Mysteriet med virusens ursprung

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Virus lever knappast. Men deras ursprung och utveckling är ännu mindre förstådda än uppkomsten av "normala" cellulära organismer. Det är fortfarande okänt vem som dök upp tidigare, de första cellerna eller de första virusen. Kanske har de alltid följt livet, som en katastrofal skugga.

Problemet är att virus inte är något annat än fragment av genomet (DNA eller RNA) inneslutna i en proteinhölje. De lämnar inga spår i fossilregistret, och allt som återstår att studera deras förflutna är moderna virus och deras genom.

Genom att jämföra, hitta likheter och skillnader, upptäcker biologer evolutionära kopplingar mellan olika virus, bestämmer deras äldsta egenskaper. Tyvärr är virus ovanligt varierande och varierande. Det räcker med att komma ihåg att deras genom kan representeras av kedjor av inte bara DNA (som i vårt land och till exempel herpesvirus), utan också en besläktad RNA-molekyl (som i coronavirus).

DNA/RNA-molekylen i virus kan vara enkel eller segmenterad i delar, linjär (adenovirus) eller cirkulär (polyomavirus), enkelsträngad (anellovirus) eller dubbelsträngad (baculovirus).

Visuell vetenskap Influensa A/H1N1-virus

Strukturerna hos virala partiklar, särdragen i deras livscykel och andra egenskaper, som kan användas för vanlig jämförelse, är inte mindre olika. Du kan läsa mer om hur forskare kommer runt dessa svårigheter i slutet av det här inlägget. För nu, låt oss komma ihåg vad alla virus har gemensamt: de är alla parasiter. Inte ett enda virus är känt som skulle kunna utföra metabolism på egen hand, utan att använda värdcellens biokemiska mekanismer.

Inget virus innehåller ribosomer som kan syntetisera proteiner, och ingen bär system som tillåter produktion av energi i form av ATP-molekyler. Allt detta gör dem obligatoriska, det vill säga ovillkorliga intracellulära parasiter: de kan inte existera på egen hand.

Det är inte förvånande att celler, enligt en av de första och mest välkända hypoteserna, först dök upp, och först då utvecklades hela den olika virala världen på denna jord.

Regressivt. Från komplext till enkelt

Låt oss ta en titt på rickettsia – även intracellulära parasiter, om än bakterier. Dessutom är vissa delar av deras genom nära DNA, som finns i mitokondrierna hos eukaryota celler, inklusive människor. Tydligen hade de båda en gemensam förfader, men grundaren av "mitokondriernas linje", som infekterade cellen, dödade den inte, utan bevarades av misstag i cytoplasman.

Som ett resultat förlorade ättlingarna till denna bakterie en massa mer onödiga gener och degraderades till cellulära organeller som förser värdarna med ATP-molekyler i utbyte mot allt annat. Den "regressiva" hypotesen om virusens ursprung tror att sådan nedbrytning kunde ha hänt deras förfäder: när de en gång var helt fullfjädrade och oberoende cellulära organismer, under miljarder år av parasitliv, förlorade de helt enkelt allt som var överflödigt.

Denna gamla idé har återupplivats av den senaste upptäckten av jättevirus som pandoravirus eller mimivirus. De är inte bara mycket stora (mimivirusets partikeldiameter når 750 nm - som jämförelse är storleken på influensaviruset 80 nm), utan de bär också ett extremt långt genom (1,2 miljoner nukleotidlänkar i mimivirus kontra flera hundra i vanliga virus), som kodar för många hundra proteiner.

Bland dem finns det också proteiner som är nödvändiga för kopiering och "reparation" (reparation) av DNA, för produktion av budbärar-RNA och proteiner.

Dessa parasiter är mycket mindre beroende av sina värdar, och deras ursprung från frilevande förfäder ser mycket mer övertygande ut. Men många experter tror att detta inte löser huvudproblemet - alla "ytterligare" gener kan dyka upp från jättevirus senare, lånade från ägarna.

Det är trots allt svårt att föreställa sig en parasitisk nedbrytning som skulle kunna gå så långt och påverka även formen på bäraren av den genetiska koden och leda till uppkomsten av RNA-virus. Det är inte förvånande att en annan hypotes om virusens ursprung respekteras lika mycket - helt tvärtom.

Progressiv. Från enkel till komplex

Låt oss ta en titt på retrovirusen, vars genom är en enkelsträngad RNA-molekyl (till exempel HIV). Väl i värdcellen använder sådana virus ett speciellt enzym, omvänt transkriptas, omvandlar det till vanligt dubbelt DNA, som sedan tränger in i cellens "heligaste" - in i kärnan.

Det är här som ett annat viralt protein, integras, kommer in i bilden och infogar de virala generna i värdens DNA. Sedan börjar cellens egna enzymer att arbeta med dem: de producerar nytt RNA, syntetiserar proteiner på basis av dem, etc.

Visuell vetenskap Humant immunbristvirus (HIV)

Denna mekanism liknar reproduktionen av mobila genetiska element - DNA-fragment som inte bär den information vi behöver, utan som lagras och ackumuleras i vårt genom. Vissa av dem, retrotransposoner, kan till och med föröka sig i det, sprida sig med nya kopior (mer än 40 procent av mänskligt DNA består av sådana "skräp"-element).

För detta kan de innehålla fragment som kodar för båda nyckelenzymerna - omvänt transkriptas och integras. I själva verket är dessa nästan färdiga retrovirus, utan bara ett proteinhölje. Men dess förvärv är en tidsfråga.

Inbäddade i genomet här och där, är mobila genetiska element ganska kapabla att fånga nya värdgener. Vissa av dem kan vara lämpliga för kapsidbildning. Många proteiner tenderar att självmontera till mer komplexa strukturer. Till exempel, ARC-proteinet, som spelar en viktig roll i neuronernas funktion, viker sig spontant i fri form till virusliknande partiklar som till och med kan bära RNA inuti. Det antas att inkorporeringen av sådana proteiner kan ske cirka 20 gånger, vilket ger upphov till stora moderna grupper av virus som skiljer sig åt i strukturen på deras hölje.

Parallell. Livets skugga

Den yngsta och mest lovande hypotesen vänder dock upp och ner på allt igen, förutsatt att virus dök upp senast de första cellerna. För länge sedan, när livet ännu inte hade gått så långt, fortsatte proto-evolutionen av självreplikerande molekyler, kapabla att kopiera sig själva, i "ursoppan".

Gradvis blev sådana system mer komplexa och omvandlades till större och större molekylära komplex. Och så snart några av dem fick förmågan att syntetisera ett membran och blev protoceller, blev andra - virusens förfäder - deras parasiter.

Detta hände vid livets gryning, långt före separationen av bakterier, arkéer och eukaryoter. Därför infekterar deras (och mycket olika) virus representanter för alla tre domänerna i den levande världen, och bland virus kan det finnas så många RNA-innehållande sådana: det är RNA som anses vara "förfäders" molekyler, självreplikationen och evolutionen. som ledde till livets uppkomst.

De första virusen kunde vara sådana "aggressiva" RNA-molekyler, som först senare förvärvade gener som kodar för proteinhöljen. Det har faktiskt visat sig att vissa typer av skal kan ha dykt upp redan innan den sista gemensamma förfadern till alla levande organismer (LUCA).

Emellertid är utvecklingen av virus ett område som är ännu mer förvirrande än utvecklingen av hela världen av cellulära organismer. Det är mycket troligt att alla tre synpunkterna på sitt ursprung är sanna på sitt sätt. Dessa intracellulära parasiter är så enkla och samtidigt olika att olika grupper kan uppträda oberoende av varandra, under loppet av fundamentalt olika processer.

Till exempel kan samma gigantiska DNA-innehållande virus uppstå som ett resultat av nedbrytningen av förfäders celler, och vissa RNA-innehållande retrovirus - efter att ha "vunnit oberoende" av mobila genetiska element. Men det är möjligt att vi är skyldiga utseendet på detta eviga hot till en helt annan mekanism, ännu inte upptäckt och okänd.

Genom och gener. Hur man studerar virusutvecklingen

Tyvärr är virus otroligt flyktiga. De saknar system för att reparera DNA-skador, och eventuell mutation finns kvar i genomet, föremål för ytterligare urval. Dessutom utbyter olika virus som infekterar samma cell lätt DNA- (eller RNA)-fragment, vilket ger upphov till nya rekombinanta former.

Äntligen sker generationsskiften ovanligt snabbt – till exempel har hiv en livscykel på bara 52 timmar, och den är långt ifrån den kortaste livscykeln. Alla dessa faktorer ger den snabba variationen av virus, vilket i hög grad komplicerar den direkta analysen av deras genom.

Samtidigt, en gång i en cell, startar virus ofta inte sitt vanliga parasitprogram - vissa är utformade på detta sätt, andra på grund av ett oavsiktligt fel. Samtidigt kan deras DNA (eller RNA, som tidigare omvandlats till DNA) integreras i värdens kromosomer och gömma sig här och gå förlorade bland de många generna i själva cellen. Ibland reaktiveras det virala genomet, och ibland förblir det i en sådan latent form, och förs vidare från generation till generation.

Dessa endogena retrovirus tros stå för upp till 5-8 procent av vårt eget genom. Deras variation är inte längre så stor - cellulärt DNA förändras inte så snabbt, och flercelliga organismers livscykel når tiotals år, inte timmar. Därför är fragmenten som lagras i deras celler en värdefull informationskälla om virusens förflutna.

Ett separat och ännu yngre område är virusens proteomik - studiet av deras proteiner. När allt kommer omkring är vilken gen som helst bara en kod för en viss proteinmolekyl som krävs för att utföra vissa funktioner. Vissa "passar" som legobitar, viker virushöljet, andra kan binda och stabilisera viralt RNA, och ytterligare andra kan användas för att attackera proteinerna i en infekterad cell.

De aktiva platserna för sådana proteiner är ansvariga för dessa funktioner, och deras struktur kan vara mycket konservativ. Den behåller stor stabilitet under hela evolutionen. Även enskilda delar av gener kan förändras, men formen på proteinplatsen, fördelningen av elektriska laddningar i den - allt som är avgörande för att den önskade funktionen ska kunna utföras - förblir nästan densamma. Genom att jämföra dem kan man hitta de mest avlägsna evolutionära sambanden.