгосрочной перспективе могут оказаться полезными или даже определить развитие вида. И с учетом всего вышесказанного древо доменов должно выглядеть как на схеме ниже (рис. 7).

Рисунок 7. Горизонтальный перенос генов в рамках трехдоменного дерева

Заключение

Возникновение паразитов — обязательная черта эволюционирующих систем репликаторов, а соревнование хозяев и паразитов движет эволюцию тех и других. Любой организм является результатом миллионов лет борьбы клеток с невероятно разнообразным миром вирусов. Их действия и их эволюция пронизывают всю историю клеточной эволюции, и сейчас меняется само наше представление о них. Когда-то вирусы считали деградировавшими клетками, но чем больше мы узнаем о вирусах, тем очевиднее, что их роль в общей эволюции значительна. И невероятно много нам еще предстоит узнать.

Рис. 1. Филогенетические деревья, отражающие родственные связи асгардархей. Слева — дерево, основанное на длинных фрагментах ДНК (контигах, см. Contig), полученных в ходе метагеномного анализа и включающих эволюционно консервативный кластер из 15 генов рибосомных белков. Показаны четыре типа асгардархей (слева направо: хеймдалльархеи, одинархеи, торархеи, локиархеи), а также надтип TACK — группа архей, наиболее близкая к асгардархеям и включающая типы Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota и Korarchaeota. Разными значками отмечены контиги, происходящие из разных местообитаний: LC — замок Локи, глубоководное гидротермальное поле в северной Атлантике; LCB — горячие источники Йеллоустонского национального парка; CR — водоносный горизонт рядом с руслом реки Колорадо; WOR — донные отложения эстуария реки White Oak (США), RP — Radiata Pool, геотермальный водоем в Новой Зеландии, AB — донные отложения залива Орхус (Дания); m.b.s.f. — метры под поверхностью морского дна. Справа — дерево, основанное на 55 рибосомных белках, общих для архей и эукариот. Видно, что эукариоты (Eukarya) — одна из ветвей асгардархей, наиболее близкая к хеймдалльархеям. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

После открытия локиархей происхождение эукариот стало выглядеть намного менее загадочным. Стало ясно, что многие особенности эукариотической клетки, ранее считавшиеся уникальными для эукариот, на самом деле появились еще у их прокариотических предков, которые были родственны локиархеям.

Затем шведские генетики и микробиологи, открывшие локиархей, объединились с американскими коллегами, описавшими торархей, а также с учеными из Японии, Дании и Новой Зеландии, чтобы совместными усилиями расширить этот пантеон, проведя широкомасштабный поиск новых архей, родственных локи- и торархеям, в донных отложениях различных типов. Исследовались морские отложения из залива Орхус (Дания; см. Bay of Aarhus), геотермальные водоемы Новой Зеландии и Йеллоустонского национального парка, глубоководные и мелководные гидротермальные источники, пресноводный водоносный горизонт близ русла реки Колорадо и упомянутые выше отложения в устье реки White Oak River. В общей сложности было отсеквенировано 645 миллиардов пар оснований (п. о.) в виде мелких фрагментов, из которых удалось собрать 3,28 миллиардов п. о. в виде контигов (см. Contig) длиной от 5 тысяч п. о. каждый. Из этих контигов выбрали последовательности, содержащие не менее 6 генов эволюционно консервативного кластера RP15, в состав которого входит 15 генов рибосомных белков. Медленно меняющиеся гены этого кластера хорошо подходят для филогенетического анализа (то есть для выяснения генеалогии и родственных связей), когда речь идет о группировках архей, разошедшихся сотни миллионов и миллиарды лет назад.

Затем исследователи перешли от отдельных контигов к более полной характеристике геномов новооткрытых микробов. Главная трудность тут в том, чтобы понять, какие из множества фрагментов ДНК, присутствующих в пробе, относятся именно к данному геному. Эта задача — сродни тем, которые приходится решать палеогенетикам, собирающим из крохотных кусочков древней ДНК, смешанной с современными загрязнениями, полный геном очередного неандертальца или денисовца. Помогают решить эту проблему разнообразные хитрости, такие как сравнение частоты встречаемости четырехнуклеотидных последовательностей в отсеквенированных фрагментах, а также частоты встречаемости самих фрагментов (говоря упрощенно, если один фрагмент генома попадается в пробе очень часто, а другой — редко, то вряд ли эти два фрагмента происходят из одного и того же генома: скорее всего первый фрагмент принадлежит какому-то массовому микробу, а второй — редкому).

В итоге авторам удалось собрать почти полные геномы представителей каждого из четырех типов асгардархей. Это позволило повторить филогенетический анализ, используя уже не только гены кластера RP15, но и другие консервативные гены, в том числе — гены рибосомных РНК. Было построено множество деревьев, основанных на разных наборах генов и разных методах. В результате удалось с высокой степенью надежности подтвердить обособленность асгардархей (то есть то, что они действительно образуют отдельную ветвь на эволюционном дереве архей), а также то, что они заслуживают ранга надтипа (это определяют по длине ветвей и по уровню внутри- и межгрупповых различий). Подтвердилось также и наличие четырех крупных подразделений в пределах надтипа Asgard, заслуживающих ранга типа.

Что касается эукариот, то они фактически являются еще одной — пятой — подгруппой асгардархей. По-видимому, предки эукариот обособились от одного из типов асгардархей (скорее всего от хеймдалльархей) уже после его отделения от остальных типов (рис. 1, справа). Впрочем, этот вывод не является окончательным. Сохраняется вероятность, что предки эукариот занимают базальное положение по отношению к четырем типам асгардархей, то есть обособились раньше, чем произошло разделение этих типов. Но и в этом случае получается, что асгардархеи ближе к эукариотам, чем к любым другим археям (подобно тому, как шимпанзе и бонобо ближе к человеку, чем к другим обезьянам).

Начав с рибосомного кластера RP15 и собрав на его основе большие фрагменты геномов, авторы выяснили в том числе и последовательности генов 16S-рРНК различных представителей асгардархей. Эти последовательности используются для быстрой идентификации и оценки численности микроорганизмов в пробах из разных сред. Анализ множества проб показал, что асгардархеи широко распространены в самых разных типах осадков в анаэробных условиях. При этом локиархеи являются массовой группой, торархеи и хеймдалльархеи обычно малочисленны, а одинархеи встречаются почти исключительно в термальных водах.

Рис. 2. Эволюционное дерево асгардархей, для которых удалось собрать значительную часть генома, и распределение белков, ранее считавшихся уникальными для эукариот (ESP). Показаны белки, связанные с обработкой генетической информации (репликация, транскрипция, трансляция), цитоскелетом, транспортом веществ при помощи мембранных пузырьков, убиквитин-зависимой деградацией белков и гликозилированием белков (которое у эукариот осуществляется на мембранах эндоплазматического ретикулума). Черные кружки — наличие белка установлено надежно, серые — предположительно, белые — белок не обнаружен. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

У некоторых асгардархей обнаружены ESP, отсутствующие в ранее изученных геномах локиархей. Например, у одинархей есть настоящий тубулин — важнейший компонент эукариотического цитоскелета (более отдаленные гомологи тубулинов, белки FtsZ, широко распространены у прокариот).

Многие ESP асгардархей в эукариотической клетке являются компонентами цитоскелета, участвуют в клеточном делении, транспорте белков при помощи мембранных пузырьков (см. Везикулярный транспорт), убиквитин-зависимой деградации белков, а также в гликозилировании белков на мембранах эндоплазматического ретикулума (см. Oligosaccharyltransferase) (рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение клеточных структур и процессов, в которых задействованы белки, ранее считавшиеся уникальными для эукариот, но теперь обнаруженные у асгардархей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Cудя по набору генов, клетки асгардархей могут иметь весьма сложную организацию. Они почти наверняка обладают подвижными мембранами; с большой вероятностью у них есть внутриклеточные мембранные структуры, аналогичные эндоплазматическому ретикулуму и аппарату Гольджи. Может быть, у них даже есть какое-то подобие ядра (ведь ядерная оболочка, как известно, образует единое целое с эндоплазматическим ретикулумом, а у асгардархей могут присутствовать сложные транспортные системы, способные обеспечить транспорт молекул между протоядром и цитоплазмой). Не исключено также наличие у асгардархей способности к фагоцитозу. Это могло бы сильно облегчить захват бактериальных симбионтов — предков митохондрий. Наличие компонентов убиквитин-зависимой системы деградации белков свидетельствует в пользу того, что у асгардархей, как и у эукариот, белки подвергаются регулярному ресайклингу: отслужившие молекулы разбираются на запчасти, а вместо них синтезируются новые. Это позволяет оперативно регулировать состояние клетки в зависимости от меняющихся условий (у эукариот такая регуляция развита гораздо сильнее, чем у типичных прокариот). Наличие везикулярного транспорта и убиквитиновой системы косвенно свидетельствует в пользу того, что клетки асгардархей, возможно, имеют не только сложное строение, но и весьма крупные (по прокариотическим меркам) размеры.

Впрочем, нужно помнить, что функции белков могут меняться в ходе эволюции, и поэтому не исключена вероятность того, что некоторые ESP у асгардархей отвечают за какие-то иные функции, отличные от тех, что выполняются родственными белками у эукариот. Экспериментальное изучение функций ESP еще впереди.

В обсуждаемой статье ничего не говорится о метаболизме асгардархей, однако другими авторами ранее было показано, что локиархеи и торархеи, вероятно, являются строго анаэробными автотрофами, которые получают энергию за счет восстановления соединений серы и ацетогенеза (см. Acetogenesis) (R. W. Seitz et al., 2016. Genomic reconstruction of a novel, deeply branched sediment archaeal phylum with pathways for acetogenesis and sulfur reduction) и нуждаются в молекулярном водороде (F. L. Sousa et al., 2016. Lokiarchaeon is hydrogen dependent).

Конечно, очень хочется узнать, как выглядят асгардархеи, как они делятся, как обмениваются генетическим материалом, подвижны ли они, есть ли у них на самом деле фагоцитоз, эндоплазматический ретикулум и всё остальное. Но для этого нужно научиться культивировать асгардархей в лаборатории. Пока это не сделано, придется довольствоваться геномными данными.

Источник: Katarzyna Zaremba-Niedzwiedzka, Eva F. Caceres, Jimmy H. Saw, Disa Bäckström, Lina Juzokaite, Emmelien Vancaester, Kiley W. Seitz, Karthik Anantharaman, Piotr Starnawski, Kasper U. Kjeldsen, Matthew B. Stott, Takuro Nunoura, Jillian F. Banfield, Andreas Schramm, Brett J. Baker, Anja Spang & Thijs J. G. Ettema. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity // Nature. Published online 11 January 2017.

Читайте также: