Záhada původu virů

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Viry jsou sotva živé. Jejich původ a evoluce jsou však ještě méně pochopeny než vznik „normálních“buněčných organismů. Stále není známo, kdo se objevil dříve, první buňky nebo první viry. Možná vždy provázely život jako katastrofální stín.

Problém je v tom, že viry nejsou nic jiného než fragmenty genomu (DNA nebo RNA) uzavřené v proteinovém obalu. Ve fosilních záznamech nezanechávají žádné stopy a ke studiu jejich minulosti zbývá pouze moderní viry a jejich genomy.

Porovnáváním, hledáním podobností a rozdílů biologové objevují evoluční vazby mezi různými viry, určují jejich nejstarší rysy. Viry jsou bohužel neobvykle variabilní a rozmanité. Stačí připomenout, že jejich genomy mohou být reprezentovány řetězci nejen DNA (jako u nás a např. herpes viry), ale i příbuzné molekuly RNA (jako u koronavirů).

Molekula DNA/RNA ve virech může být jednoduchá nebo segmentovaná na části, lineární (adenoviry) nebo cirkulární (polyomaviry), jednovláknová (anelloviry) nebo dvouvláknová (bakuloviry).

Vizuální věda Virus chřipky A / H1N1

Neméně rozmanité jsou struktury virových částic, zvláštnosti jejich životního cyklu a další charakteristiky, které by se daly využít pro běžné srovnání. Více o tom, jak vědci tyto obtíže obcházejí, si můžete přečíst na samém konci tohoto příspěvku. Prozatím si připomeňme, co mají všechny viry společného: všechny jsou parazity. Není znám jediný virus, který by dokázal sám provádět metabolismus, bez použití biochemických mechanismů hostitelské buňky.

Žádný virus neobsahuje ribozomy, které by dokázaly syntetizovat proteiny, a nikdo nenese systémy umožňující produkci energie ve formě molekul ATP. To vše z nich dělá obligátní, tedy bezpodmínečné intracelulární parazity: nejsou schopni existovat sami o sobě.

Není divu, že podle jedné z prvních a nejznámějších hypotéz se nejprve objevily buňky a teprve poté se na této půdě vyvinul celý rozmanitý virový svět.

Regresivně. Od složitých po jednoduché

Podívejme se na rickettsie – také intracelulární parazity, byť bakterie. Některé části jejich genomu jsou navíc blízké DNA, která je obsažena v mitochondriích eukaryotických buněk, včetně lidí. Oba měli zjevně společného předka, ale zakladatel „mitochondriální linie“, infikující buňku, ji nezabil, ale náhodou zůstal zachován v cytoplazmě.

V důsledku toho potomci této bakterie ztratili množství nepotřebnějších genů a degradovali na buněčné organely, které dodávají hostitelům molekuly ATP výměnou za vše ostatní. „Regresivní“hypotéza původu virů se domnívá, že k takové degradaci mohlo dojít u jejich předků: kdysi zcela plnohodnotné a nezávislé buněčné organismy za miliardy let parazitického života prostě ztratily vše nadbytečné.

Tato stará myšlenka byla oživena nedávným objevem obřích virů, jako jsou pandoraviry nebo mimiviry. Jsou nejen velmi velké (průměr částic mimiviru dosahuje 750 nm - pro srovnání, velikost chřipkového viru je 80 nm), ale také nesou extrémně dlouhý genom (1,2 milionu nukleotidových vazeb v mimiviru oproti několika stovkám běžné viry), kódující mnoho stovek proteinů.

Mezi nimi jsou i proteiny nezbytné pro kopírování a „opravu“(opravu) DNA, pro tvorbu messenger RNA a proteinů.

Tito parazité jsou mnohem méně závislí na svých hostitelích a jejich původ od volně žijících předků vypadá mnohem přesvědčivěji. Mnoho odborníků se však domnívá, že to neřeší hlavní problém – všechny „doplňkové“geny by se z obřích virů mohly objevit později, vypůjčené od majitelů.

Ostatně je těžké si představit parazitickou degradaci, která by mohla zajít tak daleko a ovlivnit i podobu nositele genetického kódu a vést ke vzniku RNA virů. Není divu, že stejně respektována je i další hypotéza o původu virů – zcela opačná.

Progresivní. Od jednoduchých po složité

Podívejme se na retroviry, jejichž genom je jednovláknová molekula RNA (například HIV). Jakmile jsou takové viry v hostitelské buňce, používají speciální enzym, reverzní transkriptázu, převádějí ji na běžnou dvojitou DNA, která pak proniká do "svatyně" buňky - do jádra.

Zde vstupuje do hry další virový protein, integráza, která vkládá virové geny do hostitelovy DNA. Poté s nimi začnou pracovat vlastní enzymy buňky: produkují novou RNA, na jejich základě syntetizují proteiny atd.

Vizuální věda Virus lidské imunodeficience (HIV)

Tento mechanismus připomíná reprodukci mobilních genetických elementů – fragmentů DNA, které nenesou informace, které potřebujeme, ale jsou uloženy a akumulovány v našem genomu. Některé z nich, retrotranspozony, se v něm dokonce dokážou množit a šířit novými kopiemi (více než 40 procent lidské DNA se skládá z takovýchto „junk“prvků).

K tomu mohou obsahovat fragmenty kódující oba klíčové enzymy – reverzní transkriptázu a integrázu. Ve skutečnosti se jedná o téměř hotové retroviry, které nemají pouze proteinový obal. Jeho pořízení je ale otázkou času.

Mobilní genetické prvky, které se sem tam zabudují do genomu, jsou docela schopné zachytit nové geny hostitele. Některé z nich mohou být vhodné pro tvorbu kapsid. Mnoho proteinů má tendenci se samosestavovat do složitějších struktur. Například protein ARC, který hraje důležitou roli ve fungování neuronů, se samovolně skládá ve volné formě do částic podobných viru, které mohou uvnitř dokonce nést RNA. Předpokládá se, že k inkorporaci takových proteinů by mohlo dojít asi 20krát, což dalo vzniknout velkým moderním skupinám virů, které se liší strukturou svého obalu.

Paralelní. Stín života

Nejmladší a nejslibnější hypotéza však vše opět obrátí naruby a předpokládá, že se viry objevily nejpozději s prvními buňkami. Kdysi dávno, když život ještě nedošel tak daleko, probíhala protoevoluce samoreplikujících molekul, schopných kopírovat samy sebe, v „prapolévce“.

Postupně se takové systémy stávaly složitějšími a přetvářely se ve větší a větší molekulární komplexy. A jakmile některé z nich získaly schopnost syntetizovat membránu a staly se protobuňkami, jiné - předchůdci virů - se stali jejich parazity.

Stalo se to na úsvitu života, dlouho před oddělením bakterií, archeí a eukaryot. Proto jejich (a velmi odlišné) viry infikují zástupce všech tří domén živého světa a mezi viry může být tolik virů obsahujících RNA: jsou to RNA, které jsou považovány za „rodové“molekuly, sebereplikace a evoluce které vedly ke vzniku života.

Prvními viry mohly být takové „agresivní“molekuly RNA, které až později získaly geny kódující proteinové obaly. Bylo totiž prokázáno, že některé typy schránek se mohly objevit ještě před posledním společným předkem všech živých organismů (LUCA).

Evoluce virů je však oblast ještě nepřehlednější než evoluce celého světa buněčných organismů. Je velmi pravděpodobné, že svým způsobem jsou všechny tři pohledy na jejich původ pravdivé. Tito intracelulární parazité jsou tak jednoduchí a zároveň různorodí, že by se mohly nezávisle na sobě objevit různé skupiny v průběhu zásadně odlišných procesů.

Například stejné obří viry obsahující DNA by mohly vzniknout v důsledku degradace buněk předků a některých retrovirů obsahujících RNA - po "získání nezávislosti" mobilními genetickými prvky. Je ale možné, že za vznik této věčné hrozby vděčíme zcela jinému mechanismu, dosud neobjevenému a neznámému.

Genomy a geny. Jak se studuje evoluce virů

Bohužel viry jsou neuvěřitelně nestálé. Chybí jim systémy pro opravu poškození DNA a jakákoliv mutace zůstává v genomu, podléhající další selekci. Kromě toho různé viry, které infikují stejnou buňku, si snadno vyměňují fragmenty DNA (nebo RNA), čímž vznikají nové rekombinantní formy.

A konečně, generační výměna nastává neobvykle rychle – například HIV má životní cyklus pouhých 52 hodin a zdaleka není nejkratší. Všechny tyto faktory zajišťují rychlou variabilitu virů, což značně komplikuje přímou analýzu jejich genomů.

Zároveň viry v buňce často nespustí svůj obvyklý parazitní program – některé jsou navrženy tak, jiné kvůli náhodnému selhání. Zároveň se jejich DNA (neboli RNA, dříve přeměněná na DNA) může integrovat do chromozomů hostitele a schovat se zde, přičemž se ztrácí mezi mnoha geny samotné buňky. Někdy je virový genom reaktivován a někdy zůstává v takové latentní formě a předává se z generace na generaci.

Předpokládá se, že tyto endogenní retroviry tvoří až 5-8 procent našeho vlastního genomu. Jejich variabilita už není tak velká – buněčná DNA se tak rychle nemění a životní cyklus mnohobuněčných organismů dosahuje desítek let, nikoli hodin. Proto jsou fragmenty, které jsou uloženy v jejich buňkách, cenným zdrojem informací o minulosti virů.

Samostatnou a ještě mladší oblastí je proteomika virů – studium jejich proteinů. Koneckonců, jakýkoli gen je jen kód pro určitou molekulu proteinu potřebnou k provádění určitých funkcí. Některé „sedí“jako kousky Lega, skládají virový obal, jiné mohou vázat a stabilizovat virovou RNA a další lze použít k napadení proteinů infikované buňky.

Aktivní místa takových proteinů jsou zodpovědná za tyto funkce a jejich struktura může být velmi konzervativní. Během evoluce si zachovává velkou stabilitu. I jednotlivé části genů se mohou měnit, ale tvar proteinového místa, rozložení elektrických nábojů v něm - vše, co je kritické pro výkon požadované funkce - zůstává téměř stejné. Jejich srovnáním lze nalézt nejvzdálenější evoluční souvislosti.