Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Этот вопрос я подняла в 2013 г. в Давосе (Швейцария) во время ежегодной встречи по РНК. Я разговаривала со своими коллегами, многими вирусологами и учеными, которые первыми стали заниматься РНК, вопросами химической эволюции и т.д. Они отвечали одно и то же, то, что написано в большинстве учебников, что говорили рецензенты всех моих статей в международных журналах и, возможно, читатели. Все они сразу же отвечали: сначала появилась клетка, поскольку вирус в ней нуждается. Я была разочарована тем, что даже ведущие исследователи РНК и рибозимов приводили эти же доводы, несмотря на то, что рибозимы являются первым активными биомолекулами, которые могут реплицироваться, эволюционировать, расщеплять и присоединять. Рибозимы – основа рибосом, и поэтому они являются ключевыми молекулами при синтезе белка, а cirРНК и с недавнего времени piРНК – основные регуляторы генов.

Рибозимы – это вироиды, а вироиды относятся к вирусам. Тогда сначала появились вирусы, или, если несколько смягчить, они существуют практически с момента зарождения жизни на Земле и по сей день. Нас окружали другие ученые и молодые студенты, которые с любопытством слушали и были весьма удивлены. Я говорила очень увлеченно, подчеркивала значение гигантских вирусов, многие из которых по размеру больше бактерий, так как они могут выполнять почти те же функции, что и живые клетки, – не так много, но близко к тому! Они могут быть носителями других вирусов. Они даже почти «видят»! Вирусы крупнее многих бактерий и вирусы в качестве хозяев вирусов, до недавнего времени об этом никто не слышал. Не существует четкого разделения между вирусами и клетками. Так что же мы обсуждаем: вирусы или клетки? Студенты были удивлены, они никогда ранее об этом не слышали. На нашей планете существует 10 33 вирусов, это самый успешный биологический вид на Земле и самая крупная биологическая популяция на планете. Нет ни одного живого существа без вирусов. Действительно ли все организмы содержат вирусы? Есть ли они даже в нашем геноме? Готова поспорить, что да! Поэтому вирусы, должно быть, существуют с момента возникновения жизни на Земле, и ни один другой возбудитель инфекционных заболеваний не смог этого добиться. Убедили ли слушателей или Тома Чеха мои «возбужденные рассуждения»? Первыми были вирусы? Не знаю, согласились ли они со мной в итоге.

Есть и дополнительные доводы в пользу того, что «первыми появились вирусы». Проведенный анализ последовательности свидетельствует о следующем: несмотря на сходство некоторых вирусных генов с клеточными, вирусных генов больше, чем клеточных. Одним из ведущих исследователей роли вирусов в эволюции жизни на Земле был Луис Вильярреаль из Центра по изучению вирусов в Ирвайне (Калифорния). Он называет такое доминирование вирусов на нашей планете «виросферой» и использует понятие «репликатор» применительно к прото-РНК, первой реплицирующейся РНК-содержащей биомолекуле. Последующее сопоставление последовательностей, которое провел специалист по биоинформатике Евгений Кунин, подтвердило эту концепцию. Сначала возник мир вирусов, точнее – РНК-содержащих вирусов, после чего появились ретроэлементы, а потом ДНК-содержащие вирусы. Ученые, открывшие гигантские вирусы, поместили их у основания древа жизни, но эти вирусы слишком велики для первых форм жизни на Земле, и не все допускают рассмотрение этого вопроса! И даже Феликс д’Эррель, ученый, открывший фаги, интуитивно отвел им место у корней «древа жизни». Такую эволюцию можно охарактеризовать как «восходящее развитие» – от простого к сложному, от мелких к крупным или как «гипотезу о том, что сначала появились вирусы», согласно которой вирусы первыми заселили царство пребиотиков. Трудность заключается в том, чтобы признать, что первые вирусы могли обходиться без клеток, живя в нишах, «маленьком теплом пруду», по определению Дарвина, или в каких-то полостях с неорганическими компонентами, а возможно, и глиной в качестве катализатора. Им нужна была энергия, но тогда еще не было синтеза белка и клеток, поскольку для их образования требуется химическая энергия!

Новые методы химического анализа свидетельствуют о том, что три основных строительных блока жизни – аминокислоты, нуклеотиды и липиды – можно синтезировать в первичном бульоне Дарвина при поступлении энергии из окружающей среды. Британский химик Джон Сазерленд может осуществлять однореакторный синтез всех трех строительных блоков жизни в одной пробирке, и при этом стартовым условием является наличие простых предшественников, в частности синильной кислоты, фосфора, сероводорода и воды, а также ультрафиолетового излучения. Вот так и могла начаться жизнь. Только после появления типичных клеток вирусы смогли изменить образ существования и превратиться во внутриклеточных паразитов – это хорошо известная тенденция в эволюционном развитии, определяемая средовыми условиями. Борясь за клеточные ресурсы, они сталкивались с конкурентами и создали ранние примитивные механизмы противовирусной защиты, клеточного иммунитета. Возможно даже, что вирусы принесли ядро в первые эукариотические клетки.

Я внесла изменения в определение вируса, расширив его по сравнению с определением из классических учебников по вирусологии, в соответствии с которым вирусы относятся к паразитам и нуждаются в клетках. Вместо этого я отнесла к «вирусам», или хотя бы к вирусоподобным организмам, вироиды, поли-ДНК-вирусы, плазмидные ДНК и даже прионы как «вирусы» или по крайней мере вирусоподобные структуры. Предположу, что в этом случае получается, что вирусы охватывают все, начиная с только РНК-содержащих и через РНК к ДНК до ДНК-содержащих при наличии или отсутствии белков, или только белка. Так что же такое вирус? Это объект, способный к репликации, развитию и взаимодействию. Его информация чаще всего «генетическая», но значение имеет даже структурная информация, поэтому я не включаю в определение понятие «генетический». В настоящее время вирусы чаще всего являются паразитами, но изначально они таковыми не были. Мне это представляется логичным и простым, но не все с этим согласны, а мне не хотелось бы быть категоричной. Такой сценарий отражает последовательность событий, имевших место в процессе эволюции. В итоге вирусы, бактерии, археи и симбиотические комбинации привели к образованию сложных клеток млекопитающих, и, как это ни удивительно, оказалось, что все множество наших геномов произошло из древнего мира вирусов.

В другой концепции излагается иное развития событий: сначала появились клетки, а потом вирусы. Вирусы возникли из клеток, крупные структуры стали мелкими, развиваясь «по нисходящей». Эту концепцию ученые принимают чаще всего, и согласно ей вирусы являются «сателлитами», возникающими вследствие «разрушения клетки», и называется она «теорией побега». Являясь частью клеток, вирусы расщепляют и «крадут» клеточные гены. Часть ДНК с несколькими генами оказалась «завернутой» в белок или клеточные мембраны в качестве защиты и превратилась в вирус. Некоторые современные вирусы, особенно крупные ДНК-содержащие вирусы млекопитающих, например герпесвирусы, похоже, подтверждают эту теорию. Опухолевые вирусы также «вербуют» свои онкогены из клетки (кроме того, они возвращают их, поэтому генетическая информация перемещается туда-обратно). В «гипотезе сокращения» описано это явление, вследствие которого вирусы возникают из свободных живых клеток.