Что появилось раньше: клетки или вирусы?

Действительно ли люди знаменуют вершину эволюции, или это вирусы? В то время как мы развивались по пути все более усложняющегося развития, вирусы упростили и успешно избавлялись от всех основных генов, за исключением горстки, как показывают исследования, опубликованные в журнале Science Advances в сентябре.

Густаво Каэтано-Аноллес и его коллеги из Иллинойского университета пришли к такому выводу, впервые разработав новый способ отображения генеалогического древа микроорганизмов. Оказалось, что вирусы не эволюционировали первыми. Вместо этого вирусы и бактерии произошли от древней клеточной формы жизни. Но в то время как бактерии, подобно людям, эволюционировали, чтобы стать более сложными, вирусы стали проще.

Сегодня вирусы настолько малы и просты, что даже не могут размножаться сами по себе. Вирусы несут только необходимую генетическую информацию, необходимую для того, чтобы проникнуть внутрь клетки-хозяина и заставить ее делать новые копии вируса. Вирус гриппа, например, имеет всего 14 кодирующих белок генов. Поскольку вирусы, как правило, так просты, многие биологи не думали, что их можно даже классифицировать как форму жизни.

Но чуть больше десяти лет назад наше представление о вирусах начало меняться. Французские ученые, изучавшие загадочный микроб, похожий на бактерию, но генетически совершенно не похожий на бактерию, поняли, что обнаружили гигантский вирус. Они назвали эту бактерию похожей на "имитирующего микроб", или "мимивирус".

И мимивирус был не только физически велик. Они показали, что он несет более 1000 генов – огромный геном для вируса, всего на несколько сотен генов меньше, чем у некоторых бактерий. С тех пор было обнаружено несколько гигантских вирусов, причем пандоравирусы содержат около 1100 генов.

Генетическая сложность этих монстров-микробов пробудила интерес к давнему вопросу о вирусах - когда они впервые появились? Были ли вирусы эволюционным шагом к более сложной клеточной жизни? Или они возникли позже? Вопрос очень сложный. Будучи состоящими из нескольких коротких нитей ДНК или РНК, обернутых в мягкую белковую оболочку, вирусы не окаменевают. А без изучения окаменелостей было почти невозможно распутать их родословную.

Чтобы попытаться решить вопрос об эволюции вируса, Каэтано-Аноллес разработал новый способ реконструкции микробного генеалогического древа и прослеживания бактерий и вирусов до их истоков.

Ученые обычно создают эволюционные генеалогические деревья, или "филогенетические деревья", сравнивая гены между видами. Чем больше общих генов у двух организмов, тем теснее они связаны. Но эта техника позволяет перемотать назад только миллион лет или около того. Еще немного, и ДНК мутирует так сильно, что невозможно увидеть сходство между видами.

Каэтано-Аноллес хотел вернуться к истокам жизни на Земле - около 3,5 миллиардов лет назад. Поэтому вместо сравнения генов его команда сравнила форму или «складки» белков. Белки - это высокоточные молекулярные машины – и если вы изменяете их форму, вы нарушаете их функцию. В то время как жизнь может терпеть постоянное мягкое смещение в генетическом коде, форма белка имеет решающее значение и поэтому развивается гораздо медленнее. Прослеживание формы белка "уводит нас так далеко назад, как мы только можем надеяться", - говорит Майкл Чарльстон, компьютерный биолог из Университета Тасмании.

Исследователи разработали алгоритмы для сравнения белковых форм 3460 вирусов и 1620 клеток. Они обнаружили, что 442 белковые складки были разделены между клетками и вирусами, но 66 складок были уникальными для вирусов.

Чтобы понять смысл полученных данных, команда собрала белковые складки в дерево, которое вырастало новой "веткой" каждый раз, когда появлялся новый тип белковой складки. Там, где это было возможно, команда использовала свидетельства окаменелости, чтобы указать приблизительную дату появления определенных веток. Например, одна конкретная белковая складка была впервые обнаружена у цианобактерий (сине-зеленые водоросли), а позже появилась у всех ее потомков. Сравнивая, когда цианобактерии впервые появились в летописи окаменелостей (2,1 миллиарда лет назад), с тем, когда позже появилось их потомство, они могли установить, что эта конкретная складка появилась около 2 миллиардов лет назад.

Согласно микробному генеалогическому древу Каэтано-Анолла, вирусы очень древни, но они не были первой формой жизни. Фактически, его генеалогическое древо предполагает, что вирусы и бактерии имеют общего предка-полностью функционирующую, самовоспроизводящуюся клетку, которая жила около 3,4 миллиарда лет назад, вскоре после того, как жизнь впервые появилась на планете. Из этой клетки бактерии эволюционировали в направлении возрастающей сложности, в то время как вирусы постепенно теряли гены, которые, как они обнаружили, им не были нужны – до тех пор, пока они больше не могли даже размножаться самостоятельно.

Ключевой шаг в эволюционном путешествии вируса, по – видимому, произошел около 1,5 миллиарда лет назад-именно в этом возрасте, по оценкам команды, появились 66 специфичных для вируса белковых складок. Эти изменения происходят в белках внешней оболочки вируса-механизмах, которые вирусы используют для проникновения в клетки хозяина.

Для Чарльстона примечательным моментом в исследовании является то, сколько общих белков имеют современные бактерии и вирусы. "Я поражен идеей, что эти белковые складки так сохранены", - говорит он. "Это действительно очень веское доказательство того, что у них есть общий предок."

Сегодня заманчиво думать о вирусах как о простых вредителях. Но "они не агенты разрушения", - говорит Каэтано-Аноллес. Жизнь на Земле выглядела бы совсем иначе без наших вирусных сожителей. "Мы не были бы здесь без них", - говорит Джеймс Шапиро, микробиолог из Чикагского университета. Например, исследователи предполагают, что более 100 миллионов лет назад вирусная инфекция у первобытного млекопитающего вызвала ген, который помог эволюционировать плаценте. Синцитин - это белок, который вирусы используют для слияния клеток с целью перехода от одной клетки-хозяина к другой. У млекопитающих происходит слияние клеток плаценты с маткой, что позволяет плоду получать питательные вещества от матери.

А что касается более абстрактного вопроса о том, можно ли считать вирусы жизнью, Каэтано-Аноллес утверждает, что если вирусы произошли от живых клеток, то они все еще живы – но уникальным образом: когда вирусы заражают клетку, это воссоединение образует полную живую систему.

Джон Маттик, молекулярный биолог и директор Института Гарвана в Сиднее, согласен с этим. "Люди говорят, что вирусы не живут свободно. Но это философский вопрос - мы свободны?" - спрашивает он. "Мы не можем жить без растений. Жизнь - это взаимосвязанная система".