Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Природа вироидов как содержащих исключительно РНК репликонов порождает множество вопросов относительно их эволюционного происхождения: не являются ли вироиды древними ископаемыми остатками, представляющими промежуточный продукт в эволюции доклеточной жизни, которые сохранились в клетках, как сохраняются в янтаре древние насекомые? В настоящее время практически все ученые согласны в том, что РНК является предшественницей всего живого; РНК способна записывать информацию и служить биокатализатором (Cech, 1986b). Джеймс Уотсон, нобелевский лауреат, один из первооткрывателей двойной спирали ДНК, однажды признал, что уже в 1968 году Фрэнсис Крик, его ближайший сотрудник, высказал предположение о том, что РНК может служить не только шаблоном, но также и ферментом, осуществляющим свою собственную репликацию (Watson, 1993). В наше время этот взгляд приобрел всеобщее признание; первым генетическим материалом доклеточной жизни была РНК, а первыми репликонами были полимеры на основе РНК. Только после возникновения ДНК и белков эти соединения оттеснили РНК, отведя ей современную подчиненную роль в эволюции клеточных форм жизни. Тем не менее мы легко можем представить себе, что когда-то органический мир был миром РНК. Следует в этой связи вспомнить открытие рибозимов, последовательностей РНК, которые автокаталитически опосредуют вырезание интронов из рибосомных РНК-транскриптов в эукариотических водорослях (Kruger et al., 1982). Цех, кроме того, смог показать, что современные рибосомы, наши клеточные фабрики, синтезирующие белки, являются по своей сути сложными рибозимными структурами, встроенными в белковый остов (Cech, 2000). Автокаталитические интроны были предложены на роль прототипа самых ранних репликонов РНК, из которых возникла жизнь (Sharp, 1985; Joyce, 1989; Cech, 1986a). Если это так, то отсюда следует, что вироиды образовались позже, чем уцелевшие интроны. Впоследствии, однако, Тед Динер, «отец» вироидов, высказал аргументированное возражение. Он предположил, что не интроны были предшественниками вироидов, а наоборот, вироиды – предшественниками интронов (Diener, 1989).

Несколько ученых вывели эволюцию вироидов от теоретического предшественника, который мог быть мелким автономным РНК-репликоном длиной, возможно, не более нескольких нуклеотидов. Более длинные цепи нуклеотидов не могли быть жизнеспособными, если бы частота неверного включения нуклеотидов была слишком высокой. Такие полимеры РНК, как можно полагать, объединялись с образованием более крупных «геномов»; in vitro было показано, что рибозимы могут связываться в молекулу РНК, если их поместить на шаблон (Doudna, Szostak, 1989). Далее, ученые предположили, что такие геномы могли впоследствии повторно образовывать копии последовательностей. Есть данные, подтверждающие такой взгляд; компьютерный анализ состава большинства вироидных геномов выявил основную периодичность нуклеотидных последовательностей, с величиной периодов в двенадцать, шестьдесят или восемьдесят нуклеотидов (Jugasz, Hegyi, Solymosy, 1988). Вероятно, здесь коренится механизм расширения РНК-геномов путем тандемной дупликации фрагментов (Diener, 1989); помимо создания мозаичных ансамблей, это могло стать механизмом, лежащим в основе эволюции вироидных геномов. Был высказан и еще один аргумент в пользу того, что размер генома практически ограничен частотой ошибок в репликоне. Принятие модели репликации по механизму вращающегося круга позволяет объяснить увеличение размеров дочерних геномов в сравнении с родительскими геномами. Полагают, что результирующий избыток информации, содержащейся в этих продуктах репликации, является основой обхода ограничений на частоту мутаций в этих простых геномах, где она и без того была высока. Повторение информации гарантирует, что каждый геном содержит функционирующие формы всех необходимых генетических элементов; в такой ситуации гарантировано сохранение по крайней мере одного жизнеспособного генома (Flores et al., 2014).