Происхождение и эволюция вирусов

§ 1. Гипотезы происхождения вирусов как формы жизни.

Известно 4 гипотезы происхождения вирусов: ретроградно-эволюционная, цитогенезная, цитогенезно-эволюционная и молекулярно-эволюционная.

Ретроградно-эволюционная гипотеза состоит в предположении того, что вирусы являются результатом обратного развития бактерий или других одноклеточных организмов. Наряду с риккетсиями и хламидиями, одной из возможных исходных форм, эволюционировавших в вирусы, могли быть древние микоплазмы – внутриклеточно паразитирующие бактерии, не содержащие в клеточной оболочке пептидогликана. Ретроградная эволюция к вирусам могла состоять в переходе микоплазм от мембранного паразитизма (на поверхности клеток хозяина) через метаболический паразитизм (субстратный и энергетический) к генетическому паразитизму.

Цитогенезная гипотеза предполагает, что вирусы произошли от генетических элементов клеток, ставших автономными. ДНК-вирусы могли возникнуть из ядерной или митохондриальной ДНК эукариот, либо же из ДНК нуклеоида бактерий. Таким способом могли произойти плазмиды – одна из форм неканонических вирусов с выраженной симбиотической ориентацией. РНК-вирусы могли возникнуть как из ядерной, цитоплазматической РНК эукариот, так и из РНК цитоплазмы бактерий. Подобным образом могли сформироваться фитопатогенные неканонические вирусы – вироиды.

Цитогенезно-эволюционная гипотеза включает в себя основные положения цитогенезной гипотезы и дополняет последнюю эволюционной идеей, позволяющей объяснить многообразие генетического материала известных науке вирусов. Согласно этой гипотезе, вирусы, вероятно, являются производными разных генетических структур клеток, что может объяснить их полифилетическое происхождение, то есть отсутствие единого общего предка. Вирусы возникли и эволюционировали вместе с возникновением и эволюцией клеточных форм жизни. На протяжении миллионов лет биологической эволюции вирусы проделали настолько разнообразные пути развития, что отдельные их группы по типу генома и по морфологии не имеют преемственной связи между собой.

Молекулярно-эволюционная гипотеза предполагает, что развитие вирусов началось с древнейших молекулярных доклеточных форм жизни – протобионтов, предшествующих появлению клеточных форм. В течение миллионов лет доклеточные самовоспроизводящиеся биомолекулы вначале эволюционировали в сапрофитные вирусы, а их переход к паразитизму произошёл после появления клеточных организмов.

Предками современных вирусов были элементарные молекулы РНК и ДНК, которые прошли длительную и неодинаковую эволюцию. Более ранними, по-видимому, являются РНК-вирусы, что объясняет их современное разнообразие и многочисленность по сравнению с ДНК-вирусами.

Наиболее древними молекулярными формами жизни были, по-видимому, маленькие цепочки РНК, способные к саморепликации. Их эволюция дала разнообразные формы организации наследственного материала: линейные, циркулярные однониточные, двухниточные, непрерывные и сегментированные РНК, что и наблюдается у современных вирусов. Вначале эволюция РНК-репликонов шла в направлении увеличения генетической емкости путем удлинения цепи РНК. Однако возможность увеличения емкости генома рибовирусов лимитируется величиной порядка 2_*10⁶ Дальтон для односпиральных и величиной порядка 10_*10⁶ Дальтон для двухспиральных РНК. Это ограничение обусловлено относительно низкой физической и химической стабильностью молекулы РНК, вызванной непрочностью фосфодиэфирной связи на основе рибозы и свободным состоянием значительной части аминогрупп азотистых оснований.

В связи с этим эволюция однониточных РНК-репликонов пошла по пути структурной эволюции – появление в геноме нескольких молекул одно- или двухниточных РНК. Результатами этого процесса являются фрагментарное строение и относительно большая кодирующая способность генома ортомиксо-, орби-, ретро- и буньявирусов. Фрагментарный геном РНК-вирусов относится к величайшим эволюционным достижениям и представляет собой вершину развития РНК-содержащих генетических структур. Преимущество фрагментарного генома заключается в том, что в нескольких дискретных молекулах РНК, каждая из которых не достигает критического размера, содержится такой объем наследственной информации, сохранение которого не может обеспечить 1 молекула РНК. Кроме того, наличие дискретных молекул создает предпосылки для осуществления рекомбинаций, что служит мощным источником наследственной изменчивости, увеличивающим генетическую пластичность.

Исходной генетической формой ДНК-вирусов были короткие однониточные ДНК, способные к саморепликации. Такой тип организации имеют ретровирусы. Нестабильность однониточных ДНК и их малая генетическая емкость заставила эволюционировать ДНК-репликоны в направлении образования двухниточных ДНК.

По сравнению с РНК и однониточной ДНК, двухниточные ДНК являются более совершенным генетическим материалом. Двойная запись генетического кода надежно обеспечивает глубокий консерватизм наследственности и создает предпосылки для сохранения основных видовых свойств. Кроме того, ДНК-цепи обладают высокой прочностью и образуют крупные молекулы, вмещающие больше генетической информации, чем РНК-цепочки. Поэтому именно ДНК отвечает потребностям прогрессивной эволюции, ведущей к усложнению структуры и функции биологических систем. Если в качестве критерия эволюционного развития рассматривать кодирующую способность генома, то, очевидно, что ДНК-геномные вирусы продвинулись по эволюционной лестнице значительно дальше, чем РНК-геномные. Так, количество генов у современных РНК- вирусов колеблется от 5 (пикорнавирусы) до 15 (реовирусы), а у ДНК-геномных – от 3 (парво-, полиомавирусы) до 200 (герпесвирусы).

В процессе эволюции генетический материал подвергался функциональной эволюции (структурные, функциональные гены).

В плане структурной организации эволюция вирусов шла от безоболочечных ДНК- и РНК-репликонов к оболочечным, а среди последних – от простых вирионов (однооболочечных) к сложным (многооболочечным). Простейшими безоболочечными репликонами в настоящее время являются вироиды, плазмиды, и неспособные к саморепликации ретротранспозоны. Простейшими однооболочечными (капсидными) вирусами являются ниточные бактериофаги, пикорнавирусы. Появление суперкапсида у сложных вирусов представляет собой вершину эволюции вирусных оболочек. Эволюция вирусных капсидов шла в направлении от капсидов с элементарным спиральным типом симметрии к капсидам с икосаэдрическим типом симметрии.

Предки современных вирусов появились около 3,6-3,5 миллиардов лет тому назад, после остывания поверхности Земли настолько, что водяной пар первобытной атмосферы планеты конденсировался, а температура образовавшихся океанов опустилась ниже 60˚С. Растворенные в воде соли, кислоты, щелочи, химические элементы, а также газы атмосферы – метан, аммиак, сероводород, оксид углерода и другие привели к образованию простейших органических соединений, вначале мономолекулярных, а затем полимерных. К числу последних относятся белки, РНК и ДНК, то есть основные структурные компоненты современных вирусов.

Самореплицирующиеся органические полимеры явились элементарными доклеточными формами жизни, поскольку основным свойством всего живого является воспроизведение себе подобных. Саморепликация РНК и ДНК не требовала затрат энергии, а обилие «строительного материала» в первобытном океане, представляющем собой смесь из органических молекул, не требовали от предков вирусов развития метаболических систем (дыхания, питания, размножения). Именно эти системы отсутствуют у современных вирусов.

Ровесниками вирусов более 3,5 миллиардов лет тому назад были также простейшие формы жизни, явившиеся прототипами органелл одноклеточных животных и растений – митохондрий, лизосом, рибосом, пластинчатых комплексов. Борьба за пластический материал для их самовоспроизведения привела к образованию протогенотов – клеток-прародительниц прокариотов и эукариотов. Протогеноты представляли собой колонию простейших органелл, заключенных в одну общую оболочку, вследствие чего их совместное существование было взаимовыгодным. В состав протогенотов входили также репликоны – ДНК и РНК. Уже на этом этапе формирования протогенотов имело место паразитирование простейших форм вирусов на пластическом материале этих несовершенных организмов. Отголоски такого паразитизма дошли до нашего времени в виде транспозонов и ретротранспозонов. Эволюция паразитирования последних на РНК и ДНК протогенотов привела к обязательному включению ретротранспозонов и транспозонов в состав современного клеточного генома в виде его регуляторных структур. Другим примером взаимодействия архевирусов с протогенотами является паразитизм ДНК-вирусов, приведший в процессе эволюции к формированию у бактерий плазмид. Вероятно, что вироиды растений также являются результатом паразитизма РНК архевирусов с сине-зелеными водорослями, а затем и высшими растениями.

Именно на этом этапе возникновения протогенот, обладающих способностью лизосомального пищеварения, архевирусы начинают эволюционировать от безоболочечных форм к оболочечным. Дополнительная оболочка защищала геномы архевирусов от разрушения как вне протогенотов, так и внутри них. На этом этапе взаимодействия формируются и совершенствуются механизмы прикрепления оболочечных архевирусов к поверхности протогенот, проникновения через их мембраны, раздевания с участием или без такового протогенотных лизосом.

Около 3,5 миллиардов лет тому назад из протогенот возникли фотосинтезирующие бактерии и сине-зеленые водоросли. Атмосфера Земли стала меняться, в ней накапливался молекулярный кислород, который был ядовит для протогенотов, что и вызвало их отмирание. В этот период эволюционируют факультативно анаэробные и аэробные микроорганизмы – бактерии, водоросли. Вирусы, не имеющие своих метаболических систем, сохранились и в кислородных условиях, продолжая адаптироваться к новым представителям клеточных форм жизни. Из числа современных РНК-вирусов, паразитирующих на бактериях, известны семейства Levi-, Cysto-, Microviridae, из ДНК-вирусов – семейства Myo-, Sipho-, Podo-, Tecti-, Cortico-, Ino-, Plasma-, Lipothrix-, Rudi-, Fuselloviridae. К современным ДНК-вирусам, паразитирующим на водорослях, относится семейство Phicodnaviridae.

В периоде от 2,5 до 1 миллиарда лет тому назад появились эукариотические организмы растительного и животного происхождения. Наличие дополнительного препятствия для вирусов в виде ядерной мембраны способствовало эволюции стратегии и тактики вирусной репродукции. На этом этапе значительно эволюционировали ДНК-содержащие «ядерные» вирусы, а также РНК-содержащие ретровирусы. Многие из них приобрели способность образовывать суперкапсиды из гликолипидов клеточных мембран животных клеток, а также интегрировать свой геном в ДНК клетки-хозяина.

Около 1,2 миллиарда лет тому назад среди многоклеточных эукариотов возникло половое размножение. Это явилось стимулом для дальнейшей эволюции вирусов в плане сохранения себя как вида при половом способе размножения растительных и животных организмов. Наибольшего прогресса в этом достигли современные онкогенные ретровирусы, научившиеся превращать свою геномную РНК в ДНК и встраивать последнюю в ДНК половых клеток животных. Такой способ размножения обеспечивал присутствие вирусов в каждой клетке макроорганизма и возможность передаваться из поколения в поколение живых существ.

Каким бы ни был эволюционный путь вирусов, его результат оказался весьма впечатляющим: появились удивительно совершенные, чрезвычайно рационально устроенные суперпаразиты, которые «разбойничают» на внутриклеточном, генетическом уровне.

§ 2. Происхождение новых вирусов.

Новые вирусы появляются постоянно. Однако большая их часть не является действительно новыми вирусами, а только впервые выявленными. В случае ассоциации с новой болезнью появление новых вирусов можно объяснить одним из 4 механизмов: 1) изменением экологии местности, когда люди вынуждены контактировать с переносчиками или временными хозяевами вирусов; 2) попаданием неиммунных лиц в район, где местное население иммунизировано в детском возрасте; 3) изменениями в вирусе, связанными с обменом генами с вирусами растений, насекомых или диких животных; и 4) появлением новых стабильных мутантов предсуществующих вирусов.

К новым болезням, которые появились в связи с изменением экологии, относится, например, Крымская-Конго геморрагическая лихорадка. Заболевание было описано в 1943 г., когда после распашки в Крыму новых земель произошел массовый выплод переносчика вирусов Крымской-Конго геморрагической лихорадки – клеща Hyalloma. Контакт людей с переносчиком привел к массовым заболеваниям этой новой вирусной болезнью.

Попадание неиммунных взрослых людей в эндемическую зону неизбежно ведет к появлению новых болезней. Так, вторжение европейцев в страны Экваториальной Африки и Центральной Америки сопровождалось вспышками желтой лихорадки. Вступление американских войск в Сицилию во время второй мировой войны привело к развитию вирусной москитной лихорадки в эпидемических масштабах. Это новая для американских врачей болезнь была хорошо известна в Европе.

В течение десятилетий не был ясен источник новых серотипов вируса гриппа. В настоящее время известно, что формирование новых серотипов вируса гриппа А происходит в результате антигенного шифта между вирусами гриппа человека и вирусами гриппа животных.

К новым стабильным мутантам предсуществующих вирусов следует отнести вирусы Марбург, вирус Росио, вирус Оньонг-Ньонг и вирус иммунодефицита человека. Вирус Росио вызвал вспышку энцефалита в Бразилии в 1975-1976 гг. Вирус появился внезапно и так же внезапно исчез. Вирус Марбург был причиной заболеваний геморрагической лихорадкой в Марбурге (ФРГ, 1967 г.) в группе работников, готовящих вакцину против полиомиелита на почках африканских зеленых мартышек. Обезьяны происходили из Уганды, и вирус также мог быть занесен оттуда. Экология этого вируса остается загадкой. Вирус Оньонг-Ньонг в 1959 г. вызвал в Восточной Африке внезапно начинающуюся острую болезнь суставов, которая сопровождалась лихорадкой, а три года спустя снова исчез. Вирус иммунодефицита человека произошел от вируса иммунодефицита обезьян и распространился в популяции людей в результате инфицирования кровью больных животных.