Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Какова природа этой «темной материи», которая доминирует в виромах? На самом деле мы этого не знаем, однако легко предложить правдоподобную гипотезу. Вспомним агенты переноса генов (АПГ), которые уже обсуждались в главах 5 и 9. Агенты переноса генов – особая разновидность псевдовирусов (Lang and Beatty, 2007). Они образуют вирусные (фагоподобные) частицы, которые состоят из белков, кодируемых дефектным профагом, находящимся в соответствующей бактериальной или архейной хромосоме. Однако частицы АПГ не содержат ДНК профага (так что они не являются настоящими бактериофагами), но вместо этого служат оболочками для, судя по всему, случайных фрагментов бактериальной хромосомы. Легко представить, что темная материя виромов в основном состоит из АПГ (Kristensen et al., 2010), так что по сути дела это всего лишь «псевдовиромы». Эта простая гипотеза, которая, конечно, нуждается в эмпирической проверке, имеет далеко идущие следствия. В самом деле, если вирусные (или вирусоподобные) частицы – самые распространенные биологические объекты на Земле и большая часть из них – агенты переноса генов, тогда неизбежен логический вывод, что в биосфере доминируют АПГ. В сочетании с присутствием многочисленных, часто «скрытых» профагов и других мобильных элементов в бактериальных и архейных геномах (Cortez et al., 2009) и еще большим изобилием (чаще неактивных) эгоистичных элементов в геномах многих эукариот (включая человека), эти наблюдения наводят на мысль, что мир вирусов в большой степени «выстраивает» геномы клеточных форм жизни и таким образом определяет эволюцию жизни в целом. Необходимо еще тщательно продумать и изучить в дальнейшем фундаментальные следствия такого вывода, и мы не раз вернемся к ним в этой и следующих главах.
Хотя метагеномика вирусов – еще молодая область науки, она уже замечательным образом преобразила наше понимание мира вирусов, причем это далеко не сводится к удивительным данным по генетическому составу виромов. Одна группа открытий была сделана в результате анализа последовательностей, полученных в ходе глобального исследования океана, грандиозного метагеномного проекта Крейга Вентера (Yooseph et al., 2007). Оказывается, что помимо несметного числа бактериальных последовательностей (основной цели проекта) база данных глобального исследования океана содержит многочисленные последовательности, гомологичные консервативным генам больших нуклеоцитоплазматических ДНК-вирусов (NCLDV, подробнее о них позже в этой главе), заражающих эукариот. Независимо от конкретного источника вирусной ДНК (гигантские вирусы, зараженные пикоэукариоты, проходящие бактериальные фильтры, или, вероятнее всего, и те и другие), разнообразие нескольких семейств NCLDV вышло далеко за границы, очерченные традиционной вирусологией (Monier et al., 2008). Вторая группа замечательных открытий сделана в метагеномике морских РНК-вирусов: были открыты многочисленные РНК-вирусы, заражающие одноклеточных морских эукариот, и весьма неожиданно оказалось, что все они принадлежат к одному суперсемейству вирусов, ранее обнаруженных у животных и растений, – пикорнаподобным вирусам (Koonin et al., 2008). В совокупности эти открытия показывают, что наши представления о мире вирусов пока крайне поверхностны – быть может, истинные размеры и разнообразие этого мира превзойдут самые смелые фантазии[105].
Эволюция вирусов: полифилия, монофилия и гены-сигнатуры
В предыдущих разделах этой главы было дано представление о мире вирусов и показано, что он соизмерим по масштабу с миром клеточных форм жизни – и, возможно, количественно доминирует в биосфере. Более того, вирусный мир оказывает определяющее воздействие на эволюцию клеток с помощью агентов переноса генов и огромного арсенала мобильных элементов. Так что изучать эволюцию вирусов необходимо, если мы стремимся к хоть сколько-нибудь глубокому пониманию эволюции жизни в целом.
Сравнительная геномика не свидетельствует в пользу монофилетического происхождения всех вирусов. Здесь мы понимаем под «монофилией» «происхождение от общего предкового вируса или вирусоподобного эгоистического элемента» (Koonin et al., 2006). У многих групп вирусов просто нет общих генов, что позволяет решительно отмести любые идеи об общем происхождении. Идея «общих генов», будучи приложена к вирусам, оказывается непростой: в мире вирусов общность не обязательно ограничивается однозначными отношениями ортологии между генами, которые легко выявить благодаря очевидному сходству последовательностей. Вместо этого, как будет изложено в следующих разделах, отдаленные отношения гомологии между вирусными белками, а также между вирусными белками и их гомологами из клеточных форм жизни могут дать более сложные, но важные свидетельства об эволюции вирусов. Несмотря на эту сложность, среди больших групп вирусов изобилуют случаи, когда между ними либо нет никаких гомологичных генов, какое бы определение мы ни взяли, либо имеются лишь отдаленно родственные домены, чьи эволюционные траектории очевидно различны. Например, большинство вирусов гипертермофильных кренархеот не имеют общих генов ни с какими другими вирусами (Prangishvili et al., 2006b), а РНК-вирусы разделяют с ДНК-вирусами и плазмидами, реплицирующимися способом «катящегося кольца», лишь чрезвычайно отдаленно родственные домены в соответствующих белках репликации.
С другой стороны, можно уверенно показать монофилию нескольких крупных групп вирусов, включая обширные совокупности РНК-вирусов и сложных ДНК-вирусов (см. табл. 10-1). Некоторые из этих монофилетических классов переходят даже границы геномных стратегий: так, монофилетический класс элементов, размножающихся через стадию обратной транскрипции, включает в себя как РНК-вирусы, так и вирусы, мобильные элементы и плазмиды с ДНК-геномами. В классе элементов, реплицирующихся по механизму катящегося кольца, сочетаются вирусы, содержащие одноцепочечную или двухцепочечную ДНК, а также плазмиды. Более того, на основании сходства в структурах комплексов, участвующих в репликации РНК, а также присутствия гомологии, пусть и отдаленной, в ферментах репликации была предложена правдоподобная гипотеза об общем происхождении вирусов, содержащих позитивную РНК-нить, вирусов, содержащих дцРНК, и элементов, способных к обратной транскрипции (Ahlquist, 2006). Однако в целом вывода, что вирусы имеют много различных линий происхождения, по-видимо му, невозможно избежать (Koonin et al., 2006; см. табл. 10-1).
Краткая естественная история вирусных генов
Анализ последовательностей выявил несколько категорий вирусных генов, принципиально отличающихся по происхождению (Koonin et al., 2006). Можно обсуждать, какая степень дробности классификации оптимальна, но четко различаются по меньшей мере пять классов, укладывающихся в три более крупные категории.
Гены с четко опознаваемыми гомологами у клеточных форм жизни:
1. Гены с близкими гомологами у клеточных организмов (обычно это хозяева данного вируса) присутствуют у узкой группы вирусов.
2. Гены, консервативные среди большой группы вирусов или даже нескольких групп и имеющие относительно отдаленные клеточные гомологи.
Вирус-специфичные гены:
3. Гены-сироты[106] – гены без выявленных гомологов, кроме как у близкородственных вирусов.
4. Вирус-специфические гены, консервативные для (относительно) широкой группы вирусов, но не имеющие гомологов у клеточных форм жизни.
5. Гены – вирусные сигнатуры.
Вирусные сигнатуры – это гены, общие для многих разнообразных групп вирусов, имеющие лишь отдаленные гомологи у клеточных организмов, для которых имеются убедительные свидетельства в пользу монофилии (общего происхождения) всех вирусных членов соответствующих семейств генов. Словосочетание «гены-сигнатуры» было использовано, чтобы подчеркнуть, что эти гены являются признаками «вирусного состояния».
Относительный вклад каждого из этих классов генов в наборы генов различных вирусов зависит от размера вирусного генома и его генетической сложности, которые разнятся более чем на три порядка (см. рис. 10-1). Вирусы с малыми геномами, такие как большинство РНК-вирусов, часто обладают лишь несколькими генами, большинство из которых принадлежат к классу генов-сигнатур. Напротив, у вирусов с большими геномами, например поксвирусов, широко представлены все пять классов. Чтобы проиллюстрировать разнообразие генетического состава, на рис. 10-2 показана разбивка набора генов трех вирусов, обладающих малым, средним и крупным геномами соответственно, на пять классов генов. Интересно, что крупные и среднего размера геномы бактериофагов и вирусов архей заполнены «сиротами», которые зачастую составляют более 80 процентов генов этих вирусов. Быстро эволюционирующие «гены-сироты» фагов, возможно, поставляют много, если не большинство «генов-сирот», которые находят в геномах прокариот (несмотря на отсутствие выявляемой консервативности последовательностей), так что они играют ключевую роль в эволюции прокариот (Daubin and Ochman, 2004).
