Эволюция вирусов

редактировать
Подполе эволюционной биологии и вирусологии, связанное с эволюцией вирусов

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.

Содержание

  • 1 Происхождение
    • 1.1 Три классических гипотезы
    • 1.2 Более поздние гипотезы
  • 2 Эволюция
  • 3 Передача
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки
  • 6 Библиография
  • 7 Внешние ссылки

Происхождение

Три классические гипотезы

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 :

  • Гипотеза о вирусе: Вирусы произошли от сложных молекул белка и нуклеиновой кислоты до того, как клетки впервые появились на Земле. Согласно этой гипотезе, вирусы способствовали росту клеточной жизни. Это подтверждается идеей, что все вирусные геномы кодируют белки, не имеющие клеточных гомологов. Гипотеза о первом вирусе была отвергнута некоторыми учеными, поскольку она нарушает определение вирусов, поскольку для репликации им требуется клетка-хозяин.
  • Гипотеза редукции (гипотеза вырожденности): Вирусы были когда-то маленькие клетки, которые паразитировали более крупные клетки. Это подтверждается открытием гигантских вирусов с генетическим материалом, аналогичным паразитическим бактериям. Однако эта гипотеза не объясняет, почему даже самые маленькие клеточные паразиты никоим образом не похожи на вирусы.
  • Гипотеза побега (гипотеза бродяжничества): Некоторые вирусы произошли из кусочков ДНК или РНК, которая «ускользнула» от генов более крупных организмов. Это не объясняет структуры, которые уникальны для вирусов и нигде не встречаются в клетках. Он также не объясняет сложные капсиды и другие структуры вирусных частиц.

Вирусологи находятся в процессе переоценки этих гипотез.

Более поздние гипотезы

  • Гипотеза коэволюции ( Теория пузыря) : В начале жизни сообщество ранних репликонов (фрагменты генетической информации, способные к самовоспроизведению ) существовало в непосредственной близости от источника пищи, такого как горячий источник. или гидротермальный источник. Этот источник пищи также производил липидоподобные молекулы, которые сами собирались в пузырьки, которые могли заключать репликоны. Ближе к источнику пищи репликоны процветали, но дальше единственные неразбавленные ресурсы находились внутри пузырьков. Следовательно, давление эволюции может подтолкнуть репликоны по двум путям развития: слияние с пузырьком, дающее начало клеткам ; и входя в везикулу, используя ее ресурсы, размножаясь и уходя в другую везикулу, давая начало вирусам.
  • Гипотеза химерного происхождения: На основе анализа эволюции репликативных и структурных модулей вирусов, 126>химерный сценарий происхождения вирусов был предложен в 2019 году. Согласно этой гипотезе, модули репликации вирусов произошли из первичного генетического пула, хотя длительный курс их последующей эволюции включал в себя многие смещения репликативными генами из их сотовые хосты. Напротив, гены, кодирующие основные структурные белки, произошли от функционально различных белков-хозяев на протяжении всей эволюции виросферы. Этот сценарий отличается от каждого из трех традиционных сценариев, но сочетает в себе особенности гипотез о вирусах и побега.

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.

Эволюция

График времени палеовирусов в человеческое происхождение

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 видов

Многие 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.

Передача

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:

  • Капельная передача - передается через жидкости организма (чихание на кого-то)
    • Примером является вирус гриппа
  • Передача воздушно-капельным путем - передается через воздух (переносится через дыхание)
    • Примером может быть передача вирусного менингита
  • Передача вектора - переносится носителем и переносится к новому хозяину
    • Примером является вирусный энцефалит
  • Передача через воду - покидание хозяина, заражение воды и потребление новым хозяином
    • Полиовирус является примером этой
  • передачи в режиме «сидеть и ждать» - вирус живет вне хозяина в течение длительные периоды времени
    • Вирус оспы также является примером для этого

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.

См. Также

Ссылки

Библиография

  • Barrett, Thomas C; Пасторе, Поль-Пьер; Тейлор, Уильям Дж. (2006). Чума крупного рогатого скота и чума мелких жвачных: вирусные чумы крупных и мелких жвачных. Амстердам: Elsevier Academic Press. ISBN 0-12-088385-6. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
  • Леппард, Кейт; Диммок, Найджел; Истон, Эндрю ( 2007). Введение в современную вирусологию. Blackwell Publishing Limited. ISBN 978-1-4051-3645-7. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
  • Mahy, WJ; Van Regenmortel, MHV, eds. (2009). Desk Encyclopedia of General Virology. Academic Press. ISBN 978-0-12-375146-1. CS1 maint: ref = harv (link )
  • Sussman, Max; Topley, WWC; Wilson, Graham K.; Collier, LH; Balows, Albert (1998). Микробиология и микробные инфекции Топли и Уилсона. Арнольд. ISBN 0-340-66316-2.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-18 14:22:26
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте