Skrivnost izvora virusov

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Virusi so komaj živi. Vendar sta njihov izvor in razvoj še manj razumljena kot nastanek "normalnih" celičnih organizmov. Še vedno ni znano, kdo se je pojavil prej, prve celice ali prvi virusi. Morda že od nekdaj spremljajo življenje kot katastrofalna senca.

Težava je v tem, da virusi niso nič drugega kot fragmenti genoma (DNK ali RNA), zaprti v beljakovinski ovoj. V fosilnih zapisih ne puščajo sledi, za preučevanje njihove preteklosti pa je ostalo le še sodobni virusi in njihovi genomi.

Biologi s primerjanjem, iskanjem podobnosti in razlik odkrivajo evolucijske povezave med različnimi virusi, določajo njihove najstarejše značilnosti. Žal so virusi nenavadno spremenljivi in raznoliki. Dovolj je, da se spomnimo, da lahko njihove genome predstavljajo verige ne le DNK (kot pri nas in denimo virusi herpesa), temveč tudi sorodne molekule RNA (kot pri koronavirusih).

Molekula DNA/RNA v virusih je lahko enoverižna ali segmentirana na dele, linearna (adenovirusi) ali krožna (poliomavirusi), enoverižna (anelovirusi) ali dvoverižna (bakulovirusi).

Vizualna znanost Virus gripe A / H1N1

Nič manj raznolike niso strukture virusnih delcev, posebnosti njihovega življenjskega cikla in druge značilnosti, ki bi jih lahko uporabili za običajno primerjavo. Več o tem, kako znanstveniki premagajo te težave, si lahko preberete na samem koncu te objave. Za zdaj se spomnimo, kaj imajo vsi virusi skupnega: vsi so paraziti. Ne poznamo niti enega virusa, ki bi lahko sam izvajal presnovo brez uporabe biokemičnih mehanizmov gostiteljske celice.

Noben virus ne vsebuje ribosomov, ki bi lahko sintetizirali beljakovine, in nihče ne nosi sistemov, ki omogočajo proizvodnjo energije v obliki molekul ATP. Vse to jih dela obvezujoče, torej brezpogojne znotrajcelične parazite: ne morejo obstajati sami.

Ni presenetljivo, da so se po eni od prvih in najbolj znanih hipotez najprej pojavile celice in šele nato se je na teh tleh razvil ves raznolik virusni svet.

Regresivno. Od zapletenega do preprostega

Poglejmo si rikecije – tudi znotrajcelične parazite, čeprav bakterije. Poleg tega so nekateri deli njihovega genoma blizu DNK, ki je v mitohondrijih evkariontskih celic, vključno z ljudmi. Očitno sta imela oba skupnega prednika, a ustanovitelj "linije mitohondrijev", ki je okužil celico, je ni ubil, ampak se je po naključju ohranil v citoplazmi.

Posledično so potomci te bakterije izgubili množico več nepotrebnih genov in se razgradili v celične organele, ki gostitelje oskrbujejo z molekulami ATP v zameno za vse ostalo. "Regresivna" hipoteza o nastanku virusov meni, da bi se takšna degradacija lahko zgodila njihovim prednikom: nekoč popolnoma polnopravni in neodvisni celični organizmi so v milijardah let parazitskega življenja preprosto izgubili vse odvečno.

To staro idejo je oživilo nedavno odkritje velikanskih virusov, kot so pandoravirusi ali mimivirusi. Niso le zelo veliki (premer delcev mimivirusa doseže 750 nm - za primerjavo, velikost virusa gripe je 80 nm), ampak nosijo tudi izjemno dolg genom (1,2 milijona nukleotidnih povezav v mimivirusu proti več sto v običajni virusi), ki kodirajo več sto beljakovin.

Med njimi so tudi beljakovine, potrebne za kopiranje in "popravilo" (popravilo) DNK, za proizvodnjo sporočilne RNK in beljakovin.

Ti paraziti so veliko manj odvisni od svojih gostiteljev, njihov izvor od prostoživečih prednikov pa je videti veliko bolj prepričljiv. Vendar pa mnogi strokovnjaki menijo, da to ne rešuje glavnega problema – vsi "dodatni" geni bi se lahko pojavili pozneje iz velikanskih virusov, izposojenih od lastnikov.

Navsezadnje si je težko predstavljati parazitsko razgradnjo, ki bi lahko šla tako daleč in vplivala celo na obliko nosilca genetske kode in vodila v nastanek RNA virusov. Ni presenetljivo, da je enako spoštovana še ena hipoteza o izvoru virusov – povsem nasprotna.

Progresivna. Od preprostega do zapletenega

Poglejmo si retroviruse, katerih genom je enoverižna molekula RNA (na primer HIV). Ko pridejo v gostiteljsko celico, takšni virusi uporabijo poseben encim, reverzno transkriptazo, ki jo pretvori v navadno dvojno DNK, ki nato prodre v »sveto najsvetejših« celice – v jedro.

Tu nastopi še en virusni protein, integraza, ki vstavi virusne gene v gostiteljsko DNK. Nato z njimi začnejo delovati lastni encimi celice: proizvajajo novo RNA, na njihovi osnovi sintetizirajo beljakovine itd.

Vizualna znanost Virus človeške imunske pomanjkljivosti (HIV)

Ta mehanizem je podoben reprodukciji mobilnih genetskih elementov - fragmentov DNK, ki ne nosijo informacij, ki jih potrebujemo, ampak so shranjeni in kopičeni v našem genomu. Nekateri med njimi, retrotranspozoni, so se v njem sposobni celo razmnoževati, širiti z novimi kopijami (več kot 40 odstotkov človeške DNK sestavljajo takšni »odpadni« elementi).

Za to lahko vsebujejo fragmente, ki kodirajo oba ključna encima - reverzno transkriptazo in integrazo. Pravzaprav so to skoraj že pripravljeni retrovirusi, brez samo beljakovinskega plašča. Toda njegova pridobitev je vprašanje časa.

Če se tu in tam vgradijo v genom, so mobilni genetski elementi precej sposobni ujeti nove gostiteljske gene. Nekateri od njih so morda primerni za tvorbo kapsidov. Številne beljakovine se nagibajo k samosestavljanju v bolj zapletene strukture. Na primer, protein ARC, ki igra pomembno vlogo pri delovanju nevronov, se spontano zloži v prosti obliki v virusom podobne delce, ki lahko celo nosijo RNA v notranjosti. Domneva se, da bi se lahko vključitev takšnih beljakovin pojavila približno 20-krat, kar bi povzročilo velike sodobne skupine virusov, ki se razlikujejo po strukturi svoje ovojnice.

Vzporedno. Senca življenja

Vendar najmlajša in najbolj obetavna hipoteza spet vse obrne na glavo, če predpostavljamo, da so se virusi pojavili najkasneje kot prve celice. Pred davnimi časi, ko življenje še ni šlo tako daleč, je proto-evolucija samopodvajajočih se molekul, ki so se lahko kopirale, potekala v »prvi juhi«.

Postopoma so takšni sistemi postajali vse bolj zapleteni in se preoblikovali v vse večje molekularne komplekse. In takoj ko so nekateri od njih pridobili sposobnost sintetiziranja membrane in postali protocelice, so drugi - predniki virusov - postali njihovi paraziti.

To se je zgodilo na zori življenja, veliko pred ločitvijo bakterij, arhej in evkariontov. Zato njihovi (in zelo različni) virusi okužijo predstavnike vseh treh domen živega sveta, med virusi pa je lahko toliko virusov, ki vsebujejo RNA: prav RNA veljajo za "prednikove" molekule, samoreplikacija in evolucija kar je privedlo do nastanka življenja.

Prvi virusi bi lahko bili tako "agresivne" molekule RNA, ki so šele kasneje pridobile gene, ki kodirajo beljakovinske ovojnice. Dejansko se je izkazalo, da so se nekatere vrste školjk morda pojavile že pred zadnjim skupnim prednikom vseh živih organizmov (LUCA).

Vendar pa je evolucija virusov področje, ki je še bolj zmedeno kot evolucija celotnega sveta celičnih organizmov. Zelo verjetno je, da so na svoj način vsi trije pogledi na njihov izvor resnični. Ti znotrajcelični paraziti so tako preprosti in hkrati raznoliki, da bi se lahko različne skupine pojavile neodvisno druga od druge, med bistveno različnimi procesi.

Na primer, isti velikanski virusi, ki vsebujejo DNK, bi lahko nastali kot posledica razgradnje celic prednikov, nekateri retrovirusi, ki vsebujejo RNA, pa bi lahko nastali po "pridobitvi neodvisnosti" s pomočjo mobilnih genetskih elementov. Možno pa je, da dolgujemo pojav te večne grožnje povsem drugemu mehanizmu, ki še ni odkrit in neznan.

Genomi in geni. Kako se preučuje razvoj virusov

Žal so virusi neverjetno nestanovitni. Nimajo sistemov za popravilo poškodb DNK in vsaka mutacija ostane v genomu, ki je predmet nadaljnje selekcije. Poleg tega različni virusi, ki okužijo isto celico, zlahka izmenjujejo fragmente DNK (ali RNA), kar povzroči nove rekombinantne oblike.

Nenazadnje pride do menjave generacij nenavadno hitro – na primer HIV ima življenjski cikel le 52 ur in še zdaleč ni najkrajši. Vsi ti dejavniki zagotavljajo hitro variabilnost virusov, kar močno otežuje neposredno analizo njihovih genomov.

Hkrati virusi, ko so enkrat v celici, pogosto ne zaženejo svojega običajnega parazitskega programa – nekateri so zasnovani tako, drugi zaradi nenamerne okvare. Hkrati se lahko njihova DNK (ali RNA, ki je bila prej pretvorjena v DNK) integrira v gostiteljeve kromosome in se tu skrije ter se izgubi med številnimi geni same celice. Včasih se virusni genom ponovno aktivira, včasih pa ostane v tako latentni obliki in se prenaša iz roda v rod.

Verjame se, da ti endogeni retrovirusi predstavljajo do 5-8 odstotkov našega lastnega genoma. Njihova variabilnost ni več tako velika – celična DNK se ne spreminja tako hitro, življenjski cikel večceličnih organizmov pa sega na desetine let in ne ur. Zato so fragmenti, ki so shranjeni v njihovih celicah, dragocen vir informacij o preteklosti virusov.

Ločeno in še mlajše področje je proteomika virusov – preučevanje njihovih beljakovin. Konec koncev je vsak gen le koda za določeno beljakovinsko molekulo, ki je potrebna za izvajanje določenih funkcij. Nekateri se "prilegajo" kot kosi Lego in zložijo virusno ovojnico, drugi lahko vežejo in stabilizirajo virusno RNA, tretji pa se lahko uporabijo za napad na beljakovine okužene celice.

Za te funkcije so odgovorna aktivna mesta takšnih beljakovin, njihova struktura pa je lahko zelo konzervativna. V evoluciji ohranja veliko stabilnost. Tudi posamezni deli genov se lahko spremenijo, a oblika proteinskega mesta, porazdelitev električnih nabojev v njem – vse, kar je ključnega pomena za opravljanje želene funkcije – ostaja skoraj enaka. Če jih primerjamo, lahko najdemo najbolj oddaljene evolucijske povezave.