Создали ли вирусы ядро? Ответ, возможно, уже близок.

Неортодоксальная симбиотическая теория происхождения определяющей характеристики эукариот вскоре может быть проверена на практике. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Несмотря на различия между клетками животных, растений, грибов и простейших, все они обладают одной важной особенностью: ядром. У них есть и другие органеллы, например, митохондрии, вырабатывающие энергию, но именно наличие ядра — четко выраженного пористого мешочка, заполненного генетическим материалом, — вдохновило биолога Эдуарда Шаттона в 1925 году на введение термина «эукариоты», обозначающего живые организмы с «настоящим ядром». Все остальные он назвал прокариотами, от слова «жизнь до ядра». Это разделение между жизнью с ядром и без ядра стало основополагающим для биологии.

Никто точно не знает, как эволюционировало ядро и как произошло это деление. Однако всё больше данных убеждает некоторых исследователей в том, что ядро могло возникнуть в результате симбиотического партнерства, подобного тому, которое, как считается, привело к образованию митохондрий. Однако ключевое различие заключается в том, что партнером, ответственным за образование ядра, могла быть вовсе не клетка, а вирус.

«Мы [эукариоты] — классический пример того, что называют эмерджентной сложностью», — объяснил Филип Белл, руководитель исследовательского отдела компании MicroBioGen, занимающейся биотехнологиями на основе дрожжей. Белл еще в 2001 году предположил вирусное происхождение эукариотического ядра и обновил эту теорию в сентябре. «Это три организма, которые объединились, чтобы создать новое сообщество, которое в конечном итоге интегрировалось до такой степени, что фактически стало новой формой жизни».

Он и другие исследователи черпают уверенность из таких открытий, как демонстрация того, что гигантские вирусы строят «вирусные фабрики» внутри прокариотических клеток — компартменты, которые, подобно ядру, разделяют процессы транскрипции (считывания генов) и трансляции (конструирования белков). «Я думаю, что сейчас это самая убедительная модель», — сказал он.

Большинство исследователей, изучающих происхождение эукариот, могут с ним не согласиться; некоторые до сих пор считают эту идею маргинальной. Но сторонники вирусного происхождения указывают на то, что ряд недавних открытий удобно согласуется с вирусной моделью, и они считают, что убедительные доказательства в их пользу наконец-то стали доступны.

Вирусный подарок или мошенничество

Ученые в целом считают, что эукариоты впервые появились от 2,5 до 1,5 миллиарда лет назад, когда, согласно имеющимся данным, бактерия поселилась внутри другого вида прокариот, археи, и стала ее митохондрией. Но более глубокая загадка окружает появление ядра; никто даже не знает, была ли эта древняя архея уже своего рода протоэукариотом с ядром, или же ядро появилось позже.

Любая история происхождения эукариотического ядра должна объяснять несколько его особенностей. Начнём с природы его структуры: вложенные друг в друга внутренняя и внешняя мембраны, а также поры, соединяющие его внутреннюю часть с остальной клеткой. Есть также любопытный способ, которым оно разделяет экспрессию генов внутри себя, но оставляет синтез белков снаружи. И, наконец, по-настоящему убедительная история происхождения должна объяснить, почему ядро вообще существует — какие эволюционные факторы заставили эти древние клетки изолировать свои геномы.

На протяжении большей части прошлого столетия и даже дольше предположения о происхождении ядра не давали ответа, по крайней мере, на один из этих вопросов. Но примерно на рубеже XXI века два исследователя независимо друг от друга пришли к идее, что за ядро отвечают вирусы.

В Японии Масахару Такемура (тогда научный сотрудник Нагойского университета) изучал биохимию ДНК-полимераз — ферментов, которые клетки используют для копирования ДНК, — когда заинтересовался их эволюцией. «Я провел филогенетический анализ ДНК-полимераз, включая эукариотические, бактериальные, архейные и вирусные», — вспоминает Такемура, ныне молекулярный биолог и вирусолог Токийского университета науки, в электронном письме. Его анализ показал, что одна группа вирусов (поксвирусы) имела ДНК-полимеразы, которые были удивительно похожи на один из основных классов полимераз эукариот. Он предположил, что эукариотический фермент возник как вклад какого-то древнего поксвируса.

Такемура также знал, что поксвирусы создают и размножаются внутри компартментов в клетках, которые они инфицируют. Сочетание этих фактов привело его к теории о том, что ядро эукариотической клетки произошло от одного из этих предковых компартментов поксвирусов — предположение, которое он опубликовал в журнале «Journal of Molecular Evolution» в мае 2001 года.

Тем временем в Австралии Белл пришел к аналогичному выводу, но по другим причинам. Будучи аспирантом в начале 1990-х годов, он заинтересовался теориями происхождения ядра, особенно идеей о том, что, подобно митохондриям, оно могло возникнуть как эндосимбионт. «Пять минут размышлений, и я подумал: „Боже мой, если это эндосимбионт, то это точно не бактериальный“», — вспоминал он. Он считал, что между бактериальными и эукариотическими геномами слишком много различий, например, тот факт, что у эукариот линейные хромосомы, а у бактерий, как правило, кольцевые.

Но, изучив вирусные геномы, он обнаружил поразительное сходство между структурой генома поксвирусов и эукариот. «Мне потребовалось девять лет, чтобы опубликовать первую версию модели», — отметил он. Затем последовало 18 месяцев переговоров, чтобы опубликовать статью в «Журнале молекулярной эволюции»… через четыре выпуска после статьи Такемуры.

Теперь, спустя почти 20 лет, и Такемура, и Белл независимо друг от друга обновили свои гипотезы. Пересмотренная версия Такемуры была опубликована в онлайн-журнале Frontiers in Microbiology 3 сентября, версия Белла — в Virus Research 20 сентября. «Он снова меня подловил», — сказал Белл, смеясь.

Оба учёных назвали недавние открытия, касающиеся необычайной группы «гигантских вирусов», одной из главных причин обновления гипотез. Эти вирусы были совершенно неизвестны, когда Такемура и Белл опубликовали свои первоначальные гипотезы. Их геномы, содержащие более 1 миллиона пар оснований, по размеру сопоставимы с геномами небольших свободноживущих бактерий, и они содержат вирусные версии генов белков, участвующих в важных клеточных процессах. (Есть некоторые свидетельства того, что эукариотические версии нескольких из этих белков произошли от этих вирусов.)

Но самое важное, что эти гигантские вирусы размножаются внутри сложных, самоорганизующихся компартментов в цитоплазме клетки-хозяина, поэтому эти вирусы, как и поксвирусы, классифицируются как нуклеоцитоплазматические крупные ДНК-вирусы (NCLDV). Для этих гигантских вирусов создаваемые ими компартменты представляют собой «вирусные фабрики размером с эукариотическое ядро», — говорит Патрик Фортерр, эволюционный биолог из Института Пастера в Париже. Показательно, что вирусные фабрики, создаваемые NCLDV, которые инфицируют эукариоты, также имеют внутреннюю и внешнюю мембраны, как и ядро. По словам Фортерра, Такемура и Белла, именно гигантские вирусы ответственны за происхождение ядра.

По словам Фортерра, существует два возможных способа происхождения ядра из гигантских вирусов. «Либо вирусные фабрики стали ядром, либо протоэукариотические клетки… научились у вируса создавать своего рода вирусные фабрики для защиты хромосом», — сказал он.

Такемура считает, что более вероятен второй вариант: вирус скорее непреднамеренно повлиял на эукариотические клетки, выступив одновременно стимулом для построения археем генетического барьера и источником некоторых генов, необходимых для его создания.

Согласно его гипотезе, давным-давно гигантский вирус построил вирусную фабрику, заключив в неё свой собственный геном, а также геном своего хозяина-архея. Но в отличие от большинства заражённых клеток, этому хозяину удалось перенять у вируса его способность создавать барьеры и построить собственный отсек — тот, который защищал его геном от вируса. Со временем этот полупостоянный барьер эволюционировал в ядро, каким мы его знаем сегодня.

Белл предпочитает версию, в которой вирусная фабрика непосредственно становится ядром, поскольку этот процесс более точно отражает известное поведение вирусов, которые сегодня заражают прокариоты. «Они больше похожи на фильм «Вторжение похитителей тел», — сказал он.

Он считает, что древний гигантский вирус заразил архею и создал вирусную фабрику, но не убил клетку-хозяина. Вместо этого структура сохранилась. «А затем вирус, который является похитителем генов, украл гены у архей и полностью уничтожил их геном», — объяснил он. Это распространенная закономерность для вирусов, особенно гигантских — они забирают гены у своих хозяев, что делает их менее зависимыми от них. Это может даже помочь объяснить, почему так много митохондриальных генов переместилось в ядро: «За эти годы он начал красть гены из митохондрий и контролировать их тоже».

Таким образом, в некотором смысле, «вирус просто носит клетку археи как плащ», — сказал Белл. И если эта модель верна, отметил он, «можно сказать, что в основе каждой человеческой клетки лежит вирус».

Спорное происхождение

С момента первых публикаций Такемуры и Белла ряд открытий хорошо согласуется с идеей вирусного происхождения ядра. Например, были обнаружены целые ветви гигантского генеалогического древа вирусов, что расширило наше понимание их эволюции и, в частности, тех важных генов, которыми они обменивались со своими хозяевами — генов, которые они украли или, в некоторых случаях, возможно, передали клеткам.

Кроме того, в 2017 году исследователи обнаружили вирус, который построил вирусную фабрику внутри бактерии-хозяина. До этого момента вирусные фабрики считались характерными исключительно для вирусов, поражающих эукариоты, поэтому обнаружение такой фабрики у прокариота укрепило идею о том, что нечто подобное могло произойти давным-давно, положив начало формированию ядра.

В случае с этим вирусом, «эта ядроподобная структура не имеет мембранной основы», — сказал Такемура, — что отличает ее от многих вирусных фабрик и эукариотических ядер. Тем не менее, он считает, что этот случай создания вирусом защитного «компартмента» вокруг своего генома внутри прокариотических клеток «убедительно свидетельствует о том, что в [предковой] эукариотической клетке… могла происходить аналогичная компартментализация вирусом».

В этом году исследователи обнаружили поры в двухмембранных вирусных фабриках коронавирусов, которые поразительно напоминают поры, обнаруженные в клеточных ядрах. «Если этот результат подтвердится, и если предположить, что порообразующий белок не произошел из эукариотического генома, то это ослабит один из аргументов против вирусной модели», — написал в электронном письме Дэвид А. Баум, эволюционный биолог из Университета Висконсина в Мэдисоне.

Тем не менее, Баум не разделяет идею о том, что вирусы имели какое-либо отношение к происхождению ядра. По его мнению, эта идея только усложняет ситуацию. «Какая проблема в эукариогенезе требует вирусов в качестве решения?» — писал он.

Баум вместе со своим двоюродным братом Баззом Баумом, клеточным биологом из Университетского колледжа Лондона, предложили другую гипотезу: ядро на самом деле является остатком внешней мембраны предковой археи. По сути, они считают, что предковая архея начала взаимодействовать с бактериями через эти исследовательские выпячивания мембраны. Со временем эти выпячивания росли и росли, пока снова не слились воедино, образовав новую внешнюю мембрану и складки внутренней мембраны, которые дали начало другим внутриклеточным компартментам. «Ближайшие известные ныне живущие родственники эукариот имеют обширные внеклеточные выступы», которые взаимодействуют с прокариотами, — отметил Дэвид Баум, — «что очень удивительно похоже на предложенную нами модель».

Что касается доказательств того, что вирусы передали эукариотам некоторые из их важнейших ядерных белков, его главная обеспокоенность заключается в том, что очень трудно с уверенностью сказать о направленности этого процесса. «Вирусы — это настоящие клептоманы, — сказал он, — поэтому они постоянно забирают гены у своих хозяев. Я думаю, нам нужно очень осторожно задаваться вопросом, находим ли мы сходства между вирусами и эукариотами. Мы не знаем, передали ли они это эукариотам, или эукариоты передали это им».

Пурификасьон Лопес-Гарсия, микробиолог-эколог из Университета Париж-Сакле и директор по исследованиям во Французском национальном центре научных исследований, также не убеждена в том, что эукариоты зависят от белков, которые изначально были вирусными. «Нет никаких доказательств существования какой-либо гомологичной связи между вирусами и клеточными и эукариотическими ядрами», — сказала она.

Однако Лопес-Гарсия не согласна и с моделью образования пузырей, предложенной Баумами. Она и её коллеги не считают, что эукариоты возникли из археона, поглотившего бактерии, которые впоследствии стали митохондриями. Вместо этого, по их мнению, археон уже жил внутри более крупной бактерии, что стало результатом более раннего эндосимбиотического события. «Таким образом, в нашей модели ядро происходит от этого археона, а цитоплазма — от бактерии», — объяснила она, добавив, что эта пара бактерий поглотила будущие митохондрии.

Но Такемура утверждает, что эти другие гипотезы ошибочны, поскольку в лучшем случае они «объясняют лишь феномен возникновения ядра» — им не хватает эволюционного обоснования того, почему геном был заключен в «коробку» и почему были исключены части, отвечающие за синтез белков. Это также является камнем преткновения для Белла: он не понимает, как какая-либо из других гипотез объясняет разделение транскрипции и трансляции.

По словам Фортерра, вирусное происхождение кажется наиболее логичным и подкреплено самыми убедительными доказательствами. «Я не думаю, что они действительно серьезно относятся к этим противоположным теориям», — сказал он. «Я бы сказал, что вирусы играют в этой истории важную роль».

Ожидает открытия

Потребуется гораздо больше доказательств, чтобы убедить таких ученых, как Баумы и Лопес-Гарсия, согласиться с точкой зрения Фортерра. Но достижения в области технологий за два десятилетия, возможно, наконец-то приближают получение этих доказательств.

В этом году японские исследователи объявили, что после более чем десяти лет попыток им наконец удалось выделить и культивировать Lokiarchaeota — археи, которые, как считается, входили в состав первоначального эукариотического сообщества. Это может открыть путь к обнаружению вирусов, поражающих этих далеких родственников, и к визуализации того, как именно выглядят эти инфекции.

«Если бы вы обнаружили новый класс вирусов, поражающих локиархеи, которые проникали бы внутрь клеток, обосновывались там и открывали поры для облегчения быстрого потока транскриптов в цитоплазму, — это было бы [более] убедительным» доказательством того, что вирусы дали начало ядру, — сказал Дэвид Баум.

Белл отметил, что недавно из тех же самых глубоководных отложений, где были обнаружены локиархеи, было секвенировано множество гигантских вирусов. Он надеется, что кто-нибудь проверит, могут ли какие-либо из этих вирусов заражать археи и, если да, то создают ли они вирусные фабрики, подобные тем, которые создают вирусы NCLDV, заражающие эукариоты. Доказать это, по его словам, означало бы «конец игры».

Такемура также надеется на существование подобного вируса. «Открытие архейных вирусов, которые строят в архейных клетках структуры, подобные ядру и имеющие мембранную основу, станет самым убедительным доказательством вирусного происхождения ядра», — сказал он.

Пока не появятся подобные экстраординарные доказательства, вирусный эукариогенез, вероятно, останется предметом споров. Но даже если он не получит признания, каждая проверка этой теории раскрывает фрагменты нашего эволюционного прошлого — и благодаря этому мы всё ближе и ближе к познанию истины о нашем происхождении.

Источник: www.quantamagazine.org