Перенос генов в растение при помощи вирусов

Обновлено: 24.04.2024

Авторы недавнего (и, по мнению специалистов, довольно плохого) обзора про ГМО-еду вспомнили старую страшилку, заключающуюся в том, что фрагменты ДНК из пищи, которую мы употребляем, могут попадать в клетки человека или населяющих его микроорганизмов и влиять на экспрессию генов хозяина или даже встраиваться в геном. Подобных примеров современная наука не знает, но вообще случаи горизонтального переноса генов — попадания в организм фрагментов ДНК не от родителей, а извне, из окружающей среды, ученым известны, и многие из них описаны довольно хорошо. Мы решили разобраться в этом вопросе.

Несмотря на то, что позвоночные животные едят ДНК-содержащую еду миллионы лет, свидетельств тому, что съеденные гены как-то влияют на собственный геном, ученые пока не нашли. Тем не менее, получить ДНК не от родителей, а откуда-то извне возможно — этот феномен называется горизонтальным переносом генов. С началом эры массового секвенирования геномов и биоинформатики стало понятно, что горизонтальный перенос сыграл значительную роль в эволюции как прокариот (бактерий и архей), так и высших эукариот, например, растений.

Тем не менее, заполучить чужую ДНК не так-то просто, а наличие и количество, к примеру, бактериальной ДНК в геноме человека до сих пор остается дискуссионным вопросом.

Без ядра

Для того чтобы в геноме появился новый элемент, необходимо, чтобы новая ДНК попала в клетку и встроилась в хромосому. Логично, что проще всего выполнить эти условия, если организм одноклеточный и у него нет дополнительной ядерной оболочки, защищающей геном. По всей видимости, прокариоты (бактерии и археи) действительно пользуются горизонтальным переносом очень активно — для них это еще и аналог полового процесса, позволяющий внести разнообразие в генетическую информацию, наряду со случайным мутагенезом.

В лаборатории свойство компетентности используют для того, чтобы искусственно доставлять ДНК в бактериальные клетки, а в природе к развитию компетентности и натуральной трансформации способны как минимум несколько десятков видов бактерий, среди которых множество патогенных. Как в случае с опытами Гриффита, внешним источником ДНК могут быть погибшие клетки, кроме того, некоторые бактерии выделяют ее наружу намеренно, с использованием систем секреции.

Помимо трансформации, бактерии способны обмениваться ДНК путем конъюгации. Этот специализированный процесс передачи ДНК между клетками при непосредственном контакте был открыт на кишечной палочке в середине XX века. Для того чтобы передать ДНК, клетки кишечной палочки должны содержать небольшую кольцевую экстрахромосомную молекулу ДНК — плазмиду, которая содержит гены, необходимые для конъюгации, и которая, собственно, и передается.

Конъюгация осуществляется с образованием половых пилей — белковых трубочек, при помощи которых устанавливается физический контакт. Кроме кишечной палочки, процесс был найден и у множества других бактерий. Помимо генов, необходимых для собственного распространения, конъюгативная плазмида может содержать гены других полезных признаков, поддерживаемых отбором, например, устойчивости к антибиотикам.

Молекулярный механизм передачи F-плазмиды путем конъюгации у бактерий

Еще один распространенный механизм передачи генов путем горизонтального переноса — трансдукция, процесс передачи ДНК при помощи вирусов — бактериофагов. При формировании вирусных частиц фаг захватывает часть хозяйской ДНК и при заражении других клеток может передать им чужие гены.

Встроить в геном можно не любую ДНК — в общем случае полученный фрагмент просто разрушится внутриклеточными ферментами — нуклеазами и рестриктазами, которые защищают клетку от вторжения. Обмен генами происходит чаще между близкородственными штаммами, у которых большой процент похожих последовательностей. В таком случае новый фрагмент ДНК может встроиться в геном по механизму гомологичной рекомбинации, для которой необходимо наличие одинаковых или близких по составу нуклеотидных последовательностей.

Странные деревья

Если существование горизонтального переноса было установлено еще до расшифровки последовательностей генома, то масштабы явления стали понятны только с наступлением эры секвенирования. Попытки построить для всех живых организмов универсальное филогенетическое дерево на основании последовательностей геномов привели к ряду филогенетических конфликтов. Нередко какие-то гены обнаруживаются там, где по логике эволюционного наследования, их быть не должно. Отсутствие гена у предков организма часто наводит исследователей на мысль, что он получен путем горизонтального переноса.

Расшифровка множества эукариотических геномов позволила предположить, что горизонтальный перенос сыграл важную роль в эволюции не только бактерий, но и одноклеточных эукариот, в частности, простейших, а также водорослей и высших растений, многих беспозвоночных животных.

У прокариот механизмы доставки новых генов более или менее изучены и понятны, но у эукариот ДНК дополнительно защищена ядерной мембраной и белками-гистонами. Кроме того, если речь идет о многоклеточных организмах с половым размножением, то для того, чтобы закрепиться в поколениях, хромосома с новым элементом должна попасть в половые клетки. Таким образом, на пути горизонтального переноса у более сложных организмов, нежели бактерии, стоит множество барьеров. Поэтому в его наличие стоит верить только при существовании вероятного механизма передачи.

Обмен генетической информацией между ядерным геномом и митохондриальным детектируют и в настоящее время, например, у человека он иногда наблюдается при злокачественном преобразовании клеток. Происходить это событие может, например, во время митоза, когда ядерная оболочка разрушается. Как при этом преодолевается барьер митохондриальной мембраны, не совсем понятно, скорее всего митохондрии просто деградируют, и митохондриальная ДНК выходит в цитоплазму.

Биологам известны и современные примеры эндосимбиоза и эндопаразитизма, сопровождающиеся горизонтальным переносом генов. К примеру, внутриклеточный симбионт членистоногих и некоторых червей-нематод бактерия вольбахия нередко встраивает большие куски своего генома в геном хозяина. Вероятно, это происходит случайно в процессе репарации ДНК, и большой пользы хозяевам вольбахии от этого нет, так как большинство бактериальных генов при этом неактивны или превращаются в псевдогены, то есть необратимо ломаются.

Обзор

Автор

Редактор

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

От неосознанного отбора к направленной селекции и генетической модификации растений

Выход из этой ситуации появился с развитием генетической инженерии, которая сделала возможным перенос генов из одного организма в другой.

Различные виды генетически модифицированных растений

В 1994 году появилось первое коммерческое генно-инженерное растение — томат Flavr Savr [1, 4]. Вслед за этим стали активно создаваться трансгенные растения, устойчивые к биотическим и абиотическим факторам среды. (Отметим, что трансгенным считают такой организм, в геном которого искусственно введен ген, который не может быть приобретен при естественном скрещивании.) Ученые нашли необходимые гены устойчивости в геномах бактерий и насекомых и перенесли их в растительные организмы [5]. Обывателю покажется, что это достаточно рискованно, потому что, на первый взгляд, в природе такого быть не может (хотя есть и исключения — например, почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens переносит свои гены в растительные клетки для получения необходимых метаболитов).

Другая проблема, с которой связано получение трансгенных растений, — это использование антибиотиков. Для того чтобы узнать, попал ли интересующий ученых ген в геном растительной клетки, необходим некий маркер (репортер), который отделит клетки с внедрившимся чужеродным геном от неудачных образцов. Такими репортерами и являются гены, кодирующие устойчивость к антибиотикам. Клетки, подвергшиеся изменениям, высаживают на среду с антибиотиком, и, если они остались живы, значит, ген устойчивости проник в их геном, а с ним — и наш целевой ген. Несмотря на то, что трансгенные растения являются мощным фактором развития сельского хозяйства и экономики, возможность их использования провоцирует широкое общественное обсуждение.

Принимая во внимание всеобщую обеспокоенность биологической безопасностью трансгенных продуктов питания, в настоящее время активно разрабатывается новый подход для модификации сортов растений — цисгенез [5–7].

Применение геномного секвенирования сельскохозяйственно-значимых культур, таких как кукуруза, картофель, рис, и разработка эффективных технологий выделения новых генов расширили границы возможностей улучшения сельскохозяйственных культур. В последние десятилетия описан широкий круг генов, кодирующих важные качественные и количественные признаки как самих сельскохозяйственных культур, так и их дикорастущих родственников. Эти гены выделены и перенесены в геномы элитных сортов. Полученные в результате таких манипуляций растения называют цисгенными, чтобы отделить их от понятия трансгенов [5].

Цисгенез — такая технология генетической модификации рекомбинантной ДНК, при которой манипуляция происходит с использованием ДНК того же или близкородственного вида растения, с которым возможен половой процесс [8]. В отличие от трансгенных, такие растения не содержат гены неродственных организмов и гены устойчивости к антибиотикам (рис. 1). Это дает возможность ожидать, что общество с большей легкостью воспримет цисгенные растения, нежели трансгенные. Так, опрос в штате Миссисипи показал, что 81% респондентов готов употреблять в пищу цисгенные растения, в то время как лишь 14-23% согласны на трансгенные [5].

Для внедрения в геном растения используются гены любого организма (растения, бактерий, насекомых и др.)
Ген редактируется, изменяется
Используются маркерные гены

Используется ген близкородственного вида, с которым возможно природное скрещивание
Все компоненты гена (промотор, интроны и терминатор) сохраняются в природной форме
Селекционные маркеры удаляются

Ген и его регуляторные элементы могут принадлежать самому растению или видам, с которыми возможно перекрестное опыление
Последовательность основных элементов может быть изменена
Возможно выключение гена
Селекционные маркеры удаляются

Рисунок 1. Изменение генома при классической селекции, трансгенезе и цисгенезе.

Цисгенез = классическая селекция?

Современное состояние вопроса о повышении качества и урожайности сельскохозяйственных растений можно объяснить на примере такой стратегически важной культуры, как картофель.

Представим себе, что у нас есть элитный сорт картофеля, который дает прекрасный — качественный и обильный — урожай, но подвержен инфекционным заболеваниям. А еще нам известно, что есть вид дикого картофеля, который не дает никакого съедобного урожая, но при этом устойчив к болезням. Первым делом мы пытаемся выяснить, что в геноме дикого вида определяет его устойчивость (см. врезку). Возможности современной молекулярной генетики и геномики растений позволяют нам найти тот ген, который отвечает за устойчивость, выделить его открытую рамку считывания и участок ДНК, контролирующий его экспрессию, вырезать их, клонировать и внедрить в геном нашего элитного сорта, не внося никаких кардинальных изменений ни в геном сорта, ни в нуклеотидную последовательность гена, которой мы оперируем. Таким образом, если наши манипуляции прошли успешно, мы получаем исходный элитный сорт картофеля, который так же дает прекрасные клубни, но при этом не подвержен заражению паразитами, и мы не теряем урожай.

Гены устойчивости растений

В отличие от животных, растения не имеют иммунной системы. Тем не менее существование растительных организмов, несмотря на огромное количество патогенов (среди которых вирусы, бактерии, грибы, нематоды и даже другие растения), говорит о том, что им свойственны конкретные механизмы устойчивости. Они определяются работой генов устойчивости, которые позволяют растению отследить появление патогена и запустить механизм защитной реакции. Эти гены были открыты в начале 20 века, а спустя 90 лет — выделены [9].

Согласно одной из основных гипотез, растение имеет ген устойчивости, а патоген несет комплементарный ген авирулентности [10]. Когда продукт гена авирулентности взаимодействует с клетками растения, продукт гена устойчивости растения запускает каскад защитных реакций [11]. Фитопатогенные организмы и их механизмы заражения растений чрезвычайно разнообразны, поэтому удивительно, что все известные гены резистентности кодируют небольшое количество белков, которые имеют общее эволюционное происхождение и содержат общие консервативные участки (домены) [12]. Таким образом, гены устойчивости растений можно искать в геноме резистентных видов по наличию определенных нуклеотидных последовательностей. Для поиска и выделения генов используются специальные молекулярные маркеры и техники (PCR, AFLP, RFLP, RAPD и другие) [13].

Если вы всё еще против генетически модифицированных растений, представим следующую ситуацию: у нас есть элитный сорт картофеля, единственным слабым местом которого является подверженность заболеваниям. Классическая селекция отнимает слишком много сил и времени и не дает надежного результата, а генетически модифицированные растения не внушают доверия. Даже в этой ситуации есть альтернатива! Химическая промышленность изобрела огромное количество разнообразных пестицидов, которые защитят наш картофель от болезней. Этот путь самый простой и самый опасный: загрязнение окружающей среды химическими реагентами может привести к катастрофическим последствиям (см. врезку).

Химические средства для повышения урожайности растений

Рынок химических средств защиты растений в России составляет более $500 млн в год [14]. Гербициды, инсектициды, фунгициды на сегодняшний день являются важным инструментом увеличения объема урожая, так как они борются с сорняками, убивают насекомых, бактерий, грибы, а также других вредителей сельскохозяйственных растений. Но есть и обратная сторона медали. Все эти тонны химических реагентов ежегодно попадают в почву, водоемы и атмосферу. Многие вещества, используемые в качестве удобрений, надолго сохраняются в среде. Так, в водах озера Онтарио в 90-е годы определяли высокие концентрации пестицида мирекс, использование которого было прекращено еще в конце 70-х [15]. И даже если после обработки определенной местности неким веществом, оно через некоторое время перестает там выявляться, это совсем не означает, что оно распалось или растворилось. С током поверхностных и грунтовых вод, с помощью ветра химические молекулы могут переместиться в другие регионы. Так, например, гербицид атразин, используемый для защиты широколиственных растений в сельском и парковом хозяйстве США, повсеместно присутствует там в поверхностных водах. По некоторым данным, до 92% исследованных водоемов США содержат этот пестицид. Поскольку вещество достаточно стойкое и легко растворимо в воде, оно мигрирует и в грунтовые воды и там накапливается.

Еще неприятнее тот факт, что химические соединения могут перераспределяться в природе не только c помощью дождя и ветра, но и внутри живых организмов, а именно — по пищевым цепям. Организмы получают токсичные вещества из воды, почвы, воздуха. Этот процесс называется биоаккумуляцией. В результате наносится вред как самому организму, так и тому, кто его съест.

В США для борьбы с переносчиком голландской болезни, поражающей вязы, — вязовым заболонником Scolytes multistriatus — деревья обрабатывали ДДТ. Часть пестицида попадала в почву, где его поглощали дождевые черви и накапливали в тканях. У поедающих преимущественно дождевых червей перелетных дроздов развивалось отравление ДДТ. Часть из них погибала, у других нарушалась репродуктивная функция — они откладывали стерильные яйца. В результате борьба с заболеванием деревьев привела к почти полному исчезновению перелетных дроздов в ряде регионов США [15].

Еще более интересным процессом является биомагнификация — это увеличение концентрации токсичного реагента в пищевой цепи. Так, для уничтожения комаров на одном из калифорнийских озер применили ДДТ. После обработки содержание пестицида в воде составило 0,02 части на миллион (ppm). Через некоторое время в планктоне ДДТ определялся в концентрации 10 ppm, в тканях планктоноядных рыб — 900 ppm, хищных рыб — 2700 ppm, птиц, питающихся рыбой — 21 000 ppm. То есть содержание ДДТ в тканях птиц, не подвергшихся непосредственному воздействию пестицида, было в миллион раз выше, чем в воде, и в 20 раз выше, чем в организме рыб — первом звене пищевой цепи.

Приведенные примеры касались различных животных, но не стоит забывать, что человек — это тоже биологический вид, который подчиняется общим природным законам. Вся наша пища имеет растительное или животное происхождение, и нужно понимать, что чем больше химических реагентов используется в сельском хозяйстве, тем больше нежелательных соединений попадает в наш организм. Конечно, их концентрации не столь высоки, однако ежедневно они пополняются, и мы подвергаемся их хроническому воздействию.

Другой известный случай произошел в 1971 году в Ираке. Правительством этого государства была закуплена большая партия зерна в качестве посевного материала. Посевное зерно с целью борьбы с грибками подвергалось обработке метилртутью. Однако эта партия зерна случайно попала в продажу и была использована для выпечки хлеба. В результате отравление получили более 6,5 тысяч человек, из которых около 500 погибли [15].

Итак, цисгенные растения, главной целью создания которых является перенесение генов устойчивости в коммерчески успешные сорта, экономят время селекционеров, не требуют применения пестицидов, не нарушают экосистему, затраты на их выращивание минимальны, а урожай максимальный. В 2012 году Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) опубликовало доклад, в котором сравнивался потенциальный вред растительных продуктов, полученных различными способами. В результате был сделан вывод о том, что риски, связанные с употреблением цисгенных растений и сортов, полученных методами классической селекции, сопоставимы [17].

Китайские биологи описали первый известный пример горизонтального переноса генов от растения к насекомому. Оказалось, табачные белокрылки (Bemisia tabaci) присвоили себе растительный ген. Синтезируемый с помощью этого гена фермент позволяет насекомым нейтрализовать яд, призванный защищать растения, поэтому на этих насекомых-вредителей не влияют растительные токсины. Работа опубликована в Cell.

За более чем 400 миллионов лет сосуществования с травоядными животными растения научились защищаться: какие-то изменили свою морфологию (например, изменили форму листьев), другие же применили биохимические способы отражать атаки насекомых.

Фенольные гликозиды – группа соединений, состоящих из углеводного остатка и фенольной группы – одни из самых распространенных метаболитов растений, которые могут влиять на рост, развитие и поведение насекомых. Самим растениям эти соединения не опасны: они при помощи фермента малонилтрансферазы присоединяют к гликозидам малониловую группу, в результате фенольные гликозиды теряют свою токсичность.

Некоторые насекомые, однако, не испытывают негативных последствий от попадания фенольных гликозидов в их организм вместе с пищей: наоборот, они научились использовать их как питательные вещества и стимуляторы кладки яиц. Представители вида табачная белокрылка (Bemisia tabaci) – распространенные насекомые-вредители. B. tabaci питаются флоэмой растений, проводящей тканью, по которой продукты фотосинтеза – питательные вещества – поступают к корням, цветкам, плодам. Белокрылки переносят растительные вирусы и в целом сильно снижают урожайность. При этом вредители могут питаться более чем 600 видами растений – и прекрасно адаптируются к защитным механизмам всех этих видов. Большинство из этих растений как раз используют фенольные гликозиды как способ биохимической защиты. Bemisia tabaci нейтрализуют эти соединения при помощи ферментов, однако как именно им удается обойти отличающиеся друг от друга защитные приспособления стольких растений, оставалось неизвестным.

Ученые Китайской академии агрокультурных наук под руководством Юцзюнь Чжана (Youjun Zhang) провели биоинформатический анализ и обнаружили в геноме насекомых B. tabaci ген малонилтрансферазы, который, по-видимому, и помогает насекомым нейтрализовать действие фенольных гликозидов. Дальнейшие исследования показали, что ближайшие гомологи этого гена есть у растений, но не у членистоногих. Ученые пришли к выводу, что что в геном насекомых B. tabaci попал специфичный для растений ген BtPMaT1. Этот ген экспрессируется у насекомых на всех стадиях развития, но больше всего во взрослом возрасте, и особенно в желудке.

Эксперименты in vitro на клеточных культурах показали, что белок BtPMaT1 действительно обладает малонилтрансферазной активностью в отношении трех из одиннадцати протестированных фенольных гликозидов. Под действием BtPMaT1, эти соединения превратились в соответствующие малонилгликозиды. Схожие результаты были получены и в экспериментах на насекомых, которых кормили листьями томатов.

Наконец, ученые проверили, можно ли повысить устойчивость растений к белокрылкам. Исследователи создали трансгенный томат, в геном которого вставили участки ДНК, кодирующие образующие шпильки малые молекулы РНК. Шпильки из РНК позволяют подавлять экспрессию того или иного гена, в этой работе ученые нацелили их на BtPMaT1. Смертность у насекомых, которым дали листьями таких томатов, повысилась уже на первый день кормления. В условиях, имитирующих полевые, трансгенные томаты привели к смерти почти 100 процентов белокрылок, тогда как в контрольной группе смертность составила только 20 процентов.

Исследование раскрывает необычный эволюционный путь, благодаря которому табачные белокрылки смогли применить растительный ген для нейтрализации растительного же токсина. До этого были известны примеры горизонтального переноса генов членистоногим только от микроорганизмов. Показанный же в этой работе горизонтальный перенос растительного гена наделил насекомых способностью питаться многими растениями, не опасаясь фенольных гликозидов.

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.

Читайте также: