К кому относятся вирусы эукариоты

Обновлено: 17.04.2024

Давно известно, что эукариоты возникли в результате симбиогенеза: архейная клетка объединилась с бактериальной. Соответственно, в любом эукариотном геноме есть гены как архейного, так и бактериального происхождения. Но сколько там тех и других? До сих пор оценки были довольно грубыми. Сейчас это посчитали точно, используя базы прочитанных полных геномов. В среднем 44% эукариотных белок-кодирующих генов имеет архейное происхождения, а 56% — бактериальное. Однако в некоторых группах эукариот встречаются заметные отклонения от этих средних величин, причем в обе стороны, в зависимости от биологических особенностей.

Эукариоты эволюционно моложе бактерий и архей: они появляются в палеонтологической летописи гораздо позже (не менее чем на миллиард лет, хотя не исключено, что разрыв еще больше). От кого же они произошли — от архей или от бактерий?

Тезис, что эукариоты — не более чем преобразованные археи, мог бы подтвердиться, если бы оказалось, что большинство эукариотных генов имеет архейное происхождение. Но тут сразу возникает каверзный вопрос: а что, если окажется наоборот? Будет ли это означать, что эукариоты — не более чем преобразованные бактерии?

Для первых молекулярных филогенетиков, работавших 30–40 лет назад, этой проблемы не существовало по той причине, что они работали в основном с последовательностями рибосомных РНК и генов, которые их кодируют. Это было оправдано. Во-первых, рибосомные РНК — консервативные молекулы, удобные для выявления родственных связей: их структура меняется достаточно медленно. Во-вторых, их просто очень много: рибосомы могут составлять до 40% сухого веса клетки. Сразу же выяснилось, что эукариотные рибосомы имеют архейное, а не бактериальное происхождение. Это действительно бесспорно. Но гены, продукты которых имеют отношение к рибосомам — то есть гены рибосомных РНК и рибосомных белков — все в сумме составляют примерно 1% типичного бактериального или архейного генома (несколько десятков из нескольких тысяч генов). Остальные 99% анализировать сложнее. Но в наше время, когда несколько тысяч геномов полностью прочитано, это вполне возможно. Кем же являются эукариоты на полногеномном уровне?

Рис. 2. Бактериальные и архейные компоненты эукариотной клетки. Коричневым цветом обозначен архейный компонент, голубым — первичный бактериальный компонент (предок митохондрий), зеленым — цианобактериальный компонент (предок хлоропластов). Симбиоз бактерии с археей возник без всякого участия фагоцитоза, благодаря способности архейных клеток к образованию выростов, между которыми смогли поселиться предки митохондрий. В образовавшейся сложной клетке произошло замещение архейных мембран бактериальными с попутным возникновением эндоплазматической сети, ядра и других мембранных структур; предполагается, что источником всех этих мембран были пузырьки, которые отшнуровывались от внешней мембраны митохондрий. От архейного участника симбиоза эукариотам досталась в основном информационная составляющая генома и клеточных механизмов, от бактериального — в основном метаболическая. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Genome Biology and Evolution

Некоторые эукариотные гены вообще нельзя отнести ни к архейной, ни к бактериальной группе. Это гены, возникшие внутри эукариот — либо de novo из некодирующей ДНК (такой путь теоретически возможен), либо путем дупликаций и рекомбинаций фрагментов разного происхождения, которые потом еще и быстро разошлись (дивергировали). Выводы, сделанные Мартином и Брюкнер, относятся только к консервативным генам, где архейная или бактериальная преемственность еще хорошо заметна.

В заключение Мартин и Брюкнер обращают внимание на следующее. Чем больше современные ученые узнают об архейных родственниках эукариот, тем более резкой начинает выглядеть грань между эукариотами и прокариотами (под этим названием, как известно, объединяются все неэукариотные клеточные организмы, то есть бактерии и археи). Именно таковы всегда были предсказания Уильяма Мартина, и недавнее открытие живых локиархей прекрасно их подтвердило. Мартин считает, что симбиогенез, приведший к возникновению эукариот — это процесс, несводимый ни к какой сумме постепенных эволюционных переходов. Конечно, как правило, эволюция постепенна, но почему бы из правила не быть исключению? Ведь эукариотизация — одно из самых уникальных эволюционных событий. Верны эти рассуждения или нет, мы, вероятно, через какое-то время поймем, но в любом случае геномы эукариот могут послужить замечательным источником информации, документирующей их причудливую раннюю историю.

Источник: J. Bruckner, W. F. Martin. Bacterial genes outnumber archaeal genes in eukaryotic genomes // Genome Biology and Evolution. 2020. DOI: 10.1093/gbe/evaa047.

Но и Дженнер не имел представления о том, что является причиной заболевания оспой. В XIX веке все болезнетворные организмы и вещества без разбора называли вирусами. Лишь благодаря опытам отечественного биолога Дмитрия Иосифовича Ивановского прекратилась эта путаница! Он пропускал экстракт заражённых табачной мозаикой 1 растений через бактериальные фильтры, сквозь которые не проходят даже самые мелкие бактерии. Выяснилось, что экстракт оставался по-прежнему заразным для других растений. Значит, возбудителями табачной мозаики были организмы, меньшие по размеру, чем бактерии; их назвали фильтрующимися вирусами. Вскоре бактерии перестали называть вирусами, а сами вирусы выделили в отдельное царство живых организмов. Дмитрий Ивановский же во всём мире по праву считается основателем вирусологии — науки о вирусах.

Рис. 2. Дженнер прививает Джеймса Фиппса от оспы

Но что мы пока поняли про вирусы? Только то, что они меньше бактерий. Чем же вирусы так не похожи на другие организмы? И почему понадобилось вдруг их выделять в отдельное царство? А вот почему. В отличие от других живых организмов, вирусы не имеют клеточного строения, а значит, и всех характерных для клетки структур. А ещё они единственные, кто не умеет самостоятельно производить белок, главный строительный материал всего живого. Поэтому их размножение невозможно вне заражённой клетки. Из-за этого многие учёные не без оснований считают вирусы внутриклеточными паразитами.

Жертвами различных вирусов становятся представители всех без исключения существующих царств живых организмов! Так, есть вирусы растений — вирус табачной мозаики (рис. 3, слева), вирус мозаики костра (это растение изображено на рисунке 3, справа), вирус желтухи свёклы, вызывающий иногда даже эпидемии. Кстати, в растение вирус просто так не проникнет. Заражение происходит при травмах растительных тканей. Типичный пример: тля пьёт сок из стебля и для этого протыкает покровные ткани — а вирус тут как тут.

Рис 3. Слева: листья табака, поражённые вирусом табачной мозаики. Справа: костёр (лат. Brómus) — род многолетних травянистых растений семейства Злаки. Если посмотреть на заросли костра в ветреную погоду, его крупные метёлки, склоняясь под ветром то в одну, то в другую сторону, отсвечивают красноватым светом в солнечных лучах, очень напоминая языки пламени. Отсюда, вероятно, и произошло русское название этого растения

Грибы тоже поражаются вирусами, вызывающими, например, побурение плодовых тел у шампиньонов или изменение окраски у зимнего опёнка. Причиной многих опасных заболеваний животных и человека тоже служат вирусы: вирус гриппа, ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), вирус Эбола, вирус бешенства, герпеса, клещевого энцефалита и т. д.

Есть даже вирусы, поражающие бактерии, их называют бактериофагами 2 . Так, в конце XIX века исследователи из Института Пастера заметили, что вода некоторых рек Индии обладает бактерицидным действием, то есть способствует снижению роста бактерий. И достигалось это благодаря присутствию в речной воде бактериофагов.

Рис. 4. Слева: вирус табачной мозаики. В центре: вирус мозаики костра похож на футбольный мяч (справа)

Рис. 5. Слева направо: вирус герпеса, аденовирус А человека, бактериофаг

Рис. 6. Маленькие вирусы-спутники внутри гигантского мимивируса

Но не стоит думать, что вирусы причиняют исключительно вред другим организмам! Так, исследователи из Пенсильванского университета показали, что безвредный для человека вирус AAV2, встречающийся почти у всех людей, убивает самые разные виды раковых клеток. При этом здоровые клетки организма вирус не заражает.

А совсем недавно стало известно, что вирусы тоже болеют. Мимивирус, поражающий амёбу Acanthamoeba polyphaga, сам страдает от другого вируса-спутника (рис. 6). Он, кстати, так и называется — Спутник. Этот вирус-спутник использует механизмы воспроизводства мимивируса для собственного размножения, мешая ему нормально развиваться в клетке амёбы. По аналогии с бактериофагами, он был назван вирофагом, то есть пожирающим вирусы. Можно сказать, что присутствие вируса-спутника в амёбе обеспечивает ей больше шансов на выживание в борьбе с мимивирусом.

Рис. 1. Обновленная синтрофная гипотеза. a — общая структура сообщества цианобактериального мата, где предположительно началось становление эукариот. b — стадия факультативного симбиоза трех партнеров: гетеротрофной асгардархеи, сульфатредуцирующей дельта-протеобактерии и альфа-протеобактерии, окисляющей сероводород (возможно, она была еще и фотосинтезирующей). c — стабилизация симбиоза за счет горизонтального переноса генов и переход его в эндосимбиоз, когда один из партнеров поселяется внутри другого, в данном случае — архея внутри дельта-протеобактерии. d — симбиоз с альфа-протеобактерией тоже принимает характер эндосимбиоза, одновременно у хозяина (то есть у дельта-протеобактерии) развивается система внутренних мембран. e — дельта-протеобактерия отказывается от восстановления сульфата и переходит к брожению, альфа-протеобактерия отказывается от окисления сульфидов и переходит к кислородному дыханию, а архея вообще навсегда теряет собственный энергетический обмен; кроме того, начинают формироваться ядерные поры. f — исчезновение архейной мембраны и окончательное формирование ядерных пор, приводящее к свойственному эукариотам разобщению процессов транскрипции и трансляции; на этой стадии перед нами полностью сформированная эукариотная клетка. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature Microbiology

Известные испанские (работающие во Франции) микробиологи Пурификасьон Лопес-Гарсия и Давид Морейра предложили новую гипотезу происхождения эукариот, которая называется обновленной синтрофной гипотезой или гипотезой HS-синтрофии. Она учитывает данные, полученные в результате прошлогоднего открытия живого представителя асгардархей. Согласно гипотезе HS-синтрофии, возникновение эукариот было результатом метаболического симбиоза между тремя партнерами: асгардархеей, дельта-протеобактерией и альфа-протеобактерией, при этом на первых стадиях симбиоза имел большое значение обмен серы. В конце концов асгардархея образовала содержимое ядра, дельта-протеобактерия — основу цитоплазмы, а альфа-протеобактерия — митохондрии.

Альтернативы симбиоза

В 1998 году Билл Мартин (William Martin) и Миклош Мюллер (Miklós Müller) опубликовали водородную гипотезу происхождения эукариот (W. Martin, M. Müller, 1998. The hydrogen hypothesis for the first eukaryote). Они предположили, что эукариоты возникли в результате тесной связи между двумя микроорганизмами: альфа-протеобактерией, которая питалась путем брожения, и метаногенной археей. Альфа-протеобактерия выделяла конечные продукты брожения, в том числе углекислоту и водород (см. Гидрогеносомы). А метаногенная архея, которая живет именно за счет восстановления углекислоты с помощью водорода, с радостью эти продукты захватывала. Ключевым фактором при этом был водород, который относительно редко встречается на Земле, но зато легко передается от клетки к клетке, потому что его молекулы очень маленькие. В свою очередь, метаногенная архея делилась с альфа-протеобактерией восстановленными органическими молекулами, которыми бродильщик может питаться. Для метаногенной археи этот союз был очень выгоден, поэтому она со всех сторон окружила альфа-протеобактерию своими выростами, чтобы увеличить поверхность контакта между клетками. В дальнейшем альфа-протеобактерия переключилась с брожения на кислородное дыхание (подобные способности есть у многих членов этого класса) и стала митохондрией. А метаболизм бывшей метаногенной археи перестроился таким образом, чтобы самостоятельно проводить частичное окисление восстановленных органических молекул, захваченных теперь уже из внешней среды, и передавать промежуточные продукты для окончательного окисления в митохондрию, получая взамен АТФ. Таким образом бывшая архея перестала нуждаться в водороде и заодно превратилась из автотрофного организма в гетеротрофный. Она-то, в соответствии с водородной гипотезой, и стала основой эукариотной клетки, образование которой, как видим, без участия предков митохондрий было бы немыслимо.

В том же 1998 году Давид Морейра (David Moreira) и Пурификасьон Лопес-Гарсия (Purificación López-García) опубликовали синтрофную гипотезу происхождения эукариот (D. Moreira, P. Lopez-Garcia, 1998. Symbiosis between methanogenic archaea and δ-proteobacteria as the origin of eukaryotes: the syntrophic hypothesis). Для Морейры и Лопес-Гарсии концепция Мартина и Мюллера была слишком простой. По их мнению, тесную связь с метаногенной археей образовала не альфа-протеобактерия, а дельта-протеобактерия: представители этого класса вступают в такие симбиозы и сейчас, и нет причин считать, что они не делали то же самое в древние времена. Разлагая органические молекулы, дельта-протеобактерия превращала их в углекислоту и водород, которыми щедро делилась с метаногенной археей. Последняя образовала для увеличения поверхности контакта выросты, между которыми многочисленные дельта-протеобактерии стали селиться. Потом эти дельта-протеобактерии слились друг с другом, потеряли генетический аппарат и стали цитоплазмой эукариотной клетки. А бывшая клетка метаногенной археи, которая свой генетический аппарат сохранила, стала ядром. До этого момента все участники симбиоза были анаэробными, то есть не использовали кислород в обмене веществ. Аэробной эукариотная клетка стала, только приобретя еще одного партнера — альфа-протеобактерию, будущую митохондрию.

Как видим, гипотеза Лопес-Гарсии и Морейры предполагает, что партнеров, объединившихся в эукариотную клетку, было не два, а три. Проблема этой гипотезы в том, что она предсказывает решающий вклад дельта-протеобактерий в геном эукариот, которого на самом деле не наблюдается. У эукариот, правда, есть гены дельта-протеобактериального происхождения, но у них есть и гены, заимствованные еще от нескольких групп бактерий: альфа-протеобактерий, гамма-протеобактерий, грамположительных бактерий и других (см. E. V. Koonin, 2010. The origin and early evolution of eukaryotes in the light of phylogenomics). Никак нельзя сказать, что дельта-протеобактерии на этом фоне вне конкуренции. Но в любом случае эти данные свидетельствуют о том, что формирование эукариот происходило в очень плотном многовидовом архейно-бактериальном сообществе, где были все условия не только для симбиоза, но и для обмена генами (рис. 2). В этом Лопес-Гарсия и Морейра, безусловно, правы.

Рис. 2. Водородная и синтрофная гипотезы. Сверху изображено исходное многовидовое сообщество. Ацетат, наряду с углекислотой, является как одним из продуктов брожения, так и одним из исходных реагентов метаногенеза. На схеме синтрофной гипотезы отражена идея авторов, что альфа-протеобактерия сначала была метанотрофной: она питалась метаном, который выделяла метаногенная архея, и превращала его в углекислоту, тем самым замыкая еще один контур симбиотического взаимодействия. На этой стадии все партнеры были анаэробными. Освоение аэробных условий произошло позже, после переключения альфа-протеобактерии на кислородный метаболизм. Все остальные пояснения — в тексте. Иллюстрация из статьи P. López-Garcı́a, D. Moreira, 1999. Metabolic symbiosis at the origin of eukaryotes

Синтрофная парадигма

Водородная и синтрофная гипотезы разрабатывались совершенно независимо (до выхода публикаций их авторы ничего не знали об идеях друг друга), но оказались поразительно похожими. Они сходятся как минимум в четырех пунктах:
1) союз предков эукариот возник не через пожирание одного партнера другим (фагоцитоз), а через мирное сожительство, сопровождавшееся обменом продуктами метаболизма (синтрофия);
2) ключевым метаболитом, на котором этот союз в первую очередь держался, был водород;
3) в ходе развития симбиоза один партнер охватывал другого своими выростами;
4) среди партнеров была метаногенная архея.

После открытия реальных современных архейных родственников эукариот все четыре тезиса подтвердились — но подтвердились неожиданным образом (H. Imachi et al., 2020. Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote interface). Можно предположить, что при виде этих данных авторы и водородной, и синтрофной гипотез пережили крайне противоречивые чувства. С одной стороны, в природе найдено реальное синтрофное сожительство трех партнеров, два из которых — это. метаногенная архея и сульфатредуцирующая дельта-протеобактерия! С другой же стороны, родичи эукариот там представлены вовсе не метаногенной археей (близкое родство этой группы с эукариотами вообще не подтверждается), а третьим партнером — локиархеей. И вот она-то преподнесла нашим авторам сюрпризы. Во-первых, она оказалась не автотрофным метаногеном, а гетеротрофным бродильщиком, питающимся аминокислотами. И во-вторых, она оказалась не акцептором водорода, а его донором (при таком типе метаболизма иначе и быть не может). Как в старом анекдоте: не в покер, а на скачках, и не выиграл, а проиграл, а в остальном все верно.

В такой сложной ситуации бывает очень полезно, условно говоря, перейти на один уровень вверх, чтобы охватить пространство логических возможностей как можно полнее (рис. 3). Материала для этого хватает: в последние два десятилетия наука, мягко говоря, не стояла на месте. В обзоре, вышедшем в Nature в апреле 2020 года, уже знакомые нам Пурификасьон Лопес-Гарсия и Давид Морейра насчитывают минимум семь гипотез происхождения эукариот, основанных на синтрофии или метаболическом симбиозе (это одно и то же).

Рис. 3. Краткая сводка гипотез метаболического симбиоза. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature Microbiology

1. Гипотеза серной синтрофии (D. Searcy, 2003. Metabolic integration during the evolutionary origin of mitochondria). Предполагается, что предки митохондрий окисляли сероводород до молекулярной серы, которую архейный партнер использовал в своем метаболизме и восстанавливал обратно до сероводорода. Эта гипотеза основана в первую очередь на том, что современные свободноживущие родственники митохондрий — пурпурные альфа-протеобактерии — действительно умеют окислять сероводород. Но вот идея, что архейный предок эукариот специализировался на восстановлении серы, имеет гораздо меньше подтверждений. В любом случае эта гипотеза интересна тем, что первой привлекла внимание к обмену серы — элемента, который необыкновенно удобен для всевозможных окислительно-восстановительных реакций и был доступен в изобилии на древней Земле.

2. Классическая водородная гипотеза Мартина и Мюллера, о которой мы уже говорили.

4. Гипотеза обратного потока, предложенная в 2019 году в результате детальных исследований геномов локиархей, и шире — асгардархей (Asgardarchaeota, см. A. Spang et al., 2019. Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism). Здесь впервые была высказана идея, что водород переносился не в ту сторону. Согласно гипотезе обратного потока, архейный предок архей был не автотрофом (как в водородной и синтрофной гипотезах), а гетеротрофом, разлагавшим сложную органику путем брожения. В результате он получал, во-первых, мелкие органические молекулы, а во-вторых, водород, которым мог пользоваться любой желающий — в том числе и предки митохондрий, если они умели использовать его в метаболизме (а это не исключено; см. Hydrogen oxidizing bacteria). Таким образом, архейный предок эукариот был не акцептором, а донором водорода. Это предсказание, основанное на тот момент только на чтении обрывков геномов, получило блестящее подтверждение через четыре месяца, когда были описаны живые локиархеи.

6. Уже известная нам классическая синтрофная гипотеза Лопес-Гарсии и Морейры. Сейчас авторы называют ее HM-синтрофией: H — водород, M — метан.

7. Обновленная версия синтрофной гипотезы, которую Лопес-Гарсия и Морейра предлагают в обсуждаемой статье. Эту версию они называют HS-синтрофией: H — водород, S — сера. Она опубликована впервые, и о ней мы должны поговорить подробнее (см. рис. 1).

HS-гипотеза

Альфа-протеобактерии, — к которым, еще раз напомним, относятся митохондрии, — известны как микроорганизмы с очень широкими метаболическими возможностями. Нет ровным счетом ничего удивительного в предположении, что непосредственный предок митохондрий наряду с дыханием (а может, и вместо него) владел способностью окислять сероводород до молекулярной серы или до сульфатов. Как мы знаем, именно распространенность у современных альфа-протеобактерий такого типа метаболизма послужила основанием для гипотезы серной синтрофии. Но большой популярности она не получила: не было надежных подтверждений, что второй симбионт (архейный) мог бы включиться в этот серный обмен.

Теперь, однако, у нас есть свидетельства вхождения в дело еще одного симбионта — сульфатредуцирующей дельта-протеобактерии. Для серной синтрофии это идеальный вариант. Альфа-протеобактерия окисляет сульфиды до сульфатов, а дельта-протеобактерия питается сульфатами, превращая их вновь в сульфиды. Оба партнера дают друг другу самое нужное.

Однако для того, чтобы превращать сульфаты в сульфиды, дельта-протеобактерии необходим еще и водород. Где она его возьмет? Правильно: у третьего партнера — гетеротрофной археи, у которой водород является побочным продуктом брожения, бесполезным для нее самой, но очень полезным для привлечения симбионтов.

Ядро, по этой гипотезе, сначала представляло собой систему впячиваний мембран дельта-протеобактерии, окружавших архейного симбионта. После появления ядерных пор, служащих для контролируемого транспорта молекул из ядра в цитоплазму и обратно, связь ядра с внешней мембраной исчезла. Мембрана археи тоже исчезла за ненадобностью, как и архейные энергетические системы: все эти функции взял на себя бактериальный компонент. От археи остался голый геном с аппаратом синтеза белка.

Если HS-гипотеза верна, то на первом этапе сообщество предков эукариот вполне могло быть полностью анаэробным. Нельзя исключить, что оно сложилось задолго до Великого кислородного события. Переход к аэробному образу жизни произошел гораздо позже, за счет переключения альфа-протеобактериального партнера с окисления сульфидов на кислородное дыхание. Это — типичная смена функций, аналогичная той, которая той, которая лежит в основе возникновения новых сложных адаптаций, например, у животных. Именно смена функций обеспечивает постепенность эволюции, даже если начальное и конечное звенья эволюционной последовательности выглядят совершенно непохожими друг на друга.

Источники:
1) Purificación López-García, David Moreira. The Syntrophy hypothesis for the origin of eukaryotes revisited // Nature Microbiology. 2020. V. 5. № 5. P. 655–667. DOI: 10.1038/s41564-020-0710-4.
2) Purificación López-García, David Moreira. Cultured Asgard archaea shed light on eukaryogenesis // Cell. 2020. V. 181. № 2. P. 232–235. DOI: 10.1016/j.cell.2020.03.058.

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.

Обзор

У вирусов архей семейства Bicaudaviridae вирионы имеют крайне необычную морфологию: к одному или двум концам заостренного капсида прикрепляются белковые хвосты, длина которых может варьировать.

Автор

Редактор

Вирусы заражают все клеточные формы жизни, и археи — не исключение. Хотя сейчас известно гораздо меньше вирусов архей, чем вирусов бактерий и эукариот, разнообразие устройства их вирионов и используемых молекулярных механизмов поражает воображение: некоторые из них имеют вирионы в форме бутылки, у других генетический материал в вирионе хранится в форме А-ДНК, третьи обзавелись уникальным типом биологических мембран или используют для выхода из зараженной археи ранее неизвестные клеточные структуры. Наша статья посвящена этим пока еще малоизученным, но удивительно самобытным генетическим элементам.

Давно прошли те времена, когда археи считались обитателями исключительно тех мест, где никакая другая клеточная жизнь существовать не может, например, горячих источников. В действительности, архей можно найти везде, даже в желудочно-кишечном тракте человека, однако наиболее многочисленны они на глубоководьях морей и океанов. Так, показано, что археи, окисляющие ионы аммония до нитрата (они относятся к типу Thaumarchaeota) являются одной из самых многочисленных клеточных форм жизни в океанах. Неудивительно, что и вирусы архей также очень многочисленны: метагеномный анализ показал, что в некоторых зонах на долю вирусов архей приходится около 10% самых распространенных там вирусов. Объемы клеток архей, которые погибают из-за вирусов, тоже впечатляют: установлено, что в верхних 50 см океанического донного грунта клетки архей, лизированные вирусами, составляют до трети всей ежегодной биомассы погибших микробов, что соответствует 0,3–0,5 гигатоннам углерода ежегодно [1].

Все известные на данный момент вирусы архей имеют геномы, представленные ДНК: одноцепочечной или двухцепочечной, кольцевой или линейной. Недавно, однако, в горячих источниках Йеллоустонского национального парка, которые населены почти исключительно археей Sulfolobus solfataricus, с помощью метагеномики обнаружили вирусный РНК-геном, отдаленно напоминающий эукариотические РНК-вирусы, поэтому, возможно, существуют и РНК-содержащие вирусы архей.

Пока вирусы архей представлены 17 семействами. Стоит отметить, что вирусы архей, вообще-то, составляют две сильно различающиеся группы. К первой относят вирусы, которые структурно и генетически близки к вирусам бактерий и эукариот, а ко второй — вирусы, уникальные для архей и мало похожие на вирусы других клеточных форм. Практически все специфические для архей вирусы поражают представителей типа Crenarchaeota, а вирусы, близкие к бактериофагам и вирусам эукариот, чаще всего паразитируют на археях типа Euryarchaeota [1].

Строение вирусных частиц

Вирусы, специфичные для архей, нередко имеют вирионы необычной формы (рис. 1а).

Так, представители семейства Ampullaviridae имеют вирионы в виде бутылок из-под шампанского, причем поверх белков капсида они обтянуты липидной оболочкой. А у членов семейства Spiraviridae вирионы в виде спиралей. Столь необычная форма вирионов у вирусов этих двух семейств связана с особым способом упаковки генома при помощи белков капсида [1].

Рисунок 1а. Морфология вирионов вирусов, специфичных для архей. Просвечивающая электронная микроскопия.

Рисунок 1б. Морфология вирионов некоторых вирусов архей и бактерий

Некоторые специфичные для архей вирусы имеют веретеновидные капсиды. Среди них у вирусов семейства Fuselloviridae на одном из заостренных концов капсида находится пучок белковых филаментов, а у членов семейства Bicaudaviridae на одном или двух концах капсида — одиночные придатки в виде хвостов. Не менее удивительна морфология вирионов Guttaviridae: у этих вирусов вирионы тоже похожи на веретено, однако один их конец закруглен и имеет каплевидную форму [1].

У многих специфичных для архей вирусов нитчатые вирионы, которые могут нести специальные придатки, предназначенные для распознавания клеток архей. Иногда, как у вирусов семейства Tristromaviridae, капсид сформирован не одним, а тремя типами белков [1].

Некоторые вирусы, специфичные для архей, имеют сферические вирионы, причем иногда поверх капсида находятся липидная мембрана и еще один слой белков, из-за чего частицы принимают икосаэдрическую форму [1].

Вирионы Pleolipoviridae по строению похожи на везикулы, которые образуют многие археи: голая геномная ДНК находится внутри мембранного пузырька, который пронизан белками двух типов. Такие пузырьки могут содержать как одноцепочечную, так и двухцепочечную ДНК линейной или кольцевой формы [1].

Рисунок 2. Морфология вирионов вирусов архей, родственных бактериофагам и вирусам эукариот. Просвечивающая электронная микроскопия.

Чем можно объяснить столь необычную морфологию вирусов архей? Вирионы некоторых из них удалось не только рассмотреть под электронным микроскопом, но и детально изучить с помощью криоэлектронной микроскопии. Так ученые выяснили, что геномы некоторых вирусов архей в капсидах находятся в А-форме! Это первый известный случай, когда А-форма ДНК присутствует в живых организмах в нормальных условиях. Один из вирусов с геномом в виде А-ДНК, AFV1, имеет очень тонкую липидную оболочку с необычным химическим составом — главным ее компонентом является липид глицеролдибифитанилглицеролтетраэфир (GDGT-0), имеющий необычную U-образную конфигурацию (рис. 3). В мембране, состоящей их таких липидов, их гидрофильные головки обращены наружу, а гидрофобные дуги — внутрь. Наряду с фосфолипидным бислоем и монослоем архей такое строение можно считать третьим из известных типов биологических мембран [1].

Рисунок 3. Химическая структура GDGT-0 (вверху), его схематическое представление (внизу слева; красным цветом показаны гидрофильные головки) и модель (внизу справа) в U-образной конформации подпись

Геномы

Все выделенные на данный момент вирусы архей имеют ДНК-геномы (хотя, как отмечалось выше, в горячих источниках Йеллоустона с помощью метагеномики удалось найти РНК-геном возможного вируса архей). В большинстве случаев геном представлен двухцепочечной молекулой ДНК, и лишь у членов семейств Spiraviridae и Pleolipoviridae геномы состоят из одноцепочечной ДНК. Размеры геномов архейных вирусов варьируют от 5300 пар нуклеотидов (п.н.) у клававируса APBV1 (это один из мельчайших известных геномов ДНК-содержащих вирусов) до 143 800 п.н. у миовируса HGTV-1. Как правило, вирусы, специфичные для архей, имеют меньшие геномы, чем вирусы архей, родственные бактериофагам и вирусам эукариот [2].

Механизмы репликации геномов вирусов архей экспериментально изучены лишь для небольшого числа вирусов. Известно, что ДНК представителей порядка Caudovirales (которые, кстати, имеют самые большие геномы среди архейных вирусов) кодирует часть или даже все компоненты аппарата репликации ДНК: ДНК-полимеразы, белки скользящего зажима (PCNA), праймазы и хеликазы. Имеющие более скромные размеры геномов вирусы архей, как правило, кодируют белки, которые необходимы для привлечения аппарата репликации клетки-хозяина. Стоит, однако, отметить, что в геномах многих вирусов, специфичных для архей, не удалось найти белки, связанные с репликацией ДНК, так что они либо полностью зависимы от аппарата репликации клетки-хозяина, либо используют уникальные, пока еще не изученные механизмы репликации ДНК. Например, удалось показать, что и инициация, и терминация репликации генома липотриксвируса AFV1 связаны с рекомбинационными процессами [1].

Механизмы упаковки генома в капсид у вирусов архей детально не изучены. Тем не менее известно, что члены порядка Caudovirales имеют гомологи терминазы, которая упаковывает геномную ДНК в пустой капсид. Механизм формирования вирионов с использованием терминазы используют также вирусы бактерий и эукариот. Можно предположить, что упаковка генома в капсид у вирусов архей протекает так же, как и у бактериофагов и вирусов эукариот, а вот в плане репликации ДНК вирусы архей или целиком зависят от клетки-хозяина, либо используют уникальные, пока еще не изученные механизмы [1].

Взаимодействие с клеткой-хозяином

Выход зрелых вирионов из клетки архей во многих случаях напоминает отпочковывание от эукариотической клетки-хозяина у вируса гриппа, ВИЧ и вируса Эбола. Когда вирион покидает клетку археи, он забирает с собой фрагмент ее мембраны, который становится дополнительной оболочкой поверх капсида. У некоторых вирусов архей финальные стадии созревания вирионов происходят уже после выхода из клетки, когда капсид претерпевает морфологические перестройки [1].

У некоторых вирусов архей (а именно, представителей семейств Rudiviridae и Turriviridae) все стадии созревания вириона проходят в цитоплазме клетки. Новые вирусные частицы покидают клетку через специальные структуры с семиосевой симметрией на их поверхности, которые получили название вирусассоциированных пирамид (virus-associated pyramids, VAP). VAP образуются на внутренней поверхности мембраны зараженной клетки, проходят сквозь ее поверхностный S-слой и открываются на финальных этапах инфекции, давая возможность вирионам выйти из клетки (рис. 4) [1].

Рисунок 4. Вирусассоциированная пирамида. а и б — Пирамида на поверхности клетки археи Pyrobaculum oguniense в закрытой (а) и открытой (б) конформациях. в и г — Открытая пирамида вируса SIRV2 на поверхности Sulfolobus islandicus. а–в — Визуализация с помощью трансмиссионной электронной микроскопии. г — С помощью электронной криотомографии (CryoET).

Выход некоторых вирусов архей из клетки сопровождается ее лизисом. К их числу относятся вирусы семейства Tristromaviridae, которые, хотя и развиваются целиком в цитоплазме, каким-то образом ухитряются приобрести липидную оболочку. Примечательно, что сифовирус ψM2 кодирует фермент псевдомуреинэндоизопептидазу, который разрушает псевдомуреиновую клеточную стенку археи [1].

Эволюция и родственные связи

Вирусы, специфичные для архей, как правило, заражают только представителей типа Crenarchaeota. Они отличаются от всех других вирусов не только нестандартной морфологией вирионов, но и генетически: около 90% их генов не имеет гомологов в существующих базах данных. В геномах некоторых архейных вирусов не удалось найти ни одного белка, для которого существовал бы функционально охарактеризованный белок-гомолог.

Иногда, если гомологию не удается установить по нуклеотидным или аминокислотным последовательностям, на помощь приходят пространственные структуры. Действительно, для различных белков вирусов архей получили пространственные структуры, но ситуация от этого не стала яснее: оказалось, что во многих из них содержатся совершенно уникальные структурные мотивы. Более того, функции многих генов вирусов архей совершенно непонятны: так, оказалось, что фузелловирус SSV1 может спокойно обойтись без половины своих генов. Можно предположить, что такие неохарактеризованные гены-сироты кодируют белки, участвующие во взаимодействии вируса с клеткой архей, например, противодействующие системам CRISPR-Cas [1].

Впрочем, многие вирусы архей родственны некоторым бактериофагам и вирусам эукариот. Однако вирусы, специфичные для архей, стоят особняком среди всех ДНК-содержащих вирусов. Более того, различные группы вирусов, специфичных для архей, неродственны друг другу и эволюционируют независимо друг от друга. Высказывается предположение, что некоторые группы специфичных для архей вирусов появились на заре эволюции клеточной жизни и были впоследствии утрачены бактериями и эукариотами. Другие группы специфичных архейных вирусов могли появиться в момент обособления домена архей или даже позже, в отдельных группах архей [1].

Любопытно, что некоторые вирусы архей родственны лишенным капсидов мобильным генетическим элементам (например, плазмидам) . Эти вирусы, так же как и мобильные генетические элементы, имеют родственные гены основных белков репликативного аппарата [1], [2].

Несмотря на то, что мы только-только начинаем приподнимать завесу тайны над вирусами архей, многие уже известные особенности их морфологии или генетического аппарата поражают воображение. Несомненно, дальнейшее изучение вирусов архей при помощи метагеномики и других подходов подарит нам множество сюрпризов.

Читайте также: