Misterij podrijetla virusa

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Virusi jedva da su živi. Međutim, njihovo podrijetlo i evolucija još su manje shvaćeni od nastanka "normalnih" staničnih organizama. Još uvijek se ne zna tko se pojavio ranije, prve stanice ili prvi virusi. Možda su oduvijek pratili život, poput pogubne sjene.

Problem je u tome što virusi nisu ništa drugo do fragmenti genoma (DNA ili RNA) zatvoreni u proteinski omotač. Oni ne ostavljaju tragove u fosilnom zapisu, a sve što im preostaje za proučavanje prošlosti su moderni virusi i njihovi genomi.

Uspoređujući, pronalazeći sličnosti i razlike, biolozi otkrivaju evolucijske veze između različitih virusa, određuju njihova najstarija obilježja. Nažalost, virusi su neobično varijabilni i raznoliki. Dovoljno je podsjetiti da njihovi genomi mogu biti predstavljeni lancima ne samo DNK (kao kod nas i npr. herpes virusi), već i srodne RNA molekule (kao u koronavirusima).

Molekula DNA/RNA u virusima može biti jednolančana ili segmentirana na dijelove, linearna (adenovirusi) ili kružna (poliomavirusi), jednolančana (anelovirusi) ili dvolančana (bakulovirusi).

Vizualna znanost Virus gripe A / H1N1

Strukture virusnih čestica, osobitosti njihovog životnog ciklusa i druge karakteristike, koje bi se mogle koristiti za uobičajenu usporedbu, nisu ništa manje raznolike. Više o tome kako znanstvenici zaobilaze ove poteškoće možete pročitati na samom kraju ovog posta. Za sada, prisjetimo se što je zajedničko svim virusima: svi su oni paraziti. Nije poznat niti jedan virus koji bi mogao samostalno provoditi metabolizam, bez korištenja biokemijskih mehanizama stanice domaćina.

Niti jedan virus ne sadrži ribosome koji bi mogli sintetizirati proteine i nitko ne nosi sustave koji omogućuju proizvodnju energije u obliku ATP molekula. Sve ih to čini obveznim, odnosno bezuvjetnim intracelularnim parazitima: ne mogu postojati sami.

Nije iznenađujuće da su se, prema jednoj od prvih i najpoznatijih hipoteza, najprije pojavile stanice, a tek onda se na ovom tlu razvio cijeli raznolik virusni svijet.

Regresivno. Od složenog do jednostavnog

Pogledajmo rikecije – također unutarstanične parazite, iako bakterije. Štoviše, neki dijelovi njihovog genoma su bliski DNK, koji se nalazi u mitohondrijima eukariotskih stanica, uključujući ljude. Navodno su obojica imali zajedničkog pretka, ali osnivač "linije mitohondrija", zarazivši stanicu, nije je ubio, već je slučajno sačuvan u citoplazmi.

Kao rezultat toga, potomci ove bakterije izgubili su masu više nepotrebnih gena i degradirali na stanične organele koje domaćine opskrbljuju molekulama ATP-a u zamjenu za sve ostalo. “Regresivna” hipoteza o podrijetlu virusa smatra da se takva degradacija mogla dogoditi njihovim precima: nekoć potpuno punopravni i neovisni stanični organizmi, tijekom milijardi godina parazitskog života, jednostavno su izgubili sve suvišno.

Ova stara ideja oživljena je nedavnim otkrićem divovskih virusa kao što su pandoravirusi ili mimivirusi. Oni ne samo da su vrlo veliki (promjer čestica mimivirusa doseže 750 nm - za usporedbu, veličina virusa gripe je 80 nm), već nose i iznimno dug genom (1,2 milijuna nukleotidnih veza u mimivirusu naspram nekoliko stotina u uobičajeni virusi), koji kodiraju stotine proteina.

Među njima su i proteini neophodni za kopiranje i "popravak" (popravak) DNK, za proizvodnju glasničke RNA i proteina.

Ovi paraziti mnogo manje ovise o svojim domaćinima, a njihovo podrijetlo od slobodnih predaka izgleda puno uvjerljivije. Međutim, mnogi stručnjaci smatraju da to ne rješava glavni problem - svi bi se "dodatni" geni mogli pojaviti iz divovskih virusa kasnije, posuđeni od vlasnika.

Uostalom, teško je zamisliti parazitsku degradaciju koja bi mogla otići tako daleko i utjecati čak i na oblik nositelja genetskog koda i dovesti do pojave RNA virusa. Ne čudi što se jednako poštuje još jedna hipoteza o podrijetlu virusa – potpuno suprotna.

Progresivna. Od jednostavnog do složenog

Pogledajmo retroviruse čiji je genom jednolančana RNA molekula (na primjer, HIV). Jednom u stanici domaćina, takvi virusi koriste poseban enzim, reverznu transkriptazu, pretvarajući je u običnu dvostruku DNK, koja potom prodire u „svetinju nad svetinjama“stanice – u jezgru.

Ovdje se pojavljuje drugi virusni protein, integraza, koji ubacuje virusne gene u DNK domaćina. Tada s njima počinju raditi vlastiti enzimi stanice: proizvode novu RNA, sintetiziraju proteine na njihovoj osnovi itd.

Vizualna znanost Virus ljudske imunodeficijencije (HIV)

Taj mehanizam nalikuje reprodukciji mobilnih genetskih elemenata – fragmenata DNK koji ne nose informacije koje su nam potrebne, već se pohranjuju i akumuliraju u našem genomu. Neki od njih, retrotranspozoni, čak su sposobni umnožavati se u njemu, šireći se novim kopijama (više od 40 posto ljudske DNK sastoji se od takvih "smeće" elemenata).

Za to mogu sadržavati fragmente koji kodiraju oba ključna enzima - reverznu transkriptazu i integrazu. Zapravo, to su gotovo gotovi retrovirusi, lišeni samo proteinskog omotača. Ali njegovo stjecanje je pitanje vremena.

Ugrađujući se u genom tu i tamo, mobilni genetski elementi sasvim su sposobni uhvatiti nove gene domaćina. Neki od njih bi mogli biti prikladni za formiranje kapsida. Mnogi proteini imaju tendenciju samosastavljanja u složenije strukture. Na primjer, protein ARC, koji igra važnu ulogu u funkcioniranju neurona, spontano se savija u slobodnom obliku u čestice slične virusu koje čak mogu nositi RNA unutra. Pretpostavlja se da bi se ugradnja takvih proteina mogla dogoditi oko 20 puta, što bi dovelo do velikih modernih skupina virusa koje se razlikuju po strukturi svoje ovojnice.

Paralelno. Sjena života

Međutim, najmlađa i najperspektivnija hipoteza opet sve okreće naopačke, pod pretpostavkom da su se virusi pojavili najkasnije do prvih stanica. Davno, kada život još nije otišao tako daleko, proto-evolucija samoreplicirajućih molekula, sposobnih da se kopiraju, odvijala se u "primordijalnoj juhi".

Postupno su takvi sustavi postajali složeniji, pretvarajući se u sve veće i veće molekularne komplekse. I čim su neki od njih stekli sposobnost sintetiziranja membrane i postali proto-stanice, drugi - preci virusa - postali su njihovi paraziti.

To se dogodilo u zoru života, mnogo prije odvajanja bakterija, arheja i eukariota. Stoga, njihovi (i vrlo različiti) virusi inficiraju predstavnike sve tri domene živog svijeta, a među virusima može biti toliko onih koji sadrže RNA: upravo se RNA smatraju "predak" molekulama, samoreplikacija i evolucija od kojih je dovela do pojave života.

Prvi virusi mogli su biti tako "agresivne" RNA molekule, koje su tek kasnije stekle gene koji kodiraju proteinske ovojnice. Doista, pokazalo se da su se neke vrste školjki mogle pojaviti i prije posljednjeg zajedničkog pretka svih živih organizama (LUCA).

Međutim, evolucija virusa je područje koje je još zbunjujuće od evolucije cijelog svijeta staničnih organizama. Vrlo je vjerojatno da su, na svoj način, sva tri stajališta o njihovu podrijetlu istinita. Ovi unutarstanični paraziti su toliko jednostavni i u isto vrijeme raznoliki da bi se različite skupine mogle pojaviti neovisno jedna o drugoj, tijekom temeljno različitih procesa.

Na primjer, isti divovski virusi koji sadrže DNK mogli bi nastati kao rezultat razgradnje stanica predaka, a neki retrovirusi koji sadrže RNA - nakon što su "stekli neovisnost" mobilnim genetskim elementima. No, moguće je da pojavu ove vječne prijetnje dugujemo sasvim drugom mehanizmu, još neotkrivenom i nepoznatom.

Genomi i geni. Kako se proučava evolucija virusa

Nažalost, virusi su nevjerojatno nestabilni. Nedostaju im sustavi za popravak oštećenja DNK, a svaka mutacija ostaje u genomu, podložna daljnjoj selekciji. Osim toga, različiti virusi koji inficiraju istu stanicu lako izmjenjuju DNA (ili RNA) fragmente, što dovodi do novih rekombinantnih oblika.

Konačno, smjena generacija događa se neobično brzo – na primjer, HIV ima životni ciklus od samo 52 sata, a daleko je od najkraćeg trajanja. Svi ti čimbenici osiguravaju brzu varijabilnost virusa, što uvelike otežava izravnu analizu njihovih genoma.

Istodobno, jednom u stanici, virusi često ne pokreću svoj uobičajeni parazitski program - neki su dizajnirani na ovaj način, drugi zbog slučajnog kvara. Istodobno, njihova DNK (ili RNA, prethodno pretvorena u DNK) može se integrirati u kromosome domaćina i sakriti se ovdje, izgubljena među brojnim genima same stanice. Ponekad se virusni genom ponovno aktivira, a ponekad ostaje u tako latentnom obliku, prenoseći se s koljena na koljeno.

Vjeruje se da ti endogeni retrovirusi čine do 5-8 posto našeg vlastitog genoma. Njihova varijabilnost više nije tako velika – stanična DNK se ne mijenja tako brzo, a životni ciklus višestaničnih organizama doseže desetke godina, a ne sati. Stoga su fragmenti koji su pohranjeni u njihovim stanicama vrijedan izvor informacija o prošlosti virusa.

Posebno i još mlađe područje je proteomika virusa – proučavanje njihovih proteina. Uostalom, svaki gen je samo kod za određenu proteinsku molekulu potrebnu za obavljanje određenih funkcija. Neki se "uklapaju" poput Lego komada, presavijaju virusnu omotnicu, drugi mogu vezati i stabilizirati virusnu RNA, a treći se mogu koristiti za napad na proteine inficirane stanice.

Aktivna mjesta takvih proteina odgovorna su za te funkcije, a njihova struktura može biti vrlo konzervativna. Zadržava veliku stabilnost tijekom evolucije. Čak se i pojedini dijelovi gena mogu mijenjati, ali oblik proteinskog mjesta, raspodjela električnih naboja u njemu – sve što je ključno za obavljanje željene funkcije – ostaje gotovo isti. Uspoređujući ih, mogu se pronaći najudaljenije evolucijske veze.