Virüslerin kökeninin gizemi

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Virüsler neredeyse canlı değildir. Bununla birlikte, kökenleri ve evrimleri, "normal" hücresel organizmaların ortaya çıkışından bile daha az anlaşılmıştır. Kimin daha önce ortaya çıktığı, ilk hücreler veya ilk virüsler hala bilinmiyor. Belki de felaket bir gölge gibi hep hayata eşlik ettiler.

Sorun şu ki, virüsler bir protein kılıfı içine alınmış genomun (DNA veya RNA) parçalarından başka bir şey değiller. Fosil kayıtlarında hiçbir iz bırakmazlar ve geçmişlerini incelemek için geriye kalan tek şey modern virüsler ve genomlarıdır.

Biyologlar karşılaştırarak, benzerlikler ve farklılıklar bularak farklı virüsler arasındaki evrimsel bağlantıları keşfeder, en eski özelliklerini belirler. Ne yazık ki, virüsler alışılmadık derecede değişken ve çeşitlidir. Genomlarının sadece DNA zincirleriyle (ülkemizde olduğu gibi ve örneğin herpes virüsleri) değil, aynı zamanda ilgili bir RNA molekülüyle (koronavirüslerde olduğu gibi) temsil edilebileceğini hatırlamak yeterlidir.

Virüslerdeki DNA/RNA molekülü tek veya parçalara bölünmüş, lineer (adenovirüsler) veya dairesel (poliomavirüsler), tek sarmallı (anellovirüsler) veya çift sarmallı (bakülovirüsler) olabilir.

Görsel bilim Grip A / H1N1 virüsü

Viral parçacıkların yapıları, yaşam döngülerinin özellikleri ve sıradan karşılaştırma için kullanılabilecek diğer özellikler, daha az çeşitli değildir. Bilim adamlarının bu zorlukları nasıl aştıkları hakkında daha fazla bilgiyi bu yazının en sonunda okuyabilirsiniz. Şimdilik, tüm virüslerin ortak noktasının ne olduğunu hatırlayalım: hepsi parazittir. Konakçı hücrenin biyokimyasal mekanizmalarını kullanmadan kendi başına metabolizmayı gerçekleştirebilecek tek bir virüs bilinmemektedir.

Hiçbir virüs protein sentezleyebilecek ribozom içermez ve hiç kimse ATP molekülleri şeklinde enerji üretimine izin veren sistemler taşımaz. Bütün bunlar onları zorunlu, yani koşulsuz hücre içi parazitler yapar: kendi başlarına var olamazlar.

İlk ve en iyi bilinen hipotezlerden birine göre, hücrelerin ilk ortaya çıkması ve ancak o zaman tüm çeşitli viral dünyanın bu toprakta gelişmesi şaşırtıcı değildir.

Geriye doğru. Karmaşıktan basite

Riketsiyaya bir göz atalım - bakteri de olsa hücre içi parazitler. Ayrıca, genomlarının bazı kısımları, insanlar da dahil olmak üzere ökaryotik hücrelerin mitokondrilerinde bulunan DNA'ya yakındır. Görünüşe göre, her ikisinin de ortak bir atası vardı, ancak hücreyi enfekte eden "mitokondri hattının" kurucusu onu öldürmedi, ancak yanlışlıkla sitoplazmada korundu.

Sonuç olarak, bu bakterinin soyundan gelenler, daha fazla gereksiz gen kütlesini kaybettiler ve diğer her şey karşılığında konakçılara ATP molekülleri sağlayan hücresel organellere indirgendiler. Virüslerin kökenine ilişkin "gerileyen" hipotez, bu tür bir bozulmanın atalarının başına gelebileceğine inanmaktadır: bir zamanlar tam teşekküllü ve bağımsız hücresel organizmalar, milyarlarca yıllık parazit yaşamları boyunca, gereksiz her şeyi kaybettiler.

Bu eski fikir, pandoravirüsler veya mimivirüsler gibi dev virüslerin yakın zamanda keşfedilmesiyle yeniden canlandırıldı. Sadece çok büyük değiller (mimivirüsün partikül çapı 750 nm'ye ulaşır - karşılaştırma için, influenza virüsünün boyutu 80 nm'dir), aynı zamanda son derece uzun bir genom taşırlar (mimivirüste 1.2 milyon nükleotit bağlantısına karşı birkaç yüz nükleotid bağı). yaygın virüsler), yüzlerce proteini kodlar.

Bunlar arasında, haberci RNA ve proteinlerin üretimi için DNA'nın kopyalanması ve "onarımı" (onarımı) için gerekli proteinler de vardır.

Bu parazitler ev sahiplerine çok daha az bağımlıdır ve özgür yaşayan atalardan kökenleri çok daha inandırıcı görünmektedir. Bununla birlikte, birçok uzman bunun ana sorunu çözmediğine inanıyor - tüm "ek" genler, sahiplerinden ödünç alınan dev virüslerden daha sonra ortaya çıkabilir.

Sonuçta, bu kadar ileri gidebilecek ve genetik kodun taşıyıcısının biçimini bile etkileyebilecek ve RNA virüslerinin ortaya çıkmasına neden olabilecek bir parazitik bozulma hayal etmek zor. Virüslerin kökeniyle ilgili başka bir hipoteze de aynı derecede saygı gösterilmesi şaşırtıcı değildir - tam tersi.

ilerici. Basitten karmaşığa

Genomu tek sarmallı bir RNA molekülü (örneğin HIV) olan retrovirüslere bir göz atalım. Ev sahibi hücreye girdikten sonra, bu tür virüsler özel bir enzim olan ters transkriptaz kullanır ve onu sıradan çift DNA'ya dönüştürür, bu daha sonra hücrenin "kutsallarının kutsalına" - çekirdeğe - nüfuz eder.

Burada başka bir viral protein olan integraz devreye girer ve viral genleri konakçının DNA'sına sokar. Sonra hücrenin kendi enzimleri onlarla çalışmaya başlar: yeni RNA üretirler, proteinleri temel alarak sentezlerler, vb.

Görsel bilimİnsan İmmün Yetmezlik Virüsü (HIV)

Bu mekanizma, ihtiyaç duyduğumuz bilgiyi taşımayan, ancak genomumuzda depolanan ve biriken DNA parçaları olan mobil genetik elementlerin yeniden üretilmesine benzer. Bazıları, retrotranspozonlar, içinde çoğalabilir, yeni kopyalarla yayılabilir (insan DNA'sının yüzde 40'ından fazlası bu tür "çöp" elementlerden oluşur).

Bunun için, hem anahtar enzimleri hem de ters transkriptaz ve integraz kodlayan fragmanlar içerebilirler. Aslında bunlar, sadece bir protein kaplamadan yoksun, neredeyse hazır retrovirüslerdir. Ancak satın alınması bir zaman meselesidir.

Genomun içinde burada ve orada gömülü olan mobil genetik elemanlar, yeni konakçı genleri yakalama konusunda oldukça yeteneklidir. Bazıları kapsid oluşumu için uygun olabilir. Birçok protein kendi kendine daha karmaşık yapılara dönüşme eğilimindedir. Örneğin, nöronların işleyişinde önemli bir rol oynayan ARC proteini, serbest formda kendiliğinden katlanarak virüs benzeri parçacıklara dönüşür ve bu parçacıklar RNA'yı bile içinde taşıyabilmektedir. Bu tür proteinlerin dahil edilmesinin, zarf yapılarında farklılık gösteren büyük modern virüs gruplarına yol açan yaklaşık 20 kez meydana gelebileceği varsayılmaktadır.

Paralel. hayatın gölgesi

Bununla birlikte, en genç ve en umut verici hipotez, virüslerin ilk hücrelerden daha geç ortaya çıkmadığını varsayarsak, her şeyi tekrar alt üst eder. Uzun zaman önce, yaşamın henüz bu kadar ileri gitmediği zamanlarda, kendilerini kopyalayabilen, kendi kendilerini kopyalayabilen moleküllerin ön-evrimi, "ilkel çorba"da devam etti.

Yavaş yavaş, bu tür sistemler daha karmaşık hale geldi ve daha büyük ve daha büyük moleküler komplekslere dönüştü. Ve bazıları bir zarı sentezleme yeteneğini kazanır kazanmaz ve proto-hücreler haline gelir gelmez, diğerleri - virüslerin ataları - onların parazitleri haline geldi.

Bu, yaşamın başlangıcında, bakteri, arke ve ökaryotların ayrılmasından çok önce oldu. Bu nedenle, onların (ve çok farklı) virüsleri, canlı dünyanın her üç alanının temsilcilerini enfekte eder ve virüsler arasında çok sayıda RNA içerenler olabilir: "atasal" moleküller olarak kabul edilen RNA'lardır, kendini kopyalama ve evrim. yaşamın ortaya çıkmasına neden olmuştur.

İlk virüsler, ancak daha sonra protein zarflarını kodlayan genleri edinen "agresif" RNA molekülleri olabilir. Gerçekten de, bazı kabuk türlerinin, tüm canlı organizmaların son ortak atasından (LUCA) bile önce ortaya çıkmış olabileceği gösterilmiştir.

Bununla birlikte, virüslerin evrimi, tüm hücresel organizmalar dünyasının evriminden bile daha kafa karıştırıcı bir alandır. Kendi tarzlarında, kökenleri hakkındaki üç görüşün de doğru olması çok muhtemeldir. Bu hücre içi parazitler o kadar basit ve aynı zamanda çeşitlidir ki, temelde farklı süreçler sırasında farklı gruplar birbirinden bağımsız olarak ortaya çıkabilir.

Örneğin, aynı dev DNA içeren virüsler, atalara ait hücrelerin ve bazı RNA içeren retrovirüslerin - mobil genetik elementler tarafından "bağımsızlık kazandıktan" sonra bozulmasının bir sonucu olarak ortaya çıkabilir. Ancak bu sonsuz tehdidin ortaya çıkmasını, henüz keşfedilmemiş ve bilinmeyen tamamen farklı bir mekanizmaya borçlu olmamız mümkündür.

Genomlar ve genler. Virüslerin evrimi nasıl incelenir?

Ne yazık ki, virüsler inanılmaz derecede uçucudur. DNA hasarını onaracak sistemlerden yoksundurlar ve herhangi bir mutasyon, daha fazla seçime tabi olarak genomda kalır. Ek olarak, aynı hücreyi enfekte eden farklı virüsler, DNA (veya RNA) fragmanlarını kolayca değiş tokuş ederek yeni rekombinant formlara yol açar.

Son olarak, nesil değişimi olağandışı bir şekilde hızlı gerçekleşir - örneğin, HIV'in yaşam döngüsü yalnızca 52 saattir ve en kısa ömürlü olmaktan çok uzaktır. Tüm bu faktörler, genomlarının doğrudan analizini büyük ölçüde karmaşıklaştıran virüslerin hızlı değişkenliğini sağlar.

Aynı zamanda, bir hücreye girdikten sonra, virüsler genellikle olağan parazit programlarını başlatmaz - bazıları bu şekilde tasarlanmıştır, diğerleri kazara bir arıza nedeniyle. Aynı zamanda, DNA'ları (veya daha önce DNA'ya dönüştürülmüş RNA) konakçının kromozomlarına entegre olabilir ve hücrenin kendisinin birçok geni arasında kaybolarak burada saklanabilir. Bazen viral genom yeniden aktif hale gelir ve bazen de nesilden nesile aktarılarak böyle gizli bir formda kalır.

Bu endojen retrovirüslerin kendi genomumuzun yüzde 5-8'ini oluşturduğuna inanılıyor. Değişkenlikleri artık o kadar büyük değil - hücresel DNA o kadar hızlı değişmiyor ve çok hücreli organizmaların yaşam döngüsü saatler değil onlarca yıla ulaşıyor. Bu nedenle hücrelerinde depolanan fragmanlar, virüslerin geçmişi hakkında değerli bir bilgi kaynağıdır.

Ayrı ve daha da genç bir alan, virüslerin proteomikleridir - proteinlerinin incelenmesi. Sonuçta, herhangi bir gen, belirli işlevleri yerine getirmek için gerekli olan belirli bir protein molekülünün sadece bir kodudur. Bazıları viral zarfı katlayan Lego parçaları gibi "uyar", diğerleri viral RNA'yı bağlayabilir ve stabilize edebilir ve yine de diğerleri enfekte bir hücrenin proteinlerine saldırmak için kullanılabilir.

Bu tür proteinlerin aktif bölgeleri bu işlevlerden sorumludur ve yapıları çok muhafazakar olabilir. Evrim boyunca büyük bir istikrarı korur. Genlerin tek tek parçaları bile değişebilir, ancak protein bölgesinin şekli, içindeki elektrik yüklerinin dağılımı - istenen işlevin performansı için kritik olan her şey - neredeyse aynı kalır. Bunları karşılaştırarak, en uzak evrimsel bağlantılar bulunabilir.