_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Category:

10.2 ВИРУСНОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЯДРА

Однако, этот сценарий не объясняет всех особенностей эукариотических клеток. Непонятно, как переход археи к фагоцитозу и обзаведение симбионтами могли способствовать появлению, например, полового размножения и мейоза. Не очень понятно происхождение линейных хромосом. И уж совсем странной оказывается такая деталь эукариотической системы трансляции, как кэпы матричных РНК. Кэп — это остаток 7-метилгуанина, пришитый к 5' концу мРНК специальным 5'-5' трифосфатным мостиком. Он требуется для начала трансляции на эукариотической рибосоме — без него рибосома не может связаться с мРНК. Для узнавания кэпа служит специальный фактор инициации eIF4E, не имеющий гомологов у прокариот. Важно, что из-за наличия кэпа и eIF4E эукариоты не имеют полицистронных мРНК, кодирующих несколько белков одновременно, с последовательно расположенными рамками считывания. Переход к кэпированным мРНК у прото-эукариота потребовал бы массированной перестройки генома, распада всех оперонов и появления тысяч новых промоторов для индивидуализирующихся генов. Сложно представить себе причину, по которой это было бы адаптивно для протоэукариотической клетки, и еще сложнее найти причину, по которой система пришивания и узнавания кэпа вообще возникла.



5'_cap_structure

Структура 5' кэпа мРНК (c wikipedia.org)

Эти особенности эукариот находят объяснение в вирусной теории происхождения ядра — пока далеко не общепринятой, но интересной (Bell, 2001, 2006, 2009). Ее автор, австралийский ученый Филипп Белл, основывался на сходстве эукариотического ядра с некоторыми крупными ДНК-вирусами. Такие вирусы, например, поксвирусы (к ним относится возбудитель оспы) и мимивирусы (недавно открытая группа вирусов-паразитов морских водорослей), имеют крупный и сложный вирион, покрытый несколькими мембранами. Самая внешняя мембрана сливается с плазматической мембраной клетки при заражении, и в цитоплазму попадает вирион, окруженный двумя внутренними мембранами. Эти мембраны местами сливаются между собой, образуя некое подобие ядерных пор, и подостланы изнутри белками капсида, аналогичными белкам ядерной ламины. В такой форме вирус долго существует в цитоплазме, в нем происходит транскрипция, кэпирование и полиаденилирование РНК, экспорт зрелых РНК в цитоплазму через поры вириона. Геном таких вирусов представлен линейной двухцепочечной ДНК длиной до 200 тысяч пар нуклеотидов у поксвирусов и более миллиона — у мимивирусов, на концах у нее имеются тандемные короткие повторы, похожие на эукариотические теломеры и выполняющие ту же функцию защиты концов при репликации. Для репликации ДНК эти вирусы разбирают вирион, а по мере накопления вирусной ДНК в цитоплазме клетки собираются новые вирионы, окружающиеся впячиваниями плазматической мембраны. Кэпирование, полиаденилирование, а часто и синтез дезоксирибонуклеотидов и восстановление рибозы при размножении этих вирусов происходит силами их собственных ферментов, без участия клеточных белков.

Филогенетический анализ гуанилил-трансфераз (ферментов пришивания кэпа) показывает, что ферменты современных вирусов образуют на дереве единую самостоятельную ветвь, а ферменты эукариот — другую. Перемешивания между ними нет, хотя оно должно было быть, если бы вирусы многократно заимствовали свои ферменты кэпирования из клеток хозяев. Дерево гуанилил-трансфераз можно укоренить по родственным белкам (АТР-зависимым ДНК-лигазам), и оказывается, что корень дерева находится среди вирусных белков — гуанилил-трансфераза вируса ASF (African swine fever) ближе к эукариотическим, чем к другим вирусным. Это доказывает, что кэпирование мРНК, как и другие инновации в генетических системах, появилось сначала среди вирусов и лишь затем было заимствовано эукариотами. Для вирусов, в отличие клеток, есть очевидная выгода в создании такой системы: белок-предок eIF4E присоединяется к рибосомам хозяина и они узнают только кэпированные вирусные мРНК, останавливая синтез собственных белков хозяина. Аналогично, полиаденилирование РНК продлевает их существование в цитоплазме и тоже могло быть сначала адаптацией вируса.

Ключевым моментом в превращении вируса в ядро должен был быть переход такого вируса в лизогенное состояние. Многие вирусы способны переключаться между литическим жизненным циклом (быстрое размножение с гибелью клеток хозяина) и лизогенным существованием — скрытой инфекцией, практически не влияющей на жизнеспособность хозяина. Лизогенное состояние достигается двумя способами: можно интегрировать свой геном в геном хозяина и пользоваться хозяйскими системами репликации, или можно, переключив активность вирусных генов, постоянно существовать в цитоплазме. В этом случае вирус временно превращается в плазмиду — автономную молекулу ДНК. Он тоже может пользоваться хозяйской системой репликации, но ему нужны собственные механизмы контроля количества копий. Если он будет отставать в репликации от генома хозяина, то деления хозяина будут часто порождать незараженные клетки, а если репликация вируса будет слишком активной, то он будет снижать жизнеспособность хозяина. Большинство лизогенных бактериофагов и крупные плазмиды поддерживают свое число копий минимальным и используют специальную систему разделения копий по дочерним клеткам. Эта система обычно включает в себя белок, обратимо полимеризующийся в нити, центромерные участки ДНК и второй белок, связывающий центромеры с нитями первого белка. Запуск полимеризации нитей растаскивает две копии плазмиды или вирусной ДНК по двум концам удлиненной делящейся клетки. У некоторых плазмид, например, R1, белок нитей отдаленно похож на актин. Плазмиды, не способные образовывать вирионы, имеют другой путь горизонтальной передачи в незараженные клетки — конъюгацию, образование специальных контактов между бактериальными клетками, по которым передается плазмидная ДНК. И конъюгативные плазмиды, и лизогенные вирусы обычно имеют способ отличить уже зараженные их собратьями клетки от «чистых», чтобы предотвратить бесполезное повторное заражение. Такое распознавание работает только в пределах близких видов вирусов, поэтому клетка может быть заражена одновременно несколькими разными лизогенными вирусами. Стабильная лизогенная инфекция несколькими вирусами требует, чтобы они использовали разные, несовместимые системы разделения копий по дочерним клеткам, иначе первое же деление клетки разносит разные лизогены по разным клеточным линиям.

Чтобы предполагаемый гигантский вирус мог размножаться и существовать лизогенно в цитоплазме археи, ему требовалось самостоятельно делать мембраны вирионов из плазматической мембраны хозяина. Современные поксвирусы пользуются хозяйскими белками, но у археи их еще не было. Современные бактериофаги с липидными оболочками, например PRD1, имеют специальные белки, которые полимеризуются на мембране в полусферические структуры, впячивая мембранные пузырьки.

Лизогенные вирусы, такие как N15, и плазмиды, как R1, уже имеют цикл размножения, напоминающий митоз: они реплицируются однократно, после чего две копии остаются связанными в центромерном регионе. Дальнейшая репликация блокируется до тех пор, пока полимеризация нитей не растащит две копии далеко друг от друга. Гигантский вирус-предок ядра, в отличие от N15 и R1, имел оболочку вириона. Поэтому ему приходилось разбирать оболочку на время репликации и деления и восстанавливать ее для транскрипции генов, что еще ближе к митозу.

Следующим шагом от вируса к ядру стала потеря литического пути размножения. Вирус оказался «в одной лодке» с хозяином и теперь давление отбора, во-первых, требовало минимизации вреда хозяину, во-вторых, создания механизма конъюгации для заражения новых хозяев. Второе было очень просто, так как вирус уже обладал белками, вызывающими слияние мембран: достаточно было перенести их с оболочки вириона на плазматическую мембрану, чтобы во-первых, получить возможность слияния клеток зараженного хозяина с незараженным, и во-вторых, улучшить способности хозяина к фагоцитозу за счет слияния двух собственых псевдоподий вокруг добычи. На этой стадии использование кэпов и eIF4E для подавления трансляции генов хозяина стало опасным и многие жизненно важные гены хозяина были перенесены в геном вируса под его управление. Современные мимивирусы содержат сотни генов, недавно перенесенных из генома хозяина, так что сценарий не выглядит нереальным. Затем кэпы пригодились для того, чтобы поставить под контроль транскрипцию огромного количества генов, проникавших в цитоплазму из перевариваемых клеток с переходом к фаготрофному питанию, и для подчинения протомитохондрий. В итоге кольцевой геном архейного предка исчез совсем, а митохондриальные геномы сократились до считанных десятков генов.

Происхождение мейоза и полового цикла требует взаимодействия между разными штаммами такого лизогенного вируса. Два штамма, достаточно разных, чтобы отличать друг друга от собственных копий, но еще с одинаковыми системами сегрегации, могли вызывать слияние мембран своих клеток с последующей репликацией обоих вирусных геномов. Идентичность центромер и центромер-связывающих белков приводила к тому, что все четыре генома оказывались склеены вместе по центромерам. Рекомбинационные белки, необходимые для достройки теломер, могли в этот момент вызывать рекомбинации между геномов разных штаммов, аналогичные кроссинговеру. Деление хозяйской клетки приводило к разделению вирусных геномов по 2 в каждую дочернюю клетку, они оставались связаны по центромере и не реплицировались. Второе деление хозяина окончательно разделяло вирусные геномы и разрешало их репликацию.

Вирусная теория происхождения ядра лучше других объясняет такие особенности эукариот, как кэпирование и полиаденилирование мРНК, отсутствие оперонов, митоз, и, возможно, мейоз с половым процессом. Она так же дает объяснение происхождения систем слияния мембран и отшнуровки мембранных пузырьков. К сожалению, для ее серьезной проверки нужно изучение архейных вирусов, которые и сейчас остаются практически «terra incognita». Например, решающим доказательством было бы обнаружение у архейных вирусов кэпов, или гомологов механизмов мейоза.

Литература:

Марков, А., Куликов, А. Происхождение эвкариот: выводы из анализа белковых гомологий [WWW Document]. URL http://evolbiol.ru/markov_kulikov.htm

Марков, А., Куликов, А. Происхождение эукариот как результат интеграционных процессов в микробном сообществе. [WWW Document]. URL http://evolbiol.ru/dok_ibr2009.htm

Bell, P.J., 2001. Viral eukaryogenesis: was the ancestor of the nucleus a complex DNA virus? J. Mol. Evol. 53, 251–256.

Bell, P.J.L., 2006. Sex and the eukaryotic cell cycle is consistent with a viral ancestry for the eukaryotic nucleus. J. Theor. Biol. 243, 54–63.

Bell, P.J.L., 2009. The viral eukaryogenesis hypothesis: a key role for viruses in the emergence of eukaryotes from a prokaryotic world environment. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1178, 91–105.

Bernander, R., Lind, A.E., Ettema, T.J.G., 2011. An archaeal origin for the actin cytoskeleton: Implications for eukaryogenesis. Commun Integr Biol 4, 664–667.

Fuerst, J.A., Sagulenko, E., 2012. Keys to eukaryality: planctomycetes and ancestral evolution of cellular complexity. Front Microbiol 3, 167.

Guy, L., Ettema, T.J.G., 2011. The archaeal “TACK” superphylum and the origin of eukaryotes. Trends Microbiol. 19, 580–587.

Makarova, K.S., Yutin, N., Bell, S.D., Koonin, E.V., 2010. Evolution of diverse cell division and vesicle formation systems in Archaea. Nat. Rev. Microbiol. 8, 731–741.

Mus, F., Dubini, A., Seibert, M., Posewitz, M.C., Grossman, A.R., 2007. Anaerobic Acclimation in Chlamydomonas reinhardtii. Journal of Biological Chemistry 282, 25475 –25486.

Nunoura, T., Takaki, Y., Kakuta, J., Nishi, S., Sugahara, J., Kazama, H., Chee, G.-J., Hattori, M., Kanai, A., Atomi, H., Takai, K., Takami, H., 2011. Insights into the evolution of Archaea and eukaryotic protein modifier systems revealed by the genome of a novel archaeal group. Nucleic Acids Res 39, 3204–3223.

Tielens, A.G.M., Rotte, C., van Hellemond, J.J., Martin, W., 2002. Mitochondria as we don’t know them. Trends in Biochemical Sciences 27, 564–572.

Yutin, N., Koonin, E.V., 2012. Archaeal origin of tubulin. Biol. Direct 7, 10.

Yutin, N., Wolf, M.Y., Wolf, Y.I., Koonin, E.V., 2009. The origins of phagocytosis and eukaryogenesis. Biol. Direct 4, 9.



Tags: происхождение жизни
Subscribe

  • (no subject)

    Но есть и хорошие новости: "Всенаука" выложила в открытый доступ более 40 научно-популярных книг. В том числе и мою! Теперь их можно…

  • (no subject)

    Уважаемый combinator30 опубликовал наше с ним обсуждение моей книги "От туманности до клетки". Он задал много замечательных…

  • Пиар

    На портале "Чердак" вышло мое интервью: Из грязи в люди: Как минералы помогли зарождению жизни на Земле

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 37 comments

  • (no subject)

    Но есть и хорошие новости: "Всенаука" выложила в открытый доступ более 40 научно-популярных книг. В том числе и мою! Теперь их можно…

  • (no subject)

    Уважаемый combinator30 опубликовал наше с ним обсуждение моей книги "От туманности до клетки". Он задал много замечательных…

  • Пиар

    На портале "Чердак" вышло мое интервью: Из грязи в люди: Как минералы помогли зарождению жизни на Земле