Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Таким образом, наиболее экономный сценарий эволюции вирусов, по-видимому, включает доклеточный мир вирусов. Наиболее вероятным кажется, что основные классы вирусов – по крайней мере все стратегии репликации и экспрессии генома – возникли уже в доклеточную эру. Возможно, называть гипотетические первичные эгоистичесные элементы вирусами нецелесообразно, учитывая отсутствие клеток на этом этапе их эволюции. Однако, если их называть «вирусоподобными» агентами или как-то вроде этого, это никак не изменит того факта, что нет ни следа клеточного происхождении вирусов, и ни в коей мере не опровергнет гипотезу древнего мира вирусов.
Следует иметь в виду два замечания. Во-первых, рассматривая три сценария происхождения вирусов, мы говорим о вирусах (или вирусных геномах) как о «независимо эволюционирующих генетических элементах». Много, и, в некоторых вирусах, возможно, большинство, вирусных генов может быть клеточного происхождения (см. рис. 10-2), но вирусы как (квази)автономные сущности, по-видимому, не имеют клеточных корней. Во-вторых, хотя для каждой конкретной эволюционной линии вирусов сценарии исключают друг друга, разные группы вирусов в принципе могут иметь разное происхождение. В любом случае пока у нас нет достаточно убедительного свидетельства, что сценарии сбежавших генов или дегенерации клетки – лучшее объяснение происхождения каких-либо известных вирусов.
Непрерывность мира вирусов и связи с миром клеточных организмов
Анализ вирусных генов-сигнатур меток, по-видимому, предполагает, что они произошли из первичного пула генов. Существование этого первичного пула оказывается логически неизбежным, безотносительно того, какой именно выбрать сценарий ранних этапов эволюции. Мы всерьез обратимся к этим вопросам в главах 11 и 12. Здесь я хочу подчеркнуть другой и достойный всяческого внимания аспект эволюции вирусов, а именно очевидную непрерыв нность мира вирусов от доклеточной эры до наших дней и далее в любом обозримом будущем. В самом деле, если гены-сигнатуры 1) происходят из первичного пула генов, 2) имеют лишь очень отдаленные гомологи среди генов клеточных форм жизни и, очевидно, никогда не входили в состав клеточных геномов и 3) необходимы для репродукции вирусов, то неизбежно заключение, что эти гены переходили от вируса к вирусу (или вирусоподобному элементу) на протяжении всех четырех миллиардов лет эволюции жизни. В этом случае мы должны заключить, что вирусные геномы, хотя и не монофилетические в обычном смысле, произошли благодаря перемешиванию и подгонке друг к другу генов в гигантской генетической сети, которую представляет собой мир вирусов. Многочисленные гены клеточных форм жизни также пронизывают эту сеть, прежде всего благодаря геномам крупных вирусов, таких как NCDLV и крупные бактериофаги, которые позаимствовали множество генов от своих хозяев на разных этапах эволюции. Однако большинство заимствованных генов сами по себе не критичны для репликации и экспрессии вирусного генома (исключая некоторые случаи возможного неортологичного замещения генов-сигнатур); обычно эти гены участвуют во взаимодействии между вирусом и хозяином. Таким образом, несмотря на интенсивный взаимообмен генами с хозяевами, представляется, что вирусы всегда происходят от других вирусов, даже если, во многих случаях, пути эволюции – кружные. Мы теперь можем сформулировать принцип, симметричный знаменитому обобщению Рудольфа Вирхова, отражающему тот факт, что клетки размножаются делением, но никогда, насколько нам известно, не появляются de novo: omnis cellula e cellula. Будучи приложен к миру вирусов, принцип формулируется таким образом: omnis virus e virus.
Конечно, существуют вирусы и различные вирусоподобные агенты, испытывающие принцип непрерывности на прочность. Наиболее ярким примером могут быть многочисленные, разнообразные вирусы гипертермофилов кренархеот (Prangishvili et al., 2006a, 2006b) и группа полиднавирусов, заражающих насекомых. Некоторые из этих вирусов не имеют общих генов ни с какими другими вирусами; вирусы кренархеот обычно имеют немногочисленные гены с узнаваемым происхождением, a полиднавирусы содержат ряд генов, произошедших от генов хозяина (Dupuy et al., 2006). Однако даже среди этих необычных вирусов некоторые сохраняют один или два гена-сигнатуры, более того, у полиднавирусов заметны четкие признаки инактивации этих уцелевших генов-сигнатур. Очевидно, полиднавирусы произошли от разных групп полноценных вирусов насекомых, в частности асковирусов и нудивирусов, пройдя путь, очень напоминающий эволюцию агентов переноса генов (Bezier et al., 2009; Bigot et al., 2008). Геном нудивируса встроился в геном предковой формы осы и активно экспрессируется, продуцируя белки, необходимые для формирования вирионов и упаковки ДНК. Однако вирусные гены (по крайней мере большинство из них) не включаются в вирионы, в которые вместо этого упаковываются случайные фрагменты генома хозяина. Эта поразительная конвергенция эволюции псевдовирусов прокариот и эукариот предполагает сильное давление отбора, направленное на «изобретение» специальных приспособлений для горизонтального переноса генов и перестройки генома.
Эти наблюдения на геномах необычных вирусов указывают на значительную пластичность, но также и на столь же примечательную устойчивость вирусного состояния: у вирусов есть способности радикально менять свое генетическое наполнение вплоть до утраты всех генов, непосредственно вовлеченных в репликацию вирусного генома, но все же оставаться явными вирусами, если говорить об их цикле размножения и образе жизни, типичном для внутриклеточных паразитов[108]. Агенты переноса генов и полиднавирусы делают важный дальнейший шаг в эволюции этой пластичности, так как в этих случаях содержание вирусного генома полностью замещено. Более того, эти псевдовирусы избавились от независимой репликации; гены, необходимые для формирования вириона и упаковки ДНК, реплицируются лишь внутри генома хозяина, так что отношения между вирусом и клеточным хозяином становятся скорее симбиотическими, чем паразитическими. Такой симбиоз мог бы быть крайне распространенным феноменом и может принимать разнообразные обличья, насколько можно предположить исходя из того примера, что устранение всех профагов из бактериального генома существенно снижает устойчивость бактерии к различным формам стресса (Wang et al., 2010). Таким образом, многие профаги могут быть не паразитами, a скорее настоящими симбионтами.
В этой главе я прежде всего подчеркиваю непрерывность и относительную автономность мира вирусов, но пути передачи генетической информации, прямо связывающие вирусные и клеточные империи, конечно, переплетены и крайне важны для эволюции обеих империй. Важнейшим примером этого может служить вся история взаимодействия между обратно транскрибирующимися элементами и эукариотами, которую мы уже многократно упоминали. От приобретения в древности интронов, сплайсосомы и теломеразы до совсем недавнего использования провирусных последовательностей в качестве промоторов геномы эукариот формировались благодаря многочисленным, непрерывным вкладам со стороны обратно транскрибирующихся элементов. В ходе эволюции эти агенты утратили свой эгоистичный характер: по сути дела, они покинули мир вирусов и вступили в мир клеточных форм жизни. Ясно, что аналогичные процессы распространены среди прокариот, у которых гены профагов систематически фиксируются в хромосомах и теряют связь с вирусными геномами. Как упоминалось ранее, вирусы с крупными геномами, наоборот, систематически и непрерывно заимствуют многочисленные гены хозяина, которые часто остаются в вирусных геномах на протяжении сотен миллионов лет. Прекрасный пример этого явления представляют собой NCDLV, в частности поксвирусы, обладающие десятками и даже сотнями генов, заимствованных у хозяина на разных этапах эволюции и прежде всего участвующих во взаимодействии вируса и хозяина. Таким образом, несомненно, вирусные и клеточные миры соединены многими дорогами с двусторонним движением.
Фундаментальная неизбежность паразитов
В настоящей главе мы достаточно подробно обсуждали эмпирические свидетельства существования древнего, частично автономного, непрерывного во времени мира вирусов, который, очевидно, является ключевым компонентом биосферы с ее зарождения в доклеточную эру до наших дней. Эти наблюдения, по сути, подтверждаются сильными теоретическими указаниями на то, что возникновение паразитов – неизбежное последствие эволюционного процесса, в котором имеется различие между геномом (генотипом) и фенотипом. В свою очередь, различие генотипа и фенотипа – неотъемлемая часть принципа подверженной ошибкам репликации, который мы обсуждали в главе 2. Паразиты неизбежно появляются в комьютерных симуляциях эволюции простых репликаторов (Szathmary and Maynard Smith, 1997; Takeuchi and Hogeweg, 2008); не углубляясь в детали, этот исход легко понять интуитивно.
