Андрей Шляхов - Генетика на пальцах

Мы совсем чуть-чуть углубились в мир вирусов, а уже встретили столько явлений, противоречащих классическим основам генетики! Одноцепочечная ДНК и двухцепочечная РНК! РНК как носитель наследственной информации! И это еще не все.

Представители семейства гепаднавирусов, вызывающих заболевания печени у человека и животных, копируют свою ДНК не обычным образом, а «шиворот-навыворот», с образованием промежуточной РНК-матрицы.

Когда двухцепочечная вирусная ДНК проникает в клеточное ядро, на ее матрице образуются три РНК-матрицы для синтеза белков и одна прегеномная РНК, которая служит матрицей для синтеза одной из цепей вирусной ДНК. Зачем гепаднавирусам нужно копировать свою ДНК столь сложным образом, науке пока еще неизвестно. Известно лишь, что ни у какого другого семейства ДНК-вирусов, кроме паразитирующих в клетках растений колимовирусов [79]   Название «колимовирусы» является сокращением от английского cauliflower mosaic – «мозаика цветной капусты», потому что наиболее изученным представителем данного семейства является вирус мозаики цветной капусты (Cauliflower mosaic virus). , такого причудливого механизма копирования генетического досье нет. В этом отношении гепаднавирусы и колимовирусы – настоящие уникумы.

Явление обратной транскрипции послужило толчком к созданию гипотезы о существовании примерно 4 миллиарда лет назад так называемого «мира РНК», обитатели которого хранили свою наследственную информацию в молекулах РНК. Впоследствии была создана ДНК, сначала служившая промежуточным средством передачи генетической информации, а затем ставшая альтернативным средством ее хранения. Иначе говоря, наследственность на нашей планете началась с РНК! А что? Вполне возможно.

Напрашивается вопрос: зачем понадобилось заменять РНК на ДНК? Какой в этом эволюционный смысл?

Наиболее распространенная версия объясняет замену большей химической устойчивостью молекул ДНК и ее способностью к более точной репарации. Этому есть научное подтверждение, но мы с вами в дебри биохимии углубляться не станем, потому что без необходимой подготовки сразу же там увязнем.

Где появилась ДНК – в вирусах или в клетках? До конца неясно, но большинство ученых склоняются к тому, что ДНК появилась в вирусах и затем была передана клеткам. Клетки могли захватить и присвоить вирусную ДНК, или же в клетку мог внедриться ДНК-содержащий вирус или вирусоподобный агент, который не убил клетку, а только «перестроил» ее геном с РНК на ДНК.

А как и от кого произошли сами вирусы?

На этот вопрос есть три ответа, которые являются гипотезами, то есть носят предположительный характер.

Согласно первой гипотезе, вирусы являются потомками неких древнейших доклеточных форм жизни, перешедших к паразитическому способу существования. Что это за древнейшие формы жизни, никто не знает и даже предположить не берется.

Вторая гипотеза рассматривает вирусы как клеточные структуры, которые обособились от клетки, но при этом полной самостоятельности достичь не смогли и способны размножаться только внутри клетки. На сегодняшний день эта гипотеза имеет наибольшее число сторонников.

А вот у третьей гипотезы, согласно которой вирусы являются следствием деградации одноклеточных организмов, сейчас сторонников практически нет. Да, эволюция может быть не только прогрессивной, но и регрессивной, приводящей к упрощению строения живых организмов. Подобное наблюдается у ряда паразитов, например у кишечных червей, которые предельно «упростились» после того, как перешли к паразитизму. Но проводить аналогию между вирусами и кишечными червями на основании их паразитического образа существования не совсем правильно. Эволюционная логика объясняет, почему деградировали черви, но не помогает понять, почему это могло случиться с бактериями или другими одноклеточными организмами.

По своей химической природе геном вируса полностью идентичен геномам клеток, иначе бы вирус не смог бы «переключать» клеточные структуры на копирование своей нуклеиновой кислоты. Геном вируса отличается от клеточного только размерами. В сравнении с клеточным вирусный геном не просто мал, а ничтожно мал, он меньше примерно в десять тысяч раз. Вирусы не могут позволить себе такой «роскоши», как повторяющиеся некодирующие фрагменты в геноме, потому что «разросшаяся» молекула нуклеиновой кислоты не сможет поместиться в «стандартный» капсид. Поэтому вирусы регулярно очищают свои геномы от условного мусора при помощи ферментов-рестриктаз, вырезающих ненужные фрагменты молекул нуклеиновых кислот.

РНК-содержащие вирусы отличаются от ДНК-содержащих тем, что размножение первых, за небольшим исключением, происходит в цитоплазме, а размножение вторых – в клеточном ядре. Обратите внимание на то, что в цитоплазме происходит репликация вирусной РНК, то есть ее самокопирование, подобное репликации молекул ДНК. А вирусная ДНК в ядре клетки подвергается транскрипции, то есть на ее матрице образуются вирусные РНК-матрицы, которые затем выходят в цитоплазму. Репликация геномной РНК вируса, которая, по сути, представляет собой универсальную матрицу, кодирующую все необходимое вирусу, проще транскрипции геномной ДНК вируса в ядре с последующим использованием РНК-матриц в цитоплазме, но такое «неудобство» компенсируется большей защищенностью наследственной информации, хранящейся в ДНК. В чем-то теряем, в чем-то выигрываем.

Кстати говоря, геном коронавирусов представлен однонитевой молекулой РНК, несущей информацию о десяти вирусных белках. На сегодняшний день геном коронавирусов считается самым большим среди геномов известных науке РНК-вирусов. Десять белков – это очень много для вирусов. Для сравнения в геноме вируса гепатита D записана информация только об одном вирусном белке, который является внутренним белком капсида. Наружным белком вирусу служит белок вируса гепатита В. Никакой опечатки здесь нет. В образовании капсида вируса гепатита D участвует белок вируса гепатита В. Сам по себе вирус гепатита D в клетках организма-хозяина размножаться не способен. Для размножения ему нужно присутствие «донора» – вируса гепатита В, который снабжает его своими белками. Заражение организма вирусом гепатита D происходит либо одновременно с заражением вирусом гепатита B (такое явление называется коинфекцией), либо после заражения вирусом гепатита В (такое явление называется суперинфекцией).

Компактные геномы вирусов располагают к широкому использованию альтернативного сплайсинга, при котором количество синтезируемых белков превышает количество генов. Так, например, геном вируса иммунодефицита человека состоит из девяти генов, кодирующих синтез пятнадцати вирусных белков (девяти структурных и шести регуляторных).