Книга: Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Гены – вирусные сигнатуры: сигналы из древнего мира вирусов

Гены – вирусные сигнатуры: сигналы из древнего мира вирусов

Помимо больших классов, перечисленных в табл. 10-1, отчетливых вертикальных родственных отношений между крупными группами вирусов не существует. Однако значительное число генов, кодирующих белки, которые играют ключевую роль в репликации генома, экспрессии и морфогенезе вирионов, входят в пересекающиеся наборы генов, принадлежащие группам вирусов, казалось бы не родственных ни в каком другом отношении, хотя ни один из этих генов не присутствует у всех вирусов (см. табл. 10-2). Большинство генов – вирусных сигнатур не имеют высококонсервативных гомологов у клеточных форм жизни (исключения – легко распознаваемые провирусы и мобильные генетические элементы), хотя отдаленные гомологи бывают. Два наиболее широко распространенных среди вирусов гена кодируют белок капсида с так называемой укладкой типа рулета и геликазу суперсемейства 3. Оба этих белка пересекают барьер между ДНК– и РНК-вирусами и появляются в поразительно широком ассортименте групп вирусов, от некоторых самых мелких РНК-вирусов с позитивным геномом до крупных нуклеоцитоплазматических ДНК-вирусов, класса вирусов, включающего гигантский мимивирус (см. табл. 10-2). Уточняя, можно сказать, что белок капсида с укладкой типа рулета – главный строительный блок икосаэдрических (сферических) вирусных капсидов, наиболее частой формы капсидов, которые крайне различны по величине, но довольно сходны по симметрии и общей форме среди всего огромного диапазона вирусов, которые используют разнообразные стратегии репликации-экспрессии и заражают хозяев, представляющих все или почти все разнообразие клеточной жизни. Так, геликаза суперсемейства 3 участвует в репликации геномов огромного разнообразия РНК– и ДНК-вирусов.

Рис. 10-2. Разбиение вирусных генов на пять эволюционных классов: вирус, обладающий малым геномом: полиовирус (7,4 Кб); вирус, обладающий геномом промежуточного размера: Sulfolobus turreted icosahedral virus (STIV); вирус, обладающий крупным геномом: вирус осповакцины (195 Кб). Данные по Koonin et.al., 2006.

Другие белки, перечисленные в табл. 10-2, не столь широко распространены, как белок капсида с укладкой типа рулета и геликаза суперсемейства 3, но все же за их счет формируются множественные непредвиденные связи между группами вирусов, во всех других отношениях казавшихся неродственными. В качестве примера можно рассмотреть эндонуклеазу инициации репликации по механизму «катящегося кольца», которая объединяет огромное разнообразие небольших репликонов одноцепочечных и двухцепочечных ДНК, включая вирусы, плазмиды и транспозоны, которые размножаются в животных, растениях, бактериях и археях. Детальный анализ аминокислотных последовательностей показал, что ДНК-связывающий домен репликативного белка вирусов полиомы и папилломы (например, T-антигена SV40) представляет собой неактивную производную форму эндонуклеазы инициации репликации способом «катящегося кольца» (Iyer et al., 2005). Таким образом, посредством детального исследования одного из белков-сигнатур хорошо известная связь между различными небольшими репликонами оцДНК (вирусов и плазмид) распространилась также на группу репликонов дцДНК такого же размера. Подобное расширение набора вирусных групп, охватываемых определенным геном-сигнатурой, произошло также в результате детального анализа АТФазы, отвечающей за упаковку вирусной ДНК в капсид, и праймазы архей и эукариот, участвующей в инициации репликации ДНК (Iyer et al., 2005; Iyer et al., 2004b; см. табл. 10-2).

Репликация генома РНК-вирусов с позитивным геномом, дцРНК-вирусов, вирусов с негативным геномом и обратно транскрибирующихся вирусов (элементов) катализируется другим классом ферментов – вирусных сигнатур: РНК-зависимыми РНК-полимеразами и обратной транскриптазой. Полимеразы РНК-вирусов с позитивным геномом и обратная транскриптаза образуют монофилетическую группу внутри обширного класса так называемых palm-доменов («домены-ладони»), характерных для различных полимераз (Iyer et al., 2005; Koonin et al., 2008). РНК-зависимые РНК-полимеразы дцРНК-вирусов и вирусов с негативным геномом, скорее всего, сильно измененные производные того же полимеразного домена (Delarue et al., 1990; Gorbalenya et al., 2002; Koonin et al., 1989). Этот ген-сигнатура может привести нас к самым ранним этапам эволюции жизни, к миру РНК (см. гл. 11 и 12 – там гораздо подробней) и началу мира вирусов. Palm-домен, вероятно, является изначальным белком-полимеразой, сменившим рибозимные полимеразы (гипотетического) мира РНК. Это предположение поддерживается не только широким распространением palm-домена среди современных форм жизни, но еще и структурной, а следовательно, и эволюционной связью между palm-доменом и доменом, содержащим РНК-распознающий мотив (RRM, RNA Recognition Motif), древний РНК-связывающий домен, который первоначально, возможно, способствовал репликации рибозимов (Aravind et al., 2002). РНК-зависимые РНК-полимеразы и обратные транскриптазы исключены из основного хода репликативного цикла клеточных форм жизни, хотя большинство эукариотических геномов, особенно растений и животных, включает в себя множество копий RT-кодирующих ретроэлементов; у прокариот тоже есть немного подобных элементов (см. также гл. 5 и 7). Эти элементы, однако, эгоистичны и с эволюционной точки зрения принадлежат миру вирусов. Возможно, наиболее впечатляющее вторжение обратной транскриптазы в мир клеток – это каталитическая субъединица эукариотической теломеразы, важнейшего фермента, участвующего в репликации концов хромосом[107]. Конечно, не стоит забывать, что все интроны эукариот произошли от ретроэлементов прокариот (см. гл. 7). Примечательно, что единственная другая известная РНК-зависимая РНК-полимераза, не родственная полимеразам, содержащим palm-домен, и являющаяся компонентом системы РНК-интерференции эукариот (см. гл. 7), также, по-видимому, имеет вирусное происхождение (Iyer et al., 2003).

Таблица 10-2. Белки, кодируемые наиболее распространенными генами – вирусными сигнатурами.

Перечень генов – вирусных сигнатур в табл. 10-2 консервативен. Вероятнее всего, другие гены также заслуживают статуса сигнатур, но отыскать явные свидетельства в пользу этого непросто. Секвенирование новых вирусных геномов в совокупности с всесторонним сравнительным анализом могло бы помочь выявить новые гены, которые, несмотря на относительно узкое распространение среди вирусов, могут считаться «сигнатурами». В самом деле, так может обстоять дело со многими, если не с большинством, генов класса 4, вирусных генов, консервативных для больших групп вирусов, но не клеточных форм жизни.

Комбинация свойств белков – вирусных сигнатур во многом необычна и требует эволюционистского объяснения. В самом деле, все гены-сигнатуры без исключения ответственны за важнейшие, центральные аспекты вирусного жизненного цикла, включая репликацию генома, формирование вириона и упаковку геномной ДНК в вирион (см. табл. 10-2). Обладание этими генами связывает между собой совершенно различные классы вирусов, которые часто имеют совершенно разные стратегии самовоспроизведения и различаются по размеру генома на три порядка. Наконец, у всех генов – вирусных сигнатур есть отдаленные гомологи в клеточных формах жизни (см. табл. 10-2), но вирусные версии, по-видимому, имеют общее происхождение.

Две сразу возникающие гипотезы о происхождении вирусных генов-сигнатур предлагают противоречащие друг другу эволюционные сценарии, ответственные за существование и распространение этих генов (Koonin et al., 2006).

1. Гены-сигнатуры – наследие последнего универсального общего предка вирусов (Last Universal Common Ancestor of Viruses, LUCAV). Этот сценарий предполагает, что, невзирая на все свидетельства в пользу противоположного (см. выше), все ныне живущие вирусы на самом деле монофилетичны, хотя их дальнейшая эволюция включала в себя масштабную потерю генов в некоторых эволюционных линиях, а также обильное заимствование новых генов от хозяев в других.

2. Напротив, в рамках гипотезы о полифилетическом происхождении вирусов распространение генов-сигнатур по всему диапазону групп вирусов может объяснить горизонтальный перенос генов.

При более детальном рассмотрении ни одна из этих гипотез не кажется правдоподобным всеобъемлющим объяснением существования и распределения вирусных генов-сигнатур. Действительно, относительно малое число и мозаичное распространение генов-сигнатур (см. табл. 10-2) вряд ли свидетельствует о существовании LUCAV, хотя очевидно, что множество разнообразных вирусов, если не все они, разделяют некую общую историю. С другой стороны, исключительно отдаленное (но все же различимое) сходство между белками-сигнатурами из различных групп вирусов, обладающих абсолютно разными стратегиями репликации, мало совместимо со сценарием ГПГ.

Ниже в этой главе мы рассмотрим сценарий происхождения и эволюции вирусов, который не включает (в традиционном понимании) LUCAV, но сочетает в себе аспекты общего происхождения и гипотезу ГПГ и естественным образом связан с определенными моделями эволюции клеток. Наиболее простое объяснение того факта, что белки-сигнатуры, участвующие в вирусной репликации и формировании вириона, присутствуют в широком спектре вирусов, но, очевидно, отсутствуют в какой-либо из клеточных форм жизни, заключается в том, что у последних таких генов просто-напросто никогда и не было. Вместо этого наиболее правдоподобный сценарий постулирует, что гены-сигнатуры предшествуют клеткам и происходят непосредственно из первичного, доклеточного пула генов. Как можно представить, в таком первичном пуле отбор будет действовать прежде всего в отношении функций, непосредственно связанных с репликацией, что согласуется со свойствами большинства генов-сигнатур (см. табл. 10-2). Если учесть распространение генов-сигнатур среди многочисленных групп резко различных вирусов, важнейший вывод будет заключаться в том, что крупные классы вирусов и сами возникли на доклеточных этапах эволюции. Этот вывод – ключевой момент концепции древнего мира вирусов. Основная черта мира вирусов состоит в непрерывном потоке генетической информации через огромное разнообразие эгоистичных элементов от доклеточного этапа эволюции до наших дней.