Το μυστήριο της προέλευσης των ιών

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Οι ιοί δύσκολα είναι ζωντανοί. Ωστόσο, η προέλευση και η εξέλιξή τους είναι ακόμη λιγότερο κατανοητές από την εμφάνιση «κανονικών» κυτταρικών οργανισμών. Είναι ακόμα άγνωστο ποιος εμφανίστηκε νωρίτερα, τα πρώτα κύτταρα ή οι πρώτοι ιοί. Ίσως πάντα συνόδευαν τη ζωή, σαν μια καταστροφική σκιά.

Το πρόβλημα είναι ότι οι ιοί δεν είναι τίποτα άλλο από θραύσματα του γονιδιώματος (DNA ή RNA) που περικλείονται σε μια πρωτεϊνική επικάλυψη. Δεν αφήνουν ίχνη στα απολιθώματα και το μόνο που μένει για να μελετήσουμε το παρελθόν τους είναι οι σύγχρονοι ιοί και το γονιδίωμά τους.

Συγκρίνοντας, βρίσκοντας ομοιότητες και διαφορές, οι βιολόγοι ανακαλύπτουν εξελικτικούς δεσμούς μεταξύ διαφορετικών ιών, καθορίζουν τα πιο αρχαία χαρακτηριστικά τους. Δυστυχώς, οι ιοί είναι ασυνήθιστα μεταβλητοί και ποικίλοι. Αρκεί να υπενθυμίσουμε ότι τα γονιδιώματά τους μπορούν να αντιπροσωπεύονται από αλυσίδες όχι μόνο DNA (όπως στη χώρα μας και, για παράδειγμα, ιούς του έρπητα), αλλά και σχετικού μορίου RNA (όπως στους κοροναϊούς).

Το μόριο DNA / RNA στους ιούς μπορεί να είναι μονό ή τμηματοποιημένο σε μέρη, γραμμικά (αδενοϊοί) ή κυκλικά (πολυοϊοί), μονόκλωνοι (ανελλοϊοί) ή δίκλωνοι (βακουλοϊοί).

Οπτική επιστήμη Ιός γρίπης A / H1N1

Οι δομές των ιικών σωματιδίων, οι ιδιαιτερότητες του κύκλου ζωής τους και άλλα χαρακτηριστικά, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για συνηθισμένη σύγκριση, δεν είναι λιγότερο ποικίλα. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για το πώς οι επιστήμονες ξεπερνούν αυτές τις δυσκολίες στο τέλος αυτής της ανάρτησης. Προς το παρόν, ας θυμηθούμε τι κοινό έχουν όλοι οι ιοί: είναι όλοι παράσιτα. Δεν είναι γνωστός ούτε ένας ιός που θα μπορούσε να πραγματοποιήσει το μεταβολισμό μόνος του, χωρίς τη χρήση των βιοχημικών μηχανισμών του κυττάρου ξενιστή.

Κανένας ιός δεν περιέχει ριβοσώματα που θα μπορούσαν να συνθέσουν πρωτεΐνες και κανείς δεν φέρει συστήματα που επιτρέπουν την παραγωγή ενέργειας με τη μορφή μορίων ATP. Όλα αυτά τα καθιστούν υποχρεωτικά, δηλαδή άνευ όρων ενδοκυτταρικά παράσιτα: δεν μπορούν να υπάρξουν μόνα τους.

Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι, σύμφωνα με μια από τις πρώτες και πιο γνωστές υποθέσεις, εμφανίστηκαν για πρώτη φορά κύτταρα και μόνο τότε αναπτύχθηκε ολόκληρος ο ποικίλος ιικός κόσμος σε αυτό το έδαφος.

Παλινδρομικά. Από σύνθετο σε απλό

Ας ρίξουμε μια ματιά στη ρικέτσια - επίσης ενδοκυτταρικά παράσιτα, αν και βακτήρια. Επιπλέον, ορισμένα μέρη του γονιδιώματός τους είναι κοντά στο DNA, το οποίο περιέχεται στα μιτοχόνδρια των ευκαρυωτικών κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Προφανώς, και οι δύο είχαν έναν κοινό πρόγονο, αλλά ο ιδρυτής της «γραμμής των μιτοχονδρίων», μολύνοντας το κύτταρο, δεν το σκότωσε, αλλά διατηρήθηκε κατά λάθος στο κυτταρόπλασμα.

Ως αποτέλεσμα, οι απόγονοι αυτού του βακτηρίου έχασαν μια μάζα περιττών γονιδίων και αποικοδομήθηκαν σε κυτταρικά οργανίδια που παρέχουν στους ξενιστές μόρια ATP σε αντάλλαγμα για οτιδήποτε άλλο. Η «παλινδρομική» υπόθεση της προέλευσης των ιών πιστεύει ότι μια τέτοια υποβάθμιση θα μπορούσε να έχει συμβεί στους προγόνους τους: κάποτε ήταν πλήρως πλήρεις και ανεξάρτητοι κυτταρικοί οργανισμοί, για δισεκατομμύρια χρόνια παρασιτικής ζωής, απλώς έχασαν οτιδήποτε περιττό.

Αυτή η παλιά ιδέα αναζωογονήθηκε από την πρόσφατη ανακάλυψη γιγάντιων ιών όπως οι πανδοραιοί ή οι μιμιοί. Δεν είναι μόνο πολύ μεγάλα (η διάμετρος των σωματιδίων του μιμιιού φτάνει τα 750 nm - για σύγκριση, το μέγεθος του ιού της γρίπης είναι 80 nm), αλλά φέρουν επίσης ένα εξαιρετικά μακρύ γονιδίωμα (1,2 εκατομμύρια νουκλεοτιδικούς συνδέσμους στον μιμιιό έναντι πολλών εκατοντάδων κοινούς ιούς), που κωδικοποιούν πολλές εκατοντάδες πρωτεΐνες.

Ανάμεσά τους υπάρχουν και πρωτεΐνες απαραίτητες για την αντιγραφή και την «επιδιόρθωση» (επιδιόρθωση) του DNA, για την παραγωγή αγγελιαφόρου RNA και πρωτεϊνών.

Αυτά τα παράσιτα εξαρτώνται πολύ λιγότερο από τους ξενιστές τους και η προέλευσή τους από προγόνους που ζουν ελεύθερα φαίνεται πολύ πιο πειστική. Ωστόσο, πολλοί ειδικοί πιστεύουν ότι αυτό δεν λύνει το κύριο πρόβλημα - όλα τα «πρόσθετα» γονίδια θα μπορούσαν να εμφανιστούν αργότερα από γιγάντιους ιούς, δανεισμένους από τους ιδιοκτήτες.

Εξάλλου, είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς μια παρασιτική υποβάθμιση που θα μπορούσε να φτάσει τόσο μακριά και να επηρεάσει ακόμη και τη μορφή του φορέα του γενετικού κώδικα και να οδηγήσει στην εμφάνιση ιών RNA. Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι μια άλλη υπόθεση για την προέλευση των ιών γίνεται εξίσου σεβαστή - το εντελώς αντίθετο.

Προοδευτικός. Από απλό σε σύνθετο

Ας ρίξουμε μια ματιά στους ρετροϊούς, των οποίων το γονιδίωμα είναι ένα μονόκλωνο μόριο RNA (για παράδειγμα, HIV). Μόλις εισέλθουν στο κύτταρο ξενιστή, τέτοιοι ιοί χρησιμοποιούν ένα ειδικό ένζυμο, την αντίστροφη μεταγραφάση, μετατρέποντάς το σε συνηθισμένο διπλό DNA, το οποίο στη συνέχεια διεισδύει στα «άγια των αγίων» του κυττάρου - στον πυρήνα.

Εδώ είναι που μια άλλη ιική πρωτεΐνη, η ιντεγκράση, μπαίνει στο παιχνίδι και εισάγει τα ιικά γονίδια στο DNA του ξενιστή. Τότε τα ίδια τα ένζυμα του κυττάρου αρχίζουν να συνεργάζονται μαζί τους: παράγουν νέο RNA, συνθέτουν πρωτεΐνες στη βάση τους κ.λπ.

Οπτική επιστήμη Ιός ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (HIV)

Αυτός ο μηχανισμός μοιάζει με την αναπαραγωγή κινητών γενετικών στοιχείων - θραυσμάτων DNA που δεν φέρουν τις πληροφορίες που χρειαζόμαστε, αλλά αποθηκεύονται και συσσωρεύονται στο γονιδίωμά μας. Μερικά από αυτά, τα ρετροτρανσποζόνια, είναι ακόμη και ικανά να πολλαπλασιαστούν σε αυτό, να εξαπλωθούν με νέα αντίγραφα (πάνω από το 40 τοις εκατό του ανθρώπινου DNA αποτελείται από τέτοια «σκουπίδια» στοιχεία).

Για αυτό, μπορεί να περιέχουν θραύσματα που κωδικοποιούν και τα δύο βασικά ένζυμα - την αντίστροφη μεταγραφάση και την ιντεγκράση. Στην πραγματικότητα, πρόκειται για σχεδόν έτοιμους ρετροϊούς, χωρίς μόνο πρωτεϊνικό κάλυμμα. Όμως η απόκτησή του είναι θέμα χρόνου.

Ενσωματώνοντας στο γονιδίωμα εδώ κι εκεί, τα κινητά γενετικά στοιχεία είναι αρκετά ικανά να συλλάβουν νέα γονίδια-ξενιστές. Μερικά από αυτά μπορεί να είναι κατάλληλα για σχηματισμό καψιδίων. Πολλές πρωτεΐνες τείνουν να αυτοσυναρμολογούνται σε πιο πολύπλοκες δομές. Για παράδειγμα, η πρωτεΐνη ARC, η οποία παίζει σημαντικό ρόλο στη λειτουργία των νευρώνων, αναδιπλώνεται αυθόρμητα σε ελεύθερη μορφή σε σωματίδια που μοιάζουν με ιούς που μπορούν ακόμη και να μεταφέρουν RNA μέσα. Υποτίθεται ότι η ενσωμάτωση τέτοιων πρωτεϊνών θα μπορούσε να συμβεί περίπου 20 φορές, προκαλώντας μεγάλες σύγχρονες ομάδες ιών που διαφέρουν ως προς τη δομή του περιβλήματος τους.

Παράλληλο. Σκιά της ζωής

Ωστόσο, η νεότερη και πολλά υποσχόμενη υπόθεση ανατρέπει τα πάντα ξανά, με την προϋπόθεση ότι οι ιοί εμφανίστηκαν το αργότερο στα πρώτα κύτταρα. Πριν από πολύ καιρό, όταν η ζωή δεν είχε φτάσει ακόμη τόσο μακριά, η πρωτο-εξέλιξη των αυτοαναπαραγόμενων μορίων, ικανών να αντιγράψουν τον εαυτό τους, προχώρησε στην «αρχέγονη σούπα».

Σταδιακά, τέτοια συστήματα έγιναν πιο πολύπλοκα, μετατρέποντας σε όλο και μεγαλύτερα μοριακά σύμπλοκα. Και μόλις κάποιοι από αυτούς απέκτησαν την ικανότητα να συνθέτουν μια μεμβράνη και έγιναν πρωτοκύτταρα, άλλοι -οι πρόγονοι των ιών- έγιναν παράσιτά τους.

Αυτό συνέβη στην αυγή της ζωής, πολύ πριν από τον διαχωρισμό των βακτηρίων, των αρχαίων και των ευκαρυωτών. Επομένως, οι (και πολύ διαφορετικοί) ιοί τους μολύνουν τους εκπροσώπους και των τριών τομέων του ζωντανού κόσμου, και μεταξύ των ιών μπορεί να υπάρχουν τόσοι πολλοί που περιέχουν RNA: είναι τα RNA που θεωρούνται «προγονικά» μόρια, η αυτοαντιγραφή και η εξέλιξη από τα οποία οδήγησε στην εμφάνιση της ζωής.

Οι πρώτοι ιοί θα μπορούσαν να είναι τόσο «επιθετικά» μόρια RNA, τα οποία μόλις αργότερα απέκτησαν γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεϊνικούς φακέλους. Πράγματι, έχει αποδειχθεί ότι ορισμένοι τύποι κοχυλιών μπορεί να εμφανίστηκαν ακόμη και πριν από τον τελευταίο κοινό πρόγονο όλων των ζωντανών οργανισμών (LUCA).

Ωστόσο, η εξέλιξη των ιών είναι μια περιοχή ακόμα πιο μπερδεμένη από την εξέλιξη ολόκληρου του κόσμου των κυτταρικών οργανισμών. Είναι πολύ πιθανό, με τον δικό τους τρόπο, να είναι αληθινές και οι τρεις απόψεις για την καταγωγή τους. Αυτά τα ενδοκυτταρικά παράσιτα είναι τόσο απλά και ταυτόχρονα ποικίλα που διαφορετικές ομάδες θα μπορούσαν να εμφανιστούν ανεξάρτητα η μία από την άλλη, κατά τη διάρκεια θεμελιωδώς διαφορετικών διαδικασιών.

Για παράδειγμα, οι ίδιοι γιγάντιοι ιοί που περιέχουν DNA θα μπορούσαν να προκύψουν ως αποτέλεσμα της αποικοδόμησης των προγονικών κυττάρων και ορισμένων ρετροϊών που περιέχουν RNA - αφού «αποκτήσουν ανεξαρτησία» από κινητά γενετικά στοιχεία. Αλλά είναι πιθανό να οφείλουμε την εμφάνιση αυτής της αιώνιας απειλής σε έναν εντελώς διαφορετικό μηχανισμό, που δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη και άγνωστος.

Γονιδιώματα και γονίδια. Πώς μελετάται η εξέλιξη των ιών

Δυστυχώς, οι ιοί είναι απίστευτα πτητικές. Δεν διαθέτουν συστήματα για την αποκατάσταση της βλάβης του DNA και οποιαδήποτε μετάλλαξη παραμένει στο γονιδίωμα, υπό την προϋπόθεση περαιτέρω επιλογής. Επιπλέον, διαφορετικοί ιοί που μολύνουν το ίδιο κύτταρο ανταλλάσσουν εύκολα θραύσματα DNA (ή RNA), προκαλώντας νέες ανασυνδυασμένες μορφές.

Τέλος, η αλλαγή γενιάς συμβαίνει ασυνήθιστα γρήγορα - για παράδειγμα, ο HIV έχει κύκλο ζωής μόνο 52 ωρών και απέχει πολύ από τον πιο σύντομο. Όλοι αυτοί οι παράγοντες παρέχουν την ταχεία μεταβλητότητα των ιών, η οποία περιπλέκει πολύ την άμεση ανάλυση των γονιδιωμάτων τους.

Ταυτόχρονα, όταν εισέλθουν σε ένα κύτταρο, οι ιοί συχνά δεν εκκινούν το συνηθισμένο τους παρασιτικό πρόγραμμα - κάποιοι έχουν σχεδιαστεί με αυτόν τον τρόπο, άλλοι λόγω τυχαίας αποτυχίας. Ταυτόχρονα, το DNA τους (ή το RNA, που προηγουμένως είχε μετατραπεί σε DNA) μπορεί να ενσωματωθεί στα χρωμοσώματα του ξενιστή και να κρυφτεί εδώ, χάνοντας ανάμεσα στα πολλά γονίδια του ίδιου του κυττάρου. Μερικές φορές το γονιδίωμα του ιού επανενεργοποιείται και μερικές φορές παραμένει σε τόσο λανθάνουσα μορφή, μεταβιβαζόμενο από γενιά σε γενιά.

Αυτοί οι ενδογενείς ρετροϊοί πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύουν έως και 5-8 τοις εκατό του δικού μας γονιδιώματος. Η μεταβλητότητά τους δεν είναι πλέον τόσο μεγάλη - το κυτταρικό DNA δεν αλλάζει τόσο γρήγορα και ο κύκλος ζωής των πολυκύτταρων οργανισμών φτάνει τα δεκάδες χρόνια, όχι τις ώρες. Επομένως, τα θραύσματα που αποθηκεύονται στα κύτταρά τους αποτελούν πολύτιμη πηγή πληροφοριών για το παρελθόν των ιών.

Ένας ξεχωριστός και ακόμη νεότερος τομέας είναι η πρωτεομική των ιών - η μελέτη των πρωτεϊνών τους. Σε τελική ανάλυση, κάθε γονίδιο είναι απλώς ένας κώδικας για ένα συγκεκριμένο μόριο πρωτεΐνης που απαιτείται για την εκτέλεση συγκεκριμένων λειτουργιών. Μερικά «ταιριάζουν» σαν κομμάτια Lego, διπλώνοντας τον ιικό φάκελο, άλλα μπορούν να δεσμεύσουν και να σταθεροποιήσουν το ιικό RNA και άλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να επιτεθούν στις πρωτεΐνες ενός μολυσμένου κυττάρου.

Οι ενεργές θέσεις τέτοιων πρωτεϊνών είναι υπεύθυνες για αυτές τις λειτουργίες και η δομή τους μπορεί να είναι πολύ συντηρητική. Διατηρεί μεγάλη σταθερότητα σε όλη την εξέλιξη. Ακόμη και μεμονωμένα μέρη των γονιδίων μπορούν να αλλάξουν, αλλά το σχήμα της θέσης πρωτεΐνης, η κατανομή των ηλεκτρικών φορτίων σε αυτήν - ό,τι είναι κρίσιμο για την απόδοση της επιθυμητής λειτουργίας - παραμένει σχεδόν το ίδιο. Συγκρίνοντάς τα, μπορεί κανείς να βρει τις πιο μακρινές εξελικτικές συνδέσεις.