Когда б вы знали, из какого сора...
Бывает, станет любопытно, что и как в живом мире устроено. Прочтешь статью, залезешь в энциклопедию — и чаще всего поразишься изяществу, с которым Природа решает разные задачи. Воистину, будто невидимая рука управляла созданием живых организмов. Что ж, если вы проявите интерес к устройству человеческого генома, то привычной простоты не найдете. Гены, казалось бы, самый важный элемент передающейся по наследству информации, ютятся на жалких двух процентах человеческой ДНК, в то время как большая часть генома представляет собой так называемый мусор. Соотношение впечатляет!
«Мусорные последовательности», junk sequences — ненаучное, но очень распространенное название тех участков ДНК, которые не несут генов и чья функция еще неизвестна или установлена не полностью. Но разве может так получиться в мудрой Природе: большая часть генома — отбросы? И да, и нет.
Да: В сентябре 2004 года в журнале «Nature» была опубликована удивительная работа научных групп из Объединенного института генома в Уолнат-Крик и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США). Исследователей привлек некий участок человеческой ДНК: несмотря на то что этот участок не содержит генов, он практически в неизменном виде присутствует в геномах довольно далеких родственников Homo sapiens — мышей и крыс. Пути приматов и грызунов разошлись 80 миллионов лет назад, и если бы этот участок не представлял никакой ценности, то изменения были бы куда заметней. Раз фрагмент оказался устойчивым в эволюции, значит, он зачем-то нужен. Но зачем? Чтобы разобраться в этом, ученые решили полностью удалить интересовавший их участок из мышиной ДНК и посмотреть, что же изменится. Результат оказался абсолютно неожиданным: не изменилось ничего! Мыши, полученные в ходе такого эксперимента, ничем не отличались от контрольных собратьев. Животные прошли полную диспансеризацию, были исследованы вдоль и поперек, за ними велось тщательнейшее наблюдение, но ничего существенного, что отличало бы их от обычных мышей, обнаружено не было. Это поразительно: мало того что был удален достаточно большой фрагмент ДНК, так еще и по всем косвенным признакам, которыми руководствуются ученые при планировании эксперимента, этот фрагмент должен был иметь важную функцию! А мыши и без него прекрасно себя чувствовали и давали плодовитое потомство.
Конечно, можно предположить, что важность этого участка удастся оценить только в условиях дикой природы, где мышам никто не предоставит крова и пропитания, но все же, согласитесь, есть повод задуматься.
Нет: Почему же в геноме остались ненужные участки? Неужели за миллионы лет действия естественного отбора нельзя, в конце концов, выкинуть «мусор»? Ведь копирование ДНК — энергозатратный процесс, так что копировать лишнее должно быть накладно.
Присутствие такого количества последовательностей без четкой функции можно объяснить по-разному. Во-первых, накопление «мусора» может происходить быстрее, чем уборка. Во-вторых, возможно, энергетические затраты на копирование «мусора» не столь существенны, тогда сэкономивший не получает заметного преимущества и отбор не действует. А в-третьих, мы могли поторопиться назвать эти последовательности «мусорными». И тогда нам стоит вытряхнуть мусорное ведро и повнимательней покопаться в его содержимом — не выкинули ли мы чего-нибудь важного?
Они среди нас
Взглянем поближе на одну из очень интересных групп последовательностей, относящихся к так называемому мусору. Многие и не подозревают, что в то время как человечество всеми силами пытается избавить себя от вирусов, враг уже преспокойно расположился в самом нашем геноме. Причем вирусы имеют в человеческой ДНК весьма солидное представительство — они занимают около 8% всей ДНК, так что, можно сказать, человек произошел не только от обезьяны, но и в какой-то мере от вируса.
Вирусы, содержащиеся в геноме, называются эндогенными, то есть внутренними, ретровирусами (ЭРВ). Они относятся к группе ретровирусов, получившей свое имя за способность поворачивать вспять процесс транскрипции. До того как был изучен жизненный цикл этого типа вирусов, предполагалось, что единственное возможное направление к передачи генетической информации — ДНК → РНК → белок. Тем не менее ретровирусам удается развернуть первый этап этой схемы в обратном направлении.
В отличие от всех клеточных организмов, у ретровирусов наследственная информация хранится в виде РНК, а не ДНК. При заражении РНК попадает в клетку, где вирусный фермент считывает с нее ДНК-копию генома. Получившийся ДНК-фрагмент затем встраивается в клеточную ДНК, после чего вирус становится полноправной ее частью (такая вирусная последовательность, встроенная в клеточную ДНК, называется провирусом). Теперь если клетка поделится, то каждый ее потомок будет содержать копию провируса.
Помимо эндогенных, в группу ретровирусов входят также экзогенные вирусы, из которых наиболее известен вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), ассоциированный с синдромом приобретенного иммунодефицита (СПИД).
Эндо- и экзогенные ретровирусы имеют разные стратегии распространения. Экзогенные ретровирусы инфицируют соматические (неполовые) клетки зараженных особей. В этом случае провирус передастся потомству клетки, в которой он оказался, но не потомкам организма. ЭРВ, напротив, некогда удалось заразить именно половые клетки, в результате чего они прочно закрепились в геноме. За многие миллионы лет, прошедшие с момента внедрения в геном человека ЭРВ, большинство из них полностью утратило активность. Многие ослабли в результате мутаций, многие потеряли фрагменты генов или даже все гены. Только характерные для ретровирусов мотивы ДНК напоминают о воинственном прошлом прародителей ЭРВ.
Нам довелось стать свидетелями распространения ВИЧ в XX веке. Но это далеко не первая ретровирусная эпидемия в истории нашего вида. Многочисленные вкрапления вирусных генов в человеческой ДНК говорят о том, что вторжение ЭРВ началось десятки миллионов лет назад. Самый молодой из обнаруженных ЭРВ — вирус HERV-K113. Он был выявлен у 29% населения Земли, в основном у жителей Африки, Азии и Полинезии. География распространения HERV-К113 говорит о том, что этот вирус проник в популяцию позднее последней массовой миграции из Африки, произошедшей менее 200 000 лет назад. Этого времени оказалось недостаточно для полного угасания вирусной функции — HERV-K113 в небольшой степени сохраняет способность к горизонтальной передаче.
В здравии...
Итак, теперь мы знаем, что на 8% состоим из вирусов, ну и что нам с того? Хорошо это или плохо?
ЭРВ присутствуют в нас с момента зачатия и, как вы увидите, имеют непосредственное отношение к самому факту нашего появления на свет. Забегая вперед, скажу, что ученые нашли множество свидетельств тому, что плацента имеет вирусное происхождение.
Отвлечемся на минуту от вирусов, чтобы совершить небольшой экскурс в физиологию. Плацента представляет собой довольно занятное образование. Клетки плаценты сливаются между собой, образуя как бы одну большую многоядерную клетку, так называемый синцитий (от греч. syn — вместе и cytos — клетка). Плацента выполняет ряд важных функций, среди которых снабжение питательными веществами и вывод продуктов метаболизма, газообмен и секреция ряда гормонов, необходимых для нормального протекания беременности.
Кроме того, плацента обладает свойством подавлять иммунитет. Что же в этом хорошего? Если посадить занозу и должным образом не обработать рану, начнется воспаление — нормальная реакция на вторжение чужеродного объекта. А теперь представьте себе чужеродный объект, находящийся в организме в течение девяти месяцев и достигающий к концу этого срока размера в среднем более трех килограммов!
Именно плацента разделяет мать и плод, защищая мать от развития воспаления, а плод — от вредоносных агентов материнской крови.
Только плацентарный барьер между организмами матери и ребенка позволяет плоду расти и развиваться в стабильном климате. В материнской утробе всегда постоянная температура, питательные вещества не кончаются, продукты обмена не накапливаются и кислорода всегда хватает — здесь можно и задержаться! Задержаться достаточно, чтобы успел развиться сложно устроенный головной мозг — признак, типичный для плацентарных животных. Чтобы очень грубо оценить возможности плаценты, сравните рекордный для птиц инкубационный период у альбатросов — 70–80 дней, с беременностью слонихи — 660 дней!
Выделим два главных для нас сейчас пункта: во-первых, плацента состоит из слившихся клеток, а во-вторых, обладает способностью подавлять иммунитет. Такая ситуация удивительным образом напоминает действие одного из ретровирусных белков — env (от англ. envelope — оболочка). Вирусы, разумеется, используют env отнюдь не для сохранения здоровья матери и ребенка. Подавление иммунитета позволяет им долго оставаться безнаказанными, а заставляя клетки сливаться, вирус расширяет свою производственную базу, поскольку может использовать ресурсы всего синцития.
Обнаружение вирусоподобных частиц в плаценте стало научной сенсацией. Оказалось, что ЭРВ можно найти в плаценте самых разных животных. Но что особенно интересно, в экспериментах на мышах было показано, что если подавить активность ЭРВ, то вынашивание невозможно.
Первым активным ЭРВ, выявленным в тканях человеческой плаценты, был вирус ERV-3. В 1996 году группа ученых Упсальского университета в Швеции под руководством Эрика Ларссона выяснила, что в крови каждой третьей беременной женщины имеются антитела к белку оболочки ERV-3, которые после родов исчезают. Это значит, что белок присутствует в организме только в период беременности. Вскоре после этого в культуре была доказана способность вирусного белка вызывать слияние клеток, подобное тому, что происходит при образовании плаценты. Но радость ученых длилась недолго. Уже в 1998 году французские ученые Натали де Парсеваль и Тьерри Хайдманн выяснили, что примерно у одного процента людей европеоидной расы ген envy ERV-3 содержит мутацию, препятствующую образованию функционального белка. Все эти люди ни за что не появились бы на свет, если бы наличие белка оболочки ERV-3 было единственным условием возникновения плаценты.
К счастью, в 2000 году одновременно группами Джона Мак-коя в США и Франсуа Малле во Франции это противоречие было разрешено. Удалось обнаружить другой ЭРВ, активный в плаценте человека, — его назвали HERV-W. Белку оболочки HERV-W было присвоено имя синцитин, поскольку его функция связана с образованием синцития. Если поломка гена env ERV-3 не приносила заметных осложнений, то недостаток синцитина может оказаться опасным: как выяснилось, он наблюдается при некоторых патологиях беременности, например при преэклампсии (это довольно опасное осложнение связано с нарушением функции сосудов, сопровождается отеками и повышением артериального давления). В 2003 году список ЭРВ, вовлеченных в образование плаценты, пополнился еще одним вирусом — HERV-FRD.
Другой пример сотрудничества — ЭРВ борется с себе подобными, тем самым защищая от них хозяина. Если один вирус уже проник в клетку, то он, как правило, старается не допустить повторного заражения, чтобы не пришлось делиться ресурсами. В 1996 году была опубликована работа, доказывающая, что ЭРВ могут защитить клетку от ретровирусной инфекции. Британские ученые обнаружили, что клетки мышей, содержащие ЭРВ ERV-L, устойчивы к заражению вирусом лейкемии мышей. А уже известный нам вирус HERV-W защищает клетки человека от вируса некроза селезенки.
На этих примерах видно, что за долгие миллионы лет сосуществования вирусного и человеческого генома между ними могут сформироваться партнерские отношения. С одной стороны, вирус сохраняет часть своей активности, с другой стороны, организм учится обращать вред во благо. Полезная функция, привносимая вирусом и дающая организму преимущество, закрепляется и поддерживается в процессе отбора. Поэтому если сравнить, например, ЭРВ различных приматов, вовлеченные в образование плаценты, можно увидеть, что их последовательности похожи друг на друга: в результате отбора они как бы законсервировались. А вот ЭРВ, не нашедшие своей ниши в организме, изменяются со временем куда сильнее. Мутации, накапливающиеся миллионы лет, в конце концов полностью лишают их активности, но это проходит для организма незаметно.
...и в болезни
На радостной картине одомашнивания вирусов и хотелось бы остановиться. Но к сожалению, взаимовыручка и кооперация никогда не были характерными для вирусов признаками. В конце концов, вирусы — враждебная нам форма жизни, и, внедряясь в геном, вирус в наименьшей степени стремится принести пользу человечеству, поэтому результаты его деятельности могут быть самыми разными.
Слияние геномов ретровируса и хозяина происходит в случайном месте. Это означает, что вирус может расположиться посередине какого-нибудь гена. Подобного рода события, несомненно, имели место, и не раз, в процессе образования современного генома человека. К каким последствиям это может привести, известно на примере ближайших собратьев ЭРВ — экзогенных ретровирусов. Внедряясь в гены, регулирующие клеточное деление, такие вирусы могут вызывать несанкционированное размножение клеток и образование опухолей (считается, что около 20% раковых опухолей спровоцированы инфекциями).
Кроме того, появление провируса может оказывать влияние на работу близлежащих генов. В состав провируса входят последовательности, регулирующие активность транскрипции вирусного генома, которые могут распространить свое влияние и на клеточные гены. Самый яркий пример такого события — активация гена амилазы в слюнных железах приматов. Амилаза — это пищеварительный фермент (кстати, первый из открытых ферментов), который расщепляет крахмал. У всех млекопитающих ген амилазы активен только в поджелудочной железе, а вот у приматов, и у человека в том числе, за счет того, что ЭРВ вмешался в регуляторную область гена, амилаза стала выделяться также в слюнных железах — это позволяет начать расщепление крахмала уже в ротовой полости.
Поскольку последовательности ретровирусов схожи, между ними может происходить рекомбинация — процесс, меняющий геном гораздо сильней, чем точечные мутации. Считается, что многократное заражение ЭРВ сыграло значительную роль в реорганизации генома.
Вызывают ли ЭРВ болезни подобно своим свободноживущим собратьям? Сформулировать подробный и однозначный ответ пока невозможно, но, скорее всего, он окажется положительным. Что же за болезни могут вызвать вирусы, которые всегда с нами? На этот счет есть интересное соображение, связывающее способ заражения с типом заболевания. Может ли вирус, чей способ заражения состоит в передаче по наследству, вызывать быструю гибель хозяина? Нет, потому что хозяин должен успеть повзрослеть и оставить больное потомство. Вызывать молниеносную смерть могут позволить себе только очень заразные возбудители, которым для распространения не требуется мобильность носителя. Так, например, холерный вибрион распространяется через зараженную воду. Вода выполняет все транспортные функции, доставляя бактерию к новой жертве. А вот тем вирусам, которым требуется некая активность со стороны больного, придется держать себя в узде. Вирус гриппа выждет, пока его жертва еще денек сходит на работу, невзирая на небольшой насморк, ВИЧ затаится, пока носитель не передаст его половым путем, а ЭРВ, следуя этой логике, должны скрываться еще дольше, вызывая только медленно развивающиеся болезни, болезни, которые не должны помешать носителю размножаться. Таких относительно поздно появляющихся болезней довольно много, и в данный момент ЭРВ подозреваются в сопричастности, по крайней мере, к десятку из них.
Ученые, занимающиеся теми многофакторными болезнями, которые на данный момент наиболее активно исследуются, рано или поздно натыкаются на присутствие ЭРВ в тканях больных людей. Следы активации ЭРВ были найдены у страдающих сахарным диабетом, рассеянным склерозом, шизофренией, системной красной волчанкой, различными видами раковых заболеваний. Улики вроде бы есть, но в каждом случае их недостаточно, чтобы доказать, что пробуждение ЭРВ было именно одной из причин, а не следствием болезни.
Интересно отметить, что в случае рассеянного склероза подозреваемым выступает уже известный нам синцитин. Получается, что белок, без которого невозможно появиться на свет, впоследствии может оказаться губительным. Выходит, что выгода от использования синцитина для регуляции образования плаценты перевесила возможные отдаленные негативные проявления — таков своеобразный компромисс между человеком и ЭРВ. Этот пример показывает, как в результате совместной эволюции система «организм — паразит» приходит в равновесие. Однако не надо забывать, что всегда есть опасность нового заражения. Так, например, бурно развивающееся направление в хирургии — пересадка пациентам органов животных (ксенотрансплантология) — может привести к передаче человеку чужих ЭРВ, которые, смешавшись с человеческими, в один прекрасный момент образуют новые вирусы с новой симптоматикой и спектром хозяев.
Итак, мы начали с того, что ЭРВ — один из типов последовательностей, относящихся к «мусорной» ДНК. На первый взгляд таковой они и кажутся, но, согласитесь, в свете всего вышесказанного называть ЭРВ мусором совсем несправедливо. Да, роль ЭРВ в эволюции и их функции пока не изучены в полной мере (что верно и для других подтипов «мусорных» последовательностей, которые здесь не рассматривались), но можно сказать наверняка, что нам еще многое предстоит узнать об этой группе вирусов, ставшей одним целым с геномом. Отношения между человеком и ЭРВ можно назвать запутанными, но речь здесь не о результате, а о процессе. Эволюция человеческого генома продолжается, и ЭРВ вносят в нее тот элемент случайности, который может и погубить вид, и вывести его на новый уровень развития.