Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Одна из проблем заключается в том, что генов недостаточно: пространство последовательности клеток невелико, а пространство вирусов огромно. Объем информации, которой «владеют» вирусы, больше объема информации, получаемой ими от клеток. Слишком много вирусных генов не имеют клеточных аналогов. Вирусы вариабельны и могут увеличивать сложность своих последовательностей при подверженной погрешностям репликации. И все же это не объясняет астрономическое число генов. Природа хранит гораздо больше информации, чем в состоянии нести все существующие вирусы и тем более клетки.

Возникает важный вопрос: откуда взялась первая клетка? Первая и простейшая «мини-клетка», полученная Крейгом Вентером, чрезвычайно сложна, в ней содержится несколько сот генов и более 200 000 нуклеотидов. Какая огромная! Откуда появилась вся эта информация? Защитники гипотезы «сначала появилась клетка» не смогли это объяснить. А вирусы могут.

Фримен Дайсон в своей книге «Источники жизни» высказал гипотезу о двух источниках жизни на Земле, скомбинировав метаболизм и генетическую информацию, механизмы и программы, а также программное обеспечение, что ближе ко второму сценарию. Увеличение объема информации, закодированной в генах, он объясняет дополнительной «беспорядочностью», что обозначается немецким словом Schlamperei. Он говорит по-немецки, предпочитая слова из детской лексики, поскольку его жена из Берлина, у него пять дочерей и сын и ему пришлось научиться жить в состоянии беспорядка. Он имеет в виду вот что: в природе нет точности. То, что «почти хорошо», может становиться все лучше и лучше. Природа пробует разные способы. Это расширяет генетическое разнообразие.

Макс Дельбрюк также использовал понятие «небрежность»: основой для инновации являются ошибки, неточности, метод проб и ошибок. Время от времени мы называем свою небрежность «креативным хаосом». Манфред Эйген называл это «квазивидами», в которых представлены многие виды одновременно – и те, что подходят, и те, что не подходят. Возможно, приемлемым оказалось бы понятие «облако». Прогресс является следствием ошибок. Даже Чарлз Дарвин отмечал важность ошибок.

А теперь я сформулирую свое кредо: подверженная ошибкам обратная транскриптаза – один из наиболее эффективных «изобретательских» методов. Это проявление «небрежности»! Данный механизм работает «с ошибками». Показатель мутаций составляет 10 на 10 000 нуклеотидов из расчета на один цикл репликации, поскольку при недостаточной точности обратной транскриптазы это приводит к появлению новой информации извне – как из газет. Это огромный объем информации, который отмечается практически во всех биологических системах, включая бактерии, археи и дрожжи (нет – или уже нет (?) – в некоторых ДНК-содержащих вирусах или фагах). И все это происходит в планктоне. Результаты экспериментов с образцами, собранными Tara Oceans, свидетельствуют о следующем: 13,5% белков планктона представлено ОТ по сравнению с 5% в геномах человека, но и в них ОТ является самым распространенным белком. Почему же этого специфического фермента так много в одноклеточных эукариотах, обитающих в океане? Обилие обратной транскриптазы объясняется большим количеством ретротранспозонов. Неужели для появления инноваций и выживания необходимо наличие в океане такого большого количества ретротранспозонов? Действительно ли критерием выбора являются столь существенные изменения окружающей среды?

В соответствии с третьим сценарием вирусы отвечают за горизонтальный перенос генов (ГПГ). Затем гены и вирусы перемещаются горизонтально и используются для переноса генов. Нам известно о существовании горизонтального переноса генов в обоих направлениях – от вирусов к клеткам и от клеток к вирусам. Это вполне соответствовало бы большому количеству параллельных линий. Такого не могло быть на первых этапах существования жизни на Земле, но могло появиться позже.

Строго говоря, теоретически возможен еще один вариант развития событий: вирусы и клетки формируются по большому количеству вертикальных линий, которые развиваются параллельно. В этом случае могло быть много источников. Патрик Фортер из Парижа предположил наличие трех источников; рибосомы-содержащие клетки он назвал рибовироклетками, которые продуцируют белки и вирусы. Вирусы стали «изобретателями» ДНК в трех доменах жизни независимо друг от друга. А как возникли РНК-содержащие клетки?

Существовал ли «первичный», «примордиальный» или «протовирус» – единственный вирус-предок, от которого произошли все остальные вирусы, нечто похожее на «первичное растение» Иоганна Вольфганга Гёте? Такой вопрос поднимался часто. Это могла быть самая примитивная РНК в форме вироида, но у вироидов нет специфической последовательности, а РНК, состоящая из 50 нуклеотидов, обеспечивает 4 50 (или 10 30) возможностей, то есть сумму всех возможных последовательностей как квазивидов. Это не был настоящий первичный вирус. Пространство последовательностей, сумма всех возможных последовательностей, названное «генным пулом», до сих пор не используется всеми биологическими системами на нашей планете. Мы только недавно узнали, что РНК можно без труда получить в пробирке, о чем свидетельствует опыт, проведенный Сазерлендом. Но это не РНК-содержащий пре-протовирус, имеющий всего одну последовательность.

В 2009 г. в статье «Десять доводов в пользу исключения вирусов из древа жизни», опубликованной в Nature Reviews Microbiology, была сформулирована крайняя точка зрения. Эта статья с вызывающим названием спровоцировала выход десяти статей в ответ. И никто из десяти ученых не согласился с точкой зрения автора оригинальной статьи.

И тут вступаю я со своим личным заключительным апофеозом вирусов. Все органисты знают, что у Иоганна Себастьяна Баха после прелюдии следует фуга, которая заканчивается слиянием всех голосов и полным звучанием максимального числа труб – tutti. И вот я со своим tutti – резюме – применительно к вирусам.

Вирусы с самого начала существовали повсюду как первые способные к репликации биомолекулы, такие как вироиды. Они перепробовали все, что можно, и эволюционировали по линии комбинаторной репликации и «взаимодействия компонентов», создав многообразие в форме квазивидов. Мы можем выстроить в одну линию все имеющиеся в настоящее время вирусы и определить большинство этапов их развития. Это удивляет больше всего, поскольку практически все промежуточные виды и формы жизни вымерли. Геномы вирусов содержат в себе больше информации, чем все клетки, вместе взятые; кроме того, структура геномов вирусов более сложная, чем у всех других видов организмов, и может содержать все – РНК и/или ДНК, одноцепочечные, двухцепочечные или и те и другие, линейные, кольцевые, сегментированные, структурированные, кодирующие и некодирующие. По сравнению с таким разнообразием геномных структур наша двухцепочечная ДНК имеет на удивление простую конфигурацию. ДНК обеспечивает стабильную консервацию наиболее эффективных продуктов, увековеченных вирусами, которые являются самыми изобретательными экспериментаторами. ДНК не является стабильным «конечным продуктом», поскольку наличие транспозируемых вирусоподобных элементов гарантирует бесконечную эволюцию. Кроме того, существует многочисленные модели репликации и регуляции вирусов. Сначала в вирусах, а позднее в клетках было обнаружено большое число механизмов – сплайсинг, обратная транскриптаза, «ножницы», сдвиг рамки считывания и т.д. Вироиды выполняют в клетках человека такое число функций, как сотни белков, например осуществляют репликацию, расщепление, присоединение, эволюционное развитие, защиту. Размер вирусных геномов варьируется в пределах пяти порядков (примерно от 10 до 2,5 млн нуклеотидов), и при этом размер частиц колеблется в следующих пределах: от частиц размером с молекулу, если речь идет о безоболочечных частях РНК, до гигантских вирусов размером с бактерию, а число генов колеблется от нуля до 2500. Ноль генов у вироидов, которые «еще» не способны кодировать белки и могут осуществлять большое количество функций без генетического кода, на основании чего можно предположить, что они существовали до появления генетического кода. Они были необходимы для образования белков и кода. Другая крайность – Pandovirus dulcis, у которого генов в пять раз больше, чем у многих бактерий. Упоминалось о нескольких странных химерных вирусах: некоторые из них имеют форму странных реликтов или переходных форм и являются свидетельством промежуточных стадий или стадий развития. К ним относятся очень редкие ретрофаги или ретровироиды, а также странные белки с «забытыми» РНК-хвостами. Вирусы являются двигателем эволюции, дизайнером нашего генома и формируют наш организм.