Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Кунин Евгений Викторович

Глава 10. Мир вирусов и его эволюция

 

 

Вирусы были открыты как нечто совсем непримечательное, а именно необычная разновидность инфекционных агентов, а возможно, и особый род токсинов, вызывающих болезни растений, например табачную мозаику. Так как эти агенты проходили сквозь тонкие фильтры, задерживающие бактерии, было сделано верное предположение, что они отличаются от (типичных) бактерий. Вскоре после этого были открыты первые вирусы, поражающие животных. В их числе – вирус саркомы Рауса, первый известный вирус с канцерогенными свойствами, были открыты и удивительные патогены, которые, казалось, пожирали бактерии – их назвали бактериофагами, а в итоге они оказались бактериальными вирусами. В дальнейшем, в течение ХХ столетия, вирусологию ожидало блистательное развитие (Fields et al., 2001) – по двум причинам. Во-первых, вирусы важны для медицины и сельского хозяйства. Во-вторых, вирусы – простейшие генетические системы и потому стали излюбленными моделями, сначала для ранней молекулярной генетики (прежде всего благодаря работам знаменитой «фаговой группы» под руководством Макса Дельбрюка (Cairns, 1966), а затем для геномики. Однако к 1970-м годам генетика, а к концу 1990-х и геномика достаточно окрепли, чтобы продуктивно работать и с клеточными моделями. В результате вирусология потеряла ведущую роль в фундаментальной биологии (появляясь, впрочем, в эпизодах).

Первая декада нового тысячелетия была отмечена настоящим возрождением вирусологических исследований, вызванным двумя группами открытий. Первым было обнаружение гигантских вирусов, таких как мимивирус. Их вирусные частицы и геномы достигают размеров клеток, размывая казавшуюся очевидной границу между вирусами и клетками (Raoult et al., 2004; Van Etten et al., 2010). Вторая, еще более замечательная серия открытий, была сделана в рамках метагеномики: к великому удивлению биологов, оказалось, что вирусы – наиболее распространенные биологические объекты на Земле (Edwards and Rohwer, 2005). Эти достижения стимулировали намного более широкий интерес к эволюции вирусов. Я рассматриваю эти результаты как открытие обширного древнего мира вирусов, который является неотъемлемой и основополагающей частью живого с момента его зарождения на Земле. Все это время мир вирусов интенсивно взаимодействовал с клеточными формами жизни, выработавшими колоссальное многообразие систем противовирусной защиты, но сохранил свою обособленность и, во многих отношениях, остается ключом ко всей истории жизни. В этой главе мы обсудим вирусный мир, его развитие, а также гонку вооружений между вирусами и клетками, которая пронизывает всю эволюцию. С точки зрения автора, вирусы представляют собой одну из «империй жизни», другая же, разумеется, представлена клеточными организмами. В главе 11 обсуждается вклад вирусов в возникновение и эволюцию клеток.

 

Необыкновенное разнообразие и повсеместное распространение вирусов

 

Что такое вирус?

Определения в биологии даются трудно и никогда не являются достаточно полными. Тем не менее, прежде чем рассматривать в этой главе различные аспекты эволюции вирусов, их надо как-то определить. Действительно, нетрудно дать грубое общее определение. За последнее столетие знания о вирусах развились от туманных предположений их первооткрывателей, Дмитрия Ивановского и Мартина Бейеринка, до тончайших молекулярных деталей. Здесь мы определим вирусы следующим, очень общим образом: «облигатные внутриклеточные паразиты или симбионты, обладающие собственными геномами, кодирующими информацию, необходимую для вирусной репродукции (отсюда некоторая степень автономии от генетических систем хозяина), но не кодирующими всю систему трансляции и мембранного аппарата». Это определение подойдет ко всякому «по-настоящему» эгоистичному генетическому элементу. Ключевая фраза тут «кодирующие информацию, необходимую для вирусной репродукции, а следовательно, обладающие некоторой степенью автономии от генетических систем хозяина». Таким образом, обычные гены и опероны под это определение не подойдут, даже если обладают некоторыми эгоистическими чертами, потому что не кодируют никаких специальных приспособлений для самовоспроизведения. Таким образом, это определение охватывает все обширное множество биологических объектов, кодирующих «нечто», необходимое для самовоспроизведения, но не систему трансляции и мембраны.

Я специально не указываю, что это «приспособление для самовоспроизведения» обязано быть белком, так что определенно подойдут и вироиды (растительные патогены с геномами размером всего около трехсот нуклеотидов, использующие для репликации транскрипционный аппарат хозяина). Также я не указываю, что вирусный геном обязательно должен кодировать капсид (то есть белковую оболочку вириона). Это могло бы показаться несколько контринтуитивным, поскольку исторически вирусы были известны в основном как частицы (вирионы), начиная с первой удачной кристаллизации вируса табачной мозаики Уэнделлом Стенли в 1934 году. Капсид настолько приковывает внимание, что Патрик Фортер и Дидье Рауль недавно определили вирусы как «капсид-кодирующие организмы», в противоположность клеточным формам жизни, определенным как «рибосомокодирущие организмы» (Raoult and Forterre, 2008). Это определение указывает правильное направление, если требуется разграничить клетки и вирусы как две основные формы жизни, но оно безосновательно узко и не очерчивает границы мира вирусов объективно.

Конечно, наличие капсида – очень важная и часто встречающаяся черта. Однако в этой главе мы рассмотрим четкие эволюционные взаимосвязи, сопровождаемые сходством геномной архитектуры и циклов репликации, существующие между традиционными, капсид-кодирующими вирусами и «голыми» эгоистичными элементами, такими как плазмиды и разнообразные мобильные элементы. В рамках данного определения (хотя, как и все определения, оно имеет границы применимости) все эти агенты принадлежат обширному миру вирусов.

Время от времени вспыхивают дискуссии на занимательную тему – являются ли вирусы «живыми». Последняя версия этого спора привлекла существенное внимание (Moreira and Lopez-Garcia, 2009). Сам по себе этот вопрос носит исключительно семантический характер и, следовательно, не является значимым. Приведенное здесь определение ясно отводит вирусам место во владениях биологии; как будет изложено далее в этой главе, сравнительная геномика выявила множественные связи между геномами вирусов и клеточных форм жизни. Неудачным последствием отрицания статуса «живых» за вирусами будет то, что тогда вирусы не будут иметь очевидного отношения к эволюции клеточных форм жизни. В этой и следующей главах мы увидим, что это противоречило бы действительности.

 

Разнообразие стратегий репликации-экспрессии среди вирусов

Все клеточные формы жизни обладают геномами, представленными дцДНК, которая транскрибируется в мРНК (транслирующиеся во многочисленные белки), а также в разнообразные некодирующие РНК. Единообразие генетического цикла клеточных форм жизни находится в разительном контрасте с вариабельностью циклов репликации-экспрессии у вирусов, некоторые из которых обладают РНК-геномами разной полярности, в то время как другие обладают геномами в виде оцДНК (Baltimore, 1971; см. рис. 10-1). Некоторые вирусы и вирусоподобные элементы освоили переход от РНК к ДНК, сочетая действие кодируемой вирусом обратной транскриптазы (ОТ) и ДНК-зависимой РНК-полимеразы хозяина. Вирусы с плюс-цепью РНК отличаются использованием простейшего вообразимого генетического цикла, в то время как обратно транскрибирующиеся элементы связывают мир РНК и мир ДНК. Такая пластичность циклов вирусной репликации может иметь важные эволюционные следствия, о чем будет рассказано в следующей главе.

Когда разнообразие вирусных стратегий репликации-экспрессии стало очевидным, возникло искушение «сыграть в Менделеева» и создать исчерпывающую таблицу возможных циклов репликации-экспрессии, заполнить ее наблюдаемыми разновидностями, а затем попытаться предсказать, какие клетки таблицы заполнятся благодаря будущим открытиям, а какие окажутся «запрещенными» по каким-либо фундаментальным причинам. Насколько мне известно, первую такую попытку предпринял мой учитель вирусологии, Вадим Израилевич Агол (Agol, 1974, первоначальная публикация вышла в мало кому теперь известном русском научном журнале, в котором я ее и прочел). Именно эта статья, благодаря ее захватывающей ясности и ценнейшей попытке (по крайней мере, такой воспринимал ее я в то время, между первым и вторым курсом университета) воспользоваться глубокими, пусть даже и простыми, соображениями симметрии в биологии, прежде всего и побудила меня изучать вирусы. Я никогда не сожалел об этом решении; спустя годы я выработал собственную версию классификации стратегий геномов (Koonin, 1991). Помимо незыблемой центральной догмы, кажется, есть один фундаментальный запрет: одноцепочечная ДНК никогда не транслируется, поэтому РНК всегда вовлечена в цикл самовоспроизводства любого генетического элемента. В отличие от случая с белками в рамках центральной догмы, здесь, по-видимому, нет прямого химического обоснования для такого запрета (и на самом деле, экспериментально трансляция оцДНК была продемонстрирована Hulen and Legault-Demare, 1975; McCarthy and Holland, 1965). Однако единственная известная нам система трансляции, очевидно, эволюционировала в направлении синтеза белков лишь на матрице РНК (подробнее см. гл. 12). Помимо этого исключения, все возможные на базе молекул РНК и ДНК циклы репликации-экспрессии, по-видимому, реализованы в мире вирусов, хотя некоторые экзотические формы генома, такие как гибрид РНК-ДНК, встречаются редко (см. рис. 10-1).

Рис. 10-1. Разнообразие стратегий репликации-экспрессии у вирусов и вирусоподобных элементов. Для каждого класса вирусов и схожих элементов указаны приблизительные размеры генома (Кб, в тысячах оснований). «+» обозначает плюс-цепь (однонаправленную с мРНК), «—» обозначает минус-цепь. Tr– транскрипция, T – трансляция, R – репликация, E – капсидирование вируса, A – археи, B – бактерии, F – грибы, Mz – животные, P – растения, UE – одноклеточные эукариоты. Для каждого класса вирусов (элементов) показаны типичные структуры их белков-маркеров, а также ультрамикроскопические изображения характерных представителей. RdRp – РНК-зависимая РНК-полимераза; JRC – белок капсида с укладкой типа рулета; RT – обратная транскриптаза; RCR – (инициирующая) эндонуклеаза репликации способом катящегося кольца. Справа показан диапазон возможных хозяев. Размер соответствующего изображения и сокращения приблизительно соответствует представленности данного класса вирусов в этом таксоне (по Koonin et al., 2006, с изменениями).

 

Диапазон сложности геномов, их функционального содержания и разнообразие геномной архитектуры вирусов

Диапазон размера геномов вирусов с различными геномными стратегиями весьма велик: размеры геномов самого крупного известного вируса – мимивируса – и самых мелких вирусов (таких как цирковирусы) отличаются на три порядка. Если мы включим сюда вироиды, которые не кодируют белки, но являются полноценными эгоистичными генетическими элементами и даже патогенами, размах колебаний расширяется до четырех порядков (см. рис. 10-1). Если иметь в виду, что в геномах вирусов обычно белок-кодирующие гены расположены вплотную, то колебания количества генов укладываются приблизительно в тот же диапазон. Размер генома сильно зависит от природы генома и цикла репликации-экспрессии. Видимо, лишь у вирусов, содержащих дцДНК, геном может достичь больших (по вирусным меркам) размеров, более 35 Кб, и (на данный момент) вплоть до 1,1 Мб (Van Etten et al., 2010). Все классы РНК-вирусов, все элементы, способные к обратной транскрипции, и все вирусы, содержащие оцДНК, обладают небольшими геномами, никогда не превышающими 35 Кб, – и то к этому пределу приближается лишь одна группа довольно редких РНК-вирусов животных (коронавирусы и родственные им формы, составляющие порядок Nidovirales (Gorbalenya et al., 2006). Причина этого очевидна: бульшая химическая стабильность и регулярная структура дцДНК благоприятна для функций хранения информации и репликации, а далее эволюция систем репарации дцДНК еще больше усилила функциональное разделение между дцДНК и другими формами нуклеиновых кислот. В дополнение к разнообразию стратегий репликации-экспрессии и широкому диапазону размеров, вирусные геномы принимают все возможные молекулярные конфигурации, включая как линейные, так и циркулярные молекулы ДНК или РНК и как единичные, так и разделенные на множественные сегменты геномы (хромосомы, см. рис. 10-1).

Функциональный набор вирусных генов разительно различается в зависимости от цикла экспрессии и, что еще важнее, от размера генома и генетической сложности. Малые вирусные геномы кодируют практически исключительно белки, непосредственно участвующие в репликации генома, а также субъединицы вириона. Часто – и для всех известных РНК-вирусов и элементов, способных к обратной транскрипции, это именно так, – вирус кодирует полимеразу, участвующую в репликации его собственного генома. Это легко объяснить: клеточные хозяева вируса обычно не кодируют РНК-зависимой РНК-полимеразы или обратной транскриптазы, которая могла бы осуществить репликацию или обратную транскрипцию длинных молекул РНК. РНК-зависимые РНК-полимеразы и обратные транскриптазы, которые кодируются в геномах клеточных форм жизни и осуществляют «обычные» клеточные функции, такие как теломераза и РНК-зависимая РНК-полимераза, участвующая в РНК-интерференции эукариот, способны синтезировать лишь короткие олигонуклеотиды (см. гл. 7 и обсуждение ниже в этой главе). У ДНК-вирусов, напротив, есть возможность использовать аппарат репликации (и транскрипции) хозяина, и они широко пользуются этой возможностью. Так, многие вирусы этого типа, в частности большинство известных вирусов, поражающих архей, так же как и многочисленные умеренные бактериофаги (такие как фаг лямбда, классический модельный организм), не кодируют даже репликативной полимеразы и никаких других белков, непосредственно участвующих в репликации. В таких случаях последовательности ДНК, ответственные за распознавание и привлечение репликативного аппарата хозяина, оказываются основными факторами, определяющими возможность автономной репродукции вируса (см. определение выше), хотя вирусные белки выполняют другие важные функции в вирусной репродукции, такие как подавление или репрограммирование экспрессии генов и метаболизма хозяина. Вирусы с самыми большими геномами, напротив, вдобавок к белкам, составляющим аппарат репликации вирусного генома, кодируют целую коллекцию разнообразных белков, участвующих в процессах репарации, мембранного транспорта, ряде метаболических путей, а в некоторых случаях и трансляции. Обычно (и во всех случаях, когда затрагивается трансляция) вирус кодирует не систему или путь целиком, а только ферменты для одного-двух шагов, которые дополняют или видоизменяют соответствующие функциональные системы клетки хозяина.

Вирусы, содержащие различные формы нуклеиновых кислот, распределены по таксонам хозяев не равномерным и не случайным образом. В частности, необычайное разнообразие содержащих дцДНК бактериофагов и вирусов архей находится в разительном контрасте с отсутствием дцДНК-вирусов у растений. РНК-вирусы, напротив, чрезвычайно распространены и разнообразны у растений и животных, но среди бактерий на данный момент представлены лишь двумя небольшими семействами и до сих пор не обнаружены у архей (см. рис. 10-1). В некоторых случаях биологическая подоплека характерного спектра хозяев вируса совершенно ясна. Например, в растениях крупные вирусы столкнулись бы с серьезными проблемами с межклеточным распространением, так как плазмодесмы (каналы, соединяющие окруженные клеточной стенкой клетки растений) непроницаемы для больших частиц и даже больших молекул ДНК. Однако в большинстве случаев причины предпочтительного распределения вирусов среди тех или иных групп хозяев остаются неизвестными. Например, сложно сказать, почему РНК-вирусы столь распространены среди растений и животных, но не среди прокариот; далее в этой главе мы вернемся к рассмотрению этого вопроса с другой, эволюционной позиции.

 

Метагеномика вирусов, экспериментальная вирусология, агенты переноса генов и повсеместное распространение вирусов

Вирусы – вездесущие спутники клеточных форм жизни: при более-менее детальном изучении любой клеточный организм оказывается населенным вирусами. У тех организмов – таких как нематоды, – у которых настоящие вирусы пока не были открыты, в геном встроены многочисленные мобильные элементы.

С недавних пор изучение виромов (всего множества вирусов, обнаруживаемых в данной среде обитания) стало областью науки, испытывающей бурное развитие (Edwards and Rohwer, 2005; Kristensen et al., 2010). Выделение вирома – методически довольно незамысловатая операция, так как вирусные частицы (по крайней мере подавляющее большинство, исключая, возможно, их гигантские разновидности) проходят сквозь фильтры, непроницаемые даже для мельчайших клеток. Так что достаточно просто собрать частицы в фильтрате и анализировать состав. Изучение виромов принесло большие неожиданности. Первой оказалась сама концентрация вирусных частиц. Поразительно, но по крайней мере в морской среде вирусы (прежде всего бактериофаги) оказались наиболее распространенной из биологических форм, причем в совокупности количество вирусных частиц превосходит количество клеток по меньшей мере на порядок. Это не вполне корректный способ сравнения, так как одна инфицированная вирусом клетка способна продуцировать сотни вирусных частиц, и тем не менее такие данные показывают, что вирусы исключительно широко распространены и активны в окружающей среде. Сейчас вирусы рассматривают в качестве крупных геохимических действующих сил, так как уничтожение вирусами микроорганизмов оказывает сильное влияние на формирование органического осадка (Suttle, 2007, 2005). Вторая крупная неожиданность – это огромное генетическое разнообразие виромов, а также их непредвиденная генетическая композиция. Набор генов в ДНК-вироме резко отличается от набора генов известных бактериофагов. Виром в основном состоит из редких и уникальных генов, для которых не удается найти и подобрать гомологичных последовательностей в имеющихся базах данных. Хотя гены, специфичные для бактериофагов, встречаются в виромах чаще, чем в микробиомах, они представляют ничтожное меньшинство; большинство генов, для которых обнаружены гомологи, представляются случайным набором бактериальных генов. Исключив возможность массивной контаминации, которая, учитывая тщательно разработанные протоколы, используемые для выделения виромов, маловероятна, мы приходим к выводу, что в виромах в основном представлены не обычные вирусы, а некие другие биологические объекты (Khristensen et al., 2010).

Какова природа этой «темной материи», которая доминирует в виромах? На самом деле мы этого не знаем, однако легко предложить правдоподобную гипотезу. Вспомним агенты переноса генов (АПГ), которые уже обсуждались в главах 5 и 9. Агенты переноса генов – особая разновидность псевдовирусов (Lang and Beatty, 2007). Они образуют вирусные (фагоподобные) частицы, которые состоят из белков, кодируемых дефектным профагом, находящимся в соответствующей бактериальной или архейной хромосоме. Однако частицы АПГ не содержат ДНК профага (так что они не являются настоящими бактериофагами), но вместо этого служат оболочками для, судя по всему, случайных фрагментов бактериальной хромосомы. Легко представить, что темная материя виромов в основном состоит из АПГ (Kristensen et al., 2010), так что по сути дела это всего лишь «псевдовиромы». Эта простая гипотеза, которая, конечно, нуждается в эмпирической проверке, имеет далеко идущие следствия. В самом деле, если вирусные (или вирусоподобные) частицы – самые распространенные биологические объекты на Земле и большая часть из них – агенты переноса генов, тогда неизбежен логический вывод, что в биосфере доминируют АПГ. В сочетании с присутствием многочисленных, часто «скрытых» профагов и других мобильных элементов в бактериальных и архейных геномах (Cortez et al., 2009) и еще большим изобилием (чаще неактивных) эгоистичных элементов в геномах многих эукариот (включая человека), эти наблюдения наводят на мысль, что мир вирусов в большой степени «выстраивает» геномы клеточных форм жизни и таким образом определяет эволюцию жизни в целом. Необходимо еще тщательно продумать и изучить в дальнейшем фундаментальные следствия такого вывода, и мы не раз вернемся к ним в этой и следующих главах.

Хотя метагеномика вирусов – еще молодая область науки, она уже замечательным образом преобразила наше понимание мира вирусов, причем это далеко не сводится к удивительным данным по генетическому составу виромов. Одна группа открытий была сделана в результате анализа последовательностей, полученных в ходе глобального исследования океана, грандиозного метагеномного проекта Крейга Вентера (Yooseph et al., 2007). Оказывается, что помимо несметного числа бактериальных последовательностей (основной цели проекта) база данных глобального исследования океана содержит многочисленные последовательности, гомологичные консервативным генам больших нуклеоцитоплазматических ДНК-вирусов (NCLDV, подробнее о них позже в этой главе), заражающих эукариот. Независимо от конкретного источника вирусной ДНК (гигантские вирусы, зараженные пикоэукариоты, проходящие бактериальные фильтры, или, вероятнее всего, и те и другие), разнообразие нескольких семейств NCLDV вышло далеко за границы, очерченные традиционной вирусологией (Monier et al., 2008). Вторая группа замечательных открытий сделана в метагеномике морских РНК-вирусов: были открыты многочисленные РНК-вирусы, заражающие одноклеточных морских эукариот, и весьма неожиданно оказалось, что все они принадлежат к одному суперсемейству вирусов, ранее обнаруженных у животных и растений, – пикорнаподобным вирусам (Koonin et al., 2008). В совокупности эти открытия показывают, что наши представления о мире вирусов пока крайне поверхностны – быть может, истинные размеры и разнообразие этого мира превзойдут самые смелые фантазии.

 

Эволюция вирусов: полифилия, монофилия и гены-сигнатуры

 

В предыдущих разделах этой главы было дано представление о мире вирусов и показано, что он соизмерим по масштабу с миром клеточных форм жизни – и, возможно, количественно доминирует в биосфере. Более того, вирусный мир оказывает определяющее воздействие на эволюцию клеток с помощью агентов переноса генов и огромного арсенала мобильных элементов. Так что изучать эволюцию вирусов необходимо, если мы стремимся к хоть сколько-нибудь глубокому пониманию эволюции жизни в целом.

Сравнительная геномика не свидетельствует в пользу монофилетического происхождения всех вирусов. Здесь мы понимаем под «монофилией» «происхождение от общего предкового вируса или вирусоподобного эгоистического элемента» (Koonin et al., 2006). У многих групп вирусов просто нет общих генов, что позволяет решительно отмести любые идеи об общем происхождении. Идея «общих генов», будучи приложена к вирусам, оказывается непростой: в мире вирусов общность не обязательно ограничивается однозначными отношениями ортологии между генами, которые легко выявить благодаря очевидному сходству последовательностей. Вместо этого, как будет изложено в следующих разделах, отдаленные отношения гомологии между вирусными белками, а также между вирусными белками и их гомологами из клеточных форм жизни могут дать более сложные, но важные свидетельства об эволюции вирусов. Несмотря на эту сложность, среди больших групп вирусов изобилуют случаи, когда между ними либо нет никаких гомологичных генов, какое бы определение мы ни взяли, либо имеются лишь отдаленно родственные домены, чьи эволюционные траектории очевидно различны. Например, большинство вирусов гипертермофильных кренархеот не имеют общих генов ни с какими другими вирусами (Prangishvili et al., 2006b), а РНК-вирусы разделяют с ДНК-вирусами и плазмидами, реплицирующимися способом «катящегося кольца», лишь чрезвычайно отдаленно родственные домены в соответствующих белках репликации.

С другой стороны, можно уверенно показать монофилию нескольких крупных групп вирусов, включая обширные совокупности РНК-вирусов и сложных ДНК-вирусов (см. табл. 10-1). Некоторые из этих монофилетических классов переходят даже границы геномных стратегий: так, монофилетический класс элементов, размножающихся через стадию обратной транскрипции, включает в себя как РНК-вирусы, так и вирусы, мобильные элементы и плазмиды с ДНК-геномами. В классе элементов, реплицирующихся по механизму катящегося кольца, сочетаются вирусы, содержащие одноцепочечную или двухцепочечную ДНК, а также плазмиды. Более того, на основании сходства в структурах комплексов, участвующих в репликации РНК, а также присутствия гомологии, пусть и отдаленной, в ферментах репликации была предложена правдоподобная гипотеза об общем происхождении вирусов, содержащих позитивную РНК-нить, вирусов, содержащих дцРНК, и элементов, способных к обратной транскрипции (Ahlquist, 2006). Однако в целом вывода, что вирусы имеют много различных линий происхождения, по-видимо му, невозможно избежать (Koonin et al., 2006; см. табл. 10-1).

 

Краткая естественная история вирусных генов

Анализ последовательностей выявил несколько категорий вирусных генов, принципиально отличающихся по происхождению (Koonin et al., 2006). Можно обсуждать, какая степень дробности классификации оптимальна, но четко различаются по меньшей мере пять классов, укладывающихся в три более крупные категории.

Гены с четко опознаваемыми гомологами у клеточных форм жизни:

1. Гены с близкими гомологами у клеточных организмов (обычно это хозяева данного вируса) присутствуют у узкой группы вирусов.

2. Гены, консервативные среди большой группы вирусов или даже нескольких групп и имеющие относительно отдаленные клеточные гомологи.

Вирус-специфичные гены:

3. Гены-сироты – гены без выявленных гомологов, кроме как у близкородственных вирусов.

4. Вирус-специфические гены, консервативные для (относительно) широкой группы вирусов, но не имеющие гомологов у клеточных форм жизни.

5. Гены – вирусные сигнатуры.

Вирусные сигнатуры – это гены, общие для многих разнообразных групп вирусов, имеющие лишь отдаленные гомологи у клеточных организмов, для которых имеются убедительные свидетельства в пользу монофилии (общего происхождения) всех вирусных членов соответствующих семейств генов. Словосочетание «гены-сигнатуры» было использовано, чтобы подчеркнуть, что эти гены являются признаками «вирусного состояния».

Относительный вклад каждого из этих классов генов в наборы генов различных вирусов зависит от размера вирусного генома и его генетической сложности, которые разнятся более чем на три порядка (см. рис. 10-1). Вирусы с малыми геномами, такие как большинство РНК-вирусов, часто обладают лишь несколькими генами, большинство из которых принадлежат к классу генов-сигнатур. Напротив, у вирусов с большими геномами, например поксвирусов, широко представлены все пять классов. Чтобы проиллюстрировать разнообразие генетического состава, на рис. 10-2 показана разбивка набора генов трех вирусов, обладающих малым, средним и крупным геномами соответственно, на пять классов генов. Интересно, что крупные и среднего размера геномы бактериофагов и вирусов архей заполнены «сиротами», которые зачастую составляют более 80 процентов генов этих вирусов. Быстро эволюционирующие «гены-сироты» фагов, возможно, поставляют много, если не большинство «генов-сирот», которые находят в геномах прокариот (несмотря на отсутствие выявляемой консервативности последовательностей), так что они играют ключевую роль в эволюции прокариот (Daubin and Ochman, 2004).

Происхождение пяти классов вирусных генов, скорее всего, различно. Два класса генов, имеющих легко распознаваемые гомологи в клеточных формах жизни, вероятно, представляют собой соответственно относительно недавние (класс 1) и древние (класс 2) заимствования из геномов клеточных хозяев. Откуда произошли вирус-специфические гены – это значительно более трудный и интересный вопрос. Первая возможность заключается в том, что эти гены произошли от других генов вирусов или хозяев, но резкое ускорение эволюции, связанное с появлением новых, специфических вирусных функций, стерло все следы их происхождения. Это соображение согласуется с тем фактом, что многие (возможно, большинство) генов 4-го класса (вирус-специфических генов, консервативных среди группы вирусов) – компоненты вириона, то есть несут важнейшую для вируса функцию, для которой нет эквивалента у клеточных форм жизни. Мы пока отложим обсуждение других путей возникновения и эволюции вирус-специфических генов и обсудим эволюцию вирусных генов-сигнатур. Гены-сигнатуры, пересекающие границы, пролегающие между самыми разными эволюционными линиями вирусов, – глубоко интересный и значимый объект для понимания эволюции и происхождения вирусов.

Таблица 10-1. Наиболее крупные монофилетические классы вирусов и эгоистичных генетических элементов.

Сокращения: JRC – белок капсида с укладкой типа рулета; LTR – long terminal repeat (длинный концевой повтор); RdRp – РНК-зависимая РНК-полимераза; RCRE – (инициирующая) эндонуклеаза репликации по механизму «катящегося кольца»; RT – обратная транскриптаза; S3H – геликаза суперсемейства 3.

1 Уже после выхода этой книги автору посчастливилось участвовать в работе, где из горячего источника в Йеллоустонском парке, населенного исключительно гипертермофильными кренархеотами, методами метагеномики был выделен и секвенирован РНК-геном нового вируса, очень отдаленно родственного разным семействам позитивных РНК-вирусов эукариот (Bolduc B, Shaughnessy DP, Wolf YI, Koonin EV, Roberto FF, Young M. Identification of novel positive-strand RNA viruses by metagenomic analysis of archaea-dominated Yellowstone hot springs. J Virol. 2012 May;86(10):5562-73). Скорее всего, этот вирус представляет новое суперсемейство позитивных РНК-вирусов, которые, возможно, размножаются в археях. Прямые данные, подтверждающие (или отвергающие) это предположение, еще предстоит получить. Если гипотеза подтвердится, наши представления об эволюции этого класса вирусов могут потребовать существенного пересмотра (см. ниже).

 

Гены – вирусные сигнатуры: сигналы из древнего мира вирусов

Помимо больших классов, перечисленных в табл. 10-1, отчетливых вертикальных родственных отношений между крупными группами вирусов не существует. Однако значительное число генов, кодирующих белки, которые играют ключевую роль в репликации генома, экспрессии и морфогенезе вирионов, входят в пересекающиеся наборы генов, принадлежащие группам вирусов, казалось бы не родственных ни в каком другом отношении, хотя ни один из этих генов не присутствует у всех вирусов (см. табл. 10-2). Большинство генов – вирусных сигнатур не имеют высококонсервативных гомологов у клеточных форм жизни (исключения – легко распознаваемые провирусы и мобильные генетические элементы), хотя отдаленные гомологи бывают. Два наиболее широко распространенных среди вирусов гена кодируют белок капсида с так называемой укладкой типа рулета и геликазу суперсемейства 3. Оба этих белка пересекают барьер между ДНК– и РНК-вирусами и появляются в поразительно широком ассортименте групп вирусов, от некоторых самых мелких РНК-вирусов с позитивным геномом до крупных нуклеоцитоплазматических ДНК-вирусов, класса вирусов, включающего гигантский мимивирус (см. табл. 10-2). Уточняя, можно сказать, что белок капсида с укладкой типа рулета – главный строительный блок икосаэдрических (сферических) вирусных капсидов, наиболее частой формы капсидов, которые крайне различны по величине, но довольно сходны по симметрии и общей форме среди всего огромного диапазона вирусов, которые используют разнообразные стратегии репликации-экспрессии и заражают хозяев, представляющих все или почти все разнообразие клеточной жизни. Так, геликаза суперсемейства 3 участвует в репликации геномов огромного разнообразия РНК– и ДНК-вирусов.

Рис. 10-2. Разбиение вирусных генов на пять эволюционных классов: вирус, обладающий малым геномом: полиовирус (7,4 Кб); вирус, обладающий геномом промежуточного размера: Sulfolobus turreted icosahedral virus (STIV); вирус, обладающий крупным геномом: вирус осповакцины (195 Кб). Данные по Koonin et.al., 2006.

Другие белки, перечисленные в табл. 10-2, не столь широко распространены, как белок капсида с укладкой типа рулета и геликаза суперсемейства 3, но все же за их счет формируются множественные непредвиденные связи между группами вирусов, во всех других отношениях казавшихся неродственными. В качестве примера можно рассмотреть эндонуклеазу инициации репликации по механизму «катящегося кольца», которая объединяет огромное разнообразие небольших репликонов одноцепочечных и двухцепочечных ДНК, включая вирусы, плазмиды и транспозоны, которые размножаются в животных, растениях, бактериях и археях. Детальный анализ аминокислотных последовательностей показал, что ДНК-связывающий домен репликативного белка вирусов полиомы и папилломы (например, T-антигена SV40) представляет собой неактивную производную форму эндонуклеазы инициации репликации способом «катящегося кольца» (Iyer et al., 2005). Таким образом, посредством детального исследования одного из белков-сигнатур хорошо известная связь между различными небольшими репликонами оцДНК (вирусов и плазмид) распространилась также на группу репликонов дцДНК такого же размера. Подобное расширение набора вирусных групп, охватываемых определенным геном-сигнатурой, произошло также в результате детального анализа АТФазы, отвечающей за упаковку вирусной ДНК в капсид, и праймазы архей и эукариот, участвующей в инициации репликации ДНК (Iyer et al., 2005; Iyer et al., 2004b; см. табл. 10-2).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Конкурирующие концепции происхождения и эволюции вирусов

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

1. Происхождение вирусов из первичных генетических элементов.

2. Дегенерация одноклеточных паразитов до вирусного состояния.

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

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

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

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

Таким образом, наиболее экономный сценарий эволюции вирусов, по-видимому, включает доклеточный мир вирусов. Наиболее вероятным кажется, что основные классы вирусов – по крайней мере все стратегии репликации и экспрессии генома – возникли уже в доклеточную эру. Возможно, называть гипотетические первичные эгоистичесные элементы вирусами нецелесообразно, учитывая отсутствие клеток на этом этапе их эволюции. Однако, если их называть «вирусоподобными» агентами или как-то вроде этого, это никак не изменит того факта, что нет ни следа клеточного происхождении вирусов, и ни в коей мере не опровергнет гипотезу древнего мира вирусов.

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

 

Непрерывность мира вирусов и связи с миром клеточных организмов

Анализ вирусных генов-сигнатур меток, по-видимому, предполагает, что они произошли из первичного пула генов. Существование этого первичного пула оказывается логически неизбежным, безотносительно того, какой именно выбрать сценарий ранних этапов эволюции. Мы всерьез обратимся к этим вопросам в главах 11 и 12. Здесь я хочу подчеркнуть другой и достойный всяческого внимания аспект эволюции вирусов, а именно очевидную непрерыв нность мира вирусов от доклеточной эры до наших дней и далее в любом обозримом будущем. В самом деле, если гены-сигнатуры 1) происходят из первичного пула генов, 2) имеют лишь очень отдаленные гомологи среди генов клеточных форм жизни и, очевидно, никогда не входили в состав клеточных геномов и 3) необходимы для репродукции вирусов, то неизбежно заключение, что эти гены переходили от вируса к вирусу (или вирусоподобному элементу) на протяжении всех четырех миллиардов лет эволюции жизни. В этом случае мы должны заключить, что вирусные геномы, хотя и не монофилетические в обычном смысле, произошли 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 крупные бактериофаги, 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, представляется, что вирусы всегда происходят от других вирусов, даже если, во многих случаях, пути эволюции – кружные. Мы теперь можем сформулировать принцип, симметричный знаменитому обобщению Рудольфа Вирхова, отражающему тот факт, что клетки размножаются делением, но никогда, насколько нам известно, не появляются de novo: omnis cellula e cellula. Будучи приложен к миру вирусов, принцип формулируется таким образом: omnis virus e virus.

Конечно, существуют вирусы и различные вирусоподобные агенты, испытывающие принцип непрерывности на прочность. Наиболее ярким примером могут быть многочисленные, разнообразные вирусы гипертермофилов кренархеот (Prangishvili et al., 2006a, 2006b) и группа полиднавирусов, заражающих насекомых. Некоторые из этих вирусов не имеют общих генов ни с какими другими вирусами; вирусы кренархеот обычно имеют немногочисленные гены с узнаваемым происхождением, a полиднавирусы содержат ряд генов, произошедших от генов хозяина (Dupuy et al., 2006). Однако даже среди этих необычных вирусов некоторые сохраняют один или два гена-сигнатуры, более того, у полиднавирусов заметны четкие признаки инактивации этих уцелевших генов-сигнатур. Очевидно, полиднавирусы произошли от разных групп полноценных вирусов насекомых, в частности асковирусов и нудивирусов, пройдя путь, очень напоминающий эволюцию агентов переноса генов (Bezier et al., 2009; Bigot et al., 2008). Геном нудивируса встроился в геном предковой формы осы и активно экспрессируется, продуцируя белки, необходимые для формирования вирионов и упаковки ДНК. Однако вирусные гены (по крайней мере большинство из них) не включаются в вирионы, в которые вместо этого упаковываются случайные фрагменты генома хозяина. Эта поразительная конвергенция эволюции псевдовирусов прокариот и эукариот предполагает сильное давление отбора, направленное на «изобретение» специальных приспособлений для горизонтального переноса генов и перестройки генома.

Эти наблюдения на геномах необычных вирусов указывают на значительную пластичность, но также и на столь же примечательную устойчивость вирусного состояния: у вирусов есть способности радикально менять свое генетическое наполнение вплоть до утраты всех генов, непосредственно вовлеченных в репликацию вирусного генома, но все же оставаться явными вирусами, если говорить об их цикле размножения и образе жизни, типичном для внутриклеточных паразитов. Агенты переноса генов и полиднавирусы делают важный дальнейший шаг в эволюции этой пластичности, так как в этих случаях содержание вирусного генома полностью замещено. Более того, эти псевдовирусы избавились от независимой репликации; гены, необходимые для формирования вириона и упаковки ДНК, реплицируются лишь внутри генома хозяина, так что отношения между вирусом и клеточным хозяином становятся скорее симбиотическими, чем паразитическими. Такой симбиоз мог бы быть крайне распространенным феноменом и может принимать разнообразные обличья, насколько можно предположить исходя из того примера, что устранение всех профагов из бактериального генома существенно снижает устойчивость бактерии к различным формам стресса (Wang et al., 2010). Таким образом, многие профаги могут быть не паразитами, a скорее настоящими симбионтами.

В этой главе я прежде всего подчеркиваю непрерывность и относительную автономность мира вирусов, но пути передачи генетической информации, прямо связывающие вирусные и клеточные империи, конечно, переплетены и крайне важны для эволюции обеих империй. Важнейшим примером этого может служить вся история взаимодействия между обратно транскрибирующимися элементами и эукариотами, которую мы уже многократно упоминали. От приобретения в древности интронов, сплайсосомы и теломеразы до совсем недавнего использования провирусных последовательностей в качестве промоторов геномы эукариот формировались благодаря многочисленным, непрерывным вкладам со стороны обратно транскрибирующихся элементов. В ходе эволюции эти агенты утратили свой эгоистичный характер: по сути дела, они покинули мир вирусов и вступили в мир клеточных форм жизни. Ясно, что аналогичные процессы распространены среди прокариот, у которых гены профагов систематически фиксируются в хромосомах и теряют связь с вирусными геномами. Как упоминалось ранее, вирусы с крупными геномами, наоборот, систематически и непрерывно заимствуют многочисленные гены хозяина, которые часто остаются в вирусных геномах на протяжении сотен миллионов лет. Прекрасный пример этого явления представляют собой NCDLV, в частности поксвирусы, обладающие десятками и даже сотнями генов, заимствованных у хозяина на разных этапах эволюции и прежде всего участвующих во взаимодействии вируса и хозяина. Таким образом, несомненно, вирусные и клеточные миры соединены многими дорогами с двусторонним движением.

 

Фундаментальная неизбежность паразитов

В настоящей главе мы достаточно подробно обсуждали эмпирические свидетельства существования древнего, частично автономного, непрерывного во времени мира вирусов, который, очевидно, является ключевым компонентом биосферы с ее зарождения в доклеточную эру до наших дней. Эти наблюдения, по сути, подтверждаются сильными теоретическими указаниями на то, что возникновение паразитов – неизбежное последствие эволюционного процесса, в котором имеется различие между геномом (генотипом) и фенотипом. В свою очередь, различие генотипа и фенотипа – неотъемлемая часть принципа подверженной ошибкам репликации, который мы обсуждали в главе 2. Паразиты неизбежно появляются в комьютерных симуляциях эволюции простых репликаторов (Szathmary and Maynard Smith, 1997; Takeuchi and Hogeweg, 2008); не углубляясь в детали, этот исход легко понять интуитивно.

Рассмотрим РНК-белковую репликаторную систему, напоминающую репликацию современных РНК-вирусов – то есть такую, в которой каждый репликатор кодирует собственную репликазу (мы сознательно игнорируем необходимость в системе трансляции и мономерах или, скорее, имплицитно включаем все это как неопределенный ресурс – подробнее на эту тему см. гл. 12). Представляется неизбежным, что эволюция такой системы приведет к дифференциации на «хозяев» и «паразитов». Хозяевами будут полноценные геномы, кодирующие репликазу, a паразитами, как правило, будут редуцированные геномы, потерявшие ген репликазы, но сохранившие все элементы последовательности, необходимые для эффективного распознавания репликазой хозяина (см. рис. 10-4). Это обязательно произойдет из-за давления отбора, направленного на ускорение репликации, поскольку очевидная стратегия для того, чтобы увеличить скорость репликации, – избавиться от большого гена репликазы, сохраняя лишь те части генома, которые распознают репликазу, использовать репликазу, продуцируемую геномом хозяина, и, наконец, развивать все более эффективные участки распознавания для этой репликазы. В самом деле, компьютерные модели показывают, что в отсутствие компартментализации паразиты вытеснят хозяев, так что вся система в целом рушится и, в конце концов, вымирает; однако, если включить в модель компартментализацию, имитирующую протоклетки (см. подробнее в гл. 11 и 12), системы хозяин – паразит приобретают устойчивую эволюционную стратегию (Takeuchi and Hogeweg, 2008).

Рис. 10-4. Дифференциация популяции эволюционирующих репликаторов на хозяев и паразитов.

Возникновение паразитов как имманентное свойство систем репликаторов – не только предмет теории и моделирования. В знаменитых экспериментах Спигельмана и его коллег, описанных в главе 8, продемонстрирована та же тенденция в простейшей мыслимой ситуации, в которой единственный фактор отбора, действующий на эволюционирующую популяцию репликаторов (молекул РНК), – это необходимость распознавать репликазу и размножаться. В этих экспериментах геном РНК-бактериофага быстро теряет все кодирующие последовательности (включая самый большой ген, репликазу) и становится в полном смысле слова эгоистическим репликатором, малой РНК, состоящей почти исключительно из элементов, необходимых для репликации (Mills et al., 1973). Этот исход находится в полном согласии с интуицией и симуляционными результатами, которые показывают неизбежное возникновение паразитов. В современном мире вирусов такие эгоистичные репликаторы непрерывно возникают de novo и распространяются в форме так называемых дефектных интерферирующих вариантов вирусных геномов (продуцирующих дефектные интерферирующие частицы), которые особенно распространены среди РНК-вирусов (Bangham and Kirkwood, 1993). Дефектные интерферирующие производные вирусов успешно паразитируют на родительском вирусе.

 

Вечная гонка вооружений между хозяином и паразитом и эволюция систем защиты и взлома защиты

Согласно гипотезе Красной Королевы, коэволюционирующие системы паразит – хозяин могут поддерживать стабильную эволюционную траекторию, лишь постоянно изменяясь в непрерывной гонке вооружений. Хозяева развивают новые защитные механизмы, и паразиты отвечают, развивая механизмы взлома защиты, а также новые механизмы для атаки, уклоняющиеся от защиты, и так до бесконечности, если рассматривать эволюцию жизни в целом, или до вымирания хозяина либо паразита в каждом конкретном случае. Математическое моделирование происхождения и эволюции репликаторных систем не только неизбежно ведет к возникновению паразитов, но и показывает, что паразиты движут эволюцию механизмов репликации (Szathmary and Demeter, 1987). «Эта гонка вооружений – один из главнейших движущих факторов всей эволюции» (Forterre and Prangishvili, 2009). Справедливость этого утверждения кажется очевидной, если рассмотреть известные механизмы защиты и взлома защиты. Множественные, многослойные системы защиты составляют существенную часть геномов всех клеточных организмов, единственное исключение – некоторые внутриклеточные паразиты; с другой стороны, взлом защиты – одна из основных функций генов у вирусов с большими геномами.

У прокариот ассортимент противовирусной защиты включает в себя систему специфического иммунитета CRISPR-Cas, которую мы затрагивали в главе 10; чрезвычайно разнообразные системы рестрикции-модификации (незаменимый инструментарий генетической инженерии); и, очевидно, большое разнообразие дополнительных, менее тщательно описанных антивирусных систем. Геномы прокариот содержат множественные «островки защиты от вирусов», которые обогащены за счет известных систем защиты, но также содержат многочисленные неизученные гены (Merkl, 2006). Во многих случаях при тщательном анализе белковых последовательностей этих незнакомцев обнаруживаются домены, типичные для защитных функций, например сильно изменившиеся рестрикционные ферменты и другие нуклеазы (Makarova et al., 2009b). Таким образом, остается мало сомнений в том, что осталось открыть еще немало новых систем защиты. Нет хороших оценок того, какая доля бактериального или архейного генома обычно предназначена для противовирусной защиты, и эти значения, вероятно, сильно варьируют, тем не менее у большинства непаразитических организмов, как можно ожидать, они довольно велики – порядка 10 процентов всего набора генов.

Эволюционная динамика систем защиты может быть исключительно сложной, особенно у прокариот, потому что защитные механизмы, такие как CRISPR-Cas или системы рестрикции-модификации, не только препятствуют репликации эгоистичных элементов, но, более того, в целом предотвращают горизонтальный перенос генов (Marraffini and Sontheimer, 2008). Поскольку ГПГ – основной путь для введения новшеств среди архей и бактерий, а также, по-видимому, необходим для выживания бесполых микробных популяций (см. гл. 5), против систем защиты существует давление отбора. Вместе с движением по принципам Красной Королевы это давление – возможная причина эволюционной нестабильности систем защиты, особенно их чрезвычайно частой потери.

Защитные системы эукариот, разумеется, еще более разнообразны и сложны. Они включают в имеющийся почти у всех эукариот аппарат РНК-интерференции и различные другие механизмы врожденного и приобретенного иммунитета (в частности, система интерферона, стимулируемая дцРНК), которые мы не можем обсудить здесь детально. Следует упомянуть, что у эукариот ГПГ не играет роли, сравнимой с его ролью у прокариот, отсюда отсутствие давления отбора, направленного на устранение систем защиты, которые, следовательно, оказываются более устойчивыми в ходе эволюции. Взятые в совокупности, системы защиты занимают значительную часть любого эукариотического генома – достаточно вспомнить главный комплекс гистосовместимости и кластеры генов иммуноглобулинов у позвоночных или огромные кластеры генов стрессового ответа у растений.

Особый и поистине радикальный тип борьбы с паразитами – программированная клеточная смерть (ПКС), которая, по-видимому, происходит в различных формах у большинства клеточных организмов за исключением некоторых бактериальных паразитов. Наиболее хорошо описанные проявления этого феномена – изощренные системы ПКС животных и растений (также известные под названием «апоптоз» – в основном в применении к животным), в которых участвуют каскады самоубийственных протеолитических и нуклеолитических реакций и которые обычно запускаются вирусной инфекцией (а также другими паразитами и другими формами стресса). Существование ПКС у одноклеточных организмов, особенно прокариот, – более спорный вопрос (Bidle and Falkowski, 2004; Koonin and Aravind, 2002), но накапливающиеся свидетельства показывают, что токсин-антитоксиновая система у бактерий и архей все-таки запускает ПКС в ответ на вирусную инфекцию или другие формы стресса (Van Melderen, 2010).

В соответствии с законом Красной Королевы, вирусы никогда далеко не отставали от своих клеточных хозяев (кроме тех, что вымерли). Лучший известный тому пример – эукариотические вирусы с большими геномами, такие как поксвирусы или бакуловирусы: до половины генов у этих вирусов функционируют как устройства взлома защиты, действующие против всех уровней защиты хозяина. Основная стратегия взлома защиты, применяемая этими вирусами, проста и эффективна: вирус «крадет» ген, кодирующий компонент защиты хозяина. После мутирования в вирусном геноме белковый продукт этого гена превращается из эффектора в доминантно-не гативный ингибитор соответствующей системы защиты. Более маленькие вирусы не могут позволить себе сравнимый ассортимент генов взлома защиты, но тем не менее несут гены белков-охранни ков, которые по большей части участвуют в агрессии, например протеазы, расщепляющие белковые факторы, необходимые для трансляции РНК хозяина, но не вирусных РНК (Agol and Gmyl, 2010). На другом, более фундаментальном уровне знаменательное проявление эффекта Красной Королевы – быстрая антигенная вариация у некоторых вирусов, например вируса гриппа и ВИЧ, которая позволяет этим вирусам обгонять в развитии иммунный ответ хозяина.

Важно подчеркнуть, что паразиты и защитные системы связаны не только «геномными войнами», но также и более прямым путем: эгоистичные элементы систематически привлекаются для несения защитных функций, и в то же время защитные системы могут развить эгоистичные черты. Системы рестрикции-модификации традиционно расценивались как средства защиты; и, конечно, они делают бактерии устойчивыми к чужеродной ДНК. Однако эти системы также являются особого рода эгоистичными элементами (Kobayashi, 2001, 1998). Хотя они не кодируют никаких приспособлений для собственной репликации и потому не могут считаться настоящими эмигрантами в мир вирусов, они часто обитают на плазмидах, успешно входя, таким образом, в мир вирусов в качестве симбионтов плазмид (а эти последние точно принадлежат миру вирусов). Системы рестрикции-модификации делают клетки зависимыми от них самих и плазмид-носителей, способствуя, таким образом, собственной репликации. Токсин-антитоксиновые системы (см. гл. 5) обладают такими же свойствами. В более общем виде – хорошо известно, что и у бактерий, и у эукариот вирусы имеют тенденцию защищать хозяев от суперинфекции другими вирусами. Таким образом, взаимодействие между вирусами («геномными паразитами») и системами защиты хозяина – весьма сложная сеть с множеством петель обратной связи, занимающая центральное положение в эволюции как паразитов, так и хозяев.

Наконец, хотя эта глава посвящена миру вирусов, необходимо сделать замечание касательно паразитизма среди клеточных форм жизни. Эта форма паразитизма относительно редка среди прокариот (хотя тут надо отметить примечательную крошечную паразитическую архею Nanoarchaeum equitans), но становится чрезвычайно распространенной у эукариот, чьи крупные, сложные клетки и особенно многоклеточные организмы – прекрасные мишени для микробных паразитов. В ходе эволюции эти паразиты, особенно внутриклеточные, прогрессивно теряли собственные системы противовирусной защиты и развивали механизмы, преодолевающие защиту хозяина. В этом отношении они начинают напоминать вирусы, но, безусловно, так вирусами и не становятся.

 

Краткий обзор и перспектива

В этой главе мы обсудили древний обширный мир вирусов. Понятие о месте вирусов в биосфере и ее эволюции радикально изменилось за последние несколько лет, во многом благодаря успехам метагеномики разнообразных виромов. Сейчас мы понимаем, что представление о вирусах как непримечательных вутриклеточных паразитах чрезвычайно далеко от действительности. Напротив, вирусы представляют собой наиболее распространенные биологические объекты на Земле, как физически, так и генетически. Сравнительная геномика вирусов и вирусоподобных элементов, таких как плазмиды и транспозоны, раскрывает сложную сеть эволюционных взаимоотношений, в которой узлы соответствуют генам-сигнатурам, присутствующим у множества разнообразных групп вирусов и имеющим лишь отдаленные гомологи у клеточных форм жизни. Эти открытия сравнительной геномики не поддерживают гипотезу единого предка для всех вирусов, напротив, они предполагают «олигофилетический» сценарий, по которому основные классы вирусов со всеми типами циклов репликации-экспрессии произошли непосредственно из первичного, доклеточного пула генетических элементов. Оглядываясь назад, этот вывод может показаться не таким уж неожиданным, если учесть, что теория и эксперимент указывают на то, что возникновение паразитов – имманентная черта эволюционирующих систем репликаторов и что соревнование хозяев и и паразитов движет эволюцию тех и других.

Таким образом, недавно нам стало известно о существовании обширного мира вирусов, который эволюционировал непрерывно и квазиавтономно от клеточных организмов на протяжении всей истории живого на Земле. В общей классификации форм жизни вирусы и другие эгоистичные элементы, с одной стороны, и клеточные формы жизни, с другой, представляют две основные «империи». Несмотря на важность генов-сигнатур и относительную автономность мира вирусов, эти две империи соединены множеством дорог с двухсторонним движением генетического обмена, так что вирусы во многом формируют эволюцию клеточных геномов и наоборот. Более того, взаимодействие между вирусной и клеточной империей происходит в соответствии с принципом Красной Королевы в бесконечной гонке вооружений, которая является одним из основных формообразующих факторов в эволюции всех геномов и одним из самых отчетливых проявлений дарвиновской «борьбы за существование».

Несколько парадоксально, недавние успехи в изучении вирусов не только расширили просторы вирусного мира, но также показали, как мало мы знаем о его истинной структуре и составе. Анализ виромов предполагает, что мир вирусов по большей части состоит из неописанной «темной материи», которая может быть весьма отличной от известных вирусов. Понимание природы этой темной материи вполне может привести к существенным изменениям в общей картине эволюции жизни.

 

Рекомендуемая дополнительная литература

Forterre P., and D. Prangishvili. (2009) The Great Billion-Year War Between Ribosome – and Capsid-Encoding Organisms (Cells and Viruses) As the Major Source of Evolutionary Novelties. Annals of the New York Academy of Sciences 1,178: 65–77.

Концептуально важная статья, которая подчеркивает ключевую роль гонки вооружений между вирусами и их хозяевами в эволюции сложности.

Holmes E. C. (2009) The Evolution and Emergence of RNA Viruses. Oxford: Oxford University Press.

Обзор эволюции вирусов с упором на макроэволюционные процессы, быструю смену и возникновение новых вирусов.

Koonin, E. V., T. G. Senkevich, and V. V. Dolja. (2006) The Ancient Virus World and Evolution of Cells. Biology Direct 1: 29.

Анализ взаимоотношений различных групп вирусов, демонстрирующий широкое распространение вирусных генов-сигнатур. Выработана концепция мира вирусов, то есть непрерывного потока генетической информации через различные эгоистичные генетические элементы. Мир вирусов развивался бок о бок с клеточными формами жизни на протяжении всей истории жизни на Земле, но сохранил автономию от эволюционирующих клеточных организмов, несмотря на множественные обмены генами.

Koonin E. V., Y. I. Wolf, K. Nagasaki, and V. V. Dolja. (2008) The Big Bang of Picorna-like Virus Evolution Antedates the Radiation of Eukaryotic Supergroups. Nature Reviews Microbiology 6: 925–939.

Эволюционный сценарий для самой крупной группы РНК-вирусов, заражающих эукариот, надсемейства пикорнаподобных вирусов, которое было значительно расширено благодаря метагеномике. Результаты сравнительной геномики указывают на сборку вирусного генома предковой формы пикорнаподобных вирусов из различных прокариотических элементов, за которой последовала фаза взрывной эволюции.

Koonin E. V., and N. Yutin. (2010) Origin and Evolution of Eukaryotic Large Nucleo-cytoplasmic DNA Viruses. Intervirology 53: 284–292.

Обзор эволюции NCDLV, включающий анализ различных источников происхождения консервативных предковых генов NCDLV.

Kristensen D. M., A. R. Mushegian, V. V. Dolja, and E. V. Koonin. (2010) New Dimensions of the Virus World Discovered Through Metagenomics. Trends in Microbiology 18: 11–19.

Обзор и статистический анализ данных по метагеномике вирусов, приводящий к заключению, что известные виромы в самом деле состоят преимущественно из вирусных последовательностей, а не случайной бактериальной контаминации. Предложена гипотеза, что «темная материя» виромов может быть представлена агентами переноса генов.

Krupovic M., and D. H. Bamford. (2008) Virus Evolution: How Far Does the Double Beta-barrel Viral Lineage Extend? Nature Reviews Microbiology 6: 941–948.

Статья, предлагающая концепцию первичного статуса белков капсида в качестве маркеров эволюционных линий вирусов. На основании этой идеи делается вывод, что множество вирусов бактерий, архей и эукариот, обладающих белками капсида, содержащими домен типа двойного бета-бочонка (рулета), принадлежат к древней, широко разошедшейся эволюционой линии. Опубликован и контраргумент – что эволюция вирусов не может быть сведена к эволюции белков капсида (Koonin EV, Wolf YI, Nagasaki K, Dolja VV. The complexity of the virus world. Nat Rev Microbiol. 2009 Feb 9).

Moreira, D., and P. Lopez-Garcia. (2009) Ten Reasons to Exclude Viruses from the Tree of Life. Nature Reviews Microbiology 7: 306–311.

Морейра и Лопес-Гарсия утверждают, что, так как вирусы – облигатные внутриклеточные паразиты и не кодируют всю информацию, необходимую для собственной репликации, у них, по сути, отсутствует самостоятельная эволюционная история, они несущественны для понимания эволюции клеток и не должны считаться «живыми». Ряд последовавших писем в Nature Review Microbiology, включая наше с коллегами, оспаривает эти положения (исключая метафизическую проблему «бытия живым»), демонстрируя эволюционные связи между большими группами вирусов и широкое распространение генов-сигнатур по миру вирусов.

Raoult D., and P. Forterre. (2008) Redefining Viruses: Lessons from Mimivirus. Nature Reviews Microbiology 6: 315–319.

Отталкиваясь от открытия гигантских вирусов, Рауль и Фортер описывают два фундаментальных типа организмов: капсид-кодирующие организмы (вирусы) и организмы, кодирующие рибосомы (клеточные формы жизни). Однако эта классификация игнорирует многочисленные эволюционные связи между полноценными вирусами и различными мобильными элементами, у которых отсутствует капсид.

Van Etten J. L., L. C. Lane, and D. D. Dunigan. (2010) DNA Viruses: The Really Big Ones (Giruses). Annual Review of Microbiology 64: 83–99.

Открытие гигантских вирусов (иногда называемых «гирусами») в классе NCDLV размыло границы между вирусами и клетками в отношении размера генома и подчеркнуло роль ГПГ в эволюции крупных вирусов.