Как вирусы формируют наш мир

Related Articles

COVID–19 – напоминание о разрушительной силе вирусов, но без них жизнь в привычном нам виде была бы невозможна.

Представим себе нашу планету без вирусов.

Один взмах волшебной палочкой — и нет больше бешенства. Пропал вирус полиомиелита. Нет смертоносного вируса Эбола. Корь, свинка и всевозможные штаммы гриппа испарились. Исчез ВИЧ, и никогда не было эпидемии СПИДа. Исчезли вирусы Нипах, Хендра, Мачупо, Син Номбре — а заодно и ужасающая статистика вызываемых ими заболеваний. Нет больше лихорадки денге. Нет ротавирусов — великое благо для развивающих стран, где ежегодно от них гибнут сотни тысяч детей. Нет вируса Зика. Исчез вирус желтой лихорадки. Исчез зачастую фатальный для человека герпес B, который переносят некоторые виды обезьян. Никто больше не болеет ветрянкой, гепатитом, опоясывающим лишаем, даже обычной простудой. Нет вируса атипичной пневмонии SARS, чье появление в 2003 году, как мы теперь понимаем, было предвестием нынешней пандемии. И конечно, гнусный вирус SARS-CoV-2, возбудитель болезни COVID-19, обескураживающе разнообразной в своих проявлениях, такой коварной, опасной и заразной, полностью исчез.

Ну как, стало легче жить?

А вот и нет.

Последствия такого сценария менее очевидны, чем кажется. Ведь фактически мы живем в мире вирусов — непостижимо разнообразных, невероятно многочисленных. Только в океанах, возможно, содержится больше вирусных частиц, чем звезд в видимой части Вселенной. Млекопитающие являются носителями по меньшей мере 320 тысяч различных видов вирусов. За большими цифрами кроются большие последствия. Многие из этих вирусов приносят обитателям Земли, в том числе и человеку, не вред, а адаптивные преимущества в эволюционной гонке.

Мы бы без них никуда не продвинулись. Например, в геноме человека и других приматов есть два отрезка вирусной ДНК, без которых была бы невозможна беременность. Другая вирусная ДНК, угнездившаяся среди генов наземных животных, помогает упаковывать и хранить память в виде крохотных белковых пузырьков. До сих пор гены, скопированные у вирусов, отвечают за рост эмбрионов, регулируют работу иммунной системы, противостоят развитию рака. Мы только начинаем понимать эти функции. Вирусы играли важнейшую роль в инициировании основных эволюционных переходов. Если, как в нашем мысленном эксперименте, стереть из истории все вирусы, то колоссальное биологическое разнообразие, украшающее нашу планету, рухнет.

 

Крейг Катлер

Да, вирус — паразит, но иногда этот паразитизм больше похож на симбиоз, выгодный и пришельцу, и хозяину. Как огонь, вирусы — это феномен ни однозначно положительный, ни однозначно отрицательный. Вирусы — темные ангелы эволюции, великолепные и пугающие. Это и делает их столь интересными.

Начнем с основ и разберемся, чем вирусы являются, а чем — нет. Второй вопрос проще. Вирусы не являются живыми клетками. Клетки того типа, что в совокупности составляют наши с вами тела, или, скажем, органы растений, содержат сложный механизм для создания белков, накапливания энергии и выполнения других специализированных функций. Бактерия — тоже клетка, хотя и куда проще устроенная. Вирус ничем подобным не является.

Чем же он тогда является? За последние 120 лет определения не раз менялись. Мартин Бейеринк, голландский ботаник, изучавший вирус табачной мозаики, предположил в 1898 году, что эту болезнь растений вызывает некая заразная жидкость. Какое-то время вирус определяли преимущественно по размеру: объект намного меньше бактерии, однако способный, подобно ей, вызывать заболевание. Позже вирус стали считать ультрамикроскопическим возбудителем, содержащим лишь очень маленький геном, размножающийся только внутри живых клеток. Но это был лишь первый шаг к лучшему пониманию.

«Я выскажу парадоксальную точку зрения, а именно, что вирусы — это вирусы», — писал французский микробиолог Андре Львов в статье «Концепция вируса» (1957). Не слишком полезное определение, зато справедливое: вирусы уникальны.

Львов знал, что вирусы легче описать, нежели дать им определение. Каждая вирусная частица состоит из отрезка генетических инструкций (записанных в ДНК или другой хранящей информацию молекуле, РНК), которая упакована в белковую оболочку (капсид). Капсид может быть окружен мембраной, словно яблоко в карамели, которая защищает его и помогает прилепиться к клетке. Вирус может копировать себя только тогда, когда проникнет в клетку и захватит контроль над ее «3D принтером», который превращает генетическую информацию в белки.

Если клетке не повезет, в ней начинает производиться множество новых вирусных частиц. Они устремляются наружу, оставляя клетку в руинах. Такое разрушение, например, наносит SARS-CoV-2 эпителиальным клеткам дыхательных путей человека.

Однако если клетке повезет, вирус может просто обосноваться в своем новом уютном жилище, бездействуя или встраивая свой маленький геном в геном хозяина — и выжидает удобного случая. Этот вариант открывает множество возможностей для смешивания геномов, для эволюции и даже для нашего ощущения идентичности как людей. В популярной книге 1983 года британский биолог Питер Медавар и его жена Джин, редактор, заявили: «Ни один вирус добра не приносит: недаром говорят, что вирус — это комок неприятностей, завернутый в белок». Они ошибались (как и многие другие ученые того времени). Сегодня нам известны вирусы, которые приносят пользу. В белок завернута генетическая посылка, а неприятности там или хорошие новости, зависит от обстоятельств.

Крейг Катлер

Откуда взялись первые вирусы? Этот вопрос отсылает нас почти на четыре миллиарда лет назад, во времена, когда жизнь на Земле еще только зарождалась в бульоне, состоящем из длинных молекул, более простых органических соединений и энергии.

Допустим, некоторые из длинных молекул (скорее всего, РНК) научились самовоспроизводиться. Дарвиновский естественный отбор начался именно тогда, когда эти молекулы — первые геномы — стали размножаться, мутировать и развиваться. В поисках конкурентного преимущества некоторые из них могли отыскать или самостоятельно построить защиту в виде мембран и стенок, что привело к появлению первых клеток. Эти клетки давали потомство, разделяясь надвое. Разделились они и в более широком смысле, на бактерии и археи, два из трех доменов клеточной жизни. Третий, эукариоты (он включает и нас с вами, и все другие живые организмы — животных, растения, грибы и некоторые микроорганизмы, — чьи клетки обладают сложным внутренним строением), появился несколько позже. Таковы три огромных ветви древа жизни.

Но куда же деть вирусы? Можно ли считать их четвертой ветвью? Или они представляют собой этакую омелу, паразита, явившегося откуда-то со стороны? В большинстве версий древа жизни вирусами попросту пренебрегают.

Ряд специалистов предполагает, что вирусы не следует размещать на древе жизни, поскольку они не живые. Довольно спорный аргумент, зависящий исключительно от того, как мы определяем «живое». Куда интереснее признать, что вирусы — одни из обитателей большого шатра под названием «Жизнь», и задаться вопросом, как они туда попали.

Существует три основных объяснения эволюционного происхождения вирусов, известные как гипотеза первичности вирусов, гипотеза бродяжничества и гипотеза вырождения. Гипотеза первичности вирусов — это предположение, что вирусы появились до клеток, каким-то образом собрав себя прямиком из первичного бульона. Гипотеза бродяжничества (ее еще называют гипотезой беглой ДНК) утверждает, что гены или участки геномов вытекали из клеток, оказывались упакованными в белковые капсиды и становились бродягами, которые в конце концов нашли себе новую экологическую нишу паразитов. Согласно гипотезе редукции, вирусы произошли от неких клеток, которые под давлением естественного отбора уменьшались в размерах (самовоспроизводиться легче, если ты маленький и несложно устроен), избавлялись от генов и в конце концов дошли до такой простоты, что могли выживать, только паразитируя на других клетках.

Есть и четвертое, относительно новое объяснение, известное как гипотеза химерного происхождения вирусов. Ее создателей вдохновила одна категория генетических элементов — транспозонов, которые иногда называют «прыгающими генами». Эти предприимчивые элементы добиваются эволюционного успеха, перескакивая из одной части генома в другую, реже — из одной клетки в другую. Они используют ресурсы клетки, чтобы снова и снова создавать копии самих себя. Так транспозоны защищаются от неожиданного вымирания. Они накапливаются в очень больших количествах. Например, около половины генома человека составляют транспозоны. Согласно гипотезе химерного происхождения, первые вирусы могли появиться, когда эти элементы позаимствовали у клеток белки, чтобы прикрыть свою наготу защитными капсидами.

У каждой их этих гипотез есть свои достоинства. Но в 2003 году еще более весомой стала гипотеза редукции: был открыт гигантский вирус. Он был найден был внутри амеб — одноклеточных эукариотов. Этих амеб собрали из воды, взятой из градирни в Брэдфорде, Англия. Внутри некоторых находились загадочные комочки — достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп (а вирусы, как считалось, для этого слишком малы), и похожие на бактерии. Ученые пытались найти в них гены бактерий — безрезультатно.

Крейг Катлер

В конце концов группа марсельских исследователей позволила таинственному объекту инфицировать других амеб, секвенировала его геном, определила, что он собой представляет, и дала ему имя Mimivirus, потому что он мимикрирует под бактерий. Его диаметр был огромен — больше, чем у самых мелких бактерий. Геном у него тоже был огромный для вируса, длиной почти в 1,2 миллиона пар нуклеотидов (п. н.) — сравните, например, с 13 000 п. н. вируса гриппа. Это был «невозможный» вирус: слишком большой — эдакая бабочка с метровым размахом крыльев.

Жан-Мишель Клавери был одним из руководителей той марсельской научной группы. В результате секвенирования генома мимивируса обнаружили четыре весьма неожиданных гена. Эти гены служат для кодирования ферментов, которые считались уникальными для клеток и никогда прежде не встречались у вирусов. Эти ферменты, как объяснил Клавери, входят в число компонентов, которые расшифровывают генетический код для сборки белков из аминокислот.

«Вопрос был в том, — делится Клавери, — какого дьявола вирусу понадобились эти навороченные клеточные ферменты, если клетка и так в его распоряжении?»

И действительно, зачем они ему? Логично допустить, что энзимы просто достались мимивирусу в наследство, поскольку его предки произошли от клеток путем редукции генома.

Похожие гигантские вирусы вскоре были найдены в Саргассовом море, и первое имя стало названием рода Mimivirus, включающего несколько гигантов. Затем марсельская группа обнаружила еще двух исполинов (опять-таки, паразитирующих на амебах), одного — в морских отложениях на мелководье у побережья Чили, а другого — в пруду в Австралии. Этих громадин, чей размер может вдвое превышать размер мимивируса, равно как и других, еще более странных, выделили в самостоятельный род, которому Клавери и его коллеги дали название Pandoravirus, в память о ящике Пандоры, потому что ожидали от дальнейших исследований новых сюрпризов.

Ведущим соавтором Клавери в публикации этого исследования стала его супруга Шанталь Абергель, вирусолог и структурный биолог. Она объяснила мне, как трудно было определить, чем являются эти крохотные создания, отличающиеся и от клеток, и от обычных вирусов и обладающие многими генами, не похожими ни на что, виденное прежде. Некоторое время Абергель называла их НФЖ — новой формой жизни. Однако, увидев, что эти подопечные не размножаются делением, она и ее коллеги поняли, что имеют дело с вирусами.

Эти открытия подсказали марсельской группе смелый вариант гипотезы редукции. Возможно, вирусы действительно произошли от древних клеток, но от клеток такого типа, какого на Земле больше нет. Эта «предковая протоклетка» могла отличаться от универсального общего предка всех нынешних клеток и конкурировать с ним. Предположим, что протоклетки проиграли конкурентную борьбу и были вытеснены из всех ниш, доступных для свободноживущих созданий. Им пришлось выживать, паразитируя на других клетках; их геном уменьшился, и они превратились в то, что мы называем вирусами. Возможно, вирусы — это все, что осталось от исчезнувшего клеточного царства, своего рода головы с острова Пасхи.

Крейг Катлер

Открытие гигантских вирусов побудило других ученых, в частности, Патрика Фортера из парижского Института Пастера, выдвинуть новые предположения о том, что такое вирусы и какую конструктивную роль они сыграли и продолжают играть в эволюции клеточной жизни.

Предыдущие определения вируса были неверны, заявил Фортер, поскольку ученые путали вирусные частицы — те самые укрытые капсидом кусочки генома, которые правильнее называть вирионами, — с вирусом как целым. Это, утверждал он, все равно что путать семечко с деревом. Вирион всего лишь механизм распространения. Говоря о вирусе во всей его полноте, надо рассматривать и стадию нахождения в клетке, когда вирус захватывает контроль над ее механизмами, чтобы множить новые вирионы, свои семена. Если рассматривать эти две фазы в совокупности, становится понятно, что клетка фактически является частью истории жизни вируса.

Фортер подкрепил теорию, предложив термин для этой «объединенной целостности»: вироклетка. Новая концепция, помимо прочего, кладет конец спорам о том, «живой» вирус или нет. Вирус, согласно Фортеру, жив, когда является вироклеткой, и неважно, что его вирионы неживые.

«Идея, на которой основана концепция вироклетки, — объяснял мне Фортер по скайпу из Парижа, — прежде всего в том, что нам нужно сфокусировать внимание на внутриклеточной стадии». Это та деликатная стадия, когда инфицированная клетка, подобно зомби, подчиняется приказам вируса, читая его геном и размножая его, но при этом порой делая пропуски, совершая отклонения и ошибки. В процессе, рассказал Фортер, в геноме вируса могут возникать новые гены. «И это для меня главный момент», — признался ученый.

Вирусы привносят инновации, но клетки отвечают другими инновациями — оборонительными, среди которых были, скажем, клеточная стенка и ядро. Получается гонка вооружений, приводящая к нарастанию сложности. Многие ученые полагают, что основные эволюционные изменения у вирусов происходят по схеме «вирус-вор»: они захватывают ДНК то у одного, то у другого инфицированного организма, а затем присоединяют похищенное к своему геному. Фортер утверждает, что воровство чаще совершает вторая сторона — клетки захватывают гены у вирусов.

Если взглянуть шире, то получается, что вирусы — чуть ли не основной источник генетического разнообразия. Действительно, они уже несколько миллиардов лет расширяют эволюционные возможности клеточных организмов, привнося в их геномы новый генетический материал. Такова одна из разновидностей феномена, известного как горизонтальный перенос генов, при котором гены передаются от организма другим организмам, не являющимся его потомками. (Более привычная форма передачи генетического материала — вертикальный перенос, от предков к потомкам.) Приток вирусных генов в клеточные геномы был, по утверждению Фортера и его соавтора, «ошеломительным» — воздействием этого процесса можно объяснить некоторые важные эволюционные переходы, например, возникновение ДНК, ядра в сложных организмах, клеточных стенок и, может быть, даже разделение трех главных ветвей на древе жизни.

Крейг Катлер

Три года назад я слетал в Париж, чтобы поговорить с одним человеком об одном вирусе и одном гене. Человека звали Тьерри Эдманн, а ген — синцитин-2. Эдманн и его группа обнаружили этот ген, просматривая человеческий геном — все его 3,1 миллиарда пар нуклеотидов — в поисках последовательностей ДНК, каковые выглядели бы похожими на ген, который вирус смог бы использовать для создания своей оболочки. Таких они нашли около двадцати.

«По меньшей мере два оказались очень важными», — пояснил Эдманн. Дело в том, что они были способны выполнять функции, необходимые для нормального протекания беременности. Речь идет о генах синцитин-1, который был ранее обнаружен другими учеными, и синцитин-2, честь открытия которого принадлежит группе Эдманна. Как эти вирусные гены стали частью генома человека и с какими целями они были присвоены? Ответ на эти вопросы следует искать в удивительной истории, которая начинается с концепции эндогенных ретровирусов человека.

Ретровирус — это вирус с РНК-геномом, который использует механизм обратной транскрипции (отсюда и приставка ретро-). Вместо того чтобы пускать ДНК на синтез РНК, которая затем отправляется в «3D принтер» клетки, дабы побудить ее производить белки, эти вирусы, наоборот, с помощью РНК синтезируют ДНК и затем встраивают ее в геном зараженной клетки. Например, ВИЧ — это ретровирус, инфицирующий иммунные клетки человека и вставляющий свой геном в геном клетки. В какой-то момент вирусная ДНК активируется, становясь шаблоном для создания множества ВИЧ-вирионов, которые, вырываясь наружу, убивают клетку.

И вот тут-то и происходит интересный поворот: некоторые ретровирусы инфицируют репродуктивные клетки — те, что развиваются в яйцеклетки и сперму, — и при этом встраивают свою ДНК в наследуемый геном хозяина. Эти встроенные участки называются эндогенными (то есть внутренними) ретровирусами, а те что встроены в геном человека, — эндогенными ретровирусами человека (ЭРВЧ). Даже если все остальное содержание этой статьи вы забудете, одно вам запомнится наверняка: 8 процентов генома человека состоит из такой вот вирусной ДНК, привнесенной вирусами в ходе эволюции. Одна из наиболее последовательных «вставок» такого рода — синцитин-2.

Четыре часа я сидел в кабинете Эдманна, пока он рассказывал мне о происхождении и функциях этого конкретного гена. Суть его рассказа, в общем, проста. Ген, который изначально помогал вирусу слиться с клеткой, пробрался в геномы древних животных, после чего его задача изменилась: он стал производить похожий белок, который помогает слиться клеткам так, чтобы те образовали особую структуру вокруг органа, ставшего плацентой. В результате перед некоторыми животными открылась новая возможность: живорождение. Это новшество позволило самкам носить развивающееся потомство внутри себя, а не оставлять его в виде яиц, например в гнезде, где ему грозит множество опасностей.

Первый такого рода ген, полученный от эндогенного ретровируса, был затем заменен другими, похожими, но лучше подходящими для отведенной им роли. Со временем новый способ воспроизводства совершенствовался, и плацента эволюционировала. Среди таких приобретенных вирусных генов был синцитин-2, один из двух имеющихся у человека синцитинов, которые помогают соединять клетки для формирования плацентарного слоя, прилегающего к матке. Эта уникальная структура пропускает внутрь питательные вещества и кислород, удаляет отходы жизнедеятельности и углекислый газ. Так эволюция превратила вирусное в человеческое.

Крейг Катлер

В конце беседы я спросил: о чем же это все говорит нам с точки зрения эволюции? «Наши гены — не только наши, — резюмировал Эдманн. — Это еще и гены ретровирусов».

В клад ретровируса, подарившего нам синцитин-2, всего лишь фрагмент огромной картины. Другой фрагмент — ген ARC, экспрессируемый в ответ на нейронную активность у млекопитающих и мух. Он очень похож на ретровирусный ген, кодирующий белковый капсид. Недавнее исследование заставляет предположить, что ARC играет главную роль в хранении информации внутри нейронных сетей. По-другому это называется память. Похоже, ARC делает это, упаковывая информацию, полученную из опыта (воплощенную в РНК), в крошечные белковые мешочки, которые разносят ее от одного нейрона к другому.

А в Медицинской школе Стэнфордского университета исследователь Джоанна Высоцка с коллегами обнаружили, что вирусные фрагменты, произведенные еще одним эндогенным ретровирусом человека, известным как ЭРВЧ-К (HERV-K) присутствуют внутри человеческих эмбрионов на самых первых стадиях и, возможно, играют какую-то позитивную роль в защите эмбриона от вирусных инфекций, или в контроле эмбрионального развития, или и в том, и в другом. Далее группа сфокусировалась на одном конкретном транспозоне, который, похоже, проник в геном человека в качестве предшественника ЭРВЧ-К, а затем нашел способы копировать себя и перескакивать на другие части генома, так что теперь разбросан по нему в виде 697 копий. Эти копии, видимо, помогают приводить в действие три сотни человеческих генов.

«Это просто в голове не укладывается, — говорит Высоцка, — ЭРВЧ составляют около 8 процентов генома человека — ту часть, которую можно назвать „кладбищем былых ретровирусных инфекций“». Еще сложнее осознать, что история прошлых ретровирусных инфекций продолжает формировать нашу эволюцию как биологического вида.

Минус такой эволюционной подвижности, конечно, состоит в том, что вирусы могут порой менять носителей. Это явление можно назвать «межвидовым переходом», и именно так возникает большинство новых инфекционных заболеваний, поражающих человека, — из-за вирусов, полученных от носителя-животного.

Крейг Катлер

В своих изначальных носителях, известных в науке как естественные резервуары, вирус может жить тихо и спокойно, чрезмерно не размножаясь и не нанося особого ущерба, тысячи лет, эволюционно притираясь к хозяину, получая безопасность в обмен на смирное поведение. Однако, перебравшись к новому носителю, например к человеку, вирус не обязательно будет соблюдать условия старой сделки: он может начать бурно размножаться, вызывая у своей новой жертвы дискомфорт и даже страдания.

Если вирусу удается не только размножиться, но и начать распространяться, то говорят о вспышке болезни. Если болезнь распространяется на район или страну, это эпидемия. Если она охватывает весь мир, это пандемия. Так мы вернулись к SARS-CoV-2.

Некоторые вирусы особенно расположены вызывать пандемию. Среди них почетное место занимают коронавирусы. Их геном устроен особым образом, они способны быстро изменяться и эволюционировать, наконец, на их счету уже есть серьезные заболевания, например, SARS (2003) и MERS (2015). Так что, когда для описания новой болезни, вспыхнувшей в китайской провинции Ухань, начали использовать термин «коронавирусная инфекция нового типа», этого было достаточно, чтобы специалисты во всем мире вздрогнули.

Коронавирусы принадлежат к печально известной категории — одноцепочечным РНК-вирусам. В эту группу входят возбудители гриппа, лихорадки Эбола, бешенства, кори, вирус Нипах, хантавирусы и ретровирусы. Печально известны они отчасти потому, что геном, построенный на РНК, подвержен частым мутациям при размножении вируса, следствием чего является большое количество случайных генетических вариаций, которые становятся материалом для естественного отбора.

Коронавирусы, впрочем, эволюционируют сравнительно медленно для РНК-вирусов. У них довольно длинные геномы (у SARS-CoV-2 его длина составляет около 30 тысяч п. н.), однако они изменяются не так быстро, как некоторые другие, потому что у них есть корректирующий мутацию фермент. И все же они способны совершить трюк, называемый рекомбинацией — когда два штамма коронавируса, инфицировавшие одну клетку, обмениваются участками своих геномов и порождают третий, гибридный штамм. Возможно, именно так возник коронавирус нового типа, SARS-CoV-2.

Носителем вируса-предка, вероятно, была летучая мышь, скажем подковонос — обычный носитель коронавирусов. Если рекомбинация, добавившая несколько принципиально важных новых элементов, действительно имела место, она могла произойти в организме как летучей мыши, так и другого животного. Ученые изучают и эти, и другие возможности, секвенируя и сравнивая геномы вирусов, найденных у разных потенциальных носителей. На данный момент точно известно лишь одно: человеческий SARS-CoV-2 в своем нынешнем виде — хитрый вирус, способный к дальнейшей эволюции.

Итак, вирусы дают и вирусы берут. Возможно, потому так непросто подыскать им место на древе жизни, что история этой самой жизни на самом деле не строится по древовидной схеме — это всего лишь привычный нам со времен Чарльза Дарвина способ представления эволюции. Но Дарвин, каким бы он ни был великим, ничего не знал о вирусах. И если полное осознание их сложности позволит нам, людям, лучше понять переплетение и взаимозависимость всего сущего в мире живой природы, если размышления о нашей вирусной составляющей позволят нам хоть в какой-то мере преодолеть свою надменную отстраненность, то решайте сами, зло это или благо. 

Источник: nat-geo.ru

More on this topic

Comments

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Пожалуйста, введите ваш комментарий!
пожалуйста, введите ваше имя здесь

Advertisment

Popular stories

Перцы-гиганты: сорта перца с самыми крупными плодами

Почему многим из нас нравятся крупные плоды? Не знаю. Но вот сама в прошлом году «подсела» на большие и мясистые биф-томаты, а нынче хочу...