Текст книги "Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции"

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[106]106
  Уже упоминавшаяся игра слов: ORFan – производное от Open Reading Frame (открытая рамка считывания), Orphan – сирота; в английском произношении эти слова практически неразличимы.


[Закрыть] – 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).

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[107]107
  Нобелевская премия по физиологии или медицине 2009 года была присуждена Элизабет Блекберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку за открытие теломеразы (G. Vogel and E. Pennisi. Physiology Nobel. U.S. Researchers Recognized for Work on Telomeres. Science 326 (2009): 212–213). Это, конечно, по любому счету замечательное открытие, но понятно, что отчасти побудительным мотивом для награждения служили последствия удлинения или укорочения теломер, вызываемые, соответственно, высоким или низким уровнем экспрессии теломеразы, для рака и старения. Поэтому особенно интересно, что такой важный и значимый для медицины фермент пришел прямиком из мира вирусов.


[Закрыть]. 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.