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

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[108]108
  На ум приходит метафора корабля Тезея, которую неоднократно использовал в обсуждении эволюции генома Антуан Данчин: вопрос, который якобы задали Дельфийскому оракулу – если в корабле героя (о котором с любовью заботились благодарные граждане) постепенно заменить все доски на новые, возможно, из другого материала и даже чуть иной формы, но общие очертания останутся узнаваемыми, будет ли это все тот же корабль? «Правильного» научного определения тождественности не может существовать (см. прил. I), но внутри контекста и следуя логике нашего изучения мира вирусов разумным ответом кажется «да» (хотя и со множеством но).


[Закрыть]. 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[109]109
  Ли ван Вален предложил эту гипотезу в явной форме в 1973 году (L. Van Valen. A New Evolutionary Law. Evol. Theory 1: 1—30). Ее название происходит от знаменитой сцены из «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла, где Красная Королева объясняет Алисе: «Ну а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте» (пер. Н. Демурова).


[Закрыть], 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[110]110
  В совсем недавней работе мы с коллегами даем консервативные количественные оценки числа генов, кодирующих системы защиты у разнообразных бактерий и архей, и приводим данные, свидетельствующие о тесном и сложном взаимодействии между этими системами (Makarova KS, Wolf YI, Koonin EV. Comparative genomics of defense systems in archaea and bacteria. Nucleic Acids Res. 2013 Mar 6).


[Закрыть].

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)[111]111
  По-видимому, существует тесное сопряжение между системами ПКС и системами активной защиты, такими как CRISPR-Cas и рестрикция-модификация. Говоря в несколько антропоморфных терминах, когда защитные системы не справляются с инфекцией, они посылают сигнал бедствия системам ПКС, и клетка совершает самоубийство, что позволяет избежать заражения других клеток в той же колонии. По-видимому, эволюция альтруизма, в такой простейшей форме, возможна и у прокариот (Makarova KS, Anantharaman V, Aravind L, Koonin EV. Live virus-free or die: coupling of antivirus immunity and programmed suicide or dormancy in prokaryotes. Biol Direct. 2012 Nov 14;7:40; Makarova KS, Wolf YI, Koonin EV. Comparative genomics of defense systems in archaea and bacteria. Nucleic Acids Res. 2013 Mar 6).


[Закрыть].

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)[112]112
  В последнее время обнаруживаются все более разнообразные системы взлома защиты, кодируемые бактериофагами. Пожалуй, наиболее поразительный пример – недавнее открытие у нескольких бактериофагов собственной системы CRISPR-Cas, которая содержит спейсеры, инактивирующие рестрикционные системы бактерии-хозяина (Seed KD, Lazinski DW, Calderwood SB, Camilli A. A bacteriophage encodes its own CRISPR/Cas adaptive response to evade host innate immunity. Nature. 2013 Feb 28;494(7438):489-91).


[Закрыть]. 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.