המסתורין של מקור הווירוסים

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

וירוסים בקושי חיים. עם זאת, מקורם והתפתחותם מובנים אפילו פחות מהופעתם של אורגניזמים תאיים "נורמליים". עדיין לא ידוע מי הופיע קודם לכן, התאים הראשונים או הנגיפים הראשונים. אולי הם תמיד ליוו את החיים, כמו צל אסון.

הבעיה היא שווירוסים הם לא יותר מאשר שברי הגנום (DNA או RNA) סגורים במעטפת חלבון. הם לא משאירים עקבות בתיעוד המאובנים, וכל מה שנותר לחקור את עברם הוא נגיפים מודרניים והגנום שלהם.

בהשוואה, מציאת קווי דמיון והבדלים, ביולוגים מגלים קשרים אבולוציוניים בין וירוסים שונים, קובעים את התכונות העתיקות ביותר שלהם. למרבה הצער, וירוסים משתנים ומגוונים בצורה יוצאת דופן. די לזכור שהגנום שלהם יכול להיות מיוצג על ידי שרשראות של לא רק דנ א (כמו במדינה שלנו, למשל, נגיפי הרפס), אלא גם מולקולת RNA קשורה (כמו בנגיף קורונה).

מולקולת ה-DNA / RNA בנגיפים יכולה להיות יחידה או מפולחת לחלקים, ליניארית (אדנו-וירוסים) או מעגלית (פוליומה-וירוסים), חד-גדילית (אנלו-וירוסים) או דו-גדילית (בקולווירוסים).

מדע חזותי וירוס שפעת A / H1N1

המבנים של חלקיקים ויראליים, המוזרויות של מחזור החיים שלהם ומאפיינים אחרים, שניתן להשתמש בהם להשוואה רגילה, מגוונים לא פחות. אתה יכול לקרוא עוד על האופן שבו מדענים עוקפים את הקשיים האלה ממש בסוף הפוסט הזה. לעת עתה, בואו נזכור מה המשותף לכל הוירוסים: כולם טפילים. לא ידוע על וירוס אחד שיכול לבצע חילוף חומרים בעצמו, מבלי להשתמש במנגנונים הביוכימיים של התא המארח.

אף וירוס לא מכיל ריבוזומים שיכולים לסנתז חלבונים, ואף אחד לא נושא מערכות המאפשרות ייצור אנרגיה בצורה של מולקולות ATP. כל זה הופך אותם לחייבים, כלומר טפילים תוך תאיים ללא תנאי: הם אינם מסוגלים להתקיים בכוחות עצמם.

אין זה מפתיע שלפי אחת ההשערות הראשונות והידועות ביותר, תאים הופיעו לראשונה, ורק אז התפתח כל העולם הוויראלי המגוון על האדמה הזו.

באופן רגרסיבי. ממורכב לפשוט

בואו נסתכל על ריקטסיה - גם טפילים תוך תאיים, אם כי חיידקים. יתר על כן, חלקים מסוימים של הגנום שלהם קרובים ל-DNA, הכלול במיטוכונדריה של תאים אוקריוטיים, כולל בני אדם. ככל הנראה, לשניהם היה אב קדמון משותף, אך מייסד "קו המיטוכונדריה", שהדביק את התא, לא הרג אותו, אלא נשמר בטעות בציטופלזמה.

כתוצאה מכך, צאצאיו של החיידק הזה איבדו מסה של גנים מיותרים יותר והתפרקו לאברונים תאיים המספקים למארחים מולקולות ATP בתמורה לכל השאר. ההשערה ה"רגרסיבית" של מקור הנגיפים מאמינה שהידרדרות כזו הייתה יכולה לקרות לאבותיהם: פעם אורגניזמים תאיים מלאים ועצמאיים לחלוטין, במשך מיליארדי שנות חיים טפילים, הם פשוט איבדו כל מה שהיה מיותר.

הרעיון הישן הזה קם לתחייה בעקבות הגילוי האחרון של וירוסים ענקיים כמו פנדורה וירוסים או מימיווירוסים. הם לא רק גדולים מאוד (קוטר החלקיקים של המימיווירוס מגיע ל-750 ננומטר - לשם השוואה, גודלו של נגיף השפעת הוא 80 ננומטר), אלא הם גם נושאים גנום ארוך במיוחד (1.2 מיליון קישורי נוקלאוטידים ב-mimivirus לעומת כמה מאות ב-mimivirus). וירוסים נפוצים), המקודדים מאות רבות של חלבונים.

ביניהם יש גם חלבונים הדרושים להעתקה ו"תיקון" (תיקון) של DNA, לייצור RNA שליח וחלבונים.

הטפילים האלה הרבה פחות תלויים במארחים שלהם, ומקורם מאבות קדמונים שחיים חופשיים נראה הרבה יותר משכנע. עם זאת, מומחים רבים מאמינים שזה לא פותר את הבעיה העיקרית - כל הגנים ה"נוספים" עלולים להופיע מנגיפים ענקיים מאוחר יותר, בהשאלה מהבעלים.

אחרי הכל, קשה לדמיין השפלה טפילית שעלולה להגיע כל כך רחוק ולהשפיע אפילו על צורת הנשא של הקוד הגנטי ולהוביל להופעת נגיפי RNA. אין זה מפתיע שהשערה אחרת לגבי מקורם של וירוסים זוכה לכבוד באותה מידה - ההיפך הגמור.

פּרוֹגרֵסִיבִי. מפשוט למורכב

בואו נסתכל על הרטרו-וירוסים, שהגנום שלהם הוא מולקולת RNA חד-גדילית (לדוגמה, HIV). ברגע שהם נמצאים בתא המארח, וירוסים כאלה משתמשים באנזים מיוחד, הפוך טרנסקריפטאז, וממיר אותו ל-DNA כפול רגיל, שחודר לאחר מכן לתוך "קודש הקודשים" של התא - לגרעין.

זה המקום שבו חלבון ויראלי נוסף, אינטגראז, נכנס לתמונה ומחדיר את הגנים הנגיפיים ל-DNA של המארח. ואז האנזימים של התא עצמו מתחילים לעבוד איתם: הם מייצרים RNA חדש, מסנתזים חלבונים על בסיסם וכו'.

מדע חזותי וירוס הכשל החיסוני האנושי (HIV)

מנגנון זה מזכיר רבייה של אלמנטים גנטיים ניידים – שברי DNA שאינם נושאים את המידע שאנו צריכים, אלא מאוחסנים ומצטברים בגנום שלנו. חלקם, רטרוטרנספוזונים, מסוגלים אפילו להתרבות בו, להתפשט בעותקים חדשים (יותר מ-40 אחוז מה-DNA האנושי מורכב ממרכיבי "זבל" שכאלה).

לשם כך, הם עשויים להכיל פרגמנטים המקודדים לשני האנזימים המרכזיים - טרנסקריפטאז הפוך ואינטגראז. למעשה, אלו הם רטרו-וירוסים כמעט מוכנים, נטולי מעטה חלבוני בלבד. אבל רכישתו היא עניין של זמן.

בהטמעה בגנום פה ושם, אלמנטים גנטיים ניידים מסוגלים בהחלט ללכוד גנים מארח חדשים. חלקם עשויים להתאים להיווצרות קפסיד. חלבונים רבים נוטים להרכיב את עצמם למבנים מורכבים יותר. לדוגמה, חלבון ARC, הממלא תפקיד חשוב בתפקודם של נוירונים, מתקפל באופן ספונטני בצורה חופשית לחלקיקים דמויי וירוס שיכולים אפילו לשאת RNA פנימה. ההנחה היא ששילוב של חלבונים כאלה יכול להתרחש כ-20 פעמים, מה שיוליד קבוצות מודרניות גדולות של וירוסים הנבדלים במבנה המעטפת שלהם.

מַקְבִּיל. צל של חיים

עם זאת, ההשערה הצעירה והמבטיחה ביותר הופכת הכל שוב, בהנחה שהנגיפים הופיעו לא יאוחר מהתאים הראשונים. לפני זמן רב, כשהחיים עדיין לא הלכו כל כך רחוק, התקדמה פרוטו-אבולוציה של מולקולות המשכפלות את עצמן, המסוגלות להעתיק את עצמן, ב"מרק הקדמון".

בהדרגה, מערכות כאלה הפכו למורכבות יותר, והפכו לקומפלקסים מולקולריים גדולים יותר ויותר. וברגע שחלקם רכשו את היכולת לסנתז קרום והפכו לפרוטו-תאים, אחרים - אבותיהם של הנגיפים - הפכו לטפילים שלהם.

זה קרה עם שחר החיים, הרבה לפני ההפרדה של חיידקים, ארכאים ואיקריוטים. לכן, הנגיפים (והשונים מאוד) שלהם מדביקים נציגים של כל שלושת התחומים של עולם החיים, ובין וירוסים יכולים להיות כל כך הרבה נגיפים המכילים RNA: RNA הם שנחשבים למולקולות "אבותיות", השכפול העצמי והאבולוציה מה שהוביל להופעת החיים.

הנגיפים הראשונים יכולים להיות מולקולות RNA "אגרסיביות" שכאלה, שרק מאוחר יותר רכשו גנים המקודדים למעטפות חלבון. אכן, הוכח שסוגים מסוימים של קונכיות אולי הופיעו עוד לפני האב הקדמון המשותף האחרון של כל האורגניזמים החיים (LUCA).

עם זאת, התפתחות הנגיפים היא תחום מבלבל אף יותר מהאבולוציה של כל עולם האורגניזמים התאיים. סביר מאוד שבדרכם שלהם, כל שלוש ההשקפות על מוצאם נכונות.הטפילים התוך-תאיים הללו כל כך פשוטים ובו בזמן מגוונים עד שקבוצות שונות יכולות להופיע ללא תלות זו בזו, במהלך תהליכים שונים מהותית.

לדוגמא, אותם וירוסים ענקיים המכילים DNA יכולים להתעורר כתוצאה מהשפלה של תאי אבות, וכמה רטרו-וירוסים המכילים RNA - לאחר ש"זכו בעצמאות" על ידי אלמנטים גנטיים ניידים. אבל ייתכן שאנו חייבים את הופעת האיום הנצחי הזה למנגנון אחר לגמרי, שטרם התגלה ולא ידוע.

גנומים וגנים. כיצד נחקרת התפתחות הנגיפים

למרבה הצער, וירוסים הם נדיפים להפליא. חסרות להם מערכות לתיקון נזקי DNA, וכל מוטציה נשארת בגנום, בכפוף לבחירה נוספת. בנוסף, וירוסים שונים שמדביקים את אותו תא מחליפים בקלות שברי DNA (או RNA), מה שיוצר צורות רקומביננטיות חדשות.

לבסוף, חילופי דורות מתרחשים במהירות חריגה - למשל, ל-HIV יש מחזור חיים של 52 שעות בלבד, והוא רחוק מלהיות הקצר ביותר. כל הגורמים הללו מספקים את השונות המהירה של הנגיפים, מה שמקשה מאוד על הניתוח הישיר של הגנום שלהם.

יחד עם זאת, פעם אחת בתא, וירוסים לרוב אינם משיקים את התוכנית הטפילית הרגילה שלהם - חלקם מתוכננים כך, אחרים בגלל כשל מקרי. במקביל, ה-DNA שלהם (או ה-RNA, שהומר בעבר ל-DNA) יכול להשתלב בכרומוזומים של המארח ולהסתתר כאן, ללכת לאיבוד בין הגנים הרבים של התא עצמו. לפעמים הגנום הנגיפי מופעל מחדש, ולפעמים הוא נשאר בצורה כל כך סמויה, ועובר מדור לדור.

מאמינים כי רטרו-וירוסים אנדוגניים אלו מהווים עד 5-8 אחוזים מהגנום שלנו. השונות שלהם כבר לא כל כך גדולה - ה-DNA התאי לא משתנה כל כך מהר, ומחזור החיים של אורגניזמים רב-תאיים מגיע לעשרות שנים, לא לשעות. לכן, השברים המאוחסנים בתאים שלהם הם מקור חשוב למידע על העבר של הנגיפים.

תחום נפרד וצעיר אף יותר הוא הפרוטאומיקה של הנגיפים – חקר החלבונים שלהם. אחרי הכל, אחרי הכל, כל גן הוא רק קוד למולקולת חלבון מסוימת הנדרשת לביצוע פונקציות מסוימות. חלקם "מתאימים" כמו חלקי לגו, מקפלים את המעטפת הנגיפית, אחרים יכולים לקשור ולייצב RNA ויראלי, ועוד אחרים יכולים לשמש כדי לתקוף את החלבונים של תא נגוע.

האתרים הפעילים של חלבונים כאלה אחראים לתפקודים אלה, והמבנה שלהם יכול להיות שמרני מאוד. הוא שומר על יציבות רבה לאורך האבולוציה. אפילו חלקים בודדים של גנים יכולים להשתנות, אבל צורת אתר החלבון, חלוקת המטענים החשמליים בו - כל מה שקריטי לביצוע התפקוד הרצוי - נשארת כמעט זהה. על ידי השוואה ביניהם, אפשר למצוא את הקשרים האבולוציוניים הרחוקים ביותר.