Защитные системы эукариот, разумеется, еще более разнообразны и сложны. Они включают в имеющийся почти у всех эукариот аппарат РНК-интерференции и различные другие механизмы врожденного и приобретенного иммунитета (в частности, система интерферона, стимулируемая дцРНК), которые мы не можем обсудить здесь детально. Следует упомянуть, что у эукариот ГПГ не играет роли, сравнимой с его ролью у прокариот, отсюда отсутствие давления отбора, направленного на устранение систем защиты, которые, следовательно, оказываются более устойчивыми в ходе эволюции. Взятые в совокупности, системы защиты занимают значительную часть любого эукариотического генома — достаточно вспомнить главный комплекс гистосовместимости и кластеры генов иммуноглобулинов у позвоночных или огромные кластеры генов стрессового ответа у растений.
Особый и поистине радикальный тип борьбы с паразитами — программированная клеточная смерть (ПКС), которая, по-видимому, происходит в различных формах у большинства клеточных организмов за исключением некоторых бактериальных паразитов. Наиболее хорошо описанные проявления этого феномена — изощренные системы ПКС животных и растений (также известные под названием «апоптоз» — в основном в применении к животным), в которых участвуют каскады самоубийственных протеолитических и нуклеолитических реакций и которые обычно запускаются вирусной инфекцией (а также другими паразитами и другими формами стресса). Существование ПКС у одноклеточных организмов, особенно прокариот, — более спорный вопрос (Bidle and Falkowski, 2004; Koonin and Aravind, 2002), но накапливающиеся свидетельства показывают, что токсин-антитоксиновая система у бактерий и архей все-таки запускает ПКС в ответ на вирусную инфекцию или другие формы стресса (Van Melderen, 2010)[111].
В соответствии с законом Красной Королевы, вирусы никогда далеко не отставали от своих клеточных хозяев (кроме тех, что вымерли). Лучший известный тому пример — эукариотические вирусы с большими геномами, такие как поксвирусы или бакуловирусы: до половины генов у этих вирусов функционируют как устройства взлома защиты, действующие против всех уровней защиты хозяина. Основная стратегия взлома защиты, применяемая этими вирусами, проста и эффективна: вирус «крадет» ген, кодирующий компонент защиты хозяина. После мутирования в вирусном геноме белковый продукт этого гена превращается из эффектора в доминантно-не гативный ингибитор соответствующей системы защиты. Более маленькие вирусы не могут позволить себе сравнимый ассортимент генов взлома защиты, но тем не менее несут гены белков-охранни ков, которые по большей части участвуют в агрессии, например протеазы, расщепляющие белковые факторы, необходимые для трансляции РНК хозяина, но не вирусных РНК (Agol and Gmyl, 2010)[112]. На другом, более фундаментальном уровне знаменательное проявление эффекта Красной Королевы — быстрая антигенная вариация у некоторых вирусов, например вируса гриппа и ВИЧ, которая позволяет этим вирусам обгонять в развитии иммунный ответ хозяина.
Важно подчеркнуть, что паразиты и защитные системы связаны не только «геномными войнами», но также и более прямым путем: эгоистичные элементы систематически привлекаются для несения защитных функций, и в то же время защитные системы могут развить эгоистичные черты. Системы рестрикции-модификации традиционно расценивались как средства защиты; и, конечно, они делают бактерии устойчивыми к чужеродной ДНК. Однако эти системы также являются особого рода эгоистичными элементами (Kobayashi, 2001, 1998). Хотя они не кодируют никаких приспособлений для собственной репликации и потому не могут считаться настоящими эмигрантами в мир вирусов, они часто обитают на плазмидах, успешно входя, таким образом, в мир вирусов в качестве симбионтов плазмид (а эти последние точно принадлежат миру вирусов). Системы рестрикции-модификации делают клетки зависимыми от них самих и плазмид-носителей, способствуя, таким образом, собственной репликации. Токсин-антитоксиновые системы (см. гл. 5) обладают такими же свойствами. В более общем виде — хорошо известно, что и у бактерий, и у эукариот вирусы имеют тенденцию защищать хозяев от суперинфекции другими вирусами. Таким образом, взаимодействие между вирусами («геномными паразитами») и системами защиты хозяина — весьма сложная сеть с множеством петель обратной связи, занимающая центральное положение в эволюции как паразитов, так и хозяев.
Наконец, хотя эта глава посвящена миру вирусов, необходимо сделать замечание касательно паразитизма среди клеточных форм жизни. Эта форма паразитизма относительно редка среди прокариот (хотя тут надо отметить примечательную крошечную паразитическую архею Nanoarchaeum equitans), но становится чрезвычайно распространенной у эукариот, чьи крупные, сложные клетки и особенно многоклеточные организмы — прекрасные мишени для микробных паразитов. В ходе эволюции эти паразиты, особенно внутриклеточные, прогрессивно теряли собственные системы противовирусной защиты и развивали механизмы, преодолевающие защиту хозяина. В этом отношении они начинают напоминать вирусы, но, безусловно, так вирусами и не становятся.
В этой главе мы обсудили древний обширный мир вирусов. Понятие о месте вирусов в биосфере и ее эволюции радикально изменилось за последние несколько лет, во многом благодаря успехам метагеномики разнообразных виромов. Сейчас мы понимаем, что представление о вирусах как непримечательных вутриклеточных паразитах чрезвычайно далеко от действительности. Напротив, вирусы представляют собой наиболее распространенные биологические объекты на Земле, как физически, так и генетически. Сравнительная геномика вирусов и вирусоподобных элементов, таких как плазмиды и транспозоны, раскрывает сложную сеть эволюционных взаимоотношений, в которой узлы соответствуют генам-сигнатурам, присутствующим у множества разнообразных групп вирусов и имеющим лишь отдаленные гомологи у клеточных форм жизни. Эти открытия сравнительной геномики не поддерживают гипотезу единого предка для всех вирусов, напротив, они предполагают «олигофилетический» сценарий, по которому основные классы вирусов со всеми типами циклов репликации-экспрессии произошли непосредственно из первичного, доклеточного пула генетических элементов. Оглядываясь назад, этот вывод может показаться не таким уж неожиданным, если учесть, что теория и эксперимент указывают на то, что возникновение паразитов — имманентная черта эволюционирующих систем репликаторов и что соревнование хозяев и и паразитов движет эволюцию тех и других.
Таким образом, недавно нам стало известно о существовании обширного мира вирусов, который эволюционировал непрерывно и квазиавтономно от клеточных организмов на протяжении всей истории живого на Земле. В общей классификации форм жизни вирусы и другие эгоистичные элементы, с одной стороны, и клеточные формы жизни, с другой, представляют две основные «империи». Несмотря на важность генов-сигнатур и относительную автономность мира вирусов, эти две империи соединены множеством дорог с двухсторонним движением генетического обмена, так что вирусы во многом формируют эволюцию клеточных геномов и наоборот. Более того, взаимодействие между вирусной и клеточной империей происходит в соответствии с принципом Красной Королевы в бесконечной гонке вооружений, которая является одним из основных формообразующих факторов в эволюции всех геномов и одним из самых отчетливых проявлений дарвиновской «борьбы за существование».
Несколько парадоксально, недавние успехи в изучении вирусов не только расширили просторы вирусного мира, но также показали, как мало мы знаем о его истинной структуре и составе. Анализ виромов предполагает, что мир вирусов по большей части состоит из неописанной «темной материи», которая может быть весьма отличной от известных вирусов. Понимание природы этой темной материи вполне может привести к существенным изменениям в общей картине эволюции жизни.
Forterre P., and D. Prangishvili. (2009) The Great Billion-Year War Between Ribosome — and Capsid-Encoding Organisms (Cells and Viruses) As the Major Source of Evolutionary Novelties. Annals of the New York Academy of Sciences 1,178: 65–77.
Концептуально важная статья, которая подчеркивает ключевую роль гонки вооружений между вирусами и их хозяевами в эволюции сложности.
Holmes E. C. (2009) The Evolution and Emergence of RNA Viruses. Oxford: Oxford University Press.
Обзор эволюции вирусов с упором на макроэволюционные процессы, быструю смену и возникновение новых вирусов.
Koonin, E. V., T. G. Senkevich, and V. V. Dolja. (2006) The Ancient Virus World and Evolution of Cells. Biology Direct 1: 29.
Анализ взаимоотношений различных групп вирусов, демонстрирующий широкое распространение вирусных генов-сигнатур. Выработана концепция мира вирусов, то есть непрерывного потока генетической информации через различные эгоистичные генетические элементы. Мир вирусов развивался бок о бок с клеточными формами жизни на протяжении всей истории жизни на Земле, но сохранил автономию от эволюционирующих клеточных организмов, несмотря на множественные обмены генами.
Koonin E. V., Y. I. Wolf, K. Nagasaki, and V. V. Dolja. (2008) The Big Bang of Picorna-like Virus Evolution Antedates the Radiation of Eukaryotic Supergroups. Nature Reviews Microbiology 6: 925–939.
Эволюционный сценарий для самой крупной группы РНК-вирусов, заражающих эукариот, надсемейства пикорнаподобных вирусов, которое было значительно расширено благодаря метагеномике. Результаты сравнительной геномики указывают на сборку вирусного генома предковой формы пикорнаподобных вирусов из различных прокариотических элементов, за которой последовала фаза взрывной эволюции.