Біологічний вірус – рідне дитя клітини?
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Вірус – одна з найзагадковіших «істот» у світі життя. Лапки тут обов’язкові — чи можна без застережень назвати істотою, або організмом, то дивне щось, що, за висловом одного з класиків вірусології, наполовину мертве, як камінь? Отже, лише наполовину вірус може бути названий живим. У нього немає своїх власних, загальноприйнятих навіть у бактерій систем і реакцій обміну речовин. Сам по собі – без допомоги повноправної живої клітини – він не здатний навіть розмножуватися. Не ясно ні його систематичне становище в світі живої природи, ні його еволюційні зв’язки, ні те, на які біологічні механізми спирається його напівживе, напівмертве існування.
Так було, але зараз положення змінюється. Вся історія вірусології привчала нас розглядати вірус як щось стороннє для організму: як екзогенний агент, здатний при певному збігу обставин «заразити» організм. Однак в останні роки зроблені відкриття, які можуть привести до значного перегляду уявлень про місце вірусів в живій природі. З’являється все більше впевненості в тому, що деякі віруси (принаймні деякі!) — нормальні продукти живої клітини. Відповідно все більш широке поширення отримує термін “ендогенний віру с”, словосполучення, яке раніше могло сприйматися як безглузде. «Ендогенний» — значить, внутрішнього походження, тобто в даному випадку — народжений клітиною.
Про що йде мова? У деяких, поки, правда, досить рідкісних, випадках, вивчаючи нормальні клітини птахів і ссавців, культивовані в лабораторних умовах, вчені спостерігають утворення в них характерних вірусних частинок. Вони містять довгі відрізки одноланцюгової вірусної РНК, фермент ревертазу, ряд інших білків і за всіма своїми морфологічними та біохімічними властивостями схожі на віруси з групи рибодезо ксивірусів. Утворення таких частинок можна викликати за допомогою різних зовнішніх впливів, наприклад ультрафіолетовим опроміненням.
У ряді лабораторій світу ендогенні віруси були виділені з нормальних клітин курей, фазанів, мишей, щурів, хом’яків, морських свинок, котів, свиней, павіанів. Зробивши звичайну в таких випадках екстраполяцію, будемо вважати, що ендогенні віруси можуть бути ізольовані з клітин будь-якого виду птахів і ссавців.
Ендогенні віруси можна виділити, мабуть, з будь-якої культури мишачих клітин. Але чи можна виділити вірус з кожної клітини даної культури? Відомі експерименти, що дають позитивну відповідь на таке питання. Значить, будь-яка клітина популяції потенційно здатна утворювати вірус. Іншими словами, вона містить інформацію, необхідну для утворення ендогенного вірусу. Втім, наші знання про причини, що визначають їх різноманітність, вкрай обмежені, перш за все, тому, що сама кількість більш-менш вивчених ендогенних вірусів поки невелика. Але відомо: клітини одного виду тварин можуть утворювати кілька різних ендогенних вірусів.
Досліди показують, що гени, що кодують утворення компонентів ендогенного вірусу (їх називають провірусом, або вірогеном),— частина нормального клітинного генома. А значить, продукти їх діяльності — білки різних сортів — виступають в клітині повноправними учасниками її нормальної життєдіяльності.
Досить певні судження висловлені про роль одного з білків-ферменту ревертази, здатної забезпечити перенесення інформації всередині клітини по шляху ДНК — РНК-ДНК. Такий спосіб передачі інформації може мати два важливих наслідки: множення числа копій певних генів і переміщення генотичного матеріалу всередині хромосоми або між хромосомами.
Якщо такі переміщення і множення відбуваються у статевій клітині, то тим самим створюється додаткова фізична основа для еволюції організмів. Зрозуміло, такі процеси можуть здійснюватися і без участі ревертази, проте її допомога помітно підвищує їх ефективність. Чи не з цим, хоча б частково, пов’язано збільшення швидкості еволюції ссавців в порівнянні зі швидкістю еволюції, наприклад, земноводних?
Якщо ж такі процеси відбуваються в геномі соматичної клітини, то це може бути одним з факторів її диференціації і спеціалізації.
Про можливі самостійні функції другого, зовнішнього компонента ендогенного вірусу — білка, з якого складається його чохол, ми поки можемо сказати і того менше. Швидше за все, це просто частина нормальних білків нормальних мембран нормальних клітин. В такому випадку білки зовнішнього чохла ендогенних вірусів — це важлива деталь туалету клітини. А вірус просто одягає на себе частину туалету своєї матері. Що відбувається, коли різні компоненти об’єднуються в частці ендогенного вірусу? Напрошується припущення, що ендогенні віруси — це переносники нормальної генетичної інформації між клітинами організму.
Підстави для цього припущення такі: в геномі всіх вищих хребетних закодована можливість утворення ендогенного вірусу; ця можливість закономірно реалізується на певних стадіях розвитку організму; ендогенні віруси можуть переносити інформацію про (імовірно) нормальні клітинні білки. Поки, слід зауважити, не видно ніякої іншої – крім міжклітинного перенесення інформації – досить загальної і важливої функції ендогенних вірусів.
Але визнавши можливість і важливість перенесення генетичної інформації з клітини в клітину, ми вступаємо в конфлікт з догмою, що говорить, що геноми всіх клітин даного організму ідентичні. Що ж, здається, настав час для більш критичного ставлення до цієї догми. Варто вказати тут хоча б на таке припущення: можливо, серед клітин імунної системи, які виробляють антитіла, є різні клони — типи клітин, що мають деякі відмінності в генетичній інформації, що дає їм змогу виробляти антитіла різних сортів.
Щоб система передачі генетичних інструкцій від клітини до клітини працювала ефективно, вона повинна забезпечувати перенесення різноманітної інформації і доставку її за вашою адресою. Ендогенні віруси якраз і влаштовані так, що можуть в принципі задовольняти обом умовам.
Різноманітність інформації досягається різними шляхами. Наприклад, як вже говорилося, в одній клітині утворюються різні ендогенні віруси. Доставка повідомлення за вашою адресою забезпечується тим, що ендогенні віруси мають здатність заражати певні види клітин. Сумнівів у цій можливості немає, хоча поки не отримано прямих даних, які доводять, що таке перенесення нормальної інформації дійсно відбувається.
Є ще одна функція, яку можуть виконувати ендогенні віруси,— вони можуть переносити генетичну інформацію між організмами, в тому числі між організмами різних видів. Зокрема, недавні дослідження показали, що генетичні структури, що кодують один з ендогенних вірусів кішки і павіана, містять ділянки з високим ступенем взаємної подібності. Помітна схожість виявляється і між білками цих двох вірусів. Видається логічним припустити, що на якійсь стадії еволюції якийсь предок кішок був заражений ендогенним вірусом предка мавп (або навпаки).
Дослідження ендогенних вірусів одного-двох десятків видів птахів і ссавців — головним чином домашніх чи лабораторних — показало, що кожен вид тварин має свої особливі ендогенні віруси, причому ступінь подібності вірусів, виділених у тварин різних видів, зазвичай невелика.
Хоча викладені і деякі інші факти не дають можливості зробити однозначні висновки, проте, вони узгоджуються з такими уявленнями. Гени провірусу мають дуже давню історію, що обчислюється десятками, а може бути, і сотнями мільйонів років. Гени — попередники сучасних провірусів — існували в клітинах предків сучасних птахів і ссавців вже тоді, коли тільки виділялися ці класи хребетних. Ці гени еволюціонували. Існуючі варіанти провирусів формувались одночасно з виникненням існуючих видів (або навіть підвидів, ліній) тварин. Іншими словами, генеалогічне древо ендогенних провірусів в першому наближенні відповідає генеалогічному древу птахів і ссавців.
Застереження «в першому наближенні» зроблено тому, що, як ми вже бачили, в деяких випадках можливий обмін провірусами між різними видами тварин. Чи не виникли перші ендогенні віруси у якихось попередників птахів і ссавців в результаті їх зараження чужорідним вірусним агентом? Така точка зору існує, і виключити її на підставі наших сьогоднішніх знань не можна. Проте краще інший погляд, згідно з яким ендогенний вірус продукт нормальної клітини.
Завершуючи цей огляд, треба сказати, що для первісного утворення ендогенних вірусів потрібно, мабуть, не так вже багато подій, включаючи вироблення системи регуляції такого утворення, так як вірус не може бути необхідний завжди. А найголовніше — виниклі віруси повинні були «навчитися» виконувати якусь корисну для організму роботу, без чого неможливо було б збереження в еволюції випадково утвореного механізму.
Автор: М. Хромченко.