Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Вирусы и клетки учатся друг у друга, обмениваются генами, рекомбинируют их в обоих направлениях, то есть мы имеем дело с коэволюцией. В последние годы у нас неоднократно вызывали удивление результаты наблюдений, согласно которым различные экосистемы – от тех, что обитают в кишечнике человека, до состава микробиома океана – мирно сосуществуют. Я слушала доклад Эрика Карсенти об океанической экспедиции. Его удивило мирное сосуществование компонентов, составляющих микробиом Мирового океана. Меня же удивило, что 73% микробиома Мирового океана и кишечника человека, состоящего из вирусов и фагов, родственны с функциональной точки зрения и что самый распространенный белок – обратная транскриптаза.

Подверженная ошибкам обратная транскриптаза ретровирусов или ретроэлементов является самым щедрым поставщиком новой информации. Полученные свидетельства подтверждают, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов. Ретроэлементы могут заполнять 75% генома кукурузы и 50% генома риса. Приобретя оболочку, они становятся подвижными и могут покинуть клетку. Обратная транскриптаза и РНКаза Н – самые распространенные белки в мире, и их структуры в ретровирусах, дрожжах, бактериях, планктоне, растениях или организме млекопитающих и человека практически ничем не отличаются.

Лично для меня удивительно, что я стала свидетелем открытия обратной транскриптазы и что до сих пор, по прошествии более 45 лет, это открытие сохраняет свою важность, что мои исследования расщепляющего фермента РНКазы привели меня к ретровирусам и позволили проследить весь эволюционный путь, а также иммунологические защитные системы. Вирусы создали противовирусную защиту. Интегрированные ретровирусы, ДНК-содержащие провирусы как клеточные гены легкодоступны для противовирусной защиты.

И те и другие используют один и тот же инструментарий. Вирусные компоненты создают противовирусные эффекты, такие как РНК-интерференция, сайленсинг, интерферон и иммуноглобулины, у которых очень схожие механизмы расщепления по принципу действия РНКазы. Ретроэлементы являются двигателем эволюции. Вероятно, даже ядра эукариотов произошли от вирусов. Возможно, они сформировали эукариоты. И наконец, скорость репликации вируса в миллионы раз быстрее, чем при прочих способах. Вирусов огромное количество, и они очень успешны.

Итак, относятся ли вирусы к живым организмам? Почти. Скорее да, чем нет. Не существует четкой границы между живыми и неживыми микроорганизмами. И на этом моя сольная партия на оргáне заканчивается.

Распределение вирусов различных видов носит довольно странный характер: РНК- и ДНК-содержащие вирусы распределяются неравномерно. У растений преобладают РНК-содержащие вирусы (главным образом одноцепочечные РНК), а почти все обитатели бактериального мира фагов имеют двухцепочечную ДНК, аналогичную ДНК гигантских вирусов у водорослей или ДНК-содержащим вирусам архей. Но нужно признать наличие некоторых исключений из этих «правил».

В организме человека обитает много разных видов вирусов. Почему у растений РНК-содержащие вирусы, а у фагов ДНК-содержащие вирусы? Как возникают предпочтения у хозяина и у вируса? Мне никто не может этого объяснить, а в учебниках по вирусологии данный вопрос даже не рассматривается. Есть красочный постер, подготовленный Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV), показывающий таксономию вирусов. На нем изображен эллипс с сегментами для хозяев и их вирусов. Такие постеры висят на дверях почти во всех вирусологических институтах всего мира и служат хорошим украшением. Я позвонила производителю, чтобы узнать, чем они руководствовались, разрабатывая этот постер. «Вкус и пространство», – был ответ; вкус художника, чувство красоты, эстетические соображения и никакого научного обоснования.

Возможно, вот оно, объяснение: если сначала на нашей планете появилась РНК, а потом ДНК, то ДНК-содержащих вирусов должно быть больше, чем РНК-содержащих. Возможно, ДНК-содержащие вирусы изначально были РНК-содержащими, а затем стали ДНК-содержащими, покинув мир РНК-содержащих микроорганизмов. РНК-содержащие вирусы – «тихоходы», а ДНК-содержащие – «скороходы». Подтверждается ли это? Возможно, да: об этом говорит скорость репликации, время удвоения у ДНК-содержащих вирусов и их хозяев. У бактерий и их ДНК-содержащих фагов время репликации составляет от 20 минут до нескольких часов в зависимости от нутриентов и условий роста. У растений же, наоборот, время удвоения может составлять до 3500 лет (как у секвойи, растущей на территории США) или еще дольше (например, у гинкго билоба и норвежской ели, возраст которой достигает 9500 лет). Вирусы растений представлены главным образом РНК-содержащими вирусами. Они сохраняются в деревьях, медленно реплицируются, не покидая хозяина. Время удвоения у хозяина, число поколений бактерий по сравнению с растениями может быть в несколько миллионов раз выше. Рост бактерий и их вирусов имеет цифровое выражение: на нашей планете 10 30 бактерий и 10 33 фагов, и у большинства из них ДНК-геномы. В биологическом мире нет более успешных организмов, чем ДНК-содержащие вирусы и их бактерии, которые обитают в почве, океане, нашем кишечнике, экосистемах организма человека и всех экосистемах в принципе. Они есть даже в наших генах! Гигантские вирусы, инфицирующие морские водоросли, также подходят для этой модели, основанной на циклах репликации. Водоросли относятся к растениям, поэтому следовало бы, чтобы они были представлены главным образом РНК-вирусами, но многие водоросли представляют собой одноклеточные быстрорастущие организмы, достигающие большой численности. Поэтому ожидается, что победителями в конце концов окажутся все ДНК-содержащие вирусы в силу скорости их размножения. Одноклеточный планктон (нанопланктон) способен к быстрому делению и, соответственно, является пристанищем для вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК. Таким образом, общей чертой, объясняющей доминирование РНК- и ДНК-содержащих вирусов в различных видах живых организмов, похоже, является скорость репликации и число делений. РНК была первой, и чем больше поколений проходит, тем выше ее шанс стать ДНК – прогресс в эволюции!

Мы, млекопитающие, находимся где-то между этими двумя крайними позициями. У нас есть как РНК-, так и ДНК-содержащие вирусы. Это моя гипотеза.

Есть еще одно предположение, объясняющее, почему в растениях развивались не ДНК-содержащие, а главным образом РНК-содержащие вирусы. Они не могут легко перемещаться из клетки в клетку, поскольку ДНК слишком велика и имеет жесткую структуру. Имеющаяся у растений система доставки не позволила бы осуществить такой перенос (через небольшие соединения, плазмодесмы). Такую гипотезу сформулировал Евгений Кунин – я не проверяла. Однако, может быть, имела место некоторая адаптация и вирусы стали мельче или сосуды расширились? Тогда эта адаптация сработала.