Вирусы — одновременно злодеи и герои жизни, какой мы её знаем

Вирусы имеют дурную репутацию. Они ответственны за пандемию COVID-19 и длинный список недугов, преследующих человечество с незапамятных времен. Есть ли в них что-то, что можно восхвалять?

Многие биологи, включая автора статьи, считают, что да — по крайней мере, для одного конкретного типа вирусов: бактериофагов, то есть вирусов, заражающих бактерии. Когда ДНК этих вирусов захватывается клеткой, она может содержать инструкции, позволяющие этой клетке выполнять новые функции.

Могучая сила бактериальных вирусов

Бактериофаги (или просто фаги) сдерживают численность бактериальных популяций как на суше, так и в море. Они уничтожают до 40% бактерий океана каждый день, помогая контролировать бактериальное цветение и перераспределение органического вещества.

Их способность избирательно убивать бактерии также вызывает интерес у врачей. Натуральные и модифицированные фаги успешно использовались для лечения бактериальных инфекций, не поддающихся антибиотикам. Этот процесс, известный как фаговая терапия, может помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.

Недавние исследования указывают на ещё одну важную функцию фагов: они могут быть главными генетическими «инженерами» природы, создавая новые гены, которые клетки могут перепрофилировать для получения новых функций.

Фаги — самая многочисленная форма жизни на планете: в любой момент по миру «плавает» нониллион (1 с 31 нулём) их частиц. Как и все вирусы, фаги имеют высокие скорости репликации и мутации, то есть при каждом размножении образуют множество вариантов с разными характеристиками.

У большинства фагов есть жесткая оболочка — капсид, заполненная их генетическим материалом. Во многих случаях у оболочки больше места, чем нужно фагу для хранения ДНК, необходимой для его репликации. Это означает, что у фагов есть возможность нести дополнительный генетический «багаж»: гены, не являющиеся необходимыми для выживания фага, которые он может свободно модифицировать.

Как бактерии переделали вирусный «переключатель»

Чтобы понять, как это работает, рассмотрим жизненный цикл фага подробнее.

Существует два основных типа фагов: умеренные и вирулентные. Вирулентные фаги, как и многие другие вирусы, работают по программе «проникни-размножься-уничтожь». Они проникают в клетку, захватывают её компоненты, создают копии себя и вырываются наружу.

Умеренные фаги, напротив, играют в долгую. Они встраивают свою ДНК в ДНК клетки и могут годами оставаться в спящем состоянии, пока что-то не спровоцирует их активацию. Затем они возвращаются к вирулентному поведению: реплицируются и вырываются наружу.

Многие умеренные фаги используют повреждение ДНК в качестве триггера. Это своего рода сигнал «Хьюстон, у нас проблема». Если ДНК клетки повреждена, значит, ДНК резидентного фага, вероятно, будет следующей, поэтому фаг благоразумно решает покинуть корабль. Гены, которые заставляют фаги реплицироваться и вырываться наружу, выключены, пока не обнаружено повреждение ДНК.

Бактерии переделали механизмы, контролирующие этот жизненный цикл, чтобы создать сложную генетическую систему, которую автор и его коллеги изучают уже более двух десятилетий.

Бактериальные клетки также заинтересованы в том, чтобы знать, не повреждается ли их ДНК. Если это происходит, они активируют набор генов, пытающихся восстановить ДНК. Это известно как SOS-ответ бактерий, потому что в случае его неудачи клетка обречена. Бактерии управляют SOS-ответом с помощью переключающего белка, реагирующего на повреждение ДНК: он включается при наличии повреждения и остается выключенным, если его нет.

Возможно, неудивительно, что бактериальные и фаговые «переключатели» эволюционно связаны. Это вызывает вопрос: кто изобрел переключатель, бактерии или вирусы?

Предыдущие исследования автора и работы других ученых указывают на то, что фаги были первыми. В недавнем отчете было обнаружено, что SOS-ответ у Bacteroidetes (группы бактерий, составляющих до половины бактерий, живущих в кишечнике человека) контролируется фаговым переключателем, который был переделан для реализации собственных сложных генетических программ бактерий. Это говорит о том, что бактериальные SOS-переключатели на самом деле являются фаговыми переключателями, перепрофилированными эоны назад.

Не только бактериальные переключатели, по-видимому, являются изобретением фагов. Прекрасная детективная работа показала, что бактериальный ген, необходимый для деления клетки, также возник в результате «одомашнивания» гена токсина фага. И многие бактериальные системы атаки, такие как токсины и генетические «пистолеты» для их впрыскивания в клетки, а также камуфляж, который они используют, чтобы избежать иммунной системы, как известно или предполагается, имеют фаговое происхождение.

Позитивная сторона вирусов

Можно подумать: «Фаги — это здорово, но вирусы, заражающие нас, точно не круты». Однако накапливаются доказательства того, что вирусы, заражающие растения и животных, также являются основным источником генетических инноваций у этих организмов. Было показано, например, что одомашненные вирусные гены играют ключевую роль в эволюции плаценты млекопитающих и в поддержании влажности человеческой кожи.

Недавние данные свидетельствуют о том, что даже ядро клетки, в котором находится ДНК, также могло быть вирусным изобретением. Исследователи также предполагают, что предки современных вирусов могли быть первопроходцами в использовании ДНК в качестве основной молекулы жизни. Не маленькая заслуга.

Таким образом, хотя мы привыкли думать о вирусах как о квинтэссенции злодеев, они, возможно, являются природными «электростанциями» генетических инноваций. Человечество, скорее всего, существует сегодня благодаря им.