ความลึกลับของต้นกำเนิดของไวรัส

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

ไวรัสแทบจะไม่มีชีวิต อย่างไรก็ตาม ต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของพวกมันมีความเข้าใจน้อยกว่าการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตเซลล์ "ปกติ" ยังไม่ทราบว่าใครปรากฏตัวก่อนหน้านี้ เซลล์แรก หรือไวรัสตัวแรก บางทีพวกเขาอาจมาพร้อมกับชีวิตเสมอเหมือนเงาแห่งความหายนะ

ปัญหาคือไวรัสไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่าชิ้นส่วนของจีโนม (DNA หรือ RNA) ที่หุ้มอยู่ในชั้นเคลือบโปรตีน พวกเขาไม่ทิ้งร่องรอยไว้ในบันทึกฟอสซิล และสิ่งที่เหลืออยู่เพื่อศึกษาอดีตของพวกเขาคือไวรัสสมัยใหม่และจีโนมของพวกมัน

การเปรียบเทียบ การค้นหาความเหมือนและความแตกต่าง นักชีววิทยาค้นพบความเชื่อมโยงเชิงวิวัฒนาการระหว่างไวรัสต่างๆ กำหนดคุณลักษณะที่เก่าแก่ที่สุดของพวกมัน น่าเสียดายที่ไวรัสมีความแปรปรวนและหลากหลายผิดปกติ พอเพียงที่จะระลึกได้ว่าจีโนมของพวกมันสามารถแทนด้วยสายโซ่ของ DNA ไม่เพียงเท่านั้น (เช่นในประเทศของเราและเช่นไวรัสเริม) แต่ยังรวมถึงโมเลกุล RNA ที่เกี่ยวข้องด้วย (เช่นเดียวกับในโคโรนาไวรัส)

โมเลกุล DNA / RNA ในไวรัสสามารถแบ่งออกเป็นส่วนเดียวหรือแบ่งเป็นส่วน ๆ แบบเส้นตรง (adenoviruses) หรือแบบวงกลม (polyomaviruses) แบบสายเดี่ยว (anelloviruses) หรือแบบเกลียวคู่ (baculoviruses)

ทัศนศาสตร์ ไวรัสไข้หวัดใหญ่ A / H1N1

โครงสร้างของอนุภาคไวรัส ลักษณะเฉพาะของวงจรชีวิตและลักษณะอื่นๆ ที่สามารถนำมาใช้ในการเปรียบเทียบแบบธรรมดาได้นั้นมีความหลากหลายไม่น้อย คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีที่นักวิทยาศาสตร์จัดการกับปัญหาเหล่านี้ได้ในตอนท้ายของโพสต์นี้ ในตอนนี้ เรามาจำไว้ว่าไวรัสทั้งหมดมีอะไรที่เหมือนกัน นั่นคือ ปรสิตทั้งหมด ไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่าไม่มีไวรัสชนิดใดที่สามารถเผาผลาญได้ด้วยตัวเองโดยไม่ต้องใช้กลไกทางชีวเคมีของเซลล์เจ้าบ้าน

ไม่มีไวรัสใดที่มีไรโบโซมที่สามารถสังเคราะห์โปรตีนได้ และไม่มีใครดำเนินการระบบที่ยอมให้มีการผลิตพลังงานในรูปของโมเลกุล ATP ทั้งหมดนี้ทำให้พวกเขาผูกพัน นั่นคือ ปรสิตภายในเซลล์ที่ไม่มีเงื่อนไข: พวกมันไม่สามารถดำรงอยู่ได้ด้วยตัวเอง

ไม่น่าแปลกใจที่ตามสมมติฐานแรกและเป็นที่รู้จักมากที่สุดข้อใดข้อหนึ่ง เซลล์ปรากฏตัวครั้งแรก และจากนั้นโลกของไวรัสที่มีความหลากหลายทั้งหมดก็พัฒนาขึ้นบนดินนี้

ถอยหลัง. จากซับซ้อนสู่ความเรียบง่าย

มาดูโรคริคเก็ตเซียกันเถอะ - ปรสิตภายในเซลล์ ถึงแม้ว่าจะเป็นแบคทีเรียก็ตาม นอกจากนี้ จีโนมบางส่วนของพวกมันยังอยู่ใกล้กับ DNA ซึ่งมีอยู่ในไมโตคอนเดรียของเซลล์ยูคาริโอต รวมถึงมนุษย์ด้วย เห็นได้ชัดว่าทั้งคู่มีบรรพบุรุษร่วมกัน แต่ผู้ก่อตั้ง "สายไมโตคอนเดรีย" ที่ติดเชื้อในเซลล์ไม่ได้ฆ่ามัน แต่ถูกเก็บรักษาไว้โดยไม่ได้ตั้งใจในไซโตพลาสซึม

เป็นผลให้ลูกหลานของแบคทีเรียนี้สูญเสียยีนที่ไม่จำเป็นจำนวนมากและสลายไปเป็นออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่ให้โฮสต์ด้วยโมเลกุล ATP เพื่อแลกกับทุกสิ่งอื่น สมมติฐานที่ "ถดถอย" ของต้นกำเนิดของไวรัสเชื่อว่าความเสื่อมโทรมดังกล่าวอาจเกิดขึ้นกับบรรพบุรุษของพวกเขา: เมื่อสิ่งมีชีวิตในเซลล์เต็มเปี่ยมและเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์อายุกาฝากกว่าพันล้านปีพวกเขาก็สูญเสียทุกสิ่งที่ไม่จำเป็น

แนวคิดเก่านี้ได้รับการฟื้นฟูโดยการค้นพบไวรัสยักษ์เช่น pandoraviruses หรือ mimiviruses เมื่อไม่นานมานี้ พวกมันไม่เพียงแต่ใหญ่มากเท่านั้น (เส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคของ mimivirus ถึง 750 nm - สำหรับการเปรียบเทียบ ขนาดของไวรัสไข้หวัดใหญ่คือ 80 nm) แต่พวกมันยังมีจีโนมที่ยาวมากด้วย (1.2 ล้านลิงก์นิวคลีโอไทด์ใน mimivirus เทียบกับหลายร้อยใน ไวรัสทั่วไป) เข้ารหัสโปรตีนหลายร้อยชนิด

ในหมู่พวกเขามีโปรตีนที่จำเป็นสำหรับการคัดลอกและ "ซ่อมแซม" (ซ่อมแซม) ของดีเอ็นเอสำหรับการผลิตสาร RNA และโปรตีน

ปรสิตเหล่านี้ขึ้นอยู่กับโฮสต์ของพวกมันน้อยกว่ามาก และต้นกำเนิดของพวกมันจากบรรพบุรุษที่มีชีวิตอยู่อย่างอิสระดูน่าเชื่อกว่ามาก อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญหลายคนเชื่อว่าสิ่งนี้ไม่ได้แก้ปัญหาหลัก - ยีน "เพิ่มเติม" ทั้งหมดอาจปรากฏขึ้นจากไวรัสยักษ์ในภายหลัง ซึ่งยืมมาจากเจ้าของ

ท้ายที่สุด เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการถึงความเสื่อมโทรมของปรสิตที่อาจไปไกลและส่งผลกระทบต่อรูปแบบของพาหะของรหัสพันธุกรรมและนำไปสู่การเกิดขึ้นของไวรัสอาร์เอ็นเอ ไม่น่าแปลกใจที่สมมติฐานอื่นเกี่ยวกับที่มาของไวรัสได้รับการเคารพเท่าเทียมกัน - ตรงกันข้ามอย่างสิ้นเชิง

ความก้าวหน้า. จากง่ายไปซับซ้อน

มาดูเรโทรไวรัสซึ่งมีจีโนมเป็นโมเลกุล RNA สายเดี่ยว (เช่น HIV) เมื่ออยู่ในเซลล์เจ้าบ้าน ไวรัสดังกล่าวใช้เอ็นไซม์พิเศษ รีเวิร์สทรานสคริปเทส แปลงเป็น DNA คู่ธรรมดา ซึ่งจะแทรกซึมเข้าไปใน "ความศักดิ์สิทธิ์ของโฮลี" ของเซลล์ - สู่นิวเคลียส

นี่คือจุดที่โปรตีนจากไวรัสอีกตัวหนึ่งซึ่งเรียกว่าอินทิเกรสเข้ามามีบทบาทและแทรกยีนของไวรัสเข้าไปใน DNA ของโฮสต์ จากนั้นเอ็นไซม์ของเซลล์เองก็เริ่มทำงานกับพวกมัน พวกมันสร้าง RNA ใหม่ สังเคราะห์โปรตีนตามพื้นฐานของพวกมัน เป็นต้น

วิทยาศาสตร์การมองเห็นไวรัสภูมิคุ้มกันบกพร่องของมนุษย์ (HIV)

กลไกนี้คล้ายกับการสืบพันธุ์ขององค์ประกอบทางพันธุกรรมเคลื่อนที่ - ชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่ไม่มีข้อมูลที่เราต้องการ แต่ถูกจัดเก็บและสะสมในจีโนมของเรา บางส่วนของพวกเขา retrotransposons มีความสามารถในการคูณด้วยการแพร่กระจายด้วยสำเนาใหม่ (มากกว่า 40 เปอร์เซ็นต์ของ DNA ของมนุษย์ประกอบด้วยองค์ประกอบ "ขยะ" ดังกล่าว)

สำหรับสิ่งนี้ พวกมันอาจมีชิ้นส่วนที่เข้ารหัสทั้งเอ็นไซม์หลัก - รีเวิร์สทรานสคริปเทสและอินทีกราส อันที่จริงสิ่งเหล่านี้เกือบจะเป็นไวรัส retroviruses สำเร็จรูปซึ่งปราศจากโปรตีนเคลือบเท่านั้น แต่การได้มานั้นเป็นเรื่องของเวลา

การฝังในจีโนมที่นี่และที่นั่น องค์ประกอบทางพันธุกรรมเคลื่อนที่ค่อนข้างสามารถจับยีนโฮสต์ใหม่ได้ บางส่วนอาจเหมาะสำหรับการก่อตัวเป็นแคปซิด โปรตีนหลายชนิดมักจะรวมตัวกันเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่า ตัวอย่างเช่น โปรตีน ARC ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการทำงานของเซลล์ประสาท พับตามธรรมชาติในรูปแบบอิสระเป็นอนุภาคคล้ายไวรัสที่สามารถนำ RNA เข้าไปข้างในได้ สันนิษฐานว่าการรวมตัวของโปรตีนดังกล่าวอาจเกิดขึ้นได้ประมาณ 20 ครั้ง ทำให้เกิดไวรัสกลุ่มใหญ่สมัยใหม่ที่มีโครงสร้างแตกต่างกันในซองจดหมาย

ขนาน. เงาแห่งชีวิต

อย่างไรก็ตาม สมมติฐานที่อายุน้อยที่สุดและมีแนวโน้มมากที่สุดจะเปลี่ยนทุกอย่างกลับหัวกลับหาง โดยสมมติว่าไวรัสปรากฏขึ้นไม่ช้ากว่าเซลล์แรก นานมาแล้ว เมื่อชีวิตยังไปไม่ถึง วิวัฒนาการของโมเลกุลที่สร้างตัวเองขึ้นมาใหม่ ซึ่งสามารถลอกเลียนแบบตัวเองได้ ดำเนินไปใน "ซุปดึกดำบรรพ์"

ระบบดังกล่าวค่อยๆ ซับซ้อนมากขึ้น โดยแปรสภาพเป็นคอมเพล็กซ์โมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้น และทันทีที่บางคนได้รับความสามารถในการสังเคราะห์เมมเบรนและกลายเป็นโปรโตเซลล์ คนอื่น ๆ - บรรพบุรุษของไวรัส - ก็กลายเป็นปรสิต

สิ่งนี้เกิดขึ้นในช่วงรุ่งอรุณแห่งชีวิต นานก่อนการแยกตัวของแบคทีเรีย อาร์เคีย และยูคาริโอต ดังนั้นไวรัส (และต่างกันมาก) ของพวกมันจึงติดเชื้อตัวแทนของทั้งสามโดเมนของโลกที่มีชีวิตและในบรรดาไวรัสอาจมีไวรัสที่ประกอบด้วย RNA มากมาย: เป็น RNA ที่ถือว่าเป็นโมเลกุล "บรรพบุรุษ" การทำซ้ำตนเองและวิวัฒนาการ อันเป็นเหตุให้เกิดชีวิต

ไวรัสตัวแรกอาจเป็นโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่ "ก้าวร้าว" ซึ่งต่อมาได้รับยีนที่เข้ารหัสซองจดหมายโปรตีนเท่านั้น อันที่จริง มีการแสดงว่าเปลือกหอยบางชนิดอาจปรากฏขึ้นก่อนบรรพบุรุษร่วมสุดท้ายของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด (LUCA)

อย่างไรก็ตาม วิวัฒนาการของไวรัสเป็นพื้นที่ที่สับสนมากกว่าวิวัฒนาการของโลกทั้งใบของสิ่งมีชีวิตในเซลล์ เป็นไปได้มากว่ามุมมองทั้งสามเกี่ยวกับที่มาของพวกเขาจะเป็นความจริงในทางของพวกเขาเองปรสิตภายในเซลล์เหล่านี้เรียบง่ายและในเวลาเดียวกันก็มีความหลากหลายจนกลุ่มต่าง ๆ สามารถปรากฏขึ้นอย่างอิสระจากกันในกระบวนการที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน

ตัวอย่างเช่น ไวรัสที่มี DNA ยักษ์ตัวเดียวกันอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการเสื่อมสภาพของเซลล์บรรพบุรุษและไวรัส retroviruses ที่มี RNA บางตัว - หลังจากที่ "ได้รับอิสรภาพ" โดยองค์ประกอบทางพันธุกรรมเคลื่อนที่ แต่เป็นไปได้ที่เราเป็นหนี้การปรากฏตัวของภัยคุกคามนิรันดร์นี้ต่อกลไกที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงซึ่งยังไม่ได้ค้นพบและไม่รู้จัก

จีโนมและยีน วิธีการศึกษาวิวัฒนาการของไวรัส

น่าเสียดายที่ไวรัสมีความผันผวนอย่างไม่น่าเชื่อ พวกเขาขาดระบบการซ่อมแซมความเสียหายของ DNA และการกลายพันธุ์ใด ๆ ยังคงอยู่ในจีโนม ขึ้นอยู่กับการเลือกเพิ่มเติม นอกจากนี้ ไวรัสต่างๆ ที่ติดเชื้อในเซลล์เดียวกันสามารถแลกเปลี่ยนชิ้นส่วนของ DNA (หรือ RNA) ได้อย่างง่ายดาย ทำให้เกิดรูปแบบลูกผสมใหม่

ในที่สุด การเปลี่ยนแปลงในรุ่นรุ่นก็เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วผิดปกติ ตัวอย่างเช่น เอชไอวีมีวงจรชีวิตเพียง 52 ชั่วโมง และอยู่ห่างไกลจากอายุที่สั้นที่สุด ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้ทำให้เกิดความแปรปรวนอย่างรวดเร็วของไวรัส ซึ่งทำให้การวิเคราะห์จีโนมโดยตรงมีความซับซ้อนมาก

ในเวลาเดียวกัน เมื่ออยู่ในเซลล์ ไวรัสมักจะไม่เปิดโปรแกรมกาฝากตามปกติ - บางชนิดได้รับการออกแบบในลักษณะนี้ อื่นๆ เนื่องจากความล้มเหลวโดยไม่ได้ตั้งใจ ในเวลาเดียวกัน DNA ของพวกมัน (หรือ RNA ซึ่งก่อนหน้านี้ถูกแปลงเป็น DNA) สามารถรวมเข้ากับโครโมโซมของโฮสต์และซ่อนอยู่ที่นี่ โดยสูญเสียไปท่ามกลางยีนจำนวนมากของเซลล์เอง บางครั้งจีโนมของไวรัสก็ถูกกระตุ้นอีกครั้ง และบางครั้งก็ยังคงอยู่ในรูปแบบที่แฝงอยู่ ส่งต่อจากรุ่นสู่รุ่น

ไวรัสรีโทรไวรัสภายในร่างกายเหล่านี้เชื่อว่ามีสัดส่วนถึง 5-8 เปอร์เซ็นต์ของจีโนมของเราเอง ความแปรปรวนของพวกมันไม่ได้ยิ่งใหญ่นักอีกต่อไป - DNA ของเซลล์ไม่ได้เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วนัก และวัฏจักรชีวิตของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์นั้นมีอายุถึงสิบปี ไม่ใช่ชั่วโมง ดังนั้นชิ้นส่วนที่เก็บไว้ในเซลล์จึงเป็นแหล่งข้อมูลอันมีค่าเกี่ยวกับไวรัสในอดีต

พื้นที่ที่แยกจากกันและอายุน้อยกว่าคือโปรตีโอมิกส์ของไวรัส - การศึกษาโปรตีนของพวกมัน ท้ายที่สุดแล้ว ยีนใดๆ ก็ตามเป็นเพียงรหัสสำหรับโมเลกุลโปรตีนบางตัวที่จำเป็นต่อการทำหน้าที่บางอย่าง บางส่วน "พอดี" เช่น ชิ้นเลโก้ การพับซองไวรัส บางส่วนสามารถผูกและทำให้ RNA ของไวรัสเสถียร และยังมีส่วนอื่นๆ สามารถใช้โจมตีโปรตีนของเซลล์ที่ติดเชื้อได้

ไซต์แอคทีฟของโปรตีนดังกล่าวมีหน้าที่รับผิดชอบและโครงสร้างของพวกมันสามารถอนุรักษ์นิยมได้มาก มันรักษาเสถียรภาพที่ดีตลอดวิวัฒนาการ แม้แต่ยีนแต่ละส่วนก็สามารถเปลี่ยนแปลงได้ แต่รูปร่างของไซต์โปรตีน การกระจายของประจุไฟฟ้าในนั้น - ทุกอย่างที่มีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของฟังก์ชันที่ต้องการ - ยังคงเกือบเหมือนเดิม เมื่อเปรียบเทียบกัน เราจะสามารถพบความเชื่อมโยงทางวิวัฒนาการที่อยู่ห่างไกลออกไปได้