Эволюция вирусов - это подполе эволюционная биология и вирусология, которая конкретно занимается эволюцией вирусов. Вирусы имеют короткое время генерации, и многие, в частности РНК-вирусы, имеют относительно высокую частоту мутаций (порядка одной точечной мутации или более на геном за цикл репликации). Эта повышенная частота мутаций в сочетании с естественным отбором позволяет вирусам быстро адаптироваться к изменениям в среде их хозяина. Кроме того, большинство вирусов дают много потомков, поэтому любые мутировавшие гены могут быстро передаваться многим потомкам. Хотя вероятность мутаций и эволюции может меняться в зависимости от типа вируса (двухцепочечная ДНК, двухцепочечная РНК, одноцепочечная ДНК и т. Д.), Вирусы в целом имеют высокие шансы на мутации.
Вирусная эволюция является важным аспектом эпидемиологии вирусных заболеваний, таких как грипп (вирус гриппа ), СПИД (ВИЧ ) и гепатит (например, HCV ). Скорость вирусной мутации также вызывает проблемы при разработке успешных вакцин и противовирусных препаратов, поскольку устойчивые мутации часто появляются в течение недель или месяцев после начала лечение. Одной из основных теоретических моделей, применяемых к эволюции вирусов, является модель квазивидов, которая определяет квазивиды вирусов как группу близкородственных вирусных штаммов, конкурирующих в окружающей среде.
Вирусы - древние. Исследования на молекулярном уровне выявили взаимосвязь между вирусами, заражающими организмы из каждой из трех сфер жизни, предполагая наличие вирусных белков, которые предшествовали расхождению жизни и, таким образом, инфицировали последнего универсального общего предка. Это указывает на то, что некоторые вирусы возникли на ранних этапах эволюции жизни и, вероятно, возникали несколько раз. Было высказано предположение, что новые группы вирусов неоднократно возникали на всех этапах эволюции, часто в результате вытеснения наследственных структурных генов и генов репликации генома.
Существуют три классические гипотезы о происхождении вирусов и о том, как они развивались :
Вирусологи находятся в процессе переоценки этих гипотез.
Одной из проблем при изучении происхождения и эволюции вирусов является высокая скорость вирусных мутаций, особенно в случае РНК-ретровирусов. как ВИЧ / СПИД. Однако недавнее исследование, основанное на сравнении структур сворачивания вирусных белков, предлагает некоторые новые доказательства. Складчатые суперсемейства (FSF) представляют собой белки, которые демонстрируют сходные складчатые структуры, независимые от действительной последовательности аминокислот, и, как было обнаружено, демонстрируют доказательства вирусной филогении. протеом вируса, вирусный протеом, все еще содержит следы древней эволюционной истории, которые можно изучить сегодня. Изучение белковых FSF предполагает существование древних клеточных линий, общих как для клеток, так и для вирусов, до появления «последнего универсального клеточного предка», который дал начало современным клеткам. Эволюционное давление, направленное на уменьшение генома и размера частиц, могло в конечном итоге привести к уменьшению виро-клеток до современных вирусов, тогда как другие сосуществующие клеточные линии в конечном итоге эволюционировали в современные клетки. Более того, большое генетическое расстояние между РНК и ДНК ФСФ предполагает, что гипотеза мира РНК может иметь новые экспериментальные доказательства с длительным промежуточным периодом в эволюции клеточной жизни.
Окончательное исключение гипотезы о происхождении вирусов трудно сделать на Земле, потому что сегодня вирусы и клетки взаимодействуют друг с другом повсюду, и очень старые породы, в которых можно было найти старые следы вирусов, вероятно, встречаются редко или больше не присутствует на Земле. Поэтому с астробиологической точки зрения уже предлагалось активно искать на таких небесных телах, как Марс, не только клетки, но и следы бывших вирионов или вироидов. Если бы на другом небесном теле были обнаружены только следы вирионов, но не было клеток, это было бы убедительным свидетельством гипотезы первого вируса.
Вирусы не образуют окаменелостей в традиционном смысле, потому что они намного меньше, чем самые тонкие коллоидные фрагменты, образующие осадочные породы, которые превращают растения и животных в окаменелости. Однако геномы многих организмов содержат эндогенные вирусные элементы (EVE). Эти последовательности ДНК представляют собой остатки генов и геномов древних вирусов, которые изначально «вторглись» в хост зародышевую линию. Например, геномы большинства видов позвоночных содержат от сотен до тысяч последовательностей, происходящих от древних ретровирусов. Эти последовательности являются ценным источником ретроспективных данных об эволюционной истории вирусов и породили науку палеовирологию.
. Эволюционную историю вирусов можно до некоторой степени вывести из анализа. современных вирусных геномов. Скорость мутаций для многих вирусов была измерена, и применение молекулярных часов позволяет сделать вывод о датах расхождения.
Вирусы эволюционируют через изменения в их РНК (или ДНК), некоторые совершенно быстро, и лучше всего адаптированные мутанты быстро превосходят по численности своих менее приспособленных собратьев. В этом смысле их эволюция дарвиновская. То, как вирусы воспроизводятся в своих клетках-хозяевах, делает их особенно восприимчивыми к генетическим изменениям, которые помогают управлять их эволюцией. РНК-вирусы особенно подвержены мутациям. В клетках-хозяевах есть механизмы для исправления ошибок при репликации ДНК, и они срабатывают всякий раз, когда клетки делятся. Эти важные механизмы предотвращают передачу потенциально смертельных мутаций потомству. Но эти механизмы не работают для РНК, и когда РНК-вирус реплицируется в своей хозяйской клетке, иногда ошибочно вносятся изменения в их гены, некоторые из которых являются летальными. Одна вирусная частица может производить миллионы дочерних вирусов всего за один цикл репликации, поэтому производство нескольких «бесполезных» вирусов не является проблемой. Большинство мутаций «молчаливы» и не приводят к каким-либо очевидным изменениям в потомстве вирусов, но другие дают преимущества, которые увеличивают приспособленность вирусов к окружающей среде. Это могут быть изменения вирусных частиц, которые маскируют их, чтобы они не распознавались клетками иммунной системы, или изменения, которые делают противовирусные препараты менее эффективными. Оба эти изменения часто происходят с ВИЧ.
Филогенетическим деревом, показывающим взаимосвязь морбилливирусов разных видовМногие вирусы (например, вирус гриппа A) могут «перетасовывать» свои гены с помощью другие вирусы, когда два одинаковых штамма заражают одну и ту же клетку. Это явление называется генетическим сдвигом и часто является причиной появления новых и более вирулентных штаммов. Другие вирусы изменяются медленнее, поскольку мутации в их генах постепенно накапливаются с течением времени. Этот процесс известен как антигенный дрейф.
. Благодаря этим механизмам постоянно возникают новые вирусы, которые представляют постоянную проблему в попытках контролировать вызываемые ими заболевания. В настоящее время известно, что у большинства видов вирусов есть общие предки, и хотя гипотеза «сначала вирус» еще не получила полного признания, нет никаких сомнений в том, что тысячи видов современных вирусов произошли от менее многочисленных древних. морбилливирусы, например, представляют собой группу тесно связанных, но различных вирусов, которые инфицируют широкий круг животных. В эту группу входят вирус кори, поражающий людей и приматов; вирус чумы собак, которым заражаются многие животные, в том числе собаки, кошки, медведи, ласки и гиены; чума крупного рогатого скота, заразившая крупный рогатый скот и буйволов; и другие вирусы тюленей, морских свиней и дельфинов. Хотя невозможно доказать, какой из этих быстро развивающихся вирусов является самым ранним, наличие такой тесно связанной группы вирусов у таких разных хозяев предполагает возможность того, что их общий предок является древним.
Вирусы смогли продолжить свое инфекционное существование благодаря эволюции. Их быстрая скорость мутаций и естественный отбор дали вирусам преимущество в продолжении распространения. Одним из способов распространения вирусов является эволюция передачи вируса . Вирус может найти нового хозяина:
Есть также некоторые идеи, лежащие в основе идеи, что вирулентность или вред, который вирус наносит своему хозяину, зависит от нескольких факторов. Эти факторы также влияют на то, как со временем будет меняться уровень вирулентности. Вирусы, которые передаются посредством вертикальной передачи (передача потомству хозяина), будут развиваться, чтобы иметь более низкий уровень вирулентности. Вирусы, передающиеся посредством горизонтальной передачи (передача между представителями одного и того же вида, не имеющими родственных отношений между родителями и детьми), обычно эволюционируют, чтобы иметь более высокую вирулентность.