Гигантские вирусы могли быть прародителями всего живого

Жан-Мишель Клавери (Jean-Michel Claverie) и Шанталь Абержель (Chantal Abergel) — известные на весь мир вирусологи, которые посвятили свою карьеру изучению гигантских вирусов. Именно они открыли питовирус, пролежавший 30 тысяч лет в сибирских льдах и выживший после стольких лет суровых условий.

Исследуя природу необычных гигантских вирусов, учёные обнаружили, что они обладают куда более странными свойствами, чем можно было предполагать. Прежде всего, в отличие от подавляющего большинства вирусов, питовирус обладает очень большими размерами — он даже больше некоторых бактерий. Но самое удивительное, он не полностью зависит от хозяйского организма, как положено вирусам, и способен производить некоторые этапы репликации самостоятельно.

Питовирус, длина которого составляет 1,5 микрометра (фото Jean-Michel Claverie, Chantal Abergel).

К тому же довольно большое число генов питовируса отличаются от генетического набора у других вирусов, которые чаще всего имеют всего четыре гена. Питовирус же обладает пятьюстами, и некоторые из них используются для выполнения сложных задач, таких как создание белков, восстановление и репликация ДНК.

В силу этих странных свойств Клавери и Абержель предположили, что именно гигантские вирусы могут быть ключом к разгадке зарождения жизни на Земле.

Напомним, что обычные вирусы биологи даже к царству Жизнь не причисляют, а называют их неклеточными инфекционными агентами.

"Как правило, вирусы полагаются на клеточные механизмы организмов-хозяев, которые должны помочь им в репликации. Поэтому им нужны чужие клетки для использования этих механизмов в своих целях. Другими словами, без клеток вирусы не могут существовать", — рассказывает Джек Шостак (Jack Szostak), известнейший биохимик из Гарвардского университета и лауреат Нобелевской премии.

Некоторые учёные говорят, что открытие гигантских вирусов может перевернуть наши представления об этих инфекционных агентах. Они предполагают, что предки современных вирусов могли предоставить "сырьё" для развития клеточной жизни и помогали диверсификации живых организмов и становлению различных видов.

"Гигантские вирусы являются идеальным примером того, как мир простых вирусоподобных элементов может превратиться в нечто гораздо более сложное", — говорит Евгений Кунин (Eugene Koonin), вычислительный биолог из Национального института здравоохранения США, который описал свою теорию о вирусном происхождении жизни в статье, опубликованной в журнале Microbiology and Molecular Biology Reviews.

Кунин и другие вирусологи постепенно собирают доказательства того, что вирусоподобные элементы стимулировали некоторые из самых важных этапов становления жизни: эволюция ДНК, формирование первых клеток и раскол жизни на три домена —археи, бактерии и эукариоты. Археи и бактерии, одноклеточные организмы, существовали задолго до появления эукариотов, которые возникли в результате слияния первых двух доменов.

Общепринятые теории относительно происхождения вирусов гласят, что они появились либо из вырожденных клеток, которые потеряли способность к автономной репликации, либо из генов, по какой-то причине покинувшие пределы живой клетки. Гигантские вирусы, впервые описанные в 2003 году, подорвали авторитет этих двух теорий, поскольку представляли собой совершенно новый, необычный тип организма.

Учёным потребовались годы, чтобы идентифицировать гигантские вирусы. Сначала они решили, что перед ними бактерия, поскольку структура обладала приблизительно такими же размерами, как и многие бактерии. К тому же в результате обработки особым химическим веществом, которое окрашивает только некоторые бактерии, гигантский вирус приобрёл ярко-синюю окраску. Однако несмотря на всё это, все попытки вырастить организм в лаборатории оказались тщетными. Оставив эксперименты, учёные поместили уникальный образец в морозильную камеру.

Примерно десять лет спустя аспиранты забрали организм и отнесли его в лабораторию к Дидье Раулю (Didier Raoult), французскому микробиологу, специализирующемуся на бактериях, которых трудно вырастить в лабораторных условиях. Сначала для изучения организма исследователь рассмотрел его в мощный электронный микроскоп.

Тогда же с Раулем работали Клавери и Абержель, но над другим проектом. Они сразу же распознали вирусоподобную форму, несмотря ни на размеры исследуемого организма, ни на его другие необычные свойства. Вирусологи тотчас же взялись за изучение генома гигантского вируса и обнаружили в его ДНК тысячи генов, что даже больше, чем у некоторых бактерий. Тогда учёные назвали организм мимивирусом (от MImicking MIcrobe VIRUS или "вирус, имитирующих микробов") за то, что амёбы принимали его за бактерий и пытались поглотить.

Клавери и Абержель давно подозревали, что гигантские вирусы должны быть широко распространены в природе, но остаются незамеченными из-за их размера. Они взяли образцы воды, изобилующей амёбами, практически в каждом месте, где побывали. В двух образах (один из Мельбурна, другой с берегов Чили) они нашли ещё больший вирус и назвали его пандоравирусом.

"Каждый эксперимент мы повторили по 10 раз. Вирус был настолько необычным, что мы думали, что где-то допустили ошибку", — вспоминает Абержель.

Поскольку пандоравирус обладал поразительно крупным числом генов, примерно 2500 штук, учёные решили, что пора относить гигантские вирусы к новой форме жизни. Самое удивительное, что более 90% генов вируса не имели ничего общего с другими организмами, населяющими Землю.

Позднее Клавери и Абержель обнаружили питовирус, который превосходит пандоравирус по своим размерам и не уступает ему в численности генов. Необычный генофонд заставил учёных задуматься о происхождении гигантских вирусов. Поскольку гены патогенов сильно отличались от других организмов, биологи предположили, что предки гигантских вирусов возникли на очень раннем этапе зарождения жизни.

Эта идея идёт вразрез с общепринятой теорией о том, что вирусы возникли в очень поздней истории эволюции жизни. Но могли ли вирусы появится до формирования клеточной жизни?

Кунин и его коллеги полагают, что вирусы предшествовали клеточной жизни. Согласно его теории, получившей название "вирусный мир" (Virus World), предки современных вирусов возникли, когда вся жизнь была ещё плавающей в водоёмах Земли генетической информацией из аминокислот и липидов. Самые ранние образцы генетического материала, скорее всего, представляли собой отрезки РНК с относительно небольшим набором генов, которые часто паразитировали на других формах протожизни, чтобы создавать копии самих себя.

Эти "лысые" участки генетической информации постоянно обменивались генами, забирая второсортные единицы у соседей и высвобождая то, что им было уже не нужно. Со временем, утверждает Кунин, паразитические генетические элементы оказались не в состоянии воспроизводиться самостоятельно и превратилась в современных вирусов, которые по-прежнему не могут существовать без чужих клеток. А гены, на которых они прежде паразитировали, начали создавать барьеры для защиты себя от генетических халявщиков, и так в конечном итоге появилась клеточная жизнь.

Теория вирусного мира по своей сути схожа с Гипотезой мира РНК, которая гласит, что жизнь впервые появились в виде небольших участков РНК, которые медленно развились в сложные организмы-носители ДНК. Обе версии согласуются в том, как возник первый генетический материал, но различаются в том, когда именно возникли первые вирусы — до или после клеток.

Сторонники того, что вирусы возникли первостепенно, оперируют несколькими весомыми доказательствами. Во-первых, разнообразие вирусов сильно превышает разнообразие представителей клеточной жизни. А если бы вирусы были вторичным продуктом, то их диверсификация была бы значительно беднее, поскольку клетки бы содержали весь спектр генов, доступных вирусам.

"Та же самая дилемма возникает, когда мы говорим о происхождении людей. Мы знаем, что люди — выходцы из Африки, так как генетическое разнообразие среди жителей этого континента намного больше, чем в любой другой точке планеты. Если это верно для людей, то почему это не верно для вирусов?" — задаётся вопросом Кунин.

Во-вторых, вирусы намного более "изобретательны", когда речь заходит о самовоспроизведении. У клеток есть всего два способа репликации их ДНК: одним располагают бактерии, а другим — археи и эукариоты. Вирусы пользуются всем остальным.

Мимивирус, один из первых гигантских вирусов, найденных учёными (иллюстрация Wikimedia Commons).

Существует и ещё одна промежуточная теория, которая гласит, что вирусы могли появиться после примитивных клеток и до современных. Отдельные вирусы, которые заражают три различных домена жизни, имеют некоторые общие белки, что позволяет предположить, что вирусы развивались до возникновения жизни в современном понимании. Однако, по мнению сторонников теории вирусного мира, вирусы существовали задолго до появления предка всего живого на Земле.

Изучение гигантских вирусов привело к почти философскому вопросу о том, что есть жизнь. Согласно стандартному определению, традиционные вирусы не живые организмы, поскольку они не способны реплицировать собственные гены и должны "воровать" у хозяйских клеток.

Но гигантские вирусы стоят где-то посередине между бактериями и обычными вирусами. У них есть некоторые гены, участвующие в репликации, что указывает на возможность существования этапа их эволюции, при котором они могли быть независимыми организмами.

Некоторые исследователи утверждают, что по этой причине им необходимо отвести отдельный домен на древе жизни. В эту же пользу говорит тот факт, что гигантские вирусы обладают уникальными только для себя генами, не похожими ни на какие другие.

Тем не менее, гигантские вирусы были сгруппированы в более крупные семейства вирусов, известные как цитоплазматические крупные ДНК-вирусы, в которые также входят вирусы оспы. Гигантские вирусы являются гораздо более сложными, чем те, что вызывают оспу, поэтому учёные решили, что они возникли позднее в истории эволюции. Однако дальнейшая работа учёных указала на то, что эти вирусы эволюционировали гораздо раньше, чем предполагалось.

Густаво Каэтано-Анольес (Gustavo Caetano-Anolles) из университета Иллинойса в Урбана-Шампейн проследил эволюционную историю белков, обнаруженных в нескольких гигантских вирусах при исследовании 2012 года. Его работа показывает, что гигантские вирусы представляют собой форму жизни, которая либо предшествовала, либо сосуществовала с последним универсальным общим предком всего живого.

Если гигантские вирусы так стары, как показывает работа Каэтано-Анольеса, то биологическую историю Земли необходимо в корне пересмотреть. В таком случае ведущую роль в зарождении жизни сыграли именно вирусы. Это также может означать, что вирусы являются одной из доминирующих эволюционных сил на нашей планете, и что каждый организм имеет своё вирусное прошлое.

Шостак считает, что вирусы действительно были мощной эволюционной силой, и что они эволюционировали раньше, чем учёные прежде считали. Однако он указывает на существенное различие между паразитарными генетическими элементами, представлявшими собой участки генетического материала, которые используют другие участки генетического материала, чтобы сделать копии себя, и истинными вирусами, которые не могут существовать без клетки.

"Всякий раз, когда вы смешиваете кучу маленьких молекул РНК, вы получаете кучу паразитарных последовательностей, которые хороши только тем, что умеют быстро реплицироваться. Для того чтобы эти последовательности стали похожи на современные вирусы, они должны паразитировать на живой клетке, а не просто на ещё одной нити РНК", — отмечает Шостак.

Сторонники теории вирусного мира говорят, что клетки не могли эволюционировать без участия вирусов: для того чтобы перейти от РНК к ДНК, необходим фермент обратной транскриптазы, а они содержатся только в вирусах, но не в клетках.

Клавери и Абержель, однако, полагают, что вирусы вышли из клеток. Они предлагают другое объяснение необычному набору генов у гигантских вирусов: вероятно, они происходят от тех клеток, которые к настоящему моменту уже вымерли.

Согласно этой теории, предок гигантских вирусов утратил способность к репликации в качестве независимой формы жизни и был вынужден полагаться на другие клетки, чтобы скопировать собственную ДНК. Кусочки генов этих древних клеток выжили в современных мимивирусах, пандоравирусах и питовирусах, что может быть логичным объяснением наличию уникальных генов.

"У всего живого не может быть единого общего предка. В ранней истории существовало множество клеток живых организмов, которые конкурировали друг с другом и оставили одного победителя, который лёг в основу жизни, какой мы её знаем сегодня", — считает Клавери.

Споры на эту тему вряд ли утихнут в ближайшее время. Но вирусологи уже ищут новых гигантских вирусов, которые, возможно, прольют свет на историю эволюции жизни в целом.