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

Фрагменты вирусных ДНК, не имеющие функций, должно быть, чрезвычайно редко выживают в виде аллелей в своих новых хозяйских популяциях и еще реже чисто случайно фиксируются в популяции хозяина. Существование таких фрагментов древней, имеющей вирусное происхождение ДНК свидетельствует, что, несмотря на отсутствие полезных функций (во всяком случае, в настоящее время), некоторые такие фрагменты выжили в геноме хозяина. Эти фрагменты являются полезными генетическими маркерами для эволюционных биологов, потому что не имеющие функций нуклеотидные последовательности просто пребывают в геномах хозяев, подвергаясь нейтральному мутационному дрейфу и разрушению со скоростью, характерной для эволюционных часов генома-хозяина. В геномах позвоночных можно ожидать, что частота нуклеотидных замен в таких нейтральных ДНК будет соответствовать постоянной скорости эволюционных изменений с течением времени. Одновременно со знанием о геномах филогенетически родственных видов становится возможным определить дату, когда вирусная ДНК проникла в геном самого недавнего из общих предков. Эти данные подтверждают, что многие вирусные фрагменты в геномах хозяев происходят от весьма древних вирусных геномов. При изучении сорока восьми видов позвоночных Белый, Левин и Скалка (2010a, b) обнаружили у девятнадцати видов позвоночных восемьдесят ЭВЭ, родственных циркулирующим в настоящее время вирусам, содержащим одноцепочечную РНК с негативной полярностью. Эти геномные фрагменты датируются временем около 40 миллионов лет назад. Филогенетическое сравнение последовательностей ЭВЭ с таковыми современных вирусов показало, что древние последовательности образуют единый кластер, но, несмотря на это, не являются монофилетическим таксоном, который эволюционировал в циркулирующие в наше время вирусы. Другими словами, сегодняшние вирусы не являются прямыми потомками вирусов, циркулировавших 40 миллионов лет назад. Фрагменты вирусных геномов в ДНК позвоночных являются подлинными ископаемыми остатками давно вымерших вирусных линий, которые сравнительно недавно были заменены современными линиями.

Это действительно убедительное наблюдение, но, точно так же как лишенные функций фрагменты нуклеотидных последовательностей рассказывают нам историю древних вирусов, некоторые ЭВЭ содержат более длинные последовательности, кодирующие работающую информацию. Некоторые из этих элементов не разрушаются мутациями с той скоростью, какую можно ожидать от нейтральных последовательностей; они сохранены, как открытые рамки считывания до наших дней. Эволюция пользуется случайными событиями, но, например, в случае приручения генов ЭРЭ вероятность того, что такая последовательность сохранит свою функцию на протяжении столь длительного промежутка времени, пренебрежимо мала, если только состав последовательности не находится под постоянным и сильным давлением отбора. Эти фрагменты должны оказывать хозяину важные услуги (по меньшей мере, когда-то в прошлом и в течение длительного времени), настолько важные, чтобы определяющие их гены были сохранены очищающим естественным отбором.

Самые заметные из этих ЭВЭ геномов позвоночных происходят из одноцепочечных РНК-содержащих вирусов с РНК негативной полярности и чаще всего от вирусов двух порядков Mononegavirales: борнавирусы, а также эболавирусы и марбургвирусы. Каждый из этих вирусов может вызывать летальное заболевание у некоторых видов позвоночных. Борнавирусы не патогенны для человека, но вызывают смертельные неврологические заболевания у таких восприимчивых животных, как овцы, лошади и коровы; вирус Эбола вызывает геморрагическую лихорадку у человека, но практически безвреден для летучих мышей, которые, как считают, являются его природным резервуаром.

Происходящие из борнавирусов ЭВЭ широко распространены в геномах млекопитающих во всех регионах мира. Белый и его коллеги нашли их у животных тринадцати видов, и чаще всего эти ЭВЭ содержат последовательности, происходящие из гена вирусного нуклеокапсида. Последовательности, родственные вирусу Эбола и вирусу Марбург, были обнаружены у шести видов; они происходят из двух вирусных генов гена нуклеопротеина и кофактора полимеразного комплекса (VP35). Авторы отметили, что эти последовательности часто включаются в геном в результате множества независимых событий, происходящих на протяжении длительных периодов времени по ходу эволюции. Это, несомненно, еще одно указание на то, что включенный генетический материал предоставлял хозяину существенное конкурентное преимущество. Авторы исследования предложили правдоподобную и привлекательную гипотезу, объясняющую консервацию этих древних вирусных последовательностей в геномах позвоночных. Экспрессия этих белков на клеточной поверхности может сообщить хозяину резистентность к вирусной инфекции, аналогично ограничивающему фактору Fv1 у мышей. Тот гомолог ретровирусного гена, gag, заимствованный из вирусного генома, защищает хозяина за счет физического взаимодействия с ретровирусным капсидом, содержащим gag. Фрагменты белков, подобных белкам борнавируса, вируса Эбола и вируса Марбург, экспрессированные в клетках, образуют субдомены вирусных белков, которые выступают в виде многомерных белковых ансамблей в инфицированных клетках. Возможно, что белки, экспрессируемые ЭВЭ, будут вести себя сходным образом, но не будут идентичны гомологу, экспрессируемому инфицирующим вирусом. Эти несовпадающие белки могут нарушать функции нативных вирусных белков, что и приводит к противовирусному защитному эффекту. Если каменщику поднесут кирпичи и некоторые из них будут отличаться от остальных формой и размером, то при кладке будет нарушена конструкция стены и ее эстетика. Такими кирпичами могут стать продукты генов ЭВЭ. То, что некоторые ЭВЭ действуют как ограничивающие активность вируса белки, является привлекательным объяснением их столь длительного сохранения в геномах хозяина на протяжении многих миллионов лет. Эта концепция подкрепляется тем фактом, что ЭВЭ распространены в геномах самых разнообразных видов позвоночных. Убедительная корреляция выявляется между обладанием ЭВЭ и резистентностью к патогенам. У коров и лошадей ЭВЭ борнавирусного происхождения отсутствуют, и эти виды восприимчивы к смертельно опасным инфекциям, но в то же время инфицирующие нас борнавирусы не вызывают у нас видимых симптомов заболевания. Точно так же приматы, не обладающие родственными эндогенными последовательностями, уязвимы по отношению к вирусам Эбола и вирусам Марбург, но у резистентных летучих мышей эти последовательности в геномах есть. Не являемся ли это объяснением резистентности летучих мышей к заболеваниям, вызываемым вирусами Эбола?

Косвенное подкрепление этой концепции было найдено в недавних исследованиях эндогенных борнавирусных элементов (EBLs) в геноме тринадцатиполосного суслика (Fujino et al., 2014). Кан Фуджино и его сотрудники сосредоточились на борнавирусном элементе суслика; этот элемент транскрибируется в мРНК, которая содержит открытую рамку считывания, кодирующую белок, 77 % аминокислотной последовательности которого совпадает с нуклеопротеином современного патогенного борнавируса. Такая консервативная последовательность в эндогенном борнавирусном элементе привела авторов к мысли о том, что это на самом деле включенный в геном вирусный ген, сохранивший свою функциональность в ходе эволюции. Ученым удалось экспрессировать клонированную копию эндогенного борнавирусного элемента суслика в инфицированной борнавирусом клетке и подавить репликацию вируса. Элемент включился в комплекс вирусного рибонуклеопротеина и подавил репликацию вирусной РНК. Механизм действия, скорее всего, обусловлен гетеро-мультимеризацией с нуклеопротеином нативного патогенного борнавируса, которая инактивирует комплекс. Эндогенизация этой вирусоподобной последовательности обеспечивает защиту суслика от инфицирования родственными экзогенными вирусами. Представляется вполне правдоподобным, что эндогенные филовирусоподобные элементы летучих мышей являются консервативными факторами, защищающими летучих мышей от родственных вирусов, и делают дикую популяцию летучих мышей естественным резервуаром вирусов геморрагической лихорадки, которая периодически вспыхивает в виде локальных эпидемий среди людей и других приматов.