Книга: Вирусы: Скорее друзья, чем враги
Назад: Синтетическая биология – кошки или собаки из пробирки?
Дальше: «Скороходы» и «тихоходы»

Что появилось сначала – вирус или клетка?

Этот вопрос я подняла в 2013 г. в Давосе (Швейцария) во время ежегодной встречи по РНК. Я разговаривала со своими коллегами, многими вирусологами и учеными, которые первыми стали заниматься РНК, вопросами химической эволюции и т.д. Они отвечали одно и то же, то, что написано в большинстве учебников, что говорили рецензенты всех моих статей в международных журналах и, возможно, читатели. Все они сразу же отвечали: сначала появилась клетка, поскольку вирус в ней нуждается. Я была разочарована тем, что даже ведущие исследователи РНК и рибозимов приводили эти же доводы, несмотря на то, что рибозимы являются первым активными биомолекулами, которые могут реплицироваться, эволюционировать, расщеплять и присоединять. Рибозимы – основа рибосом, и поэтому они являются ключевыми молекулами при синтезе белка, а cirРНК и с недавнего времени piРНК – основные регуляторы генов.
Рибозимы – это вироиды, а вироиды относятся к вирусам. Тогда сначала появились вирусы, или, если несколько смягчить, они существуют практически с момента зарождения жизни на Земле и по сей день. Нас окружали другие ученые и молодые студенты, которые с любопытством слушали и были весьма удивлены. Я говорила очень увлеченно, подчеркивала значение гигантских вирусов, многие из которых по размеру больше бактерий, так как они могут выполнять почти те же функции, что и живые клетки, – не так много, но близко к тому! Они могут быть носителями других вирусов. Они даже почти «видят»! Вирусы крупнее многих бактерий и вирусы в качестве хозяев вирусов, до недавнего времени об этом никто не слышал. Не существует четкого разделения между вирусами и клетками. Так что же мы обсуждаем: вирусы или клетки? Студенты были удивлены, они никогда ранее об этом не слышали. На нашей планете существует 1033 вирусов, это самый успешный биологический вид на Земле и самая крупная биологическая популяция на планете. Нет ни одного живого существа без вирусов. Действительно ли все организмы содержат вирусы? Есть ли они даже в нашем геноме? Готова поспорить, что да! Поэтому вирусы, должно быть, существуют с момента возникновения жизни на Земле, и ни один другой возбудитель инфекционных заболеваний не смог этого добиться. Убедили ли слушателей или Тома Чеха мои «возбужденные рассуждения»? Первыми были вирусы? Не знаю, согласились ли они со мной в итоге.
Есть и дополнительные доводы в пользу того, что «первыми появились вирусы». Проведенный анализ последовательности свидетельствует о следующем: несмотря на сходство некоторых вирусных генов с клеточными, вирусных генов больше, чем клеточных. Одним из ведущих исследователей роли вирусов в эволюции жизни на Земле был Луис Вильярреаль из Центра по изучению вирусов в Ирвайне (Калифорния). Он называет такое доминирование вирусов на нашей планете «виросферой» и использует понятие «репликатор» применительно к прото-РНК, первой реплицирующейся РНК-содержащей биомолекуле. Последующее сопоставление последовательностей, которое провел специалист по биоинформатике Евгений Кунин, подтвердило эту концепцию. Сначала возник мир вирусов, точнее – РНК-содержащих вирусов, после чего появились ретроэлементы, а потом ДНК-содержащие вирусы. Ученые, открывшие гигантские вирусы, поместили их у основания древа жизни, но эти вирусы слишком велики для первых форм жизни на Земле, и не все допускают рассмотрение этого вопроса! И даже Феликс д’Эррель, ученый, открывший фаги, интуитивно отвел им место у корней «древа жизни». Такую эволюцию можно охарактеризовать как «восходящее развитие» – от простого к сложному, от мелких к крупным или как «гипотезу о том, что сначала появились вирусы», согласно которой вирусы первыми заселили царство пребиотиков. Трудность заключается в том, чтобы признать, что первые вирусы могли обходиться без клеток, живя в нишах, «маленьком теплом пруду», по определению Дарвина, или в каких-то полостях с неорганическими компонентами, а возможно, и глиной в качестве катализатора. Им нужна была энергия, но тогда еще не было синтеза белка и клеток, поскольку для их образования требуется химическая энергия!
Новые методы химического анализа свидетельствуют о том, что три основных строительных блока жизни – аминокислоты, нуклеотиды и липиды – можно синтезировать в первичном бульоне Дарвина при поступлении энергии из окружающей среды. Британский химик Джон Сазерленд может осуществлять однореакторный синтез всех трех строительных блоков жизни в одной пробирке, и при этом стартовым условием является наличие простых предшественников, в частности синильной кислоты, фосфора, сероводорода и воды, а также ультрафиолетового излучения. Вот так и могла начаться жизнь. Только после появления типичных клеток вирусы смогли изменить образ существования и превратиться во внутриклеточных паразитов – это хорошо известная тенденция в эволюционном развитии, определяемая средовыми условиями. Борясь за клеточные ресурсы, они сталкивались с конкурентами и создали ранние примитивные механизмы противовирусной защиты, клеточного иммунитета. Возможно даже, что вирусы принесли ядро в первые эукариотические клетки.
Я внесла изменения в определение вируса, расширив его по сравнению с определением из классических учебников по вирусологии, в соответствии с которым вирусы относятся к паразитам и нуждаются в клетках. Вместо этого я отнесла к «вирусам», или хотя бы к вирусоподобным организмам, вироиды, поли-ДНК-вирусы, плазмидные ДНК и даже прионы как «вирусы» или по крайней мере вирусоподобные структуры. Предположу, что в этом случае получается, что вирусы охватывают все, начиная с только РНК-содержащих и через РНК к ДНК до ДНК-содержащих при наличии или отсутствии белков, или только белка. Так что же такое вирус? Это объект, способный к репликации, развитию и взаимодействию. Его информация чаще всего «генетическая», но значение имеет даже структурная информация, поэтому я не включаю в определение понятие «генетический». В настоящее время вирусы чаще всего являются паразитами, но изначально они таковыми не были. Мне это представляется логичным и простым, но не все с этим согласны, а мне не хотелось бы быть категоричной. Такой сценарий отражает последовательность событий, имевших место в процессе эволюции. В итоге вирусы, бактерии, археи и симбиотические комбинации привели к образованию сложных клеток млекопитающих, и, как это ни удивительно, оказалось, что все множество наших геномов произошло из древнего мира вирусов.
В другой концепции излагается иное развития событий: сначала появились клетки, а потом вирусы. Вирусы возникли из клеток, крупные структуры стали мелкими, развиваясь «по нисходящей». Эту концепцию ученые принимают чаще всего, и согласно ей вирусы являются «сателлитами», возникающими вследствие «разрушения клетки», и называется она «теорией побега». Являясь частью клеток, вирусы расщепляют и «крадут» клеточные гены. Часть ДНК с несколькими генами оказалась «завернутой» в белок или клеточные мембраны в качестве защиты и превратилась в вирус. Некоторые современные вирусы, особенно крупные ДНК-содержащие вирусы млекопитающих, например герпесвирусы, похоже, подтверждают эту теорию. Опухолевые вирусы также «вербуют» свои онкогены из клетки (кроме того, они возвращают их, поэтому генетическая информация перемещается туда-обратно). В «гипотезе сокращения» описано это явление, вследствие которого вирусы возникают из свободных живых клеток.
Одна из проблем заключается в том, что генов недостаточно: пространство последовательности клеток невелико, а пространство вирусов огромно. Объем информации, которой «владеют» вирусы, больше объема информации, получаемой ими от клеток. Слишком много вирусных генов не имеют клеточных аналогов. Вирусы вариабельны и могут увеличивать сложность своих последовательностей при подверженной погрешностям репликации. И все же это не объясняет астрономическое число генов. Природа хранит гораздо больше информации, чем в состоянии нести все существующие вирусы и тем более клетки.
Возникает важный вопрос: откуда взялась первая клетка? Первая и простейшая «мини-клетка», полученная Крейгом Вентером, чрезвычайно сложна, в ней содержится несколько сот генов и более 200 000 нуклеотидов. Какая огромная! Откуда появилась вся эта информация? Защитники гипотезы «сначала появилась клетка» не смогли это объяснить. А вирусы могут.
Фримен Дайсон в своей книге «Источники жизни» высказал гипотезу о двух источниках жизни на Земле, скомбинировав метаболизм и генетическую информацию, механизмы и программы, а также программное обеспечение, что ближе ко второму сценарию. Увеличение объема информации, закодированной в генах, он объясняет дополнительной «беспорядочностью», что обозначается немецким словом Schlamperei. Он говорит по-немецки, предпочитая слова из детской лексики, поскольку его жена из Берлина, у него пять дочерей и сын и ему пришлось научиться жить в состоянии беспорядка. Он имеет в виду вот что: в природе нет точности. То, что «почти хорошо», может становиться все лучше и лучше. Природа пробует разные способы. Это расширяет генетическое разнообразие.
Макс Дельбрюк также использовал понятие «небрежность»: основой для инновации являются ошибки, неточности, метод проб и ошибок. Время от времени мы называем свою небрежность «креативным хаосом». Манфред Эйген называл это «квазивидами», в которых представлены многие виды одновременно – и те, что подходят, и те, что не подходят. Возможно, приемлемым оказалось бы понятие «облако». Прогресс является следствием ошибок. Даже Чарлз Дарвин отмечал важность ошибок.
А теперь я сформулирую свое кредо: подверженная ошибкам обратная транскриптаза – один из наиболее эффективных «изобретательских» методов. Это проявление «небрежности»! Данный механизм работает «с ошибками». Показатель мутаций составляет 10 на 10 000 нуклеотидов из расчета на один цикл репликации, поскольку при недостаточной точности обратной транскриптазы это приводит к появлению новой информации извне – как из газет. Это огромный объем информации, который отмечается практически во всех биологических системах, включая бактерии, археи и дрожжи (нет – или уже нет (?) – в некоторых ДНК-содержащих вирусах или фагах). И все это происходит в планктоне. Результаты экспериментов с образцами, собранными Tara Oceans, свидетельствуют о следующем: 13,5% белков планктона представлено ОТ по сравнению с 5% в геномах человека, но и в них ОТ является самым распространенным белком. Почему же этого специфического фермента так много в одноклеточных эукариотах, обитающих в океане? Обилие обратной транскриптазы объясняется большим количеством ретротранспозонов. Неужели для появления инноваций и выживания необходимо наличие в океане такого большого количества ретротранспозонов? Действительно ли критерием выбора являются столь существенные изменения окружающей среды?
В соответствии с третьим сценарием вирусы отвечают за горизонтальный перенос генов (ГПГ). Затем гены и вирусы перемещаются горизонтально и используются для переноса генов. Нам известно о существовании горизонтального переноса генов в обоих направлениях – от вирусов к клеткам и от клеток к вирусам. Это вполне соответствовало бы большому количеству параллельных линий. Такого не могло быть на первых этапах существования жизни на Земле, но могло появиться позже.
Строго говоря, теоретически возможен еще один вариант развития событий: вирусы и клетки формируются по большому количеству вертикальных линий, которые развиваются параллельно. В этом случае могло быть много источников. Патрик Фортер из Парижа предположил наличие трех источников; рибосомы-содержащие клетки он назвал рибовироклетками, которые продуцируют белки и вирусы. Вирусы стали «изобретателями» ДНК в трех доменах жизни независимо друг от друга. А как возникли РНК-содержащие клетки?
Существовал ли «первичный», «примордиальный» или «протовирус» – единственный вирус-предок, от которого произошли все остальные вирусы, нечто похожее на «первичное растение» Иоганна Вольфганга Гёте? Такой вопрос поднимался часто. Это могла быть самая примитивная РНК в форме вироида, но у вироидов нет специфической последовательности, а РНК, состоящая из 50 нуклеотидов, обеспечивает 450 (или 1030) возможностей, то есть сумму всех возможных последовательностей как квазивидов. Это не был настоящий первичный вирус. Пространство последовательностей, сумма всех возможных последовательностей, названное «генным пулом», до сих пор не используется всеми биологическими системами на нашей планете. Мы только недавно узнали, что РНК можно без труда получить в пробирке, о чем свидетельствует опыт, проведенный Сазерлендом. Но это не РНК-содержащий пре-протовирус, имеющий всего одну последовательность.
В 2009 г. в статье «Десять доводов в пользу исключения вирусов из древа жизни», опубликованной в Nature Reviews Microbiology, была сформулирована крайняя точка зрения. Эта статья с вызывающим названием спровоцировала выход десяти статей в ответ. И никто из десяти ученых не согласился с точкой зрения автора оригинальной статьи.
И тут вступаю я со своим личным заключительным апофеозом вирусов. Все органисты знают, что у Иоганна Себастьяна Баха после прелюдии следует фуга, которая заканчивается слиянием всех голосов и полным звучанием максимального числа труб – tutti. И вот я со своим tutti – резюме – применительно к вирусам.
Вирусы с самого начала существовали повсюду как первые способные к репликации биомолекулы, такие как вироиды. Они перепробовали все, что можно, и эволюционировали по линии комбинаторной репликации и «взаимодействия компонентов», создав многообразие в форме квазивидов. Мы можем выстроить в одну линию все имеющиеся в настоящее время вирусы и определить большинство этапов их развития. Это удивляет больше всего, поскольку практически все промежуточные виды и формы жизни вымерли. Геномы вирусов содержат в себе больше информации, чем все клетки, вместе взятые; кроме того, структура геномов вирусов более сложная, чем у всех других видов организмов, и может содержать все – РНК и/или ДНК, одноцепочечные, двухцепочечные или и те и другие, линейные, кольцевые, сегментированные, структурированные, кодирующие и некодирующие. По сравнению с таким разнообразием геномных структур наша двухцепочечная ДНК имеет на удивление простую конфигурацию. ДНК обеспечивает стабильную консервацию наиболее эффективных продуктов, увековеченных вирусами, которые являются самыми изобретательными экспериментаторами. ДНК не является стабильным «конечным продуктом», поскольку наличие транспозируемых вирусоподобных элементов гарантирует бесконечную эволюцию. Кроме того, существует многочисленные модели репликации и регуляции вирусов. Сначала в вирусах, а позднее в клетках было обнаружено большое число механизмов – сплайсинг, обратная транскриптаза, «ножницы», сдвиг рамки считывания и т.д. Вироиды выполняют в клетках человека такое число функций, как сотни белков, например осуществляют репликацию, расщепление, присоединение, эволюционное развитие, защиту. Размер вирусных геномов варьируется в пределах пяти порядков (примерно от 10 до 2,5 млн нуклеотидов), и при этом размер частиц колеблется в следующих пределах: от частиц размером с молекулу, если речь идет о безоболочечных частях РНК, до гигантских вирусов размером с бактерию, а число генов колеблется от нуля до 2500. Ноль генов у вироидов, которые «еще» не способны кодировать белки и могут осуществлять большое количество функций без генетического кода, на основании чего можно предположить, что они существовали до появления генетического кода. Они были необходимы для образования белков и кода. Другая крайность – Pandovirus dulcis, у которого генов в пять раз больше, чем у многих бактерий. Упоминалось о нескольких странных химерных вирусах: некоторые из них имеют форму странных реликтов или переходных форм и являются свидетельством промежуточных стадий или стадий развития. К ним относятся очень редкие ретрофаги или ретровироиды, а также странные белки с «забытыми» РНК-хвостами. Вирусы являются двигателем эволюции, дизайнером нашего генома и формируют наш организм.
Вирусы и клетки учатся друг у друга, обмениваются генами, рекомбинируют их в обоих направлениях, то есть мы имеем дело с коэволюцией. В последние годы у нас неоднократно вызывали удивление результаты наблюдений, согласно которым различные экосистемы – от тех, что обитают в кишечнике человека, до состава микробиома океана – мирно сосуществуют. Я слушала доклад Эрика Карсенти об океанической экспедиции. Его удивило мирное сосуществование компонентов, составляющих микробиом Мирового океана. Меня же удивило, что 73% микробиома Мирового океана и кишечника человека, состоящего из вирусов и фагов, родственны с функциональной точки зрения и что самый распространенный белок – обратная транскриптаза.
Подверженная ошибкам обратная транскриптаза ретровирусов или ретроэлементов является самым щедрым поставщиком новой информации. Полученные свидетельства подтверждают, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов. Ретроэлементы могут заполнять 75% генома кукурузы и 50% генома риса. Приобретя оболочку, они становятся подвижными и могут покинуть клетку. Обратная транскриптаза и РНКаза Н – самые распространенные белки в мире, и их структуры в ретровирусах, дрожжах, бактериях, планктоне, растениях или организме млекопитающих и человека практически ничем не отличаются.
Лично для меня удивительно, что я стала свидетелем открытия обратной транскриптазы и что до сих пор, по прошествии более 45 лет, это открытие сохраняет свою важность, что мои исследования расщепляющего фермента РНКазы привели меня к ретровирусам и позволили проследить весь эволюционный путь, а также иммунологические защитные системы. Вирусы создали противовирусную защиту. Интегрированные ретровирусы, ДНК-содержащие провирусы как клеточные гены легкодоступны для противовирусной защиты.
И те и другие используют один и тот же инструментарий. Вирусные компоненты создают противовирусные эффекты, такие как РНК-интерференция, сайленсинг, интерферон и иммуноглобулины, у которых очень схожие механизмы расщепления по принципу действия РНКазы. Ретроэлементы являются двигателем эволюции. Вероятно, даже ядра эукариотов произошли от вирусов. Возможно, они сформировали эукариоты. И наконец, скорость репликации вируса в миллионы раз быстрее, чем при прочих способах. Вирусов огромное количество, и они очень успешны.
Итак, относятся ли вирусы к живым организмам? Почти. Скорее да, чем нет. Не существует четкой границы между живыми и неживыми микроорганизмами. И на этом моя сольная партия на оргáне заканчивается.
Назад: Синтетическая биология – кошки или собаки из пробирки?
Дальше: «Скороходы» и «тихоходы»