Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

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).

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].

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.