Záhada pôvodu vírusov

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Vírusy sú sotva živé. Ich vznik a vývoj sú však ešte menej pochopené ako vznik „normálnych“bunkových organizmov. Stále nie je známe, kto sa objavil skôr, prvé bunky alebo prvé vírusy. Možno vždy sprevádzali život ako katastrofálny tieň.

Problém je v tom, že vírusy nie sú nič iné ako fragmenty genómu (DNA alebo RNA) uzavreté v proteínovom obale. Vo fosílnych záznamoch nezanechávajú žiadne stopy a na štúdium ich minulosti zostáva už len moderné vírusy a ich genómy.

Porovnávaním, hľadaním podobností a rozdielov biológovia objavujú evolučné väzby medzi rôznymi vírusmi, určujú ich najstaršie črty. Bohužiaľ, vírusy sú nezvyčajne variabilné a rôznorodé. Stačí pripomenúť, že ich genómy môžu predstavovať reťazce nielen DNA (ako u nás a napr. herpes vírusy), ale aj príbuznej molekuly RNA (ako pri koronavírusoch).

Molekula DNA/RNA vo vírusoch môže byť jednoduchá alebo segmentovaná na časti, lineárna (adenovírusy) alebo kruhová (polyomavírusy), jednovláknová (anellovírusy) alebo dvojvláknová (bakulovírusy).

Vizuálna veda Vírus chrípky A / H1N1

Nemenej rôznorodé sú aj štruktúry vírusových častíc, zvláštnosti ich životného cyklu a ďalšie charakteristiky, ktoré by sa dali použiť na bežné porovnanie. Viac o tom, ako vedci tieto ťažkosti obchádzajú, si môžete prečítať na samom konci tohto príspevku. Zatiaľ si pripomeňme, čo majú všetky vírusy spoločné: všetky sú parazity. Nie je známy jediný vírus, ktorý by dokázal sám vykonávať metabolizmus, bez použitia biochemických mechanizmov hostiteľskej bunky.

Žiadny vírus neobsahuje ribozómy, ktoré by dokázali syntetizovať proteíny, a nikto nenesie systémy, ktoré umožňujú produkciu energie vo forme molekúl ATP. To všetko ich robí obligátnymi, teda bezpodmienečnými vnútrobunkovými parazitmi: nie sú schopné samostatne existovať.

Nie je prekvapujúce, že podľa jednej z prvých a najznámejších hypotéz sa najskôr objavili bunky a až potom sa na tejto pôde vyvinul celý rozmanitý vírusový svet.

Regresívne. Od zložitých po jednoduché

Poďme sa pozrieť na rickettsie – tiež vnútrobunkové parazity, aj keď baktérie. Navyše, niektoré časti ich genómu sú blízke DNA, ktorá je obsiahnutá v mitochondriách eukaryotických buniek, vrátane ľudí. Obaja mali zrejme spoločného predka, no zakladateľ „línie mitochondrií“, infikujúci bunku, ju nezabil, ale náhodou sa zachoval v cytoplazme.

V dôsledku toho potomkovia tejto baktérie stratili množstvo nepotrebných génov a degradovali sa na bunkové organely, ktoré dodávajú hostiteľom molekuly ATP výmenou za všetko ostatné. „Regresívna“hypotéza pôvodu vírusov sa domnieva, že takáto degradácia sa mohla stať ich predkom: kedysi úplne plnohodnotné a nezávislé bunkové organizmy za miliardy rokov parazitického života jednoducho stratili všetko nadbytočné.

Táto stará myšlienka bola oživená nedávnym objavom obrovských vírusov, ako sú pandoravírusy alebo mimivírusy. Sú nielen veľmi veľké (priemer častíc mimivírusu dosahuje 750 nm – pre porovnanie, veľkosť chrípkového vírusu je 80 nm), ale nesú aj extrémne dlhý genóm (1,2 milióna nukleotidových väzieb v mimivíruse oproti niekoľkým stovkám v bežné vírusy), kódujúce mnoho stoviek proteínov.

Medzi nimi sú aj proteíny potrebné na kopírovanie a „opravu“(opravu) DNA, na tvorbu messenger RNA a proteínov.

Tieto parazity sú oveľa menej závislé od svojich hostiteľov a ich pôvod od voľne žijúcich predkov vyzerá oveľa presvedčivejšie. Mnohí odborníci sa však domnievajú, že to nerieši hlavný problém – všetky „dodatočné“gény by sa z obrovských vírusov mohli objaviť neskôr, požičané od majiteľov.

Koniec koncov, je ťažké si predstaviť parazitickú degradáciu, ktorá by mohla zájsť tak ďaleko a postihnúť aj podobu nositeľa genetického kódu a viesť k vzniku RNA vírusov. Nie je prekvapujúce, že rovnako rešpektovaná je aj ďalšia hypotéza o pôvode vírusov – úplne opačná.

Progresívne. Od jednoduchých po zložité

Poďme sa pozrieť na retrovírusy, ktorých genóm je jednovláknová molekula RNA (napríklad HIV). Keď sa takéto vírusy dostanú do hostiteľskej bunky, používajú špeciálny enzým, reverznú transkriptázu, premieňajú ju na obyčajnú dvojitú DNA, ktorá potom preniká do „svätyne svätých“bunky – do jadra.

Tu vstupuje do hry ďalší vírusový proteín, integráza, ktorá vkladá vírusové gény do DNA hostiteľa. Potom s nimi začnú pracovať vlastné enzýmy bunky: produkujú novú RNA, na ich základe syntetizujú proteíny atď.

Vizuálna veda Vírus ľudskej imunitnej nedostatočnosti (HIV)

Tento mechanizmus pripomína reprodukciu mobilných genetických elementov – fragmentov DNA, ktoré nenesú informácie, ktoré potrebujeme, ale sú uložené a akumulované v našom genóme. Niektoré z nich, retrotranspozóny, sú dokonca schopné sa v ňom množiť, šíriť novými kópiami (viac ako 40 percent ľudskej DNA pozostáva z takýchto „nezdravých“prvkov).

Na tento účel môžu obsahovať fragmenty kódujúce oba kľúčové enzýmy – reverznú transkriptázu a integrázu. V skutočnosti ide o takmer hotové retrovírusy, ktoré nemajú iba proteínový obal. Jeho získanie je ale otázkou času.

Mobilné genetické prvky, ktoré sú tu a tam vložené do genómu, sú celkom schopné zachytiť nové hostiteľské gény. Niektoré z nich môžu byť vhodné na tvorbu kapsíd. Mnohé proteíny majú tendenciu sa samozostavovať do zložitejších štruktúr. Napríklad proteín ARC, ktorý hrá dôležitú úlohu vo fungovaní neurónov, sa vo voľnej forme spontánne skladá do častíc podobných vírusom, ktoré môžu dokonca niesť RNA vo vnútri. Predpokladá sa, že k inkorporácii takýchto proteínov by mohlo dôjsť asi 20-krát, čím by vznikli veľké moderné skupiny vírusov, ktoré sa líšia štruktúrou svojho obalu.

Paralelné. Tieň života

Najmladšia a najsľubnejšia hypotéza však všetko opäť obracia naruby, pričom predpokladá, že vírusy sa objavili najneskôr pri prvých bunkách. Dávno, keď život ešte tak ďaleko nezašiel, prebiehala v „prapolievke“protoevolúcia samoreprodukujúcich sa molekúl, schopných kopírovať samých seba.

Postupne sa takéto systémy stávali zložitejšími, transformovali sa na čoraz väčšie molekulárne komplexy. A len čo niektorí z nich získali schopnosť syntetizovať membránu a stali sa protobunkami, iní – predkovia vírusov – sa stali ich parazitmi.

Stalo sa to na úsvite života, dávno pred oddelením baktérií, archeí a eukaryotov. Preto ich (a veľmi odlišné) vírusy infikujú zástupcov všetkých troch domén živého sveta a medzi vírusmi môže byť toľko vírusov obsahujúcich RNA: sú to RNA, ktoré sa považujú za „predkové“molekuly, samoreplikácia a evolúcia z ktorých viedol k vzniku života.

Prvými vírusmi mohli byť také „agresívne“molekuly RNA, ktoré až neskôr získali gény kódujúce proteínové obaly. Ukázalo sa totiž, že niektoré druhy schránok sa mohli objaviť ešte pred posledným spoločným predkom všetkých živých organizmov (LUCA).

Evolúcia vírusov je však oblasťou ešte mätúcou ako evolúcia celého sveta bunkových organizmov. Je veľmi pravdepodobné, že svojím spôsobom sú všetky tri názory na ich pôvod pravdivé. Tieto vnútrobunkové parazity sú také jednoduché a zároveň rôznorodé, že sa môžu nezávisle na sebe objaviť rôzne skupiny v priebehu zásadne odlišných procesov.

Napríklad tie isté obrie vírusy obsahujúce DNA by mohli vzniknúť v dôsledku degradácie buniek predkov a niektorých retrovírusov obsahujúcich RNA - po "získaní nezávislosti" mobilnými genetickými prvkami. Ale je možné, že za objavenie sa tejto večnej hrozby vďačíme úplne inému mechanizmu, zatiaľ neobjavenému a neznámemu.

Genómy a gény. Ako sa študuje vývoj vírusov

Bohužiaľ, vírusy sú neuveriteľne prchavé. Chýbajú im systémy na opravu poškodenia DNA a akákoľvek mutácia zostáva v genóme, podlieha ďalšej selekcii. Okrem toho rôzne vírusy, ktoré infikujú tú istú bunku, si ľahko vymieňajú fragmenty DNA (alebo RNA), čím vznikajú nové rekombinantné formy.

Napokon, generačná výmena nastáva nezvyčajne rýchlo – napríklad HIV má životný cyklus len 52 hodín a zďaleka nie je najkratší. Všetky tieto faktory poskytujú rýchlu variabilitu vírusov, čo značne komplikuje priamu analýzu ich genómov.

Zároveň vírusy v bunke často nespustia svoj obvyklý parazitný program – niektoré sú navrhnuté tak, iné kvôli náhodnému zlyhaniu. Zároveň sa ich DNA (alebo RNA, predtým premenená na DNA) môže integrovať do chromozómov hostiteľa a ukryť sa tu, pričom sa stratí medzi mnohými génmi samotnej bunky. Niekedy je vírusový genóm reaktivovaný a niekedy zostáva v takej latentnej forme, ktorá sa prenáša z generácie na generáciu.

Predpokladá sa, že tieto endogénne retrovírusy tvoria až 5-8 percent nášho vlastného genómu. Ich variabilita už nie je taká veľká – bunková DNA sa nemení tak rýchlo a životný cyklus mnohobunkových organizmov dosahuje desiatky rokov, nie hodiny. Preto sú fragmenty, ktoré sú uložené v ich bunkách, cenným zdrojom informácií o minulosti vírusov.

Samostatnou a ešte mladšou oblasťou je proteomika vírusov – štúdium ich bielkovín. Koniec koncov, každý gén je len kód pre určitú proteínovú molekulu potrebnú na vykonávanie určitých funkcií. Niektoré „pasujú“ako kúsky Lega, poskladajú vírusový obal, iné dokážu viazať a stabilizovať vírusovú RNA a ďalšie možno použiť na napadnutie proteínov infikovanej bunky.

Aktívne miesta takýchto proteínov sú zodpovedné za tieto funkcie a ich štruktúra môže byť veľmi konzervatívna. Počas evolúcie si zachováva veľkú stabilitu. Dokonca aj jednotlivé časti génov sa môžu meniť, ale tvar proteínového miesta, distribúcia elektrických nábojov v ňom - všetko, čo je rozhodujúce pre výkon požadovanej funkcie - zostáva takmer rovnaké. Ich porovnaním možno nájsť najvzdialenejšie evolučné súvislosti.