Бактерии принадлежат к царству монера, наряду с растениями, животными, грибами и простейшими, и поэтому считаются живыми существами. Вирусы, с другой стороны, ближе к коллекциям молекул, которые действуют совместно для репликации, требуя, чтобы они кооптировали клеточный молекулярный аппарат хозяина для своих собственных целей.
Вирус может быть адаптирован для жизни в ряде биологически подобных организмов, в некоторых случаях будучи настолько специфичным, что в других случаях может инфицировать только один тип животных-хозяев или почти всех животных данного класса. Вирусы также могут использовать в качестве хозяев живые организмы за пределами животного царства, включая растения, грибы и бактерии, последние из которых известны как бактериофаги.
Бактериальный геном варьируется по размеру от нескольких сотен тысяч до более чем десяти миллионов пар оснований, в то время как вирусный геном обычно содержит менее одного миллиона, причем самый маленький из известных геномов РНК-вируса составляет всего 1700 пар оснований. Все бактерии используют ДНК, которая хранится в цитоплазме в линейной или кольцевой форме, и они участвуют в транскрипции, чтобы произвести информационную РНК, которая затем транслируется в функциональные белки внутри клетки.
Вирусы также хранят свой геном в кольцевой или линейной формах, хотя он может состоять из одноцепочечной или двухцепочечной ДНК или РНК, и они не несут свой механизм трансляции и должны командовать механизмом хозяина для генерации вирусных белков.
Как горизонтальный перенос генов сформировал вирусы и бактерии?
Многие вирусы и бактерии включили свои гены в геном хозяина или в их геном были включены гены хозяина в процессе, известном как горизонтальный перенос генов. Это может происходить с помощью различных механизмов: трансформации, когда генетический материал захватывается и включается непосредственно в геном хозяина; трансдукция – процесс передачи генов между бактериями бактериофагом; конъюгация, при которой бактерии, находящиеся в прямом физическом контакте, переносят ДНК через плазмиду; или другими специальными средствами, обычно используемыми бактериями.
Горизонтальный перенос генов хорошо известен как один из методов, с помощью которого у бактериальных колоний может быстро развиться лекарственная устойчивость, при этом благоприятные гены устойчивости переносятся в соседние клетки и подвергаются сильному положительному давлению отбора. Точно так же было показано, что патогенные бактерии, находящиеся под угрозой со стороны иммунного ответа хозяина, используют ДНК хозяина для лучшего уклонения от захвата, имитируя антигены хозяина на своей поверхности, продуцируя белки для подавления иммунных факторов и многие другие тактики.
Вирусы также часто перенимают гены-хозяева для аналогичных целей, хотя они более ограничены, чем бактерии, с точки зрения размера и упаковки, поскольку имеют гораздо меньший геном. Вирусы с большой нуклеоцитоплазматической ДНК подвергаются горизонтальному переносу генов, особенно часто из-за их размера и близости к геному хозяина, и поэтому часто несут гены хозяина, которые позволяют им лучше уклоняться от иммунного ответа хозяина.
Использование проточной цитометрии для обнаружения вирусов
Все вирусы и большая часть бактерий нуждаются в живом хозяине для размножения, и этому в значительной степени способствует горизонтальный перенос генов. Хотя этот процесс позволил патогенным вирусам и бактериям лучше адаптироваться к своему хозяину гнусными способами, также широко демонстрируются адаптации, которые приносят пользу как им, так и хозяину в симбиотической манере.
Являются ли некоторые вирусы и бактерии симбиотическими?
Так же, как не все бактерии патогенны и необходимы для нормального функционирования высших организмов и гомеостаза окружающей среды, большинство вирусов также доброкачественны и демонстрируют симбиотические отношения с живыми организмами на всех уровнях.
Например, вирусы являются важными симбиотическими членами принимающих антимикробными сообществ и были продемонстрированы , чтобы облегчить правильное пищеварение подобно кишечными бактерий в некоторых случаях, как мыши с установленной мышиной Norovirus инфекции, лечат антибиотики демонстрируют улучшенные морфологические характеристики в кишечнике и улучшенная функция лимфоцитов по сравнению с неинфицированными мышами. В другом случае мыши, инфицированные гаммагерпесвирусом, проявляют повышенную устойчивость к патогенным бактериям Listeria monocytogenes и Yersinia pestis .
Интересно отметить полиднавирус вируса насекомых, который сформировал глубокие симбиотические отношения с паразитоидными осами-хозяевами. Паразитоидные осы сами являются паразитами, которые развиваются внутри тела другого насекомого-хозяина, а полиднавирус позволяет личинке манипулировать геномом своего хозяина, подавляя его иммунную систему. Полиднавирус настолько укоренился в паразитоидном хозяине-осе, что полный геном вируса рассеивается в геноме осы, хотя вирус реплицируется только в яичниках неполовозрелых и самок ос, где он передается через зародышевую линию.
Другие эндогенные вирусы были идентифицированы у самых разных хозяев, часто играющих существенные и базовые роли в целых семьях и даже в царствах жизни. Синцитин, например, представляет собой белок, участвующий в развитии плаценты у людей, обезьян и старых обезьян, который возник в результате интеграции древнего ретровируса в зародышевую линию приматов около 25 миллионов лет назад.
Ясно, что вирусы, бактерии и их хозяева неразрывно связаны и в результате нормального процесса естественного отбора и горизонтального переноса генов находятся в постоянной конкуренции на генетическом уровне. У вируса должен быть хозяин, и присутствие и функция этого вируса может принести пользу или вред хозяину, который затем должен либо адаптироваться, чтобы удалить его, либо включить его в геном.
Есть ли у бактерий и вирусов общий предок?
Бактерии и вирусы принципиально отличаются: первые обычно считаются «живыми», а вторые, хотя, возможно, и нет. Оба являются физическим выражением своего генома, но масштаб, сложность и метод выражения указанного генома расходятся. Пока неизвестно, произошли ли вирусы и бактерии или любые другие клетки-хозяева от общего предка, или же вирусы возникли позже как побочный продукт клеточных процессов.
В сценарии «ранний вирус» вирусы либо предшествовали, либо совместно развивались вместе с хозяевами, потенциально играя жизненно важную роль в их формировании посредством горизонтального переноса генов, как это наблюдается сегодня, тогда как в сценарии «вирус-поздний» вирусы либо постепенно эволюционировали от своих хозяев за счет приобретение генов с течением времени и, таким образом, отделение от них, хотя все еще полагается на них, или то, что они произошли непосредственно из ранних клеток, а затем после этого выжили паразитически.
Последняя гипотеза была отчасти возрождена в последнее время после открытия древних гигантских вирусов с геномами двухцепочечной ДНК, которые очень похожи на некоторые эндопаразитарные бактерии, хотя, в отличие от бактерий, еще не идентифицированы общие универсальные вирусные гены, которые убедительно продемонстрировали бы это.