В чем роль вирусов в эволюции

Обновлено: 02.05.2024

Всегда ли вирусы опасны и как использовать их на благо человечества?

01 Природа вирусов
02 Живые ли вирусы?
03 Что вы знаете о вирусах?

04 Механизмы вирусного заражения
05 Кого заражают вирусы?
06 Вирусы в организме человека

07 Стратегии выживания вирусов
08 Вирусное наследство в геноме человека
09 Почему вирусы так важны для эволюции?
10 Эндогенные вирусы

11 Защитные механизмы организмов
12 Противовирусные препараты
13 Сможете одолеть вирус?

Вирусы пугают: мы их не видим, но они заставляют нас болеть. Мы воспринимаем вирусы как угрозу, однако они сыграли ключевую роль в эволюции живого на Земле, и многие функции организма мы получили именно благодаря вирусным генам в нашей ДНК. Современные вирусы тренируют нашу иммунную систему, а ученые используют их для лечения болезней и создания энергоэффективных материалов. В этом гиде мы разберемся, как устроены и какими бывают вирусы. Сколько вирусов живет в организме человека? Как иммунная система защищается от вирусной угрозы? Какие вирусы на самом деле вредны, а какие полезны? И какие существуют вирусные технологии? Гид будет дополняться, так что сохраняйте его в личном кабинете, чтобы не потерять!

доктор биологических наук, заведующий отделом межклеточного взаимодействия Национальных институтов здоровья США, профессор факультета Биоинженерии и биоинформатики МГУ им. Ломоносова

Что такое вирусы

Как открыли вирусы и чем они отличаются от других патогенов

Почувствуйте себя вирусологом

Следите за прогрессом

Вирус и хозяин

Вирусолог Леонид Марголис о том, какие бывают вирусы, как они заражают и от чего зависит их патогенность

Какие организмы подвержены вирусным заболеваниям

Вирусолог Леонид Марголис о сосуществовании с вирусами и о том, можно ли родиться с вирусом и жить с ним всю жизнь

Симбиоз человека и вируса

Вирусолог Леонид Марголис о вирусных мутациях, приспособляемости и симбиозе с человеком

Вирусолог Леонид Марголис о том, как вирусы попадают в геном человека

Как вирусы оказались одним из важнейших факторов эволюции живого

О полезных и вредных генах вирусов в нашем геноме, о том, как вирусы встраиваются в ДНК и как вирусные последовательности связаны с шизофренией и другими болезнями

Противостояние вирусам

Как вирусы проникают в организм, можем ли мы от них защититься и чем нам помогает высокая температура

Какие болезни не лечатся лекарствами и правы ли антипрививочники

Проверьте, сможете ли вы одолеть вирус.

О гиде
- 01 Природа вирусов
- 02 Живые ли вирусы?
- 03 Что вы знаете о вирусах?
- 04 Механизмы вирусного заражения
- 05 Кого заражают вирусы?
- 06 Вирусы в организме человека
- 07 Стратегии выживания вирусов
- 08 Вирусное наследство в геноме человека
- 09 Почему вирусы так важны для эволюции?
- 10 Эндогенные вирусы
- 11 Защитные механизмы организмов
- 12 Противовирусные препараты
- 13 Сможете одолеть вирус?
Другие гиды и курсы ПостНауки

Психология познавательных процессов

15 лекций психолога Марии Фаликман о процессе мышления, феноменах восприятия, памяти, внимания и воображения

Фонология

Как отдельные звуки превращаются в речь

Европейская традиция частного права

12 лекций юриста Дмитрия Дождева о римских истоках современного права

Ядерное топливо будущего

Как меняется ядерная энергетика в XXI веке и какие технологии помогают ее развивать

Биологическая эволюция — это естественный процесс развития живой природы, который сопровождается изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.

Этот процесс касается всех изменений в биосфере за время существования планеты Земля. Согласно современной синтетической теории эволюции все эволюционные изменения происходят под действием ряда факторов. К ним относят:
наследственная изменчивость;
борьбу за существование;
естественный отбор;
адаптацию;
популяционные волны;
изоляцию;
мутации;
дрейф генов.

Основателями биосферы являются – бактерии и археи, вирусы. По крайней мере, так обозначено в составленном биологами древе жизни. При этом древнейшими считаются бактерии и археи. Так как нет окончательного мнения насчет того, считать ли вирусы живыми, то роль вирусов в формировании и эволюции биосферы фактически не учитывается (игнорируется).

На сегодня описаны более 6 тысяч видов вирусов, хотя предполагают, что их существует более ста миллионов. Вирусы обнаружены почти в каждой экосистеме на Земле, они являются самой многочисленной биологической формой. Вирусы поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей (вирусы бактерий обычно называют бактериофагами). Геномы большинства видов позвоночных содержат от сотен до тысяч последовательностей полученных от древних ретровирусов.

Если вирусами (ретровирусами) были заражены первичные бактерии и археи, то роль вирусов в эволюции живого фактически выходит на первый план, так как вирусы становятся таким же естественным фактором генетической изменчивости организмов (включая мутации), как физические (радиация различного вида) и химические (геохимические) факторы.

Следует сразу отметить, что микроорганизмы в силу своих размеров наиболее быстро реагируют на изменения в окружающей среде (изменение физических и геохимических параметров). Множество вирусов, в частности РНК-вирусы, имеют маленький период размножения и повышенную частоту мутаций (одна точечная мутация или более на геном за один раунд репликации РНК вируса). Такая повышенная частота мутаций, в случае комбинации с естественным отбором, позволяет вирусам быстро адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Это приводит к тому, что вирусы демонстрируют огромное количество вариантов организации генома: в этом смысле они более разнообразны, чем растения, животные, археи и бактерии.

Сейчас генетики считают, что большая часть генетического аппарата содержит информацию об изменения окружающей среды.

Как выше было сказано, на сегодня описаны более 6 тысяч видов вирусов, которые относят к патогенным или паразитарным. Совершенно очевидно, что вирусы (так называемые – патогенные) играют видную роль в естественном отборе вместе с иными патогенными микроорганизмами. Патогенные микроорганизмы убирают из биосферы неустойчивые в данных конкретных условиях окружающей среды живые организмы (т.е. организмы с пониженным иммунитетом, в том числе стареющие). Организмы с хорошим иммунитетом не только выживают, но и изменяют сами вирусы. То есть идет взаимное совершенствование.

Одна из важнейших функций микроорганизмов - это связь биосферы и геосферы в обмене веществ: микроорганизмы поставляют из геосферы в биосферу питательные элементы развивающимся многоклеточным организма, а из биосферы в геосферу различные компоненты путем разложения отживших организмов. Это важнейшая функция – осуществление кругооборота веществ в условиях ограниченности веществ параметрами Земли.

Вирусы, наряду с бактериями, участвуют в горизонтальном обмене генов организмов.

Сегодня микробиологи используют вирусы для создания генномодифицированных организмов, тем самым признавая фактически вирусы в качестве эволюционного фактора.

Таким образом, вирусы можно считать одним из важнейших первичных эволюционных факторов, которые однозначно влияют на генетическую изменчивость, адаптацию и естественный отбор.

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:
1. Деградация РНК (вирусных и клеточных) — РНК-интерференция;
2. Угнетение синтеза белков (вирусных и клеточных);
3. Ликвидация зараженных клеток — апоптоз (программируемая клеточная смерть);
4. 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:
1. Угнетение синтеза клеточной РНК;
2. Угнетение синтеза клеточных белков;
3. Нарушение клеточной инфраструктуры и транспорта;
4. 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:
1. Гены, присутствующие у узких групп вирусов (обычно это гены, гомологичные генам хозяев этих вирусов).
2. 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:
1. Ферменты теломеразы, служащие для восстановления концевых участков хромосом, возможно, ведут свое происхождение от обратных транскриптаз, кодируемых ретровирусами и ретротранспозонами [22];
2. Белки RAG, играющие ключевую роль в системе адаптивного иммунитета, по-видимому, происходят от прирученных транспозаз — ферментов, кодируемых транспозонами;
3. 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

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.

Представлены современные сведения о происхождении и таксономии вирусов. Рассмотрены генетическое разнообразие и распространение вирусов в биосфере и их роль в эволюции всего живого на Земле.

Вирусы – наиболее многочисленные и генетически разнообразные организмы на Земле. Они распространены повсеместно (убиквитарны ) и поражают все живые существа. Вирусы являются неклеточными формами жизни, способными размножаться в клетках прокариот (безъядерные организмы) и эукариот (ядерные организмы), используя их биосинтетический аппарат. Вирион (вирусная частица) – это покоящаяся стадия жизненного цикла вируса. Основная активная стадия жизни вируса проходит в зараженной клетке. Вне клетки вирусы не проявляют признаки живого – мертвые как камень [7, 11].

Первый вирус – вирус табачной мозаики был открыт Д.И. Ивановским 128 лет назад (1892 г.). В 1897 г. немецкие исследователи Ф. Леффер и П. Фрош открыли первый вирус животных – вирус ящура. В последующие 50 лет обнаружили более 40 видов вирусов, поражающих человека, животных, насекомых, растения и бактерии. Во второй половине ХХ века было открыто свыше 2000 видов вирусов [9, 11].

Таксономия вирусов

Все вирусы по своим фундаментальным признакам группируются независимо от круга естественных хозяев. Главными из них являются тип и структура нуклеиновой кислоты, стратегия вирусного генома (способ репликации), симметрия нуклеокапсида (спиральная , кубическая, смешанная), наличие или отсутствие липопротеиновой оболочки. В таксономии вирусов используют пять таксонов: порядок, семейство, подсемейство, род и вид [11, 12].

В настоящее время известно более 8000 видов вирусов позвоночных, беспозвоночных, простейших, растений, грибов, водорослей, бактерий и архей, из которых 4853 классифицированы и распределены в 9 порядках, 131 семействе, 46 подсемействах, 803 родах и свыше 3000 не классифицированы [15]. Возможно, на нашей планете существуют миллионы видов вирусов.

Для открытия новых вирусов широко используется метагеномный подход, который основан на секвенировании всей ДНК и РНК, содержащейся в пробе, и обработке данных биоинформационными методами. Нет необходимости в изоляции и культивировании возбудителя. Анализ метагеномных данных проводится путем поиска гомологичных последовательностей среди геномов известных вирусов, депонированных в базе геномных данных. Число известных вирусов, вероятно, составляет менее 1% от вирома (всех вирусов) [1, 13].

Подавляющее большинство вирусов находится в Мировом океане и размножается в планктоне – совокупности организмов, населяющих морскую воду. В одном литре морской воды содержится до 10 миллиардов вирусных частиц, а общее их количество в Мировом океане составляет астрономическое число – 10 30 , масса которых оценивается в 8 х 10 12 кг (в 10 раз больше массы всего человечества). Число вирусных частиц на Земле – 10 33 , а число бактерий – 10 31 [4, 9].

Вирусы размножаются внутри клеток дизъюнктивным способом, т.е. разобщенным во времени и пространстве синтезом их структурных компонентов (нуклеиновых кислот и белков), из которых формируются вирионы потомства. Синтез вирусных белков осуществляется на клеточных рибосомах из аминокислот клетки, а нуклеиновых кислот – из клеточных нуклеотидов. Источником энергии для биосинтетических процессов является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ ), вырабатываемая в митохондриях клеток [3, 12].

Происхождение вирусов

Первая гипотеза мало убедительна из-за отсутствия кандидата на роль протовируса и большое разнообразие геномов у вирусов. Вторая самая популярная и наиболее аргументированная. Вирусы, вероятно, возникли раньше клеток. Третья гипотеза достаточно убедительна в отношении ДНК-содержащих вирусов.

Разнообразие генетического материала у вирусов свидетельствует об их полифилетическом (от нескольких предков) происхождении. Полагают, что оно было не единовременным событием, а многократным. Вероятно, РНК-содержащие вирусы произошли из самореплицирующихся молекул РНК (мира РНК) в доклеточный период. Более 4 млрд лет назад молекулы РНК выступали в качестве носителей информации и катализаторов химических реакций. Возможно, вирусы эукариот произошли из генов эукариот, в то время как бактериофаги – из генов бактерий. РНК-содержащие плюс-геномные вирусы могли произойти из клеточных информационных РНК, которые приобрели РНК-полимеразную активность, а ДНК-содержащие вирусы – из транспозонов (мобильных генетических элементов) эукариот, или бактериальных плазмид.

У недавно открытого вируса амеб (мимивируса ) имеются клеточные гены для компонентов трансляционного комплекса и факторов инициации транскрипции. Диаметр вирионов составляет 750 нм, что превышает размеры некоторых бактерий. Геном мимивируса состоит из линейной двунитевой молекулы ДНК длиной 1,2 млн пар нуклеотидов и кодирует около 1000 белков. У двух гигантских вирусов (пандоравирусов ), открытых в 2013 г., длина генома составляет 1,9 и 2,5 млн пар нуклеотидов. Больший геном кодирует 2500 белков. Эти вирусы видимы под световым микроскопом [9, 17]. Открытие гигантских вирусов размыло границы между вирусами и бактериальными клетками в отношении их размера и длины геномной ДНК.

Биосфера

Биосфера – оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Она начала формироваться 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые живые организмы. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (20 -25 км), верхнюю часть литосферы (2 -5 км) и всю гидросферу. Современная биосфера возникла в результате длительной эволюции. В биосфере обитает 8,7 млн видов живых организмов (эукариот ). Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4 х 10 18 г (в пересчете на сухое вещество). Биомасса подземных микробов сравнима со всей биомассой суши, включая деревья. Целостное учение о биосфере создал биогеохимик В.И. Вернадский. Он впервые отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля [2].

На основании нуклеотидной последовательности рибосомных РНК многих тысяч видов все живые организмы в биосфере подразделяют на три домена (надцарства ): археи, бактерии и эукариоты [19]. Археи и бактерии относятся к прокариотам – организмам без ядра, митохондрий и других внутриклеточных структур. Их геном находится в цитоплазме и представлен кольцевой молекулой ДНК. У прокариот нет полового размножения, в их жизненном цикле отсутствует фаза образования половых клеток и их слияния с образованием зиготы – диплоидной клетки с двумя копиями генома. Археи сильно отличаются от бактерий на молекулярном уровне (нуклеотидной последовательности геномов, строению клеточной мембраны и рибосом), не образуют спор, часто встречаются в гидротермальных источниках и среди них нет возбудителей инфекционных заболеваний [8, 10].

Эукариоты – организмы, в клетках которых есть ядро, митохондрии и множество других сложных внутренних структур. К эукариотам относятся разнообразные одноклеточные организмы (амебы , инфузории, радиолярии и др.) и многоклеточные – грибы, растения и животные. Все они имеют общее происхождение. В жизненном цикле эукариот есть половое размножение. Половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) образуются путем мейоза – особого способа деления клеток, в результате которого из одной исходной диплоидной клетки (с двумя наборами хромосом) образуются четыре дочерние гаплоидные клетки (с одним набором хромосом). Слияние двух половых клеток (яйцеклетки и сперматозоида) называют оплодотворением и образующаяся зигота размножается путем митоза, при котором в родительской и дочерней клетках сохраняется диплоидный набор хромосом [7, 8].

Большая часть видов (90 %), обитавших на Земле, вымерла. Вероятно, вымирание – судьба любого вида. Современные темпы вымирания весьма высокие и к середине XXI века может исчезнуть до 30% видов. Деятельность человека является главной причиной нынешнего вымирания видов.

Структура геномов живых организмов

Геном любого организма (от бактерий до млекопитающих) представляет собой двунитевую ДНК, состоящую из четырех нуклеотидов: аденина, гуанина, тимина и цитозина. В свою очередь нуклеотиды состоят из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфата. Основания в двунитевой ДНК образуют комплементарные пары: аденин всегда находится в паре с тимином, а гуанин всегда связан с цитозином. У вирусов геном может быть представлен или ДНК (ДНК -содержащие вирусы) или РНК (РНК -содержащие вирусы). В клеточных РНК (информационных , рибосомных, транспортных) и вирусных РНК вместо тимина используется урацил.

Генетический код (система записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов) универсален для всех живых существ, то есть он един. Он состоит из 64 кодонов (триплетов нуклеотидов): 61 из них кодирует 20 аминокислот и 3 являются терминирующими. Большинство аминокислот кодируются не одним, а несколькими вариантами (от 2 до 6) кодонов (вырожденность генетического кода). Считывание генетической информации происходит в результате транскрипции – синтеза информационной РНК на матрице ДНК на основе комплементарности – и трансляции – синтеза на рибосомах белка, в котором порядок аминокислот соответствует порядку кодирующих триплетов информационной РНК [5].

Основные этапы эволюции жизни на Земле

Первые одноклеточные безъядерные организмы (прокариоты – археи и бактерии) возникли 3,5 млрд лет назад. Они приспособились к разным условиям обитания. Бактерии расселились по поверхности суши и океанов и совершенствовали механизмы использования энергии света, а археи осваивали подземные местообитания и питались неорганическими веществами, выходящими из глубин Земли. Археи похожи на бактерии, но отличаются от них по нуклеотидной последовательности генов, строению рибосом, клеточной стенки и мембраны. Эволюционные линии архей и бактерий разделились на заре клеточной жизни. Первые ископаемые, очень похожие на цианобактерии, были обнаружены в осадочных породах, возраст которых составлял 3,4 млрд лет. Кислородные фотосинтезирующие бактерии (цианобактерии , сине-зеленые водоросли) появились 2,5-2,7 млрд лет назад. С появлением кислорода стало возможным возникновение эукариот – ядерных организмов.

Первые ядерные одноклеточные организмы возникли 2,0-2,4 млрд лет назад. Они произошли путем слияния архейного предка и альфа-протеобактерии. Последняя дала начало митохондриям, обеспечивающим организм энергией. Эукариоты способны к фагоцитозу – поглощению твердых частиц из внешней среды внутрь клетки. Приобретение фагоцитоза – ключевое событие в эволюции эукариот. Археи и бактерии не способны к фагоцитозу и поглощают из внешней среды только растворенные вещества. Появление эукариотической клетки было таким же крупным эволюционным событием, как переход от РНК-мира к первым клеткам (прокариотам ). В дальнейшем из эукариотической клетки развились все высшие формы жизни – животные, растения, грибы и протисты (одноклеточные эукариоты). В последующем роль симбиоза в развитии жизни не снижалась. Важные функциональные блоки современной биосферы держатся на симбиозе или симбиотических комплексах: симбиотические бактерии и одноклеточные эукариоты переваривают клетчатку у растительноядных животных, азотофиксирующие бактерии в кооперации с растениями способны переводить азот из атмосферы в доступную для растений форму (аммоний ). Самые первые наземные растения жили в симбиозе с грибами [8].

Первые млекопитающие появились 250 млн лет назад почти одновременно с первыми динозаврами, однако господство на суше они получили после вымирания древних (мезозойских ) рептилий 65 млн лет назад. Млекопитающие пережили собственный эволюционный взрыв и стали наиболее распространенными на Земле. Сейчас насчитывают 5506 видов млекопитающих [7, 8, 10].

Факторы эволюции

Важнейшими факторами эволюции являются изменения в последовательности нуклеотидов в геномах любых организмов и естественный отбор. Элементарной единицей эволюции служит популяция организмов. Изменения в последовательности нуклеотидов возникают в результате мутаций, рекомбинаций, горизонтального переноса и дупликации генов [5]. Спонтанные мутации обусловлены случайными изменениями в последовательности нуклеотидов и возникают из-за ошибок ферментов во время репликации ДНК. Возможны замены, выпадения (делеции ), вставки (инсерции ) и перестановки пар нуклеотидов в молекулах ДНК. Скорость мутирования определяют по числу мутаций на нуклеотид за репликацию.

Рекомбинация – обмен участками гомологичных хромосом в процессе мейоза – специального деления клеток с образованием половых клеток с гаплоидным набором хромосом. В основе гомологичной рекомбинации молекул ДНК лежит точное соответствие гомологов и функционирование ряда ферментов, которые разрезают, воссоединяют и восстанавливают молекулы ДНК. В результате рекомбинации происходит перераспределение генов и образование новых интегрированных генотипов, которые играют важную роль в эволюции.

Горизонтальный (латеральный ) перенос генов (ГПГ ) представляет собой передачу генетического материала от одних одновременно существующих организмов другим. Он широко распространен у прокариот (архей и бактерий) и осуществляется путем трансдукции, трансформации и конъюгации. Трансдукция связана с переносом генов бактериольного генома из одной клетки в другую с помощью вирусов (фагов ). Трансформация осуществляется путем поглощения бактерией фрагмента ДНК из окружающей среды и встраивания его в свой геном. При конъюгации бактерия-донор передает бактерии-реципиенту часть своего генома при помощи специальных белковых трубочек – конъюгационных пилей. ГПГ возможен между организмами всех трех доменов – архей, бактерий и эукариот. Очень редко в ГПГ вовлекаются гены, ответственные за репликацию, транскрипцию и трансляцию.

Дупликация генов – один из главных путей эволюции для всех форм жизни и играет важную роль в эволюции эукариот. После дупликации одна из двух копий может мутировать и выполнять другую функцию.

Все изменения в последовательности нуклеотидов от простых точечных мутаций до различных перестроек генов являются исходным материалом для эволюции [5, 8].

Роль вирусов в биосфере

Вирусы – это самый успешный биологический вид и самая крупная популяция на Земле. Нет ни одного живого существа без вирусов. Подавляющее большинство уникальной генетической информации в биосфере является вирусной. Они создали хранилище генетического разнообразия планеты. В вирусных геномах больше генетической информации, чем в геномах всех живых организмов вместе взятых [6, 7, 9].

Представление о вирусах, как только о возбудителях болезней, далеко от действительности. Абсолютное большинство вирусов не приносит видимого вреда хозяевам (вирусы -симбионты). С их помощью происходит обмен генетической информацией между различными биологическими видами. Они выступают в качестве основного переносчика генов в биосфере. На развитие каждого биологического вида в течение эволюции вирусы оказывали решающее влияние. Они являются драйверами (двигателями ) эволюции [3, 6, 16, 18].

Заключение. Вирусы составляют значительную и очень разнообразную часть биосферы. Общее количество вирусных частиц на планете оценивается в 10 33 – это миллионы различных видов вирусов. Они являются резервуаром генетического разнообразия и драйверами эволюции всего живого на Земле.

Читайте также: