Nature Microbiology: обмен генами между вирусами и хозяевами подстегнул эволюцию

Вирусы приобретают гены у эукариот — организмов, клетки которых хранят свою ДНК в ядре, — и используют их для своих собственных функций. И наоборот, эукариоты приобретают гены от вирусов, чтобы привнести новые функции в свои клетки — даже противовирусную защиту у млекопитающих. Обмен генами между вирусами и эукариотами является ключевым эволюционным фактором, вызывающим клеточные инновации и долгосрочные изменения в организмах.

Особенности эукариот

При классификации всех живых организмов ученые используют таксономию — систему наименований — для объединения сходных организмов. Самые крупные группировки называются доменами. Например, люди, все животные, растения, грибы и многоклеточные организмы являются доменами, называемыми эукариотами. У всех эукариотических клеток есть одна важная общая черта: они размещают свою ДНК в ядре. Ядро клетки расположено в центре и связано с мембраной. Прокариоты включают бактерии и археи, одноклеточные организмы, ДНК которых неплотно упакована и окружена клеточной мембраной.

Вирусы еще проще. Они состоят только из ДНК или РНК и имеют только одну защитную белковую оболочку, называемую капсидом, окружающую их. 

Какое отношение эти различные организмы имеют друг к другу и эволюции? 

Совсем немного, считает биолог-эволюционист Оксфордского университета (Oxford University) и автор нового исследования Николас Ирвин (Nicholas Irwin).

Вирусы и эукариоты зависят друг от друга. Первые используют свои гены, полученные от хозяина, для репликации и клеточного контроля, зачастую кодируя информационные и операционные гены клеточного происхождения, позволяя вирусам адаптироваться и выживать. Эукариоты могут включать вирусную ДНК в свои геномы. Эта новая ДНК, ранее считавшаяся неактивной, теперь, как было обнаружено, обеспечивает новую функциональность их хозяевам-эукариотам.

Соавторы исследования из Университета Британской Колумбии (University of British Columbia) в Ванкувере, Канада, и Оксфордского университета (University of Oxford), Соединенное Королевство, сотрудничали с доктором Ирвином, чтобы раскрыть новаторские открытия в области перемещения генов между вирусами и эукариотами, называемые горизонтальным переносом генов.

Материалы и методы исследования

В научном журнале Nature Microbiology доктор Ирвин с соавторами исследования объяснили, как они использовали сложные вычислительные анализы для поиска доказательств наличия идентичных генов, присутствующих в вирусах и эукариотах. Изучив 201 эукариот и 108 842 вируса, команда выявила четкие тенденции в передаче генов между вирусами и эукариотами.

Используя компьютерный анализ эволюционного развития и диверсификации видов, называемый филогенетикой, исследователи смогли определить, как двунаправленный перенос генов вирусов и эукариот привел к диверсификации видов.

Ирвин объяснил: «Исследователи использовали вычислительный анализ для поиска доказательств перенесенных генов в геномах около 200 эукариот и тысяч вирусов, которые охватывали разнообразие эукариотических и вирусных видов, чьи геномы были отобраны. Мы были заинтересованы не только в идентификации вирусных генов в геномах эукариот, но и в обнаружении присутствия генов эукариот в вирусных геномах».

Доктор Ирвин рассказал, как они смогли прийти к таким радикальным выводам о генетической связи между эукариотами и вирусами: «Одним из важных факторов, позволивших нам провести этот анализ, было огромное количество геномных данных, которые теперь стали доступны от эукариот, вирусов и прокариот (включая бактерии и археи). Эти новые ресурсы стали результатом масштабных усилий по секвенированию ДНК, направленных на понимание разнообразия геномов на древе жизни. В дополнение к этому, недавние технологические достижения в области высокопроизводительного секвенирования ДНК и метагеномики, которые представляют собой секвенирование и сборку геномов из смешанных сообществ организмов, таких как образцы морской воды, ускорили скорость, с которой эти данные стали доступными. Наличие большого разнообразия высококачественных геномных наборов данных имело решающее значение, поскольку это позволило нам определить, какие виды участвовали в этих переносах генов», — добавил доктор Ирвин.

Вирусный дарвинизм?

Ученые пришли к выводу, что и вирусы, и эукариоты «захватывают» ДНК друг друга, и обнаружили, что эукариотические гены передаются вирусам примерно в два раза чаще, чем вирусные гены, передаваемые эукариотам. Доктор Ирвин объяснил, что может быть несколько причин, по которым вирусы были главными победителями в конкурсе генов. Доктор отметил, что гены могут часто передаваться от вируса к эукариоте, но они могут не сохраняться из-за естественного отбора. Но вирусы могут сохранять те гены, которые они приобретают у своих хозяев, поскольку они полезны для вируса. И для того, чтобы ген сохранялся, организм должен выживать и размножаться — черта, в которой вирусы очень искусны.

Затем исследователи применили все свои знания о генетике этих многочисленных эукариот и вирусов и сравнили их с хорошо зарекомендовавшим себя эволюционным древом. Таким образом, они могли бы приблизить время событий переноса генов относительно того, когда виды расходились или видоизменялись, что относится к превращению в новый тип видов. 

Ирвин говорит: «Если бы мы наблюдали вирусный ген в геноме человека, мы бы предсказали, что этот ген был приобретен после того, как люди произошли от других приматов. Напротив, если бы вирусный ген присутствовал у всех животных, скажем, от губок до шимпанзе, мы бы сделали вывод, что этот ген был получен у последнего общего предка животных. Конечно, существуют различные способы интерпретировать эти закономерности, но мы основываем наши интерпретации на предположении, что получение гена путем переноса гена сложнее и маловероятно, чем потеря перенесенного гена».

Доктор Ирвин описал три отдельных случая в эволюции, в которых присутствуют вирусные гены и иллюстрируют эволюцию под влиянием вирусов: Гены животных участвуют в производстве гиалуроновой кислоты, важного компонента тканей животных.

Паразиты трипаносомы, возбудитель сонной болезни и болезни Шагаса, обладают множеством вирусных генов в своих митохондриях.

Вирусные гены присутствуют и функционируют в процессе развития плаценты, что указывает на то, что эти гены, возможно, способствовали эволюции плацентарных млекопитающих.

Древо жизни

Ирвин рассказал, что его больше всего заинтриговало: «Самым интересным результатом исследования стала возможность идентифицировать и визуализировать закономерности переноса генов по эукариотическому древу жизни. Одним из моих главных интересов является понимание того, как эволюционировали клеточное разнообразие и сложность, и я считаю, что эта работа предоставила убедительные доказательства того, что взаимодействия хозяина и вируса сыграли важную роль в создании разнообразия жизни, которое мы видим сегодня. Я также думаю, что это исследование имеет интересные последствия для того, как мы рассматриваем вирусы. Подобно тому, как открытие и характеристика микробиома изменили наш взгляд на бактерии, я думаю, что раскрытие влияния вирусов на эволюцию жизни могло бы способствовать более детальным размышлениям о важности вирусов в природе».

Относительно того, к чему это исследование может привести в будущих научных начинаниях, главный автор исследования, профессор Патрик Килинг (Patrick Keeling) добавил: 

«Значительный прогресс в понимании горизонтального переноса генов у эукариот был сосредоточен на схеме переноса генов на дереве эукариот — теперь у нас также есть некоторое представление о процессе, который привел к этой схеме, и вероятность того, что вирусы являются основным путем передачи. Было бы полезно взять несколько линий, где мы видим много вирусного горизонтального переноса генов, и копнуть глубже, изучив более тесно связанные хосты и вирусы, чтобы увидеть, как процесс разворачивается в разных временных масштабах».

И, наконец, доктор Килинг заключил: «Определение того, какие гены выбраны для вирусов, может многое рассказать вам о том, какой процесс делает вирус более успешным, и, следовательно, о том, как он использует свою клетку-хозяина».

Новизна исследования

Это исследование, объясняющее горизонтальный перенос генов между эукариотами и вирусами, является первым в своем роде, которое показывает, как вирусы могли позволить нескольким видам эукариот расходиться и эволюционировать.

Авторы нового исследования утверждают, что вирусы в наших генах — при активации они ухудшают развитие мозга.

Перед применением советов и рекомендаций, изложенных на сайте «Medical Insider», обязательно проконсультируйтесь с врачом!

  telegram    

Учредитель сетевого издания (Medical Insider), главный редактор, автор статей.

Врач ультразвуковой диагностики в СЗЦДМ, травматолог-ортопед, г. Санкт-Петербург

E-mail для связи - [email protected]