Структурата на вирусите, както и стратегиите им за възпроизвеждане също са разнообразни. Статията е публикувана в сп. "Природа" на БАН.

Статията е публикувана в сп. "Природа" на БАН.

Еволюционната история на вирусите е много увлекателна, макар и недостатъчно изяснена. Днес, 120 години след откриването на вирусите, е трудно да се намерят категорични консенсусни критерии за класификация и поставянето им на „точното място” в „дървото на живота”. Една от причините за това е голямото им разнообразие; друга – неуточненият им произход; трета – противоречивата им природа (предшественици на живата материя, древни свободно-живеещи организми, превърнали се в паразити, или специализирани подвижни генетични елементи...).

Какъв е произходът на вирусите? Рационализирана форма на нещо, което е съществувало отдавна, или кулминация в постепенното развитие на по-малки генетични елементи, до съставяне на функционален микроорганизъм?

Към момента са описани 2 480 вируса, класифицирани в 395 рода, 94 семейства и 6 разреда (Lefkowitz E., 2011). Интересно е, че някои вируси съхраняват генетичната си информация в РНК-ов геном, който може да е едноверижен (ретровируси) или двуверижен (реовируси), докато при други, геномът е ДНК-ов и също може да бъде едноверижен (парвовируси, анеловируси) или двуверижен (аденовируси, папиломни и полиомни вируси).

Структурата на вирусите, както и стратегиите им за възпроизвеждане също са разнообразни. Все пак, вирусите притежават и съществени общи характеристики: (а) големина между 30 и 300 нанометра в диаметър; (б) възможности за репродукция само в живи клетки; (в) отсъствие на рибозоми, които са необходим компонент за синтез на белтъци; (г) липса на система за генериране на собствена енергия, необходима за поддържане на живота...

Фактът, че нямат рибозоми и собствени енергийни източници, основателно поражда въпроса: живи ли са вирусите? Отговорът не е лесен, защото е свързан с разбирането на самото понятие „живот”. Всички живи организми притежават няколко специфични свойства: те могат да растат, да се възпроизвеждат, да поддържат вътрешна хомеостаза, да реагират на стимули и да извършват различни метаболитни процеси. Освен това, живите популации се развиват във времето. Отговарят ли вирусите на тези критерии? И да, и не.

Да, вирусите се възпроизвеждат: ние се заразяваме, вдишвайки или поглъщайки малка доза вирусни частици и известно време след това (дни, седмици, или месеци), се разболяваме (грип, варицела, хепатит), защото вирусите се възпроизвеждат (намножават) в тялото ни. Да, вирусите се променят (развиват) с течение на времето. Това е основната причина да се ваксинираме всяка година срещу грипен вирус – следващият сезон той е еволюирал (Nelson & Holmes 2007). Следователно, вирусите са живи...

От друга страна обаче, във вирусите не протичат метаболитни процеси (те не могат да генерират аденозин-три-фосфат, ATP), което ги отличава от живите организми. Освен това, вирусите не разполагат с необходимата „техника за превод” на съдържащата се в тях генетична информация за белтъчно синтезиране (нямат рибозоми, поради което не могат самостоятелно да генерират белтък от молекулите на иРНК). Строго погледнато, това е достатъчно, вирусите да бъдат определени като неживи... Още повече, че структурата на някои вируси поразително наподобява структурата на кристал (фиг. 1), а понятията “живот” и “кристал” трудно се съвместяват...

(а)

(б) 

Фигура 1. (а) Електронно-микроскопска снимка на вируси; (б) Крио-електроннимикрографии на човешки вируси; (в) Различни кристали

Има и трета страна: въпреки изброените специфични характеристики и ограничения, вирусите се възпроизвеждат в живата клетка-гостоприемник. Това ги определя като облигатни вътреклетъчни паразити, т.е. живи. Къде е истината? Възможно ли е вирусите да имат двойствена природа - едновременно да са и живи, и неживи? А може би вирусите представляват различен клон (вид) в „дървото на живота”? Преди години дори е било предложено наименованието “вирус” да бъде заменено с термина „молекизъм” - нещо средно между молекула и организъм...

Днес се твърди, че ако организмите се разделят на две големи групи (Фиг. 2): такива, които кодират рибозоми (бактерии, археи и еукариоти) и такива, които кодират капсид (вируси), то вирусите са се „специализирали” да паразитират по бактерии, археи, еукариоти и дори ... по вируси – „вирофаги” (Desnues C, et al., 2012).

Фигура 2.Схема на вирусите в„дървото на живота”.

Интересни находки бяха представени през последните години, които илюстрират една нова, неизвестна досега група особено големи, гигантски вируси (Фиг. 3), наречени мимивируси (La Scola et al. 2003). За сравнение, най-големият известен доскоро вирус (причинителят на вариолата) е с размер 200 - 300 nm, докато мимивирусите имат диаметър от 750 nm (Xiao et al. 2005). Някои предлагат тези гигантски вируси да се наричат „Гируси”...

Фигура 3.Електронна микрография на мимивирус, „нападнат”от вирофаги.

Съвременната представа за вирусите е, че те са субмикроскопични вътреклетъчни паразити, притежаващи редица от фундаменталните свойства на живата материя - размножаване, наследственост, изменчивост, еволюция, химичен състав (белтъци, нуклеинови киселини) и т.н. Зрелите вирусни частици, наричани още вириони, представляват форма на живот, приспособена да устои на въздействието на неблагоприятните условия извън клетката, поради което те не проявяват жизнени признаци вън от нея. Когато обаче, попаднат в чувствителна (възприемчива) клетка, вирионите преминават във вегетативна форма на съществуване. Начинът на вирусното размножаване (репликация) е уникален – отделните елементи се синтезират поотделно в клетката и накрая се самосглобяват в нови (дъщерни) вирусни частици. Самото „производство” на вирусната частица, може да протече по различни начини и крайният продукт да се окаже различен. Описани са както „празни” вириони (такива, които не съдържат нуклеинова киселина), така и „псевдовириони”, съдържащи клетъчна нуклеинова киселина. Наскоро беше въведен и терминът „витерия” (viteria), нещо средно между вирус и бактерия, за да бъде описана вирусна инфекция на еукариотната клетка, сдобила се със секвенции от бактериални гени. Предполага се, че витерия е причинител на т.нар. синдром на хроничната умора (fatigue syndrome). Този нов патогенен агент е подложен на широка дискусия и поради все още неизяснения му капацитет да придобива клетъчни гени с потенциална онкогенна активност.

Сред най-обсъжданите въпроси е този за произхода на вирусите. Фактът, че се дискутират поне три възможни хипотези говори сам за себе си... Някои считат, че вирусите са произлезли от древни доклетъчни форми на живот. Да, обаче вирусите живеят само вътреклетъчно, т.е. не може да са произлезли преди клетката... Все пак, не е трудно да си представим евентуално успоредно развитие на вируси и доклетъчни форми, взаимодействието между които ги обогатява и диференцира в хода на еволюцията.

Според друга хипотеза, вирусите са произлезли от свободно живеещи микроорганизми, постепенно приспособени към вътреклетъчен паразитен начин на живот. Тази хипотеза се гради на логичната аналогия с хипотезата за произхода на митохондриите и хлоропластите, обаче аналогията сама по себе си няма доказателствена сила... С усъвършенстването на технологиите стана ясно, че някои клетъчни и вирусни генетични структури имат поразително сходство. Това е дало основание да се изгради хипотезата, че вирусите са автономни генетични системи, произлезли от някои клетъчни органели (клетъчни генетични структури). Сливането (интеграцията) на вирусния геном с хромозомата се разглежда като следа на някогашна органична цялост на двете структури (хромозоми-плазмиди). Това обаче, може да се интерпретира и в обратен смисъл – като доказателство за вирусния произход на някои клетъчни структури. На фиг. 4 е представено мястото на вирусите сред другите биоструктури, според големината им.

Фигура 4.Вирусите,сравнени с други клетки и биомолекули

Има и четвърта вероятност: вирусите да са космически пришълци. Всъщност, това е част от теорията за панспермията, според която жизнеспособни микроорганизми са пренесени от една планета до друга, нашата...

Всяка хипотеза има аргументи “за” и “против”, при това е повече или по-малко вярна за различна вирусна група. Най-вероятно, вирусите произлизат от по-късни форми на живата материя. Обаче, би могло да се мисли и за още по-древен произход на вирусите. Предполага се, че в хода на химичната еволюция, след образуването и натрупването на полимерни молекули, е станал възможен биологичният акт на репликация на някои от тези молекули, напр. репликация на РНК-вериги без помощта на ензими. Така възникналите реплициращи се структури (пробионти) са се натрупали като “първичната зародишна плазма”. Взаимодействието между пробионтите и тяхната по-нататъчна диференциация и интеграция са могли да доведат до обособяване и развитие на по-прогресивни и по-усъвършенствани биологични обекти (бионти и макробионти) – от които са се образували вирусите.

Често се твърди, че вирусите са междинното звено, свързващо неживата с живата материя, че те са едва ли не първичните жизнени форми на Земята. Изглежда, че вирусите са се обособили значително по-късно от възникването на първичните реплициращи се живи обекти. От друга страна, наивно е да се мисли, че вирусите биха могли да възникнат при “благоприятни условия” и днес, защото не може да се създаде за кратко време или случайно онова, за чието образуване са били необходими милиарди години.

Въпросите са много, но убедителни отговори засега липсват... Само системното сравнително проучване на генетичните структури и свойства на познатите ни вируси и съответните им клетъчни структури, може да ни разкрие възможните еволюционни връзки между тях и да освети вероятните пътища и механизми за тяхното образуване, което е обект на еволюционната вирусология.

Литература

Bell P. J. L. (2001). Viral eukaryogenesis: Was the ancestor of the nucleus a complex DNA virus? Journal of Molecular Evolution 53: 251–256 doi:10.1007/s002390010215.

Desnues C, Boyer M, Raoult D. (2012). Sputnik, a virophage infecting the viral domain of life. Adv Virus Res. 82: 63-89.

Koonin E. V. & Martin, W. (2005). On the origin of genomes and cells within inorganic compartments. Trends in Genetics 21: 647–654.

Lander E. S. et al. (2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409: 860–921 doi:10.1038/35057062.

La Scola B. et al. (2003). A giant virus in Amoebae. Science 299: 2033 doi:10.1126/science.1081867.

Lefkowitz E. (2011) Taxonomy and classification of viruses. In: Manual of Clinical Microbiology, 10th Edition (PRINT) (ed. Versalovic J.); ASM Press; pp 1265-1275.

Prangishvili, D., Forterre, P. & Garrett, R. A. (2006). Viruses of the Archaea: A unifying view. Nature Reviews Microbiology 4, 837–848 doi:10.1038/nrmicro1527.

Raoult D. & Forterre, P. (2008). Redefining viruses: Lessons from mimivirus. Nature Reviews Microbiology 6: 315–319 doi:10.1038/nrmicro1858.

Villarreal L. P. & DeFilippis, V. R. (2000). A hypothesis for DNA viruses as the origin of eukaryotic replication proteins. Journal of Virology 74: 7079–7084.

Xiao C. et al. (2005). Cryo-electron microscopy of the giant Mimivirus. Journal of Molecular Biology 353: 493–496 doi:10.1016/j.jmb.2005.08.060.