На каком этапе эволюции появились вирусы кратко

Обновлено: 08.07.2024

Нейтральная эволюция
Прежде чем мы перейдем к отбору, следует объяснить другой очень важный механизм эволюции. Предположим, что абсолютно все мутации не имеют никакого влияния на свойства вируса, о таких мутациях говорят что они нейтральны. Что будет тогда происходить? Частота каждой конкретной новопоявившейся мутации из поколения в поколение будет случайным образом меняться вверх или вниз. Поскольку вначале частота каждой мутации очень низка (ее всего одна копия), то как правило при одном из таких случайных колебаний она упадет до нуля и мутация исчезнет из популяции. Однако как я писал выше, мутации появляются постоянно, поэтому неизбежно некоторым мутациям повезет и их частота будет увеличиваться просто благодаря случаю. Некоторые из них получат существенное распространение, а некоторые и вовсе станут доминирующими, все благодаря случайным процессам. Если мы в этой модели посмотрим на популяцию вируса в любой момент времени, то мы увидим огромное разнообразие вариантов и мутаций, и со временем это разнообразие постоянно будет меняться, одни варианты будут заменять другие и, заметьте, все это будет происходить даже при условии полной нейтральности каждой мутации! Эта нейтральная модель – это стартовая точка для рассмотрения каждой мутации в реальном мире. Мы исходим из начального предположения, что распространение мутации – случайный процесс, а вот положительный ее эффект требует доказательств, которые кстати довольно сложно получить.

Эффект мутаций
ОК, перейдем к мутациям, которые что-то меняют для вируса. Можно выделить три основные категории по которым мутация может влиять на распространение вируса в популяции. Во-первых, она может влиять на собственно репликацию вируса – его способность заражать клетки, воспроизводиться, распространяться внутри организма. Сюда же отнесем способность уживаться с первичным иммунным ответом (т.е. иммунным ответом в организме, который до этого не встречался ни с вирусом, ни с вакциной), избегать его насколько возможно. Во-вторых, она может влиять на некоторые характеристики важные для распространения вируса от человека к человеку, как то его количество в местах организма связанных с распространением, или стабильность в окружающей среде, или длина инкубационного периода. Наконец, в-третьих, она может влиять на способность избегать вторичный иммунный ответ, т.е. ответ в организме, который уже имеет опыт борьбы с родственным вирусом.

Как действует отбор на мутации из каждой категории?
Мутации влияющие на репликацию вируса: Улучшить репликацию вируса очень трудно, большинство мутаций будут ее только ухудшать, поэтому тут отбор имеет очищающее действие – он убирает из популяции вируса мутации, влияющие на эти свойства и таким образом поддерживает циркуляцию исходного не-мутантного вируса. Иногда, довольно редко, могут возникать мутации улучшающие репликацию вируса, но сами по себе они будут распространяться как нейтральные мутации – для того, чтобы мутация улучшающая репликацию активно распространялась в популяции нужно чтобы она улучшала распространение вируса.

Мутации влияющие на распространение – примерно как с репликацией вируса, тут мутациям тоже проще сломать, чем построить, и отбор будет в основном очищающим. Небольшое отличие тут в том, что распространение вируса определяется не только его внутренними свойствами, но и свойствами человеческой популяции (плотность общения, типы общения, кластеризация). И вполне возможно что в разных условиях от вируса требуются разные свойства для оптимизации распространения. Таким образом мутации, которые положительны в одной ситуации, могут быть негативными в другой. Но все-таки основной отбор тут тоже будет очищающим – удаляющим мутации из популяции.

Плейотропия и контекст
Если вам показалось, что все это довольно сложно, то крепитесь, сейчас все станет еще запутанней.

Плейотропия – это когда мутация одновременно влияет на более чем одно свойство организма. Такой эффект – не исключение, он верен для подавляющего большинства мутаций. Т.е. любая мутация не относится только к одной из категорий перечисленных выше, она часто относится к двум или даже к трем, и может менять эти свойства в разных направлениях (или не менять их). Например, она может улучшать репликацию вируса, ухудшать распространение, и помогать избегать вторичный иммунный ответ. Или она может ухудшать репликацию, улучшать распространение, но вредить избеганию вторичного иммунного ответа. И т.д.

Далее, для каждой мутации важен контекст, т.е. в каком именно геноме она присутствует. Свойства мутации всегда проявляются только в контексте конкретного генома. Одна и та же мутация в одном геноме может иметь положительные свойства для вируса, а в другом геноме – отрицательные свойства. Допустим есть дикий вариант и некий мутант А. Возможна ситуация, что новая мутация Б, если она случается в диком варианте - улучшает репликацию вируса, а если она случается в мутанте А – то ухудшает репликацию вируса. Это экстремальный вариант, но вот величина эффекта от мутации может часто варьировать от генома к геному (т.е. в одном геноме ее эффект может быть сильней, а в другом - слабей).

Кто виноват в появлении мутантов – вакцинированные или не-вакцинированные или переболевшие? По большому счету - ни те, ни другие, ни третьи. Вакцинация имеет один очевидный плюс, она в некоторой степени снижает распространение вируса, таким образом уменьшая разнообразие вируса. Каждая предотвращенная инфекция – это минус к разнообразию вируса. Но эффект этот скорей всего не очень велик, учитывая небольшой процент вакцинированных в мире. Перенесенная инфекция тут должна иметь примерно такой же эффект, как и вакцинация, но с тем минусом, что как минимум один раз человек уже послужил инкубатором для новых мутаций, но с плюсом в том, что иммунный ответ там не только на спайк-белок, но и на остальные вирусные белки. Вторичный иммунный ответ в зараженных вакцинированных и переболевших создает давление на вирус, требующее от него изменений (третья категория мутаций описанная выше), в этом смысле конечно ведут к распространению мутантов, но эти мутации важны лишь для избегания вторичного иммунного ответа и не имеют никакого эффекта при первичной инфекции. Т.е. для невакцинированного не должно быть никакой разницы, заразился он исходным вирусом, или мутантом избегающим иммунный ответ в вакцинированных или переболевших (хотя некоторый эффект для лечения есть, потому что такие мутанты часто избегают также и моноклональные антитела используемые в лечении). Важно также вспомнить о балансе о котором я писал выше: на вирус действует отбор оставаться прежним чтобы сохранять свою способность реплицироваться и распространяться, но также отбор меняться чтобы избежать вторичный иммунный ответ. Вполне возможно, что в какой-то момент вирус не сможет делать и то и другое и таким образом его возможность распространяться окажется ограниченной.

Длинный уже получился текст, остановлюсь здесь. Как всегда, будут только рад вопросам и обсуждениям в комментариях.

Вирусы не имеют клеточного строения. Они состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой капсулы. В определенном смысле вирус подобен одной хромосоме, поэтому назвать его живым сложно. Ряд свойств живого он реализует, только находясь в клетке хозяина, то есть являясь паразитом.

Существует три основные гипотезы происхождения вирусов: регрессивная , побега и коэволюции . Ни одной из них ученые не могут отдать предпочтение, приводят лишь аргументы за и против. Сходятся лишь в одном: вирусы появились до того как живое разделилось на растений и животных. То есть вирусы такие же древние организмы, как и бактерии.

Согласно гипотезе побега, или клеточного происхождения, вирусы - это сбежавшие из клетки хромосомы или их части, начавшие независимую жизнь, перемещаясь между разными клетками. Однако как такие плазмиды научились подчинять геном хозяина функционировать на себя?

Гипотеза коэволюции утверждает, что вирусы и клетки появились почти одновременно и эволюционировали совместно. Вирусы всегда зависели от клеток. Однако и тут остается загадкой паразитическая природа вирусов. Ведь если бы вирусы и клетки эволюционировали совместно, были бы и полезные для клеток вирусы. По аналогии с бактериями, среди которых есть и вредные и полезные.

Наиболее правдоподобной, на наш взгляд, выглядит гипотеза регрессивного происхождения. Вирусы произошли от обычных клеток, которые начали паразитировать внутри других клеток. Сначала клетки-паразиты питались и размножались за счет хозяина.

Однако исключительно размножение оказалось более быстрым и выгодным. Поэтому все клеточные структуры, отвечающие за метаболизм, были утеряны в процессе эволюции.

В результате у вирусов остался только белок, обеспечивающий встраивание генома в хромосому хозяина. И остался геном, обеспечивающий блокирование ряда функций хозяйской клетки, массовое производство своих геномов и белков.

В пользу этой гипотезы говорит тот факт, что паразитизм на любом уровне живого всегда приводит к упрощению строения. Например, свободноживущие плоские и круглые черви имеют более сложное строение, чем их паразитирующие собратья.

Кроме того, эволюция вида, в том числе в паразитическую форму, чаще протекает постепенно, через ряд промежуточных форм. Это адаптация. Маловероятно, чтобы способность к паразитизму появилась одномоментно, к чему отчасти склоняют гипотезы коэволюции и побега генетического материала из клетки.

Проблема в том, что вирусы представляют собой не более чем фрагменты генома (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку. В палеонтологической летописи они не оставляют никаких следов, и все, что остается для изучения их прошлого – это современные вирусы и их геномы. Сравнивая, находя сходства и различия, биологи обнаруживают эволюционные связи между разными вирусами, определяют их древнейшие черты. К сожалению, вирусы необычайно изменчивы и разнообразны. Достаточно вспомнить, что их геномы могут быть представлены цепочками не только ДНК (как у нас и, например, герпесвирусов), но и родственной молекулы РНК (как у коронавирусов). Молекула ДНК/РНК у вирусов может быть единой или сегментированной на части, линейной (аденовирусы) или кольцевой (полиомавирусы), одноцепочечной (анелловирусы) или двухцепочечной (бакуловирусы).

Не менее разнообразны структуры вирусных частиц, особенности их жизненного цикла и прочие характеристики, по которым можно было бы проводить обычное сопоставление. Подробнее о том, как ученые обходят эти сложности, вы можете прочесть в самом конце этой заметки. А пока давайте вспомним, что же у всех вирусов общего: все они – паразиты. Не известно ни одного вируса, который мог бы проводить метаболизм самостоятельно, без использования биохимических механизмов клетки-хозяина.

Ни один вирус не содержит рибосом, которые могли бы синтезировать белки, и ни один не несет систем, позволяющих вырабатывать энергию в форме молекул АТФ. Все это делает их облигатными, то есть безусловными внутриклеточными паразитами: существовать сами по себе они неспособны. Неудивительно, что, согласно одной из первых и самых известных гипотез, сперва появились клетки, и лишь затем на этой почве развился весь разнообразный вирусный мир.

Регрессивно. От сложного к простому

Прогрессивно. От простого к сложному

Параллельно. Тень жизни

К сожалению, вирусы невероятно изменчивы. У них отсутствуют системы починки (репарации) повреждений ДНК, и любая мутация сохраняется в геноме, подвергаясь дальнейшему отбору. К тому же, разные вирусы, заразившие одну и ту же клетку, легко обмениваются фрагментами ДНК (или РНК), порождая новые рекомбинантные формы.

Наконец, смена поколений происходит необычайно быстро – например, продолжительность жизненного цикла ВИЧ составляет всего 52 часа, и он далеко не самый короткоживущий. Все эти факторы и обеспечивают стремительную изменчивость вирусов, которая сильно затрудняет прямой анализ их геномов.

Вместе с тем, оказавшись в клетке, вирусы зачастую не запускают своей обычной паразитической программы – одни так устроены, другие – из-за случайного сбоя. При этом их ДНК (или РНК, заранее превращенная в ДНК) может встраиваться в хромосомы хозяина и затаиться здесь, затерявшись среди множества генов самой клетки. Иногда вирусный геном реактивируется, а иногда сохраняется в таком скрытом виде, передаваясь из поколение в поколение.

Считается, что на такие эндогенные ретровирусы приходится до 5-8 процентов нашего собственного генома. Изменчивость их уже не так велика – клеточная ДНК меняется не столь стремительно, да и жизненный цикл многоклеточных организмов достигает десятков лет, а не часов. Поэтому фрагменты, которые сохраняются в их клетках, служат ценным источником информации о прошлом вирусов.

За выполнение этих функций отвечают активные сайты таких белков, и их структура может быть очень консервативна. Она сохраняет большую устойчивость на протяжении эволюции. Меняться могут даже отдельные участки генов, но форма белкового сайта, распределение в нем электрических зарядов – все, что критически важно для выполнения нужной функции – остается почти прежней. Сравнивая их, можно находить самые отдаленные эволюционные связи.

Обзор

Автор

Редакторы

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Эволюция и происхождение вирусов

В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.

Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.

Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?

Строение вирусов и иммунный ответ организма

Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).

Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].

Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).

Причины поражений в борьбе с ВИЧ

Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.

Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.

Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.

Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].

* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.

Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г. Рисунок с сайта phil.cdc.gov.

Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.

Читайте также: