Читать книгу "Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги? - Майкл Кордингли"

К началу девяностых годов ученые начали расшифровку геномов ЭРЭ, которые сохранили открытые рамки считывания генов, несмотря на то что были частью человеческого генома на протяжении более тридцати миллионов лет. В 1993 году группа ученых под руководством доктора Робина Вейсса из Института противораковых исследований Честербитти сумела приоткрыть завесу. Они описали предпочтительную экспрессию эндогенного ретровируса ЭРЭ-3 на клетках синцитиотрофобласта плаценты. Были получены первые данные о том, что белки env из ЭРЭ могут играть роль в формировании плацентарного иммунопротективного барьера, состоящего из слоя слившихся клеток синцитиотрофобласта (Boyd et al., 1993). Как выяснилось, ЭРЭ-3 не может играть выдающейся роли в образовании человеческой плаценты; у одного человека из ста существует полиморфизм, делающий этот элемент нефункциональным. Тем не менее интерес был подогрет, и очень скоро ученые начали рассматривать гены env из других человеческих ЭРЭ в качестве возможных кандидатов. Были найдены env-белки из двух разных семейств ЭРЭ, HERV-W и HERV-FRD, названные, соответственно, синцитином-1 и синцитином-2. Они чрезвычайно консервативны у родственных видов, что говорит о высоком давлении очищающего естественного отбора. Оба белка экспрессируются в плаценте и связывают клеточные рецепторы, которые тоже там экспрессируются. Но мало этого, если эти белки экспрессировались в культуре клеток, они (белки) заставляли клетки сливаться с образованием крупных многоядерных синцитиальных клеток, что типично для образования синцитиотрофобласта. Эти синцитины являются ретровирусными белками, которые используются приматами для стимуляции образования плаценты.

Оболочечные гены ЭРЭ обладают уникальными свойствами, которые делают их пригодными для формирования плаценты: они являются фузогенными белками и обладают, кроме того, иммунодепрессивными свойствами. Плацентарные млекопитающие отличаются от неплацентарных способностью самок питать оплодотворенное яйцо и плод в собственном теле. Плацента – это временная ткань эмбрионального происхождения, и возникновение ее сделало излишним помещение эмбриона в механически прочное защитное яйцо, которое созревает вне материнского организма. Этот феномен служит двоякой цели: в плаценте происходит обмен дыхательных газов и питательных веществ, поступающих от матери, а кроме того, плацента обеспечивает иммунологическую толерантность. Плод состоит из чужеродной ткани, для матери это аллотрансплантат. Половину своих наследственных и антигенных свойств плод черпает у матери, а половину – у отца. Если плод созревает внутри материнского организма, он должен изолировать себя от ее иммунной системы, чтобы не быть отторгнутым в результате реакции трансплантат против хозяина. Плацента образуется очень рано после имплантации зародыша. Синцитины опосредуют образование непрерывного слившегося слоя клеток вокруг эмбриона, изолируя его от матери, но позволяя питательным веществам и газам проходить через этот барьер. Несмотря на то что наблюдения над человеческими синцитинами-1 и -2 были достаточно убедительными, ученым предстояло окончательно связать синцитины с образованием плаценты в опытах на мышах. Здесь использовали два синцитина (обозначенные литерами А и В) из мышиных ЭРЭ, и генетические эксперименты с мышами, дефектными по генам этих синцитинов, подтвердили, что их дисфункция нарушает образование плаценты. Примечательно, что гены обоих синцитинов у мышей находились не в тех же хромосомах, что у человека. Это означает, что человеческие и мышиные синцитины произошли не от одной их предковой формы; они возникли при разных событиях захвата гена ЭРЭ из разных семейств ЭРЭ у людей и мышей. Независимо от этого, все синцитины, выделенные к настоящему времени у различных видов млекопитающих, обладают фузогенными и иммунодепрессивными свойствами. То, что различные плацентарные млекопитающие используют разные синцитины, не вызывает удивления. Специалисты по биологии развития давно поняли, что плацента является одним из самых неоднородных по структуре и функции органов млекопитающих. Не ускользнуло от внимания ученых и то, что, хотя возникновение класса млекопитающих плацентарных животных можно датировать довольно точно – они появились по меньшей мере 150 миллионов лет назад возраст синцитинов, которые в настоящее время отвечают за плаценту, намного менее почтенный – им не более 50 миллионов лет (Lavaille et al., 2013). Объяснение этого несоответствия, очевидно, обусловлено тем, что плацентарные млекопитающие возникли при приручении генов env из ЭРЭ, но по мере того, как на геномы млекопитающих накатывались все новые и новые волны ретровирусов, первые синцитины, во многих случаях заменялись новыми, с новым составом белков env. В понятиях эволюции представляется, что плацентарные млекопитающие постепенно «сдавали» свои синцитины, когда появлялись их новые модели, имевшие эволюционное преимущество перед старыми. Исходные гены синцитинов, перестав подвергаться давлению отбора, совершенно предсказуемо начали разрушаться в результате мутаций, и сейчас присутствуют в наших геномах в виде остаточных ископаемых остатков.

Эндогенные вирусные элементы

Если обилие ретровирусной ДНК в нашем геноме было сюрпризом для ученых, то скудость подписей, оставленных другими семействами вирусов, не потрясла никого. Обязательным условием репликации ретровирусов является формирование включенного в геном хозяина провируса, с которого копируются геномы его потомков. Для того чтобы получить возможность включиться в геном хозяина, вирус всего лишь должен инфицировать клетку зародышевой линии. Однако другие классы вирусов в естественных условиях не включаются в ДНК хозяина для вступления в цикл репликации. Как вы сейчас убедитесь, способ существования вирусов отличается подлинным разнообразием. Геномы вирусов могут состоять из одно- и двухцепочечных ДНК и РНК, из одноцепочечных ДНК или РНК положительной или отрицательной полярности; некоторые для репликации используют ядро клетки, другие же не видят никакой необходимости проникать в ядро и реплицируются исключительно в цитоплазме. Поэтому никого не удивило, что нуклеотидные последовательности этих вирусов не слишком богато представлены в геномах эукариотических хозяев. Однако в последние годы осуществление секвенирования полных геномов и применение более информативных методов исследования позволили обнаружить, что эукариотические геномы обладают замечательным разнообразием включенных в них эндогенных вирусных элементов (ЭВЭ). При достаточно пристальном взгляде в геномах хозяев можно обнаружить вирусные геномы всех упомянутых категорий (Johnson, 2010). Этот результат был получен в работах нескольких научных коллективов, прочесавших горы информации о нуклеотидных последовательностях геномов (Belyi, Levine, Skalka, 2010a, b). В организмах разнообразных позвоночных, включая млекопитающих, сумчатых, птиц, миног и рыб, а также у насекомых они нашли великое множество различных вирусных по происхождению, но не ретровирусных последовательностей. В противоположность ЭРЭ, которые включались в ДНК хозяев в виде полных вирусных геномов, которые затем пролиферировали в зародышевых клетках хозяев, все происходило не так с неретровирусными ЭВЭ. В геном хозяина внедрялись от одного до нескольких небольших фрагментов вирусных последовательностей или в лучшем случае один полный ген. То, что такие редкие включения вообще происходят, является следствием случайного обратного транскрибирования вирусной матричной РНК и включения продукта транскрипции в геном с помощью ферментативных механизмов ретровирусов или ретротранспозонов. Этот процесс представляется наиболее вероятным, если в геном включается целая последовательность мРНК. Инициация обратной транскрипции LINE-элемента генома, подвергающегося ретротранспозиции, происходит на полиаденилатном конце транскрипта LINE-элемента. Представляется вполне вероятным, что большое количество транскриптов вирусной мРНК, которые тоже содержат полиаденилатные последовательности, может воспользоваться этим механизмом и включиться в геном так же, как мобилизованный LINE-элемент. Неспецифические случайные или аберрантные негомологичные рекомбинации также могут способствовать включению вирусных последовательностей в геномы хозяина.