Evoluce virů je odvětví evoluční biologie a virologie , které se věnuje specificky evoluci virů . Mnoho virů , zejména RNA virů , má krátkou reprodukční periodu a zvýšenou míru mutace (jedna bodová mutace nebo více na genom na kolo replikace virové RNA). Tato zvýšená rychlost mutací v kombinaci s přirozeným výběrem umožňuje virům rychle se přizpůsobit změnám v jejich prostředí.
Evoluce virů je kritickým aspektem epidemiologie virových onemocnění, jako je chřipka ( ortomyxoviry ), infekce HIV ( virus lidské imunodeficience ) a hepatitida (např . virus hepatitidy C ). Rychle mutující viry také způsobují problémy s vývojem účinných vakcín a antivirotik , protože k mutaci lékové rezistence dochází během týdne nebo měsíce od zahájení léčby. Jedním z hlavních teoretických modelů pro studium virové evoluce je model virový kvazidruhy .
Studie na molekulární úrovni odhalila vztah mezi viry, které infikují organismy v každé ze tří životních domén , a virovými proteiny, které předcházely oddělení životních domén, a proto patří k poslednímu univerzálnímu společnému předku . [1] To ukazuje, že některé viry se objevily na počátku evoluce života [2] a že viry mohly vzniknout vícekrát. [3]
Existují tři klasické hypotézy o původu virů:
Žádná z těchto hypotéz není plně přijata: hypotéza degenerace nevysvětluje, proč jsou i ti nejmenší buněční parazité v jakémkoli ohledu tak nepodobní virům. Uniklá hypotéza DNA nevysvětluje složité kapsidy a další struktury virových částic. Hypotéza o prvenství virů byla rychle zamítnuta, protože odporovala samotné definici virů, které vyžadují hostitelské buňky . [6] Virologové však začali všechny tři hypotézy přezkoumávat a přehodnocovat. [9] [10] [11]
Jedním z problémů při studiu původu virů a jejich evoluce je jejich vysoká mutace, zejména v případě RNA retrovirů, jako je HIV/AIDS. Nedávná studie založená na srovnání skládací struktury virových proteinů však přináší některé nové důkazy. Fold Super Families (FSF) jsou proteiny, které mají podobnou strukturu skládání polypeptidového řetězce bez ohledu na jejich aminokyselinovou sekvenci, a bylo prokázáno, že poskytují důkazy pro fylogenezi virů. Virové proteiny lze tedy rozdělit do 4 superrodin; založené na třech větvích bakterií, archaea a eukaryot, spolu se čtvrtou nadrodinou, která, jak se zdá, naznačuje, že se odštěpila před rozdělením na tři větve. Takže "virový proteom odráží cesty dávné evoluční historie, kterou lze rekonstruovat pomocí moderních bioinformatických přístupů." Anshan Nasir a Gustavo Caetano-Anollés: „To naznačuje existenci starých buněčných linií společných buňkám a virům ještě před vznikem ‚posledního univerzálního buněčného předka‘, který dal vzniknout moderním buňkám. V souladu s našimi údaji vedla dlouhodobá selekce pro redukci velikosti genomu a velikosti částic nakonec k redukci virobuněk na moderní viry (charakterizované úplnou ztrátou buněčného stavu), zatímco jiné koexistující buněčné linie daly vzniknout rozmanitosti moderní buňky. [12] Navíc dlouhá genetická vzdálenost mezi nadrodinou RNA a DNA naznačuje, že hypotéza světa RNA může mít nová experimentální data naznačující dlouhé přechodné období ve vývoji buněčného života.
Viry netvoří fosilie v tradičním slova smyslu, protože jsou mnohem menší než drobné koloidní částice, které tvoří sedimentární horniny, které vedou k fosilizaci rostlin a zvířat. Genomy mnoha organismů však obsahují endogenní virové elementy (EVE). Tyto sekvence DNA jsou pozůstatky starých virových genů a genomů, které „napadly“ hostitelské zárodečné buňky . Například genomy většiny druhů obratlovců obsahují stovky až tisíce sekvencí odvozených ze starých retrovirů . Tyto endogenní virové elementy jsou cenným zdrojem retrospektivních dat o evoluční historii virů a daly vzniknout vědě paleovirologie . [13]
Evoluční historii virů lze do určité míry odvodit z analýzy moderních virových genomů. Rychlosti mutací byly měřeny u mnoha virů a použití molekulárních hodin umožňuje určit načasování divergence. [čtrnáct]
Viry se vyvíjejí změnou starých nebo získáváním nových sekvencí ve své RNA (nebo DNA), některé poměrně rychle, a nejvíce přizpůsobení mutanti rychle převyšují své méně vhodné protějšky. V tomto smyslu je jejich evoluce darwinovská . [15] Způsob, jakým se viry množí v hostitelských buňkách, je činí zvláště náchylnými ke genetickým změnám, které pomáhají urychlit jejich evoluci. [16] RNA viry jsou zvláště náchylné k mutacím. [17] Hostitelské buňky mají mechanismy pro opravu chyb během replikace DNA a jsou odstraněny během buněčného dělení. [17] Tyto důležité mechanismy zabraňují přenosu smrtelných mutací na potomstvo. Tyto mechanismy však u RNA nefungují, a když se virus RNA replikuje ve své hostitelské buňce, změny v jeho genech někdy vedou k chybám, z nichž některé jsou fatální. Jedna virová částice může produkovat miliony potomků virů v jediném replikačním cyklu, takže vznik jen několika „vadných“ virů není problém. Většina mutací je "tichá" a nevedou k žádným zjevným změnám ve virovém potomstvu, ale některé poskytují výhody, které zvyšují jejich adaptabilitu na podmínky prostředí. Mohou to být změny ve virových částicích, které je maskují před identifikací buňkami imunitního systému , nebo změny, které snižují účinnost antivirových léků . Oba typy těchto změn se u HIV vyskytují často . [osmnáct]
Mnoho virů (jako je virus chřipky A) může „zamíchat“ své geny s jinými viry, když dva podobné kmeny infikují stejnou buňku. Tento jev se nazývá antigenní variace a je často příčinou nových a virulentnějších kmenů. Jiné viry se mění pomaleji, protože mutace v jejich genech se postupně hromadí v důsledku genového driftu . [19]
Prostřednictvím těchto mechanismů se neustále objevují nové viry a představují neustálou výzvu pro pokusy o kontrolu nemocí, které způsobují. [20] [21] Nyní je známo, že většina druhů virů sdílí společného předka, a přestože hypotéza „primárního viru“ dosud nebyla plně přijata, není pochyb o tom, že tisíce moderních druhů virů se vyvinuly z méně početných starověkých druhů virů. . [22] Například morbilliviry jsou skupinou blízce příbuzných, ale odlišných virů, které infikují širokou škálu zvířat. Tato skupina zahrnuje virus spalniček , který infikuje lidi a primáty; virus psinky , který infikuje mnoho zvířat včetně psů, koček, medvědů, lasic a hyen; virus moru skotu , který infikuje skot a buvoly; a další viry tuleňů, sviňuch a delfínů. [23] I když není možné prokázat, který z těchto rychle se vyvíjejících virů je nejranější, protože tak blízce příbuzná skupina virů vyskytujících se v tak odlišných hostitelích naznačuje možnost společného předka v minulosti. [24]
Viry mají širokou škálu velikostí genomu. To je zvláště patrné u DNA virů , u kterých se velikost genomu pohybuje od 1 758 bp do 1 758 bp. v prasečím circoviru (ssDNA) na pozoruhodných 1 259 197 bp. v případě genomu Megavirus chilensis (dsDNA) [26] se tedy velikosti genomu překrývají přibližně o tři řády, a to navzdory skutečnosti, že všechny viry ssDNA mají genomy menší než 11 000 bp. v délce. Mnohem užší rozsah velikostí genomu je vidět u RNA virů . Nejmenší v současnosti známý RNA virus je Ophiostoma novo-ulmi mitovirus 6-Ld s velikostí genomu pouze 2 343 bp, zatímco největší RNA viry jsou koronaviry a Roniviry (řád Nidovirales ) mají velikost genomu přibližně 30 000 bp. Průměrná velikost genomu v RNA virů je přibližně 10 000 bp. Je zajímavé, že mezi segmentovanými a nesegmentovanými RNA viry není žádný významný rozdíl ve velikosti genomu [27] . To znamená, že segmentace genomu se nevyvinula jako způsob, jak zvětšit velikost genomu virů.
Bylo navrženo mnoho teorií k vysvětlení evoluce velikosti genomu u virů. Jedna teorie říká, že velikost virového genomu je omezena maximální velikostí genetického materiálu, který může být obsažen v jediném virovém kapsidovém proteinu [28] . Proti tomu však hovoří obrovský rozsah velikostí genomů, zejména u DNA virů. Obsah genomu velkých DNA virů částečně odráží vysokou frekvenci horizontálního přenosu genů a zdvojování genů. (viz. níže). Zejména centrální část genomu mnoha velkých DNA virů je složena z řady základních genů, které řídí základní biochemické funkce včetně replikace, zatímco terminální, rámovací geny se u jednotlivých virů liší a jsou často zodpovědné za korekci imunity. , rozsah hostitelů a virulence a často pocházejí z genomu hostitelských organismů jejich zachycením. Tyto evoluční procesy zrození a smrti genu vedly k velké rozmanitosti velikosti genomu. Například velký nárůst velikosti genomu z ancestrálního velkého jaderného cytoplazmatického DNA viru (NCLDV) na ty, které cirkulují dnes [29] . Tyto evoluční procesy v kombinaci s objevem obřích řas a amébových virů naznačují, že u velkých DNA virů neexistují téměř žádná přísná omezení velikosti genomu. Stejně tak skutečnost, že bakteriofágy jsou schopny přenášet velké části bakteriálního chromozomu, který hraje klíčovou roli v horizontálním přenosu genů mezi bakteriemi, hovoří proti přísným omezením velikosti genomu virů.
Určité strukturální rysy virionu by však měly do určité míry omezovat velikost genomu. Za prvé, delší virové genomy vedou k prodloužení doby replikace, což může být nepříznivý faktor. Za druhé, v případě RNA viru je možné, že obtížnost odvíjení potenciálně dlouhých oblastí dsRNA během replikace omezuje maximální dosažitelnou velikost genomu [30] . Například se tvrdilo, že odvíjení dsRNA u RNA virů s genomy většími než 6 000 bp je řízeno přítomností domény s helikázovou aktivitou (HEL) [31] , jejíž evoluce umožňuje RNA virům zvětšit velikost jejich genomu. [32] .
Pravděpodobnějším vysvětlením rozsahu velikostí virových genomů je, že odrážejí míru mutací na pozadí. Jak bylo uvedeno dříve, existuje základní vztah mezi rychlostí mutace a velikostí genomu, který se zdá být platný pro všechny živé systémy. V souladu s tím budou viry dsDNA s relativně nízkou mírou mutací schopny dosáhnout relativně velkých velikostí genomu, zatímco malé genomy pozorované u virů RNA a ssDNA odrážejí vyšší chybovost pozorovanou v těchto systémech. Možná, paradoxně, myšlenka, že rychlost mutací určuje velikost genomu, by mohla být rozšířena na vysvětlení velmi velkých (podle standardů RNA virů) genomů v koronavirech a ronivirech . Většina genomů těchto rodin (více než 20 000 bp) je obsazena genem replikázy obsahující doménu ExoN kódující 3',5'-exoribonukleázu. Vzhledem k tomu, že tato oblast ExoN je homologní s buněčnými proteiny nadrodiny exonukleáz DEDD zapojených do opravy a opravy [33] , je možné, že koronaviry a roniviry snižují chyby prostřednictvím určitého druhu korektivní aktivity 3',5'-exoribonukleázy. To zase snižuje mutační tlak a umožňuje větší velikosti genomu.
Posledním důležitým rozdílem mezi RNA a dsDNA viry ohledně velikosti genomu je, že první (stejně jako ssDNA viry) často používají překrývající se otevřené čtecí rámce, zatímco u druhých jsou méně časté (nehledě na to, že např. geny M065R a M066R viru neštovicového myxomaviru se překrývají o 100 bp). Belshaw et al [34] zaznamenali 819 překrývání genů mezi 701 genomy RNA viru; Padesát šest procent studovaných virů mělo určitý stupeň genového překrývání, téměř vždy zahrnovalo posun +1 nebo -1. Navíc RNA viry s delšími genomy mají tendenci vykazovat menší překryv genů než viry s kratšími genomy [34] . Ačkoli přesné evoluční procesy odpovědné za vývoj překrývajících se čtecích rámců nejsou zcela pochopeny, jistě umožňují zvýšení počtu různých proteinů kódovaných jedinou nukleotidovou sekvencí.
Lze tvrdit, že viry mají největší rozmanitost druhů nukleových kyselin a organizačních struktur genomu než jakákoli jiná skupina organismů. Kromě zřejmého rozdělení na RNA viry , DNA viry a retroviry lze tyto skupiny rozdělit na viry s pozitivním a negativním řetězcem nukleové kyseliny, viry obsahující jeden nebo dva řetězce nukleové kyseliny, viry s celým nebo segmentovaným genomem (které jsou obvykle vícesložkové v případě ss(+)RNA rostlinné viry ) a konečně ty, které používají subgenomickou RNA, a ty, jako jsou koronaviry, které používají posun ribozomu. Proto je klíčovou výzvou pro evoluční virology vysvětlit, proč existuje taková rozmanitost struktur virového genomu. Jednou z nejvíce diskutovaných otázek týkajících se evoluce struktur genomu RNA viru je, proč jsou některé segmentované a jiné ne. Jedna z teorií říká, že segmentace genomu se vyvinula jako způsob, jak zvýšit genetickou diverzitu zvýšením počtu možných kombinací různých fragmentů mezi sebou, tzv. reasortment , ačkoli se tato teorie zdá nepravděpodobná [35] . Podobně neexistuje žádný silný důkaz, že segmentace genomu přispívá k delším genomům. Dalším vysvětlením je, že segmentace genomu, zejména u vícesložkových virů, je výsledkem intracelulární selekce ve prospěch kratších RNA, které překonávají své protějšky v plné délce v rychlosti replikace [36] . Tato teorie však nemůže poskytnout přesvědčivé vysvětlení, proč jsou vícesložkové viry téměř výhradně omezeny na rostlinné viry.
Konkurenční teorie o původu segmentovaných genomů je ta, že segmentace umožňuje lepší kontrolu genové exprese . Je zřejmé, že všechny RNA viry potřebují kontrolovat hladinu každého proteinu, který produkují. U mnoha ss(+)RNA virů k této kontrole dochází na úrovni translace , protože to je povinný první krok v životním cyklu viru. Dalším omezením, kterému viry tohoto typu čelí, je to, že eukaryotické ribozomy rozpoznávají pouze 5' oblast molekul mRNA , takže se nepoužívají žádné vnitřní startovací kodony a mRNA je obvykle monocistronní [37] . Proto mnoho ss(+)RNA virů jednoduše přeloží svou RNA do jediného polyproteinu, který se proteolyticky štěpí na jednotlivé proteiny. Tento typ organizace genomu může představovat původní typ organizace genomu virů ssRNA. Ačkoli toto uspořádání genomu umožňuje účinnou replikaci, translace produkuje stejné množství každého proteinu, takže existuje jen malá kontrola nad genovou expresí. V důsledku toho si jiné viry ss(+)RNA vyvinuly mnohem složitější způsoby kontroly genové exprese, z nichž všechny lze považovat za způsoby, jak rozdělit virový genom do samostatných transkripčních jednotek, v nichž může transkripce (a translace) probíhat nezávisle. a v různé síle. Takovou separací by mohlo být vytvoření více segmentů genomu, použití subgenomických RNA nebo použití posunu -1 ribozomového rámce k vytvoření více otevřených čtecích rámců, jako v případě koronavirů a ronivirů [37] .
U ss(-)RNA virů je situace úplně jiná . Protože sc(-)RNA viry potřebují transkribovat své genomy do mRNA před tím, než jsou translatovány, může během tohoto kroku transkripce dojít k určité kontrole nad genovou expresí. Několik mRNA může být transkribováno z jednoho (-) vlákna RNA, přičemž první mRNA (jejíž transkripce začíná nejblíže 3' konci) je přítomna v nejvyšší koncentraci a poslední (5' konec) mRNA v nejnižší koncentraci. To znamená, že v závislosti na umístění začátku transkripce mRNA se v genomu viru vytvoří transkripční gradient. Proto je možné, že schopnost lépe kontrolovat genovou expresi prostřednictvím transkripční kontroly je sama o sobě důvodem, proč antisense (-)RNA genomy vznikly na prvním místě. V tomto ohledu je důležité, že genomy nesegmentovaných ss(-)RNA virů mají vysoce konzervovaný genový řád, tvoří jednu skupinu při konstrukci fylogenetických stromů na bázi polymerázových sekvencí a lze je snadno zařadit do skupiny Mononegavirales . Navíc se při tomto způsobu organizace genomu zdá, že pořadí genů závisí na požadovaném množství proteinového produktu těchto genů, takže první geny umístěné blíže ke 3' konci kódují nukleokapsidové proteiny a geny umístěné na 5' konec kóduje RNA polymerázu. To podporuje domněnku, že se jedná o adaptaci pro usnadnění kontroly genové exprese.
| evoluční biologie | |
|---|---|
| evoluční procesy | |
| Evoluční faktory | |
| Populační genetika | |
| Původ života | |
| Historické pojmy | |
| Moderní teorie | |
| Evoluce taxonů | |