Bí ẩn về nguồn gốc của virus

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Virus hầu như không còn sống. Tuy nhiên, nguồn gốc và sự tiến hóa của chúng thậm chí còn ít được hiểu hơn sự xuất hiện của các sinh vật tế bào "bình thường". Người ta vẫn chưa biết ai đã xuất hiện sớm hơn, những tế bào đầu tiên hay những con virus đầu tiên. Có lẽ họ đã luôn đồng hành cùng cuộc đời, như một cái bóng đầy tai ương.

Vấn đề là vi rút không hơn gì những đoạn của bộ gen (DNA hoặc RNA) được bao bọc trong một lớp áo protein. Họ không để lại dấu vết trong hồ sơ hóa thạch, và tất cả những gì còn lại để nghiên cứu quá khứ của họ là virus hiện đại và bộ gen của chúng.

So sánh, tìm ra điểm tương đồng và khác biệt, các nhà sinh vật học phát hiện ra các liên kết tiến hóa giữa các loại virus khác nhau, xác định các đặc điểm cổ xưa nhất của chúng. Thật không may, vi-rút luôn biến đổi và đa dạng một cách bất thường. Chỉ cần nhắc lại rằng bộ gen của họ có thể được biểu thị bằng chuỗi không chỉ DNA (như ở nước ta và, ví dụ, virus herpes), mà còn là một phân tử RNA liên quan (như trong coronavirus).

Phân tử DNA / RNA trong vi rút có thể ở dạng đơn hoặc phân đoạn thành nhiều phần, tuyến tính (adenovirus) hoặc vòng (polyomavirus), sợi đơn (Anellovirus) hoặc sợi kép (baculovirus).

Khoa học trực quan Virus cúm A / H1N1

Cấu trúc của các phần tử virus, đặc thù của vòng đời của chúng và các đặc điểm khác, có thể được sử dụng để so sánh thông thường, cũng không kém phần đa dạng. Bạn có thể đọc thêm về cách các nhà khoa học vượt qua những khó khăn này ở cuối bài đăng này. Bây giờ, chúng ta hãy nhớ điểm chung của tất cả các loại virus: chúng đều là ký sinh trùng. Không một loại vi rút nào được biết đến có thể tự thực hiện quá trình trao đổi chất mà không cần sử dụng các cơ chế sinh hóa của tế bào chủ.

Không có virus nào chứa ribosome có thể tổng hợp protein, và không có virus nào mang các hệ thống cho phép sản xuất năng lượng dưới dạng phân tử ATP. Tất cả những điều này khiến chúng trở nên bắt buộc, tức là ký sinh nội bào vô điều kiện: chúng không thể tự tồn tại.

Không có gì đáng ngạc nhiên rằng, theo một trong những giả thuyết đầu tiên và nổi tiếng nhất, các tế bào xuất hiện lần đầu tiên, và chỉ sau đó toàn bộ thế giới virus đa dạng mới phát triển trên đất này.

Một cách thụt lùi. Từ phức tạp đến đơn giản

Chúng ta hãy xem xét rickettsia - cũng là ký sinh trùng nội bào, mặc dù là vi khuẩn. Hơn nữa, một số phần trong bộ gen của chúng gần với DNA, được chứa trong ty thể của tế bào nhân thực, bao gồm cả con người. Rõ ràng, cả hai người đều có chung một tổ tiên, nhưng người sáng lập ra "dòng ty thể", lây nhiễm vào tế bào, không giết chết nó, mà vô tình được bảo quản trong tế bào chất.

Kết quả là, hậu duệ của vi khuẩn này bị mất một lượng lớn các gen không cần thiết và bị suy thoái thành các bào quan tế bào cung cấp phân tử ATP cho vật chủ để đổi lấy mọi thứ khác. Giả thuyết "hồi quy" về nguồn gốc của vi rút tin rằng sự suy thoái như vậy có thể đã xảy ra với tổ tiên của chúng: một khi các sinh vật tế bào độc lập và hoàn chỉnh, trải qua hàng tỷ năm sống ký sinh, chúng chỉ đơn giản là mất đi mọi thứ không cần thiết.

Ý tưởng cũ này đã được hồi sinh nhờ phát hiện gần đây về các loại virus khổng lồ như pandoravirus hoặc mimivirus. Chúng không chỉ rất lớn (đường kính hạt của mimivirus lên tới 750 nm - để so sánh, kích thước của virut cúm là 80 nm), mà chúng còn mang một bộ gen cực kỳ dài (1,2 triệu liên kết nucleotide trong mimivirus so với vài trăm in virus thông thường), mã hóa hàng trăm loại protein.

Trong số chúng cũng có các protein cần thiết cho việc sao chép và "sửa chữa" (sửa chữa) DNA, để sản xuất RNA thông tin và protein.

Những ký sinh trùng này ít phụ thuộc vào vật chủ hơn và nguồn gốc của chúng từ tổ tiên sống tự do trông thuyết phục hơn nhiều. Tuy nhiên, nhiều chuyên gia tin rằng điều này không giải quyết được vấn đề chính - tất cả các gen "bổ sung" sau này có thể xuất hiện từ những con virus khổng lồ, được mượn từ chủ nhân.

Rốt cuộc, thật khó để tưởng tượng một sự thoái hóa ký sinh có thể đi xa đến vậy và ảnh hưởng đến cả hình thức của vật mang mã di truyền và dẫn đến sự xuất hiện của virus RNA. Không có gì ngạc nhiên khi một giả thuyết khác về nguồn gốc của virus cũng được coi trọng không kém - điều hoàn toàn ngược lại.

Cấp tiến. Từ đơn giản đến phức tạp

Chúng ta hãy xem xét các retrovirus, có bộ gen là một phân tử RNA sợi đơn (ví dụ, HIV). Khi ở trong tế bào chủ, những virut như vậy sử dụng một loại enzym đặc biệt, enzym phiên mã ngược, chuyển nó thành ADN kép bình thường, sau đó thâm nhập vào "thánh của ruồi" của tế bào - vào nhân.

Đây là nơi một protein virus khác, integrationse, phát huy tác dụng và chèn các gen virus vào DNA của vật chủ. Sau đó, các enzym của chính tế bào bắt đầu làm việc với chúng: chúng tạo ra ARN mới, tổng hợp protein trên cơ sở của chúng, v.v.

Khoa học thị giác: Virus gây suy giảm miễn dịch ở người (HIV)

Cơ chế này tương tự như sự tái tạo của các yếu tố di truyền di động - các đoạn DNA không mang thông tin chúng ta cần, nhưng được lưu trữ và tích lũy trong bộ gen của chúng ta. Một số trong số chúng, retrotransposon, thậm chí có khả năng nhân lên trong đó, lan truyền với các bản sao mới (hơn 40% DNA của con người bao gồm các phần tử "rác" như vậy).

Đối với điều này, chúng có thể chứa các đoạn mã hóa cả hai enzym quan trọng - enzym phiên mã ngược và enzym tích hợp. Trên thực tế, đây là những retrovirus gần như được tạo sẵn, chỉ không có lớp áo protein. Nhưng việc mua lại nó là vấn đề thời gian.

Nhúng vào hệ gen ở đây và ở đó, các yếu tố di truyền di động có khả năng bắt giữ các gen vật chủ mới. Một số trong số chúng có thể thích hợp để hình thành capsid. Nhiều protein có xu hướng tự lắp ráp thành các cấu trúc phức tạp hơn. Ví dụ, protein ARC, đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của tế bào thần kinh, tự động gấp ở dạng tự do thành các phần tử giống như virus, thậm chí có thể mang RNA bên trong. Người ta cho rằng sự kết hợp của các protein như vậy có thể xảy ra khoảng 20 lần, làm phát sinh các nhóm vi rút hiện đại lớn khác nhau về cấu trúc vỏ của chúng.

Song song. Bóng tối của cuộc sống

Tuy nhiên, giả thuyết trẻ nhất và hứa hẹn nhất lại đảo lộn mọi thứ, cho rằng virus xuất hiện muộn hơn những tế bào đầu tiên. Cách đây rất lâu, khi sự sống còn chưa tiến xa, quá trình tiền tiến hóa của các phân tử tự sao chép, có khả năng tự sao chép, đã diễn ra theo kiểu "súp nguyên thủy".

Dần dần, các hệ thống như vậy trở nên phức tạp hơn, biến đổi thành các phức hợp phân tử lớn hơn và lớn hơn. Và ngay sau khi một số người trong số họ có được khả năng tổng hợp màng và trở thành tế bào proto, những người khác - tổ tiên của virus - trở thành ký sinh trùng của chúng.

Điều này xảy ra vào buổi bình minh của sự sống, rất lâu trước khi có sự phân tách của vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn. Do đó, các virut (và rất khác) của chúng lây nhiễm cho các đại diện của cả ba miền của thế giới sống, và trong số các virut có thể có rất nhiều loại chứa ARN: đó là ARN được coi là phân tử "tổ tiên", tự sao chép và tiến hóa. trong đó dẫn đến sự xuất hiện của sự sống.

Những virut đầu tiên có thể là những phân tử ARN “hung hãn” như vậy, sau này chỉ có những gen mã hóa vỏ bọc protein. Thật vậy, người ta đã chỉ ra rằng một số loại vỏ có thể đã xuất hiện trước cả tổ tiên chung cuối cùng của tất cả các sinh vật sống (LUCA).

Tuy nhiên, sự tiến hóa của virus là một lĩnh vực thậm chí còn khó hiểu hơn sự tiến hóa của toàn bộ thế giới sinh vật tế bào. Rất có thể, theo cách riêng của họ, cả ba quan điểm về nguồn gốc của chúng đều đúng. Những ký sinh trùng nội bào này rất đơn giản và đồng thời đa dạng đến mức các nhóm khác nhau có thể xuất hiện độc lập với nhau, trong quá trình diễn ra các quá trình khác nhau về cơ bản.

Ví dụ, cùng một loại virus chứa DNA khổng lồ có thể phát sinh do sự suy thoái của các tế bào tổ tiên và một số retrovirus chứa RNA - sau khi "giành được độc lập" bởi các yếu tố di truyền di động. Nhưng có thể chúng ta nợ sự xuất hiện của mối đe dọa vĩnh cửu này với một cơ chế hoàn toàn khác, chưa được khám phá và chưa biết.

Bộ gen và gen. Sự tiến hóa của vi rút được nghiên cứu như thế nào

Thật không may, vi rút rất dễ bay hơi. Chúng thiếu hệ thống sửa chữa tổn thương DNA và bất kỳ đột biến nào vẫn còn trong bộ gen, có thể được chọn lọc thêm. Ngoài ra, các vi rút khác nhau lây nhiễm vào cùng một tế bào dễ dàng trao đổi các đoạn DNA (hoặc RNA), làm phát sinh các dạng tái tổ hợp mới.

Cuối cùng, sự thay đổi thế hệ diễn ra nhanh chóng một cách bất thường - ví dụ, HIV có vòng đời chỉ 52 giờ và còn lâu mới có vòng đời ngắn nhất. Tất cả những yếu tố này tạo ra sự biến đổi nhanh chóng của virus, điều này làm phức tạp rất nhiều việc phân tích trực tiếp bộ gen của chúng.

Đồng thời, khi đã ở trong tế bào, virus thường không khởi chạy chương trình ký sinh thông thường của chúng - một số được thiết kế theo cách này, một số khác do lỗi ngẫu nhiên. Đồng thời, DNA của chúng (hoặc RNA, trước đó đã được chuyển đổi thành DNA) có thể tích hợp vào nhiễm sắc thể của vật chủ và ẩn ở đây, bị mất giữa nhiều gen của chính tế bào. Đôi khi bộ gen của virus được kích hoạt trở lại, và đôi khi nó vẫn ở dạng tiềm ẩn như vậy, được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Những retrovirus nội sinh này được cho là chiếm tới 5-8% bộ gen của chúng ta. Khả năng biến đổi của chúng không còn quá lớn nữa - DNA của tế bào không thay đổi quá nhanh, và vòng đời của các sinh vật đa bào lên tới hàng chục năm chứ không phải hàng giờ. Do đó, các mảnh được lưu trữ trong tế bào của chúng là nguồn thông tin quý giá về quá khứ của virus.

Một lĩnh vực riêng biệt và thậm chí còn trẻ hơn là proteomics của virus - nghiên cứu về protein của chúng. Rốt cuộc, bất kỳ gen nào cũng chỉ là mã cho một phân tử protein nhất định cần thiết để thực hiện một số chức năng nhất định. Một số "vừa vặn" như miếng Lego, gấp lại vỏ bọc của virus, những thứ khác có thể liên kết và ổn định RNA của virus, và vẫn còn những thứ khác có thể được sử dụng để tấn công các protein của tế bào bị nhiễm bệnh.

Các vị trí hoạt động của các protein như vậy chịu trách nhiệm cho các chức năng này và cấu trúc của chúng có thể rất bảo thủ. Nó giữ được sự ổn định tuyệt vời trong suốt quá trình tiến hóa. Ngay cả các phần riêng lẻ của gen cũng có thể thay đổi, nhưng hình dạng của vị trí protein, sự phân bố điện tích trong đó - mọi thứ quan trọng đối với việc thực hiện chức năng mong muốn - hầu như vẫn giữ nguyên. Bằng cách so sánh chúng, người ta có thể tìm thấy những mối liên hệ tiến hóa xa nhất.