Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

Райан Фрэнк

Читая интригующие заключение работы Пэйса и Фешо, я вспомнил замечание Вильярреала о том, что массовое заселение человеческого генома ретровирусами пришлось как раз на то время, когда прекратилась активность ДНК-транспозон. Вильярреал назвал это явление «великой колонизацией человека эндогенными ретровирусами» [41] . В особенности массово заселило дочеловеческий геном семейство эндогенных ретровирусов, известное как «HERV-K». Ретровирусы этого семейства эндогенизировались позже прочих вирусов, присутствующих в нынешнем человеческом геноме, они специфичны именно для человека. Вильярреал также подозревал, что эти новые вирусы заменили старые, присутствовавшие в геноме ранее. Хотя это не более чем гипотеза, она заставляет задуматься: быть может, огромная транспозонная часть нашего генома, по числу ДНК вдвое превышающая часть генома, доставшуюся нам от позвоночных предков, — это кладбище древней генетической войны между вирусами, войну эту выиграли HERV-K.

41

Villarreal L. The source of self: genetic parasites and the origin of adaptive immunity. Annals of the New York Academy of Sciences (in press).

Первые

эндогенные вирусы были открыты в конце шестидесятых — начале семидесятых, и не в человеческом геноме. К их открытию привело изучение вызывающих лейкемию вирусов у кур и мышей. В то время открытие внедряющихся в геном вирусных генов было с трудом воспринято научной общественностью. По словам первооткрывателя эндогенных вирусов кур Робина А. Вайса, «менделевский перенос генома, интегрировавшего в себя вызывающий рак вирус, в половые клетки здоровых животных, был расценен как нечто противоестественное» [42] . Когда Вайс, в те времена работавший в Университетском колледже Лондона, послал в печать статью, где показывалось, как «нормальная» куриная клетка с эндогенизированным в геноме вирусом птичьей лейкемии может передать вирусный env– ген другому вирусу и тем самым сделать его активным и заразным, — статью отвергли с порога, рецензент объявил подобное невозможным.

42

Weiss R. A. The discovery of endogenous retroviruses. Retrovirology 2006; 3:67 Online at doi: 10.1186/1742–4690-3–67.

В начале семидесятых годов прошлого века ученые были очень удивлены, обнаружив под электронным микроскопом, что ретровирусы присутствуют в плаценте бабуинов. Впоследствии аналогичные вирусы были обнаружены в плацентах здоровых кошек, мышей, морских свинок и человека. Это подвигло их на поиски вирусных генов в хромосомах приматов, и они в самом деле были найдены в конце семидесятых [43] . В 1981 году американцы Малколм А. Мартин, работавший в Национальном институте здравоохранения в Вифезде, и Морис Коэн, работавший в Национальном институте исследования рака во Фредерике, сообщили об обнаружении первых ретровирусных последовательностей в человеческом геноме [44] . Коэн обозначил находку как «ERV1» — это была единичная копия вируса, встроенная в восемнадцатую хромосому. Причем копия дефективная, не имеющая части 5’LTR, так что превратиться в полноценный вирус она не могла. Мартин с Коэном также обнаружили, что область ДНК рядом с фрагментом 3’LTR практически идентична аналогичной по расположению области ДНК у шимпанзе, что указывает на присутствие ERV1 в хромосоме на этом же месте у общего предка шимпанзе и человека.

43

Harris J. R. Placental endogenous retrovirus (ERV): structural, functional and evolutionary significance. Bioessays 1998; 20: 307–316.

44

Martin M. A., Bryan T., Rasheed S., Khan A. S. Identification and cloning of endogenous retroviral sequences present in human DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences 1981; 78 (8): 4892–6. Cohen M., Rein A., Stephens R. M., et al. Baboon endogenous virus genome: molecular cloning and structural characterisation of nondefective viral genomes from DNA of a baboon cell strain. Proceedings of the National Academy of Sciences 1981; 78 (8): 5207–11.

В 1984 году группа Коэна открыла более интересный эндогенный вирус — полноценный вирусный геном, внедренный в седьмую хромосому. Находку назвали «ERV3» [45] . Как и в случае ERV1, изучение последовательностей показало, что интеграция вируса произошла на заре эволюции приматов, поскольку он присутствовал в геномах всех исследованных обезьян Старого Света, от мартышек до человекообразных. Сейчас полагают, что это голобионтическое партнерство установилось от сорока до тридцати миллионов лет назад. Группа Коэна обнаружила и еще один любопытный и важный факт: области gag и pol генома ERV3 содержали стоп-кодоны — мутации, предотвращавшие активацию генома. То есть хотя вирус и сохранился почти в целости, способность размножаться и заражать потерял. Исследователи также установили, что области, ответственные за регулирование деятельности вируса и способные контролировать работу генома носителя — env и две области LTR, — сохранились целиком. Сохранение таких деталей вирусного генома в процессе эволюции подтверждает работу эволюции именно на голобионтическом уровне, то есть симбиотическую ее динамику. Результаты указывают на возможную существенную роль ERV3 в эволюции приматов — причем как в прошлом, так и, возможно, в настоящем. Влияние ERV3 сможет сказываться на работе генетического аппарата человека.

45

O’Connell C., O’Brien S., Nash W. G., Cohen M. ERV3, a full-length human endogenous provirus: chromosomal localization and evolutionary relationships. Virology 1984; 138: 225–235.

После открытия эндогенных ретровирусов человека они получили общее обозначение «HERV». Новооткрытым HERV дают наименования по первой транспортной РНК.

Поясним, что такое «первая транспортная РНК». ДНК транслируется в белки при посредничестве РНК, и эта РНК создается как точная половинка ДНК, содержащая ту же генетическую информацию. Затем созданная РНК отделяется от ДНК и отправляется в рибосомы, синтезирующие белки органоиды в цитоплазме. После РНК другого типа, известная как «транспортная РНК», или «тРНК», подтаскивает нужные аминокислоты, чтобы в рибосоме синтезировался белок — по одной аминокислоте за раз. Для каждой из двадцати составляющих белки аминокислот есть своя РНК, обозначенная своей буквой алфавита. Первая аминокислота в собираемом белке приносится первой транспортной РНК.

В 1986 году японский исследователь Macao Оно, работающий в университете Китасато, обнаружил

ретровирус человека в геноме клеток печени зародыша. Он определил: в его случае первой транспортной РНК была РНК для аминокислоты лизина. Лизин обозначается буквой «К» [46] . Поэтому Оно назвал открытый эндогенный вирус HERV-K — и этот вирус стал первым в ряду тех, которые, как мы сейчас знаем, наиболее тесно связаны с человеческой эволюцией.

Сходным образом вирус ERV3 теперь обозначается как «HERV-R», хотя для удобства изложения я буду и в дальнейшем упоминать о нем как о ERV3, поскольку в ранних работах по его исследованию он обозначается именно так. Открытия ERV3 и HERV-K стали предвестниками большого исследовательского интереса к эндогенным ретровирусам человека, поначалу растущего медленно, но резко усилившегося в начале нового тысячелетия.

46

Ono M. Molecular cloning and long terminal repeat sequences of human endogenous retrovirus genes related to types A and В retrovirus genes. Journal of Virology 1986; 58 (3): 937–944.

Теперь мы понимаем: ретровирусная часть нашего генома состоит из множества копий эндогенных ретро-вирусов, или HERV, подвергавшихся интенсивному эволюционному прессингу со времени их первого вторжения в человеческий геном. Эти вирусы и действующий на них естественный отбор, ранее привлекавшие лишь спорадический интерес, теперь — важнейший объект исследований в лабораториях всего мира. В зависимости от того, как определять семейства вирусов, все HERV можно распределить на 30–50 семейств, а семейства эти разделить на 200 с лишним групп и подгрупп, каждая из которых имеет свою четко определенную эволюционную траекторию. Такое изобилие вирусов в геноме указывает на то, что за сотню с лишним миллионов лет эволюции млекопитающих они много раз подвергались вирусному заражению и экспансии вирусов в геном. Поскольку у всех нас один и тот же набор HERV, это значит — все наши прямые предки были заражены. И хотя нельзя с уверенностью сказать, что каждая группа HERV прибывала в наш геном одинаковым образом, свидетельства пандемии СПИДа и в особенности эпидемии лейкемии у коал заставляют предположить: жестокая выбраковка вирусом не раз происходила и у предков человека и сопровождалась вымиранием значительной части популяции. Мы, современные люди, — наследники переживших безжалостный эволюционный процесс. Не слишком воодушевляющая мысль, правда?

Хотя большая часть этих «выбраковок» произошла более десяти миллионов лет назад, значительная доля их пришлась на прямых предков человека — восемь из десяти полноразмерных подгрупп HERV-K присущи только людям. Они — исключительно наши вирусные партнеры. Весьма примечательно и то, что одна из LTR этих подгрупп HERV-K кодирует последовательность ДНК, встречающуюся также и у ВИЧ-1, — что подталкивает к предположению об эволюционной связи между этими семействами вирусов.

И какие же из этого всего следуют выводы?

В 1996 году Рой Дж. Бриттен из Калифорнийского технологического института смог привести десять примеров того, как эндогенные вирусные последовательности в геноме помогают регулировать экспрессию полезных генов [47] . Семь из десяти примеров относились к человеку, два — к морскому ежу и один — к мыши. Относящиеся к человеку примеры включали ген, ответственный за производство кератина, важного компонента нашей кожи и глаз, гены, связанные с иммунитетом, гены, отвечающие за производство паратиреоидного гормона, ген BRCA-1, ответственный за возникновение рака молочной железы у людей, ген, ответственный за выработку энзима амилазы, позволяющего переваривать крахмал, и ген, связанный с возникновением аденомиосаркомы почки у детей (опухоли Вильмса). Цитирую Бриттена: «Эти примеры демонстрируют, что повторяющиеся сегменты ДНК или мобильные элементы генома, внедрившиеся в человеческий геном в прошлом, сохранившиеся либо модифицированные отбором, теперь контролируют процесс экспрессии соседних генов». Уместно подчеркнуть: выражение «сохранившиеся либо модифицированные отбором» есть фактическое признание симбиогенетического характера динамики естественного отбора, действующего на уровне голобионтического генома.

47

Britten R. J. DNA sequence insertion and evolutionary variation in gene regulation. Proceedings of the National Academy of Sciences 1996; 93: 9374–7.

В Австралии Рэйчел О’Нейл с коллегами обнаружили находящиеся в центральных областях хромосом (центромерах) ретровирусы, активно модифицирующие хромосомы межвидовых гибридов валлаби и тем способствующие быстрейшему появлению нового вида [48] . Русский генетик Евгений Свердлов предположил, что интегрированные HERV могли изменить характер экспрессии генов и тем сыграть важную роль в эволюции гоминидов и возникновении различных эволюционных ветвей гоминидов [49] . Дженнифер Ф. Хьюз и Джон Ф. Коффин из Медицинской школы университета Тафта в Бостоне доказали, что эндогенные ретровирусы человека могли приводить к удалению больших участков хромосом, дупликации их, изменению их места в хромосоме — то есть играли важную роль в человеческой эволюции [50] . Известно, что вирусы могут конкурировать друг с другом, и в настоящее время несколько экспертов-вирусологов — а среди них и Эрик Ларсен, профессор патологии университета Упсалы — высказали предположение о возможной полезной роли HERV в защите человеческого зародыша.

48

O’Neill R.J.W., Eldredge М. D. В., Graves J. А. М. Chromosome heterozygosity and de novo chromosome rearrangements in mammalian interspecies hybrids. Mammalian Genome 2001; 12: 256–259.

49

Sverdlov E. D. Retroviruses and human evolution. Bio Essays 2000; 22: 161–171.

50

Hughes J. F.,Coffin J. M. Human endogenous retrovirus К solo-LTR formation and insertional polymorphisms: implications for human and viral evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences 2004; 101: 1668–72.