«Скороходы» и «тихоходы»

«Скороходы» и «тихоходы»

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 10бактерий и 10 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.

Можно найти дополнительные свидетельства в пользу того, что не только вирусы растений, но и сами растения, похоже, развиваются медленно. У них до сих пор активны ДНК-транспозоны, перемещающиеся по способу «вырезать и вставить», которые существуют главным образом в растениях и уже не отмечаются в более высокоорганизованных организмах. У растений, в частности у кукурузы и риса, 85–90% генов представлено активными «прыгающими» генами. Это также применимо к тюльпанам. Однако они составляют некоторое исключение в силу активной селекции, в результате чего сформировались их чрезвычайно крупные геномы, которые в 10 раз больше генома человека. Как это ни странно, размер генома не коррелируется с его сложностью. Тем не менее растения не отличаются особенно эффективной или быстрой адаптацией к новым условиям окружающей среды, помогающей соответствовать образу существования. Растениям для получения новой информации не нужно перемещаться, и, кроме того, их вирусы не очень активны. В большинстве случаев они не могут образовывать частицы и не отличаются высокой мобильностью. Чаще всего это постоянные устойчивые вирусы, не отличающиеся активной репликацией. Активировать «спрятавшиеся» вирусы способен не только стресс. Поэтому ДНК-транспозоны, формирующие два разрыва ДНК, могут оказаться предпочтительными для формирования новой информации. Ретротранспозоны приводят только к одному разрыву ДНК и преобладают в нашем геноме, но и в растениях присутствуют в большом количестве. Однако такое количество ретро- и ДНК-транспозонов не вполне понятно и всегда характеризуется широким спектром значений и вариабельностью.

Когда ДНК-транспозоны или ретротранспозоны приобрели способность к «прыжкам»?

У человека «прыжки» ДНК-транспозонов прекратились около 35 млн лет назад. Наш геном только на 3% произошел от ДНК-транспозонов, и было это давно. У нас есть активные ретротранспозоны, и некоторые из них до сих пор сохраняют активность, что наблюдается преимущественно на этапе эмбриогенеза человека и может привести к развитию рака или рождению гения. У 20 из 200 человек в течение жизни в зародышевых или эмбриональных клетках наблюдается одна ретротранспозиция. Чаще это происходит при раке или в клетках головного мозга.

В соответствии с представленной концепцией ДНК-содержащие вирусы, находящиеся в бактериях или водорослях, в ходе эволюции проявили себя как «скороходы», а РНК-содержащие вирусы – как «тихоходы». Вирусы человека находятся где-то между ними. При этом среднее время удвоения у человека составляет примерно 30 лет, что является средним показателем между двумя крайностями – бактериальными и вирусами растений. С начала летоисчисления от Рождества Христова сменилось приблизительно 60 поколений людей. Один цикл размножения у человека соответствует примерно 1 млн дупликаций бактерий. По сравнению со «средним» вирусом человека, находящимся в диапазоне от РНК-содержащего вироидоподобного вируса гепатита дельта до крупных двухцепочечных ДНК-содержащих вирусов, таких как вирус оспы, фаги прогрессировали, попали в мир ДНК и, вероятно, покинули его. Принимая во внимание, что большое число молекул РНК играет важную роль в метаболизме и репликации в организме человека, мы находимся где-то между РНК- и ДНК-мирами. Просто удивительно, насколько важную роль РНК до сих пор играет в элементарных процессах, происходящих в ДНК-мире, выступая, в частности, в качестве стартеров ДНК-репликации, в качестве сайта для синтеза белка или для безопасного резервного копирования применительно к генной регуляции. И все же по мере увеличения числа ДНК и белков скорость развития человека увеличилась. Сплайсинг РНК может осуществляться автономно – исключительно за счет нкРНК, но у человека для этого требуется 100 белков. Однако сплайсосомы человека быстрее и могут выполнять большое количество более разнообразных функций специальных функций, например в период эмбрионального развития или в процессе генной регуляции.

Регуляторные РНК состоят из рибозимов/вироидов/ кольцевой РНК /piwiРНК, которые родственны с функциональной и структурной точки зрения, и их свойства в наших клетках остались неизменными с начала существования мира РНК и по сегодняшний день, что действительно удивляет. Они обладают очень устойчивой структурой. Возможно, первичный бульон на первых этапах формирования жизни на Земле был самой опасной средой, и поэтому появился такой тип молекул – это всегда самый подходящий вариант!

Лауреат Нобелевской премии Сидни Альтман, который совместно с Томом Чехом открыл каталитическую РНК (рибозим), опровергает гипотезу о доминировании белков в современном мире и подчеркивает важность РНК. Он характеризует наш мир как мир «РНК и белка», который определяется с помощью ДНК в меньшей степени, чем с помощью РНК и белка. ДНК является носителем наследственной информации и ее хранилищем, но не следует забывать о способности ДНК «прыгать», что обусловливает развитие инноваций, и это обстоятельство стоит иметь в виду.