Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Вирусная составляющая ДНК

Main page / Живомордность / Вирусная составляющая ДНК

Содержание

    До того, как геном человека был прочитан, существовали самые радужные предположения о том, насколько простой будет жизнь генетиков и медиков после этого события. Казалось, что для каждого продукта, производимого клеткой, будь то любой протеин, РНК, мембранный липид, будет найдет кодирующий его ген. А после этого регулировать происходящие в организме процессы будет легко, начиная с тех, которые происходят внутри отдельной клетки, заканчивая затрагивающими целые человеческие популяции.

    расшифровка генома

    Реальность же преподнесла столько сюрпризов, что про эти фантазии сразу же забыли. Во-первых, оказалось, что собственно генов (то есть последовательностей нуклеотидов, кодирующих конкретный продукт организма: протеин или функциональную РНК) в нашем геноме всего 1,5%. Остальную часть ДНК разочарованные ученые назвали «некодирующей» или «мусорной». Немного удивительно, что люди, знакомые с понятием эволюции допускали довольно долго предположение о том, что все живые существа тысячелетиями передают по наследству бесчисленные тонны мусора, среди которых клеточные органеллы с трудом выискивали те самые нужные полтора процента.

    Сейчас находятся все новые и новые варианты использования организмом той самой «мусорной» части ДНК, и доказывается их жизненная необходимость. Например, некоторые ее фрагменты были опознаны как части генетического материала вирусов, закрепившиеся в ДНК человека. Казалось бы, зачем человеку вирусная ДНК, чем она может быть так важна, чтобы передавать ее на протяжении бесчисленных поколений? Оказалось, что заимствованные у вирусов участки ДНК тоже представляют собой функционирующие гены, а не «мусор», и что они со временем превратились в ключевые элементы иммунной системы человека, которая как раз и борется с опасными микроорганизмами, в том числе с вирусами.

    Чтобы понять, как именно может использоваться такая заимствованная чужеродная ДНК, сначала стоит разобраться в том, как именно она могла встроиться в нашу.

    integration_retrovirus_dna

    Некоторые вирусы в процессе размножения вписывают последовательность своего генома в ДНК тех организмов, внутри которых они паразитируют. Эти вирусы (их называют ретровирусами) имеют специальные механизмы, атакующие ДНК, разрезая ее, и вшивающие в этот разрез свою генетическую информацию. Таким образом получается существо-химера, имеющее ДНК из двух соединенных геномов от разных существ: вируса и зараженного им носителя. Самым известным патогеном этого типа является вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). На картинке справа вирусная ДНК красного цвета вставляется в хромосому клетки.

    Конечно же, цель ретровируса — не создание химеры, а самовоспроизводство, поэтому обычно после вписывания части вирусной ДНК клетка превращается в фабрику, где изготавливаются новые копии вируса. Но иногда в этом механизме происходит сбой: вирусная ДНК остается внутри хромосомы, при этом клетка не производит копии вирусов, а остается химерой, не конфликтующей с другими клетками многоклеточного организма, или (в случае, если эта клетка и представляет собой весь одноклеточный организм) способная существовать и дальше в популяции, заниматься сексом и оставлять потомство. Если у многоклеточного организма этот процесс произошел в стволовой половой клетке, то такую химерную ДНК будут наследовать его потомки. Такие передающиеся по наследству ретровирусы называют эндогенными ретровирусами (ЭРВ). Главное отличие эндогенного ретровируса от простого в том, что он больше не пытается производить внутри зараженной им клетки свои копии, а просто находится в ней, передаваясь дочерним клеткам, а так же потомкам химерного организма. То есть он уже и вирусом является скорее теоретически, ведь основной функциональный признак вируса (размножение с высокой скоростью и попытки инфицирования новых клеток для дальнейшего размножения) у него отсутствует.

    Казалось бы, закрепление ретровируса именно в половой стволовой клетке, сбой в работе механизма, позволяющий клетке не стать фабрикой новых копий вирусов, а передать его по наследству, должно быть редчайшим событием. При этом доля ЭРВ в ДНК человека доходит до девяти (!) процентов, поэтому очевидно, что такие редкие закрепления сохранялись в процессе естественного отбора. С одной стороны, это явный признак того, что эти вставки в ДНК чем-то полезны. С другой стороны, вставленная ДНК все-таки оставалась вирусной, и изначально ученые считали ЭРВ как минимум балластом. Затем пытались обнаружить их опасность для здоровья, исследуя геномы животных и сравнивая количество закрепившихся там ретровирусов.

    Во время этих поисков была обнаружена такая закономерность: чем крупнее животное, тем активнее его организм «вычеркивает» из генома ЭРВ. У мышей (средний вес — 19 граммов), например, 3331 ЭРВ, у людей (весят в среднем 60 килограммов) их 1085, а у китов — всего 55. Логичного объяснения такой закономерности пока не предложено.

    При этом у человека следов вредоносного воздействия ЭРВ обнаружить пока не удалось. Наоборот, найдены доказательства того, что реликты древних вирусных инфекций неожиданным образом приносят пользу организму и сохраняются в геноме по принципам естественного отбора, сохраняющего способствующие выживанию гены.

    8 клеток

    Например, в 2015 году Джоанна Высоцка (Joanna Wysocka) и ее коллеги из Стэнфордского университета выяснили, что ЭРВ обеспечивает выживание людей: он защищает трехдневные эмбрионы от других вирусов и регулирует генную активность клеток. В составляющих плод восьми клетках активно считывался генный материал вируса HERVK — самого последнего ЭРВ, попавшего к человеку около 200 тысяч лет назад.

    Гены, принадлежавшие ранее вирусу HERVK, а теперь ставшие частью человеческого генома, несут в себе информацию, согласно которой строится протеин, не позволяющий другим вирусам попасть в эмбрион, то есть вирус защищает человека от гриппа и других опасных болезней. (Мнемонический прием для запоминания HERVK — HER Vam, Kozly!).
    Понятно, что такой механизм (не допускать в зараженную клетку другие вирусы, чтобы не конкурировать с ними за ресурсы) был когда-то полезен вирусу HERVK, и заодно пришелся очень даже кстати организму человека. Более того, Rec (один из вспомогательных протеинов, вырабатываемый вирусом HERVK) связывает некоторые клеточные РНК и регулирует деятельность рибосом. Таким образом, ЭРВ играет важную роль в раннем развитии человека, участвуя в регуляции генной активности эмбриональных клеток.

    Уже одной этой функции было бы достаточно, чтобы признать необходимым для выживания человека этот ЭРВ. Но помимо нее открыты и другие, и скорее всего встроенные ЭРВ имеют еще больше функций, ведь исследование их роли в геноме только начинается.

    Очень простой способ понять, нужна ли какая-то деталь в механизме: вытащить ее и посмотреть, будет ли без нее работать. Так я убеждалась на своем опыте, что мелкие шестеренки, без которых стрелки переставали крутиться, все-таки были нужны часам. Генетики из Университета Юты экспериментальным образом обнаружили, что при удалении ЭРВ из многих участков генома «ломается» иммунная система человека, защищающая его от болезнетворных микроорганизмов. Так что роль ЭРВ далеко не исчерпывается помощью в выживании трехдневного эмбриона, они необходимы на каждом этапе жизни.

    Ученые работали с интерферонами — молекулярными сигналами, которые выделяются клеткой при вторжении вируса. Попав в соседние клетки, они активируют сотни генов, отвечающих за защиту от «захватчиков». Специалисты изучили открытые базы данных по генам в клетках человека и обнаружили в числе этих активированных генов-«защитников» тысячи ЭРВ, которые запускались от интерферонов. Более того, эти ЭРВ были не случайным образом раскинуты по геному: больше всего их было рядом с генами, играющими важную роль в работе иммунной системы.

    Чтобы доказать связь ЭРВ и иммунитета, ученые вырезали эти фрагменты из ДНК. Оказалось, что в модифицированных клетках, лишенных чужеродных элементов, гены иммунитета перестали реагировать на интерфероны. Когда же часть клеток (у которых убрали ЭРВ рядом с геном AIM2) заразили опасным вирусом, они не могли ответить адекватной иммунной реакцией. Таким образом, ДНК древних вирусов уже перестала быть чужеродной, наоборот, за тысячелетия совместной эволюции нашей и вирусной ДНК организм человека изменился настолько, что без генов, заимствованных у вирусов, мы не можем существовать. Они стали важным элементом защиты нашего организма от современных «родственников» тех самых вирусов, которые когда-то заразили наших предков.

    Более того, сравнительный анализ геномов различных млекопитающих показал, что многие животные независимым образом были атакованы родственными гаммаретровирусами типа MER41. Случилось это 50-75 миллионов лет назад. У лемуров, летучих мышей, хищных и парнокопытных различные ретровирусы создали сходные по механизму действия усилители интерферонных реакций. Такие идущие параллельно друг другу эволюционные процессы, когда разные живые существа получают одни и те же изменения, позволяющие им выживать, свидетельствуют об одном: эти изменения весьма важны и удобны. Ведь они закрепились не у одного-двух, а у нескольких видов животных.

    Конечно же, ретровирусы не просто так встроились именно рядом с генами, управляющими иммунной системой животного. Они специально нацеливались на эксплуатацию системы иммунных сигналов, чтобы в противостоянии «вирус — зараженный организм» перетянуть ее на свою сторону, сделать из киллера своего союзника, облегчив с ее помощью размножение вирусов. И современные вирусы (например, ВИЧ) обладают элементами, взаимодействующими с интерферонами иммунной системы так, чтобы вместо охоты на вирусы она занималась упрочением их положения в организме. Такой механизм борьбы с вирусами на дороге не валяется, поэтому неудивительно, что попав в арсенал самых разных животных, он дал своим носителям существенное преимущество в борьбе за выживания и закрепился в итоге в популяциях.

    Видеоролик с анимацией процесса внедрения ВИЧ в клетку иммунной системы, встраивания им своего генетического материала в ДНК зараженной клетки и воспроизводства клеткой новых вирусов:

    Подробнее о том самом механизме интерферонных реакций, использующим «прирученные» части вирусной ДНК для борьбы с себе подобными, в следующей главе ветки — «Интерфероны и иммунитет»

    (Автор статьи: Рика)