Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза
Шрифт:
В открытом человеческом геноме оказалось много поразительного: от сложнейшей системы контроля до таинственно бездействующих интронов, играющих, однако, немаловажную роль в странной лотерее построения белков. Но страннее всего оказалось распределение частей человеческого генома, какими они предстали после работы по дешифровке. Было довольно-таки обескураживающим обнаружить, что «позвоночная» часть нашего генома, то, что делает нас теплокровными животными и людьми, — занимает не более полутора процентов генома. В то же время человеческие эндогенные вирусы, HERV, занимают почти девять процентов! Более того, огромные куски генома соответствуют вовсе уж непонятным образованиям, например, таким, как LINE (занимает 21 процент) и SINE (занимает 13 процентов), а также включает большое число образований, известных как Alu– повторы.
Перед нами лежит во всем гаргантюанском великолепии парадокс нашего существования, наследство
Как в матрешке, здесь за одной тайной скрываются все новые и новые. Так начнем же штурмовать их простым вопросом: что такое человеческие эндогенные вирусы, или HERV, и отчего они занимают столь значительную часть человеческого генома?
Боюсь, тянущееся десятилетиями упорное нежелание рассматривать вирусы в качестве симбионтов привело к целому ряду недоразумений и непониманий. И теперь, чтобы двигаться вперед, необходимо их разрешить.
В 1959 году выдающийся генетик, нобелевский лауреат Сальвадор Лурия предположил: вирусы-фаги — это мобильные сегменты генетического кода бактерии-носителя, чья функция — переносить ДНК от одной бактерии к другой. По-видимому, его мнение повлияло на исследования выдающегося биолога и тоже нобелевского лауреата Говарда Темина, одного из открывателей принципиально важного для ретровирусов энзима, обратной транскриптазы. Открытие обратной транскрипции Темином и Дэвидом Балтимором пошатнуло главную догму генетики того времени. Это открытие показало: генетическая информация не обязательно идет от ДНК через РНК к белку. В определенных обстоятельствах, прежде всего с участием ретровирусов, генетическая информация может передаваться от РНК к ДНК. Это был революционный прорыв, давший возможность понять природу ретровирусов. В 1970 году Темин экстраполировал свое открытие, предположив, что ретровирусы — это отпрыски генома носителя. Если принять во внимание ограниченность знаний того времени и сложность взаимодействия вирусов с носителями, заключение кажется вполне логичным. В 1949 году выдающийся французский эксперт по бактериофагам, нобелевский лауреат Андре Львов предложил термин «профаг» для обозначения генома фага, интегрированного в ДНК клетки, но бездействующего, спящего в бактерии-носителе. Называя стадию внедрения генома ретровируса в геном позвоночных «провирусом», Темин имел в виду именно этот термин Львова. Гипотеза Темина о происхождении ретровирусов из элементов генома носителя стала известна как «гипотеза провируса». Если бы Лурия и Темин оказались правы, две из важнейших групп вирусов оказались бы лишенными эволюционной истории, свойственной другим формам жизни. Эти вирусы оказались бы поздними гостями без родословной, без эволюционного древа и истории. Однако большинство современных вирусологов придерживаются другого взгляда на природу ретровирусов, их происхождение и роль в эволюции. Эту роль можно наглядно проиллюстрировать на весьма ярком, хоти и не слишком приятном примере.
Коалы населяют прибрежные области Восточной и Южной Австралии от Аделаиды на юге до южных районов мыса Кейп-Йорк. Коала — символ штата Квинсленд, любимец детишек всего мира из-за внешней схожести с плюшевым медвежонком. Но, как любой австралиец знает с детства, коала вовсе не медведь, а единственный выживший представитель целого семейства сумчатых млекопитающих с эволюционной историей, насчитывающей от двадцати пяти до сорока миллионов лет. Факт подобного выживания предполагает, что коала выработали уникальные способности, позволяющие спокойно переносить жаркий и временами очень сухой климат их естественной среды обитания. Лишь три животных — коала, большая сумчатая летяга и кольцехвостый опоссум — приспособились жить, питаясь малокалорийными листьями эвкалипта. А коала даже умудряется получать из них и большую часть необходимой воды. Несмотря на внешность ожиревшего лентяя-обжоры, коала почти не имеет запасов жира. У него медленный метаболизм, и потому он кажется ленивым и апатичным. Эти прекрасные, воистину уникальные животные выжили, несмотря на интенсивную охоту и занятие людьми их среды обитания, но увы — сегодня перед коалами встал новый и, возможно, более страшный враг.
Последние сорок лет австралийские ветеринары наблюдают все более частые случаи лимфомы и лейкемии — рака различных клеток крови — у коал. Встревожившись, ветеринары провели более тщательное исследование и выяснили: уровень заболеваемости растет и в популяциях диких коал, и среди обитателей зоопарков Юго-Восточного Квинсленда. Распространение заболеваний указывало на их вирусную природу, и, принимая во внимание сходные случаи рака у людей, кошек и обезьян, наиболее вероятной причиной болезней признали ретровирус. Предположение было подтверждено Хангером и его коллегами с факультета зоологии университета Квинсленда: в крови больных коал и в пораженных раком тканях обнаружили ретровирус [29] . Его разглядели и сфотографировали под
29
Hanger J. J., Bromham L. D., McKee J. J., et al. The nucleotide sequence of koala (Phascolarctos cinereus) retrovirus: a novel type c endogenous virus related to gibbon ape leukemia virus. J. Virol. 2000; 74 (9): 4264–72.
Была открыта и странная особенность поражающего коал вируса. Он ведет себя не так, как ВИЧ и HTLV. Эти последние передаются от индивидуума к индивидууму, заражают и потому известны как «экзогенные» вирусы («экзо» и значит «внешний» — зараза, пришедшая извне). А ретровирус коал — внутренний, эндогенный. Он переходит к потомству с геномом, унаследованным от родителей. Лимфому и лейкемию вызывает вирус, гнездящийся в хромосомах коалы.
Это еще не конец истории про рак у коал — но мы к ней вернемся чуть позже. А сейчас я предлагаю немного отступить и рассмотреть жизненный цикл ретровирусов.
Как все прочие вирусы, они заражают некий биологический вид или несколько близких видов. Далее они попадают в кровь носителя, где выискивают подходящие клетки либо ткани. В случае ВИЧ-1 первичная цель вируса — лимфоциты, хотя вирус проникает во многие другие клетки и ткани тела. Нормальная же среда обитания вируса — геном носителя и его ближайшие окрестности. Вирус гнездится в хромосомах с их лабиринтом генов, сложной машинерией, позволяющей синтезировать белки, и неимоверно сложным контролирующим, «бюрократическим» генетическим аппаратом. Заметим походя, что вирусы — единственные организмы, настолько малые и примитивные, что способны обитать в геноме. Но как благодаря этому ничтожные по размерам вирусы столь могучи с эволюционной и болезнетворной точки зрения? Попадая в клетку, вирус немедленно вторгается в ядро, впрыскивает туда свой геном, объединяет его с геномом клетки, завладевает контрольными механизмами и заставляет чужой геном производить копии вируса.
Здесь стоит задержаться и задуматься хорошенько над возможными последствиями такого явления. Каждый день и каждый час в мире живого происходят разнообразнейшие взаимодействия вирусов с носителями, и в этих взаимодействиях сливаются геномы существ, принадлежащих к разным царствам живого, находящихся на самых разных ветвях эволюционного древа, от мельчайших и примитивнейших бактерий и археев до рыб-клоунов, морских слизней, орлов, парящих над морями и океанами, мартышек, горилл и орангутангов, населяющих тропические дождевые леса, и, в конце концов, до Гомо сапиенс, который хоть и оставил давным-давно африканскую прародину, тем не менее несет ее в своих генах. Возможно, нам повезло в том, что большинство таких слияний происходит в периферических тканях и органах и не оказывает существенного влияния на ход эволюции. Но иногда слияние происходит в жизненно важных органах и тканях и непосредственным образом сказывается на эволюционном процессе. Только представьте себе потенциал эволюционных изменений, несомых столь примитивным организмом, как вирус: он, приспособленный порабощать геном хозяина, может поселиться в половых клетках носителя, в сперматозоидах, в яйцеклетках — и передаваться по наследству! Эволюционные возможности подобного симбиоза на самом глубинном, генетическом уровне трудно недооценить.
Процесс передачи ретровируса по наследству получил название «эндогенизация». Эндогенизация превращает свободно блуждающий и заражающий клетки экзогенный ретровирус в упакованный в геном эндогенный вирус, отдавший свободу за долгую жизнь, возможно — и бессмертие в качестве составной части нового генома. С точки зрения симбиоза создается новый голобионтический геном, результат динамики взаимодействия ранее раздельных геномов вируса и носителя. На примере коал мы видим первый шаг этого поразительного взаимодействия, наблюдаем, как происходит эндогенизация в наших млекопитающих родичах.
В 2009 году австралийский ветеринар и вирусолог Рэйчел Тарлингтон была приглашена поработать на факультете ветеринарии Ноттингемского университета, и я воспользовался возможностью побеседовать с нею. В начале карьеры она была практикующим ветеринаром, но затем переключилась на исследовательскую работу в тематическом парке «Мир грез» в курортной зоне «Золотой берег» штата Квинсленд, где находится большой зоопарк со ста двадцатью коалами, которые свободно размножаются. В популяции наблюдалась очень высокая заболеваемость летальными формами лейкемии и лимфомы, и это побудило тамошнего ветеринара Джона Хангера предположить возможность ретровирусной эпидемии. Эта эпидемия и стала темой диссертационной работы Тарлингтон.