Используя геномику, биологи-эволюционисты проверяют несколько гипотез о происхождении вирусов. Новые данные свидетельствуют о том, что они, возможно, появлялись чаще, чем считалось ранее.
Вся клеточная жизнь, от бактерий до деревьев, может восходить к единственному предку, который существовал примерно четыре миллиарда лет назад, - последнему универсальному общему предку (last universal common ancestor - LUCA). История вирусов — скопления генетического материала внутри белковой или липидной оболочки — гораздо менее однозначна. Вирусы возникли не в результате одного, а по меньшей мере семи отдельных событий, каждое из которых привело к появлению “царства” вирусов, имеющих общую родословную. Ученые выдвинули множество теорий, объясняющих, как возникло каждое царство. Однако новые данные секвенирования генома заставляют вирусологов переработать генеалогические древа вирусов, разделив некоторые группы на отдельные и переписав историю эволюции вирусов.
Чтобы исследовать происхождение вирусов, ученые обращаются к самым ранним этапам развития жизни на Земле. Несмотря на то, что все современные вирусы для своей репликации полагаются на клетки, одна из гипотез о происхождении вирусов, предполагает, что вирусы появились до появления клеток. Этот сценарий может быть применим, по крайней мере, к пяти из семи вирусных реалмам (реалм - высший таксономический ранг в вирусологии - прим.пер.), которые инфицируют все домены жизни. Возьмем, к примеру, реалм Duplodnaviria: эти ДНК-вирусы обнаружены у архей, бактерий (бактериофаги) и эукариот (включая вирусы герпеса). Поскольку эти носители настолько принципиально различаются, маловероятно, что вирус, поражающий одного из них, мог просто эволюционировать, чтобы заразить другого. Это говорит о том, что предок Duplodnaviria, должно быть, уже существовал во времена LUCA или, возможно, даже раньше, что подтверждает гипотезу о появлении вирусов первыми.
Некоторые вирусные реалмы поражают только определенные группы организмов, что говорит о том, что они возникли после того, как определенные ветви жизни уже эволюционировали, а не восходят полностью к LUCA. Например, вирусы реалма Adnaviria встречаются исключительно у архей, что означает, что они, вероятно, появились после появления архей около 3,8 миллиарда лет назад, говорит Мурило Зербини, президент Международного комитета по таксономии вирусов (ICTV). Однако более пристальный взгляд на вирусные белки может поставить под сомнение этот вывод. Например, вирусы реалма Ribozyviria заражают только эукариот, поэтому было бы логично предположить, что они эволюционировали после появления эукариот около 1,7 миллиарда лет назад. Тем не менее, эти вирусы обладают рибозимами — ферментами на основе РНК, которые восходят к древнему миру РНК, указывая на то, что они могут быть намного старше и, возможно, предшествовали самой клеточной жизни, отметил Зербини.
Подтвердить гипотезу о том, что первым появился вирус, а клетка потом, непросто. Прослеживание родословной на четыре миллиарда лет назад сопряжено с такой большой неопределенностью, что невозможно опредленно сказать, что появилось раньше - вирус или клетка. Что еще больше усложняет ситуацию, это то, что ученые обнаружили, что каждый вирусный реалм содержит гены, связанные с генами клеточной ДНК. Это затрудняет определение того, были ли вирусы предшественниками клеток, возникли ли они независимо друг от друга и позже обменялись генами, что соответствует модели "сначала вирус", или же вирусы на самом деле произошли от клетки. Независимо от ответа, вирусы и клетки оказали глубокое влияние на эволюцию друг друга.
Как могли вирусы, которые обычно содержат всего несколько генов, появиться из клеток, оснащенных тысячами генов? “Гипотеза редукции” предполагает, что это могло произойти, если паразитические клетки избавились от большинства своих генов и стали зависимыми от других клеток. Исследователи знают, что бактериальные патогены, такие как Chlamydia trachomatis, передающиеся половым путем, и Rickettsia prowazekii, вызывающие сыпной тиф, удаляют гены, важные для синтеза биомолекул, потому что они могут просто брать эти ресурсы от своих хозяев.
Поскольку все вирусные области содержат часть генов, гомологичных клеточным белкам, представляется вероятным, что вирусы возникли таким же образом, как и облигатные внутриклеточные патогенные бактерии, — путем сокращения клеточного генома, но в более значительной степени. Открытие гигантских вирусов в реалме Varidnavira первоначально послужило подтверждением этой теории. “Гигантские вирусы выглядят как клетки. Вначале их путали с маленькими бактериями”, - говорит Густаво Каэтано-Анолес, биолог-эволюционист из Иллинойского университета. В то время как большинство вирусов практически не содержат генов (например, SARS-CoV-2, вызвавший пандемию COVID-19, содержит всего 11 генов, кодирующих белки), гигантские вирусы содержат тысячи генов. Многие из них кодируют клеточные факторы, такие как ферменты трансляции или рибосомальные белки, что дает больше доказательств того, что они могли быть выведены из клеток.“На самом деле, я думаю, что они подтверждают редукционистскую гипотезу, потому что, возможно, с добавлением еще нескольких генов они стали бы независимыми агентами”, - сказал Зербини.
Однако исследование, проведенное в 2023 году, опровергло эту точку зрения, обнаружив, что гигантские вирусы, вероятно, произошли от вирусов меньшего размера. Вирусологи использовали CRISPR-Cas9 для удаления каждого гена вируса-гиганта Pandoravirus по одному, чтобы определить, какие из них необходимы для его выживания. Они обнаружили, что все важные гены сгруппированы в геноме вместе, в то время как несущественные расположены на концах. Это наводит на мысль о том, что кластер существенных генов представляет собой реликтовый геном, который был расширен позже, рассказал Хьюго Бисио, вирусолог из Французского национального центра научных исследований, который был соавтором исследования. “В некоторых случаях они создают свои собственные гены, а в других - крадут гены у других организмов”, - пояснил он.
Гигантские вирусы могли приобрести гены путем негомологичного соединения концов, при котором гены встраиваются между двумя поврежденными сегментами ДНК, или путем гомологичной рекомбинации, при которой гены со сходными последовательностями меняются местами. Нет причин, по которым эти процессы происходили бы на концах основного кластера генов, но не в его середине; однако Бизио предположил, что причина, по которой события вставки происходят только на концах, заключается в том, что любая вставка, нарушающая работу основных генов в срединном кластере, предотвратила бы репликацию вируса.
Однако ученые по-прежнему расходятся во мнениях о том, как возникли гигантские вирусы. Зербини утверждает, что получение генов из клеток происходит редко. “Мы предполагаем, что это относительно редкие случаи. Для вируса приобретение сотен генов от хозяев не является невозможным, но очень маловероятным”, - сказал он. Шанталь Абергель, вирусолог из Французского национального центра научных исследований, которая также была соавтором исследования 2023 года, отметила, однако, что “их жизненный цикл настолько быстр, что на самом деле, в течение небольшого периода времени, они будут размножаться так много раз, что в конечном итоге шансы на интеграцию новой ДНК выше, чем у организма, который размножались бы гораздо медленнее”, как прокариоты или эукариоты.
Сокращение генома - не единственный способ, которым вирусы могли появиться из клеток. “Гипотеза побега” предполагает, что вирусы могли возникнуть из нескольких клеточных компонентов, которые вырвались на свободу. Пожалуй, наиболее убедительным доказательством этого является реалм Riboviria, который содержит ретровирусы, такие как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Ретровирусы - это РНК-вирусы, которые производят ДНК-копии своих геномов, которые они встраивают в ДНК хозяина. Вполне возможно, что они возникли из-за ретротранспозонов, типа “прыгающих генов”, которые встраиваются в геном и дублируются.
В исследовании, опубликованном в этом году, Джон О'Брайен, вирусолог-эволюционист из Оксфордского университета, и его коллеги математически смоделировали, как гипотеза побега может привести к появлению вирусов. Их модель предсказывает, что вирусы могли появиться, если древние клетки делились неравномерно, позволяя "прыгающим" генам или другим самовоспроизводящимся нуклеиновым кислотам отделяться от генома. Они протестировали различные скорости неравномерного деления. “Мы обнаружили, что это должно происходить регулярно, чтобы вирусы могли возникать с помощью этого способа”, - сказал О'Брайен. “При каждом делении клетки должна быть 50%-ая вероятность того, что происходит неравномерное деление клеток”, - добавил он. “Это критически важно и может объяснить, почему большинство вирусных реалмов возникли на заре жизни, когда доминировали менее жизнеспособные клетки более склонные к ошибочному делению", - пояснил он.
Хотя гипотеза побега получила больше поддержки, некоторые биологи полагают, что несколько теорий происхождения могут быть применимы к отдельным реалмам, и разработали “гипотезу химерного происхождения”, которая объединяет гипотезы о побеге и "сначала вирус". Бисио поддерживает гибридную теорию, которая предполагает, что вирусы эволюционировали модульным образом, начиная с механизма репликации, а затем добавляя капсидные белки. “Эта теория предполагает, что этот модуль репликации возник очень рано, то есть еще до появления клеток, и на самом деле он как бы эволюционировал вместе с механизмом, которым обладает клетка в наши дни”, - сказал он. Например, ученые считают, что примитивные РНК-полимеразы из мира РНК дали начало современным вирусным и клеточным полимеразам. “Модуль морфогенеза появился позже, в большей степени в рамках теории побега”, - считает Бисио. Некоторые компоненты капсидов, такие как белковая оболочка, напоминающая рулет, имеют сходные последовательности с клеточными белками, что позволяет предположить, что гены, предшествующие капсидам, были заимствованы из клеточных геномов.
Каждый вирусный реалм, возможно, возник по-разному. “В некоторых случаях данные указывают на гипотезу редукции. В других случаях данные больше указывают на гипотезу побега”, - сказал Зербини. По мере поступления более точных данных о последовательности вирусов ученые начинают более точно группировать вирусы в эволюционные древа. Зербини считает, что эти организмы будут разделены на большее количество подгрупп, что указывает на то, что вирусы появлялись чаще, чем предполагалось ранее, и в разные моменты хронологии жизни.
По мнению Зербини, реалм ДНК-вирусов под названием Monodnaviria, скорее всего, будет подразделена на четыре реалма после первоначального голосования ITCV в июле этого года. Комитету все еще необходимо провести повторное голосование в ноябре и голосование по ратификации в январе 2026 года, прежде чем новая классификация станет официальной, но Зербини считает, что доказательства разделения Monodnaviria на четыре части являются убедительными. Например, у одного из вирусных царств в этом реалме, Shotokuviria, есть эндонуклеазы, разрезающие ДНК, и геликазы, разархивирующие ДНК, которые также присутствуют в бактериальных плазмидах, но отсутствуют в других вирусах этого реалма, что позволяет предположить, что это царство возникло независимо от бактерий, сказал Зербини.
Monodnaviria - не единственный реалм, переживающий разделение. “Очень вероятно, что Riboviria будет разделена на два реалма”, - сказал Зербини. Этот реалм состоит из двух царств: одно содержит вирусы, способные к обратной транскрипции РНК в ДНК, такие как ретровирусы, и другое - вирусы, кодирующие РНК-полимеразы, которые используют нити РНК в качестве шаблонов для репликации, такие как грипп. “Скорее всего, каждое царство будет преобразовано в отдельный реалм”, - говорит Зербини. “Что касается вирусов с обратной транскрипцией, есть очень веские доказательства того, что они произошли от ретротранспозонов из-за совпадения их генных последовательностей. Относительно другого царства, то они, вероятно, развили свою РНК-полимеразу из древних ферментов в мире РНК, когда РНК была доминирующей биомолекулой. “Вот почему они заражают клетки во всех областях жизни, потому что они появились раньше, чем клеточные организмы”, - добавил Зербини.
Разделение Monodnaviria и Riboviria может иметь огромное значение для понимания их происхождения. Оба реалма влияют на все сферы жизни, что позволяет предположить, что они возникли примерно во времена LUCA, но новые разделения переписали бы их историю. Если Shotokurivia выделилась из бактерий, а вирусы с обратной транскрипцией - из ретротранспозонов внутри клеток, это говорит о том, что они возникли позже, намного позже образования клеток.
Понимание того, как появились вирусы, может помочь ученым расшифровать их неуловимые механизмы работы. “Основной целью всей этой работы будет предоставление базовых знаний для лучшего понимания того, как вирус размножается и каковы ключевые факторы его эффективности”, - утверждает Абергель. О'Брайен отметил, что глубокое изучение происхождения вирусов может также прояснить, как эволюционируют современные вирусы. Изучение того, как доисторические вирусы узурпировали клеточные гены, может помочь исследователям понять, как современные вирусные аналоги могут делать то же самое, сказал он. Поскольку вирусы были одними из первых организмов на планете, эволюционировали в тандеме с клетками и будут продолжать адаптироваться, истории их происхождения все еще могут многое рассказать исследователям о жизни на Земле.
