20.3 C
Москва
Понедельник, 10 августа, 2020

Наше мнение

5 продуктов, провоцирующих появление морщин

Вот от чего стоит отказаться, чтобы не спровоцировать появление преждевременных морщин: 1. Острые приправы Наиболее важными свойствами, из-за которых многие специалисты рекомендуют добавлять острые приправы, специи...

«Лукашенко из любимца масс стал человеком, которого ненавидят белорусы»

«Лукашенко отрицает, что кто-то может быть против него, и приравнивает своих оппонентов к врагам государства. Это плохие люди, которые действуют в интересах иностранных сил...

На что жалуются российские туристы на отдыхе

На горячую линию поступило несколько сотен звонков и столько же сообщений на электронную почту. Более половины обращений связаны с нарушениями социальной дистанции в общественных...

Канада наносит ответный удар по продукции США

«В то время, когда мы сталкиваемся с пандемией, работая по обе стороны канадско-американской границы, чтобы предотвратить гибель людей и защитить рабочие места, торговый спор...

Каждый третий ребенок в мире отравлен свинцом

ЮНИСЕФ опубликовал отчет под названием «Токсичная правда ...», авторы которого раскрывают масштабы проблемы отравления свинцом среди детей. Первый такой отчет показывает, что в мире...

Вучич: Мы ждем отмены налогов, чтобы продолжить диалог

- С их стороны были Тачи и Колак, с нашей стороны Йович и я, - сказал Вучич. Он повторил, что в ближайшие дни, «как завтра,...

Руководство диаспор о межнациональном конфликте в Москве

Для объяснения позиции представителями общин обеих народов в студию телеканала "Дождь" был приглашен со стороны азербайджанского меньшинства Шамиль Тагиев. Он сказал, что от имени...

Как изменилась жизнь в самом северном городе мира, после начала глобального потепления?

Архипелаг Шпицберген был известен исландцам в конце 12-го века, а европейцы тут охотились на китов, моржей и тюленей с 18-го века. Затем более 100...

Гигантские вирусы – потерянная ветвь на древе жизни

Гигантские вирусы инфицируют одноклеточные организмы. Больше всего их найдено среди амеб (Mimiviridae, Pandoravirus, Marseillevirus и Pithovirus), но также они известны у различных водорослей (Phycodnaviridae). Открытие гигантских вирусов в начале XXI века застало врасплох самых известных в мире ученых, заставив одних выдвигать невероятные теории их происхождения, а других – ломать голову над их опровержением.

Гигантские вирусы стоят отдельного рассмотрения. Седьмого апреля 2017 в журнале Science было опубликовано сообщение о новом ранее невиданном гигантском вирусе названном Klosneuvirus (KNV) в честь небольшого городка Клоштернойбург в Австрии. Исключительная важность этой находки заключается не в самом факте описания нового вируса (на самом деле, этот вирус никто даже не выделял в чистую культуру, чтобы тщательно описать!), а в том, какие белки закодированы в геноме этого вируса.

Оказалось, что KNV имеет почти полный набор из девятнадцати аминоацил тРНК синтетазы (aaRS) – ключевых энзимов для встраивания двадцати типов аминокислот в процессе биосинтеза всех протеинов (трансляции). До этого рекорд по количеству aaRS энзимов (7 штук) принадлежал другому гигантскому вирусу Megavirus chilensis (MCV), принадлежащий к роду Mimivirus. Суть ситуации заключается в том, что трансляция является процессом характерным только для клеточных организмов, а вирусы по определению молекулярные паразиты, которые пользуются услугами (то есть, нагло отбирают) трансляционного аппарата представителей одного из трех доменов жизни – архей, бактерий или эукариот. Вирус, у которого есть aaRS синтетазы до девятнадцати аминокислот — это нечто совершенно неслыханное! Поэтому Klosneuvirus представляет собой уникальную возможность проверить гипотезу принадлежности гигантских вирусов к мистическому четвертому домену жизни путем сравнения вирусных и клеточных аминоацил тРНК синтетазы.

Но обо всем по порядку: как всегда, сначала немножко контекста, а дальше – подробно разберем, какие выводы были сделаны из вышеупомянутого исследования.

Все живые организмы традиционно разделяют на три большие группы, называемые ” доменами жизни ” . Основой для такого разделения служат различия в наиболее важной молекулярной машине клетки, отвечающий за построение белков – рибосоме . Поэтому, рибосомы эукариот, архей и бактерий различаются между собой по структуре и количеству элементов. В свою очередь, вирусы, так же традиционно относят к неклеточным формам, поскольку они не кодируют никаких компонентов биосинтеза белков. Это принципиальное ограничение делает невозможным выяснение положения вирусов на дереве жизни.

Размышление над этой проблемой привело к консенсусному решению о том, что не существует единой точки возникновения вирусов. Зато, различные вирусы возникали независимо на разных этапах развития жизни на Земле . Но это никоим образом не объясняло сам механизм образования вируса. На этот счет существует как минимум три гипотезы, одну из которых мы как раз-таки обсудим в свете современных исследований гигантских вирусов. Это теория регрессивной эволюции или дегенерации, согласно которой вирусы в прошлом были клетками, потерявшими большую часть клеточных систем включая компоненты трансляции белков.

Возможной причиной такого радикального упрощения ученые называют паразитический образ жизни: постепенно, гипотетический предок вирусов становился все более зависимым от клетки-хозяина, теряя свои части, которые становились ненужными. Долгое время было абсолютно непонятным каким образом клеточный организм может дойти до состояния вируса, поскольку даже самый простой микроб имел гораздо более сложное строение и большее количество и разнообразие генов, чем любой объект классической вирусологии. Но в начале 2000-х гипотеза регрессии неожиданно получила мощный толчок с появлением первых сообщений о гигантских вирусах (ГВ) – ученые разглядели в них возможные переходные формы между “сложными” клетками и “простыми” вирусами.

Экстраординарные находки как правило провоцируют экстраординарные объяснения. Однако, чтобы оставаться беспристрастными, стоит отметить, что в то же время разрабатывалась альтернативная гипотеза о происхождении ГВ. Она основывалась на диаметрально противоположном утверждении: гигантские вирусы произошли от меньших ДНК-вирусов, путем постепенного накопления дополнительных генов. И как обычно бывает в хорошем научном блокбастере, у обоих объяснений были сильные и слабые аргументы. Поэтому, попробуем в этом разобраться.

Основная сложность в изучении гигантских вирусов заключается в том, что они крайне нетипичны, в буквальном смысле “рвут шаблон”, разрушают устоявшуюся схему классификации живого. Это следует из анализа качественного и количественного состава геномов ГВ: они отчасти содержат гены, характерные только для клеточных организмов, а также по размерам они входят в диапазон последних. Поэтому ГВ размывают границы между клеточными формами жизни и вирусами.

До недавнего времени считалось, что размеры генома ДНК вируса не могут превысить отметку в полмиллиона пар нуклеотидов , поскольку на него действуют по крайней мере два эволюционных ограничения. Во-первых, чем больше геном, тем более сложным и длительным является процесс его воспроизводства, а для вируса вопрос скорости является вопросом выживания.

Во-вторых, энзим, который выполняет копирование генома – ДНК-полимераза-, склонна делать ошибки. На самом деле, неточность — это фундаментальная характеристика всей без исключения полимеразы (в клеточных организмах так же). Но вирусные полимеразы допускают значительно большего числа огрехов. С одной стороны, это позволяет им быстрее эволюционировать и противодействовать иммунитету. Но, с другой стороны, это увеличивает риски потерять функционально важный ген, что приведет к нежизнеспособности вируса. Считается, что для малых и средних вирусов это не представляет серьезной угрозы из-за высокой репродуктивной активности (вирусы берут количеством, а не качеством). Однако, с ростом величины генома и числа жизненно важных генов, частота критических поломок непропорционально увеличивается. Появление на радаре современной науки гигантских вирусов четко указывало на явные пробелы в нашем понимании факторов и направлений эволюции ДНК вирусов в целом.

Итак, кричащее несоответствие между теорией и наблюдениями требовала объяснений. И первые зацепки ученые получили, анализируя качественный состав геномных мимивирусов группы A, B и C. Как вы уже догадались, сейчас речь пойдет об универсальных консервативных генах необходимых для синтеза протеинов: аминоацил-тРНК синтетазы (aaRS).

Как отмечалось выше они характерны только для клеточных организмов, поэтому их наличие у вирусов само собой было сенсацией. Но еще большее удивление у ученых вызвали результаты анализа происхождения этих генов. Оказалось, что большинство из них (кроме aaRS для тирозина, TyrRS) образовывали отдельную эволюционную ветвь на древе жизни отличную от всех других живых существ. То есть вирусы имели собственные ни на что не похожие гены для обеспечения одного из основных процессов, на котором базируется жизнь, – трансляция! Логическим выводом из этого стало то, что гигантские вирусы является четвертым равноправным членом элитного клуба «Домены Жизни». По тРНК синтезазе, они была явно родственны амебе – природному хозяину мимивируса. Это указывало на возможность горизонтального переноса TyrRS гена от амебы к вирусу. Однако, с той же вероятностью процесс мог пойти и в обратном направлении. Решить этот вопрос в то время было невозможно из-за неопределенного филогенетического положения самой амебы (речь идет о Entamoeba histolytica) на эукариотическом эволюционном дереве.

Другой интересный вывод следовал из анализа распределения aaRS генов среди представителей трех разных групп мимивирусов. Следовательно, в группах A и B наблюдается отсутствие определенных генов аминоацил тРНК синтетазы, тогда как в группе C присутствуют все aaRS, характерные для групп A и B, плюс одна уникальная. Это было свидетельством того, что общий предок мимивируса имел значительно более широкий репертуар aaRS генов, и, соответственно, представители группы C являются наиболее похожими на предков. В дальнейшем различные эволюционные линии мимивирусов независимо друг от друга теряли эти гены в ходе адаптации к конкретным хозяевам, что является наглядным примером регрессивной эволюции. Экстраполировав эту тенденцию, исследователи пришли к выводу, что общий предок мимивирусов имел строение значительно более сложное, чем все современные мимивирусы, и вероятно мог быть клеточным организмом.

Но несмотря на всю красоту и прорывность теории, в ней оставалось немало недостатков: несоответствие филогении TyrRS было лишь одним из многих. И пока защитники четырех доменов старательно отвечали на все упреки оппонентов, другие готовили финальный удар по теории.

Первым звонком стала демонстрация генетического родства всех ядерно-цитоплазматических больших ДНК вирусов (nucleo-cytoplasmic large DNA viruses, NCLDVs ). Эта группа, кроме гигантских вирусов вроде мимивируса и пандоравируса, включает также меньшие вирусы такие как вирус оспы (сейчас предложено объединить все семьи NCLDVs – Poxviridae, Asfarviridae, Iridoviridae, Ascoviridae, Mimiviridae, Phycodnaviridae и Marseillevirus – в порядке Megavirales). Такие результаты вытекали из анализа пяти универсальных консервативных генов присутствующих во всех этих вирусах. Итак, с этого момента эволюцию мимивирусов следует рассматривать только в контексте имеющихся данных о NCLDVs вирусах, а не отдельно как это делалось раньше. В ходе сравнения мимивирусов с их NCLDV-побратимами оказалось, что и огромный размер генома (более миллиона пар нуклеотидов) и наличие генов, задействованных в трансляции протеинов (в частности, aaRS), является скорее исключительной особенностью мимивирусов, чем общей закономерностью организации представителей указанной группы. Противники теории четырех доменов использовали это как аргумент в пользу большей вероятности сценария, по которому и гигантские вирусы произошли от меньших путем заимствования генов у клеток. В то же время, поборники теории настаивали, что остальные вирусы NCLDVs группы были редуцированной формой мимивируса, которые еще дальше продвинулись на пути дегенерации.

Вместе с тем, более радикальные противники концепции четырех доменов вообще отвергали саму возможность выяснить степень родства гигантских вирусов и клеточных организмов, указывая и существенную методологическую ошибку такого анализа. Как отмечалось выше, вирусная ДНК полимераза является менее точной, чем клеточная, и соответственно ДНК вирусы эволюционируют быстрее клетки. Поэтому, даже если вирус получил определенный ген путем горизонтального переноса от клетки, то в течение непродолжительного времени последовательность такого гена изменится до неузнаваемости, и клетку-донора уже невозможно будет установить. Соответственно, на эволюционном дереве, построенном по таким генами, вирусы будут гарантированно становиться в конфигурацию четвертого домена.

В дополнение к вышесказанному, детальный анализ генов мимивирусов показал, что часть из них не характерны для амеб, а происходят от других эукариот и даже бактерий. Это наблюдение лишний раз указывает на склонность мимивирусов присваивать чужие гены. Собственно, примерно при таких раскладах мы выходим на последнее сообщение из области гигантских вирусов, которое, согласно уважительным изданиям, «разжигает споры вокруг их происхождения с новой силой».

Итак, 7-го апреля 2017 группа ученых из Австрии и США публикует сообщение о новом типе гигантского вируса, найденном в одной из цистерн водоочистной станции в городке Клоштернойбург близ Вены. Вирусная ДНК в образце воды была обнаружена путем так называемого метагеномного секвенирования – метода, позволяющего устанавливать почти полные последовательности ДНК в материале по окружающей среде без необходимости лабораторного культивирования. Дополнительно, исследователи также продемонстрировали наличие вирусных частиц (капсидов) по размеру и форме похожих на таковые у гигантских вирусов. Длина генома Клоснойвируса (KNV) составила около полутора миллионов пар нуклеотидов. Технология метагеномного секвенирования предусматривает постепенную сборку длинных последовательностей со значительно более коротких (длиной всего 100 нуклеотидов). Но ученые уверяют нас в высоком качестве собранного генома, указывая на достаточную глубину секвенирования и надежное перекрытие фрагментов, однородность относительного содержания GC пар и наличие вирус-специфических генов по всей длине генома. Построение эволюционного дерева по пяти универсальным консервативным генам, характерных для NCLDVs вирусов, которое четко указывало на родство KNV с мимивирусами. Но в то же время KNV имел почти 2500 типов генов, ранее никогда не выявленных у мимивирусов.

Н о гораздо более показательны результаты филогенетического анализа аминоацил-тРНК синтетазы KNV. Как отмечалось в начале, KNV имеет 19 aaRS генов, что значительно превосходит их количество у мимивирусов. В случае, если гигантские вирусы являются реликтом эпохи последнего универсального общего, мы ожидаем, что все эти гены должны иметь уникальную эволюционную историю неразрывно связанную с развитием собственно их носителей – вирусов. Однако, по данным авторов только один из 19-ти генов (аминоацил-тРНК синтеназа для изолейцина) шаг за шагом повторяет эволюционный путь гигантских вирусов. К объяснению этого наблюдения вовсе не обязательно привлекать теорию о происхождения ДНК вирусов от эфемерной четвертой ветки жизни. Проще предположить, что произошло единственное событие захвата гена изолейциновой aaRS общим предком. Что касается остальных 18 aaRS генов, наиболее вероятный сценарий предполагает их независимое вступления в разное время путем горизонтального переноса от различных клеточных организмов.

Интересно, что два других aaRS гена (для гистидина и глутаминовой кислоты) действительно образуют 4-й домен между бактериями и археями, но исследователи объясняют это быстрыми темпами эволюции данных генов. В общем выводы сделаны, но результаты исследования неутешительны для сторонников теории 4-го домена. Гигантские вирусы больше напоминают карманных воров генов чем древнюю эволюционную ветвь жизни.

Такие результаты кажутся достаточно логичными, поскольку гигантский вирус с почти полным набором aaRS генов все равно остается по своей сути вирусом и никоим образом не напоминает клетку. С другой стороны, наиболее редуцированный организм известный науке, который в прошлом был клеткой – митохондрия – совсем не похожа на вирус и совсем не потеряла трансляционный аппарат. Вместе с тем, если исследователи действительно намерены убедить нас в том, что гигантские вирусы образовались путем постепенного накопления генов, взятых от клеток, они должны быть готовы ответить на серьезный вопрос: “Зачем вирусам свои гены биосинтеза белка, в чем эволюционный смысл такого клептоманического поведения, так сказать, ведь остальные вирусы полностью удовлетворяет свои потребности в экспрессии генов за счет клеточных факторов?». Этот вопрос требует глубокого понимания биологии мимивирусов, которого пока нет.

Пока ученые радуются только спекуляциям. Возможно, например, собственные аминоацилы тРНК синтетазы нужны вирусам для обеспечения бесперебойного синтеза протеинов в случае, если клетка-хозяин выключает процессы биосинтеза в рамках антивирусного ответа. Другая гипотеза принимает во внимание тот факт, что геномы вирусов и амеб отличаются по относительному содержанию GC нуклеотидов ДНК (у амеб их больше), поэтому вирус использует несколько иные кодоны для определения тех же аминокислот. Поэтому, собственные aaRS гены (а также гены транспортных РНК) нужны вирусу для компенсации несоответствий его генетического кода с таким в клетке-хозяине. В продолжение этого соображения ученые отмечают, что чем больше вирус имеет генов для обеспечения синтеза протеинов, тем меньше он зависит от генетического контекста, в котором оказывается, и тем шире круг его потенциальных жертв.

Поделиться:

ОСТАВЬТЕ КОММЕНТАРИЙ

Please enter your comment!
Please enter your name here

Последние новости

На борьбу с коронавирусом в Абхазию отправились московские врачи

Сотрудники медицинского университета им. И.М. Сеченова будут помогать местным врачам бороться с COVID-19. Они дадут необходимые консультации пациентам, пребывающим в тяжелом состоянии. В составе прибывшей...

В Воронеже в столкновении двух иномарок пострадал 2-летний мальчик

Водитель автомобиля «Рено Датсун», 41-летняя местная жительница, двигаясь по второстепенной дороге, не пропустила на перекрёстке «Фольксваген Поло» с 28-летней местной жительницей за рулём и...

Такси в Волгограде протаранило столб, пострадали водитель и пассажир

9 августа 37-летний водитель автомобиля-такси «Рено Логан» ехал по улице Рабоче-Крестьянской в сторону улицы КИМ. Около 6 часов 37 минут автомобилист напротив дома №...

В Алтайском крае за выходные скончались 9 человек с коронавирусом

За 8 и 9 августа среди пациентов с коронавирусом зафиксировано 9 летальных случаев. В 5 из них причиной смерти стала именно инфекция. Лечение продолжают...

Оптимальную частоту занятий сексом выяснили ученые

Многие семьи занимаются любовью чаще или реже предлагаемой периодичности. Психолог Таня Сухинина, в свою очередь, отмечает, что раз в неделю – это обычно «золотая...