О роли эндогенных ретровирусов в биологии опухолевого роста
Обновлено: 12.05.2024
В настоящее время ключевыми механизмами канцерогенеза признаны эпигенетические события, к которым относятся специфические изменения метилирования ДНК, модификации гистонов, экспрессия микроРНК и высшая хроматиновая организация. Согласно последним данным, некодирующие РНК (микроРНК, малые интерферирующие РНК или siРНК, piРНК, длинные некодирующие РНК или lncРНК) в большинстве своем либо непосредственно образуются из мобильных генетических элементов, либо имеют транспозонное происхождение. Некодирующие РНК специфически влияют на метилирование генома и модификации гистонов в онтогенезе, чему способствуют эволюционно запрограммированные особенности активации транспозонов, из последовательностей которых происходят данные РНК. Таким образом, материальной основой эпигенетической наследственности служат транспозоны. Под действием стресса и при старении увеличивается вероятность развития онкопатологии, что объясняется повышенной вероятностью аномальной активации мобильных генетических элементов, чувствительных к стрессовым воздействиям и изменению уровня гормонов. Аномальная активация транспозонов в клетках ведет к геномной нестабильности – большинство подобных клеток подвергаются апоптозу. Однако в некоторых случаях прогрессирующая геномная нестабильность ведет к повреждению генов онкосупрессоров и активации онкогенов - в результате апоптоза не происходит, а клетки обретают способность неконтролирующей пролиферации с накоплением множества мутаций вследствие прогрессирующей геномной нестабильности, вызванной мобилизацией транспозонов. В каждом типе злокачественных опухолей запускаются свои каскадные механизмы активации мобильных генетических элементов с участием некодирующих РНК. Исследование эпигенетических механизмов развития каждого типа рака даст возможность разработать эффективные методы ранней молекулярно-генетической диагностики онкопатологии, а также таргетной терапии на разных стадиях развития патологического процесса.
Ключевые слова
Об авторах
Мустафин Рустам Наилевич – кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры генетики и фундаментальной медицины БашГУ.
450076, Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Хуснутдинова Эльза Камилевна – доктор биологических наук, заведующая кафедрой генетики и фундаментальной медицины БашГУ.
450076, Уфа, ул. Заки Валиди, 32;
директор ФГБУН Института биохимии и генетики УНЦ РАН.
450054, г. Уфа, проспект Октября, 71.
Список литературы
1. Майборода АА. Гены и белки онкогенеза. Сибирский медицинский журнал. 2013;(2):132-138. [Mayboroda AA. Genes and proteins of oncogenesis. Sibirskiy meditsinskiy zhurnal = Siberian Medical Journal. 2013;(2):132-138. (in Russ.)].
2. Имянитов ЕН. Общие представления о таргетной терапии. Практическая онкология. 2010;11(3):123-130. [Imyanitov EN. General ideas about targeted therapy. Prakticheskaya onkologiya = Practical oncology. 2010;11(3):123-130. (in Russ.)].
3. Herceg Z, Lambert M, van Veldhoven K, Demetriou C, Vineis P, Smith MT, et al. Towards incorporating epigenetic mechanisms into carcinogen identification and evaluation. Carcinogenesis. 2013;34(9):1955-67. DOI: 10.1093/carcin/bgt212.
4. Samantarrai D, Dash S, Chhetri B, Mallick B. Genomic and epigenomic cross-talks in the regulatory landscape of miRNAs in breast cancer. Mol Cancer Res. 2013;11(4):315-28. DOI: 10.1158/1541-7786. MCR-12-0649.
5. Giordano S, Columbano A. MicroRNA: new tools for diagnosis, prognosis, and therapy in hepatocellular carcinoma? Hepatology. 2013;57(2):840-847. DOI: 10.1002/hep.26095.
6. Цуканов АС, Шубин ВП, Поспехова НИ, Сачков ИЮ, Кашников ВН, Шелыгин ЮА. Наследственные раки желудочно-кишечного тракта. Практическая онкология. 2014;15(3): 126-133. [Tsukanov AS, Shubin VP, Pospekhova NI, Sachkov IYu, Kashnikov VN, Shelygin YuA. Hereditary cancers of the gastrointestinal tract. Prakticheskaya onkologiya = Practical oncology. 2014;15(3):126-133. (in Russ.)].
7. Заридзе ДГ. Канцерогенез. М.;2004. [Zaridze DG. Carcinogenesis. M.;2004. (in Russ.)].
9. Rodic N, Burns KH. Long interspersed element-1 (LINE-1): passenger or driver in human neoplasms? PLOS Genetics. 2013;9(3):e1003402. DOI: 10.1371/ journal.pgen.1003402.
12. Morales-Hernandez A, Gonzalez-Rico FJ, Roman AC, Rico-Leo E, Alvarez-Barrientos A, Sanchez L, et al. Alu retrotransposons promote differentiation of human carcinoma cells through the aryl hydrocarbon receptor. Nucleic Acids Res. 2016;44(10):4665-4683. DOI: 10.1093/nar/gkw095.
14. Gim J, Ha H, Ahn K, Kim DS, Kim HS. Genomewide identification and classification of microRNAs derived from repetitive elements. Genomic Inform. 2014;12(4):261-267. DOI: 10.5808/GI.2014.12.4.261.
15. Киселев ОИ. Эндогенные ретровирусы: структура и функция в геноме человека. Вопросы вирусологии. 2013;(S1):102-115. [Kiselev OI. Endogenous retroviruses: structure and function in the human genome. Voprosy virusologii = Problems of virology. 2013;(S1):102-115. (in Russ.)].
16. Ohms S, Rangasamy D. Silencing of LINE1 retrotransposons contributes to variation in small noncoding RNA expression in human cancer cells. Oncotarget. 2014;5(12):4103-17. DOI: 10.18632/ oncotarget.1822.
17. Spengler RM, Oakley CK, Davidson BL. Functional microRNAs and target sites are created by lineage-specific transposition. Hum Mol Genet. 2014;23(7):1783-93. DOI: 10.1093/hmg/ddt569.
18. Roberts JT, Cooper EA, Favreau CJ, Howell JS, Lane LG, Mills JE, et al. Continuing analysis of microRNA origins: Formation from transposable element insertions and noncoding RNA mutations. Mob Genet Elements. 2013;1(6):е27755. DOI: 10.4161/mge.27755.
20. Johnson R, Guigo R. The RIDL hypothesis: transposable elements as functional domains of long noncoding RNAs. RNA. 2014;20(7):959-976. DOI: 10.1261/rna.044560.114.
21. Васильева ЛА, Антоненко ОВ, Выхристюк ОВ, Захаров ИК. Селекция изменяет паттерн мобильных генетических элементов в геноме Drosophila Melanogaster. Вестник ВОГиС. 2008;12(3):412-425. [Vasil’eva LA, Antonenko OV, Vykhristyuk OV, Zakharov IK. Selection changes the pattern of mobile genetic elements in genome of Drosophila Melanogaster. Vestnik VOGiS = VOIPS Bulletin. 2008;12(3):412-425. (in Russ.)].
22. Pavlicev M, Hiratsuka K, Swaqqart KA, Dunn C, Muglia L. Detecting endogenous retrovirus-driven tissue-specific gene transcription. Genome Biol Evol. 2015;7(4):1082-97. DOI: 10.1093/gbe/evv049.
25. Wylie A, Jones AE, D’Brot A, Lu WJ, Kurtz P, Moran JV, et al. P53 genes function to restrain mobile elements. Genes Dev. 2016;30(1):64-77. DOI: 10.1101/ gad.266098.115.
26. Li P, Chen S, Xia T, Jiang XM, Shao YF, Xiao BX. et al. Non-coding RNAs and gastric cancer. World J Gastroenterol. 2014;20(18):5411-19. DOI: 10.3748/wjg. v20.i18.5411.
27. Han C, Shen JK, Hornicek FJ, Kan Q, Duan Z. Regulation of microRNA-1 (miR-1) expression in human cancer. Biochim Biophys Acta. 2017;1860(2):227-232. DOI: 10.1016/j.bbagrm.2016.12.004.
28. Patutina OA, Bichenkova EV, Miroshnichenko SK, Mironova NL, Trivoluzzi LT, Burusco KK, et al. MiRNases: Novel peptide-oligonucleotide bioconjugates that silence miR-21 in lymphosarcoma cells. Biomaterials. 2017;122:163-178. DOI: 10.1016/j. biomaterials.2017.01.018.
29. Sakabe T, Azumi J, Umekita Y, Toriguchi K, Hatano E, Hirooka Y, et al. Prognostic relevance of miR137 in patients with hepatocellular carcinoma. Liver Int. 2017;37(2):271-279. DOI: 10.1111/liv.13213.
31. Zhou W, Wang S, Ying Y, Zhou R, Mao P. MiR196b/miR-1290 participate in the antitumor effect of resveratrol via regulation of IGFBP3 expression in acute lymphoblastic leukemia. Oncol Rep. 2017;37(2):10751083. DOI: 10.3892/or.2016.5321.
32. Hodzic J, Sie D, Vermeulen A, van Beusechem VW. Functional screening identifies human miRNAs that modulate adenovirus propagation in prostate cancer cells. Hum Gene Ther. 2017 Jan: 23. DOI: 10.1089/hum.2016.143.
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.
В новой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, авторы сообщили о результатах целенаправленного поиска эндогенные ретровирусов hsERV, работающих как энхансеры, то есть участвующих в регуляции каких-то человеческих генов. Из 133 известных на сегодняшний день hsERV только шесть расположены в непосредственной близости от известных генов (на расстоянии до 5000 пар оснований перед сайтом начала транскрипции). Действующие энхансеры обычно (хотя и не всегда) располагаются именно в этой области, поэтому исследователи сосредоточили свои усилия на этих шести hsERV.
Чтобы выявить энхансерную активность, ученые объединяли участки ДНК, содержащие hsERV, с геном люциферазы (фермента, благодаря которому светятся светлячки), а полученные конструкции вставляли в человеческие клетки из нескольких разных клеточных культур (см. трансфекция). В качестве контроля использовались такие же конструкции, только с удаленными hsERV. Эти опыты позволили сузить круг поиска до трех hsERV, которые, как выяснилось, существенно повышают экспрессию соседнего гена (в данном случае — люциферазы). Энхансерная активность этих трех hsERV проявилась только в одной клеточной культуре (Tera1) из четырех испробованных. Это значит, что активность предполагаемых энхансеров в живом организме, скорее всего, проявляется не повсюду, а лишь в каких-то определенных тканях. Следует подчеркнуть, что проведенные эксперименты не исключают возможности того, что и другие три hsERV тоже имеют энхансерную активность, просто в данных клеточных культурах она не проявилась.
Дальнейшие эксперименты позволили авторам отбросить еще двух кандидатов и сосредоточиться на одном hsERV, который в человеческом геноме располагается перед геном PRODH. Как выяснилось, только у этого hsERV энхансерная активность, выявленная в люциферазных тестах, коррелирует с экспрессией предполагаемого подконтрольного гена (в данном случае — гена PRODH) в клеточных культурах.
У шимпанзе участок ДНК перед геном PRODH отличается от человеческого тем, что в нем отсутствует эндогенный ретровирус. Как выяснилось, человеческий участок, содержащий hsERV, обеспечивает значительно более высокий уровень экспрессии люциферазы в клеточной культуре Tera1 по сравнению с участком шимпанзе.
Все эти результаты говорят о том, что ретровирусная вставка, которую авторы обозначили как hsERVPRODH, привела к повышению экспрессии гена PRODH в каких-то тканях человеческого организма.
Известно, что активность регуляторных участков ДНК, в свою очередь, может регулироваться при помощи метилирования (см. метилирование ДНК). Дальнейшие эксперименты с трансфицированными клетками подтвердили, что это справедливо и для энхансера hsERVPRODH. Высокий уровень метилирования снижает его способность активировать экспрессию соседнего гена, тогда как низкий уровень метилирования, наоборот, усиливает действие энхансера.
Какова функция гена PRODH и могло ли изменение его активности в результате ретровирусной вставки сыграть какую-то роль в эволюции человека? Судя по всему, могло. Кодируемый этим геном фермент — пролин-дегидрогеназа — участвует в метаболизме аминокислоты пролина. В клетках мозга из пролина синтезируется глутамат — важнейший нейромедиатор. Поэтому активность PRODH теоретически может влиять на баланс нейромедиаторов и, как следствие, на работу мозга. Это подтверждается тем, что некоторые мутации гена PRODH у человека повышают риск развития шизофрении и других неврологических нарушений.
Авторы измерили уровень экспрессии PRODH в образцах человеческих тканей и обнаружили, что активнее всего этот ген работает в мозге. Тогда ученые сравнили между собой образцы разных участков мозга. Максимальная активность PRODH обнаружилась в гиппокампе; высокая активность отмечена также в теменных и затылочных долях коры больших полушарий. Затем был измерен уровень метилирования hsERVPRODH в разных отделах мозга. Эндогенный ретровирус оказался сильно метилирован везде, кроме гиппокампа. Авторы также сравнили уровень экспрессии PRODH в трех отделах мозга (гиппокампе, префронтальной коре и хвостатом ядре) у человека и шимпанзе. Оказалось, что во всех трех отделах PRODH у человека работает активнее, чем у шимпанзе. Наконец, авторы показали, что PRODH экспрессируется в гиппокампе исключительно в нейронах, но не в других клетках мозговой ткани (таких как астроциты и клетки микроглии).
Итак, вырисовалась следующая картина. В какой-то момент после разделения эволюционных линий человека и шимпанзе в геном наших предков неподалеку от гена PRODH встроился очередной ретровирус, что поставило активность гена PRODH в зависимость от транскрипционного фактора SOX2. Это привело к росту активности PRODH в разных отделах мозга, в первую очередь в гиппокампе, где экспрессия SOX2 максимальна.
Авторы отмечают, что у многих других человеческих ЭРВ, родственных изученному, имеются те же самые два участка, пригодные для прикрепления SOX2. Судя по тому, что эти участки довольно консервативны — мало менялись в ходе эволюции, — можно предположить, что хотя бы некоторые из них действительно функционируют как сайты связывания SOX2 и это чем-то полезно организму. Можно ожидать, что дальнейшее изучение эндогенных ретровирусов приведет к новым интересным открытиям.
Источник: Maria Suntsova, Elena V. Gogvadze, Sergey Salozhin, Nurshat Gaifullin, Fedor Eroshkin, Sergey E. Dmitriev, Natalia Martynova, Kirill Kulikov, Galina Malakhova, Gulnur Tukhbatova, Alexey P. Bolshakov, Dmitry Ghilarov, Andrew Garazha, Alexander Aliper, Charles R. Cantor, Yuri Solokhin, Sergey Roumiantsev, Pavel Balaban, Alex Zhavoronkov, and Anton Buzdin. Human-specific endogenous retroviral insert serves as an enhancer for the schizophrenia-linked gene PRODH // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Published online before print November 11, 2013.
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].
Читайте также: