Misterul originii virusurilor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Virușii sunt aproape în viață. Oricum, originea și evoluția lor sunt chiar mai puțin înțelese decât apariția organismelor celulare „normale”. Încă nu se știe cine a apărut mai devreme, primele celule sau primii viruși. Poate că au însoțit întotdeauna viața, ca o umbră dezastruoasă.

Problema este că virusurile nu sunt altceva decât fragmente ale genomului (ADN sau ARN) închise într-un înveliș proteic. Ei nu lasă urme în înregistrarea fosilelor și tot ce rămâne pentru a le studia trecutul sunt virușii moderni și genomul lor.

Comparând, descoperind asemănări și diferențe, biologii descoperă legături evolutive între diferiți viruși, determină trăsăturile lor cele mai vechi. Din păcate, virușii sunt neobișnuit de variabili și variați. Este suficient să reamintim că genomul lor poate fi reprezentat nu numai de lanțuri de ADN (ca la noi și, de exemplu, virusurile herpetice), ci și de o moleculă de ARN înrudită (ca în cazul coronavirusurilor).

Molecula de ADN/ARN din virusuri poate fi unică sau segmentată în părți, liniare (adenovirusuri) sau circulare (poliomavirusuri), monocatenar (anellovirusuri) sau dublu catenar (baculovirusuri).

Științe vizuale Virusul gripei A/H1N1

Structurile particulelor virale, particularitățile ciclului lor de viață și alte caracteristici, care ar putea fi utilizate pentru comparații obișnuite, nu sunt mai puțin diverse. Puteți citi mai multe despre modul în care oamenii de știință elimină aceste dificultăți la sfârșitul acestei postări. Deocamdată, să ne amintim ce au în comun toți virușii: toți sunt paraziți. Nu se cunoaște niciun virus care să poată desfășura metabolismul de la sine, fără a utiliza mecanismele biochimice ale celulei gazdă.

Niciun virus nu conține ribozomi care ar putea sintetiza proteine și nimeni nu poartă sisteme care să permită producerea de energie sub formă de molecule de ATP. Toate acestea îi fac obligați, adică paraziți intracelulari necondiționați: nu pot exista singuri.

Nu este de mirare că, conform uneia dintre primele și cele mai cunoscute ipoteze, au apărut mai întâi celulele și abia apoi s-a dezvoltat întreaga lume virală diversă pe acest sol.

În mod regresiv. De la complex la simplu

Să aruncăm o privire la rickettsia - și paraziți intracelulari, deși bacterii. Mai mult, unele părți ale genomului lor sunt aproape de ADN, care este conținut în mitocondriile celulelor eucariote, inclusiv ale oamenilor. Aparent, ambii aveau un strămoș comun, dar fondatorul „liniei mitocondriilor”, care infectează celula, nu a ucis-o, ci a fost păstrat accidental în citoplasmă.

Drept urmare, descendenții acestei bacterii au pierdut o masă de gene mai inutile și s-au degradat în organele celulare care furnizează gazdelor molecule de ATP în schimbul tuturor celorlalte. Ipoteza „regresivă” a originii virusurilor crede că o astfel de degradare s-ar fi putut întâmpla strămoșilor lor: cândva organisme celulare cu drepturi depline și independente, peste miliarde de ani de viață parazită, pur și simplu au pierdut tot ce era de prisos.

Această veche idee a fost reînviată de recenta descoperire a unor viruși giganți precum pandoravirusuri sau mimivirusuri. Nu sunt doar foarte mari (diametrul particulelor mimivirusului ajunge la 750 nm - spre comparație, dimensiunea virusului gripal este de 80 nm), dar poartă și un genom extrem de lung (1,2 milioane de legături nucleotidice în mimivirus față de câteva sute în virusuri comune), care codifică multe sute de proteine.

Printre acestea se numără și proteinele necesare pentru copierea și „repararea” (repararea) ADN-ului, pentru producerea de ARN mesager și proteine.

Acești paraziți sunt mult mai puțin dependenți de gazdele lor, iar originea lor din strămoșii liberi pare mult mai convingător. Cu toate acestea, mulți experți cred că acest lucru nu rezolvă problema principală - toate genele „suplimentare” ar putea apărea din viruși giganți mai târziu, împrumutate de la proprietari.

La urma urmei, este greu de imaginat o degradare parazită care ar putea merge atât de departe și ar putea afecta chiar și forma purtătorului codului genetic și ar putea duce la apariția virusurilor ARN. Nu este de mirare că o altă ipoteză despre originea virușilor este la fel de respectată - complet opusul.

progresivă. De la simplu la complex

Să aruncăm o privire la retrovirusurile, al căror genom este o moleculă de ARN monocatenar (de exemplu, HIV). Odată ajuns în celula gazdă, astfel de viruși folosesc o enzimă specială, transcriptaza inversă, transformând-o în ADN dublu obișnuit, care apoi pătrunde în „sfânta sfintelor” celulei - în nucleu.

Aici intră în joc o altă proteină virală, integraza, care introduce genele virale în ADN-ul gazdei. Apoi, enzimele proprii ale celulei încep să lucreze cu ele: produc ARN nou, sintetizează proteine pe baza lor etc.

Științe vizuale Virusul imunodeficienței umane (HIV)

Acest mecanism seamănă cu reproducerea elementelor genetice mobile - fragmente de ADN care nu poartă informațiile de care avem nevoie, ci sunt stocate și acumulate în genomul nostru. Unii dintre ei, retrotranspozonii, sunt chiar capabili să se înmulțească în ea, răspândindu-se cu noi copii (mai mult de 40 la sută din ADN-ul uman este format din astfel de elemente „junk”).

Pentru aceasta, ele pot conține fragmente care codifică ambele enzime cheie - transcriptaza inversă și integraza. De fapt, aceștia sunt retrovirusuri aproape gata făcute, lipsiți doar de un înveliș proteic. Dar achiziția lui este o chestiune de timp.

Încorporate în genom ici și colo, elementele genetice mobile sunt destul de capabile să capteze noi gene gazdă. Unele dintre ele ar putea fi potrivite pentru formarea capsidei. Multe proteine tind să se autoasambleze în structuri mai complexe. De exemplu, proteina ARC, care joacă un rol important în funcționarea neuronilor, se pliază spontan în formă liberă în particule asemănătoare virusurilor care pot chiar transporta ARN în interior. Se presupune că încorporarea unor astfel de proteine ar putea avea loc de aproximativ 20 de ori, dând naștere unor mari grupuri moderne de viruși care diferă în structura învelișului lor.

Paralel. Umbra vieții

Cu toate acestea, cea mai tânără și mai promițătoare ipoteză întoarce totul peste cap din nou, presupunând că virușii au apărut nu mai târziu de primele celule. Cu mult timp în urmă, când viața nu ajunsese încă atât de departe, proto-evoluția moleculelor autoreplicabile, capabile să se copieze, a decurs în „supa primordială”.

Treptat, astfel de sisteme au devenit mai complexe, transformându-se în complexe moleculare din ce în ce mai mari. Și de îndată ce unii dintre ei au dobândit capacitatea de a sintetiza o membrană și au devenit proto-celule, alții - strămoșii virușilor - au devenit paraziții lor.

Acest lucru s-a întâmplat în zorii vieții, cu mult înainte de separarea bacteriilor, arheilor și eucariotelor. Prin urmare, virusurile lor (și foarte diferiți) infectează reprezentanți ai tuturor celor trei domenii ale lumii vii, iar printre virusuri pot fi atât de mulți care conțin ARN: ARN-urile sunt considerate molecule „ancestrale”, auto-replicarea și evoluția. din care a dus la apariţia vieţii.

Primii viruși ar putea fi molecule de ARN atât de „agresive”, care abia mai târziu au dobândit gene care codifică învelișurile proteice. Într-adevăr, s-a demonstrat că unele tipuri de scoici ar putea să fi apărut chiar înainte de ultimul strămoș comun al tuturor organismelor vii (LUCA).

Cu toate acestea, evoluția virusurilor este un domeniu și mai confuz decât evoluția întregii lumi a organismelor celulare. Este foarte probabil ca, în felul lor, toate cele trei puncte de vedere asupra originii lor să fie adevărate. Acești paraziți intracelulari sunt atât de simpli și în același timp diverși încât grupuri diferite ar putea apărea independent unul de celălalt, în cursul unor procese fundamental diferite.

De exemplu, aceiași virusuri gigantice care conțin ADN ar putea apărea ca urmare a degradării celulelor ancestrale și unele retrovirusuri care conțin ARN - după „căpătarea independenței” prin elemente genetice mobile. Dar este posibil să datorăm apariția acestei eterne amenințări unui mecanism complet diferit, nedescoperit și necunoscut încă.

Genoame și gene. Cum se studiază evoluția virușilor

Din păcate, virușii sunt incredibil de volatili. Le lipsesc sisteme pentru repararea daunelor ADN-ului și orice mutație rămâne în genom, sub rezerva unei selecții ulterioare. În plus, diferiți virusuri care infectează aceeași celulă schimbă cu ușurință fragmente de ADN (sau ARN), dând naștere la noi forme recombinante.

În cele din urmă, schimbarea generațională are loc neobișnuit de rapid - de exemplu, HIV are un ciclu de viață de doar 52 de ore și este departe de cel mai scurt timp de viață. Toți acești factori asigură variabilitatea rapidă a virusurilor, ceea ce complică foarte mult analiza directă a genomilor acestora.

În același timp, odată într-o celulă, virușii adesea nu își lansează programul obișnuit de parazit - unii sunt astfel proiectați, alții din cauza unei defecțiuni accidentale. În același timp, ADN-ul lor (sau ARN, transformat anterior în ADN) se poate integra în cromozomii gazdei și se poate ascunde aici, pierzându-se printre numeroasele gene ale celulei însăși. Uneori genomul viral este reactivat, iar uneori rămâne într-o formă atât de latentă, fiind transmis din generație în generație.

Se crede că acești retrovirusuri endogene reprezintă până la 5-8% din propriul nostru genom. Variabilitatea lor nu mai este atât de mare - ADN-ul celular nu se schimbă atât de rapid, iar ciclul de viață al organismelor multicelulare ajunge la zeci de ani, nu la ore. Prin urmare, fragmentele care sunt stocate în celulele lor sunt o sursă valoroasă de informații despre trecutul virușilor.

O zonă separată și chiar mai tânără este proteomica virusurilor - studiul proteinelor acestora. La urma urmei, la urma urmei, orice genă este doar un cod pentru o anumită moleculă de proteină necesară pentru a îndeplini anumite funcții. Unele „se potrivesc” precum piesele Lego, pliind plicul viral, altele pot lega și stabiliza ARN-ul viral, iar altele pot fi folosite pentru a ataca proteinele unei celule infectate.

Locurile active ale unor astfel de proteine sunt responsabile pentru aceste funcții, iar structura lor poate fi foarte conservatoare. Își păstrează o mare stabilitate pe tot parcursul evoluției. Chiar și părți individuale ale genelor se pot schimba, dar forma site-ului proteinei, distribuția sarcinilor electrice în acesta - tot ceea ce este esențial pentru îndeplinirea funcției dorite - rămâne aproape aceeași. Comparându-le, se pot găsi cele mai îndepărtate conexiuni evolutive.