Какие гены составляют геном ретровируса

Обновлено: 24.04.2024

Обзор

Человеческая Т-клетка (синий), атакованная ВИЧ (желтый). Вирус ориентирован на Т-клетки, которые играют важную роль в иммунной реакции организма против вторжений, таких как бактерии и вирусы.

Автор

Редакторы

Вопрос о происхождении вирусов

Существует три основные теории возникновения вирусов:

Зарождение жизни. Идея последнего универсального общего предка: каким он мог бы быть и что ему предшествовало?

Рисунок 1. Схема трехдоменной классификации, предложенная Вёзе. В основании этой схемы должен находиться последний универсальный общий предок (англ. last universal common ancestor, LUCA).

Самый сильный аргумент в пользу существования LUCA — сохранившаяся общая система экспрессии генов (передачи наследственной информации от гена с образованием РНК или белков), одинаковая для всех живущих организмов. Все известные клеточные формы жизни используют один и тот же генетический код из 20 универсальных аминокислот и стоп-сигналов, закодированных в 64 кодонах (единицах генетического кода). Трансляция генетической информации в процессе синтеза белков по заданной матрице выполняется рибосомами, состоящими из трех универсальных молекул РНК и примерно 50 белков, из которых 20 так же одинаковы для всех организмов.

В 2010 году американский биохимик Даглас Теобальд математически проверил вероятность существования LUCA [6]. Он выбрал 23 белка, встречающихся у организмов из всех трех доменов, но имеющих разную структуру у различных видов. И исследовал эти белки у 12 различных видов (по четыре из каждого домена), после чего использовал компьютерное моделирование различных эволюционных сценариев, чтобы понять, при каком из них наблюдаемая картина будет наиболее вероятной. Оказалось, что концепция, включающая существование универсального предка, значительно вероятнее концепций, где его нет. Еще более вероятна модель, основанная на существовании общего предка, но допускающая обмен генами между видами [7].

Предположение о том, что LUCA был прокариотической клеткой, похожей на современные, часто принимается по умолчанию. Однако мембраны архей и бактерий имеют разное строение (рис. 2). Получается, что общий предок должен был обладать комбинаторной мембраной. Новая информация о мембранах LUCA появилась в 2012 году, когда несколько групп ученых подробно проанализировали историю генов всех ферментов биосинтеза компонентов липидов у бактерий, архей и эукариот [8].

Рисунок 2. Строение мембранных липидов бактерий (справа) и архей (слева)

Родственными у архей и бактерий оказались ферменты для синтеза терпеновых спиртов и пришивания полярных голов к спиртам. Значит, эти реакции мог проводить и LUCA. Проще всего было предположить, что липиды LUCA состояли из одного остатка терпенового спирта, остатка фосфата и полярной группы (серина или инозитола). Подобные липиды были синтезированы искусственно. Образующиеся из них мембраны обладают высокой подвижностью по сравнению с современными мембранами, хорошо пропускают ионы металлов и малые органические молекулы. Это могло позволять древним протоклеткам поглощать готовую органику из внешней среды даже без транспортных белков.

Реконструкции LUCA методами сравнительной геномики указывают на то, что это должен быть сложный организм без обширного ДНК-генома (геном, состоящий из нескольких сотен РНК-сегментов или ДНК провирусного типа). Но даже если считать возможность существования общего предка доказанной, остается загадкой, в какой среде он мог бы появиться.

Рисунок 3. Сценарий вирусного мира в гипотезе доклеточного происхождения вирусов подпись

Предполагается, что идеальные условия для формирования жизни существовали вблизи термальных геоисточников (морских или наземных) в виде сети неорганических ячеек, обеспечивающих градиенты температуры и рН, способствующих первичным реакциям, и предоставляющих универсальные каталитические поверхности для примитивной биохимии [10].

Эти отсеки могли быть населены разнородной популяцией генетических элементов. Вначале сегментами РНК. Затем более крупными и сложными молекулами РНК (один или несколько белок-кодирующих генов). А позднее и сегментами ДНК, которые постепенно увеличивались (рис. 3).

Такие простейшие генетические системы использовали неорганические соединения из раствора и продукты деятельности других генетических систем. Сначала они должны были подчиняться индивидуальному отбору ввиду большого разнообразия. Но ясно, что важным фактором такого отбора была способность передавать генетическую информацию, то есть, копировать себя. Присутствие одновременно в одной ячейке молекул, способных копировать РНК, кодировать полезные белки и управлять синтезом новых молекул, давало больше шансов выживать в каждой отдельной ячейке. И в такой системе рано или поздно должны были появиться паразитирующие элементы. А если это так, то вирусные элементы стоят у самых истоков эволюции [11].

Возникновение паразитов — неизбежное последствие эволюционного процесса

Рисунок 4. Схематическое представление структуры модели эволюции РНК-подобной системы. На втором этапе цепочки последовательностей начинают соединяться комплементарными связями сами с собой. В результате у двух видов (cat-C и cat-A) возникает вторичная структура молекулы, которая обладает каталитическим свойством. Она ускоряет собственную репликацию (или репликацию несвернувшихся соседей). Два вида при этом приобретают паразитические свойства (par-G и par-U). Пояснения в тексте.

Таким образом, паразитарные репликаторы способствуют эволюции разнообразия, вместо того, чтобы мешать этому разнообразию. Это также делает существующую систему репликатора чрезвычайно стабильной при эволюции паразитов.

Согласно гипотезе Черной Королевы, чтобы поддержать свое существование в постоянно эволюционирующем мире, вид должен реагировать на эти эволюционные изменения и должным образом приспосабливаться к среде. Поэтому, если мы говорим о вирусах как о паразитах, мы обязаны представлять себе взаимоотношения вируса с хозяином. В борьбе с вирусом хозяева развивают новые защитные механизмы, а паразиты отвечают, развивая механизмы для атаки и взлома защиты. Этот процесс может длиться бесконечно либо до вымирания одной из противоборствующих сторон. Так множественные системы защиты составляют существенную часть геномов всех клеточных организмов, а взлом защиты — одна из основных функций генов у вирусов с большими геномами .

Механизмы клеточной защиты против вирусов

Механизмы защиты от вирусов стандартны, поскольку все вирусы уникальны, и приспособиться к каждому не представляется возможным. Это такие механизмы как:

Деградация РНК (вирусных и клеточных) — РНК-интерференция;
Угнетение синтеза белков (вирусных и клеточных);
Ликвидация зараженных клеток — апоптоз (программируемая клеточная смерть);
Воспаление.

Получается, что клетка борется с вирусом, нарушая собственные обмен веществ и/или структуру. Защитные реакции клетки — это в основном самоповреждающие механизмы.

Вирус заражает конкретную клетку потому, что его механизмы нападения направлены именно против данного типа клеток. Это такие механизмы как:

Угнетение синтеза клеточной РНК;
Угнетение синтеза клеточных белков;
Нарушение клеточной инфраструктуры и транспорта;
Подавление/включение апоптоза и других видов клеточной смерти.

Схемы защитных приемов клетки и противозащиты вирусов во многом идентичны. Вирусы и клетки применяют одни и те же приемы. Для подавления синтеза вирусных белков клетка использует интерферон, а чтобы подавить образование интерферона, вирус угнетает синтез белков.

Поскольку узнавание вируса неспецифическое, клетка не может знать намерения конкретного вируса. Она может бороться с вирусом лишь стандартными приемами, поэтому ее оборонные действия часто могут быть чрезмерными.

Понятие о вирусном геноме, типы вирусных генов, концепция генов-сигнатур

В исследовании, проведенном вирусологом Евгением Куниным и его коллегами [16], анализ последовательностей вирусных геномов выявил несколько категорий вирусных генов, принципиально отличающихся по происхождению. Можно обсуждать, какая степень дробности классификации оптимальна, но четко различаются пять классов, укладывающихся в две более крупные категории.

Гены с четко опознаваемыми гомологами у клеточных форм жизни:

Гены, присутствующие у узких групп вирусов (обычно это гены, гомологичные генам хозяев этих вирусов).
Гены, консервативные среди большой группы вирусов или даже нескольких групп и имеющие относительно отдаленные клеточные гомологи.

Таким образом, отличительные особенности генов-сигнатур:

Происхождение из первичного пула генов;
Наличие лишь очень отдаленных гомологов среди генов клеточных форм жизни, из чего можно сделать вывод, что они никогда не входили в геномы клеточных форм;
Необходимость для репродукции вирусов.

Из всего вышесказанного следует, что эти гены переходили от вируса к вирусу (или к элементу, подобному вирусу) на протяжении четырех миллиардов лет эволюции жизни, а вирусные геномы появились благодаря перемешиванию и подгонке друг к другу генов в гигантской генетической сети, которую представляет собой мир вирусов. Многочисленные гены клеточных форм жизни также пронизывают эту сеть, прежде всего благодаря геномам крупных вирусов, таких как NCDLV и крупным бактериофагам, которые позаимствовали множество генов от своих хозяев на разных этапах эволюции. Однако большинство заимствованных генов сами по себе не критичны для репликации и экспрессии вирусного генома (исключая некоторые случаи возможного неортологичного замещения генов-сигнатур); обычно эти гены участвуют во взаимодействии между вирусом и хозяином. Таким образом, несмотря на интенсивный взаимообмен генами с хозяевами, вирусы всегда происходят от других вирусов.

Вирусы, встроенные в геном, и горизонтальный перенос генов

В процессе эволюции многие вирусы встроились в геномы клеточных форм жизни путем горизонтального переноса генов (ГПГ). Впервые горизонтальный перенос был описан в 1959 году, когда ученые продемонстрировали передачу резистентности к антибиотикам между разными видами бактерий. В 1999 году Рави Джайн, Мария Ривера и Джеймс Лейк в своей статье писали о произошедшей значительной передаче генов между прокариотами [17]. Этот процесс, по-видимому, оказал некоторое влияние также и на одноклеточные эукариоты. В 2004 году Карл Вёзе опубликовал статью, в которой утверждал, что между древними группами живых организмов происходил массивный перенос генетической информации. В древнейшие времена преобладал процесс, который он называет горизонтальным переносом генов. Причем, чем дальше в прошлое, тем это преобладание сильнее [18].

Горизонтальный перенос генов — процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. Горизонтальная передача генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации — процессы конъюгации, трансдукции, трансформации, переноса генов в составе плазмидных векторов, вирусов, мобильных генетических элементов (МГЭ).

Трансдукция — перенос бактериофагом (агентами переноса генов, АПГ) в заражаемую клетку фрагментов генетического материала клетки, исходно содержавшей бактериофаг [19]. Такой бактериофаг обычно переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина от одной клетки (донор) к другой (реципиент). В зависимости от типа трансдукции — неспецифической (общей), специфической или абортивной, геном фага или хозяина-бактерии может быть изменен тем или иным образом:

При неспецифической трансдукции (рис. 5) ДНК клетки-хозяина включаются в частицу фага (дополнительно к его собственному геному или вместо него);
При специфической трансдукции гены фага замещаются генами хозяина;
При абортивной трансдукции внесённый фрагмент ДНК донора не встраивается в ДНК хозяина-реципиента, а остаётся в цитоплазме и не реплицируется. Это приводит к тому, что при клеточном делении он передаётся только одной из дочерних клеток и затем теряется в потомстве.

Рисунок 5. Схема общей трансдукции

Наиболее известным примером специфической трансдукции служит трансдукция, осуществляемая фагом λ. Поскольку этот фаг при переходе в состояние профага включается в хромосому бактерий между генами, кодирующими синтез галактозы и биотина, именно эти гены он может переносить при трансдукции.

Вот несколько примеров важных эволюционных событий, связанных с молекулярным одомашниванием:

Ферменты теломеразы, служащие для восстановления концевых участков хромосом, возможно, ведут свое происхождение от обратных транскриптаз, кодируемых ретровирусами и ретротранспозонами [22];
Белки RAG, играющие ключевую роль в системе адаптивного иммунитета, по-видимому, происходят от прирученных транспозаз — ферментов, кодируемых транспозонами;
Ген Peg10, необходимый для развития плаценты, был позаимствован древними млекопитающими у ретротранспозона (рис. 6) [23].

Рисунок 6. Роль гена Peg10 в эмбриональном развитии. Ученые под руководством Рюичи Оно из Токийского медицинского университета Японии показали, что у мышей с выключенным геном Peg10 нарушается развитие плаценты, от чего эмбрион погибает через 10 дней после зачатия [24].

В 2008 году в ходе целенаправленного поиска неиспорченных вирусных генов в геноме человека исследователи нашли два очень похожих друг на друга ретровирусных гена (их назвали ENVV1 и ENVV2), которые, по всей видимости, находятся в рабочем состоянии [25]. Это гены белков оболочки ретровируса. Каждый из них входит в состав своего эндогенного ретровируса (ЭРВ), причем все остальные части этих ЭРВ давно не функционируют.

Вирусные гены ENVV1 и ENVV2 у человека и обезьян работают в плаценте и, скорее всего, выполняют следующие функции:

Таким образом, как минимум три полезных применения нашли себе вирусные гены в плаценте приматов. Это показывает, что генетические модификации, которым ретровирусы подвергают организмы, в долгосрочной перспективе могут оказаться полезными или даже определить развитие вида. И с учетом всего вышесказанного древо доменов должно выглядеть как на схеме ниже (рис. 7).

Рисунок 7. Горизонтальный перенос генов в рамках трехдоменного дерева

Заключение

Возникновение паразитов — обязательная черта эволюционирующих систем репликаторов, а соревнование хозяев и паразитов движет эволюцию тех и других. Любой организм является результатом миллионов лет борьбы клеток с невероятно разнообразным миром вирусов. Их действия и их эволюция пронизывают всю историю клеточной эволюции, и сейчас меняется само наше представление о них. Когда-то вирусы считали деградировавшими клетками, но чем больше мы узнаем о вирусах, тем очевиднее, что их роль в общей эволюции значительна. И невероятно много нам еще предстоит узнать.

Обзор

Известны примеры, когда гены вирусов покидали вирусный мир и были отобраны для выполнения важных функций в организме хозяина. Таков оказался ген Arc, ставший ключевым игроком в обеспечении синаптической пластичности мозга млекопитающих.

коллаж автора статьи с использованием изображения с сайта Miray

Автор

Редакторы

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

Вездесущие убийцы

Вирусы являются самой распространенной формой жизни в окружающей среде.

В океанах вирусы составляют около 90% объектов, содержащих нуклеиновые кислоты [3]. Однако в связи с их размером, который на порядки уступает таковому у клеточных форм жизни, их вклад в биомассу океана оценивается всего пятью процентами. В то время как на прокариот, количественно составляющих около 10% объектов, содержащих нуклеиновые кислоты, приходится более 90% океанической биомассы (рис. 1). По оценкам, только в мировом океане содержится 10 30 вирусных частиц, которые непрерывно инфицируют самые разные клеточные формы жизни. Так, свыше 20% инфицированных микроорганизмов ежедневно погибает от вирусов [3].

Рисунок 1. Относительные биомасса и количество прокариот, протистов и вирусов в океанах. Приведены усредненные данные по всей толще океанических вод.

Атмосфера Земли также полна вирусами. Показано, что в нижних слоях тропосферы сквозь квадратный метр проносятся несколько миллиардов вирусных частиц в течение суток (плотность потока колеблется в диапазоне от 0,26×10 9 до >7×10 9 шт. в м 2 за сутки). В то же время аналогичный показатель для бактерий на два порядка меньше [4]. По оценкам авторов, большинство вирусов и бактерий (~69% и ~97% соответственно) путешествуют в атмосфере, будучи прикрепленными к частицам пыли или органическим агрегатам. Этот способ глобального распространения вирусов через воздух объясняет тот факт, что идентичные или очень схожие последовательности вирусных нуклеиновых кислот были обнаружены в самых различных экосистемах планеты.

Кроме того, что вирусы являются самой распространенной формой жизни на Земле, они также обладают потрясающим генетическим разнообразием и различными механизмами репродукции в клетке хозяина. Жизненный цикл некоторых из них проходит через этап встраивания своих генов в геном клетки-хозяина. И иногда эти гены, передаваясь от поколения к поколению, остаются в нем на многие миллионы лет. Таковы некоторые ретровирусы — РНК-содержащие вирусы, чей жизненный цикл проходит через стадию интеграции своего генетического материала в геном хозяина.

Неупокоенное кладбище вирусных генов

Геномы эукариот, и в особенности многоклеточных организмов, таких как растения и животные, содержат большое количество генов, принадлежащих в прошлом ретровирусам, инфицировавшим зародышевые линии предковых видов и наследуемым вертикально от родителя к потомку. По всей видимости, обнаруженные в геномах эукариот ретротранспозоны, содержащие длинные концевые повторы (long terminal repeats, LTRs), произошли именно таким образом. LTR-ретротранспозоны включают в себя три семейства: Bel/Pao (Belpaoviridae), Ty3/gypsy (Metaviridae) и Ty1/copia (Pseudoviridae). Эти мобильные генетические элементы имеют явное сходство организации генов с таковым у ретровирусов. В общем случае они содержат ген gag, кодирующий белок (group-speciﬁc antigen, группоспецифический антиген), сходный с белком капсида ретровирусов; а также гены, необходимые для репликации и последующего встраивания ретротранспозона в новый сайт-мишень. Вдобавок у семейства Ty3/gypsy также обнаружен ген вирусной оболочки (env). Недавно, на основании накопленных филогенетических данных и схожести механизмов репликации Международным комитетом по таксономии вирусов все эти три семейства ретротранспозонов были объединены с семейством Retroviridae в один порядок Ortervirales [5].

Рисунок 2. Представленность различных мобильных генетических элементов в геномах млекопитающих и других позвоночных животных. По оси ординат указан размер генома в гигабазах (Гб) (10 9 млрд пар оснований). Красной рамкой в легенде выделены LTR-ретротранспозоны. Звездой обозначен вид Homo sapiens.

С одной стороны, сохранившие активность ретротранспозоны являются геномными паразитами, которые могут приводить к дестабилизации генома. Поэтому организмы выработали эпигенетические способы сдерживания подобных угроз, включая метилирование ДНК, модификацию гистонов и малые некодирующие РНК [11]. С другой стороны, активность LTR-ретротранспозонов приводит к дополнительной изменчивости в генофонде популяций, обеспечивая новый материал для отбора [12], [13]. Чаще речь идет об изменении регуляторных участков (промоторов и энхансеров, к примеру) эукариотических генов. Однако даже целые гены ретровирусов могут в процессе эволюции организма отбираться для выполнения определенной функции этого организма. Например, гены ретровирусной оболочки (env) способствовали возникновению класса млекопитающих (Mammalia) в том виде, в каком мы наблюдаем его сейчас . Закрепившаяся за ними функция состоит в обеспечении клеточного слияния, приводящего к формированию синцитиотрофобласта в развивающейся плаценте [14].

Другим удивительным примером вирусного гена, вставшего на службу животным, является ген Arc (другое название Arg 3.1). О нем и пойдет речь в статье.

В название этой главы легла цитата из заголовка обзорной статьи 2011 года, которую опубликовали Джейсон Шеферд и Марк Бэр на основании накопленных данных о роли Arc в обеспечении синаптической пластичности нервной системы млекопитающих [16]. Ген Arc был независимо открыт в середине 90-х годов прошлого века двумя группами ученых, одной из которых руководил Пол Уорли из США, другой — Дитмар Куль из Германии. Они обнаружили, что вскоре после судорожной активности или индукции долговременной потенциации (long-term potentiation (LTP) — устойчивого усиления синаптической передачи между двумя нейронами, возникающего после высокочастотной электрической стимуляции одного из них) происходит быстрое накопление продуктов экспрессии Arc в дендритах активированных нейронов [17], [18].

Рисунок 3. Динамика накопления мРНК Arc в активированных дендритах нейронов зубчатой извилины крысы (Rattus norvegicus domestica). а — Животные, не получавшие стимуляции. б — Спустя 30 мин после стимуляции. в — 1 час после стимуляции. г — 2 часа после стимуляции. На рисунке видно, что с течением времени после стимуляции мРНК Arc распространяется от тел нейронов (темно-коричневая полоса) к их удаленным дендритам (светло-коричневая полоса). Условные обозначения: DG — зубчатая извилина; GCL — гранулярный клеточный слой; CA1 — анатомическая область гиппокампа (от лат. Cornu Ammonis 1).

Подобный характер экспрессии Arc позволил отнести его к так называемым немедленным ранним генам. Немедленные ранние гены (immediate early genes, IEGs) — разнородная группа генов, способных быстро и кратковременно активироваться в течение нескольких минут после воздействия различных экстраклеточных агентов, включая факторы роста, нейромедиаторы и деполяризацию клеточной мембраны .

Позже, на нокаутных по Arc мышам (ген инактивировали во всех клетках организма) было показано нарушение извлечения долговременной памяти в разнообразных поведенческих задачах, среди которых — водный лабиринт Морриса (задача на пространственное обучение и память), условно-рефлекторное замирание на обстановку, условно-рефлекторное замирание на звуковой сигнал, задача на распознавание новых объектов и обусловленная вкусовая аверсия. В последней из перечисленных задач животное учится ассоциировать вкус определенного вещества с последующим наступлением ухудшения самочувствия. Уровень предпочтения этого вещества после нескольких сеансов обучения говорит о сформированной памяти. В то же время, ни в одной из этих задач у нокаутных животных, по сравнению с животными дикого типа, не была нарушена кратковременная память [21]. С помощью введения в миндалевидное тело (структуру лимбической системы мозга, играющюю важную роль в формировании эмоций) антисмысловых олигонуклеотидов к мРНК Arc для ингибирования ее трансляции удалось показать нарушение извлечения долговременной памяти у мышей в задаче условно-рефлекторного замирания на звуковой сигнал. Опять же, кратковременная память нарушена не была [22].

Используя оптогенетическое ингибирование нейронов гиппокампа, экспреcсировавших Arc при обучении условно-рефлекторному замиранию на обстановку, ученые смогли блокировать извлечение сформированной памяти об этой обстановке в тестировании спустя две недели [23]. С другой стороны, локальное увеличение экспрессии Arc в зрительной коре мышей за счет введения Arc-содержащих лентивирусов, восстанавливало пластичность зрительной коры, характерную для ювенильных особей этого вида [24].

Эти и многие другие результаты с очевидностью говорят о ключевой роли гена Arc в процессе формирования долговременной памяти. А теперь вернемся к его эволюционной истории.

Arc: наследие древних ретровирусов

В 2006 году по результатам широкомасштабного анализа генома человека было выявлено 85 генов, кодирующих 103 белковые изоформы, схожие с ретровирусными белками Gag. К сожалению, на тот момент лишь немногие из этих белков были охарактеризованы и исследованы экспериментально, однако в число тех немногих входил Arc, к тому времени активно исследуемый в связи со своей ролью в синаптической пластичности мозга млекопитающих [27].

Лишь спустя без малого 10 лет это наблюдение привлекло внимание нейробиологов. Научный коллектив под руководством Пола Уорли, одного из первооткрывателей Arc, с помощью рентгеноструктурного анализа установил трехмерную структуру N- и C-доменов (относительно стабильных фрагментов третичной структуры белка, укладка которых проходит независимо от остальных частей этого белка) белка Arc. Выяснилось, что трехмерная структура этих доменов имеет значительное сходство с доменом капсидного белка Gag вируса иммунодефицита человека, принадлежащего к семейству Retroviridae (рис. 4). Ученые предположили, что Arc может происходить от Ty3/gypsy ретротранспозонов [28]. Кроме того, N-домен имеет функциональный сайт связывания субъединицы ɣ2 трансмембранного пептида, регулирующего AMPA-рецепторы (transmembrane AMPAR regulatory protein gamma subunit 2, TARPɣ2, или старгазин). Известно, что AMPA-рецепторы — самый распространенный тип рецепторов, передающих быстрые возбуждающие сигналы в синапсах нервной системы позвоночных. Таким образом, структура N-домена белка Arc может опосредовать его роль в приобретении долговременной памяти, о которой шла речь выше.

Рисунок 4. Трехмерная структура доменов белка Arc. 3D-совмещение N- и C-доменов (синий (а) и оранжевый (б) соответственно) с соответствующими доменами капсида вируса иммунодефицита человека (HIV). Розовым цветом показана субъединица ɣ2 трансмембранного пептида, регулирующего AMPA-рецепторы.

В том же году появились первые указания на то, что рекомбинантный человеческий белок Arc, как и белки вирусных капсидов, способен к обратимой самоолигомеризации при физиологических условиях [29]. Но самое интересное ждало исследователей впереди. После того, как было открыто вирусное происхождение гена Arc, учитывая его важную роль в обеспечении синаптической пластичности, резонно было задаться вопросом: какими свойствами ретровирусов он может обладать?

Для начала авторы провели масштабный филогенетический анализ и обнаружили высоко консервативные ортологи мышиного гена Arc у всех исследованных наземных позвоночных, но не у рыб и других вторичноротых. Ортологи и паралоги гена Arc плодовой мушки Drosophila melanogaster, darc1 и darc2, были обнаружены у так называемых настоящих мух (секция Schizophora), но отсутствовали у других исследованных первичноротых (рис. 5) [30].

Рисунок 5. Филогененетическое дерево, отражающее эволюционные связи гена Arc наземных позвоночных (четвероногих), darc1 мух и gag, родственных Ty3/gypsy ретротранспозонам. Указаны следующие ретровирусные гены: группоспецифического антигена Gag (обозначен зеленым), белка капсида; полимеразы Pol (обозначен оранжевым), необходимой для репликации и последующего встраивания вирусной ДНК в геном хозяина; белка вирусной оболочки Env (обозначен голубым).

Интересно, что в этом же номере журнала вышла не менее потрясающая статья, в которой был описан механизм транс-синаптической передачи белка dArc1 и его мРНК в нейро-мышечном контакте у личинок плодовых мушек [31]. По всей видимости, наземные позвоночные, обладающие лишь одной копией гена Arc, приобрели его независимо от генов darc настоящих мух, у которых произошло несколько раундов дупликаций этого гена. Однако и тот, и другой имеют значительную гомологию в ретровирусном Gag-домене [30].

Однако самым удивительным в этой истории оказалось, что перенесенная мРНК Arc начинает транслироваться в дендритах нейронов при деполяризации их мембраны. Ранее было показано, что мРНК Arc транслируется при активации метаботропных глутаматных рецепторов mGluR1/5 (обеспечивающих медленную, опосредуемую метаболическими путями, реакцию на глутаматергические сигналы), например, их агонистом DHPG (3,5-дигидроксифенилглицином) [32]. Авторы повторили выше описанные эксперименты по переносу мРНК Arc в нейроны гиппокампа нокаутных по Arc мышей, но в этот раз добавили в культуральную среду DHPG, вызвав деполяризацию мембраны их дендритов. В итоге в дендритах этих нейронов количество белка Arc достоверно значимо увеличивалось (рис. 9). В свою очередь ингибитор трансляции циклогексимид (CHX) блокировал эффект увеличения количества белка Arc в дендритах, вызванный добавлением DHPG в культуральную среду.

Полученные результаты сложно переоценить: по сути, был открыт новый механизм коммуникации между нейронами, непосредственно связанный с их электрической активностью. И это открытие, как и любое другое в естественных науках, рождает множество новых вопросов, требующих дальнейших исследований.

Например, какие молекулярные механизмы опосредуют выход капсидоподобных структур Arc из нейрона-донора и их проникновение в нейрон-акцептор? Или, учитывая гомологию Arc млекопитающих и darc1 мух, является ли это результатом конвергентной эволюции? Если да, то какие эволюционные требования привели к отбору этих генов для обеспечения функций нервной системы в столь далеких друг от друга таксонах? Вне всяких сомнений в ближайшем будущем нас ждет еще немало удивительных открытий, связанных с геном Arc, потомком древних ретровирусов.

Подробнее эти и другие вопросы, связанные с геном Arc, обсуждаются в обзоре [33].

Сотрудники кафедры генетики биологического факультета МГУ Л. Н. Нефедова и А. И. Ким детально изучили строение разнообразных ретроэлементов, имеющихся в геноме дрозофилы, чтобы понять, каким путем ретротранспозоны могли превратиться в ретровирусы. В основе исследования лежал сравнительный анализ нуклеотидных и аминокислотных последовательностей генов и белков различных ретроэлементов, а также их хозяев.

Наиболее вероятный путь эволюции ретроэлементов выглядит следующим образом. По-видимому, началось все с обратной транскриптазы – фермента, синтезирующего молекулы ДНК на матрице РНК (этот процесс называется обратной транскрипцией). Обратная транскриптаза – очень древний фермент. Возможно, он сыграл ключевую роль при переходе от РНК-мира к привычному нам ДНК-миру.

Тут, правда, есть еще один нюанс. Синтезированная путем обратной транскрипции ДНК ретроэлемента должна быть встроена в хозяйский геном. Для этого хромосому хозяина нужно разорвать, и синтезировать ДНК ретроэлемента как продолжение одного из образовавшихся свободных концов хозяйской ДНК.

Изначально с этой дополнительной работой – разрыванием хозяйской ДНК – справлялась, по-видимому, сама обратная транскриптаза. Но в дальнейшем ретроэлементы обзавелись дополнительным (вторым по счету) геном, который кодирует специальный белок, приспособленный именно для этой функции - эндонуклеазу. Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие ДНК в определенных местах – есть практически у всех организмов, и ретроэлементам не составило труда заимствовать их у хозяев.

Такие простейшие ретротранспозоны, содержащие всего два гена – обратной транскриптазы и эндонуклеазы – реально существуют у дрозофилы.

Так или иначе, от трехгенного ретротранспозона до настоящего вируса остается только один шаг. И этот шаг был сделан, когда ретротранспозоны приобрели четвертый ген, называемый env. Этот ген кодирует белок, обеспечивающий проникновение вируса через наружную мембрану в клетку хозяина. Белок состоит из двух частей: одна отвечает за распознание определенных поверхностных белков (рецепторов) хозяйской клетки, вторая – за прохождение сквозь мембрану.

Каково происхождение гена env? Как выяснилось, гомологи этого гена (т.е. гены с похожей последовательностью нуклеотидов) есть и у насекомых, и у их паразитов – бакуловирусов и бактерии Wolbachia.

Судя по некоторым косвенным признакам, можно предположить, что изначально данный ген сформировался у животных-хозяев. Затем он был захвачен бакуловирусами – широко распространенными паразитами насекомых (см.: Насекомые-вредители защищаются от биологического оружия. Элементы, 8.10.07). Бакуловирусы являются ДНК-содержащими вирусами: их наследственная информация хранится в виде молекул ДНК, а не РНК, как у ретровирусов и других РНК-содержащих вирусов.

Не последнюю роль в распространении гена env и его гомологов может играть бактерия вольбахия – внутриклеточный паразит насекомых. В ее геноме тоже обнаружен гомолог гена env, скорее всего, заимствованный у хозяев. С другой стороны, известно, что хозяева тоже могут заимствовать гены и даже целые большие фрагменты генома у вольбахии (см.: Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями. Элементы, 5.09.07). Таким образом, вольбахия, переходя от одного вида насекомых-хозяев к другому, может способствовать распространению разных вариантов гена env среди ретроэлементов.

Уже много лет между эволюционистами и креационистами продолжается спор о том, как же все-таки произошел человек — путем эволюции или божественного сотворения? К счастью, древние вирусы на протяжении миллионов лет ведут летопись эволюции и записывают ее в нашу ДНК.

После расшифровки нуклеотидной последовательности ДНК многих животных, в том числе и человека, стало возможным узнать, где именно в геноме находятся эти остатки древних вирусов. И взору ученых предстала строгая упорядоченность расположения эндогенных ретровирусов — выяснилось, что все они находятся в геномах в строго определенных местах. Некоторые из них характерны лишь для человека или для кошки и не встречаются у других животных. Другие же ретровирусы можно обнаружить в одном и том же месте, к примеру, в геномах гориллы, шимпанзе, орангутанга и человека.

Почти половина генома

У разных ретротранспозонов (транспозон — мобильный элемент ДНК) процесс обратной транскрипции имеет свои особенности.

У ретротранспозонов с длинными концевыми повторами (LTR-ретропозоны) обратная транскрипция происходит не в ядре, а в цитоплазме. Так как по своему строению и механизму перемещения LTR-ретропозоны имеют большое сходство с вирусами, данный класс подвижных элементов называют ретровирусоподобными. Их содержание в геноме человека — около 8% всей последовательности нуклеотидов.

Ко второму классу ретротранспозонов, без длинных концевых повторов (non-LTR), относятся элементы LINE (Long Interspersed Elements — длинные перемежающиеся элементы) и SINE (Short Interspersed Elements — короткие перемежающиеся элементы). Перемещение и встраивание ДНК-копии этих элементов происходит не в цитоплазме, а в ядре. Элементы LINE — самые многочисленные из подвижных структур человека: они занимают в ДНК пятую часть (около 20%) от всей последовательности нуклеотидов. И они же единственные из мобильных генов человека, сохранившие до сих пор свою самостоятельную способность к перемещению.

Одомашненные вирусы

Транскрипция — это перенос генетической информации с ДНК на рибонуклеиновую кислоту (РНК), при котором ДНК используется в качестве отправной точки, матрицы. Транскрипцию можно наблюдать всякий раз, когда осуществляется синтез новых белков. До открытия американцами обратной транскрипции считалось, что движение в направлении от РНК к ДНК невозможно. Но, как оказалось, этот генетический метод активно используется в живой природе, в том числе и такими опасными ее представителями, как вирусы (среди которых и самый опасный для человека — ВИЧ).

Жизненный цикл ретровируса

Вирус прикрепляется к строго определенным клеткам хозяина благодаря образованию связей белков капсида и рецепторов на поверхности клетки. После проникновения в клетку собственные ферменты или ферменты клетки хозяина разбирают капсид. Вирусная РНК высвобождается и подвергается обратной транскрипции: обратная транскриптаза формирует по матрице РНК цепочки ДНК, а интеграза инициирует проникновение провирусной ДНК в ядро и включение ее в геном хозяина. В ядре происходит процесс репликации (повторной сборки) вирусной РНК, который уже стал неотъемлемой функцией генома хозяина. В хозяйской цитоплазме вирусная РНК обзаводится капсидом. Отпочковываясь от клетки, обновленный вирус прихватывает с собой часть мембраны хозяина, используя ее в качестве собственной оболочки.

Устройство вириона

РНК ретровируса располагается в белковой оболочке под названием капсид. Наружная липидная оболочка покрыта ворсинками длиной 8−10 нм. Вирион имеет форму икосаэдра (двадцатигранника) и диаметр 80−100 нм.

Двигатель прогресса

Еще в конце 1980-х годов можно было встретить утверждение о том, что ретровирусы не способны вызывать эпидемический процесс. И отсюда — бесплодные попытки ученых создать вакцину против ВИЧ. Ретровирусы и сегодня не утратили своей способности вызвать большую пандемию. Однако ретровирусы, по мнению ученых, могут быть полезными. Предполагается, и не без оснований, что они сослужили нам хорошую службу в процессе эволюции, передав человеку и другим живым организмам свои структурные элементы, ставшие впоследствии нашими генами.

Как мы строим супервирус

Сегодня уже точно известен целый ряд важных генов, берущих свое начало от ретроэлементов. Прежде всего это некоторые гены, участвующие во внутриутробном развитии плода. Несколько лет назад появились данные, что ретровирусы могли сыграть весомую роль в эволюции плацентарных животных. Появление у древних организмов плаценты — важный этап их эволюционного развития в сторону усложнения. Плацента позволила предкам человека продлить внутриутробное развитие. Именно с этим сегодня связывают кардинальные изменения у млекопитающих, живших около 60 млн лет назад, — увеличение размеров мозга и постепенное развитие умственных способностей.

Основной целью российских биологов был поиск ретровирусов hsERV, которые осуществляют функции энхансеров (усилителей). Энхансеры — это нуклеотидная последовательность с регуляторными функциями, которая обычно находится вблизи (или внутри) генов и повышает их экспрессию. Из всех обнаруженных на сегодня hsERV лишь шесть копий находились в районах обычного расположения энхансеров. Изучив эти шесть ретровирусов, исследователи смогли выявить один hsERV, расположенный вблизи важного гена PRODH.

Ген PRODH кодирует фермент пролиндегидрогеназу, связанный с синтезом глутамата, одного из нейромедиаторов, стимулирующего передачу сигналов возбуждения в нервной системе. У шимпанзе аналогичный ген во всех местах его расположения (в гиппокампе, префронтальной коре и хвостатом ядре) не имеет рядом с собой участка ДНК с эндогенными ретровирусами и менее активен по сравнению с человеческим. Есть основания полагать, что внедрение ретровируса вблизи этого гена сыграло весомую роль в развитии умственных способностей человека.

Хозяева Земли

По мнению Супотницкого, именно ретровирусы (и ретроэлементы) — настоящие хозяева Земли. Они возникли раньше нас в процессе эволюции, принимали активное участие в создании сложных организмов и вполне способны ради большего разнообразия видов сгубить все человечество.

Автор выражает большую благодарность
д. б. н. А. А. Буздину (Институт биоорганической химии РАН)
за помощь при написании статьи.

Встраивание ретровирусов и ретротранспозонов в геном организма-хозяина может приводить к печальным последствиям. Эта собака родилась обесцвеченной и глухой на оба уха из-за того, что ретротранспозон встроился в один из ее генов (SILV), нарушив его работу. Фото с обложки журнала PNAS

Считалось, что из всех РНК-содержащих вирусов только ретровирусы способны синтезировать ДНК на матрице своей РНК и встраиваться в геном хозяйской клетки. Как выяснилось, другие РНК-содержащие вирусы тоже умеют это делать, хотя у них нет генов, необходимых для обратной транскрипции (синтеза ДНК на матрице РНК). Встраивание этих вирусов в хромосомы хозяина происходит благодаря своеобразной кооперации с уже обжившимися в хозяйском геноме ретровирусами.

До сих пор считалось, что такие вирусы не могут встраивать свой наследственный материал в геном хозяина (или, точнее, что это может происходить лишь исключительно редко, в силу стечения ряда маловероятных обстоятельств; необходимо помнить, что в биологии почти нет абсолютно строгих правил такого рода — любой догматизм здесь противопоказан).

В 1997 году швейцарские биологи установили, что в хромосомах мышей после заражения РНК-содержащим вирусом LCMV (lymphocytic choriomeningitis virus) систематически обнаруживаются фрагменты вирусного генома, а именно гены вирусного гликопротеина (GP) и нуклеопротеина (NP). Как происходит синтез ДНК на матрице вирусной РНК при отсутствии у вируса LCMV обратной транскриптазы, никто не знал.

Исследователи заражали мышиные клетки вирусом LCMV до тех пор, пока не получили две линии клеток, содержащих в своем геноме вирусные гены. Затем из этих клеток были выделены и размножены фрагменты геномной ДНК, включающие гены LCMV, вместе с прилегающими участками.

Оказалось, что в обеих линиях произошло встраивание в хозяйский геном вирусного гена GP. В одной линии клеток вирусный ген встроился в 7-ю хромосому, в другой — в 10-ю. Самое главное, что в обоих случаях к встроенному вирусному гену непосредственно прилегает нуклеотидная последовательность ретротранспозона IAP.

Это позволило ученым предположить, что обратная транскрипция вирусного генома и последующее встраивание получившейся ДНК в хозяйский геном были осуществлены благодаря деятельности ферментов, кодируемых ретротранспозоном IAP.

Чтобы проверить это предположение, исследователи вводили активные копии мышиного ретротранспозона IAP в клетки других видов млекопитающих (человека, зеленой мартышки, собаки и китайского хомячка), у которых интеграция генов LCMV в геном никогда не наблюдалась. В качестве контроля использовались клетки, в которые не вводили дополнительных генов или вводили ген зеленого светящегося белка. Затем все эти клетки заражали вирусом LCMV и смотрели, будет ли синтезироваться ДНК на матрице вирусной РНК.

В клетках всех четырех видов животных, в которые был введен ретротранспозон IAP, гены вируса LCMV подвергались обратной транскрипции (в среднем в 70% клеток). В контрольных клетках этого не произошло ни разу. Таким образом, IAP действительно необходим для встраивания генов LCMV в хозяйский геном, причем ретротранспозон успешно справляется с этой работой не только в клетках своего природного хозяина — мыши, но и в клетках других животных.

Используя в экспериментах разные варианты ретротранспозона IAP, исследователи установили, что для успешного встраивания LCMV необходимо наличие в составе IAP неповрежденных генов pol и gag (каждый из этих генов кодирует по несколько белков; обратная транскриптаза кодируется геном pol; см. схему строения ретровируса).

Вирус LCMV может проникать в семенники мышей, где активно работают ретротранспозоны IAP. Теоретически LCMV мог бы встроиться в геном сперматозоида и стать наследственным, но до сих пор этого не произошло: в геномах мышей, не зараженных вирусом LCMV, не удалось обнаружить никаких фрагментов генома LCMV, несмотря на целенаправленный поиск.

Авторы отмечают, что полученные ими результаты необходимо учитывать при разработке новых методов генной терапии, основанных на создании искусственных РНК-содержащих вирусов с нужными пациенту генами. Ведь в геноме человека тоже есть немало эндогенных ретровирусов. Правда, почти все они неактивны, но некоторые, возможно, частично сохранили активность. Эти эндогенные ретровирусы теоретически могут обеспечить встраивание геномов искусственных РНК-содержащих вирусов в человеческие хромосомы, что может привести к плохо предсказуемым последствиям. Поэтому все новые терапевтические РНК-вирусы должны проходить предварительную проверку на способность встраиваться в хозяйский геном.

Источник: Markus B. Geuking, Jacqueline Weber, Marie Dewannieux, Elieser Gorelik, Thierry Heidmann, Hans Hengartner, Rolf M. Zinkernagel, Lars Hangartner. Recombination of Retrotransposon and Exogenous RNA Virus Results in Nonretroviral cDNA Integration // Science. 2009. V. 323. P. 393–396.

Читайте также: