Эволюционная роль, которую играют вирусы, огромна по сравнению с их патогенностью. Из примерно 100 миллионов различных видов вирусов, упомянутых в предыдущей главе, только около 200[1], другими словами, всего 0,0002%, способны вызывать заболевания у людей.
Эти 200 вирусов лишь изредка патогенны, большинство их носителей не проявляют никаких симптомов. Кроме того, некоторые из этих 200 документированных вирусных "патогенов" также могут оказывать благотворное воздействие; например, в случае широко распространённого вируса герпеса и цитомегаловируса.
© Commons WikimediaИзображение вируса герпеса HSV-1
Герпесвирусы, как, например, вирус простого герпеса и цитомегаловирус, — хорошо известные примеры виромов, носимых более чем 50% и до 90% населения, соответственно. Хотя эти вирусы способны становиться патогенными при подавленном иммунитете, они также могут обеспечивать полезные иммунологические стимулы для хозяина с устойчивой иммунной системой[2].Вирус герпеса и цитомегаловирусы — не единичные случаи. Такой распространённый вирус, как грипп, до недавнего времени считавшийся исключительно болезнетворным агентом, теперь известен тем, что приносит пользу, делая людей более общительными[3]. Обратите внимание, что некоторые участники этого исследования получили социальную пользу от вируса, не испытывая никаких симптомов.
Преимущества вирусов многочисленны, например, они усиливают защиту своих хозяев от бактериальных инфекций[4], помогают альтернативным путям метаболизма углерода во время инфекции[5] и стимулируют выработку белков теплового шока[6] (HSP) во время стресса[7]. Белки теплового шока участвуют в различных фундаментальных процессах, например:
Белки теплового шока являются важными факторами, регулирующими выживание клеток, их дифференцировку и гибель. Накапливающиеся данные показывают, что некоторые белки теплового шока участвуют не только во врождённом клеточном иммунитете, но и в презентации антигенов при адаптивном иммунном ответе. Белки теплового шока также служат потенциальными биомаркерами некоторых заболеваний[8].Ещё более ошеломляющий пример синергии вируса и хозяина можно наблюдать у паразитических ос, которые "приручили" вирусы, не способные размножаться вне ос. При введении внутрь жертвы эти вирусы нейтрализуют иммунную систему хозяина, поэтому она не атакует яйца, отложенные осой внутри его тела:
Во время паразитизма осы вводят полиднавирусы в хозяев, которые затем экспрессируют вирусные генные продукты, изменяющие иммунную защиту, рост и развитие хозяина, чтобы оптимизировать условия для развития потомства осы[9].
© BurkeЖизненный цикл паразитоидных ос и полиднавирусов, паразитирующих на личиночном хозяине лепидоптера
В 1936 году [д'Эрель и] Георгий Элиава создали фаготерапию в Тбилиси в Институте Элиавы, которая существует и по сей день. В пиковые периоды до 1200 сотрудников производили тонны бактериальных вирусов. Они производили таблетки, пластыри и пролечили 18 000 солдат во время финско-русской войны в 1939 году коктейлем из бактериальных вирусов против сибирской язвы с 80-процентным успехом, что означало предотвращение ампутаций. В 1963 году до 30 000 детей прошли лечение, некоторые даже с использованием бактериальных вирусов в качестве профилактики[10].Для справки, смертность от лёгочной формы сибирской язвы без лечения составляет 80% и выше[11].
Приведённые выше примеры показывают, насколько распространены и жизненно важны вирусы в животных формах жизни, включая человека. Но то же самое относится и к растениям:
Вирусы, как правило, не включались в списки полезных микробов. Недавние работы показали, что они также могут играть важную и полезную роль в растениях[12].Одно из основных назначений вирусов, используемых ботаниками, — улучшение красоты того или иного растения:
Одни из наиболее известных полезных вирусов, используемых в растениях, это вирусы, повышающие красоту декоративных растений. Вирус пестролепестности тюльпана был первым в длинном списке вирусов, изменяющих внешний вид растений. Тем не менее многие другие ценные декоративные растения обязаны своей ценностью, по крайней мере частично, вирусам, которые их заражают[13].
© Norton Simon MuseumГуашь до 1640 года - последствия пестролепестности тюльпанов: полосы белого цвета на его красных лепестках
[Вирусы] участвуют в придании устойчивости растений к засухе, холодным и жарким температурам почвы... увеличивают их ценность, потенциал роста или снижают потребность в использовании химических удобрений или пестицидов[14].Как и в случае генома человека, вирусы уже давно присутствуют в геноме растений:
Исследования биоразнообразия вирусов показывают, что растения инфицированы многими вирусами, которые не оказывают какого-либо явного вредного воздействия на своих хозяев <...> Эти вирусы имеют очень длительные связи со своими растениями-хозяевами и передавались вертикально в течение, возможно, тысяч лет, что явно подразумевает положительное взаимодействие[15].Эндоретровирусы
Хотя список преимуществ, предоставляемых экзогенными вирусами своим хозяевам, значителен, это ничто по сравнению с эндогенными ретровирусами.
Ранее мы уже видели ключевую роль, которую эндогенные ретровирусы сыграли в появлении ряда новых сложных таксонов: валлаби, люди, человекообразные обезьяны, позвоночные, эукариоты, челюстные позвоночные, костистые рыбы, чешуекрылые и, конечно, плацентарные[16].
Что касается плацентарных, то мы видели, как эндогенные ретровирусы были движущей силой их появления, включая практически всех млекопитающих. До этого репродуктивные стратегии основывались на откладывании яиц.
Как и большинство экзогенных вирусов, эндогенные ретровирусы не вызывают заболеваний:
Большинство последовательностей эндогенных ретровирусов со временем приобрели многочисленные мутации и, следовательно, не обладают потенциалом кодирования белков или способностью генерировать инфекционные вирусные частицы[17].Но тот факт, что многочисленные последовательности вирусного генома, обнаруженные в нашей ДНК, не являются патогенными, не означает, что они бесполезный архаизм. На самом деле интеграция эндогенных ретровирусов в геном хозяина даёт определённые преимущества:
Таким образом, эндогенные ретровирусы человека, по-видимому, содержат всё ещё активные гены, которые, скорее всего, были разрушены хозяином в его интересах и должны рассматриваться как настоящие человеческие гены[18].Эндогенные ретровирусы являются частью так называемой "мусорной ДНК"[19], которая десятилетиями считалась бесполезной ДНК, сохранённой в ходе "эволюционного отбора". Этот вид ДНК составляет около 90%[20] нашего генома. Но теперь её называют некодирующей ДНК, потому что современная геномика показала, что мусорная ДНК вовсе не является таковой. Одним из ярких примеров является "генная пустыня":
Генные пустыни — это области генома, лишённые генов, кодирующих белок. Первоначально считалось, что они содержат "мусорную" ДНК из-за их неспособности создавать белки. Генные пустыни с тех пор были связаны с несколькими жизненно важными регуляторными функциями, в том числе с дистальным усилением и сохранением наследования. Таким образом, всё больше рисков, приводящих к ряду серьёзных заболеваний, включая несколько видов рака, объясняются нарушениями, обнаруженными в генных пустынях [21].Кроме того, распространённое мнение о том, что эндогенные ретровирусы не являются кодирующими, в целом верно, но всё же есть исключения, например, известно, что эндогенный ретровирус человека K[22] кодирует HDTV[23].
Из 500 генов env[24] 16 могут кодировать белки и обильно транскрибируются в ключевых органах, таких как мозг, щитовидная железа или надпочечники:
© de ParsevalТранскриптомы кодирующих генов ретровирусной оболочки генома человека в 19 тканях человека
Детальное изучение подсемейства эндогенного ретровируса человека K (HML2) показало, что 6 (17%) из 35 исследованных полноразмерных копий подверглись некоторой форме неаллейной гомологичной рекомбинации после вставки, несмотря на их довольно недавнее происхождение (<20 миллионов лет назад). Учитывая, что на это подсемейство приходится ничтожная доля (<<1%) ERV человека, эти данные подчёркивают потенциально глубокий вклад эндогенных ретровирусов в реконструкцию архитектуры генома в больших временных масштабах[36].Несмотря на недавнее появление геномики, уже существует множество примеров благотворного воздействия эндогенных вирусов, например, эндогенные ретровирусы играют фундаментальную роль в защите своих хозяев от вспыхивающих эпидемий:
[Эндогенные ретровирусы] поддерживают противовирусный иммунный ответ с помощью многочисленных механизмов. Они включают усиление клеточных сенсорных путей, регуляцию экспрессии вирусных генов, блокаду рецепторов входа и прямое ограничение сборки вириона[25].Другим примером благотворного влияния эндогенных ретровирусов является их участие в регуляции экспрессии полезных кодирующих генов:
В 1996 году Рой Дж. Бриттен из Калифорнийского технологического института смог привести десять примеров того, как эндогенные вирусные последовательности в геноме помогают регулировать экспрессию полезных генов. Семь из десяти примеров относились к человеку[26].Эндогенные ретровирусы также используются в диагностике рака и борьбе с ним:
Цитотоксические Т-клетки и естественные клетки-убийцы являются важными эффекторами наблюдения за опухолями. Они вооружены гранзимом и перфорином для прямого уничтожения опухолевых клеток. Недавнее исследование с использованием набора из 66 эндогенных ретровирусов в качестве эталона показало, что 8 из них положительно коррелировали с экспрессией гранзима и перфорина в тканях рака молочной железы, подразумевая потенциальную роль эндогенных ретровирусов в иммунном надзоре[27].Эндогенные ретровирусы также необходимы для развития эмбриона, начиная с самой ранней стадии:
...Когда итальянский исследователь Коррадо Спадафора применил на этой ранней стадии эмбриогенеза у мышей препарат, блокирующий обратную транскриптазу, — развитие эмбриона остановилось на четырёх клетках. По-видимому, эндогенные вирусы играют очень важную, хотя ещё совершенно непонятую роль на ранней стадии эмбриогенеза млекопитающих [28].Возможно, фундаментальная роль эндогенных ретровирусов в морфогенезе, подчёркнутая в приведённой выше цитате, объясняет, почему вирусы сыграли решающую роль в том, что можно считать величайшим эволюционным скачком, а именно в переходе от одноклеточных организмов к многоклеточным:
Все известные молекулы слияния клеток имеют вирусное происхождение, что позволяет предположить, что они были жизненно важны для систем межклеточной связи, сделавших возможной многоклеточность. Без способности к слиянию клеток могли бы образоваться колонии, но ничего даже столь сложного, как губка, не было бы возможно[29].Вышесказанное показывает широкую распространённость вирусов в нашем генетическом коде и ту жизненно важную роль, которую они играют. Эта перспектива позволяет по-другому взглянуть на актуальный вопрос о том, являются ли вирусы формами жизни или нет. Ответ на этот вопрос в значительной степени зависит от определения слова "жизнь".
Вирусы внесли свой вклад в геном человека и привнесли полезные изменения; бактерии и вирусы передали в геном эукариотов многие основные гены, которые сделали возможной эволюцию и видообразование (Joseph, 2009a, b), в то время как вирусы часто приносят существенную пользу хозяину и часто разрушаются хозяином для его блага (Lorenc and Makalowski. 2003; Miller et al., 1999; Parseval and Heidmann 2005). Таким образом, вирусы обычно не вызывают заболевание у хозяина, но приносят ему пользу. Более того, они встраивают гены и регуляторные элементы в геном хозяина и сыграли активную роль в эволюции, способствовав появлению людей (Joseph 2009a, b)[30].В свете приведённой выше цитаты на самом деле вирусы кажутся более фундаментальными, чем сама жизнь; они носители информации — генетических кодов, — из которых происходит биологическая жизнь. Вирусы — это больше, чем жизнь: они сами источник жизни; они информационные предшественники и инициаторы каждой формы жизни.
Как видно из приведённого выше описания вирома[31], не будет преувеличением сказать, что это язык всей жизни на Земле. Мы буквально плаваем в огромном море геномной информации, которая была необходима для зарождения и процветания жизни на этой драгоценной планете, и которая всё ещё пытается помочь выжить всем видам. Матрица организмов, составляющих микробиом, создала виромный информационный поток, который позволил обеспечить адаптацию и биоразнообразие на планете. И тот же самый виромный информационный поток позволил появиться человеческому виду[32].Эндогенные ретровирусы участвуют во множестве фундаментальных функций, среди которых изменение и продвижение гена амилазы, экспрессия генов хозяина или содействие сплайсингу (вырезанию участков РНК):
Среди эндогенных ретроэлементов, сохранивших в некоторой мере свои функции, многие адаптировались и стали симбионтами у своих видов-хозяев. Эндогенные ретровирусы, совместно эволюционирующие со своими хозяевами, включают вклад энхансера эндогенных ретровирусов в изменение тканевой специфичности гена амилазы человека[33] от панкреатической до паротидной специфической экспрессии, способствуя специфической для слюнных желез регуляции этого гена. Промоторы эндогенных ретровирусов использовались их хозяевами в качестве промоторов для экспрессии генов хозяина или для облегчения специфических событий сплайсинга[34].Другой пример — вовлечение взаимозаменяемых элементов (последовательностей генома вирусного происхождения) в ряд жизненно важных процессов, от иммунитета до регуляции апоптоза (клеточной смерти)[35]:
© LorencФункциональная классификация белков транспозируемых элементов.
[1] Точное количество потенциально патогенных для человека вирусов составляет ровно 219 по состоянию на 2012 год. Обратите также внимание, что в среднем каждый год у человека обнаруживается от 3 до 4 потенциально патогенных вирусов. См.:
Woolhouse, Mark et al. (2012). "Human viruses: discovery and emergence." Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences vol. 367,1604 (2012): 2864-71.
[2] Tokuyama, Maria et al. (2018). "ERVmap analysis reveals genome-wide transcription of human endogenous retroviruses". PNAS, 115 (50) 12565-12572;
[3] Reiber C. et al. (2010) "Change in human social behavior in response to a common vaccine". Ann Epidemiol. 20(10):729-33.
[4] Sherman LA, Pauw P. (1976) "Infection of Synechococcus cedrorum by the cyanophage AS-1M. II. Protein and DNA synthesis". Virology.;71(1):17-27
[5] Sullivan MB et al. (2005) "Three Prochlorococcus Cyanophage Genomes: Signature Features and Ecological Interpretations" PLOS Biology 3(5): e144
[6] Ключевые белки, участвующие в сворачивании, транспортировке и сборке белков. Белки теплового шока также участвуют в апоптозе и иммунном ответе.
[7] Wan, Q. et al. (2020). "Stress proteins: the biological functions in virus infection, present and challenges for target-based antiviral drug development". Sig Transduct Target 5, 125
[8] Там же.
[9] Burke, G. R. et al. (2012). ''Polydnaviruses of Parasitic Wasps: Domestication of Viruses To Act as Gene Delivery Vectors''. Insects, 3(1), 91 - 119.
[10] K. Moelling (2020) "Viruses More Friends than Foes" Electroanalysis 32, 669.
[11] FDA Editors (2018) "anthrax" FDA
[12] Roossinck, M.J. (2015) "Beneficial viruses for crops" Molecular Plant Pathology 16: 331-333.
[13] Там же.
[14] Там же.
[15] Roossinck, M.J. (2012) "Plant virus metagenomics: biodiversity and ecology" Annu. Rev. Genet. 46, 357 - 367
[16] См. главу "Загадка видообразования".
[17] Tokuyama, Maria et al. (2018) "ERVmap analysis reveals genome-wide transcription of human endogenous retroviruses". PNAS, 115 (50) 12565-12572
[18] de Parseval N. et al. (2005) "Human endogenous retroviruses: from infectious elements to human genes". Cytogenet Genome Res. 110(1-4):318-32
[19] TR, ed. (2005) "The Evolution of the Genome" Elsevier. pp. 29 - 31
[20] Ponting, C.P. (2011) "What fraction of the human genome is functional?" Genome Research. 21 (11): 1769 - 76
[21] Ovcharenko, Ivan et al. (2004) "Evolution and Functional Classification of Vertebrate Gene Deserts" Genome Research 15 (1): 137 - 145
[22] Boller K. et al. (1993) "Evidence that HERV-K is the endogenous retrovirus sequence that codes for the human teratocarcinoma-derived retrovirus HTDV".Virology. 196(1):349-53
[23] Вирусные частицы, полученные из тератокарциномы человека.
[24] Гены вирусного происхождения.
[25] Srinivasachar Badarinarayan S., Sauter D. (2021) "Switching Sides: How Endogenous Retroviruses Protect Us from Viral Infections" J Virol. 95(12):e02299-20
[26] Там же.
[27] Tokuyama M et al. (2018) "ERVmap analysis reveals genome-wide transcription of human endogenous retroviruses". PNAS 115:12565 - 72
[28] Там же.
[29] Wikipedia contributors (2021) "Multicellular organism" Wikipedia
[30] Wickramasinghe, 2013
[31] Совокупность вирусов, связанных с определённой экосистемой.
[32] David Skripac (2021) "Our Species is Being Genetically Modified: Humanity's March Toward Extinction?" Global Research
[33] Фермент, превращающий крахмал в сахариды.
[34] Eiden M. V. (2008) "Endogenous retroviruses--aiding and abetting genomic plasticity" Cellular and molecular life sciences 65(21), 3325 - 3328
[35] Lorenc, Anna et al. (2003) "Transposable Elements and Vertebrate Protein Diversity" Genetica 118. 183-91. 10.1023
[36] Feschotte, C., Gilbert, C. (2012) "Endogenous viruses: insights into viral evolution and impact on host biology" Nat Rev Genet 13, 283 - 296
Комментарий: Читайте все опубликованные статьи в рубрике Массовые вымирания, эволюционные скачки и связь вирусов с информацией.