Jesu li virusi stvorili staničnu jezgru?

Stanična jezgra je zajedničko obilježje stanica čovjeka, životinja, biljaka, gljiva i protozoe, dok na osnovu imanja i neimanja jezgre razlikujemo eukariote i prokariote. Jezgra sadrži unutarnju i vanjsku membranu te pore koje povezuju unutrašnjost jezgre s ostatkom stanice, a zanimljiva je i sposobnost razdvajanja procesa  ekspresije gena koja se odvija unutar jezgre te sinteze proteina izvan jezgre. No, i dalje je nepoznato: kako je jezgra nastala evolucijski?
Zašto je važno ispitati i utvrditi porijeklo jezgre? Prvenstveno nas zanima zašto jezgra uopće postoji te koji su evolucijski razlozi i pritisci koji su potaknuli davne stanice da ograde genom od ostatka stanice. Prvi odgovor na ovo pitanje nastaje tek na početku 21.stoljeća kada dva znanstvenika, neovisno jedan o drugom, stvaraju istu hipotezu: virus je odgovoran za nastanak jezgre.

Masaharu Takemura, Japan

Molekularni biolog i virolog Masaharu Takemura počeo se zanimati za evoluciju i biokemiju DNA polimeraza, enzima koji sudjeluju u replikaciji DNA. Na temelju provedene filogenetske analize eukariotskih, bakterijskih, arhealnih i virusnih DNA polimeraza uočio je neočekivanu sličnost između glavnih eukariotskih DNA polimeraza i DNA polimeraza iz poksvirusa, što je rezultiralo sljedećom hipotezom: eukariotski enzimi DNA polimeraze produkt su doprinosa davnih poksvirusa, dvolančanih DNA virusa koji se sintetiziraju i repliciraju unutar određenih oblikovanih odjeljaka unutar stanica koje inficiraju. Takemura svoju teoriju objavljuje u svibnju 2001.godine u časopisu Journal of Molecular Evolution.

Takemura: eukariotska jezgra nastala je iz jednog odjeljka poksvirusa.

Phillip Bell, Australija

Phillip Bell znanstvenik je i voditelj istraživanja u tvrtki MicroBioGen koja se bavi biotehnologijom kvasca. Prvu ideju o virusnom porijeklu jezgre stvara već 2001.godine i naziva ju „virusna eukariogeneza“, dok je u rujnu 2020. tu teoriju nadopunio. Bell, kao i drugi istraživači na ovom području, gradi ovu teoriju na temelju činjenice da veliki virusi stvaraju tzv. virusne tvornice (eng. viral factories) unutar prokariotskih stanica. Virusne tvornice, kao i jezgra, razdvajaju procese transkripcije i translacije u stanici.
Znanstvenik Phillip Bell dolazi do istog zaključka kao i Takemura, ali na temelju drugih implikacija i dokaza. Naime, Bell je tražio objašnjenje nastanka jezgre analogno objašnjenju nastanka mitohondrija (poznato kao endosimbiotska teorija). Već na samom začetku svoje ideje bio je siguran da ukoliko se radi o endosimbiontu, onda definitivno nije riječ o bakteriji zbog prevelikih razlika između bakterijskog genoma (većinom sadrži kružni kromosom) i eukariotskog genoma (linearni kromosom/i). S druge strane, otkrio je zapanjujuće sličnosti između eukariotskog genoma i genoma poksvirusa.

Veliki virusi

Veliki virusi imaju genom s više od milijun parova baza, a sadrže gene koji su virusna verzija gena za proteine uključene u esencijalne stanične procese. Za neke od tih eukariotskih gena smatra se da direktno potječu od velikih virusa, za što postoje i određeni dokazi. Drugi naziv za velike viruse je nukleocitoplazmatski veliki DNA virusi (eng. Nucleocytoplasmic large DNA viruses – NCLDVs) jer se repliciraju unutar složenih, samokonstruirajućih odjeljaka u citoplazmi stanice domaćina. Primjerice, za velike RNA viruse kao što su poliovirus, virus hepatitisa C, koronavirus i denga virus karakteristično je formiranje zasebnih odjeljaka u stanici unutar kojih se repliciraju.
Pojam „virusne tvornice“ uveo je francuski evolucijski biolog Patrick Forterre. Virusne tvornice veličinom su jednake staničnoj jezgri, a kao i jezgra imaju vanjsku i unutrašnju membranu. Forterre objašnjava na koja dva moguća načina se jezgra mogla razviti zahvaljujući virusu: prva mogućnost jest da je viralna tvornica postala jezgra.
Druga mogućnost je da su proto-eukariotske stanice naučile od virusa kako da sebe učine što više nalik virusnim tvornicama u svrhu zaštite genetskih materijala-kromosoma. U tom je slučaju virus nenamjerno pridonio eukariotskoj stanici kao stimulans za izgradnju genetske barijere, ali i kao izvor pojedinih gena nužnih za izgradnju iste.
Prema ovoj drugoj mogućnosti veliki je virus izgradio virusnu tvornicu unutar koje je zatvorio vlastiti, ali i domaćinov genom. Za razliku od drugih zaraženih stanica, određena stanica-domaćin je uspjela od virusa ukrasti ideju o odvajanju unutar citoplazme. Stanica je stvorila odjeljak pomoću kojeg, između ostalog, štiti svoj genom od virusa, a s vremenom je ta privremena barijera evoluirala i postala jezgra kakvu danas poznajemo, dok su se virusne funkcije reducirale.

Bellovo dodatno objašnjenje

Bell tvrdi da je nekadašnji veliki virus inficirao stanicu arheje i uspostavio virusnu tvornicu, no nije usmrtio stanicu domaćina, već se struktura virusne tvornice zadržala unutar stanice domaćina. Zatim je virus, kradljivac gena, ukrao gene i u potpunosti uništio genom domaćina. Ova pojava je tipičan obrazac ponašanja virusa, pogotovo skupine velikih virusa koji uzimanjem gena od domaćina postaju manje ovisni o njemu. Istom pojavom možemo objasniti i zašto se toliko mitohondrijskih gena premjestilo i jezgru.

Bell: „Stanica arheje je tek plašt za virus. Ako je ovaj model točan, onda bi se moglo reći da je u srcu svake ljudske stanice – virus.“

Najnovija saznanja i budućnost

Nijedna od navedenih teorija zasad nije dovoljno potkrijepljena dokazima da bi se smatrala utemeljenom, stoga su i dalje su potrebna istraživanja i dokazi koji potvrđuju postojeće ili postavljaju nove hipoteze.
2001.godine otkriveno je da virusi mogu stvarati virusne tvornice i unutar bakterije, prokariotske stanice.
U vodi iz japanskog termalnog vrela 2019. godine otkriveno je prisustvo meduza-virusa koji ima jedinstven replikacijski mehanizam: ne formira vidljive virusne tvornice unutar stanica akantameba niti replikacijske centre u jezgri, već replicira svoj genom unutar jezgre akantameba bez degradacije jezgre domaćina, što uključuje prisutnost genoma meduza-virusa, ali i genoma domaćina u staničnoj jezgri tijekom replikacije virusa. To također upućuje i na mogućnost da eukariotska stanična jezgra potječe od pradavnih virusnih tvornica meduza-virusa. Štoviše, meduza-virus je prvi poznati virus koji sadrži čitav set gena za proteine nalik histonima (analozi H1, H2A, H2B, H3 i H4). Najnovije otkriće dolazi također iz Japana gdje su znanstvenici nakon više od 10 godina izolirali Lokiarchaeotu – arheje slične onima za koje se smatra da su slične onima unutar kojih su se nalazili NCLDV virusi i možda doveli do razvitka stanične jezgre.

Štoviše, iz istih dubokomorskih sedimenata iz kojih su izolirane Lokiarchaeote izdvojena je čitava riznica velikih virusa koje valja istražiti i ispitati njihovu sposobnost inficiranja arheje te stvaranja virusnih tvornica. Ukoliko se dokaže da su navedeni izolirani virusi toliko kompetentni da stvaraju membranom omeđene odjeljke nalik jezgri, hipoteza ovih triju znanstvenika je dokazana te sa sigurnošću možemo govoriti o virusom-induciranom razvoju stanične jezgre.