Происхождение вирусов

[Rattus]

насколько помню, плазмиды, которые считаются "одомашненными вирусами", копируются способом "катящегося кольца"

Далеко не все. Плазмиды - вполне нормальная дцДНК, чаще всего кольцевая - как и хромосомная. И как и хромосома у прокариот имеет точку начала репликации - так что и полноценной репликативной вилкой по обеим цепям сразу им копироваться ничто не запрещает. На практике же плазмидами называют репликоны дцДНК практически любой длины, не несущие критичных для жизни "в тепличных условиях" хозяйской клетки генов (т.е. генов домашнего хозяйства). Если такие гены туда попадают - то репликон называется хромосомой или минихромосомой - в зависимости от относительных размеров.

Что же касается "одомашненности" - то это как и с определением типа симбиоза - как посмотреть: поскольку плазмидная ДНК, в отличие от вирусной не может кодировать свою упаковку в капсид (другой определяющий критерий) и таким образом - свободный перенос себя в другие клетки (трансформация свободной дцДНК в природе - скорее исключение, чем правило, ибо даже в оптимальных лабораторных условиях положительный выход её редко бывает более одной на тысячи клеток), то им становится выгодно дать селективное преимущество клеткам-носителям по сравнению с неносителями любыми средствами. Самое действенное средство - система токсин-антидот (достаточно всего двух генов), заставляющая клетки-носители выделять видо/родоспецифичный токсин к клеткам-неносителям, лишённым антидота, по принципу "кто не с нами - тот против нас" - так что ещё не известно что больше по итогу снижает приспособленность хозяина...
Разумеется в однородной среде в популяции победивших носителей мутация сначала ломает ген токсина, а потом и антидота за ненадобностью. Но реальные местообитания разделены в пространстве и времени, так что представители одних популяций время от времени попадают в другие и эта система стабилизируется в нетранзитивном цикле...

[Combinator]

Что же касается "одомашненности" - то это как и с определением типа симбиоза - как посмотреть: поскольку плазмидная ДНК, в отличие от вирусной не может кодировать свою упаковку в капсид (другой определяющий критерий) и таким образом - свободный перенос себя в другие клетки (трансформация свободной дцДНК в природе - скорее исключение, чем правило, ибо даже в оптимальных лабораторных условиях положительный выход её редко бывает более одной на тысячи клеток), то им становится выгодно дать селективное преимущество клеткам-носителям по сравнению с неносителями любыми средствами. Самое действенное средство - система токсин-антидот (достаточно всего двух генов), заставляющая клетки-носители выделять видо/родоспецифичный токсин к клеткам-неносителям, лишённым антидота, по принципу "кто не с нами - тот против нас" - так что ещё не известно что больше по итогу снижает приспособленность хозяина...

Ну это, так сказать, метод "кнута". Но есть и метод "пряника", например, гены в R-плазмидах, противостоящие действию наиболее широко распространённых антибиотиков.
 

[Rattus]

Поскольку подавляющее большинство антибиотиков - также микробного происхождения, то это в общем получаются "те же яйца", только в большем филогенетическом масштабе.
Позитивным примером тут скорее стали бы плазмиды, несущие гены устойчивости к тяжёлым металлам или ферменты расщепления каких-то новых пищвых субстратов...

[Combinator]

Позитивным примером тут скорее стали бы плазмиды, несущие гены устойчивости к тяжёлым металлам или ферменты расщепления каких-то новых пищвых субстратов...

Гены устойчивости к тяжёлым металлам и ультрафиолету в некоторых плазмидах точно есть, см., например: http://humbio.ru/humbio/tarantul_sl/0000106c.htm

[Rattus]

Знаю. Потому и привёл их в пример.

[Rattus]

Вот уже почти два года как создана "полная иерархическая таксономия вирусов, которая теперь официально принята.
Основные, гигантские империи вирусов уже установлены. Ни одна из них не развалится, новых не будет."

[Polnoch Ксю]

Ни одна из них не развалится, новых не будет."

Не слишком ли громкое заявление? Учитывая объёмы биологической "тёмной материи"? Насколько я понимаю, мы рискуем даже среди клеточных репликаторов найти что-то, что не археи, не бактерии и не эукариоты (которые суть тоже внутри древа архей).
У этих неизвестных организмов будут свои паразиты. О которых мы ничего не знаем от слова совсем (ну, кроме редких обломков генома?)

[Polnoch Ксю]

"полная иерархическая таксономия вирусов, которая теперь официально принята.

почитала статью. Спасибо, было познавательно. Ratus, простите, я так и не поняла - у них высший ранг realm же, или "even higher rank of unification through the super-VHG domains"?

И ещё:

eukaryotic CRESS-DNA viruses apparently evolved by recombination between a bacterial plasmid and a cDNA copy of a (+)RNA virus on multiple, independent occasions. The realization of this scenario in the evolution of multiple groups of CRESS-DNA viruses is one of the most remarkable cases of widespread convergent evolution among viruses and other MGEs. In addition, this scenario implies that the diversification of the eukaryotic (+)RNA viruses preceded the emergence of CRESS-DNA viruses. The provenance of the divergent microvirid SJR-CPs remains uncertain (81).


Сейчас уже полностью исключают escape-гипотезу? Может ли, например, плазмида без рекомбинации с каким-то вирусным паразитом наэволюционировать себе капсид итд?

Ещё примечательное из статьи:

The giant viruses, despite their “cell-like” genome lengths and the diverse functional repertoire of genes, appear to have evolved from smaller viruses independently, in different branches of the NCLDV clade (200–202).

Тут тоже всё 100% понятно? Просто у нас в клетках плавает пример упрощения внутриклеточного симбионта - митохондрии. В растениях такие же хлоропласты.
Но ведь не все симбионты муталисты! Почему какая-нибудь Rickettsia, и тем более Carsonella не может упроститься до капсида? Что ей мешает?

Ещё в статье есть и другие интересные выводы - про происхождение вирусов из до-клеточного мира, но по понятным причинам внутриклеточный паразит не может не может появиться до первой клетки. У меня вопрос: а пробовал кто-нибудь в лаборатории применять к штукам, вроде монстра Шпигельмана отбор, направленный на заражение какого-нибудь клеточного штамма, или многоклеточной линии? Скажем, начать можно с попыток научить паразитировать в пробирке на чем-нибудь, вроде связки мРНК и свободно плавающих рибосом(вызвав искусственный лизис клетки).
Или там эволюционно пропасть между рибозимами и ферментами?

[Polnoch Ксю]

Основные, гигантские империи вирусов уже установлены. Ни одна из них не развалится, новых не будет."

Хм, прочитала популярную статью по второй ссылке, и там ответы на многие вопросы. Спасибо ещё раз

[Combinator]

Вот уже почти два года как создана "полная иерархическая таксономия вирусов, которая теперь официально принята.
Основные, гигантские империи вирусов уже установлены. Ни одна из них не развалится, новых не будет."

Всё же к теории доклеточного происхождения вирусов есть определённые вопросы, имхо.
1. Если общий передок вирусов вышел непосредственно из РНК-мира, почему у прокариот превалируют ДНК вирусы, а у эукариот - РНК вирусы? Аргумент на счёт того, что ДНК вирусам сложно проникать в ядро, на мой взгляд, звучит не очень убедительно. Тот же герпес, например,  ведь этому научился, а учитывая скорость эволюции и распространённость рекомбинации у вирусов, "расшарить" это тайное знание, если бы это давало ощутимое преимущество, мне кажется, можно было бы быстро. Да и превалирование у прокариот именно ДНК вирусов так и остаётся без объяснения.
2. В мире РНК, как известно, работали исключительно рибозимы. Куда же подевались вирусные рибозимы РНК-репликазы? Ведь возможность размножаться автономно от сложного рибосомного клеточного хозяйства, казалось бы, должно было давать им ощутимое преимущество в конкурентной борьбе.   

[Polnoch Ксю]

Ведь возможность размножаться автономно от сложного рибосомного клеточного хозяйства, казалось бы, должно было давать им ощутимое преимущество в конкурентной борьбе.   

Внутри цитоплазмы? А зачем? Разве рибосома как-то способна защититься от перехвата управления ею? Просто в любом случае клеточная рибосома это, наверное, практически предельно-оптимальная молекулярная машина, а рибозимы РНК мира по сравнению с ней страшно неэффективные? Или я что-то не понимаю?

Ещё мне кажется, что у млекопитающих, и других животных со сложной имунной системой, рибозимы в клетке уже через несколько поколений сосуществования с таким патогеном(а то и сразу, после перенесённой болезни) будут вызывать большой такой шухер у иммунной системы. Да и остальные эукариоты, наверное, могли бы легко научиться распознавать такие странные штуки и лизировать/устраивать апоптоз заражённым клеткам...

[Combinator]

Ведь возможность размножаться автономно от сложного рибосомного клеточного хозяйства, казалось бы, должно было давать им ощутимое преимущество в конкурентной борьбе.   

Внутри цитоплазмы? А зачем? Разве рибосома как-то способна защититься от перехвата управления ею? Просто в любом случае клеточная рибосома это, наверное, практически предельно-оптимальная молекулярная машина, а рибозимы РНК мира по сравнению с ней страшно неэффективные? Или я что-то не понимаю?

Мы не знаем, насколько эффективными были рибозимы-репликазы, но из общих соображений, если верить теории РНК-мира, они должны были быть способны реплицировать РНК-геномы длиной хотя бы в несколько десятков тысяч но. Это вполне сравнимо с размерами РНК-вирусов, не говоря уже о вироидах с длиной генома менее 1000 но. Для них рибозимные репликазы могли быть вполне успешной заменой белковыми ферментам.

PS
Вот тут в статье LUCA об этом есть немного более подробные рассуждения: https://scorcher.ru/theory_publisher/show_art.php?id=322

[Rattus]

Не слишком ли громкое заявление? Учитывая объёмы биологической "тёмной материи"?

От одного из ведущих мировых вирусологов и сисбиологов - нет, не слишком. Ещё лет десять назад авторы не рисковали делать таких заявлений ввиду недостатка данных. Но когда есть работающие техники и направленные усилия, результат достигается. Если в наше время настоящий опытный специалист в своей области компетенции публично делает категоричные заявления, значит у него на это есть действительно очень серьёзные основания. Ну например как у тех же климатологов о реальности глобального потепления и роли антропогенного фактора в нём.

Таким образом, следует признать, что эпоха "Великих биологических открытий" подошла к концу, и, несмотря на то, что где-то ещё могут оставаться неведомые островки и подводные рифы, больше континентов открыто не будет. Даже если начать считать Новую Зеландию отдельным континентом, на практике это ничего не изменит ни для её обитателей, ни для всех остальных.
Ну просто потому, что площадь планеты, как и возможное количество клеток и биомолекул на единицу объёма исследуемого материала - конечные величины.
Что же касается микробной "тёмной материи", то в.п.с. несколько лет тому назад имел дело с ней непосредственно - при анализе результатов метагеномного секвенирования кишечного микробиома человека. На деле она представляет собой множество записей (зачастую - порядка 9/10) в перечне идентифицированных микроорганизмов, например, в виде "Bacteroides sp.", что по-человечески обозначает "какой-то вид, относящийся к роду Бактероиды". Т.е. в подавляющем большинстве случаев это всё не какие-то совершенно неведомые микробиологической науке организмы, а довольно близкая родня вполне даже известным видам и родам и целиком относящиеся ко вполне известным типам, только не выращенные в чистой культуре на искусственной питательной среде. Что в свете отмеченной теми же Е.Куниным и Ю.Вольфом тенденции к редукции генома у прокариот - совершенно неудивительно: в подходящей среде с такой скоростью смены поколений и численностью совершенно неудивительно постоянное появление множества по сути деградировавших форм, лишившихся способности к воспроизводству вне тесного симбиоза данного биоценоза.
Такие дела.

Насколько я понимаю, мы рискуем даже среди клеточных репликаторов найти что-то, что не археи, не бактерии и не эукариоты.

Нет. На Земле - не рискуем. Иначе бы уже нашли. Молекулярно-химические аналитические лабораторные методы для того вполне достаточны.

(которые суть тоже внутри древа архей)

Вообще-то теперь нет никакого "дерева архей". Есть ЛЕС почти универсальных деревьев кластеров ортологичных генов (COGs) прокариот. Дерево, о котором Вы пишете - просто одно из наиболее крупных и всеобъемлющих для клеточных форм, у которого мы можем видеть наиболее древние части, предложенное Карлом Вёзе в качестве универсального генеалогического древа клеточных организмов - дерево рибосомальных РНК. Но, например, не многим менее древние деревья аминоацил-тРНК-синтетаз в целом ряде случаев ветвятся несколько иначе...

Ratus, простите, я так и не поняла - у них высший ранг realm же, или "even higher rank of unification through the super-VHG domains"?

Не вчитался пока. Как понимаю, это спор о дефинициях навроде того, считать ли Новую Зеландию континентом, а Плутон - не планетой, важный сейчас больше самим специалистам.

Сейчас уже полностью исключают escape-гипотезу?

Да. И Е.В.Кунин в этом или подобном интервью об этом прямо говорил.

Может ли, например, плазмида без рекомбинации с каким-то вирусным паразитом наэволюционировать себе капсид итд?

Капсид вирус мог себе наэволюционировать и из клеточных белков (хотя и в подавляющем большинстве случаев это случилось тоже на заре жизни). Более вирусспецифическими оказался не он, а ферменты-полимеразы - об этом там как раз говорится.
Плазмиды в принципе исповедуют другую эволюционную стратегию - низковирулентного облигатного симбиоза с конкретной клеткой. Потому им не так нужно ускользать от систем внтуриклеточного иммунитета, строго регулировать свой жизненный цикл и работу инфицированной клетки. Без хороших специфичных "ранних белков" - полимераз и регуляторов, капсид уже не особо поможет. А если цели массового побега в капсиде из разграбленной клетки нет - то и спец.полимеразы с регуляторами уже не особенно нужны оказываются...
Хотя отдельные случаи рекомбинаций и замен в природе встречаются, естественно, самые разнообразные, эволюционный раздел между геномами плазмид и вирусов на самом деле достаточно широк и глубок.

Просто у нас в клетках плавает пример упрощения внутриклеточного симбионта - митохондрии.

Хотя это упрощение и достигло предела (в митосомах - до ровно нулевого генома), наследие грамнегативных бактерий - двойную фосфолипидную мембрану - они вполне сохранили.

Но ведь не все симбионты муталисты!

Облигатные симбионты с узким спектром видов-носителей чисто эволюционно вынуждены снижать свою вирулентность до приемлимимых величин (как правило - до вполне себе комменсализма или даже мутуализма) - иначе просто вымрут вместе с носителем.

Почему какая-нибудь Rickettsia, и тем более Carsonella не может упроститься до капсида? Что ей мешает?

Принципиально разная физико-химическая природа сумки-авоськи клеточной мембраны и кирпичной кладки капсида.

по понятным причинам внутриклеточный паразит не может появиться до первой клетки.

А внтуримикропузырьковый - может. И есть подозрение, что без вирусоподобных переносчиков геноматериала между изолированными микрореакторными объёмами первая клетка и не состоялась бы вообще.

а пробовал кто-нибудь в лаборатории применять к штукам, вроде монстра Шпигельмана отбор, направленный на заражение какого-нибудь клеточного штамма, или многоклеточной линии?

С тем же успехом можно пытаться применять к отрезаемым как у Вейсмана хвостам крыс отбор на способность жить в почве как дождевые черви. "Монстр" Шпигельмана-Эйгена - это тупо олигонуклеотидный сайт узнавания РНК-полимеразой. Даже вироиды и то сложнее в разы.

Или там эволюционно пропасть между рибозимами и ферментами?

Да - и весьма неслабая. И это и есть одна из главных проблем реконструкции абиогенеза.

Если общий передок вирусов вышел непосредственно из РНК-мира, почему у прокариот превалируют ДНК вирусы, а у эукариот - РНК вирусы? Аргумент на счёт того, что ДНК вирусам сложно проникать в ядро, на мой взгляд, звучит не очень убедительно.

Для меня - убедительно. Дело же не только в физическом проникновении в ядро - механизмы реализации наследственной информации у прокариот и эукариот существенно фундаментально отличаются - о чём и была тут ранее наша плодотворная беседа про (-)РНК-вирусы и вироиды. Лично для меня это одно из самых значимых концептуальных открытий фундаментальной биологии последних лет, но в этих деталях я пока нынешние работы не изучил - не до того было.

В мире РНК, как известно, работали исключительно рибозимы.

Мне кажется, что это неоправданно сильная редукция, которая не решает, а наоборот повышает порог входа в цикл Дарвина-Эйгена. Вполне возможно, что эволюция рибозимов и олигопептидов шла рука об руку уже с весьма ранних этапов...

Куда же подевались вирусные рибозимы РНК-репликазы? Ведь возможность размножаться автономно от сложного рибосомного клеточного хозяйства, казалось бы, должно было давать им ощутимое преимущество в конкурентной борьбе.

Если они и были возможны, то скорее всего настолько громоздки и медлительны, что не выдержали конкуренции с клеточными и были легко и быстро элиминированы нарождающимися внутриклеточными механизмами противовирусной защиты.

Мы не знаем, насколько эффективными были рибозимы-репликазы

Мы знаем насколько они НЕэффективны по сравнению с белковыми ферментами, рабоатющими с НК. Уже на уровне химии НК и пептиды как молекулярные машины гораздо лучше и стабильнее работают друг с другом чем сами с собой, о чём и писал Кунин. "Повезло" что полиамиды оказались настолько эффективны и надёжны, что смогли и друг с другом уверенно специфично взаимодействовать самыми разнообразными способами - откуда и пошли все ферментные марокомплексы, белковые регуляторные сети и т.п. основа всей сложной клеточной машинерии.

[Combinator]

Для меня - убедительно. Дело же не только в физическом проникновении в ядро - механизмы реализации наследственной информации у прокариот и эукариот существенно фундаментально отличаются - о чём и была тут ранее наша плодотворная беседа про (-)РНК-вирусы и вироиды. Лично для меня это одно из самых значимых концептуальных открытий фундаментальной биологии последних лет, но в этих деталях я пока нынешние работы не изучил - не до того было.

Не готов содержательно спорить на эту тему, отмечу лишь, что и для Евгения, как он сам признаётся, это до сих пор "непростой вопрос".

Мне кажется, что это неоправданно сильная редукция, которая не решает, а наоборот повышает порог входа в цикл Дарвина-Эйгена. Вполне возможно, что эволюция рибозимов и олигопептидов шла рука об руку уже с весьма ранних этапов...

Тут я на 100% согласен, тем более, если сюда ещё добавить простые органические коферменты и ионы некоторых металлов, но, увы, работ в этом направлении пока очень мало, несмотря на то, что классическая теория РНК мира, похоже, постепенно заходит в тупик...

Мы знаем насколько они НЕэффективны по сравнению с белковыми ферментами, рабоатющими с НК. Уже на уровне химии НК и пептиды как молекулярные машины гораздо лучше и стабильнее работают друг с другом чем сами с собой, о чём и писал Кунин. "Повезло" что полиамиды оказались настолько эффективны и надёжны, что смогли и друг с другом уверенно специфично взаимодействовать самыми разнообразными способами - откуда и пошли все ферментные марокомплексы, белковые регуляторные сети и т.п. основа всей сложной клеточной машинерии.

Тем не мнее, здесь тоже много непоняток. Если с полимеразами всё более-менее ясно, то, например, с аминоацил-тРНК синтетазами всё очень парадоксально. Выведенные путём искусственной селекции соответствубщие рибозимы минимум на порядок проще по длине соответствующих генов и гораздо эффективнее (точнее) своих белковых собратьев. Ну и куда-же, спрашивается, они все пропали без следа? 

[Rattus]

Выведенные путём искусственной селекции соответствубщие рибозимы минимум на порядок проще по длине соответствующих генов и гораздо эффективнее (точнее) своих белковых собратьев. Ну и куда-же, спрашивается, они все пропали без следа? 

Это же касается отмеченной Вами ранее амиоацил-тРНК-синтетазной функции, верно? Это очень интересный момент, но вправе ли мы его широко экстраполировать на другие главные клеточные процессы?

[Combinator]

Это же касается отмеченной Вами ранее амиоацил-тРНК-синтетазной функции, верно? Это очень интересный момент, но вправе ли мы его широко экстраполировать на другие главные клеточные процессы?

Экстраполировать, конечно, вряд ли имеет смысл, но вот объяснения этого феномена с точки зрения сторонников теории классического РНК-мира, получить бы очень хотелось. Покамест никакого объяснения до сих пор нет, хотя я неоднакратно поднимал этот вопрос, помнится, однажды даже задал его самому Кунину. Как бы эта проблема не оказалась тем самым "облачком", которое в итоге потребовало кардинального пересмотра многих базовых принципов классической физики XIX века.

[Rattus]

Но, справедливости ради, и гипотеза РНК-мира сейчас существует не в виде одной конкретной жесткой принятой догмы. Собственно это даже не гипотеза, а набор попыток создать гипотезы большей или меньшей проработанности, объединенных одной концепцией...

[Combinator]

Но, справедливости ради, и гипотеза РНК-мира сейчас существует не в виде одной конкретной жесткой принятой догмы. Собственно это даже не гипотеза, а набор попыток создать гипотезы большей или меньшей проработанности, объединенных одной концепцией...

Без экспериментальной проверки (направленная/ускоренная эволюция и т.д.) это всё так и останется набором идей. А экспериментальные попытки вот уже лет 20 как фактически сконцентрировались лишь на экспериментах с "чистыми" рибозимами-репликазами. Соответсвенно, лишь об этом направлении и можно говорить более-менее серьёзно, всё остальное это, увы, почти на уровне философии...