При поиске данных о вирусах в человеческом геноме я пролистал две статьи вирусологов:
Луис Вилляреал, Могли ли вирусы сделать нас людьми? (Luis P. Villarreal, Can Viruses Make Us Human? Proceedings of the American Philosophical Society 148, no. 3 (2004): 296-323.)
Карин Мёллинг, Что современные вирусы могут рассказать нам об эволюции: личное мнение (Karin Moelling, What contemporary viruses tell us about evolution: a personal view, Archives of Virology, 2013, Volume 158, Issue 9, pp 1833-1848)
Оказалось, что вирусологи едины в том, что вирусы сыграли крайне важную роль в эволюции и при происхождении жизни. Луис Вильярреал, кстати, является автором книги Вирусы и эволюция жизни (Viruses and the Evolution of Life). Мое первой впечатление свелось к известному утверждению, что если у человека в руках молоток, то весь мир выглядит для него как гвоздь. С другой стороны, кто его знает и я поискал на эту тему источники в Рунете. Ниже подборка материалов, где на русском языке более подробно раскрывается важность вирусов в эволюции. В России переведена книга Фрэнка Райана Виролюция: Симбиоз человека и вируса как реальность эволюции, но я решил, что я поищу материалы непосредственно от ученых.
Луис Вилляреал, Вирусы — существо или вещество? В Мире науки, 2005, N 3, с. 60-65.
‘Однако в действительности вирусы воздействовали на генетический материал живых организмов не опосредованно, а самым что ни на есть прямым образом — они обменивались с ним своими ДНК и РНК, т.е. были игроками на биологическом поле. …
Более того, в процессе совместного проживания клетки и вируса вирусный геном (ДНК или РНК) «колонизирует» геном хозяйской клетки, снабжая его все новыми и новыми генами, которые в итоге становятся неотъемлемой частью генома данного вида организмов. Вирусы оказывают более быстрое и прямое действие на живые организмы, чем внешние факторы, которые осуществляют отбор генетических вариантов. Многочисленность популяций вирусов вкупе с их высокой скоростью репликации и высокой частотой мутаций превращает их в основной источник генетических инноваций, постоянно создающий новые гены. Какой-нибудь уникальный ген вирусного происхождения, путешествуя, переходит от одного организма к другому и вносит вклад в эволюционный процесс.’
‘Более того, мы уверены, что само клеточное ядро имеет вирусное происхождение. Появление ядра (структуры, имеющейся только у эукариот, в том числе у человека, и отсутствующей у прокариот, например у бактерий) нельзя объяснить постепенной адаптацией прокариотических организмов к изменяющимся условиям. Оно могло сформироваться на основе предсуществующей высокомолекулярной вирусной ДНК, построившей себе постоянное «жилище» внутри прокариотической клетки. Подтверждением этому служит факт, что ген ДНК-полимеразы (фермента, участвующего в репликации ДНК) фага Т4 (фагами называют вирусы, которые инфицируют бактерии) по своей нуклеотидной последовательности близок к генам ДНК-полимераз как эукариот, так и инфицирующих их вирусов. Кроме того, Патрик Фортере (Patrick Forterre) из Южного парижского университета, который исследовал ферменты, участвующие в репликации ДНК, пришел к выводу, что гены, детерминирующие их синтез у эукариот, имеют вирусное происхождение.’
Н. А. Новикова, Хранение и реализация генетической информации вирусов. Учебно-методические материалы по программе повышения квалификации. 2007.
‘Основываясь на этих, казалось бы простых фактах, а также на результатах филогенетического анализа нуклеотидных и аминокислотных последовательностей и рентгеноструктурном анализе белков — ферментов представителей трех доменов жизни ( бактерий , архей , эукариот ) и вирусов, Фортерре , Файли и Милликалио (P. Forterre, S. Filee, H. Millykalio, 2003) сформулировали две гипотезы о происхождении ДНК и эволюции механизмов ее репликации. Одна из гипотез базируется на участии вирусов в этих процессах.’
‘Идея, что вирусы играли критическую роль в происхождении ДНК, базируется на концепции, что ретровирусы были реликтами РНК / ДНК мирового перехода. В частности, механизм синтеза ДНК на основе РНК — генома у представителей рода Hepadnavirus, может являться отражением древнего пути, ведущего от РНК к ДНК. Создание ДНК вирусом, содержащим РНК, кажется, кажется более вероятным, чем изобретение ДНК РНК — клеткой с целью защиты от вирусных РНКаз, потому, что изменение химической природы генома более доступно вирусу, чем клетке.’
‘Таким образом, современные гипотезы больше не рассматривают вирусы как фрагменты генетических материалов клетки — хозяина, недавно покинувших их хозяев. Вирусы – равноправные древние игроки в развитии жизни, возможно предшествовавшие расхождению между тремя доменами жизни ( бактериями, археями и эукариотами ). Идея, в которой вирусы появились прежде универсальной протоклетки (LUCA), была недавно поддержана открытием структурных, и / или функциональных подобий между вирусами, инфицирующими различные клеточные уровни жизни.’
Далее следуют две статьи в Химии и Жизнь, написанные мнс института Белозерского МГУ Никитиным Михаилом Андреевичом.
Мир вирусов, последний общий предок и происхождение ДНК, Химия и жизнь, 2013, Август.
‘Еще одна сложность на пути от РНК- геномов к ДНК-геномам — непонятно, в чем тут была прямая и непосредственная выгода для протоклетки. Основная выгода от смены геномной нуклеиновой кислоты на более устойчивую — возможность увеличить размер и сложность генома — доступна не сразу. Более того, новая полимераза поначалу, скорее всего, будет уступать в точности хорошо отработанной старой, что даже ухудшит приспособленность. Вирусолог Патрик Фортер разрешает эту сложность. По его гипотезе, на эксперименты с новыми полимеразами «отважились» вирусы, а первой выгодой для них от смены типа генома было ускользание от защитных систем хозяина. Большинство клеток и в наше время используют разные ферментативные системы, опознающие и уничтожающие вирусные нуклеиновые кислоты, и «гонка вооружений» между клетками и вирусами могла вызвать очень быструю эволюцию геномных материалов и полимераз для их копирования.’
‘Вирусы в ходе «гонки вооружений» со своими хозяевами — плоскими протоорганизмами — создали новые типы нуклеиновых кислот, такие, как метил-РНК, урацил-ДНК и тимин-ДНК. Эти новые нуклеиновые кислоты были затем подхвачены протоорганизмами и позволили им увеличить размер и стабильность генома. Изобретение ДНК и совершенствование механизмов ее копирования шли параллельно в разных линиях вирусов, что привело к большому разнообразию ферментов, работающих с ДНК. Наконец, появление высокоточной ДНК-ДНК-репликации подготовило почву для объединения разнообразных генетических элементов в единые большие ДНК-геномы, а затем состоялся исход бактериальных и архейных клеток из древнего «цинкового мира».’
Роль вирусов в происхождении клеточного ядра, Химия и жизнь, 2013, Декабрь.
‘Эти особенности эукариот находят объяснение, если допустить, что в их появлении участвовали, помимо архейного и бактериального партнеров, еще и вирусы.
Вирусное происхождение отдельных компонентов эукариотической клетки не вызывает сомнения. Так, фермент теломераза происходит от обратной транскриптазы ретровирусов, а часть генетического аппарата митохондрий — ДНК-полимераза, РНК-полимераза и праймаза — от Т-четного бактериофага, встроенного в геном бактериального предка митохондрий. Однако есть и более радикальное мнение о роли вирусов в появлении эукариотической клетки — вирусная теория происхождения ядра.
Эту теорию в современном виде выдвинули вирусологи Филипп Джон Белл и Масахара Такемура. Они утверждают, что ядро эукариотической клетки происходит от крупного ДНК-вируса, заразившего древнюю архею, перешедшего в лизогенное состояние и постепенно взявшего клетку хозяина под полный контроль. (Лизогения — сосуществование бактериальной клетки с умеренным фагом, в отличие от лизиса — убийства фагом бактерии.) На протяжении 2000-х годов другие ученые практически не рассматривали эту теорию всерьез, но в последнее время она стала набирать популярность — так, к ее развитию подключился крупнейший французский вирусолог Патрик Фортер.’
‘Итак, вирусная теория происхождения ядра лучше других объясняет такие особенности эукариот, как кэпирование и полиаденилирование мРНК, отсутствие оперонов, митоз, мейоз и половые процессы. Она объясняет также происхождение систем слияния мембран и отшнуровки мембранных пузырьков. Серьезными доказательствами в ее пользу могут стать:
— обнаружение среди вирусов архей близких родственников LNCDV-вирусов;
— обнаружение у архейных вирусов системы кэпов;
— находка вирусных гомологов белков мейоза.’
Обсуждение
http://evgeniirudnyi.livejournal.com/122845.html
10.04.2016 Пять шестых генома человека напоминает вирусы
В лекциях Betsey Dexter Dye про бактерий (Unseen Diversity: The World of Bacteria) был раздел про вирусы, где утверждалось следующее:
‘У людей геном образован из трех миллиардов нуклеотидов. Менее десяти процентов ДНК используется для кодирования генов, несмотря на то, что гены рассматриваются как наиболее важная часть ДНК. Большим удивлением является то, что одна треть генома человека является ДНК вирусов и в настоящее время значимость этой вирусной информации является тайной. Большинство вирусной ДНК является неопасной, а часть по-видимому приносит пользу. Половину генома относят к загадочному типу генетической объектов, называемых ‘транспозонами’ или ‘прыгающими генами’, которые могут оказаться эволюционными производными или предшественниками вирусной ДНК в геноме человека. Таким образом (половина плюс одна треть) пять шестых генома человека имеет вирусную основу или близко к ДНК вирусов.’
Не могу сказать, насколько можно верить информации увлеченного специалиста (в другой лекции утверждалось, что человек это по сути дела колония бактерий). Ниже ссылочки про вирусы в геноме человека, которые я на скору руку нашел в Рунете. Численные значения отличаются, но в любом случае получается, что эгоистичные гены делятся на два класса. Есть те, которые работают не покладая рук, а есть такие, которые правильно организовали распределение труда.
Доктор биологических наук Тарантул Вячеслав Залманович, книга Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами
‘Когда секвенировали геном человека и многих других млекопитающих, оказалось, что в их составе содержится очень большое число повторяющихся элементов, имеющих сходство с инфекционными вирусами. Повторяющиеся элементы, способные кодировать 2–3 белка и окруженные с двух сторон еще одними особыми повторами — названными длинными концевыми повторами (ДКП), — были отнесены к семейству, получившему название ретротранспозонов. У человека они составляют довольно существенную часть — около 8% генома. Такие элементы называют часто эндогенными ретровирусами, в отличие от типичных ретровирусов, существующих в природе вне организмов (их называют экзогенными ретровирусами).’
Доктор биологических наук Антон Буздин, Ретровирусы в эволюции человека, Postnauka.ru, 4.9.2013.
‘Когда вирус инфицирует не обычную соматическую клетку, а ту, из которой потом получаются половые клетки, этот вирус может передаваться по наследству, как обычная мутация или полиморфизм, передаваться от родителей к потомству. В эволюции так происходило много раз, и сейчас ретровирусная ДНК занимает около 6-7% всего генома человека, что эквивалентно нескольким миллионам актов встройки вирусов в хозяйский геном.’
Александр Марков, Предки человека заимствовали полезные гены у вирусов, Элементы.Ру
‘Вирусам иногда удается встроить свою ДНК в геном половых клеток хозяина и стать постоянным наследуемым компонентом хозяйского генома. Встроенные вирусные гены обычно не приносят пользы хозяину, но бывают и исключения. Один из таких случаев произошел у предков обезьян более 43 млн лет назад. Два вирусных белка, когда-то служившие для построения оболочки вируса, с тех пор участвуют в работе плаценты у высших приматов, включая человека.’
Наука и Жизнь, Кирилл Стасевич, 28 марта 2016, Сколько вирусов в нашей ДНК: Число спящих вирусных последовательностей в геноме человека увеличилось более чем вдвое
‘Вирусные последовательности, которые осели в человеческой ДНК, называют HERV – human endogenous retroviruses, или эндогенные ретровирусы человека. Считается, что на их долю приходится 8% генома, однако далеко не все из них описаны – тут нужно учитывать, что один и тот же вирус мог попасть в несколько мест в ДНК, кроме того, из-за мутаций и генетических перестроек вирусные гены могли измениться довольно сильно.
До сих пор было достоверно известно о семнадцати вирусных фрагментах (здесь стоит говорить именно о фрагментах, а не о генах, так как фрагмент может объединять несколько генов, к тому же необязательно хорошо сохранившихся). В статье в PNAS, которую опубликовали исследователи из Мичиганского университета и Университета Тафтса, к этим семнадцати добавляется ещё девятнадцать.’
Корреспондент Би-би-си по научным вопросам, Ученые исследуют древние вирусы в ДНК человека, Дэвид Шукман, 24 апреля 2012 г, bbc.com
‘Как это ни странно, но только 1,5% генетического материала наших клеток имеет жизненно важные функции. Одна половина всей остальной части, иногда называемая «ДНК-мусором», как полагают, никакой функции не несет, а вторая – состоит из генов, привнесенных вирусами и разными паразитами.’
Комсомольская правда, Сначала Бог создал вирусы. А потом из них — человека, 14 мая 2010.
‘По последним научным данным, наш геном в общей сложности наполовину состоит из ДНК вирусов, — говорит британский доктор Френк Райн, автор нашумевших книг «Вирус Х», «Виролюция» и «Ген судного дня».’
Правда, Антон Евсеев, 05.09.2013, Человечество создано особенными вирусами
‘О том, как это произошло, рассказал во время открытой лекции «Почему вирусы «помогли создать» человека?» молекулярный вирусолог, доцент кафедры биологии педиатрического ф-та РНИМУ им. Н. И. Пирогова Михаил Розанов. По его словам, долгое время ученые недооценивали роль вирусов в эволюции всего живого. Однако в последнее время исследователи находят все новые и новые доказательства того, что многие эволюционные достижения растений, животных и прочих организмов, имеющих клеточное строение, были бы невозможны без помощи этих крошечных обитателей нашей планеты, которых, увы, никто не любит.
…
А все остальное — это интроны, то есть участки ДНК между генами, которые вырезаются при считывании информации с генов, и мобильные генетические элементы. Кстати, последних в человеческом геноме — почти половина от всей ДНК.
Но что же представляют собой эти мобильные элементы? На самом деле они когда-то были теми самыми вирусами, которые в какой-то момент настолько освоились в ДНК хозяина, что потом не захотели покидать ее. Среди таких «одомашненных» вирусов у человека чаще всего встречаются ретротранспозоны — они составляют 30 процентов от общего количества этих элементов (а у кукурузы, например, они вообще составляют 78 процентов всего генома).’
http://evgeniirudnyi.livejournal.com/122609.html
21.03.2016 Бактерий в человеке заново пересчитали
Я во второй раз услышал, что число бактерий в человеке превышает число собственно человеческих клеток в десять раз. Мне, собственно говоря, все равно, я ничего не имею против бактерий, как говорят ‘от грязи микробы дохнут’. Но меня заинтересовало, каким же образом биологи подсчитали это отношение.
Вначале, что говорят по этому поводу специалисты:
Микробиолог Мартин Блейзер (5 интересных фактов о микробах, живущих внутри вас — Фактрум, 26.07.2013)
‘Конечно, никто не будет считать, сколько бактерий живёт в человеке, точное количество не имеет значения, но ясно одно — бактерий гораздо больше, чем клеток, из которых мы состоим.’
Доктор Брюс Биррен (Смита Мундасад, Ученые составили карту микробов в организме человека, bbc.com, 14 июня 2012):
‘Когда я встаю со стула, со мной встают в 10 раз больше бактериальных клеток, чем человеческих.’
Профессор Михаил Гельфанд:
‘В организме вполне здорового человека живет до квадриллиона (10^15) бактерий, больше, чем его собственных клеток. Если вы хотите узнать ваш истинный вес, можете смело вычитать из показаний весов полтора килограмма, ведь столько суммарно весят ваши микроскопические сожители.’
Заведующий лабораторией биоинформатики Дмитрий Алексеев:
‘100 триллионов клеток, 10 миллионов генов, почти 2 килограмма чистого веса. … На каждую родную клетку человеческого организма приходится почти десять клеток бактериальных, так что неудивительно, что все они очень активно влияют на нашу жизнь.’
К счастью, я достаточно быстро нашел ссылочку на статью, в которой ученые задумались на тем же вопросом: кто и когда подсчитал отношение числа бактерий в человеке к числу человеческих клеток. Как оказалось, все дороги вели к статьям 1977 и 1972 годов. В статье 1972 года число бактерий было посчитано следующим образом. Была принята концентрация бактерий в пищеварительном тракте равной 10^11 бактерий на миллилитр (измерения концентрации бактерий в кале), объем пищеварительного тракта равным одному литру, отсюда число бактерий в пищеварительном тракте равно 10^14. Число всех остальных бактерий считалось на два порядка ниже и просто игнорировалось. В статье 1977 году это число было сравнено с числом клеток человека, которое было принято равным 10^13 (как оказалось, детали этого вычисления узнать уже невозможно). Именно отсюда пошло гулять отношение 10 к 1.
Далее в статье говорится, что бактерии находятся преимущественно в толстой кишке (объем в среднем человеке 477±118 мл), что число человеческих клеток 10^13 занижено и далее ученые приходят к выводу что отношение числа бактерий к числу клеток человеку близко к 1 : 1.
Вопрос, который остается, откуда биологи оценили массу бактерий в человеке в 1 — 2 кг, это число явно никак не укладывается в схему оценки числа бактерий. Хочу обратить внимание, что такая оценка массы бактерий в человеке встречается не только у Гельфанда, ее можно найти в устах многих биологов.
Методика подсчета, описанная выше, называется «back of the envelope estimate”: подсчет на обратной стороне конверта. Вот так устроена наука, кто-то что-то чиркает на обратной стороне конверта, а потому все дружно для красного словца повторяют полученную величину.
Информация
Отношение числа бактерий в человеке к числу клеток человека = 10 : 1
Betsey Dexter Dye, Unseen Diversity: The World of Bacteria.
Статья, где бактерий пересчитали:
Ron Sender, Shai Fuchs, Ron Milo, Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body, PLoS biology 14, no. 8 (2016): e1002533.
См. также: Десятикратное превосходство микробов в человеке развеяно
http://batrachospermum.livejournal.com/118544.html
Обсуждение
http://evgeniirudnyi.livejournal.com/120378.html
10.01.24 Общее обсуждение