Спасибо паразитам
Гонка вооружений между двумя заклятыми врагами - паразитами и их хозяевами - считается чуть ли не основной движущей силой эволюции. Пока первые, включая вирусы, бактерии и беспозвоночных, развивают новые способности для заражения и распространения, последние обзаводятся улучшенными защитными системами. «Лента.ру» рассказывает о последствиях холодной войны между вирусами и животными.
Вирусы - пожалуй, наиболее серьезный противник человека и других животных. Они представляют собой неживые структуры, состоящие из белковой оболочки - капсида - и генов, в которых записана инструкция по воспроизводству. Каждый вирус должен уметь «взламывать» клетку, чтобы размножиться в ней. На поверхности капсида располагаются молекулы, которые выполняют функцию «отмычки»: если они вступают в реакцию со специфичными белками на внешней оболочке клетки-жертвы, то вирус получает возможность проникнуть внутрь. Именно поэтому многие вирусы используют для размножения отдельные виды организмов, поскольку их «ключи» приспособлены только к определенным «замкам».
Вирусный геном способен к достаточно быстрым изменениям, в результате чего вирусы могут непрерывно мутировать. Это дает захватчикам определенные преимущества: иммунитет распознает врагов по определенным белкам - антигенам, однако мутации в генах вирусов изменяют последовательность аминокислот в белках, и защитные системы организма не успевают научиться распознавать антигены. Самым известным примером быстро мутирующего вируса является ВИЧ. Более того, вирусные инфекции справляются и с лекарствами, поскольку действие противовирусных препаратов основано на реакциях с белками специфической структуры.
Гипотеза Черной Королевы предполагает, что секс является адаптацией к инфекциям
Если же в геноме вируса, например, гриппа по каким-то причинам происходят масштабные изменения, то иммунная система большинства людей оказывается неспособной быстро справиться с вирусом. Возникает пандемия - эпидемия глобального характера, которая охватывает территорию целой страны, континента или всего мира.
Иммунная система, как и ее вечные враги, является продуктом постоянного эволюционного развития. В 1973 году биолог-эволюционист Ли ван Вален предложил гипотезу Черной Королевы (англ. Red Queen hypothesis), названную так в честь персонажа - шахматной фигуры из сказки Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье». Согласно гипотезе, вид должен постоянно адаптироваться, чтобы поддерживать свое существование в окружающем мире, поскольку если он не изменяется, то становится легкой добычей для вирусов и других паразитов.
Иллюстрация к сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье»
Гипотеза Черной Королевы также предлагает решение одной из самых сложных загадок биологии: почему животные имеют пол. Дело в том, что бесполое размножение дает организмам мощное преимущество. Они могут произвести большое количество потомства, что увеличивает вероятность выживания какого-то числа особей из нового поколения. В этом случае мутации, которые могли бы привести к появлению полового размножения, не смогли бы закрепиться. Однако если окружающая среда очень быстро меняется, то картина становится принципиально другой. Секс позволяет перетасовывать гены, получая новые комбинации, которые могут повышать устойчивость против постоянно мутирующих паразитов. Бесполые организмы на это неспособны.
Поэтому можно сказать, что все, что имеет то или иное отношение к половому размножению человека и животных - сексуальное поведение, привлекательность, создание семей - обязано своим существованием вирусам.
Однако насколько все это действительно соответствует реальности? До сих пор ученые не имели возможности подтвердить, что борьба между паразитами и их хозяевами является движущей силой эволюции. Лишь недавно появились первые свидетельства, подтверждающие эту точку зрения.
В новом исследовании, опубликованном в журнале eLife, специалисты из Стэнфордского университета проанализировали громадное количество данных, чтобы выявить степень воздействия вирусов на эволюцию. Оказалось, что с того момента, как линия наших предков разделилась на две отдельные ветви, одна из которых привела к шимпанзе, а другая - к Homo sapiens, 30 процентов всех изменений в белках было вызвано вирусами.
Аминопептидаза N - белок, являющийся рецептором коронавирусов, претерпел множественные изменения в процессе эволюции
Множество компонентов иммунной системы являются белками (полипептидами). Это прежде всего антитела или иммуноглобулины - молекулы, присутствующие на поверхности лимфоцитов (клеток гуморального иммунитета) и связывающиеся с конкретными чужеродными веществами - антигенами. Другие белки - интерфероны - выделяются организмом в ответ на инфекцию. Они запускают цепь реакций, которая препятствует размножению вирусов, нарушая сборку их белков и предотвращая их выход из клетки. Кроме того, интерфероны стимулируют всю иммунную систему, поднимая ее на борьбу с врагом.
Естественно предположить, что мутации должны происходить именно в иммунных белках, чтобы они могли эффективно бороться с вирусами. Однако новое исследование показало, что почти каждый полипептид, который входит в контакт с инфекциями, может вносить вклад в общую адаптацию. Молекулы, не участвующие в защитных реакциях, составляли 50 процентов от всего числа белков, измененных вирусами.
Ученые изучили несколько десятков тысяч научных работ, чтобы определить общее число белков, взаимодействующих с вирусами. В список вошли 1300 полипептидов, присутствующих в организмах разных животных. На втором этапе работы исследователи написали алгоритмы для обработки огромных объемов информации, представленных в геномных базах данных, чтобы сравнить эволюцию белков, связанных с вирусами, с изменениями в аминокислотных последовательностях других молекул.
Результаты показали, что вирусы предпочитают взаимодействовать с белками, которые эволюционно ограничены в своих клеточных функциях, однако, несмотря на это, в генах, кодирующих данные полипептиды, произошла треть всех мутационных изменений. Ученые объясняют это тем, что инфекции контактируют со многими молекулами клетки, в том числе с теми, которые отвечают за синтез органических веществ и репликацию ДНК. Вирусы используют их для размножения и распространения, а мутации в клеточных генах препятствуют успешному заражению.
Исследование помогает ответить на некоторые вопросы - например, почему у близкородственных видов животных различные молекулы выполняют идентичные клеточные функции, такие как репликация ДНК или синтез мембран. В целом полученные результаты свидетельствуют о том, что вирусы действительно являются одним из основных факторов эволюционных изменений млекопитающих, в том числе человека.
Изображения: 1 - Diomedia, 2 - TJ Gehling / Flickr, 3 - сеть, 4 - David Enard
Александр Еникеев, lenta.ru, 14.07.2016