Ниже в этой главе мы рассмотрим сценарий происхождения и эволюции вирусов, который не включает (в традиционном понимании) LUCAV, но сочетает в себе аспекты общего происхождения и гипотезу ГПГ и естественным образом связан с определенными моделями эволюции клеток. Наиболее простое объяснение того факта, что белки-сигнатуры, участвующие в вирусной репликации и формировании вириона, присутствуют в широком спектре вирусов, но, очевидно, отсутствуют в какой-либо из клеточных форм жизни, заключается в том, что у последних таких генов просто-напросто никогда и не было. Вместо этого наиболее правдоподобный сценарий постулирует, что гены-сигнатуры предшествуют клеткам и происходят непосредственно из первичного, доклеточного пула генов. Как можно представить, в таком первичном пуле отбор будет действовать прежде всего в отношении функций, непосредственно связанных с репликацией, что согласуется со свойствами большинства генов-сигнатур (см. табл. 10-2). Если учесть распространение генов-сигнатур среди многочисленных групп резко различных вирусов, важнейший вывод будет заключаться в том, что крупные классы вирусов и сами возникли на доклеточных этапах эволюции. Этот вывод — ключевой момент концепции древнего мира вирусов. Основная черта мира вирусов состоит в непрерывном потоке генетической информации через огромное разнообразие эгоистичных элементов от доклеточного этапа эволюции до наших дней.
Прежде чем мы обсудим возникающую концепцию происхождения вирусов из первичного пула генов во всей ее полноте, нам надо вкратце рассмотреть существующие гипотезы происхождения и эволюции вирусов. Традиционно эти идеи вращаются вокруг трех тем (см. рис. 10-3):
1. Происхождение вирусов из первичных генетических элементов.
2. Дегенерация одноклеточных паразитов до вирусного состояния.
3. Сценарий «сбежавших генов», который возводит вирусы к генам клеточных организмов, которые сбежали из клеточного генома и переключились на эгоистичный режим самовоспроизводства.
«Первичная» гипотеза была довольно модной в самые первые дни вирусологии, и примечательно, что Феликс д’Эррель (D’Herelle, 1922), первооткрыватель бактериофагов и один из основателей вирусологии, еще в 1922 году предположил, что фаги могут быть эволюционными предшественниками клеток. Несколько лет спустя, в 1928 году, Дж. Б. С. Холдейн предложил ту же гипотезу в классическом эссе на тему происхождения жизни (Haldane, 1928, мы вернемся к поистине пророческим идеям Холдейна в гл. 11). Однако, как только стало ясно, что все вирусы — облигатные внутриклеточные паразиты, «первичная» гипотеза была, по сути, отвергнута в силу простого и, при поверхностном рассмотрении, неопровержимого аргумента, что внутриклеточные паразиты не могут предшествовать появлению полноценных клеток. Напротив, присутствие во многих вирусах (особенно с большими геномами) многочисленных генов, произошедших от хозяев (в противоположность вирус-специфическим генам), может быть истолковано в поддержку гипотезы «сбежавших генов» или даже «дегенерации клетки». Во дни расцвета молекулярной биологии, когда фундаментальные различия между вирусами и клетками были четко осознаны — так что происхождение вирусов от клеток (пусть и дегенерировавших) было сочтено маловероятным, — гипотеза сбежавших генов стала, в большей или меньшей степени благодаря исключению прочих, общепринятой концепцией происхождения вирусов (Luria and Darnell, 1967). Однако недавно открытие гигантских вирусов и особенно тот факт, что эти вирусы обладают некоторыми важнейшими «клеточными» генами, например генами для множества компонентов системы трансляции, привели к воскрешению гипотезы клеточной дегенерации (Claverie, 2006). В самом деле, в терминах размера генома и генетической сложности открытие гигантских вирусов уничтожает границу между вирусами и клеточными формами жизни.
Рис. 10-3. Три конкурирующие гипотезы происхождения вирусов: а — сценарий сбежавших генов; б — сценарий клеточной дегенерации; в — сценарий первичного пула генов.
Невзирая на все эти аргументы, существование вирусных генов-сигнатур, по-видимому, успешно фальсифицирует как гипотезу дегенерации клетки, так и гипотезу сбежавших генов (или, по крайней мере, вызывает серьезные сомнения в них). Что касается гипотезы дегенерации клетки, давайте рассмотрим NCDLV (Koonin and Yutin, 2010), класс крупных вирусов, к которым эта концепция легче всего приложима и на самом деле уже прилагалась вскоре после открытия гигантского мимивируса (см. табл. 10-1). Среди девяти генов, которые объединяют (практически) все NCDLV, три наиболее важных (белок капсида с укладкой типа рулета, геликаза суперсемейства 3 и упаковывающая АТФаза) — вирусные гены-сигнатуры. Даже простейшая предковая форма NCDLV не могла бы без них функционировать. Соответственно, для обоснования клеточного происхождения этого предкового NCDLV потребовалось бы привлечь ad hoc определенно неэкономные сценарии, например согласованную потерю всех генов-сигнатур у всех известных клеточных форм жизни или их происхождение от вымершей крупной эволюционной линии клеток. Та же логика в основном отвергает концепцию сбежавших генов, ввиду того что у генов-сигнатур никогда не было клеточного «дома», из которого они бы сбежали. Иными словами, чтобы спасти гипотезу «сбежавших генов», нужно постулировать существование вымерших клеточных доменов, откуда могли бы сбежать гены-сигнатуры.
Таким образом, наиболее экономный сценарий эволюции вирусов, по-видимому, включает доклеточный мир вирусов. Наиболее вероятным кажется, что основные классы вирусов — по крайней мере все стратегии репликации и экспрессии генома — возникли уже в доклеточную эру. Возможно, называть гипотетические первичные эгоистичесные элементы вирусами нецелесообразно, учитывая отсутствие клеток на этом этапе их эволюции. Однако, если их называть «вирусоподобными» агентами или как-то вроде этого, это никак не изменит того факта, что нет ни следа клеточного происхождении вирусов, и ни в коей мере не опровергнет гипотезу древнего мира вирусов.
Следует иметь в виду два замечания. Во-первых, рассматривая три сценария происхождения вирусов, мы говорим о вирусах (или вирусных геномах) как о «независимо эволюционирующих генетических элементах». Много, и, в некоторых вирусах, возможно, большинство, вирусных генов может быть клеточного происхождения (см. рис. 10-2), но вирусы как (квази)автономные сущности, по-видимому, не имеют клеточных корней. Во-вторых, хотя для каждой конкретной эволюционной линии вирусов сценарии исключают друг друга, разные группы вирусов в принципе могут иметь разное происхождение. В любом случае пока у нас нет достаточно убедительного свидетельства, что сценарии сбежавших генов или дегенерации клетки — лучшее объяснение происхождения каких-либо известных вирусов.
Анализ вирусных генов-сигнатур меток, по-видимому, предполагает, что они произошли из первичного пула генов. Существование этого первичного пула оказывается логически неизбежным, безотносительно того, какой именно выбрать сценарий ранних этапов эволюции. Мы всерьез обратимся к этим вопросам в главах 11 и 12. Здесь я хочу подчеркнуть другой и достойный всяческого внимания аспект эволюции вирусов, а именно очевидную непрерыв нность мира вирусов от доклеточной эры до наших дней и далее в любом обозримом будущем. В самом деле, если гены-сигнатуры 1) происходят из первичного пула генов, 2) имеют лишь очень отдаленные гомологи среди генов клеточных форм жизни и, очевидно, никогда не входили в состав клеточных геномов и 3) необходимы для репродукции вирусов, то неизбежно заключение, что эти гены переходили от вируса к вирусу (или вирусоподобному элементу) на протяжении всех четырех миллиардов лет эволюции жизни. В этом случае мы должны заключить, что вирусные геномы, хотя и не монофилетические в обычном смысле, произошли благодаря перемешиванию и подгонке друг к другу генов в гигантской генетической сети, которую представляет собой мир вирусов. Многочисленные гены клеточных форм жизни также пронизывают эту сеть, прежде всего благодаря геномам крупных вирусов, таких как NCDLV и крупные бактериофаги, которые позаимствовали множество генов от своих хозяев на разных этапах эволюции. Однако большинство заимствованных генов сами по себе не критичны для репликации и экспрессии вирусного генома (исключая некоторые случаи возможного неортологичного замещения генов-сигнатур); обычно эти гены участвуют во взаимодействии между вирусом и хозяином. Таким образом, несмотря на интенсивный взаимообмен генами с хозяевами, представляется, что вирусы всегда происходят от других вирусов, даже если, во многих случаях, пути эволюции — кружные. Мы теперь можем сформулировать принцип, симметричный знаменитому обобщению Рудольфа Вирхова, отражающему тот факт, что клетки размножаются делением, но никогда, насколько нам известно, не появляются de novo: omnis cellula e cellula. Будучи приложен к миру вирусов, принцип формулируется таким образом: omnis virus e virus.
Конечно, существуют вирусы и различные вирусоподобные агенты, испытывающие принцип непрерывности на прочность. Наиболее ярким примером могут быть многочисленные, разнообразные вирусы гипертермофилов кренархеот (Prangishvili et al., 2006a, 2006b) и группа полиднавирусов, заражающих насекомых. Некоторые из этих вирусов не имеют общих генов ни с какими другими вирусами; вирусы кренархеот обычно имеют немногочисленные гены с узнаваемым происхождением, a полиднавирусы содержат ряд генов, произошедших от генов хозяина (Dupuy et al., 2006). Однако даже среди этих необычных вирусов некоторые сохраняют один или два гена-сигнатуры, более того, у полиднавирусов заметны четкие признаки инактивации этих уцелевших генов-сигнатур. Очевидно, полиднавирусы произошли от разных групп полноценных вирусов насекомых, в частности асковирусов и нудивирусов, пройдя путь, очень напоминающий эволюцию агентов переноса генов (Bezier et al., 2009; Bigot et al., 2008). Геном нудивируса встроился в геном предковой формы осы и активно экспрессируется, продуцируя белки, необходимые для формирования вирионов и упаковки ДНК. Однако вирусные гены (по крайней мере большинство из них) не включаются в вирионы, в которые вместо этого упаковываются случайные фрагменты генома хозяина. Эта поразительная конвергенция эволюции псевдовирусов прокариот и эукариот предполагает сильное давление отбора, направленное на «изобретение» специальных приспособлений для горизонтального переноса генов и перестройки генома.