Как нас сотворили ВИРУСЫ Вироцентрический взгляд на

Как нас сотворили… ВИРУСЫ

Вироцентрический взгляд на эволюцию - представление о том, что ключевые свойства клеточных форм жизни формировались при непосредственном участии вирусов На каких основаниях? Сценарии, равновероятные с другими сценариями Сценарии, более вероятные по сравнению с другими сценариями Сценарии, подкрепленные фактическими уликами (геномным анализом)

I. Это участие высоковероятно, потому что • На каждый вид земных организмов приходится, как правило, несколько видов вирусов, многие из которых персистируют в популяциях (присутствуют в каком-то количестве постоянно, не обязательно вызывая болезни); • Подсчитано, что в водных экосистемах количество вирусных частиц на 1 -2 порядка превышает количество бактерий. • Сама жизненная стратегия вируса предполагает тесный контакт его генома с геномом хозяина

II. Гипотеза участия вирусов облегчает объяснение возникновения некоторых сложных (многокомпонентных) адаптивных систем • • Возникновение ДНК Регуляция клеточного цикла Апоптоз Ядерность Половое размножение Нервная система Скелетные структуры Более правдоподобным всегда считается такое объяснение, которое позволяет описать сценарий последовательного возникновения отдельных компонентов будущего комплекса, а не одновременного.

III. Развитие иммунной системы подразумевает необходимость сопротивляться каким-то паразитам (а вирусы – самые многочисленные из них) • Самый удобный путь – одолеть врага его же оружием IV. Наличие подтвержденных случаев гомологии последовательностей полезных генетических элементов клеток (особенно в регуляторных областях) с вирусными последовательностями

Разнообразие и классификация вирусов Международная классификация ICTV (интернационального комитета таксономии вирусов) 7 порядков: 1) Caudovirales (ds. DNA, бактерии, археи), 2) Herpesvirales (ds. DNA, позвоночные), 3) Ligamenvirales (ds. DNA, археи), 4) Mononegavirales ((-)ss. RNA, позвоночные, насекомые, растения), 5) Nidovirales ((+)ss. RNA, креветки, москиты, птицы, млекопитающие), 6) Picornavirales ((+)ss. RNA, насекомые, растения), 7) Tymovirales ((+)ss. RNA, растения) 96 семейств (из них 71 не отнесены к какому-либо порядку); 420 родов (из них 15 не отнесены к какому-либо семейству) ; 2618 видов.

Tr –транскрипция; Т – трансляция; R – репликация; RT – обратная транскрипция; RCR – репликация по типу катящегося кольца; E – инкапсулирование; Rd. Rp – РНК зависимая РНК полимераза; JRC – капсидный белок; S 3 H – гистоноподобный белок

Гипотезы происхождения вирусов I. Гипотеза регресса (через упрощение и переход к облигатному внутриклеточному паразитизму клеточных форм). II. Гипотеза прогресса (через приобретение внутриклеточными эгоистическими генетическими элементами дополнительных генов, необходимых для горизонтального переноса между клетками). III. Гипотеза первичности вирусов (вирусы представляют собой реликты эволюционно наиболее ранних протоорганизмов, из которых в ходе эволюции возникли как клеточные формы жизни, так и вирусы, адаптировавшиеся к паразитированию на живых клетках). Клетки размножаются делением; Вирусы – посредством сборки.

Гомологии между геномами вирусов и клеточными формами жизни

Гомологии между основными типами вирусов Evgeny Koonin, 2011

Яйцо или курица? Смена хозяина вирусными линиями может обеспечивать горизонтальный обмен генами Транспозоны Клеточные ферменты Вирусы Вирусные ферменты Транспозоны Клеточные ферменты В геноме человека до 50 % ДНК имеет вирусное происхождение, причем значительная часть ее служит в качестве регуляторных последовательностей!

Таксономическое распределение транспозонов SPIN, OC 1, ET and h. AT 1 среди 102 организмов (полногеномное секвенирование). Распространение транспозонов происходило путем горизонтального переноса на протяжении последних 50 млн. лет через посредство кровососущих насекомых. C Gilbert et al. Nature 464, 1347 -1350 (2010) doi: 10. 1038/nature 08939

Почему вирусам легче эволюционировать? 1)Они воспроизводятся очень массово (численно вирусы на 1 -2 порядка превышают число всех клеточных организмов Земли); 2)Они «много где бывают» , активно рекомбинируют и могут «прихватывать» полезные гены/фрагменты наследственной информации у клеток-хозяев и у других вирусов-соседей. 3)Если у вируса есть какой-то дефект, он все же имеет шанс на участие в дальнейшей эволюции, благодаря «братской поддержке» от других вирусов той же клетки-хозяина. Они могут даже «воскреснуть» спустя много поколений в состоянии покоя в организме хозяина благодаря вирусу-помощнику. 4) Они находятся в условиях, где нужно приспосабливаться к контексту клеткихозяина, который представляет достаточно мощно и специфично действующую селективную среду, выдерживая при этом конкуренцию с другими вирусами. НЕОБХОДИМОСТЬ + ВОЗМОЖНОСТИ = БЫСТРАЯ ЭВОЛЮЦИЯ В то же время вирусы по отношению к клеткам хозяевам выступают 1) как естественные генные инженеры (транспортеры генов); 2) как мощный фактор отбора на развитие систем иммунной защиты.

63 суперсемейства белковых доменов вирусов не имеют гомологов среди белковых доменов клеточных форм жизни Evgeny Koonin, 2006 Возможно, именно вирусы обеспечили перенос некоторых симбионтных генов в ядерный геном

Эволюция репликативных систем Репликация по механизму катящегося кольца Evgeny Koonin

Гипотеза вирусного происхождения ДНК: ДНК-геном возник у некоторых вирусов как средство защиты от клеточных РНК-аз в древних (вымерших) РНК клетках. Эти вирусы непосредственно участвовали в формировании структуры генома бактерий, архей и эукариот и, возможно, в организации ядра эукариот. Аргумент: ферменты репликации у ДНК фагов негомологичны бактериальным, но гомологичны эукариотическим; у вирусов имеется собственная тимидин-синтетаза, а у некоторых ДНК содержит д. У вместо д. Т. Хромосомы эукариот линейные с теломерами – как у ДНК-содержащих фагов и вирусов. Jean-Michel Claverie, 2006 3 домена клеточных форм жизни = 3 независимых события заражения РНК-клеток разными ДНК-вирусами

Гипотеза вирусного происхождения ядер и полового процесса Ядра-паразиты у красных водорослей!

Филогенетическое дерево больших эукариотических ds. DNA вирусов (группа NCLDV – Nucleo-Cytoplasmic Large DNA Viruses) +Polydnaviridae, +Megaviridae, +Pandoraviridae 11468 белок-кодирующих генов 1445 ортологичных групп (ОГ) генов 177 ОГ – в >1 семействах 5 ОГ во всех видах: 1) 2) 3) 4) 5) Основной капсидный белок ДНК-полимераза Праймаза-хеликаза Пакующая АТФаза Транскрипционный фактор • Промоторы, работающие в бактериях, в водорослях и в клетках высших растений; • Вводят ДНК в клетки подобно фагам; • Содержат гены репарации и фотосистем, поддерживая функциональность клеток-хозяев. Гомология с клеточными генами для базовых 47 генов Polydnaviridae – мутуалисты паразитических ос Evgeny Koonin, 2009

«МОЛЕКУЛЯРНОЕ ОДОМАШНИВАНИЕ» Международная команда генетиков сообщила о завершении шестилетнего проекта по прочтению полных геномов 29 видов плацентарных млекопитающих. Выявлено 280 000 консервативных регуляторных участков, происходящих из фрагментов «одомашненных» мобильных генетических элементов (2011). Около 16 % уникальных консервативных регуляторных участков плацентарных млекопитающих происходят от МГЭ (2007). У человека новый регуляторный элемент, регулирующий работу гена PRODH (в головном мозге) относительно недавно возник из эндоретровируса (2013). Американские генетики обнаружили, что ключевые генырегуляторы (транскрипционные факторы FHY 3 и FAR 1), обеспечивающие адекватную реакцию растений на изменения освещенности, были заимствованы предками цветковых растений у мобильных генетических элементов — транспозонов (2007), являясь гомологами фермента транспозазы. Одомашненные гены вирусов у животных: Ферменты теломеразы, служащие для восстановления концевых участков хромосом, возможно, ведут свое происхождение от обратных транскриптаз, кодируемых ретровирусами и ретротранспозонами. 2) Белки RAG, играющие ключевую роль в системе адаптивного иммунитета, по-видимому, происходят от прирученных транспозаз – ферментов, кодируемых транспозонами. 3) Гены Peg 10 (гомолог генов gag, pol), Syncitin, ENVV 1 и ENVV 2 (гомологи гена env) необходимые для развития плаценты был позаимствован древними млекопитающими у ретротровируса. 4) У многих животных присутствует РНК-зависимая РНК-полимераза Rd. RP, гомологичная полимеразе РНК-вирусов, которая обеспечивает наработку коротких интерферирующих дц. РНК.

Line-1 и Alu - новоприобретения приматов (у человека составляют вместе около 28 % генома) Количество белоккодирующих генов, содержащих Alu повтор Новые инсерции обнаруживаются у 1 из 20 -200 новорожденных, а в клетках мозга частота транспозиций еще в 25 раз выше. Alu повторы часто образуют: • сайты связывания транскрипционных факторов, меняя экспрессионную активность генов, • альтернативные сайты сплайсинга, • сайты РНК редактирования, • горячие точки мутации и рекомбинации.

Белок ORF 1 p, кодируемый LINE-1 (составляет 17 % генома, около миллиона копий) обеспечивает встраивание новых последовательностей в геном, опосредованное обратной транскрипцией. В условиях эксперимента инсерция гена GFP в геном стволовых нейрогенных клеток при участии таких элементов происходила с частотой 1: 10000.

Вирусы должны были «изобрести» : комплекс систем для заражения клеток • Систему для специфического распознавания клеток мишеней по поверхностным маркерам. (Лиганд-рецепторное взаимодействие, лежащее в основе передачи сигналов и межклеточной коммуникации). • Систему для сайт-специфического мутагенеза генов поверхностных белков, распознающих клетки-мишени – аналогичную системе реаранжировки и гипермутации для синтеза T-клеточных рецепторов и антител у позвоночных. • Порообразующие белки, позволяющие вводить свою ДНК в клетки через мембрану – они могли предшествовать эволюции ядерного порового комплекса у эукариот.

• Систему для стабильного поддержания в клетках хозяина – модули «зависимости» (токсин+антитоксин) – они же работают как механизмы репродуктивной изоляции у бактерий. Стабильное поддержание генома вируса в бактериях при утрате литической фазы превращает их в плазмиды. (Система апоптоза у про- и эукариот) • Систему для предотвращения конкуренции со стороны новых вирусов – системы рестрикции-модификации – сродни системе иммунитета в смысле способности отличать «свое» от «чужого» . (У прокариот – основа противовирусной защиты. У эукариот метилирование ДНК лежит в основе регуляции экспрессии генов). • Систему для встраивания в геном клетки хозяина (лизогенизация): 1) гены, обеспечивающие гомологичную рекомбинацию (в клетках эукариот – основа кроссинговера + репарация). 2) обратную транскрипцию. (Достраивание теломер у эукариот). • Систему для переноса своего генома от клетки к клетке через конъюгацию. Способность к конъюгации определяется наличием плазмиды F (фертильности), которая кодирует белки конъюгативных пилей (имеется гомология), и регуляторы процесса конъюгации, репликации и переноса. • Специфические сайты начала репликации, обеспечивающие избирательное копирование вирусных геномов и распознающие их белки. Специфические сайты начала репликации Ori и гены-регуляторы присутствуют в геномах клеточных организмов и необходимы для контроля репликации (но не обязательны для самой репликации). • Некоторые вирусы приспособились паразитировать на других вирусах, встраиваясь внутрь их генов и используя их как транспортное средство. Так могли произойти интроны эукариот.

Конъюгация – генетический обмен у бактерий Плазмиды могут являться потомками бактериальных вирусов, эволюционно приспосабливавшихся к персистированию в клетках хозяевах. Конъюгация могла возникнуть как средство переноса вируса от клетки к клетке. Белок пилей кодируется геном плазмиды F и имеет гомологию с некоторыми капсидными белками фагов.

Рекомбинация и обратная транскрипция Рекомбинация (и обратная транскрипция) для вирусов играет две основных жизненно важных функции: 1) Возможность «закрепиться» в клетке-хозяине, встроившись в ее геном; 2) Возможность репарировать дефекты путем рекомбинации между вирусными геномами, попавшими в одну клетку (при коинфекции или суперинфекции); 3) + Дополнительные возможности для быстрой эволюции. В результате процесса интеграции вирусные (или плазмидные) гены оказываются включены в состав хромосом клетки-хозяина. При выщеплении и формировании новых вирусов могут «прихватываться» хозяйские гены. Multiplicity reactivation

Модули зависимости токсин/антитоксин Такие модули могут быть удобным объяснением для эволюционного происхождения следующих клеточных систем: 1) Системы основанные на распознавании «свой/чужой» : иммунные реакции, репродуктивные барьеры; 2) Системы апоптотических/антиапоптотических белков; 3) Все типы передачи сигналов через лиганд-рецепторные взаимодействия: на межклеточном и внутриклеточном уровне. (Многие мембранные клеточные белки-рецепторы родственны вирусным белкам) Взаимная координация поведения клеток посредством биохимических сигналов лежит в самой основе функционирования многоклеточного организма, в частности – мозга!

Формирование нервной ткани у многоклеточных Обширное разрастание клеток по объему организма способствует распространению вируса, а синапсы могли исходно формироваться как структуры, обеспечивающие высвобождение вируса в межклеточное пространство и закрепление на мембране соседних клеток. Формирование скелетных образований многоклеточных 1) Уплотнение наружных покровов как непосредственная защита от проникновения инфекции 2) Образование скелетных компонентов внутри мягких тканей изначально могло быть просто следствием иммунной реакции, направленной на изоляцию пораженных вирусом тканей от здоровых (в частности, вокруг нервного ствола). Теория генетической ассимиляции Уоддингтона: Реакции на внешние стимулы могут заменяться внутренне (генетически) обусловленными онтогенетическими процессами, если эти реакции приобрели самостоятельную селективную ценность.

Роль вирусов в жизни биоты 1. 2. 3. 4. 5. 6. Эволюционная роль Распространители генетических инноваций – через горизонтальный перенос генов; Селекционеры в отношении генов, обеспечивающих функционирование иммунной системы; Стимуляторы эволюционных новшеств, опосредованно связанных с иммунной системой (регуляторы транскрипции, трансляции, ингибиторы ферментов, эндонуклеазы, система РНК-интерференции, системы рекомбинации и стрессиндуцируемого мутагенеза и т. д. ). Экологическая роль Пищевой ресурс для самых маленьких (в водных экосистемах) – они сами и убитые ими бактерии и одноклеточные; Ограничители размножения популяций хозяев; Помощники в борьбе хозяина с паразитами (фаги против болезнетворных бактерий, или менее агрессивные вирусы против более агрессивных).

Вирусы-мутуалисты Polydnavirus – вирус с сегментированным дц. ДНК геномом, симбионт паразитических ос. У взрослой осы во встроенном и неактивном состоянии. Вирус активируется и нарабатывается после откладки яиц в гусеницу. При этом гусеница активнее питается, подавляется ее метаморфоз и иммунная система.

Спасибо за внимание!

Ген/Белок Функция у вируса Функция у клетки Рекобиназа (интеграза) Встраивание в геном хозяина, высвобождение Кроссинговер, реаранжировка, перемещение транспозонов Обратная транскриптаза Получение множества копий вирусной ДНК Наращивание теломер, репарация, размножение ретротранспозонов Ферменты метаболизма Обеспечение процесса воспроизводства вируса энергией и веществом Обеспечение процесса воспроизводства клетки энергией и веществом Рецепторные, сигнальные и регуляторные белки Связывание с мембранами клеток хозяина для проникновения в них, управление процессами репродукции вируса Адгезия, межклеточная коммуникация, распознавание и уничтожение инфекционных агентов, управление внутриклеточными процессами Гипермутабельные участки и регуляторы мутагенеза Изменение поверхностных антигенов, уход от иммунной системы хозяина Увеличение разнообразия репертуара антител для обеспечения иммунной защиты А также сигнальные пептиды и др. Redrejo-Rodríguez, M. , Muñoz-Espín, D. , Holguera, I. , Mencía, M. , Salas, M. “Functional eukaryotic nuclear localization signals are widespread in terminal proteins of bacteriophages”. PNAS. November 6, 2012 vol. 109 no. 45 18482 -18487 Clément Gilbert, Sarah Schaack, John K. Pace II, Paul J. Brindley, Cédric Feschotte. A role for host -parasite interactions in the horizontal transfer of transposons across phyla. Nature, 2010; 464 (7293):