Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Рис. 10-1. Разнообразие стратегий репликации-экспрессии у вирусов и вирусоподобных элементов. Для каждого класса вирусов и схожих элементов указаны приблизительные размеры генома (Кб, в тысячах оснований). «+» обозначает плюс-цепь (однонаправленную с мРНК), «—» обозначает минус-цепь. Tr– транскрипция, T – трансляция, R – репликация, E – капсидирование вируса, A – археи, B – бактерии, F – грибы, Mz – животные, P – растения, UE – одноклеточные эукариоты. Для каждого класса вирусов (элементов) показаны типичные структуры их белков-маркеров, а также ультрамикроскопические изображения характерных представителей. RdRp – РНК-зависимая РНК-полимераза; JRC – белок капсида с укладкой типа рулета; RT – обратная транскриптаза; RCR – (инициирующая) эндонуклеаза репликации способом катящегося кольца. Справа показан диапазон возможных хозяев. Размер соответствующего изображения и сокращения приблизительно соответствует представленности данного класса вирусов в этом таксоне (по Koonin et al., 2006, с изменениями).
Диапазон сложности геномов, их функционального содержания и разнообразие геномной архитектуры вирусов
Диапазон размера геномов вирусов с различными геномными стратегиями весьма велик: размеры геномов самого крупного известного вируса – мимивируса – и самых мелких вирусов (таких как цирковирусы) отличаются на три порядка. Если мы включим сюда вироиды, которые не кодируют белки, но являются полноценными эгоистичными генетическими элементами и даже патогенами, размах колебаний расширяется до четырех порядков (см. рис. 10-1). Если иметь в виду, что в геномах вирусов обычно белок-кодирующие гены расположены вплотную, то колебания количества генов укладываются приблизительно в тот же диапазон. Размер генома сильно зависит от природы генома и цикла репликации-экспрессии. Видимо, лишь у вирусов, содержащих дцДНК, геном может достичь больших (по вирусным меркам) размеров, более 35 Кб, и (на данный момент) вплоть до 1,1 Мб (Van Etten et al., 2010). Все классы РНК-вирусов, все элементы, способные к обратной транскрипции, и все вирусы, содержащие оцДНК, обладают небольшими геномами, никогда не превышающими 35 Кб, – и то к этому пределу приближается лишь одна группа довольно редких РНК-вирусов животных (коронавирусы и родственные им формы, составляющие порядок Nidovirales (Gorbalenya et al., 2006). Причина этого очевидна: бульшая химическая стабильность и регулярная структура дцДНК благоприятна для функций хранения информации и репликации, а далее эволюция систем репарации дцДНК еще больше усилила функциональное разделение между дцДНК и другими формами нуклеиновых кислот. В дополнение к разнообразию стратегий репликации-экспрессии и широкому диапазону размеров, вирусные геномы принимают все возможные молекулярные конфигурации, включая как линейные, так и циркулярные молекулы ДНК или РНК и как единичные, так и разделенные на множественные сегменты геномы (хромосомы, см. рис. 10-1).
Функциональный набор вирусных генов разительно различается в зависимости от цикла экспрессии и, что еще важнее, от размера генома и генетической сложности. Малые вирусные геномы кодируют практически исключительно белки, непосредственно участвующие в репликации генома, а также субъединицы вириона. Часто – и для всех известных РНК-вирусов и элементов, способных к обратной транскрипции, это именно так, – вирус кодирует полимеразу, участвующую в репликации его собственного генома. Это легко объяснить: клеточные хозяева вируса обычно не кодируют РНК-зависимой РНК-полимеразы или обратной транскриптазы, которая могла бы осуществить репликацию или обратную транскрипцию длинных молекул РНК. РНК-зависимые РНК-полимеразы и обратные транскриптазы, которые кодируются в геномах клеточных форм жизни и осуществляют «обычные» клеточные функции, такие как теломераза и РНК-зависимая РНК-полимераза, участвующая в РНК-интерференции эукариот, способны синтезировать лишь короткие олигонуклеотиды (см. гл. 7 и обсуждение ниже в этой главе). У ДНК-вирусов, напротив, есть возможность использовать аппарат репликации (и транскрипции) хозяина, и они широко пользуются этой возможностью. Так, многие вирусы этого типа, в частности большинство известных вирусов, поражающих архей, так же как и многочисленные умеренные бактериофаги (такие как фаг лямбда, классический модельный организм), не кодируют даже репликативной полимеразы и никаких других белков, непосредственно участвующих в репликации. В таких случаях последовательности ДНК, ответственные за распознавание и привлечение репликативного аппарата хозяина, оказываются основными факторами, определяющими возможность автономной репродукции вируса (см. определение выше), хотя вирусные белки выполняют другие важные функции в вирусной репродукции, такие как подавление или репрограммирование экспрессии генов и метаболизма хозяина. Вирусы с самыми большими геномами, напротив, вдобавок к белкам, составляющим аппарат репликации вирусного генома, кодируют целую коллекцию разнообразных белков, участвующих в процессах репарации, мембранного транспорта, ряде метаболических путей, а в некоторых случаях и трансляции. Обычно (и во всех случаях, когда затрагивается трансляция) вирус кодирует не систему или путь целиком, а только ферменты для одного-двух шагов, которые дополняют или видоизменяют соответствующие функциональные системы клетки хозяина.
Вирусы, содержащие различные формы нуклеиновых кислот, распределены по таксонам хозяев не равномерным и не случайным образом. В частности, необычайное разнообразие содержащих дцДНК бактериофагов и вирусов архей находится в разительном контрасте с отсутствием дцДНК-вирусов у растений. РНК-вирусы, напротив, чрезвычайно распространены и разнообразны у растений и животных, но среди бактерий на данный момент представлены лишь двумя небольшими семействами и до сих пор не обнаружены у архей[103] (см. рис. 10-1). В некоторых случаях биологическая подоплека характерного спектра хозяев вируса совершенно ясна. Например, в растениях крупные вирусы столкнулись бы с серьезными проблемами с межклеточным распространением, так как плазмодесмы (каналы, соединяющие окруженные клеточной стенкой клетки растений) непроницаемы для больших частиц и даже больших молекул ДНК. Однако в большинстве случаев причины предпочтительного распределения вирусов среди тех или иных групп хозяев остаются неизвестными. Например, сложно сказать, почему РНК-вирусы столь распространены среди растений и животных, но не среди прокариот; далее в этой главе мы вернемся к рассмотрению этого вопроса с другой, эволюционной позиции.
Метагеномика вирусов, экспериментальная вирусология, агенты переноса генов и повсеместное распространение вирусов
Вирусы – вездесущие спутники клеточных форм жизни: при более-менее детальном изучении любой клеточный организм оказывается населенным вирусами. У тех организмов – таких как нематоды, – у которых настоящие вирусы пока не были открыты, в геном встроены многочисленные мобильные элементы[104].
С недавних пор изучение виромов (всего множества вирусов, обнаруживаемых в данной среде обитания) стало областью науки, испытывающей бурное развитие (Edwards and Rohwer, 2005; Kristensen et al., 2010). Выделение вирома – методически довольно незамысловатая операция, так как вирусные частицы (по крайней мере подавляющее большинство, исключая, возможно, их гигантские разновидности) проходят сквозь фильтры, непроницаемые даже для мельчайших клеток. Так что достаточно просто собрать частицы в фильтрате и анализировать состав. Изучение виромов принесло большие неожиданности. Первой оказалась сама концентрация вирусных частиц. Поразительно, но по крайней мере в морской среде вирусы (прежде всего бактериофаги) оказались наиболее распространенной из биологических форм, причем в совокупности количество вирусных частиц превосходит количество клеток по меньшей мере на порядок. Это не вполне корректный способ сравнения, так как одна инфицированная вирусом клетка способна продуцировать сотни вирусных частиц, и тем не менее такие данные показывают, что вирусы исключительно широко распространены и активны в окружающей среде. Сейчас вирусы рассматривают в качестве крупных геохимических действующих сил, так как уничтожение вирусами микроорганизмов оказывает сильное влияние на формирование органического осадка (Suttle, 2007, 2005). Вторая крупная неожиданность – это огромное генетическое разнообразие виромов, а также их непредвиденная генетическая композиция. Набор генов в ДНК-вироме резко отличается от набора генов известных бактериофагов. Виром в основном состоит из редких и уникальных генов, для которых не удается найти и подобрать гомологичных последовательностей в имеющихся базах данных. Хотя гены, специфичные для бактериофагов, встречаются в виромах чаще, чем в микробиомах, они представляют ничтожное меньшинство; большинство генов, для которых обнаружены гомологи, представляются случайным набором бактериальных генов. Исключив возможность массивной контаминации, которая, учитывая тщательно разработанные протоколы, используемые для выделения виромов, маловероятна, мы приходим к выводу, что в виромах в основном представлены не обычные вирусы, а некие другие биологические объекты (Khristensen et al., 2010).
