Как нас сотворили…

клеточных форм жизни формировались при непосредственном участии вирусов

На каких основаниях?
Сценарии,

равновероятные с другими сценариями

Сценарии, более вероятные по сравнению с другими сценариями

Сценарии, подкрепленные фактическими уликами (геномным анализом)

приходится, как правило, несколько видов вирусов, многие из которых персистируют

в популяциях (присутствуют в каком-то количестве постоянно, не обязательно вызывая болезни);
Подсчитано, что в водных экосистемах количество вирусных частиц на 1-2 порядка превышает количество бактерий.





Сама жизненная стратегия вируса предполагает тесный контакт его генома с геномом хозяина

адаптивных систем
Возникновение ДНК
Регуляция клеточного цикла
Апоптоз
Ядерность
Половое размножение
Нервная система
Скелетные структуры


Более правдоподобным всегда

считается такое объяснение, которое позволяет описать сценарий последовательного возникновения отдельных компонентов будущего комплекса, а не одновременного.

вирусы – самые многочисленные из них)
Самый удобный путь – одолеть

врага его же оружием

IV. Наличие подтвержденных случаев гомологии последовательностей полезных генетических элементов клеток (особенно в регуляторных областях) с вирусными последовательностями

порядков: 1) Caudovirales (dsDNA, бактерии, археи), 2) Herpesvirales (dsDNA, позвоночные),

3) Ligamenvirales (dsDNA, археи), 4) Mononegavirales ((-)ssRNA, позвоночные, насекомые, растения), 5) Nidovirales ((+)ssRNA, креветки, москиты, птицы, млекопитающие), 6) Picornavirales ((+)ssRNA, насекомые, растения), 7) Tymovirales ((+)ssRNA, растения)
96 семейств (из них 71 не отнесены к какому-либо порядку);
420 родов (из них 15 не отнесены к какому-либо семейству) ;
2618 видов.

обратная транскрипция;
RCR – репликация по типу катящегося кольца;
E –

инкапсулирование;
RdRp – РНК зависимая РНК полимераза; JRC – капсидный белок;
S3H – гистоноподобный белок

внутриклеточному паразитизму клеточных форм).
Гипотеза прогресса (через приобретение внутриклеточными эгоистическими генетическими

элементами дополнительных генов, необходимых для горизонтального переноса между клетками).
Гипотеза первичности вирусов (вирусы представляют собой реликты эволюционно наиболее ранних протоорганизмов, из которых в ходе эволюции возникли как клеточные формы жизни, так и вирусы, адаптировавшиеся к паразитированию на живых клетках).

Клетки размножаются делением;
Вирусы – посредством сборки.

Транспозоны
В геноме человека до 50 % ДНК имеет вирусное

происхождение, причем значительная часть ее служит в качестве регуляторных последовательностей!

Смена хозяина вирусными линиями может обеспечивать горизонтальный обмен генами

транспозонов SPIN, OC1, ET and hAT1 среди 102 организмов (полногеномное

секвенирование).

Распространение транспозонов происходило путем горизонтального переноса на протяжении последних 50 млн. лет через посредство кровососущих насекомых.

на 1-2 порядка превышают число всех клеточных организмов Земли);
Они «много

где бывают», активно рекомбинируют и могут «прихватывать» полезные гены/фрагменты наследственной информации у клеток-хозяев и у других вирусов-соседей.
Если у вируса есть какой-то дефект, он все же имеет шанс на участие в дальнейшей эволюции, благодаря «братской поддержке» от других вирусов той же клетки-хозяина. Они могут даже «воскреснуть» спустя много поколений в состоянии покоя в организме хозяина благодаря вирусу-помощнику.
Они находятся в условиях, где нужно приспосабливаться к контексту клетки-хозяина, который представляет достаточно мощно и специфично действующую селективную среду, выдерживая при этом конкуренцию с другими вирусами.
НЕОБХОДИМОСТЬ + ВОЗМОЖНОСТИ = БЫСТРАЯ ЭВОЛЮЦИЯ
В то же время вирусы по отношению к клеткам хозяевам выступают 1) как естественные генные инженеры (транспортеры генов);
2) как мощный фактор отбора на развитие систем иммунной защиты.

доменов клеточных форм жизни
Evgeny Koonin, 2006
Возможно, именно вирусы обеспечили перенос

некоторых симбионтных генов в ядерный геном

средство защиты от клеточных РНК-аз в древних (вымерших) РНК клетках.

Эти вирусы непосредственно участвовали в формировании структуры генома бактерий, архей и эукариот и, возможно, в организации ядра эукариот.

Аргумент: ферменты репликации у ДНК фагов негомологичны бактериальным, но гомологичны эукариотическим; у вирусов имеется собственная тимидин-синтетаза, а у некоторых ДНК содержит дУ вместо дТ.
Хромосомы эукариот линейные с теломерами – как у ДНК-содержащих фагов и вирусов.

Jean-Michel Claverie, 2006

3 домена клеточных форм жизни = 3 независимых события заражения РНК-клеток разными ДНК-вирусами

Large DNA Viruses)
11468 белок-кодирующих генов
1445 ортологичных групп (ОГ) генов
177 ОГ

– в >1 семействах
5 ОГ во всех видах:
Основной капсидный белок
ДНК-полимераза
Праймаза-хеликаза
Пакующая АТФаза
Транскрипционный фактор

Polydnaviridae –
мутуалисты паразитических ос

Промоторы, работающие в бактериях, в водорослях и в клетках высших растений;
Вводят ДНК в клетки подобно фагам;
Содержат гены репарации и фотосистем, поддерживая функциональность клеток-хозяев.

Evgeny Koonin, 2009

+Polydnaviridae, +Megaviridae, +Pandoraviridae

Гомология с клеточными генами для базовых 47 генов

прочтению полных геномов 29 видов плацентарных млекопитающих. Выявлено 280 000 консервативных регуляторных

участков, происходящих из фрагментов «одомашненных» мобильных генетических элементов (2011).
Около 16 % уникальных консервативных регуляторных участков плацентарных млекопитающих происходят от МГЭ (2007).
У человека новый регуляторный элемент, регулирующий работу гена  PRODH (в головном мозге) относительно недавно возник из эндоретровируса (2013).

Американские генетики обнаружили, что ключевые гены-регуляторы  (транскрипционные факторы FHY3 и FAR1), обеспечивающие адекватную реакцию растений на изменения освещенности, были заимствованы предками цветковых растений у мобильных генетических элементов — транспозонов (2007), являясь гомологами фермента транспозазы.

Одомашненные гены вирусов у животных:
Ферменты теломеразы, служащие для восстановления концевых участков хромосом, возможно, ведут свое происхождение от обратных транскриптаз, кодируемых ретровирусами и ретротранспозонами.
2) Белки RAG, играющие ключевую роль в системе адаптивного иммунитета, по-видимому, происходят от прирученных транспозаз – ферментов, кодируемых транспозонами.
3) Гены Peg10 (гомолог генов gag, pol), Syncitin, ENVV1 и ENVV2 (гомологи гена env) необходимые для развития плаценты был позаимствован древними млекопитающими у ретротровируса.
4) У многих животных присутствует РНК-зависимая РНК-полимераза RdRP, гомологичная полимеразе РНК-вирусов, которая обеспечивает наработку коротких интерферирующих дцРНК.

около 28 % генома)
Количество белок-кодирующих генов, содержащих Alu повтор

Новые инсерции

обнаруживаются у 1 из 20-200 новорожденных, а в клетках мозга частота транспозиций еще в 25 раз выше.

Alu повторы часто образуют:
сайты связывания транскрипционных факторов, меняя экспрессионную активность генов,
альтернативные сайты сплайсинга,
сайты РНК редактирования,
горячие точки мутации и рекомбинации.

копий) обеспечивает встраивание новых последовательностей в геном, опосредованное обратной транскрипцией.

В условиях эксперимента инсерция гена GFP в геном стволовых нейрогенных клеток при участии таких элементов происходила с частотой 1:10000.

распознавания клеток мишеней по поверхностным маркерам. (Лиганд-рецепторное взаимодействие, лежащее в

основе передачи сигналов и межклеточной коммуникации).
Систему для сайт-специфического мутагенеза генов поверхностных белков, распознающих клетки-мишени – аналогичную системе реаранжировки и гипермутации для синтеза T-клеточных рецепторов и антител у позвоночных.
Порообразующие белки, позволяющие вводить свою ДНК в клетки через мембрану – они могли предшествовать эволюции ядерного порового комплекса у эукариот.

(токсин+антитоксин) – они же работают как механизмы репродуктивной изоляции у

бактерий. Стабильное поддержание генома вируса в бактериях при утрате литической фазы превращает их в плазмиды. (Система апоптоза у про- и эукариот)
Систему для предотвращения конкуренции со стороны новых вирусов – системы рестрикции-модификации – сродни системе иммунитета в смысле способности отличать «свое» от «чужого». (У прокариот – основа противовирусной защиты. У эукариот метилирование ДНК лежит в основе регуляции экспрессии генов).
Систему для встраивания в геном клетки хозяина (лизогенизация): 1) гены, обеспечивающие гомологичную рекомбинацию (в клетках эукариот – основа кроссинговера + репарация) . 2) обратную транскрипцию. (Достраивание теломер у эукариот).
Систему для переноса своего генома от клетки к клетке через конъюгацию. Способность к конъюгации определяется наличием плазмиды F (фертильности), которая кодирует белки конъюгативных пилей (имеется гомология), и регуляторы процесса конъюгации, репликации и переноса.
Специфические сайты начала репликации, обеспечивающие избирательное копирование вирусных геномов и распознающие их белки. Специфические сайты начала репликации Ori и гены-регуляторы присутствуют в геномах клеточных организмов и необходимы для контроля репликации (но не обязательны для самой репликации).
Некоторые вирусы приспособились паразитировать на других вирусах, встраиваясь внутрь их генов и используя их как транспортное средство. Так могли произойти интроны эукариот.

вирусов, эволюционно приспосабливавшихся к персистированию в клетках хозяевах. Конъюгация могла

возникнуть как средство переноса вируса от клетки к клетке. Белок пилей кодируется геном плазмиды F и имеет гомологию с некоторыми капсидными белками фагов.

две основных жизненно важных функции:
Возможность «закрепиться» в клетке-хозяине, встроившись в

ее геном;
Возможность репарировать дефекты путем рекомбинации между вирусными геномами, попавшими в одну клетку (при коинфекции или суперинфекции);
+ Дополнительные возможности для быстрой эволюции.

Multiplicity reactivation

В результате процесса интеграции вирусные (или плазмидные) гены оказываются включены в состав хромосом клетки-хозяина. При выщеплении и формировании новых вирусов могут «прихватываться» хозяйские гены.

происхождения следующих клеточных систем:
Системы основанные на распознавании «свой/чужой»: иммунные реакции,

репродуктивные барьеры;
Системы апоптотических/антиапоптотических белков;
Все типы передачи сигналов через лиганд-рецепторные взаимодействия: на межклеточном и внутриклеточном уровне. (Многие мембранные клеточные белки-рецепторы родственны вирусным белкам)
Взаимная координация поведения клеток посредством биохимических сигналов лежит в самой основе функционирования многоклеточного организма, в частности – мозга!

способствует распространению вируса, а синапсы могли исходно формироваться как структуры,

обеспечивающие передачу вируса от клетки к клетке.





Веретеновидный нейрон гидры Типичный нейрон высокоразвитых животных

Формирование покровных и скелетных образований многоклеточных
Уплотнение наружных покровов (роговой, хитиновый покров) как непосредственная защита от проникновения инфекции;

Образование скелетных компонентов внутри мягких тканей изначально могло быть просто следствием иммунной реакции, направленной на изоляцию пораженных вирусом тканей от здоровых (в частности, вокруг нервного ствола).

Теория генетической ассимиляции Уоддингтона:
Реакции на внешние стимулы могут заменяться внутренне (генетически) обусловленными онтогенетическими процессами, если эти реакции приобрели самостоятельную селективную ценность.

горизонтальный перенос генов;
Селекционеры в отношении генов, обеспечивающих функционирование иммунной системы;

Стимуляторы эволюционных новшеств, опосредованно связанных с иммунной системой (регуляторы транскрипции, трансляции, ингибиторы ферментов, эндонуклеазы, система РНК-интерференции, системы рекомбинации и стресс-индуцируемого мутагенеза и т.д.).
Экологическая роль
Пищевой ресурс для самых маленьких (в водных экосистемах) – они сами и убитые ими бактерии и одноклеточные;
Ограничители размножения популяций хозяев;
Помощники в борьбе хозяина с паразитами (фаги против болезнетворных бактерий, или менее агрессивные вирусы против более агрессивных).

У взрослой осы во встроенном и неактивном состоянии. Вирус активируется

и нарабатывается после откладки яиц в гусеницу. При этом гусеница активнее питается, подавляется ее метаморфоз и иммунная система.

I., Mencía, M., Salas, M. “Functional eukaryotic nuclear localization signals are

widespread in terminal proteins of bacteriophages”. PNAS. November 6, 2012 vol. 109 no. 45 18482-18487

Clément Gilbert, Sarah Schaack, John K. Pace II, Paul J. Brindley, Cédric Feschotte. A role for host-parasite interactions in the horizontal transfer of transposons across phyla. Nature, 2010; 464 (7293):