Mysteriet om viras oprindelse

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Virus er næppe levende. Imidlertid er deres oprindelse og udvikling endnu mindre forstået end fremkomsten af "normale" cellulære organismer. Det er stadig ukendt, hvem der dukkede op tidligere, de første celler eller de første vira. Måske har de altid fulgt med livet, som en katastrofal skygge.

Problemet er, at vira ikke er andet end fragmenter af genomet (DNA eller RNA) indesluttet i en proteinkappe. De efterlader ingen spor i fossiloptegnelsen, og alt, der er tilbage at studere deres fortid, er moderne vira og deres genomer.

Ved at sammenligne, finde ligheder og forskelle, opdager biologer evolutionære forbindelser mellem forskellige vira, bestemmer deres ældste træk. Desværre er vira usædvanligt varierende og varierede. Det er tilstrækkeligt at huske, at deres genomer kan repræsenteres af kæder af ikke kun DNA (som i vores land og for eksempel herpesvirus), men også et beslægtet RNA-molekyle (som i coronavirus).

DNA/RNA-molekylet i vira kan være enkelt eller segmenteret i dele, lineært (adenovira) eller cirkulært (polyomavira), enkeltstrenget (anellovirus) eller dobbeltstrenget (baculovira).

Visuel videnskab Influenza A / H1N1 virus

Strukturerne af virale partikler, de særlige forhold ved deres livscyklus og andre egenskaber, som kunne bruges til almindelig sammenligning, er ikke mindre forskellige. Du kan læse mere om, hvordan videnskabsmænd kommer uden om disse vanskeligheder i slutningen af dette indlæg. Lad os indtil videre huske, hvad alle vira har til fælles: de er alle parasitter. Der kendes ikke en eneste virus, der kan udføre metabolisme på egen hånd uden at bruge værtscellens biokemiske mekanismer.

Ingen virus indeholder ribosomer, der kunne syntetisere proteiner, og ingen bærer systemer, der tillader produktion af energi i form af ATP-molekyler. Alt dette gør dem obligatoriske, det vil sige ubetingede intracellulære parasitter: de er ude af stand til at eksistere alene.

Det er ikke overraskende, at celler ifølge en af de første og mest kendte hypoteser først dukkede op, og først derefter udviklede hele den forskelligartede virale verden sig på denne jord.

Regressivt. Fra kompleks til enkel

Lad os tage et kig på rickettsia – også intracellulære parasitter, omend bakterier. Desuden er nogle dele af deres genom tæt på DNA, som er indeholdt i mitokondrierne i eukaryote celler, herunder mennesker. Tilsyneladende havde de begge en fælles forfader, men grundlæggeren af "linien af mitokondrier", der inficerede cellen, dræbte den ikke, men blev ved et uheld bevaret i cytoplasmaet.

Som et resultat mistede efterkommerne af denne bakterie en masse mere unødvendige gener og blev nedbrudt til cellulære organeller, der forsyner værterne med ATP-molekyler i bytte for alt andet. Den "regressive" hypotese om viras oprindelse mener, at en sådan nedbrydning kunne være sket med deres forfædre: Når de en gang var fuldstændig fuldgyldige og uafhængige cellulære organismer, over milliarder af års parasitliv, mistede de simpelthen alt overflødigt.

Denne gamle idé er blevet genoplivet af den nylige opdagelse af gigantiske vira såsom pandoravirus eller mimivirus. De er ikke kun meget store (mimivirusens partikeldiameter når 750 nm - til sammenligning er størrelsen af influenzavirussen 80 nm), men de bærer også et ekstremt langt genom (1,2 millioner nukleotidforbindelser i mimivirus mod flere hundrede i almindelige vira), der koder for mange hundrede proteiner.

Blandt dem er der også proteiner, der er nødvendige til kopiering og "reparation" (reparation) af DNA, til produktion af messenger-RNA og proteiner.

Disse parasitter er meget mindre afhængige af deres værter, og deres oprindelse fra fritlevende forfædre ser meget mere overbevisende ud. Mange eksperter mener dog, at dette ikke løser hovedproblemet - alle de "yderligere" gener kan dukke op fra gigantiske vira senere, lånt fra ejerne.

Det er trods alt svært at forestille sig en parasitisk nedbrydning, der kan gå så vidt og påvirke selv formen af bæreren af den genetiske kode og føre til fremkomsten af RNA-vira. Det er ikke overraskende, at en anden hypotese om viras oprindelse er lige så respekteret - det fuldstændig modsatte.

Progressiv. Fra simpelt til komplekst

Lad os tage et kig på retrovira, hvis genom er et enkeltstrenget RNA-molekyle (for eksempel HIV). Når de først er i værtscellen, bruger sådanne vira et specielt enzym, revers transkriptase, og omdanner det til almindeligt dobbelt DNA, som derefter trænger ind i cellens "helligste" - ind i kernen.

Det er her et andet viralt protein, integrase, kommer i spil og indsætter de virale gener i værtens DNA. Så begynder cellens egne enzymer at arbejde med dem: de producerer nyt RNA, syntetiserer proteiner på basis af dem osv.

Visuel videnskab Human Immunodeficiency Virus (HIV)

Denne mekanisme ligner reproduktionen af mobile genetiske elementer - DNA-fragmenter, der ikke bærer den information, vi har brug for, men er lagret og akkumuleret i vores genom. Nogle af dem, retrotransposoner, er endda i stand til at formere sig i det, spredes med nye kopier (mere end 40 procent af menneskets DNA består af sådanne "junk"-elementer).

Til dette kan de indeholde fragmenter, der koder for begge nøgleenzymer - revers transkriptase og integrase. Faktisk er disse næsten færdiglavede retrovira, blottet for kun en proteinkappe. Men erhvervelsen er et spørgsmål om tid.

Indlejret i genomet hist og her er mobile genetiske elementer ganske i stand til at fange nye værtsgener. Nogle af dem kan være egnede til kapsiddannelse. Mange proteiner har en tendens til selv at samle sig til mere komplekse strukturer. For eksempel folder ARC-proteinet, som spiller en vigtig rolle i neuronernes funktion, spontant i fri form til viruslignende partikler, der endda kan bære RNA indeni. Det antages, at inkorporeringen af sådanne proteiner kan forekomme omkring 20 gange, hvilket giver anledning til store moderne grupper af vira, der adskiller sig i strukturen af deres kappe.

Parallel. Livets skygge

Men den yngste og mest lovende hypotese vender alt på hovedet igen, idet man antager, at vira dukkede op senest de første celler. For lang tid siden, da livet endnu ikke var gået så langt, fortsatte proto-evolutionen af selvreplikerende molekyler, der var i stand til at kopiere sig selv, i "ursuppen".

Gradvist blev sådanne systemer mere komplekse og forvandlede sig til større og større molekylære komplekser. Og så snart nogle af dem fik evnen til at syntetisere en membran og blev til protoceller, blev andre - forfædrene til vira - deres parasitter.

Dette skete ved livets begyndelse, længe før adskillelsen af bakterier, arkæer og eukaryoter. Derfor inficerer deres (og meget forskellige) vira repræsentanter for alle tre domæner i den levende verden, og blandt vira kan der være så mange RNA-holdige: det er RNA'er, der betragtes som "forfædres" molekyler, selvreplikationen og evolutionen som førte til livets fremkomst.

De første vira kunne være sådanne "aggressive" RNA-molekyler, som først senere erhvervede gener, der koder for proteinkapper. Det er faktisk blevet vist, at nogle typer af skaller kan være dukket op allerede før den sidste fælles forfader til alle levende organismer (LUCA).

Imidlertid er udviklingen af vira et område, der er endnu mere forvirrende end udviklingen af hele verden af cellulære organismer. Det er meget sandsynligt, at alle tre syn på deres oprindelse på hver deres måde er sande. Disse intracellulære parasitter er så enkle og på samme tid forskellige, at forskellige grupper kan optræde uafhængigt af hinanden i løbet af fundamentalt forskellige processer.

For eksempel kan de samme gigantiske DNA-holdige vira opstå som følge af nedbrydning af forfædres celler og nogle RNA-holdige retrovira - efter at have "vundet uafhængighed" af mobile genetiske elementer. Men det er muligt, at vi skylder udseendet af denne evige trussel til en helt anden mekanisme, endnu ikke opdaget og ukendt.

Genomer og gener. Hvordan udviklingen af vira studeres

Desværre er vira utroligt flygtige. De mangler systemer til at reparere DNA-skader, og enhver mutation forbliver i genomet, underlagt yderligere udvælgelse. Derudover udveksler forskellige vira, der inficerer den samme celle, nemt DNA (eller RNA) fragmenter, hvilket giver anledning til nye rekombinante former.

Endelig sker generationsskiftet usædvanligt hurtigt – fx har hiv kun en livscyklus på 52 timer, og den er langt fra den kortest levede. Alle disse faktorer giver den hurtige variabilitet af vira, hvilket i høj grad komplicerer den direkte analyse af deres genomer.

På samme tid starter vira, når de først er i en celle, ofte ikke deres sædvanlige parasitprogram - nogle er designet på denne måde, andre på grund af en utilsigtet fejl. Samtidig kan deres DNA (eller RNA, der tidligere er omdannet til DNA) integreres i værtens kromosomer og gemme sig her og gå tabt blandt selve cellens mange gener. Nogle gange bliver det virale genom reaktiveret, og nogle gange forbliver det i en sådan latent form, idet det overføres fra generation til generation.

Disse endogene retrovira menes at tegne sig for op til 5-8 procent af vores eget genom. Deres variation er ikke længere så stor - cellulært DNA ændrer sig ikke så hurtigt, og flercellede organismers livscyklus når titusvis af år, ikke timer. Derfor er de fragmenter, der er lagret i deres celler, en værdifuld kilde til information om fortiden for vira.

Et separat og endnu yngre område er vira's proteomik - studiet af deres proteiner. Ethvert gen er trods alt bare en kode for et bestemt proteinmolekyle, der kræves for at udføre bestemte funktioner. Nogle "passer" som Lego-stykker, der folder den virale kappe, andre kan binde og stabilisere viralt RNA, og atter andre kan bruges til at angribe proteinerne i en inficeret celle.

De aktive steder af sådanne proteiner er ansvarlige for disse funktioner, og deres struktur kan være meget konservativ. Den bevarer stor stabilitet gennem hele evolutionen. Selv individuelle dele af gener kan ændre sig, men formen af proteinstedet, fordelingen af elektriske ladninger i det - alt, hvad der er afgørende for udførelsen af den ønskede funktion - forbliver næsten den samme. Ved at sammenligne dem kan man finde de fjerneste evolutionære forbindelser.