Вступ
Світ мікробіології зазнав революції у 1977, коли Карл Везе продемонстрував, що ген рибосомної 16S РНК може бути використаний для відстеження еволюційних зв’язків між бактеріями. Серед одкровень цього відкриття було й те, що археї, які до того вважалися екзотичною підгрупою бактерій, пристосованою до специфічних умов довкілля, виявилися насправді еволюційно окремим доменом життя. Потому, використання консервативного рибосомного гену у якості біомаркерів розширилося за межі світу мікробів і торкнулося вивчення організації усіх форм життя на Землі, виявилося, що бактерії можуть настільки ж різнитися між собою, наскільки одноклітинні дріжджі відрізняються від людей. Тепер зв’язок кожного конкретного клітинного організму з кожним іншим конкретним клітинним організмом може бути зображений на єдиному «дереві життя».
Однак, на дереві життя відсутній один важливий біологічний елемент, який є таким само розмаїтим і великим, як усі інші форми життя разом узяті, якщо не більше. Цим елементом є віруси. Ми не маємо «дерева» вірусів, але, наскільки ми знаємо, кожен живий організм, від бактерії до бонобо, від архей до водоростей, може інфікуватися принаймні одним, – а зазвичай кількома, – вірусом. Такі різні і відмінні, бактерії, археї та еукаріоти – три домени життя, об’єднуються своєю універсальною здатністю бути інфікованими вірусами. Чи є вони просто шкідниками? Паразитами? Реліктами еволюції? Що трапилося би, якби усі віруси на Землі раптом зникли?
Мабуть, більшість людей з радістю привітала б такий сценарій, оскільки віруси відомі широкому загалу перш за все як патогени, а у колективній свідомості вони викликають почуття страху й відрази. Багато хто міг би припустити, що якби вірусів не було, то це мало б дуже незначний, а може й позитивний, вплив на життя на Землі. Але у дійсності, віруси відіграють ключові біологічні ролі на багатьох рівнях, від окремих клітин до цілих екосистем. Без вірусів життя на Землі було б зовсім не таким, а можливо його не було б взагалі.
У липні 2013, Американська Академія Мікробіології скликала 25 вірусологів-експертів для обговорення численних ролей, що їх відіграють віруси в природі, у контексті нових технологій та накопичення великого обсягу нових знань. Серед учасників колоквіуму були експерти, які вивчають теми, у яких вірусологія перетинається з іншими дисциплінами, такими як теорія еволюції, екологія та кліматологія, адже еволюція, екологія і клімат зазнають впливу світу вірусів. Колоквіум був сфокусований на вірусах, не як на інфекційних і хвороботворних агентах, а радше на комплексній взаємодії між вірусами та їхніми хазяями, і на тому, як ці взаємодії впливають на довколишній світ і на життя в ньому. Академія висловлює свою подяку Фундації Гордона й Бетті Мур за підтримку колоквіуму.
Суттєва роль вірусів у біологічних системах простежується у часі до найперших років появи життя на Землі.
Протягом перших двох мільярдів років життя, Земля була планетою мікробів. Загально прийнято вважати, що віруси й бактерії домінували у біологічному ландшафті. Але звідки взялися віруси? Що з’явилося першим, вірус чи клітина? Питання походження вірусів має глибинні наслідки для сьогоднішнього розуміння біології, а будь-які відповіді торкаються й механізмів появи життя на Землі.
Нинішній науковий консенсус полягає в тому, що життя постало у вигляді світу РНК. Молекули РНК мали кодувати перші ферментативні процеси й генетичну інформацію. Хоча вдосконалення цих процесів могло відбуватися завдяки високій частоті мутацій, ті вдосконалення важко було підтримувати сталими з причини тієї самої високої частоти мутацій. Таким чином, було запропоновано вважати, що перехід до базованого на ДНК методу збереження інформації мав допомогти підтримувати більшу стабільність початкового генетичного коду.
Тож, чи постало у такому випадку клітинне життя з первинного «супу» нуклеїнових кислот, ліпідів та білків і вже потому деградувало до стану вірусів? Чи то віруси започаткували клітинні форми життя?
Якщо клітина з’явилася першою…
За визначенням, вірус – це така сутність, яка відтворюється в клітинах, звідки витікає висновок, що клітина мала з’явитися першою. Слід зазначити, що наразі не виявлено вірусів, які могли б відтворюватися самостійно або ж були б незалежними від клітин. Найбільш незалежним вірусом є нещодавно відкритий вірус архей, який відрощує два хвости на обох кінцях після виходу віріону з клітини-хазяїна. Однак, такі приклади є надзвичайно рідкісними і більшість вірусів є вкрай залежними у плані реплікації від своїх хазяїв. Дуже великі віруси, такі як мімівіруси, кодують гени тРНК, ця риса є незвичною для вірусів і потенційно свідчить про редукційну еволюцію, вихідним пунктом якої були самодостатні клітини.
Якщо вірус з’явився першим…
Віруси можуть бути наріжним каменем на шляху від не-життя до життя. Первинні віруси могли бути такими собі хижими сутностями, котрі втратили здатність до самостійного відтворення, подібно до ендосимбіотичних бактерій, які більше не відтворюються поза хазяями, але походять від вільноживучих предків.
Як були відкриті віруси
Слово «вірус» як таке походить від латинського слова, що означає «отрута». Історично, віруси були ідентифіковані завдяки їхній патогенній ролі. Як було показано у 1866 році, вірус тютюнової мозаїки передається між рослинами, приблизно, так само, як і бактеріальні інфекції. Однак, сік хворих рослин зберігає свою інфекційність навіть після фільтрування крізь фільтри, що не пропускають бактерій. У 1898, Мартін Бейєрінк довів, що інфекційний агент не є отрутою чи токсином, а радше не бактеріальним агентом, здатним відтворюватися й розмножуватися у клітинах тютюну. «Вірус» Бейєрінка, ВТМ, був очищений і кристалізований Венделлом Стенлі у 1935, зрештою, його вдалося побачити за допомогою електронної мікроскопії у 1939.
Що таке вірус?
Віруси є мікроскопічними сутностями, які мають такий самий генетичний матеріал, як і решта форм життя – ДНК й РНК – але залежать від клітинної машинерії хазяїна у плані власного відтворення. За винятком цієї спільної риси – залежності у плані репродукції – віруси є неймовірно розмаїтими. Не всі віруси мають однаковий генетичний матеріал, і не всі віруси існують у вигляді видимих у мікроскоп часточок. В цілому, вірусний світ може бути поділений на чотири великі категорії:
1. Вірусні часточки або ж віріони складаються з (1) генетичного матеріалу, або ДНК, або РНК; (2) протеїнового капсиду, який потрібен для захисту генетичного матеріалу; і, у деяких випадках, (3) ліпідвмісного суперкапсиду, котрий оточує білковий капсид. Віріони можна побачити за допомогою електронної та епіфлуоресцентної мікроскопії.
2. Вірусоподібні часточки виглядають як віруси, але не містять ніякого генетичного матеріалу. Такі часточки були виявлені й виділені у пацієнтів, хворих на гепатит В. Ці часточки досить проблематично відносити до вірусів, оскільки вони виглядають як звичайні віруси при мікроскопії, але не є інфекційними.
3. Ендогенні вірусні елементи є специфічними послідовностями ДНК у геномах клітин хазяїна, які походять від колишніх вірусних інфекцій проліферативних клітин. ЕВЕ є, зазвичай, результатом ретровірусної інфекції, оскільки інтеграція в геном хазяїна є необхідним етапом у життєвому циклі ретровірусів. ЕВЕ також можуть походити від парвовірусів, філовірусів, борнавірусів та цикорнавірусів, окрім інших.
А) У деяких випадках, особливо серед ретровірусів, цілий вірусний геном вставляється у геном хазяїна, в результаті утворюється провірус, який має змогу продукувати інфекційні часточки та здатний до подальшої проліферації у статевих клітинах. Більшість ссавців Нприховують у своїх геномах сотні тисяч ендогенних ретровірусів.
Б) Частіше, після інфекції залишаються тільки фрагменти вірусного геному. Це особливо справедливо для тих вірусів, для яких інтеграція не є нормальною частиною циклу реплікації.
В) ЕВЕ можна виявити тільки шляхом секвенування нуклеїнової кислоти, хоча може бути важко зробити розрізнення між ендогенізованими вірусами й не-вірусними власними генетичними елементами, такими як LTR ретротранспозони у безхребетних тварин.
4. Помірні віруси є для бактерій та архей тим, чим для еукаріот є провіруси. Помірні бактеріофаги або інтегрують свою нуклеїнову кислоту в бактеріальний геном, або підтримують своє існування у вигляді поза хромосомних плазмід в цитоплазмі. Тоді профаг передається дочірнім клітинам в результаті розмноження бактерії. Помірні віруси, як і ЕВЕ, можуть бути виявлені лише в результаті секвенування нуклеїнової кислоти.
Вчені, які підтримують вірусну теорію походження життя на Землі, базують свої гіпотези на нечисленних ключових спостереженнях:
1. По-перше, немає доказів того, що всі сучасні віруси походять від єдиного предка – у вірусів є багато різних механізмів реплікації, що дозволяє припустити неодноразову їхню появу.
2. На противагу цьому, усі клітинні форми життя, включаючи бактерій, архей та еукаріот, як вважається, походять від спільного предка. Усі ці організми також використовують єдиний, базований на ДНК, механізм реплікації.
3. Нарешті, клітинні та вірусні білки виявляють дуже мало подібності, а це дозволяє припустити, що генетична винятковість вірусів виникла надзвичайно давно, або ж походить від клітин, котрі більше не існують. Вірусний генетичний матеріал малоймовірно, щоб просто «втік» від предків сучасних клітин і був запакований у структурні білки (капсиду).
Альтернативний сценарій
Альтернативний сценарій охоплює конкурентну еволюцію як вірусів, так і клітин; єдина лінія могла розщепитися надвоє, або, можливо, дві форми зазнали незалежних, але конкурентних, подій, що призвели до їх появи. Розмаїття само відтворюваних сутностей могло зазнати дивергенції, призводячи до появи однієї лінії клітиноподібних утворів та кількох ліній вірусоподібних, які згодом зазнали коеволюції.
Ймовірною є і комбінація цих сценаріїв. Деякі віруси та їхні гени могли походити від клітин, а інші віруси могли спричинити появу клітин. Що зрозуміло, так це те, що віруси є, і, ймовірно, завжди були, інтегральною та всюдисущою частиною усіх біологічних процесів.
Що робили давні віруси та клітини?
Учасники колоквіуму виразно погодилися, що будь-які спроби зрозуміти екологію ранньої Землі повинні брати до уваги віруси.
Для реконструкції ранньої біології Землі, вчені звертаються до філогенетичних реконструкцій високо консервативних родин білків, припускаючи, що вони були серед перших, що з’явилися. Багато які з цих білків, як виявляється, мають термофільні каталітичні функції; вони є простішими, повільніше працюють (як ферменти) і мають менше доменів, ніж ті білки, що з’явилися пізніше. Білки на ранній Землі могли діяти як прості каталізатори. Будь-які білки, що виживають у процесі еволюції, повинні мати стабільні амінокислотні структури чи активні сайти з гнучкими чи вільними регіонами, котрі здатні до відновлення, – це давало змогу раннім білкам взаємодіяти між собою та іншими молекулами.
З високим рівнем мутацій та значною здатністю до реплікації (вірусні полімерази можуть виявляти рівень мутацій аж до 1 на 10000 пар основ, а деякі віруси можуть продукувати до 1000 нащадків на заражену клітину), віруси могли служити готовими резервуарами генетичного матеріалу для збільшення розмаїття цих ранніх білків. Перехід від більш динамічного в еволюційному плані РНК світу до стабільнішого, базованого на механізмі збереження інформації за допомогою ДНК мав уповільнити темп еволюції. Однак, та обставина, що РНК залишилася у якості молекули-посередника між генетичною бібліотекою ДНК та функціональними білками, уможливила взаємодію ранніх клітин та усіх їхніх клітин-нащадків взаємодіяти на генетичному рівні як з ДНК-вмісними, так і з РНК-вмісними вірусами. Гнучкість, запропонована вірусами, як зовнішніми генетичними елементами, мала допомогти раннім клітинам доповнити наявні у них можливості й використати наявні генетичні послідовності по-новому.
Як рушії генетичного матеріалу та епігенетичні елементи, віруси повинні були мати потенціал для швидкої експансії та впливу на геноми своїх хазяїв. Справді, можуть діяти і діють як епігенетичні елементи своїх хазяїв і сьогодні. Рослини містять у собі велику кількість дволанцюгових РНК вірусів, які передаються вертикально протягом тисячоліть і які досить важко піддаються еволюційній елімінації. Ці віруси можуть впливати на експресію генів хазяїв, або можуть самі експресувати білки, важливі для хазяїна.
Мабуть одна з найбільш критичних ролей в еволюції, відіграна вірусами, полягає в результаті постійного антагонізму між вірусами та організмами, які вони уражують. Еволюційна гонка озброєнь між вірусами та їхніми хазяями спричинилася до появи найбільш витончених імунних систем серед еукаріот, йдеться як про вроджений, так і про набутий імунітет. Усвідомлення за останні 20 років того, що усі багатоклітинні організми мають довготривалі, вигідні відносини зі спільнотами бактерій (відомими під назвою мікробіому організму) призвело до сприйняття імунної системи не як суто захисної, а і як важливої для комунікації з корисними мікробами. Тому видається досить ймовірним, що існують як позитивні, так і негативні взаємодії між вірусами та імунною системою організму-хазяїна. Як би там не було, зрозуміло, що взаємодія між вірусами та імунною системою була і є важливим еволюційним драйвером.
Події, що відбувалися на ранній Землі, є дуже віддаленими в часі і спочатку були доступними для вивчення завдяки дослідженню викопних решток методами геохімії, які використовувалися для детекції біологічної активності. Ці події зберігають морфологічні маркери і дозволяють реконструювати еволюційну історію за допомогою філогенетичного аналізу існуючих організмів. Віруси є практично невидимими при використанні усіх цих методів, отож їхня роль в еволюційній біології здебільшого ігнорувалася. Хоча віруси залишили слабкий слід своєї діяльності у викопних рештках, вони залишили свій слід і, швидше за все, брали участь у ключових подіях протягом ранньої історії Землі.
1. Віруси могли прискорювати цикли кругообігу вуглецю в природі
Ранні форми життя, найбільш імовірно, були хемоавтолітотрофами, котрі здобували хімічну енергію з довколишніх скель та океанів і будували клітинні компоненти з двоокису вуглецю, фіксованого безпосередньо з довкілля. Анаеробні фототрофи, ймовірно, також були поширеними на ранній Землі, підтримуючи своє життя завдяки сонячному світлу та двоокису вуглецю. Сьогоднішні бактерії виявляють надзвичайне розмаїття додаткових метаболічних процесів, і багато які з видів, добре знайомих людям, на кшталт тих, що зумовлюють людські хвороби (стафілококи й сальмонели) чи ті, яким ми завдячуємо певними харчовими продуктами й напоями (сир та вино), є гетеротрофами. Тобто, ці види використовують складні вуглеводні чи інші органічні молекули для отримання клітинами енергії та побудови клітинних компонентів, каміння та сонячне світло не є для них джерелами енергії. Де ж знайшли перші гетеротрофи таке багатство органічного вуглецю, щоб мати змогу ним скористатися? Смерть клітин бактерій та архей в результаті вірусних інфекцій мала вивільняти значні кількості органічного вуглецю в океани, створюючи таким чином специфічну нішу для гетеротрофів і додаючи нові ланки до циклу кругообігу вуглецю в природі.
2. Віруси підвищують інтенсивність фотосинтезу і могли прискорити оксигенацію атмосфери.
Геохімічні докази свідчать про те, що атмосфера була позбавленою молекулярного кисню ще два мільярди років тому назад, коли визначну роль почав відігравати процес фотосинтезу, супроводжуваний виділенням кисню. Колосальне збільшення вмісту кисню в атмосфері від слідових кількостей до нинішніх 21% називається Великим Кисневим Стрибком. Це ранній приклад зміни складу атмосфери під впливом біологічних чинників був реалізований, головним чином, синьозеленими водоростями, які й досі залишаються одними з найпоширеніших на Землі організмів. Сьогодні, фотосинтез у світовому океані здійснюється, перш за все, двома найпоширенішими ціанобактеріями, Prochlorococcus та Synechococcus, на долю яких припадає до 25% фіксації вуглецю на планеті. Однак, частково їхня фотосинтетична активність може бути зумовлена вірусами – ціанофагами. Багато ціанофагів – вірусів, котрі інфікують ціанобактерій – кодують важливі білки, які беруть участь в реакціях фотосистеми ІІ. Ген psbA кодує один з цих білків, і він здатний найшвидше серед усіх організмів, які здійснюють фотосинтез з вивільненням кисню, запускати роботу інших головних білків, що беруть участь у фотосинтезі. Максимальна продуктивність вірусів залежить від інтенсивності фотосинтезу, тож експресія цих генів фотосинтезу під час інфекції прискорює не тільки фотосинтез в організмі хазяїна, але також і реплікацію ціанофагів.
Оскільки psbA так часто зустрічається серед морських ціанофагів – він був виявлений у 88% секвенованих геномів ціанофагів – еволюційний зв’язок між ціанофагом та здатністю до фотосинтезу їхніх хазяїв міг бути древнім рушієм процесу фотосинтезу з вивільненням кисню і, як наслідок, глобального зростання вмісту кисню в атмосфері.
3. Віруси могли бути рушіями появи еукаріотичної клітини.
Поява еукаріотичної клітини вкутана містерією кількох запропонованих теорій. Еукаріоти відрізняються від бактерій та архей, головним чином, своїми структурними елементами – а саме, своїми оточеними мембранами внутрішньоклітинними органелами, які виконують специфічні завдання в клітині. Хоча приклади мембранних органел присутні у деяких бактерій, наявність справжнього ядра й мітохондрій є унікальними властивостями еукаріотичної клітини. Еукаріоти мають багато спільного з археями, включаючи побудову мембрани, а їхні мітохондрії, як тепер загально визнано, походять від ендосимбіотичного альфа-протеобактеріуму. Але якою ж була ідентичність прото-еукаріота, що поглинув бактерію? І звідки взялося ядро? Гіпотеза вірусного еукаріогенезу визначає окремі ролі для усіх трьох форм раннього життя: бактерій, архей та вірусів. Ця гіпотеза припускає, що ядро клітини примітивної еукаріотичної клітини походить від великого ДНК-вмісного вірусу, який став ендосимбіотичним партнером метансинтезуючих архей, при цьому енергію в нових клітинах виробляли бактерії, які перетворилися на мітохондрії.
Згідно з альтернативним сценарієм, початкова еукаріотична лінія могла забезпечувати бактеріям деякий захист від ураження вірусами. За таким сценарієм, заміщення клітинної стінки багатофункціональною мембраною могло уможливити відтепер здатним до зміни форми клітинам здійснювати фагоцитоз вірусів, як з метою запобігання інфекції, так і у якості джерела живлення.
4. Багатоклітинні організми могли з’явитися у якості відповіді на вірусні атаки.
Подібно до еукаріотичної клітини, багатоклітинність також могла постати у якості відповіді на дію вірусного чинника. Якщо у давні часи клітини могли отримувати переваги від власної рухливості та поодинокого способу життя, і це давало їм змогу шукати поживу, в часи харчового достатку, груповий (колективний) спосіб життя міг забезпечувати деяке полегшення і зменшувати тиск інфекцій.
Ключова передумова полягає в тому, що віруси були і є важливими рушіями еволюції. Може й немає на Землі значнішого фактору добору, ніж віруси. Що зрозуміло, віруси мали величезний потенціал для того, щоб діяти як важливі рушії видоутворення протягом історії Землі, як чинники, котрі як розширювали, так і звужували еволюційний простір. Хоча віруси рухають генетичні інновації перетасовуючи існуючі гени та забезпечуючи швидку появу нових, патогенні віруси також можуть накладати певні обмеження на те, що здатен робити організм, коли йому потрібно захиститися від ворогів-вірусів.
Віруси були і продовжують бути рушіями еволюції.
Віруси чинять селекційний тиск на всі форми життя – жоден вид не є імунним. Самими різними діями, віруси визначають еволюцію інших організмів і це відбувається трьома головними шляхами, два з яких діють безпосередньо на хазяїв, а один використовує зовнішній тиск, цей шлях буде обговорений нижче.
Безпосередні механізми, за допомогою яких віруси здійснюють селективний тиск на своїх хазяїв, це патогенність та привнесення нових рис епігенетично чи за допомогою бічного перенесення генів.
Патогенність як рушій еволюції імунної системи
Вірусна інфекція є потужною силою, котра формує механізми захисту хазяїв, які, у свою чергу, змушують віруси вдаватися до різних трюків для уникнення дії імунної системи. Боротьба між патогеном та хазяїном призводить до антагоністичної коеволюції. Навіть на позір прості організми, на кшталт бактерій, набули в процесі еволюції механізми для порятунку від вірусів; у дійсності, мікроорганізми мають складні імунні системи. Деякі з цих механізмів є вродженими, як то модифікації поверхні клітин з метою запобігання проникненню бактеріофага чи системи рестрикції-модифікації для перетравлення нуклеїнових кислот бактеріофагів, тоді як інші (механізми) є набутими, як то система CRISPR-Cas бактерій та архей. Насправді, 40% бактерій і 90% архей кодують Короткі Паліндромні Повтори Розташовані Групами, котрі забезпечують спротив екзогенним генетичним елементам. Повтори, які дали назву імунному механізму CRISPR, чергуються з короткими послідовностями, котрі називаються спейсерами, і які є ідентичними послідовностям плазмід та бактеріофагів. РНК, яка транскрибується зі спейсерних елементів, може формувати комплекс з білками Cas для розпізнавання й комплементарного розрізання РНК-мішеней, кодованих вірусами-нападниками, спиняючи таким чином вірусну реплікацію. Система CRISPR-Cas «вчиться» й адаптується до нових фагових інфекцій інкорпоруючи нові фагові послідовності у повторювані геномні локуси CRISPR, вона має подібність з адаптивною імунною системою рослин інтерференції РНК.
Фаги ж набули механізмів для протидії навіть такій хитромудрій імунній системі своїх жертв-бактерій. Anti-CRISPR гени були нещодавно виявлені у декількох фагів, які інфікують Pseudomonas aureginosa, а фаг, який уражує Vibrio cholerae, у дійсності кодує власну систему CRISPR-Cas, яка націлена на гіпотетичний індукований фагами хромосомний острівець (PICI) у геномі Vibrio cholerae. Фагова інфекція активує PICI і той інгібує фагову активність за допомогою наразі невідомого механізму; фаг, у свою чергу, використовує власні системи CRISPR-Cas для протидії захисту Vibrio cholerae.
Використання РНК у якості засобу захисту не обмежується бактеріями та археями. РНК інтерференція, чи РНКі, використовується рослинами та багатьма іншими еукаріотами, включаючи тварин. Фермент Dicer розрізає транскрибовані клітинами подвійні спіралі РНК на менші фрагменти, що складаються з близько 20 нуклеотидів. Ці маленькі РНК зв’язуються з комплементарними послідовностями вірусів, які інфікують, а асоційований комплекс «мовчання», що індукується РНК, розрізає мішені. Деякі рослини навіть мають множинні РНКі системи, кожна з яких відповідає специфічно на експресію різних вірусів. Однак, як і фаги, віруси рослин також адаптуються для уникнення чи пригнічення РНКі шляхів у хазяїв. Вірус Огіркової Мозаїки, наприклад, уникає РНКі завдяки фактору вірулентності, який локалізується в ядрі й зв’язується напряму з хазяйськими дволанцюговими чи одноланцюговими РНК.
Апоптоз, або регульована смерть клітини, міг розвинутися у якості первинного механізму реагування для вимкнення вірусної реплікації в ураженому хазяїні. Апоптична відповідь є звичайним явищем для всіх багатоклітинних організмів і може також запускати послідовну імунну відповідь для оповіщення організму хазяїна про загрозу вторгнення. Деякі віруси кооптують сигнальні каскади апоптозу для своєї власної реплікації чи для цілей пригнічення імунітету. Наприклад, апоптичне вбивство інфікованих ВІЛ макрофагів випереджається вірусним капсидним глікопротеїном, який індукує особливий цитокін, котрий сприяє виживанню клітини.
Горизонтальне перенесення генів привносить нові риси – як шкідливі, так і корисні
Бактеріофаги є особливо причетними до полегшення руху генетичного матеріалу серед бактерій. Протягом літичного циклу життя, бактеріофаг може пакувати шматки бактеріальної хромосоми чи плазмідної ДНК на додачу чи замість свого власного генетичного матеріалу. Після інфікування нового хазяїна, бактеріофаг може привнести привласнену чужу ДНК в ту клітину. Деякі з ДНК будуть деградовані і використані для клітинного метаболізму, тоді як плазміди можуть знову потрапити в обіг у нових умовах, а інші шматки ДНК, якщо вони мають подібність з послідовностями хромосоми нового хазяїна, можуть рекомбінуватися й бути інкорпорованими у геном. Навіть фагоподібні елементи, такі як Агенти Генного Перенесення (АГП), здатні до перенесення випадкових шматків геному бактерії-хазяїна з однієї клітини до іншої; однак, привнесеної ДНК не достатньо для кодування структурних білків АГП (GTA), таким чином, АГП не можуть реплікуватися як справжні фаги.
Гени резистентності до антибіотиків можуть переноситися між бактеріями за допомогою бактеріофагів, як і гени вірулентності. Насправді, бактеріальні ендотоксини майже всі кодуються бактеріофагами. Бактерія може стати залежною від цих мобільних генетичних елементів, коли вони кодують як токсин, так і антитоксин. Наприклад, збудник холери, Vibrio cholerae, завдячує своєю вірулентністю однойменному холерному токсину, привнесеному в результаті горизонтального перенесення генів. Вірулентні штами Vibrio cholerae є носіями різновидів помірного чи лізигенного бактеріофагу, який має назву СТХ. Як помірний фаг, СТХ інтегрується в геном Vibrio cholerae і привносить з собою гени ctxA i ctxB, які й кодують холерний токсин. Поки людина хворіє, фагові часточки виділяються з клітин бактерії-хазяїна не вбиваючи їх, таким чином уможливлюючи їхнє поширення до нових хазяїв Vibrio cholerae (тобто, до зараження нових людей).
Подібним чином, серовар Salmonella enterica Typhimurium продукує дві супероксиддисмутази, які захищають бактерію від оксидативного стресу всередині макрофагів. Одна з цих супероксиддисмутаз, SodCl, регулюється системою сигнальної трансдукції вірулентності, яка була перенесена горизонтально до сальмонели фагом Gifsy-2. Фаговий ген SodCl став частиною PhoPQ системи сигнальної трансдукції вірулентності. SodCl та інші гени в регулоні PhoPQ підвищують регуляцію у відповідь на низький рівень рН та антимікробні пептиди, які виробляються, коли сальмонела живе всередині вакуоль макрофагів. Інфіковані макрофаги здійснюють окислювальний вибух, щоб убити бактерії, але фаговий протеїновий продукт протидіє виробленому супероксиду.
Однак, не всі риси, зумовлені вірусами, підвищують патогенність їхніх хазяїв. У багатьох випадках, еволюційна історія вірусу й хазяїна є такою заплутаною, що вірусний генетичний код стає інкорпорованим в геном хазяїна, змінюючи його. Ендогенні ретровіруси є генетичними елементами, котрі походять від вільноживучих (екзогенних) ретровірусів. Коли ретровіруси інфікують статеві клітини, їхні генетичні послідовності можуть передаватися нащадкам хазяїна у якості нового аллелю. Геноми хребетних є особливо багатими на ендогенні ретровірусні послідовності і, насправді, ЕРВ становлять до 8% людського геному. Оскільки ЕРВ елементи інтегруються в геноми хазяїв зі своїми власними промоторними елементами, вони можуть впливати на експресію сусідніх генів і також модифікувати стан метилування архітектури гістонів даного генетичного регіону. Диференційна генна регуляція може бути чутливою до нових сигналів довкілля, генеруючи фенотипічну пластичність у тварини-хазяїна.
Ендогенні ретровіруси можуть також захищати своїх хазяїв від тиску довкілля – хижаків, екстремальних температур чи інфікування іншими вірусами. Наприклад, якщо активний ретровірус хвороби джакзікте овець (JSRV) викликає контагіозний рак легень у овець, його ендогенізована форма відіграє декілька ключових ролей у домашніх овець, зокрема й захист проти активної інфекції JSRV та участь у морфогенезі плаценти. Тепер, численні не ретровірусні елементи також були виявлені в геномах, навіть такі, що походять від вірусів, які мають тільки цитоплазматичний РНК цикл відтворення.
Віруси і плацента ссавців
Еволюція плаценти у ссавців, як видається, рухалася вірусами, і не раз, а шість чи більше разів. Плацента ссавців є багатофункціональним органом обміну, який уможливлює доставку живлення, видалення відходів та газообмін між матір’ю та плодом, що розвивається. Клітини на стику поверхонь плаценти/матки зливаються в єдиний шар, який називається синцитіотрофобласт, який є важливим для отримання плодом живлення від матері. Білок, критично важливий для процесу фузії, синцитин, у дійсності є продуктом ендогенного вірусного локусу, що став «одомашненим».
Аналоги синцитину виявляються в геномах ссавців, але докази, отримані внаслідок секвенування, дозволяють припустити, що цей важливий ген був набутий різними групами ссавців не менш ніж у шести окремих випадках – йдеться, зокрема, про приматів, мишуватих, зайцевих, хижаків, кавієвих та баранів. ЕРВ не тільки привнесли синцитин до плаценти ссавців, але також привнесли енхансерні елементи, які рухають експресію генів і призвели до диверсифікації розвитку плаценти.
Віруси як симбіонти
Шляхом різноманітних симбіотичних відносин на різних трофічних рівнях, віруси продовжують впливати на пристосованість та виживання організмів усього дерева життя.
Окрім своєї патогенної ролі, віруси також беруть участь у багатьох коменсалістських стосунках з іншими організмами, часто пропонуючи екологічні адаптації чи імунітет до багатьох загроз. Деякі з цих взаємодій є тимчасовими, інші ж стабілізувалися в процесі еволюції. Уявлення про вірусів, як про коменсалів, є настільки новим, що й досі існує небагато ретельно описаних прикладів. Наразі добре зрозуміло, що такі коменсалістські стосунки існують, немає й сумнівів у тому, що будуть виявлені нові приклади.
1. Віруси сприяють власній пристосованості шляхом поліпшення пристосованості хазяїв.
Віруси часто доповнюють риси своїх хазяїв чи змінюють їхню поведінку з метою поліпшення власної реплікації та поширення. Вірус, відомий під назвою «вірус мозаїки тюльпанів», користає з дуже людиноцентричної стратегії реплікації, оскільки фенотип інфікованої рослини характеризується наявністю різко виражених смужок та плямистих ділянок на пелюстках тюльпанів. Такі смужки видавалися настільки привабливими, що у 17-му сторіччі садівники у Нідерландах навмисне заражали здорові тюльпанові цибулини матеріалом, взятим від хворих цибулин, сприяючи, таким чином, поширенню цього вірусу. У дикій природі, попелиці переносять вірус мозаїки тюльпану від рослини до рослини під час живлення. Чи є такі різкі зміни забарвлення пелюсток просто побічним ефектом інфекції, чи вони покликані робити рослини більш привабливими для попелиць, які шукають поживи, досі не відомо.
Не всі віруси покладаються на втручання людини у питаннях свого виживання та розповсюдження; інші поліпшують конкурентну пристосованість своїх хазяїв по відношенню до споріднених видів. Штами дріжджів конкурують один з одним у дикій природі, а деякі з них використовують вірусні токсини з цією метою. Фенотип дріжджів-убивць потребує наявності двох вірусів – вірусу-помічника та вірусу, який кодує вбивчий токсин, але цей другий вірус залежить від вірусу-помічника у плані стабільності існування та реплікації. Отже, команда вірусів дозволяє своєму конкретному штаму дріжджів поліпшувати свою пристосованість у порівнянні зі спорідненими штамами, разом з тим, це призводить до збільшення кількості вірусного потомства.
2. Віруси впливають на поведінку хазяїна для свого поширення.
Модифікування вірусом хазяїна не завжди є взаємовигідним. В одному такому згубному симбіозі, і це лише один приклад з багатьох, бакуловіруси маніпулюють поведінкою своїх хазяїв, непарних шовкопрядів. Експресія єдиного вірусного гену egt змушує гусінь інфікованого непарного шовкопряда прагнути видертися на верхівку дерева вдень, а це робить її легкою здобиччю для хижаків. Модифікація поведінки рухається експресією специфічного вірусного білка, який інактивує гормон линьки, 20-гідроксиекдізон. На додачу, вірус продукує катепсиноподібну протеазу і фермент хітиназу, який перетравлює тіло шовкопряда перетворюючи його на начинену вірусами рідину, – на один міліграм тканини комахи припадає до 10 мільйонів вірусних включень, причому уражена гусінь опиняється вище на дереві, ніж не уражена.
Вірус сказу примітний своїм впливом на поведінку хазяїна. Енцефалітичний сказ зумовлює неврологічні симптоми, такі як гідрофобія, розлади психіки, гарячковий стан, агресію, дезорієнтацію та приступи, окрім усього іншого. Поряд з високими титрами вірусів у слинних залозах, такі риси поведінки посилюють ризик поширення вірусів шляхом зростання ймовірності супроводжуваної насильством конфронтації між ураженими та здоровими тваринами.
3. Віруси беруть участь у численних симбіозах.
Давній і стабільний приклад асоціації вірусу й хазяїна – це взаємовигідний симбіоз вірусу й гриба, який надає змогу просу, що зростає в Йеллоустонському Національному Парку, витримувати високі температури. Насправді, просо Dichanthelium lanuginosum може виживати на ґрунті, температура якого вище 50 градусів за шкалою Цельсія, тільки у тому випадку, коли містить у своєму організмі ендофітний гриб Curvularia protuberate, який сам є зараженим партнером-вірусом.
Куди б не поглянув вірусолог, вірусна персистенція й мутуалістичні симбіози найрізноманітніших типів, можуть бути виявлені.
А) Поліаднавіруси дають змогу виживати потомству паразитичних ос. Ці віруси розмножуються в репродуктивній тканині самок паразитичних ос, тож вони впорскуються разом з осиними яйцями у тіло гусені-хазяїна. Хоча імунна система гусені здатна, за нормальних умов, розпізнати відкладені яйця як чужорідні об’єкти і стати на заваді їхньому розвитку, вірус натомість модулює імунну відповідь таким чином, щоб осині яйця могли розвиватися неушкодженими.
Б) Бактеріофаги забезпечують захист від паразитів. Навпаки, бактеріофаг APSE бактерії Hamiltonella defensa, яка сама є ендосимбіонтом попелиць, справді захищає попелицю-хазяїна від паразитичних ос. Попелиці уражені тільки Hamiltonella defensa є набагато більше вразливими до паразитизму ос, ніж попелиці уражені дуетом Hamiltonella defensa – APSE.
В) Віруси рослин збільшують плодовитість своїх переносників-комах. Вірус виткого закручування тютюну (TbCSV) переноситься білокрилками, які в Китаї існують у вигляді природного та інвазивного субтипу В. На горе для фермерів, плодючість та тривалість життя інвазивних білокрилок зростає у 12 разів та 6 разів відповідно, коли вони живляться на заражених вірусом рослинах тютюну. Взаємовигода у відносинах між інвазивними білокрилками В та TbCSV може з часом призвести до заміщення місцевих комах та спалахів цієї хвороби тютюну.
Г) Бактеріофаг посилює вірулентність, захищає вторинного хазяїна та елімінує третинні види-учасники у заплутаній мережі взаємодій. Бактеріальний патоген жита, Rathayibacter toxicus, продукує кодовані бактеріофагами коринетоксини, які належать до найбільш летальних природних токсинів і є смертельною небезпекою для худоби, яка пасеться на полях жита. Rathayibacter toxicus переміщується серед рослин-хазяїв, використовуючи у якості векторів нематод, які також є чутливими до токсину. Регуляція продукції токсину контролюється бактеріофагом, для того, щоб дозволити переміщення бактерій (і самих фагів) від рослини до рослини. Таким чином, бактеріофаг є мутуалістом Rathayibacter toxicus, паразитом по відношенню до нематод і худоби, яка пасеться, й мутуалістом по відношенню до жита.
Ґ) Патогени посилюють власну передачу шляхом підвищення привабливості своїх хазяїв для комах-векторів. На горе для хребетних, комарі краще знаходять кровоносні судини, коли живляться кров’ю, у тих хазяях, які хворі на малярію чи заражені вірусом лихоманки Долини Рифт, а це зумовлює більш ефективну передачу патогенів. Посилене харчування комарів пов’язане з температурою тіла чи виділенням двоокису вуглецю хазяями, котрих лихоманить. Віруси також можуть впливати на поведінку своїх векторів; заражені арбовірусами комарі живляться довше й частіше.
Подібною є ситуація і у випадку вірусів рослин, коли інфіковані рослини приваблюють більше векторів-попелиць.
Д) Бактеріофаги захищають хазяїв шляхом модифікування мікробіоти кишківника. У миші, бактеріофаги у слизу, яким укриті стінки кишківника, вбиває бактерій; зрештою, багатоклітинний організм є вигодо набувачем, коли бактеріофаг знаходить мікробного хазяїна, у якому може розмножуватися. Оскільки фаги уражують своїх хазяїв видоспецифічним чином, вони можуть формувати мікробіоту кишківника та її структуру. Фаг також може брати участь у дисемінації генів стійкості до антибіотиків та збільшувати адаптивні здатності інтестинальних патогенів, а завдяки цьому їхня присутність не завжди є мутуалістичною по відношенню до хазяїна.
Розвиток технологій дозволив виявити віруси в усіх середовищах
Біологи зараз починають оцінювати роль мікробів у складних спільнотах, більше не можна розглядати організми ізольовано. Радше, життя має розглядатися як серії гніздових екосистем, у яких організми становлять перший шар – екосистема, яка складається з хазяїна та його мікробних симбіонтів, – вони разом, – відома під назвою голобіонта.
Ця екосистема містить суму генетичної інформації як хазяїна, так і симбіотичних мікроорганізмів. Хоча більшість досліджень, які вивчають мікробних партнерів людей, рослин, коралів та інших організмів, наразі сконцентрована на ролі бактерій, архей та мікроскопічних еукаріот, вірусним компонентом також не слід зневажати. Роль вірусів у багатьох екосистемах значною мірою досліджена недостатньо, оскільки характеристика вірусів у біологічних системах історично залежала від виявлення доступних для спостереження симптомів – то був єдиний спосіб дізнатися про присутність вірусів. Однак, розвиток технологій дозволяє біологам досліджувати до того недоступні для дослідження сутності й діяльність вірусів у різноманітних екосистемах та генерувати новий набір базових біологічних питань.
Чи присутня якась базова вірусна спільнота в кожному організмі чи екосистемі, і чи потрібна вона для підтримування такої системи здоровою, активною й продуктивною? Як успадковуються вірусні спільноти (віроми)? Яким є тип взаємодій між вірусами у даному середовищі? Як саме віруси беруть участь у життєвих циклах інших мікроорганізмів?
На ці питання досі немає відповідей, але попередні докази дозволяють припустити, що віруси та інші мікроорганізми зазнали значної коеволюції на рівні спільнот, а дослідження ролі вірусів у цих спільнотах відкриє нові історії. Набагато менше відомо про ролі вірусів у спільнотах вищого біологічного рівня, в рамках яких гніздяться мікробні спільноти. Цілком очевидно, що тут є ще багато чого вивчати.
Віруси чинять непрямий еволюційний тиск на екосистеми
Віруси чинять значний непрямий вплив на еволюцію видів, які є довкола них. Вони можуть інтродукувати новий нішевий простір; шляхом ураження специфічних членів екосистем, вони створюють еволюційний простір для інших організмів і типів клітин. Віруси можуть вбивати джерела живлення певних видів, чи елімінувати симбіотичних партнерів інших. Зміни в частотах алелей внаслідок вірусних інфекцій можуть впливати на середовище та на інші організми, якщо ці зміни чинять ефект на поведінку їхніх носіїв. В майбутньому, віруси також можуть слугувати у якості прямих маніпуляторів популяційної біології шляхом контрольованої людьми фагової терапії.
Віруси є важливими рушіями глобальних біохімічних циклів
Головний елемент життя – вуглець – виділяється назад в середовище у вражаючих кількостях, коли віруси лізують своїх мікробних хазяїв. Оцінюється, що близько чверті фіксованого вуглецю проходить крізь керовані вірусами процеси, при цьому віруси вивільняють органічний вуглець та інші поживні речовини в момент загибелі клітин хазяїв. Віруси можуть навіть запускати у повторний обіг ці поживні речовини, коли споживаються певними видами морського зоопланктону, особливо у тих випадках, якщо їхнє поглинання не призводить до ризику розвитку інфекції. Вірусний лізис «коричневого припливу» – золотистої водорості Aureococcus anophagefferns у прибережних водах призводить до зростання вмісту вільного заліза, яке потім швидко включається в обіг завдяки фільтрувальникам, якими є, як вважається, гетеротрофні бактерії. Далі, оцінюється, що вміст кисню в кожній одній з двадцяти людських грудей походить внаслідок того, що віруси стимулюють фотосинтез з виділенням кисню в океанах. Віруси можуть впливати навіть на погоду – біогенні сірковмісні гази у вигляді диметилсульфіду вивільняються внаслідок того, що віруси вбивають певні види водоростей, потім відбуваються процеси окислення, внаслідок яких утворюються кислотні часточки, які служать ядрами конденсації для хмар в атмосфері.
Кількісна оцінка внеску вірусів в біологію екосистем потребуватиме подальшого розвитку технологій та методів аналізу даних
Зв’язки між вірусами, бактеріями та іншими організмами у спільнотах є, швидше за все, стабільними й дуже давніми. У морських спільнотах, віруси забезпечують багато генів, які задіяні в енергетичному метаболізмі. Дослідники можуть грубо оцінити внесок вірусів до загального потоку енергії шляхом використання рівнів продуктивності для ключових метаболітів та визначення рівнів перебігу вірусних процесів, але точні дані досі надзвичайно важко вираховувати. Комплексні системи, такі як кишківник чи ґрунт, матимуть тисячі типів вірусів, що ще більше ускладнює кількісну оцінку вірусної активності. Наразі, провали у методології та знаннях не дозволяють оцінювати вірусну продуктивність у цих системах, але це багата нива для досліджень. Далі, оскільки ми дедалі більше визнаємо, що глобальні екосистеми є залежними від вірусної продуктивності, розвиток штучних систем, таких як біореактори, буде отримувати користь від визнання вірусів рушіями продуктивності й стабільності при їхньому моделюванні.
Два ключових компоненти при характеризуванні будь-якої екосистеми – встановлення ідентичності й кількості учасників – є особливо складними у вірусному світі.
Наразі не існує універсальної філогенії для вірусів
Слід згадати, що до 1977 року, біосфера, зокрема й бактерії, класифікувалася таксономічно за зовнішніми ознаками, метаболізмом та іншими спільними характеристиками. Революції в молекулярній біології дозволили будувати універсальні філогенетичні дерева, базовані на порівнянні нуклеотидних послідовностей ключових генів. Однак, віруси були залишені за межами уваги.
На відміну від бактерій, архей та еукаріот, віруси не мають спільного «консервативного ядра генів», яке можна було б використовувати для визначення еволюційних відносин між видами. Не існує жодного гену, який був би спільним для всіх вірусів. Архітектура дерева життя з трьох доменів була визначена шляхом порівняння нуклеотидних послідовностей гену високо консервативної рибосомної субодиниці, але віруси самі не кодують власних рибосомних білків, натомість вони покладаються на хазяїв у плані роботи білоксинтезуючої машинерії.
Зважаючи на відсутність консервативних молекулярних маркерів для вивчення філогенезу вірусів, віруси нині класифікуються за такими ознаками, як уражувані ними хазяї, тип геному, стратегії реплікації та наявність тих чи інших генів.
Хазяїн – в цілому, віруси можуть бути розподілені за тими доменами життя, які вони уражують: бактеріями, археями та еукаріотами. Віруси здатні інфікувати членів різних доменів (а не якогось одного) існують, але рідко описувалися. Віруси, які інфікують архей роду Halobacteriales є подібними до бактеріофагів порядку Caudovirales і, базуючись на морфологічних характеристиках, були поміщені до складу тієї групи; наступні дослідження покажуть чи така подібність є наслідком конвергентної еволюції чи презентує давню лінію вірусів, яка існувала ще до розділення бактерій та архей.
Тип геному і стратегія реплікації – в межах кожного домену життя, який інфікується вірусами, однак, віруси виявляють цілий спектр типів геномів та їхнього функціонування. На жаль, можливості геному та цикл реплікації відомі лише для незначної частини вірусів. Ці добре вивчені види розподілені на сім класів за схемою класифікації Балтімора.
Зміст генів – Незважаючи на відсутність консервативного вірусного «ядра генів», конкретні родини вірусів мають часто спільну архітектуру геномів та зміст генів, що дозволяє встановлювати еволюційні взаємовідносини між цими родинами.
Щойно відкривається новий вірус, Міжнародний Комітет з Таксономії Вірусів (ICTV) передає інформацію спеціальній групі, яка має визначити класифікацію цього вірусу і дати йому назву. Той вірус має зайняти своє місце в існуючій ієрархії: родина, підродина, рід та вид; часто нові види отримують назви за тими хворобами, які вони викликають. Якщо це можливо, родини вірусів потому відносять до одного з семи порядків, але більшість родин не вписується в таку схему. Порядки, таким чином, є радше групами споріднених родин, ніж системою класифікації для всіх вірусів. Наприклад, ці схеми випускають з поля зору такі родини вірусів, котрі не мають капсидів, як Hypoviridae i Endornaviridae.
ICTV розподілив віруси на сім порядків:
1. Caudovirales – бактеріофаги з дволанцюговою ДНК;
2. Herpesvirales – великі віруси еукаріот з дволанцюговою ДНК;
3. Ligamenvirales – віруси архей з лінійною, дволанцюговою ДНК;
4. Mononegavirales – несегментовані віруси, що уражують рослини і тварин та мають негативно смислову одноланцюгову РНК;
5. Nidovirales – віруси, які уражують хребетних, та мають позитивно смислову, одноланцюгову РНК;
6. Picornavirales – маленькі віруси, які уражують рослини, комах і інших тварин та мають позитивно смислову, одноланцюгову РНК;
7. Tymovirales – монопартитні віруси, які уражують рослини і мають одноланцюгову РНК.
Хоча система класифікації ICTV акуратно розподіляє більшість вірусів по встановленим категоріям, цей розподіл є радше таксономічним, ніж філогенетичним, оскільки віруси з однаковим типом геному можуть бути зовсім не спорідненими між собою. На додачу, як колись визнання нового виду бактерій потребувало його виділення та культивування, стандарти ICTV досі вимагають ізоляції самого вірусу. Величезна кількість вірусних послідовностей була отримана внаслідок застосування технік метагеномного аналізу, і вони досі не охоплені системою класифікації, хоча пропозиції про включення цих даних в майбутньому вже обговорюються. Численні послідовності існують не маючи таксономічної «домівки», хоча кодують величезний резервуар нових білкових компонентів, з патогенним потенціалом та потенційно нові біотехнології. Вірусний всесвіт, хоча поки що його годі організувати, становить величезне і захоплююче порубіжжя біології.
Кількісна оцінка розмірів віросфери залежить від того, як вчені визначають саму віросферу
Біологи дедалі більше усвідомлюють обшир віросфери та її глобальний вплив на екологію, як і розмаїття існуючих форм вірусів. Але у світі вірусів багато що є предметом дискусій – зокрема й саме поняття «віросфера». Чи це просто сукупність усіх вірусів планети? Чи вона охоплює суто генетичні елементи, які в конкретний момент не існують у формі часточок? Чи вона охоплює також ті генетичні елементи, які існують у якості нагадувань про колишні інфекції, котрі знайшли собі шлях до статевих клітин, розмножуючи таким чином себе з кожним циклом розмноження хазяїна? Чи термін «віросфера» означає навіть дещо більше – увесь огром впливу вірусів на планету? За тим визначенням, кожна форма життя й біологічних процесів на Землі зазнає впливу вірусної активності, або зазнавала її в минулому.
Вірусологія як дисципліна традиційно фокусувалася на дуже вузькій частині вірусного всесвіту – тобто, на тих вірусах, які є патогенними для людини, домашніх тварин чи рослин, а також на бактеріофагах. Однак, царина екології вірусів показує, що віросфера є величезною майже у будь-якому аспекті – у плані кількості вірусів, розмаїття вірусів чи вірусної біомаси.
1. Кількість вірусів: Ніхто не знає як багато вірусів існує на Землі, але деякі нечисленні оцінки дають змогу оцінити цей параметр. За деякими методами, було підраховано, що на Землі існує 10 у 31-й ступені вірусних часточок, такий висновок спирається на те, що в 1998 було підраховано, що на Землі існує 10 у 30-й ступені прокаріот, а вчені дійшли спільної згоди стосовно того, що в океанах, принаймні, віруси як правило перевершують прокаріот чисельно у пропорції 10:1. Ця оцінка, однак, бере до уваги лише ті вірусні часточки, які можна побачити й підрахувати і не охоплює жодним чином ту велику кількість вірусних геномів, які існують всередині клітин хазяїв, очікуючи на вихід з них після збірки віріонів. Кількість вірусів частково чи повністю інтегрованих в геноми своїх хазяїв є величезною та значною; насправді, 8% людського геному, як вважається, взялася від колишніх актів інтеграції вірусів. Справді, геном жодного організму не працює в умовах ізоляції.
2. Біомаса і розміри вірусів: Через те, що вони присутні повсюдно, біомаса вірусів на Землі є дуже значною. Навіть якщо вважати, що на Землі існує 10 у 31-й ступені вірусних часточок, кожна з яких має масу близько 0,2 фемтограма вуглецю і має довжину у 100 нм, загальна маса вірусів дорівнюватиме масі майже 200 мільйонів синіх китів. Якщо б їх простягнути кінець в кінець, то ці часточки тягнулися б на віддаль у 25 мільйонів світлових років, або ж у 250 разів перевищили б розмір нашої галактики.
3. Кількість видів вірусів: Віруси є найбільш розмаїтою сукупністю біологічних сутностей на планеті. Вони різняться розмірами, формою, обсягом геномів, складом нуклеїнових кислот, стратегіями реплікації, хазяями, змістом та функціонуванням геномів. Понад те, їх високий рівень мутацій та пластичність геномів призводять до того, що вони погано вкладаються у рамки традиційних визначень виду. Все ж, можна зробити деякі нечисленні оцінки. Нинішня видова різноманітність на Землі оцінюється в 1,7 мільярди видів, а якщо припустити, що на кожен з цих видів припадає потенційно хоча б один вид вірусів, то матимемо 1,7 мільярди видів вірусів. Однак, систематики стверджують, що ми досі повністю не усвідомлюємо усього біологічного розмаїття на Землі й потенційних хазяїв; постійно повідомляється про відкриття нових видів, які потенційно можуть бути хазяями для одного чи кількох видів вірусів.
В дійсності, припущення, що на один вид хазяїна припадає лише один вид вірусу є значним заниженням. Сотні різних вірусів здатні уражувати тільки людину. Пропорція 1:1 у співвідношенні видів вірусів та різних біологічних систем (тобто, дихання, травлення, нервової, і т.д.) чи навіть типів клітин, може бути значно ближчою до реальності. Хоча деякі віруси є надто видоспецифічними, інші здатні уражувати різні види хазяїв, іноді маючи здатність долати, здавалось би, нездоланні бар’єри між видами. Вірус лихоманки Західного Нілу, наприклад, інфікує ссавців, птахів та комарів. Часто, ці віруси ідентифікуються тільки тоді, коли вони полишають свого природного хазяїна, у якого не викликають симптомів, а це ще більше ускладнює оцінювання їх чисельності.
Віруси можуть мати численних хазяїв, але не всі віруси уражують більш ніж один вид хазяїна, тож пропорція 10:1 може точніше відображати розмаїття вірусів по відношенню до розмаїття їхніх хазяїв. Важливо нагадати, що кожного разу, коли відкривають нового хазяїна, очікується відкриття й нових вірусів – всесвіт вірусів є величезним, а наше розуміння постійно розширюється.
Метагеномний аналіз виявляє значне розмаїття вірусних послідовностей, відомих під назвою «вірусної темної матерії».
Кількісна оцінка видів вірусів також ускладнена наявністю величезної кількості та розмаїття, що їх демонструють віруси. Крізь історію життя на Землі, віруси використали міріади генетичних можливостей. Хоча деякі з цих можливостей привели до еволюційних тупиків (завдяки мутаціям, які призводили до того, що вірус або позбавлявся можливості збирання капсиду, або до порушення реплікації, або ж до того, що вірус ставав настільки вірулентним, що його хазяї просто вимирали), коли зникала одна лінія, на її місце приходили нові, заповнюючи звільнену нішу.
В метагеномному аналізі усіх можливих екосистем на Землі, 95% кодуючих послідовностей, здобутих від клітинних форм життя, є подібними до послідовностей, які були ідентифіковані раніше, навіть якщо вчені не знають які ж білки кодують ті послідовності. На противагу цьому, 80% кодуючих послідовностей з віросфери є несхожими ні на що, відоме раніше. Вірусологи є дуже далекими від встановлення лімітів простору сиквенування вірусів, який потенційно є набагато більшим, ніж простір, що його займають клітинні організми. Усі невідомі вірусні послідовності, здобуті завдяки метагеномному секвенуванню, вважаються приналежними до «вірусної темної матерії». Принагідно, деякі з цих послідовностей будуть гомологічними по відношенню до збережених невідомих послідовностей з інших баз даних, але часто вірусна темна матерія не піддається віднесенню до жодної з категорій згрупованих сиквенсів.
Вірусні генетичні послідовності є не тільки розмаїтими і несхожими на більшість таких, що отримуються з клітинних форм життя, але і цілі їхні геноми є навдивовижу пластичними. Вірусам не треба кодувати базові клітинні процеси самим, оскільки у цьому відношенні вони покладаються на клітини хазяїв, які вирішують багато які з цих проблем для них. З такою генетичною гнучкістю, вірусні способи життя можуть різнитися від патогенного до мутуалістичного; наразі ж визначити спосіб життя вірусу за наявністю лише даних сиквенсу, зазвичай, неможливо. Пластичність геному й різноманітність сиквенсів також дає змогу постати великому розмаїттю вірусних структур. Специфічні геномні структурні риси часто пов’язуються з родинами вірусів, але віросфера сповнена винятками з правил.
Як найповніше скористатися вірусною темною матерією?
Наразі, дані сиквенсу щодо вірусної темної матерії зберігаються й обробляються вченими, які займаються метагеномним аналізом – немає консолідованої бази даних, до якої можна було б передавати на зберігання таку інформацію. Учасники колоквіуму обстоюють необхідність створення репозиторію даних секвенування вірусної темної матерії, який, можливо, слід було б прив’язати до існуючих баз даних NCBI, зі стандартизованою процедурою подачі даних на зберігання, включаючи встановлення мінімальної кількості нуклеотидів для того, щоб ці дані можна було прийняти. Така база даних уможливила б порівняння складних наборів даних і дозволила б вірусологам частіше ідентифікувати секвеновані мішені для проведення подальших аналізів.
Майбутні цілі та висновки: повертаючись до поставленого питання про світ без вірусів.
Дослідження всесвіту вірусів доводить, що тут слід чекати багато нових відкриттів. Однак, зрозуміло, що неможливо повністю зрозуміти плин життя на Землі без урахування вірусів. Насправді, світ без вірусів просто годі уявити. Як описано у цьому звіті, віруси відігравали – і продовжують відігравати – численні ролі: вони сприяли виникненню плаценти як органу у ссавців, насичували атмосферу киснем, забезпечували мобільні генетичні інструменти та поживу для інших мікробів, захищаючи, окрім іншого, хазяїв від згубного впливу довкілля та загроз інфікування іншими патогенами.
Якби віруси не відігравали ці суттєві ролі в біологічних системах, як би вони були виконані?
У зв’язку з цим постає навіть глибше питання: що було б, якби віруси ніколи не існували на Землі? Чи розвивалося б життя цілком відмінними шляхами? Та й взагалі, чи виникло б саме життя? Відповіді на ці питання можуть чекати на нас попереду, оскільки біологи починають розглядати віруси у якості важливих елементів великого пазлу життя, що його вони прагнуть зібрати.
Шеннон Грін та Енн Рейд
Джерело: academy.asm.org
Переклад з англійської: Юрій Косенко
