Misterija porekla virusa

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Virusi jedva da su živi. Međutim, njihovo porijeklo i evolucija su još manje shvaćeni od pojave "normalnih" ćelijskih organizama. Još uvijek se ne zna ko se pojavio ranije, prve ćelije ili prvi virusi. Možda su oduvijek pratili život, poput pogubne sjene.

Problem je u tome što virusi nisu ništa drugo do fragmenti genoma (DNK ili RNK) zatvoreni u proteinski omotač. Oni ne ostavljaju tragove u fosilnom zapisu, a sve što ostaje da se prouči njihova prošlost su moderni virusi i njihovi genomi.

Uspoređujući, pronalazeći sličnosti i razlike, biolozi otkrivaju evolucijske veze između različitih virusa, određuju njihova najstarija svojstva. Nažalost, virusi su neobično varijabilni i raznoliki. Dovoljno je podsjetiti da njihovi genomi mogu biti predstavljeni lancima ne samo DNK (kao kod nas i npr. herpes virusa), već i srodnih RNA molekula (kao kod koronavirusa).

Molekul DNK/RNA u virusima može biti jednolančan ili segmentiran na dijelove, linearni (adenovirusi) ili kružni (poliomavirusi), jednolančani (anelovirusi) ili dvolančani (bakulovirusi).

Vizuelna nauka Virus gripa A/H1N1

Strukture virusnih čestica, posebnosti njihovog životnog ciklusa i druge karakteristike, koje bi se mogle koristiti za uobičajeno poređenje, nisu ništa manje raznolike. Više o tome kako naučnici prevazilaze ove poteškoće možete pročitati na samom kraju ovog posta. Za sada, prisjetimo se šta je zajedničko svim virusima: svi su oni paraziti. Nije poznat niti jedan virus koji bi mogao sam da izvrši metabolizam, bez korišćenja biohemijskih mehanizama ćelije domaćina.

Nijedan virus ne sadrži ribozome koji bi mogli sintetizirati proteine, i niko ne nosi sisteme koji omogućavaju proizvodnju energije u obliku ATP molekula. Sve ih to čini obaveznim, odnosno bezuslovnim intracelularnim parazitima: oni nisu u stanju da egzistiraju sami.

Nije iznenađujuće da su se, prema jednoj od prvih i najpoznatijih hipoteza, prvo pojavile ćelije, a tek onda se na ovom tlu razvio čitav raznolik virusni svijet.

Regresivno. Od složenog do jednostavnog

Hajde da pogledamo rikecije - takođe intracelularne parazite, iako bakterije. Štoviše, neki dijelovi njihovog genoma su bliski DNK, koji se nalazi u mitohondrijima eukariotskih ćelija, uključujući ljude. Navodno su obojica imali zajedničkog pretka, ali osnivač "linije mitohondrija", koji je zarazio ćeliju, nije je ubio, već je slučajno sačuvan u citoplazmi.

Kao rezultat toga, potomci ove bakterije izgubili su masu više nepotrebnih gena i degradirali se na ćelijske organele koje domaćine opskrbljuju ATP molekulima u zamjenu za sve ostalo. "Regresivna" hipoteza o poreklu virusa smatra da se takva degradacija mogla dogoditi njihovim precima: jednom potpuno punopravnim i nezavisnim ćelijskim organizmima, tokom milijardi godina parazitskog života, jednostavno su izgubili sve suvišno.

Ova stara ideja oživljena je nedavnim otkrićem divovskih virusa kao što su pandoravirusi ili mimivirusi. Oni ne samo da su veoma veliki (prečnik čestica mimivirusa dostiže 750 nm - za poređenje, veličina virusa gripe je 80 nm), već nose i izuzetno dug genom (1,2 miliona nukleotidnih veza u mimivirusu naspram nekoliko stotina u uobičajeni virusi), koji kodiraju stotine proteina.

Među njima su i proteini neophodni za kopiranje i "popravku" (popravku) DNK, za proizvodnju glasničke RNK i proteina.

Ovi paraziti mnogo manje ovise o svojim domaćinima, a njihovo porijeklo od slobodnih predaka izgleda mnogo uvjerljivije. Međutim, mnogi stručnjaci smatraju da to ne rješava glavni problem - svi "dodatni" geni mogli bi se pojaviti iz džinovskih virusa kasnije, posuđeni od vlasnika.

Uostalom, teško je zamisliti parazitsku degradaciju koja bi mogla otići tako daleko i utjecati čak i na oblik nosioca genetskog koda i dovesti do pojave RNA virusa. Nije iznenađujuće da se još jedna hipoteza o porijeklu virusa jednako poštuje – potpuno suprotna.

Progresivna. Od jednostavnog do složenog

Pogledajmo retroviruse, čiji je genom jednolančani RNA molekul (na primjer, HIV). Kada uđu u ćeliju domaćina, takvi virusi koriste poseban enzim, reverznu transkriptazu, pretvarajući je u običnu dvostruku DNK, koja potom prodire u „svetinju nad svetinjama“ćelije – u jezgro.

Ovo je mjesto gdje drugi virusni protein, integraza, dolazi u igru i ubacuje virusne gene u DNK domaćina. Tada s njima počinju raditi vlastiti enzimi stanice: proizvode novu RNK, sintetiziraju proteine na njihovoj osnovi itd.

Vizuelna nauka Virus humane imunodeficijencije (HIV)

Ovaj mehanizam podsjeća na reprodukciju mobilnih genetskih elemenata - fragmenata DNK koji ne nose informacije koje su nam potrebne, već se pohranjuju i akumuliraju u našem genomu. Neki od njih, retrotranspozoni, čak su u stanju da se umnožavaju u njemu, šireći se novim kopijama (više od 40 posto ljudske DNK sastoji se od takvih "smeće" elemenata).

Za to mogu sadržavati fragmente koji kodiraju oba ključna enzima - reverznu transkriptazu i integrazu. Zapravo, ovo su gotovo gotovi retrovirusi, lišeni samo proteinskog omotača. Ali njegovo sticanje je pitanje vremena.

Ugrađujući se u genom tu i tamo, mobilni genetski elementi su prilično sposobni uhvatiti nove gene domaćina. Neki od njih mogu biti pogodni za formiranje kapsida. Mnogi proteini imaju tendenciju da se sami sastavljaju u složenije strukture. Na primjer, ARC protein, koji igra važnu ulogu u funkcioniranju neurona, spontano se savija u slobodnom obliku u čestice slične virusu koje čak mogu nositi RNK unutra. Pretpostavlja se da bi se inkorporacija takvih proteina mogla dogoditi oko 20 puta, što bi dovelo do velikih modernih grupa virusa koje se razlikuju po strukturi svoje ovojnice.

Paralelno. Senka života

Međutim, najmlađa i najperspektivnija hipoteza iznova sve okreće naopačke, pod pretpostavkom da su se virusi pojavili najkasnije do prvih ćelija. Davno, kada život još nije otišao tako daleko, proto-evolucija samoreplicirajućih molekula, sposobnih da se kopiraju, odvijala se u "primordijalnoj juhi".

Postepeno su takvi sistemi postajali sve složeniji, pretvarajući se u sve veće i veće molekularne komplekse. I čim su neki od njih stekli sposobnost da sintetiziraju membranu i postali proto-ćelije, drugi - preci virusa - postali su njihovi paraziti.

To se dogodilo u zoru života, mnogo prije odvajanja bakterija, arheja i eukariota. Stoga, njihovi (i vrlo različiti) virusi inficiraju predstavnike sva tri domena živog svijeta, a među virusima može biti toliko onih koji sadrže RNK: upravo se RNK smatraju "predak" molekulama, samoreplikacija i evolucija što je dovelo do pojave života.

Prvi virusi su mogli biti tako "agresivne" molekule RNK, koje su tek kasnije stekle gene koji kodiraju proteinske ovojnice. Zaista, pokazalo se da su se neke vrste školjki mogle pojaviti čak i prije posljednjeg zajedničkog pretka svih živih organizama (LUCA).

Međutim, evolucija virusa je područje koje je još zbunjujuće od evolucije cijelog svijeta ćelijskih organizama. Vrlo je vjerovatno da su na svoj način sva tri stava o njihovom porijeklu istinita. Ovi intracelularni paraziti su toliko jednostavni i istovremeno raznoliki da se različite grupe mogu pojaviti nezavisno jedna od druge, u toku fundamentalno različitih procesa.

Na primjer, isti gigantski virusi koji sadrže DNK mogli bi nastati kao rezultat degradacije stanica predaka, a neki retrovirusi koji sadrže RNK - nakon što su "stekli neovisnost" mobilnim genetskim elementima. No, moguće je da pojavu ove vječne prijetnje dugujemo sasvim drugom mehanizmu, još neotkrivenom i nepoznatom.

Genomi i geni. Kako se proučava evolucija virusa

Nažalost, virusi su nevjerovatno nestabilni. Nedostaju im sistemi za popravku oštećenja DNK, a svaka mutacija ostaje u genomu, podložna daljoj selekciji. Osim toga, različiti virusi koji inficiraju istu ćeliju lako razmjenjuju DNK (ili RNK) fragmente, što dovodi do novih rekombinantnih oblika.

Konačno, generacijska promjena se dešava neuobičajeno brzo – na primjer, HIV ima životni ciklus od samo 52 sata i daleko je od najkraćeg vijeka. Svi ovi faktori osiguravaju brzu varijabilnost virusa, što uvelike otežava direktnu analizu njihovih genoma.

Istovremeno, jednom u ćeliji, virusi često ne pokreću svoj uobičajeni parazitski program - neki su dizajnirani na ovaj način, drugi zbog slučajnog kvara. Istovremeno, njihova DNK (ili RNK, prethodno pretvorena u DNK) može se integrirati u hromozome domaćina i sakriti se ovdje, izgubljena među mnogim genima same ćelije. Ponekad se virusni genom ponovo aktivira, a ponekad ostaje u tako latentnom obliku, prenoseći se s generacije na generaciju.

Vjeruje se da ovi endogeni retrovirusi čine do 5-8 posto našeg vlastitog genoma. Njihova varijabilnost više nije tako velika - ćelijska DNK se ne mijenja tako brzo, a životni ciklus višećelijskih organizama doseže desetine godina, a ne sati. Stoga su fragmenti koji su pohranjeni u njihovim ćelijama vrijedan izvor informacija o prošlosti virusa.

Posebno i još mlađe područje je proteomika virusa – proučavanje njihovih proteina. Na kraju krajeva, svaki gen je samo šifra za određenu proteinsku molekulu koja je potrebna za obavljanje određenih funkcija. Neki se "uklapaju" poput Lego komada, savijaju virusnu omotnicu, drugi mogu vezati i stabilizirati virusnu RNK, a treći se mogu koristiti za napad na proteine inficirane stanice.

Aktivna mjesta takvih proteina odgovorna su za ove funkcije, a njihova struktura može biti vrlo konzervativna. Zadržava veliku stabilnost tokom evolucije. Čak se i pojedini dijelovi gena mogu promijeniti, ali oblik proteinskog mjesta, distribucija električnih naboja u njemu – sve što je ključno za obavljanje željene funkcije – ostaje gotovo isti. Upoređujući ih, mogu se pronaći najudaljenije evolucijske veze.