Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.24 января 2020 года, Гессен, Марбург: Вирусолог Сандро Халбе просматривает электронно-микроскопическое изображение коронавируса MERS, близкого родственника нового коронавируса, на компьютерном мониторе в исследовательской лаборатории Института вирусологии при Университете Филиппа в Марбурге, где занимаются разработкой вакцины против патогена легких. Arne Dedert/dpa

Вирус – это неклеточная форма жизни, считают биологи. По другой версии, менее популярной среди ученых, вирус – это набор генетической информации, или программа, окруженная защитной оболочкой.

Наличие генома, наследственность и способность эволюционировать роднят вирус с существами, состоящими из клеток. Но, в отличие от бактерий, которые являются клеточными организмами, вирусы не могут синтезировать белки, запасать или использовать энергию.

Они могут только размножаться в клетке хозяина, используя ее белковые и энергетические ресурсы. Самостоятельно, вне чужой клетки, вирус воспроизводиться не может.

При этом способ размножения отличает вирусы от всех остальных живых организмов на планете. Клетки делятся, а у вируса происходит «сборка» или «самоорганизация». Когда вирусный геном попадает в клетку, белок и нуклеиновая кислота для новой вирусной частицы формируются отдельно, а потом они объединяются.

Самопроизвольную «сборку» вирионов (полноценных, «взрослых» вирусных частиц) из белков и РНК открыли американский биохимик Хайнц Френкель-Конрат и вирусолог Робли Вильямс. Они продемонстрировали этот процесс научному сообществу в 1955 году.

Некоторые вирусы даже проникают в клетку в виде отдельных частиц, в которых содержатся фрагменты генома, рассказал вирусолог Виктор Жданов в книге «Эволюция вирусов». Такой вирус проявляет свои инфекционные свойства лишь тогда, когда в клетку попадает полный набор его частиц. Причем количество этих частиц может доходить до 28, как у некоторых вирусов, поражающих насекомых.

Вирусы открыли благодаря табаку

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.Модель клетки вируса ящура. Геннадий Попов/Фотохроника ТАСС

Основателем вирусологии считается российский ученый Дмитрий Ивановский. В 1892 году он опубликовал статью на немецком языке, где рассказал о своих экспериментах.

Пытаясь выяснить причину заболевания табака, он процеживал сок зараженных растений через керамический фильтр, предназначенный для бактерий. Не обнаружив патогенных микроорганизмов таким способом, ученый предположил, что имеет дело с мельчайшим инфекционным агентом, который не виден в световой микроскоп и проходит через фильтр для бактерий.

  • В конце XIX – начале XX века гипотеза Дмитрия Ивановского была подтверждена, а потом один за другим были открыты вирусы животных (ящур, в 1898 году), людей (желтая лихорадка, в 1901 году) и бактерий (в 1915 году).
  • Но увидеть вирусы биологам удалось только в 1939 году, благодаря электронному микроскопу.
  • Классификацию вирусов, во многом применяемую до сих пор, разработал в 1971 году американский биолог, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор.

Буквально за последние 20 лет вирусологами были сделаны новые важнейшие открытия. В центре внимания ученых оказался, в частности, виром (совокупность всего вирусного генетического материала в том или ином объекте окружающей среды, например, в килограмме морских отложений).

«Гигантская генетическая сеть» и «темная материя» из вирусов

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.«Свечение» вируса под электронным микроскопом. Юрий Артеменко/YAY/TASS

«Изучение виромов принесло большие неожиданности, – пишет биолог Евгений Кунин, ведущий научный сотрудник Национального центра биотехнологической информации Национальной медицинской библиотеки США. – Первой оказалась сама концентрация вирусных частиц. Поразительно, но, по крайней мере, в морской среде вирусы… оказались наиболее распространенной из биологических форм».

«Вторая крупная неожиданность – это огромное генетическое разнообразие виромов», – добавляет он. Оказалось, что биологический материал, взятый учеными для исследований, состоял в основном из «редких и уникальных генов», причем в «непредвиденных композициях».

На протяжении последних ста лет существовало три основных гипотезы происхождения вирусов: 1) из неких «первичных» генетических элементов; 2) в результате дегенерации клеток; 3) в результате «бегства» отдельных композиций генов из клеток.

В начале XXI века биологи выяснили, что большинство вирусов содержит гены, отсутствующие у клеточных организмов. Это поставило под сомнение гипотезы, согласно которым вирусы «сбежали» из клеток или возникли из-за их «дегенерации».

В последние годы появилась концепция «мира РНК», или «мира вирусов», предшествовавшего «миру клеток». Противники этой идеи задают вопрос: как паразит мог появиться раньше хозяина? Но, согласно гипотезе Евгения Кунина, первые вирусы возникли в неорганических «суррогатах» клеток.

«Мир вирусов» – это гигантская генетическая сеть, в которой гены перемешиваются и «подгоняются» друг к другу, в результате чего возникают вирусные геномы, пишет ученый в своей книге «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции».

Генетические фрагменты неизвестной природы, численно преобладающие в виромах, некоторые авторы называют «темной материей». Это материал для дальнейшей эволюции клеточных организмов, предположил Вадим Агол, член-корреспондент РАН и РАМН, главный научный сотрудник Института полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П.Чумакова.

«Морской слизень обзавелся генами водорослей»

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.СССР. Москва. Июнь 1962 г. Директор Института вирусологии имени Д.И. Ивановского Академии медицинских наук СССР Виктор Михайлович Жданов. Лев Портер/ТАСС

«Путешествуя» от одного хозяина к другому, вирусы способны переносить генетическую информацию между совершенно неродственными существами. «Благодаря вирусному переносу один морской слизень обзавелся генами водорослей и теперь, весь из себя такой зеленый, живет за счет фотосинтеза», – рассказал профессор биологического факультета МГУ Андрей Журавлев в интервью «Комсомольской правде».

Впервые горизонтальный перенос генов (когда генетический материал передается не потомку) был описан в 1959 году. Тогда ученые продемонстрировали передачу резистентности к антибиотикам между разными видами бактерий, говорится в статье на научно-популярном сайте «Биомолекула».

  1. Обмен готовыми блоками генетической информации происходит в природе «в широких масштабах», он не является чем-то редким и исключительным, пишет Виктор Жданов.
  2. При этом вирусы не только «делятся» генами между собой и с хозяевами, но и заимствуют генетическую информацию из клеток, особенно это характерно для крупных бактериофагов.
  3. Но как бы интенсивно ни обменивались генетической информацией паразит и клетка, вирусы всегда происходят от вирусов.
  4. А в результате обмена «запасными частями» между различными видами вирусов могут возникать новые опасные формы возбудителей заболеваний.

Вирус «учит» тлю есть «правильный» ячмень

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.Лабораторные исследования комаров вида Aedes, передающих вирус Зика. Felipe Dana/AP/TASS

«Взаимоотношения» вирусов со своими хозяевами могут быть весьма многоплановыми. Иногда паразиты даже приносят пользу. Например, существует трава, произрастающая в жарком климате, которая становится особенно устойчивой к высоким температурам, если заражена определенным вирусом.

Порой вирус может каким-то образом влиять на поведение хозяина. Тля, которая переносит вирус желтой карликовости ячменя, предпочитает питаться зараженными растениями, если в ее организме еще нет этого вируса.

А если вирус уже есть, то тля питается здоровым ячменем. Получается, что паразит «учит» тлю есть те растения, которые нужны для его размножения.

Длительное сосуществование вируса с определенным хозяином приводит к снижению его патогенности. А переход  к другому виду может сделать вирус более опасным.

«Например, вирус гриппа довольно безобиден для диких птиц, коронавирус – для летучих мышей, а ВИЧ – для обезьян», – отметил Вадим Агол во время открытой лекции, прочитанной в МГУ в 2013 году.

В целом, нет ни одного живого существа, которое избежало бы заражения. Даже у динозавров были обнаружены уплотнения костной ткани, вызванные вирусным заболеванием.

«Пятая колонна» внутри ДНК человека

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.17.03.2020. Россия. Москва. Образцы ДНК во время подготовки к исследованию – поиску патогенных мутаций – в лаборатории ДНК-диагностики Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Бочкова. Иван Юдин/ТАСС

«Человеческий геном на 9% состоит из компонентов, которые достались нам от вирусов», – рассказал Андрей Журавлев. По другим оценкам, более половины генома млекопитающих – вирусного происхождения.

«В геном интегрировались только те вирусы, которые обладали механизмом обратной транскрипции, то есть умели из РНК делать ДНК», – объяснил в интервью РИА Новости заведующий лабораторией геномной инженерии МФТИ, вирусолог Павел Волчков.

То есть РНК-содержащий вирус проникал в клетку, создавал ДНК-содержащую частицу, которая встраивалась в геном и оставалась там на века. Вирусы, способные на такую трансформацию, называются ретровирусами.

Датские исследователи обнаружили, что частью ретровирусов, некогда «прижившихся» в организме человека, являются гены ENVV1 и ENVV2. Они управляют слиянием клеток при формировании плаценты, защищают эмбрион от иммунной системы матери и от «посторонних» ретровирусов.

Читайте также:  Ниаспам или таблетки 200 мг - инструкция по применению, формы выпуска, аналоги и отзывы

Другой встроенный в ДНК человека ретровирус, как выяснили российские ученые, регулирует активность гена PRODH, необходимого для нормального функционирования центральной нервной системы. Мутации этого гена «связывают с риском развития шизофрении и других психических нарушений», пишет автор исследования Мария Сунцова.

Впрочем, ретровирусы, разместившиеся внутри ДНК человека, далеко не всегда «дружелюбны». В случае «вторжения» других ретровирусов они могут предоставлять им ферменты, необходимые для жизненного цикла, к такому выводу в 2008 году пришли ученые из Гарвардской медицинской школы и Института Говарда Хьюза.

А если в организм человека попадает ВИЧ, иммунная система «помогает» патогену проникнуть в клетку, вместо того чтобы атаковать его.

По мнению микробиолога Михаила Супотницкого, ретровирусы произошли от ретро-элементов, которые «участвовали» в формировании защитных механизмов позвоночных. Поэтому иммунная система «по старой памяти» воспринимает похожие вирусы как «своих». (Мнение ученого приведено в статье на сайте «Биомолекула»)

Разница, как между слоном и кишечной палочкой

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.Снимок вируса COVID-19, сделанный Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний США в Мэриленде. ZumaTASS

Самый простой вирус состоит из нуклеиновой кислоты, в которой запечатлен геном, и окружающей ее белковой оболочки.

Вирусы делят на два больших вида, в зависимости от того, какая именно нуклеиновая кислота в них содержится: ДНК или РНК. По химическому составу они очень сложны. Например, вирус полиомиелита содержит несколько сотен тысяч атомов углерода, водорода, азота и кислорода, а также несколько тысяч атомов фосфора.

«Мир вирусов» очень разнообразен. По словам Виктора Жданова, отличия между возбудителем оспы и каким-нибудь бактериофагом «не менее значимы, чем, скажем, между кишечной палочкой и слоном».

Среди РНК-содержащих вирусов самые большие и сложные – коронавирусы. 

Патогенность микроорганизма во многом зависит от его химического состава. «На поверхности вируса гриппа есть два основных белка: гамагглютинин (H) и нейраминидаза (N). Именно по комбинации этих двух белков и называются вирусы, как H5N1», – объяснил вирусолог Ричард Уэбби в интервью журналу Nature.

«Вероятность пандемии вируса H5N1 значительно ниже, чем любого другого вируса гриппа – H1, H2 или H3, потому что H5 не так заразен для людей. Но если назвать вирус, который нам не хотелось бы встречать у людей, это будет как раз H5 из-за его высокой летальности», – добавил ученый.

Как правило, каждый вирус имеет определенную «мишень» в клеточном организме. Это определенный рецептор на поверхности клетки, к которому он может прикрепиться. Поэтому вирусу гепатита «подходят» клетки печени, а вирусу полиомиелита – нейроны.

Убийцы миллионов

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц. Anto Magzan/Zuma/TASS

Всего около 1000 известных болезней имеют вирусную природу. Вот лишь несколько примеров. Натуральная оспа, эпидемии которой опустошали Европу еще со времен Римской империи, была вызвана вирусом, возникшим в Восточной Африке 3000–4000 лет назад.

В 1905 году в Швеции началась первая крупная эпидемия полиомиелита, после чего вирус распространился и в других странах. Именно эта болезнь приковала к инвалидной коляске в 1921 году будущего президента США Франклина Рузвельта. В 1952 году в США от полиомиелита погибли 3145 человек, а парализованными остались больше 20 тысяч, пишет портал о науке Hi-News.ru.

Причиной пандемии «испанки» в 1918-1919 годах был вирус гриппа H1N1. Тогда заболели более 500 млн человек, погибли около 50 млн.

В 1957-1958 годах к пандемии привел вирус H2N2, тогда переболело от 20% до 50% населения Земли, погибли до 4 млн человек. Другой возбудитель гриппа, H3N2, вызвал пандемию 1968-1969 годов, от которой тоже погибли до 4 млн человек, пишет ТАСС.

Вирус Эбола был впервые обнаружен в 1976 году в Заире (ныне Демократическая Республика Конго). Летальность этого заболевания достигает 90%. Эпидемия 2013-2016 гг. привела к смерти 11,3 тыс. человек в Гвинее, Сьерра-Леоне и Либерии.

«Гонка вооружений» на клеточном уровне

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.Микробиологическая модель вируса СПИДа. YAYTASS

Когда вирусы попадают в организм, уже в слизистой оболочке (например, носа) часть из них поглощают иммунные клетки, макрофаги. Те вирусы, которые успевают проникнуть в кровь, атакуются другими иммунными клетками – B-лимфоцитами. Часть пораженных вирусом клеток уничтожается еще одной разновидностью «бойцов» иммунной системы – Т-киллерами.

Одновременно в других зараженных клетках вырабатываются специальные белки – интерфероны, которые блокируют работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая паразиту размножаться.

Как бы то ни было, клетки хозяина могут бороться с вирусом, только нарушая собственный обмен веществ или структуру. «Все защитные реакции клетки ведут к самоповреждению», – подчеркнул Вадим Адол.

В ответ на реакцию организма в вирусе нарастает аналогичная активность, тоже направленная против клетки. Результат этой разрушительной активности вируса во многом похож на действие врожденного иммунитета – в частности, происходит угнетение синтеза белков.

  • Противостояние вируса и иммунной системы некоторые биологи сравнивают с «гонкой вооружений».
  • «Множественные, многослойные системы защиты составляют существенную часть геномов всех клеточных организмов… с другой стороны, взлом защиты – одна из основных функций генов у вирусов с большими геномами», – отметил Евгений Кунин.
  • Система «паразит – хозяин» постоянно эволюционирует, потому что иммунная система развивает новые защитные механизмы, а вирус – способы их «взлома», добавил он.

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц

Образование зрелых вирионов стало рассматриваться как завершающий этап цикла репродукции вируса, определяемый вирусным геномом.

Некоторые гены вирусов кодируют синтез вирусспецифических белков, из которых формируется капсид, заключающий внутри себя вирусный геном.

У некоторых вирусов капсид покрывается оболочкой, по составу и строению сходной с клеточными мембранами, но содержащей также и некоторые вирусспецифические белки.

Несмотря на простоту организации, вирусы отличаются от животных и растений большим разнообразием генома. Животные и растения содержат одновременно две формы нуклеиновой кислоты: двухцепочную ДНК и одноцепочную РНК.

Вирусы содержат только одну форму нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК, которые могут быть представлены одно- или двухцепочными молекулами. В случае с РНК-содержащими вирусами вся генетическая информация содержится в РНК, что является уникальным явлением в биологии.

Все вирусы животных, за исключением ретровирусов, гаплоидны, т.е. содержат наследственную информацию в одном экземпляре.

Вирусные ДНК или РНК могут иметь линейную или кольцевую форму.

Геном РНК-содержащих вирусов может быть представлен одной единой молекулой или молекулой, разделенной на 2—12 фрагментов (фрагментированный геном), а также двумя идентичными молекулами нуклеиновой кислоты (диплоидный геном). Вирусы также значительно различаются между собой по стратегии реализации генетической информации и репродукции вирусных частиц.

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.

Вирусные нуклеиновые кислоты реплицируются с помощью полимераз, которые синтезируются в инфицированной клетке и кодируются вирусным геномом или привносятся в клетку в виде вирионных компонентов. В некоторых случаях в процессе репликации вирусного генома принимают участие предсуществующие клеточные полимеразы.

Репродукция вирусов состоит из репликации вирусного генома с образованием многочисленных копий родительской ДНК или РНК и индуцированного ими синтеза вирусных белков.

Из вновь синтезированных вирусных компонентов путем самосборки формируются вирусные частицы (вирионы).

В основе самосборки вирусных частиц лежит процесс, связанный с уменьшением свободной энергии системы, ибо упорядоченный капсид обладает меньшей свободной энергией, чем вирионные пептиды.

Самосборка вирусных частиц, как и всякий процесс, ведущий к уменьшению свободной энергии системы, протекает самопроизвольно.

Строгая упорядоченность в формировании капсида является следствием взаимодействия вирусной нуклеиновой кислоты и вирионных полипептидов с образованием максимального количества стабильных нековалентных связей между субъединицами.

Нуклеиновая кислота (вирусный геном) выполняет роль морфопоэтического фактора, направляющего процесс самосборки в сторону образования капсида и формирования вирусных частиц.

Если попытаться расположить вирусы по степени их сложности в гомологичный ряд, то они, по существу, могут легко заполнить пропасть между неживой органической материей и клеточными формами жизни.

В самом начале этого ряда будут стоять простые минимальные вирусы, состоящие только из белка и нуклеиновой кислоты одного типа (ДНК или РНК). Далее следуют сложные вирусы, содержащие кроме этого углеводы и липиды.

За ними следуют одноклеточные микроорганизмы — хламидий, в составе которых, как и у клеточных форм жизни, присутствуют одновременно оба типа нуклеиновой кислоты и имеется рибосомальный аппарат.

Наконец, группа хламидий плавно смыкается с другими одноклеточными микроорганизмами из царства бактерий — микоплазмами и риккетсиями. Последних роднит с вирусами отсутствие собственного синтетического аппарата и облигатный внутриклеточный паразитизм.

Читайте также:  Иммунодефициты. Пациенты с иммунодефицитами. Эпидемиология иммунодефицитов.

Риккетсии всего лишь вдвое больше самых крупных вирусов. Подобно вирусам, они способны размножаться только в живых клетках. Они отличаются от вирусов более сложным химическим строением и способностью синтезировать некоторые простые питательные вещества.

Отличительные свойства мельчайших одноклеточных микроорганизмов и вирусов приведены в статьях.

— Также рекомендуем «Структура и состав вирусов. Строение вирусов и вирусных частиц.»

Оглавление темы «История вирусологии. Основы вирусологии.»: 1. Вирусология как учение о вирусах. История вирусологии. 2. Клеточные культуры в вирусологии. Начало изучения клеточных культур в вирусологии. 3. Природа вирусов. Этапы исследования вирусов. 4. Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц. 5. Структура и состав вирусов. Строение вирусов и вирусных частиц. 6. Химический состав вирусов. Вирусные геномы. Виды вирусных геномов. 7. Классификация вирусов. Современная номенклатура в вирусологии. 8. Репликация вирусов. Как размножаются вирусы? 9. Цикл размножения вирусов. Прикрепление или адсорбция вируса. 10. Проникновение вируса в клетку. Этап обнажения вирусного генома.

Предки человека заимствовали полезные гены у вирусов • Новости науки

Изучение генома вирусов. Роль открытия генома вирусных частиц.

Вирусам иногда удается встроить свою ДНК в геном половых клеток хозяина и стать постоянным наследуемым компонентом хозяйского генома. Встроенные вирусные гены обычно не приносят пользы хозяину, но бывают и исключения. Один из таких случаев произошел у предков обезьян более 43 млн лет назад. Два вирусных белка, когда-то служившие для построения оболочки вируса, с тех пор участвуют в работе плаценты у высших приматов, включая человека.

В геноме человека и других животных присутствует множество так называемых эндогенных ретровирусов (ЭРВ) — встроенных вирусных геномов. Обычные, то есть «дикие», или экзогенные ретровирусы, хранят свой наследственный материал в виде молекул РНК, упакованных в белковую оболочку.

Клетка, зараженная ретровирусом, синтезирует вирусные белки на основе инструкций, записанных в вирусной РНК. Один из этих белков — фермент обратная транскриптаза — использует вирусную РНК в качестве матрицы для синтеза ДНК.

Затем другой вирусный фермент — интеграза — встраивает эту ДНК в геном хозяйской клетки. В результате вирусный геном становится частью генома клетки и начинает размножаться вместе с ним. Такой встроенный вирусный геном называют «провирусом».

Молекулы РНК, «считанные» клеткой с провируса, становятся основой для формирования новых вирусных частиц.

До тех пор, пока всё это происходит в соматических (неполовых) клетках, вирусная инфекция не становится наследственной.

Но если ретровирусу удается проникнуть в половые клетки, у него появляется шанс стать неотъемлемой частью хозяйского генома на долгие времена.

Такие ретровирусы, встроившиеся когда-то в геном половых клеток и устойчиво передающиеся от родителей к потомкам, и называют эндогенными ретровирусами.

В большинстве случаев эти генно-инженерные эксперименты, проводимые вирусами над своими хозяевами, не приносят последним никакой пользы.

Если в череде поколений возникает мутация, портящая один из генов ЭРВ, то хозяин от этого либо выигрывает, либо, по крайней мере, ничего не теряет. Поэтому отбор не отсеивает такие мутации, что приводит к постепенной деградации ЭРВ под грузом мутаций.

В результате большинство ЭРВ в геномах животных — это неактивные вирусные геномы, находящиеся на той или иной стадии разрушения. Такие ЭРВ, очевидно, представляют собой бесполезный генетический «мусор» (junk DNA).

Иногда перед тем, как потерять активность, ЭРВ успевают размножиться внутри генома, то есть встроить множество своих копий (до нескольких сотен) в разные места хозяйских хромосом. Так возникают целые «семейства» похожих друг на друга ЭРВ.

В геноме человека большинство ЭРВ — довольно старые, они встроились в геном наших предков свыше 25 млн лет назад, еще до отделения эволюционной линии человекообразных от других обезьян Старого Света. Но есть и «молодые» ЭРВ, полученные нами уже после разделения линий шимпанзе и человека.

Среди человеческих ЭРВ пока не обнаружено ни одного активного. Все они (возможно, за немногими исключениями) уже утратили способность вести себя как настоящие вирусы, то есть заражать другие организмы.

По-видимому, они не могут уже и размножаться внутри клетки и встраиваться в другие места того же генома, то есть функционировать как ретротранспозоны (ретровирус, утративший инфекционность, но сохранивший все остальные свойства, становится, по сути дела, ретротранспозоном). Этим человек отличается от мыши, кошки и свиньи — в геномах этих животных есть молодые ЭРВ, сохранившие в той или иной мере свою вирусную активность. Впрочем, генетики уже умеют искусственно «воскрешать» инактивированные человеческие ЭРВ (см. Lee et al., 2007. Reconstitution of an Infectious Human Endogenous Retrovirus).

Постоянным читателям «Элементов» хорошо известно, что фрагменты мобильных генетических элементов (транспозонов, ретротранспозонов) в ходе эволюции иногда привлекаются для выполнения полезных функций в организме хозяина. Это называют «молекулярным одомашниванием» (см. ссылки внизу).

Поддаются ли «одомашниванию» эндогенные ретровирусы? Результаты недавних исследований позволяют ответить на этот вопрос утвердительно. Генетики из Орхусского университета (Aarhus Universitet, Дания) опубликовали в журнале BMC Evolutionary Biology новые данные, из которых следует, что вирусные гены не раз подвергались «одомашниванию», в том числе и в эволюции наших прямых предков.

Ранее было показано, что несколько генов ЭРВ человека, а именно гены белков вирусной оболочки, экспрессируются (работают) в клетках некоторых тканей, в том числе в плаценте.

В отличие от других фрагментов ЭРВ, эти гены не разрушаются под грузом мутаций — очевидно, они находятся под действием очищающего отбора (мутации, портящие эти гены, снижают приспособленность и потому отсеиваются отбором).

Для трех человеческих генов вирусного происхождения (syncytin 1, syncytin 2, EnvPb1) недавно была экспериментально показана способность инициировать слияние клеток. Белки вирусной оболочки, помимо прочего, обеспечивают проникновение вируса в клетку.

Способность этих белков нарушать целостность клеточных мембран может в некоторых случаях оказаться полезной организму — например, в ходе развития наружного слоя плаценты (синцитиотрофобласта), который образуется в результате слияния множества клеток в единое многоядерное целое.

Датские генетики обнаружили и детально изучили еще один яркий случай «одомашнивания» двух вирусных генов, которые изначально кодировали белки вирусной оболочки. Открытие было сделано 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. Это типичные гены белков оболочки ретровируса.

Каждый из них входит в состав своего ЭРВ, причем все остальные части этих ЭРВ давно выведены из строя многочисленными мутациями и вставками транспозонов.

Авторы нашли гены ENVV1 и ENVV2 и в геномах других приматов: у человекообразных (шимпанзе, орангутана), других обезьян Старого Света (макака-резуса, зеленой мартышки), а также у обезьян Нового Света — мармозетки (Marmoset) и беличьей обезьяны, или саймири (Saimiri). Однако у наших более отдаленных родственников — лемуров — этих генов нет. Сопоставив данные по нуклеотидным последовательностям генов ENVV1 и ENVV2 у разных обезьян, исследователи смогли детально реконструировать эволюционную историю этих генов.

Исходный ретровирус проник в геном наших предков и «прижился» там после того, как разделились линии обезьян и лемуров, но до того, как разошлись обезьяны Старого и Нового света, то есть между 77 и 43 млн лет назад. Новый ЭРВ вскоре подвергся двум последовательным дупликациям, и в результате получилось три одинаковых ЭРВ, расположенных по соседству на одной хромосоме.

Все участки этих ЭРВ, кроме генов белков оболочки (ENVV1, ENVV2 и ENVV3), стали постепенно дегенерировать. Ген ENVV2 приобрел в результате мутаций какое-то полезное для хозяина свойство и стал бережно сохраняться отбором. Об этом свидетельствует, в частности, резкое преобладание незначимых (синонимичных) нуклеотидных замен над значимыми в этом гене у всех обезьян.

Гены ENVV1и ENVV3, по-видимому, тоже приобрели полезные функции (возможно, это произошло еще до утроения исходного ЭРВ), но эти гены оказались не столь незаменимыми, как ENVV2. Поэтому в некоторых эволюционных линиях обезьян эти гены были либо утрачены, либо выведены мутациями из строя. В частности, общий предок человека и шимпанзе потерял ген ENVV3.

У их ближайшего родственника орангутана этот ген есть, хотя и в нерабочем состоянии. Ген ENVV1 у орангутана есть, но не работает; у человека и шимпанзе он в полном порядке. Авторы также выяснили, что между генами ENVV1 и ENVV2 в разных эволюционных линиях неоднократно происходил обмен участками (см. генная конверсия).

В результате ген ENVV2 мог передать гену ENVV1 свои полезные свойства — полностью или частично.

Весьма интересно, что у обоих видов, у которых это удалось проверить, а именно у человека и павиана, гены ENVV1 и ENVV2 работают в плаценте. Установить экспериментально, какую именно функцию они там выполняют, технически очень сложно, и авторы пока этого не сделали.

Но на основе детального анализа структуры белков, кодируемых этими генами, можно заключить, что возможных функций три:
1) управление слиянием клеток в ходе формирования наружного слоя плаценты — синцитиотрофобласта (об этом способе применения вирусных белков говорилось выше);
2) защита эмбриона от иммунной системы матери (у обоих белков есть участок, обладающий иммуносупрессивным действием — это вполне понятно, если вспомнить, что изначально они входили в состав вирусной оболочки);

3) защита эмбриона от «диких» ретровирусов. У ENVV1 и ENVV2 сохранились участки, связывающиеся с теми поверхностными белками клетки, к которым прикрепляются ретровирусы, чтобы проникнуть в клетку.

Читайте также:  Диафрагма таза. Топография диафрагмы таза. Строение диафрагмы таза.

Если к такому поверхностному белку уже прицепился белок ENVV1 или ENVV2, дикий ретровирус не может использовать его для проникновения в клетку. Этот эффект известен под названием «receptor interference».

Исследование убедительно показало, что те генетические модификации, которым нас подвергают ретровирусы, иногда могут оказаться весьма полезными.

Источник: Anders L Kjeldbjerg, Palle Villesen, Lars Aagaard, Finn Skou Pedersen. Gene conversion and purifying selection of a placenta-specific ERV-V envelope gene during simian evolution // BMC Evolutionary Biology. 2008. V. 8. P. 266.

См. также:

Вирусы — составная часть генома человека

Вирусы — составная часть генома человека

Незримая борьба между человеком и такими «внутриклеточными паразитами», как вирусы, происходила на протяжении тысячелетий. Только после обнаружения вирусов Д. И.

Ивановским в 1892 году человечество наконец-то распознало своего невидимого врага, который, проникая в клетку человека, использует все ее возможности в своих корыстных целях, тем самым нарушает нормальный метаболизм клетки и вызывает различные тяжелые патологии.

Ряд вирусов обладает способностью внедряться в геном человека и по сути становиться как бы его собственными генами. В первую очередь это относится к так называемым ретровирусам. Они так были названы по своему образу жизни. Исходно геном этих вирусов представляет собой РНК.

Но, попав в клетку, вирус на своей РНК с помощью обратной транскриптазы строит ДНК-копию (см. основную догму молекулярной биологии). После этого ДНК-копия вируса встраивается в геном клетки, что служит обязательным условием для жизненного цикла ретровируса.

Встраиваемая в геном клеток человека ДНК-копия вируса была названа провирусом. Затем на провирусе синтезируются вирусные РНК, на базе которых образуются новые вирусные частицы. Таков жизненный цикл обычного ретровируса. Так ведет себя, например, хорошо известный ретровирус, получивший название вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), когда он инфицирует клетки крови.

Казалось, что все это есть проблема отдельных инфицированных клеток. И действительно, вирусы инфицируют в основном соматические клетки. Затем вирусы и провирусы погибают вместе с теми клетками, в которых они похозяйничали. Т. е. вирусы сами подготавливают и свою собственную смерть. Однако это не всегда так происходит.

Очень редко в эволюции человека происходило инфицирование вирусами клеток зародышевого пути, образовывались провирусы, но организм выживал и внедренный провирус становился наследуемым элементом генома человека.

Так в клетке появляется «лжепрограмма» (провирус), которая изменяет геном гораздо сильнее, чем это возможно при «нормальной» эволюционной изменчивости.

Когда секвенировали геном человека и многих других млекопитающих, оказалось, что в их составе содержится очень большое число повторяющихся элементов, имеющих сходство с инфекционными вирусами.

Повторяющиеся элементы, способные кодировать 2–3 белка и окруженные с двух сторон еще одними особыми повторами — названными длинными концевыми повторами (ДКП), — были отнесены к семейству, получившему название ретротранспозонов. У человека они составляют довольно существенную часть — около 8% генома.

Такие элементы назвают часто эндогенными ретровирусами, в отличие от типичных ретровирусов, существующих в природе вне организмов (их называют экзогенными ретровирусами). Структура типичного эндогенного ретровируса (провируса) изображена на рис. 27 на цветной вклейке.

Она напоминает структуру отдельных современных экзогенных ретровирусов (на рисунке вверху), хотя часто существенно отличается от них. Все-таки за миллионы лет древним провирусам трудно было остаться неизменными. Большая часть этих элементов представляет собой дефектные вирусные последовательности или даже отдельные их короткие фрагменты.

Происходило это главным образом за счет накопления точечных мутаций и различных делеций. В частности, у многих эндогенных ретровирусов отсутствует ген env. Концевые участки ретровирусов, названные длинными концевыми повторами (ДКП), нередко существуют в геноме человека сами по себе, оторвавшись от своего эндогенного ретровируса в ходе эволюции и собственного перемещения по геному.

Рис. 27. Типичные структуры инфекционных и эндогенных ретровирусов, а также их отдельных элементов в геноме человека. ДКП — длинный концевой повтор (обозначен желтым цветом). Типичные гены ретровирусов — gag, pol, env. Черные горизонтальные линии — последовательности генома человека. Черные поперечные полосы в генах — мутации.

Мутации, накопившиеся в ходе эволюции в эндогенных ретровирусах, не позволяют им образовывать новые инфекционные вирусные частицы, как это происходит обычно в случае типичных экзогенных вирусов (например, вируса иммундефицита человека, вызывающего такое страшное заболевание, как СПИД).

Согласно проведенным оценкам, такие провирусы появились в геноме человека от 10 до 50 млн. лет назад в результате инфицирования зародышевых клеток наших предшественников и с тех пор передаются по наследству, как и все другие собственные элементы генома.

Так «чужие» молекулы ДНК стали частью нашего генома. В сумме их насчитывается несколько десятков тысяч, они состоят из более 200 различных групп и подгрупп. Ретротранспозоны генома человека часто рассматривают как «ископаемые останки» древних ретровирусов.

Появление провирусов в геноме человека сродни процессу, который в лингвистике называют лексическим заимствованием. Во всяком языке имеются слова «свои» и «чужие» — те, которые пришли из других языков.

Заимствование слов считается естественным ходом событий, необходимым для языкового развития. Возможно, и появление провирусов повлияло на ход становления человека как вида.

По крайней мере известно, что число провирусов в геноме человека существенно больше, чем в геноме обезьян.

Итак, эндогенные провирусы являются «следами» от вирусов, которые инфицировали наших предков миллионы лет назад. Поселившиеся в геноме наших предков, они со временем потеряли способность образовывать новые вирусные частицы.

Большинство таких «реликтовых» ретровирусов «молчит» (не функционирует). Однако сейчас уже установлено, что при определенных воздействиях на геном они могут «заговорить» и этим нарушить нормальный метаболизм в клетке.

Таким образом, потенциально некоторые из них и по прошествии тысячелетий продолжают представлять потенциальную опасность для человека.

Выяснилось, что отдельные члены семейства ретровирусов сохранили способность синтезировать РНК, а также обладают склонностью к рекомбинациям и перемещению в геноме. Так, анализ эндогенных провирусов генома человека позволяет заключить, что отдельные из них являются копиями, появившимися в результате так называемой ретропозиции.

Ретропозиция — это процесс появления новых копий в геноме не за счет нового инфицирования вирусом, а в результате транскрипции уже имеющегося в геноме провируса. Сначала образуется вирусная РНК-копия, затем на ней с помощью обратной транскрипции образуется ДНК-копия, и уже она внедряется в новое место в геноме.

Другие элементы эндогенных провирусов, обнаруживаемые в геномах современных людей, возникли в результате рекомбинаций, таких, как, например, рекомбинации между концами провирусов, что привело к исчезновению внутренних участков провирусов и образованию коротких ретровирусподобных элементов.

Таким образом, провирусы эндогенных ретровирусов — не просто окаменелые остатки прошлых эпох, а элементы генома человека, которые определяют присущую ему нестабильность (об этом подробнее поговорим дальше).

В геноме человека эндогенные ретровирусы встречаются во многих местах, но их распределение по хромосомам не совсем равномерное. Имеются участки, обогащенные ими, и в то же время некоторые области хромосом человека не содержат подобные элементы.

Иногда отмечают, что местонахождение эндогенных ретровирусов и их производных коррелирует с распределение генов в геноме. Часто они располагаются в регуляторных областях генов.

И в этом ученые усматривают особый смысл: регуляторные элементы эндогенных ретровирусов могут вмешиваться в регуляцию работы обычных генов человека.

Академик Е. Д. Свердлов считает, что вирусы могли сыграть решающую роль в «очеловечивании» обезьяны.

Возможно, что в процессе эволюции молекулы ДНК человека включили в свой состав уже готовые фрагменты генетического материала вирусов с одной лишь целью — облегчить конструирование собственных генов для кодирования новых признаков.

Включение генетического материала вирусов в геном человека служит еще одним подтверждением универсального характера молекул ДНК, имеющихся у всех живых существ — от самых простейших организмов вплоть до человека.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector