Il mistero dell'origine dei virus

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

I virus sono difficilmente vivi. Tuttavia, la loro origine ed evoluzione sono ancora meno comprese dell'emergere di organismi cellulari "normali". Non è ancora noto chi sia apparso prima, le prime cellule oi primi virus. Forse hanno sempre accompagnato la vita, come un'ombra disastrosa.

Il problema è che i virus non sono altro che frammenti del genoma (DNA o RNA) racchiusi in un rivestimento proteico. Non lasciano tracce nei reperti fossili e tutto ciò che resta da studiare il loro passato sono i virus moderni e i loro genomi.

Confrontando, trovando somiglianze e differenze, i biologi scoprono collegamenti evolutivi tra diversi virus, determinando le loro caratteristiche più antiche. Sfortunatamente, i virus sono insolitamente variabili e vari. Basti ricordare che i loro genomi possono essere rappresentati non solo da catene di DNA (come nel nostro Paese e, ad esempio, i virus dell'herpes), ma anche da una molecola di RNA correlata (come nei coronavirus).

La molecola di DNA/RNA nei virus può essere singola o segmentata in parti, lineari (adenovirus) o circolari (poliomavirus), a filamento singolo (anellovirus) oa filamento doppio (baculovirus).

Scienze della vista Virus dell'influenza A / H1N1

Le strutture delle particelle virali, le peculiarità del loro ciclo di vita e altre caratteristiche, che potrebbero essere utilizzate per un confronto ordinario, non sono meno diverse. Puoi leggere di più su come gli scienziati aggirano queste difficoltà alla fine di questo post. Per ora ricordiamo cosa hanno in comune tutti i virus: sono tutti parassiti. Non si conosce un solo virus in grado di svolgere da solo il metabolismo, senza utilizzare i meccanismi biochimici della cellula ospite.

Nessun virus contiene ribosomi in grado di sintetizzare proteine, e nessuno porta sistemi che consentano la produzione di energia sotto forma di molecole di ATP. Tutto ciò li rende obbligati, cioè parassiti intracellulari incondizionati: non sono in grado di esistere da soli.

Non sorprende che, secondo una delle prime e più note ipotesi, le cellule siano apparse per la prima volta e solo allora l'intero mondo virale si sia sviluppato su questo terreno.

Regressivo. Dal complesso al semplice

Diamo un'occhiata alla rickettsia - anche ai parassiti intracellulari, anche se batteri. Inoltre, alcune parti del loro genoma sono vicine al DNA, che è contenuto nei mitocondri delle cellule eucariotiche, compreso l'uomo. Apparentemente, entrambi avevano un antenato comune, ma il fondatore della "linea dei mitocondri", infettando la cellula, non lo uccise, ma fu accidentalmente conservato nel citoplasma.

Di conseguenza, i discendenti di questo batterio hanno perso una massa di geni non necessari e si sono degradati in organelli cellulari che forniscono agli ospiti molecole di ATP in cambio di tutto il resto. L'ipotesi "regressiva" dell'origine dei virus ritiene che tale degrado possa essere accaduto ai loro antenati: un tempo organismi cellulari completamente a tutti gli effetti e indipendenti, in miliardi di anni di vita parassitaria, hanno semplicemente perso tutto il superfluo.

Questa vecchia idea è stata ripresa dalla recente scoperta di virus giganti come i pandoravirus o i mimivirus. Non sono solo molto grandi (il diametro delle particelle del mimivirus raggiunge i 750 nm - per confronto, la dimensione del virus dell'influenza è di 80 nm), ma portano anche un genoma estremamente lungo (1,2 milioni di collegamenti nucleotidici in mimivirus contro diverse centinaia in virus comuni), che codifica per molte centinaia di proteine.

Tra questi ci sono anche proteine necessarie per la copiatura e la "riparazione" (riparazione) del DNA, per la produzione di RNA messaggero e proteine.

Questi parassiti dipendono molto meno dai loro ospiti e la loro origine da antenati a vita libera sembra molto più convincente. Tuttavia, molti esperti ritengono che ciò non risolva il problema principale: tutti i geni "aggiuntivi" potrebbero apparire in seguito da virus giganti, presi in prestito dai proprietari.

Dopotutto, è difficile immaginare una degradazione parassitaria che possa spingersi così lontano e influenzare anche la forma del portatore del codice genetico e portare alla nascita di virus a RNA. Non sorprende che un'altra ipotesi sull'origine dei virus sia ugualmente rispettata, l'esatto contrario.

Progressivo. Dal semplice al complesso

Diamo un'occhiata ai retrovirus, il cui genoma è una molecola di RNA a singolo filamento (ad esempio l'HIV). Una volta nella cellula ospite, tali virus usano un enzima speciale, la trascrittasi inversa, convertendolo in un normale doppio DNA, che poi penetra nel "santo dei santi" della cellula - nel nucleo.

È qui che entra in gioco un'altra proteina virale, l'integrasi, che inserisce i geni virali nel DNA dell'ospite. Quindi gli enzimi della cellula iniziano a lavorare con loro: producono nuovo RNA, sintetizzano le proteine sulla loro base, ecc.

Scienze visiveVirus dell'immunodeficienza umana (HIV)

Questo meccanismo assomiglia alla riproduzione di elementi genetici mobili: frammenti di DNA che non trasportano le informazioni di cui abbiamo bisogno, ma sono immagazzinati e accumulati nel nostro genoma. Alcuni di loro, i retrotrasposoni, sono persino in grado di moltiplicarsi in esso, diffondendosi con nuove copie (più del 40 percento del DNA umano è costituito da tali elementi "spazzatura").

Per questo, possono contenere frammenti che codificano entrambi gli enzimi chiave: trascrittasi inversa e integrasi. In realtà, questi sono retrovirus quasi pronti, privi solo di un rivestimento proteico. Ma la sua acquisizione è una questione di tempo.

Incorporando nel genoma qua e là, gli elementi genetici mobili sono abbastanza in grado di catturare nuovi geni ospiti. Alcuni di loro potrebbero essere adatti per la formazione del capside. Molte proteine tendono ad autoassemblarsi in strutture più complesse. Ad esempio, la proteina ARC, che svolge un ruolo importante nel funzionamento dei neuroni, si ripiega spontaneamente in forma libera in particelle simili a virus che possono persino trasportare l'RNA all'interno. Si presume che l'incorporazione di tali proteine possa avvenire circa 20 volte, dando origine a grandi gruppi moderni di virus che differiscono nella struttura del loro involucro.

Parallelo. Ombra della vita

Tuttavia, l'ipotesi più giovane e promettente capovolge di nuovo tutto, supponendo che i virus siano comparsi non più tardi delle prime cellule. Tanto tempo fa, quando la vita non era ancora andata così lontano, nel "brodo primordiale" procedeva la protoevoluzione di molecole autoreplicanti, capaci di imitarsi.

Gradualmente, tali sistemi sono diventati più complessi, trasformandosi in complessi molecolari sempre più grandi. E non appena alcuni di loro hanno acquisito la capacità di sintetizzare una membrana e sono diventati proto-cellule, altri - gli antenati dei virus - sono diventati i loro parassiti.

Questo è accaduto agli albori della vita, molto prima della separazione di batteri, archaea ed eucarioti. Pertanto, i loro virus (e molto diversi) infettano rappresentanti di tutti e tre i domini del mondo vivente, e tra i virus ce ne possono essere tanti contenenti RNA: sono gli RNA che sono considerati molecole "ancestrali", l'autoreplicazione e l'evoluzione di cui ha portato alla nascita della vita.

I primi virus potrebbero essere molecole di RNA così "aggressive", che solo in seguito hanno acquisito geni che codificano per gli involucri proteici. È stato infatti dimostrato che alcuni tipi di conchiglie possono essere apparsi anche prima dell'ultimo antenato comune di tutti gli organismi viventi (LUCA).

Tuttavia, l'evoluzione dei virus è un'area ancora più confusa dell'evoluzione dell'intero mondo degli organismi cellulari. È molto probabile che, a modo loro, tutte e tre le opinioni sulla loro origine siano vere. Questi parassiti intracellulari sono così semplici e allo stesso tempo diversi che gruppi diversi potrebbero apparire indipendentemente l'uno dall'altro, nel corso di processi fondamentalmente diversi.

Ad esempio, gli stessi virus giganti contenenti DNA potrebbero derivare dalla degradazione delle cellule ancestrali e alcuni retrovirus contenenti RNA, dopo aver "ottenuto l'indipendenza" da elementi genetici mobili. Ma è possibile che dobbiamo l'apparizione di questa eterna minaccia a un meccanismo completamente diverso, non ancora scoperto e sconosciuto.

Genomi e geni. Come si studia l'evoluzione dei virus

Sfortunatamente, i virus sono incredibilmente volatili. Mancano di sistemi per riparare il danno al DNA e qualsiasi mutazione rimane nel genoma, soggetta a un'ulteriore selezione. Inoltre, virus diversi che infettano la stessa cellula si scambiano facilmente frammenti di DNA (o RNA), dando origine a nuove forme ricombinanti.

Infine, il cambio generazionale avviene in modo insolitamente rapido: ad esempio, l'HIV ha un ciclo di vita di sole 52 ore ed è tutt'altro che il più breve. Tutti questi fattori forniscono la rapida variabilità dei virus, il che complica notevolmente l'analisi diretta dei loro genomi.

Allo stesso tempo, una volta in una cellula, i virus spesso non avviano il loro solito programma parassitario: alcuni sono progettati in questo modo, altri a causa di un guasto accidentale. Allo stesso tempo, il loro DNA (o RNA, precedentemente convertito in DNA) può integrarsi nei cromosomi dell'ospite e nascondersi qui, perdendosi tra i tanti geni della cellula stessa. A volte il genoma virale viene riattivato, a volte rimane in una forma così latente, venendo tramandato di generazione in generazione.

Si ritiene che questi retrovirus endogeni rappresentino fino al 5-8% del nostro genoma. La loro variabilità non è più così grande: il DNA cellulare non cambia così rapidamente e il ciclo di vita degli organismi multicellulari raggiunge decine di anni, non ore. Pertanto, i frammenti immagazzinati nelle loro cellule sono una preziosa fonte di informazioni sul passato dei virus.

Un'area separata e ancora più giovane è la proteomica dei virus: lo studio delle loro proteine. Dopotutto, dopotutto, qualsiasi gene è solo un codice per una certa molecola proteica necessaria per svolgere determinate funzioni. Alcuni "si adattano" come pezzi di Lego, piegando l'involucro virale, altri possono legare e stabilizzare l'RNA virale, e altri ancora possono essere usati per attaccare le proteine di una cellula infetta.

I siti attivi di tali proteine sono responsabili di queste funzioni e la loro struttura può essere molto conservativa. Mantiene una grande stabilità durante l'evoluzione. Anche le singole parti dei geni possono cambiare, ma la forma del sito proteico, la distribuzione delle cariche elettriche in esso - tutto ciò che è fondamentale per l'esecuzione della funzione desiderata - rimane quasi la stessa. Confrontandoli, si possono trovare le connessioni evolutive più lontane.