Беглые гены или упростившиеся паразиты? Откуда есть пошли вирусы

Что, где, когда

Что такое вирус? Живой он всё-таки или нет? Традиционно вирусом называют неклеточный (в плане строения) внутриклеточный (в плане «места обитания») патоген, состоящий из оболочки, обычно белковой (ее называют капсидом), и нуклеиновой кислоты, кодирующей лишь гены этой самой оболочки (это так называемые структурные белки). Да, вирусы могут отличаться друг от друга по форме капсида, наличию или отсутствию «выростов» на нем (у некоторых, помимо белковой части капсида, есть еще углеводная и даже липидная), по виду нуклеиновой кислоты, но в целом они все повторяют эту довольно однообразную структуру. Особняком стоят разве что аренавирусы, содержащие рибосомы (конечно же, не свои: рибосомы принадлежат клетке-хозяину, и вирус захватывает их случайным образом при сборке своих капсидов), и ретровирусы, обладающие специфическим ферментным комплексом, который позволяет им в конечном итоге синтезировать белок на основе не ДНК, а РНК, благодаря процессу под названием обратная транскрипция (он помогает «перевести» РНК в ДНК, с которой уже может «работать» клетка-хозяин). Но в целом все вирусы очень похожи, и несложно понять, кто именно относится к вирусам, а кто нет.

Основное отличие вирусов от всех других патогенов заключается в том, что они не живут в полном понимании этого слова: у них отсутствует метаболизм, они не растут и не меняются, а размножаться могут только внутри клетки-хозяина и при использовании ее собственных ресурсов и ферментных комплексов.

Вирусы не удовлетворяют основным свойствам живого: живое должно иметь обмен веществ, то есть быть открытой системой, взаимодействующей с окружающей средой энергией и веществом. Кроме того, живому присуще клеточное строение и раздражимость, а еще оно должно быть способно к саморегуляции.

Казалось бы, никакой тогда вирус не живой. Но как тогда быть с нуклеиновой кислотой и генетическим кодом, таким же, как у нас с вами? Да, вирусы и тут отличились: их нуклеиновая кислота может быть представлена и ДНК, и РНК, в виде двух цепочек или одной — но это всё же нуклеиновая кислота, и она считывается для дальнейшего синтеза белка точно так же, как и любая другая. Так же, как у нас, у них есть гены, и так же, как у нас, эти гены кодируют белки. И пусть белки эти синтезируются на рибосомах захваченных вирусами клеток, но это всё тот же обыкновенный синтез.

Получается некая переходная форма — то ли живое, то ли нет. Если живое, то почему такое странное и непохожее? А если неживое, то почему размножается?

Понятного и простого ответа на вопрос «живые ли вирусы?» нет, и вряд ли он появится до тех пор, пока человечество не найдет ответ на другой, возможно, менее фундаментальный, но не менее важный вопрос.

Откуда есть пошли вирусы

Как вообще появились вирусы? Короткий ответ будет простым: никто не знает. Вирусы, судя по всему, существуют столько же, сколько существует жизнь. Причем анализ их белковых последовательностей заставил ученых в какой-то момент предположить независимое возникновение разных вирусов: то есть в ходе эволюции остальных живых существ вирусы продолжили появляться, а не эволюционировали единожды из какого-то общего предка. Это объясняет и то, что вирусы специфичны: нет в мире универсального вируса, который мог бы успешно размножаться и в клетках человека, и в клетке бактерии, и в клетках насекомых (хотя условная универсальность, включающая несколько родов или даже семейств, конечно, бывает). Нет и видов живых существ, которые не поражаются вирусами, — есть вирусы, специфичные для грибов, растений, животных и даже бактерий (это бактериофаги, их название означает «пожирающие бактерий»).

Ответ длинный уже интереснее: есть несколько важнейших гипотез. Наиболее интересной из них является гипотеза сбежавших интронов, или гипотеза бродяжничества. Дело в том, что наша ДНК — это древний конструкт, меняющийся миллионы лет. Естественно, в ходе эволюции в ней возникают мутации, меняется конфигурация генов, появляются те участки, которые ничего не кодируют. Поэтому в любой ДНК выделяют два типа участков — это информативные экзоны, нуклеотиды которых кодируют какой-либо белковый продукт, и неинформативные интроны, которые не кодируют ничего. Интроны обычно «вырезаются» из РНК (копии ДНК), чтобы потом эти мусорные участки не мешали синтезировать белок, — для этого нужен процесс сплайсинга. Так вот, предполагается, что некоторые из интронов могли из генома «сбежать».

Еще в XX столетии наука столкнулась с «прыгающими генами» — транспозонами, большой группой интронов, которые еще называют мобильными генетическими элементами (МГЭ). «Прыгающие гены» могут спокойно менять место жительства в геноме, перемещаясь с одного на другое, причем генов таких достаточно много: на них приходится до 47% генома насекомых, до 69% генома млекопитающих и до 90% генома растений.

Исследователи предположили, что некоторые транспозоны могли сбежать из клетки и положить начало эволюции вирусов.

У этой гипотезы достаточно много если не доказательств, то хотя бы косвенных подтверждений. Например, известно, что в геноме эукариот есть так называемые ретротранспозоны. Такие транспозоны «прыгают» с использованием промежуточной стадии в виде РНК, и их поведение очень похоже на поведение особой группы вирусов — ретровирусов, опасных тем, что они встраиваются в геном там, где им это нужно, и не уходят даже при очень хорошей терапии (ретровирусы характерны как раз для эукариот, особенно для позвоночных, — прокариотами они практически не интересуются).

У человека на долю именно ретротранспозонов приходится почти половина всего генома — 42%. У прокариот, например, мигрирующих генов совсем мало, и ретровирусы их практически не поражают.

Многие ученые логично выводят из этого гипотезу, что ретровирусы и ретротранспозоны суть одно и то же, просто одни остались в нашем геноме, привязанные к нему, а вторые научились «прыгать» от генома к геному, встраиваясь в него (самый известный представитель ретровирусов — это вирус иммунодефицита человека, вызывающий СПИД).

Есть ли минусы у этой гипотезы? Конечно! В первую очередь совершенно непонятно, как «сбежавшие» интроны получили капсид. Сложно представить, что капсид появился случайно — даже самый простой, не говоря уже о более сложных его вариантах, содержащих, например, как у нашумевшего не так давно коронавируса, целое белковое гало.

Вторая любопытная гипотеза — это гипотеза деградации, или упрощения. Согласно этой версии, все вирусы когда-то были обыкновенным клетками, которые в ходе эволюции перешли к паразитному внутриклеточному образу жизни и растеряли абсолютно всё, кроме собственно нуклеиновой кислоты (и то только самой необходимой, большая часть генов тоже ушла в небытие) и небольшого белкового чехла. Гипотеза предполагает, что еще в эре одноклеточности появилось большое количество паразитарных клеток, живущих внутри других клеток, побольше, на полном «всё включено». Такое совместное житье двух клеток в целом не кажется чем-то нереалистичным: есть множество доказательств того, что, например, митохондрии, являющиеся ключевыми энергетическими органеллами клеток, и растительные фотосинтезирующие пластиды когда-то были не более, чем бактериями, попавшими в большую клетку и оставшимися в ней жить. Вполне возможно, что предки вирусов были такими же «сожителями». Через множество поколений они деградировали и стали вести кочевой образ жизни — от клетки к клетке.

Кроме того, известно, что представители некоторых современных клеточных паразитов — например, риккетсии (родственники, кстати, митохондрий: они имеют общего предка) — действительно могут жить и размножаться только внутри клетки-хозяина.

Интереса добавляет еще и то, что размеры риккетсий (от 0,3 до 0,1 мкм) в целом соответствуют размеру крупных вирусов. Самостоятельность риккетсии давно потеряли, с той лишь разницей, что у риккетсий всё же есть свой собственный метаболизм, не зависящий напрямую от метаболизма клетки-хозяина. Зависит риккетсия скорее от веществ, различных соединений и в целом от комфортной среды, создаваемой несчастной клеткой.

Какие минусы у этой гипотезы? Она не может достаточно четко объяснить настолько сильную деградацию. У тех же риккетсий и других внутриклеточных паразитов сохранился собственный метаболизм и клеточное строение. Даже несмотря на то, что они сильно изменились за время своего паразитизма, они всё еще определенно клетки и вполне укладываются в стандартную классификацию живых существ. А если брать их еще более деградировавших родственников — митохондрии, — то тоже можно заметить, что, несмотря на полную несамостоятельность, в митохондриях до сих пор отлично угадывается когда-то вполне самостоятельная клетка. Митохондрии сами делятся (причем их деление не зависит от деления клетки-хозяина), у них так или иначе остался геном, нужный не только для размножения, а кроме всего прочего у них есть активный метаболизм.

Есть, наконец, еще одна гипотеза. И вряд ли наука когда-нибудь сможет ее опровергнуть или подтвердить. Согласно этой гипотезе, вирусы появились до появления первых клеток или одновременно с ними, то есть их развитие шло параллельно развитию «стандартной» клеточной жизни. Так же, как и сами клетки, они сформировались в первичном растворе, хаотично, из нуклеотидов, простейших ферментных систем и аминокислот. Вирусы, согласно такой гипотезе, это одна из «попыток» эволюции «сделать жизнь» — неудавшаяся, если судить по разнообразию, но чрезвычайно успешная, если судить по распространению и количеству представителей.

Мы описали целых три гипотезы возникновения вирусов, но правда в том, что истины мы не знаем. И, вероятно, не узнаем никогда — если только благодаря каким-нибудь современным научным открытиям не удастся воочию увидеть процесс превращения, например, ретротранспозона в новый вирус. Автор надеется, что этого никогда не произойдет.

Зло или благо

Само название вирусов — с латинского «болезнетворные» — подсказывает, что они в первую очередь внутриклеточные паразиты. В большинстве случаев клетка-хозяин погибает при выходе новых, «молодых» вирусов, хотя и не в 100% случаев. Все вирусы провоцируют развитие тех или иных заболеваний, хотя не всегда эти заболевания смертельны или даже заметны: есть множество вирусов, которые просто «живут» с нами рядом, размножаются в наших клетках и никак, в общем-то, не проявляют себя. Мы привыкли думать о вирусах как о смертельно-опасных патогенах, некой силе, стремящейся уничтожить всё живое на земле. На самом деле это, конечно, не так: как и любые другие организмы, не обремененные высшей нервной деятельностью, вирусы ничего не хотят. Они просто «живут», и так уж случилось, что их «жизнь» зависит от жизни клетки-хозяина. Долгие годы вирусология и молекулярная биология в первую очередь исследовали способы диагностики и терапии различных заболеваний. Как можно определить вирусную нагрузку еще до проявления симптомов? Как избежать заражения вовсе? Как защитить слабый организм, сделав клетки неуязвимыми? Все эти исследования продолжаются и сейчас, но за последние сто лет появилась еще одна любопытная тема для экспериментов.

Оказалось, что вирусы можно использовать и во благо. Они могут быть полезными в научных целях, и когда это обнаружилось, вирусные методы прочно поселились в багаже молекулярного биолога. Такие методы можно использовать для самых разных целей. Во-первых, вирусы способны переносить нуклеиновую кислоту, а значит, их можно использовать для того, чтобы внедрить в клетку целевой участок. Так, вирусы применяются при трансфекции клеток — процессе внедрения в клетку участка ДНК для его дальнейшего использования в синтезе белка: клетка принимает эту новую ДНК за свою и радостно ее обрабатывает. Такой метод действительно использовали до недавнего времени, но в последние годы практически перестали: во-первых, при вирусной инфекции клетки чаще всего погибают и в переносе ДНК нет смысла (то есть придется подбирать такую связку вирус/клетка, при которой всё точно пойдет хорошо); а во-вторых, этот процесс достаточно сложно контролируется.

Еще один метод с использованием вирусов заключается в том, что с их помощью можно заставить клетки как будто бы «мутировать». Например, в одном из исследований на эмбрионах кур группа ученых обнаружила любопытную мутацию, вызывающую рост зубов. Ученые решили придумать что-то, имитирующее эту мутацию у здоровых эмбрионов. Именно благодаря вирусным препаратам экспериментаторы смогли «заставить» клетки десен «думать», что они должны сформировать зубы, то есть вирусы, имитировав мутацию, «напомнили» деснам о тех временах, когда у предков кур были зубы.

Но даже если не рассматривать современные научные методы, вирусы могут предложить кое-что интересное. До эры антибиотиков именно вирусы бактерий — бактериофаги — часто использовались для предотвращения развития бактериальных инфекций, настолько эффективно они справлялись с ними. Потом на смену вирусам пришли антибиотики, применяемые повсеместно, и про вирусы все как-то забыли. Но они всё еще работают и на этом поприще. Как мы помним, вирусы специфичны, и те, что поражают бактерии, не могут поражать животных или человека. Бактериофаги помогают и нашему иммунитету: они уничтожают потенциально-патогенные бактерии в нашем собственном организме. Ряд ученых предполагает, что из-за роста антибиотикорезистентности вирусы снова займут свое место на поприще борьбы с бактериальными инфекциями. Бактерии быстро эволюционировали, чтобы найти себе оружие против химических веществ, но вот эволюционировать быстро против вирусов — также эволюционирующих — это задача со звездочкой.

В конце концов, вирусы выступают и в роли защитников от себе подобных — в виде живых вакцин. В таких вакцинах вирус лишен «оружия»: он не может заразить, но может «познакомить» организм со своей структурой. В следующий раз, когда в организм попадет подобный, но уже «вооруженный» вирус, иммунная система будет готова. К такому типу вакцин относят, например, вакцину от кори.

Вирусы остаются загадкой: мы не знаем, как именно они возникли, не знаем даже, кто они такие, вернее, «кто» они или «что». Они выкашивают тысячи людей, животных и растений, но делают это без какой-либо иной цели, кроме как выжить. Они не злы и не добры. И хотя сложно воспринимать вирусы как что-то полезное, они на самом деле могут дать человечеству многое — нужно только приглядеться к ним повнимательней.