Владислав Солоухин - Размышления и споры о вирусах

Нет сомнений в том, что и сами транспозоны, и характер их перемещения отражают какие-то новые, неизвестные ранее стороны генетической регуляции, имеющие самое непосредственное отношение к непознанным еще законам изменчивости и эволюции живой материи. Открыта, по существу, новая глава в учении о наследственности и изменчивости, причем мы еще читаем только предисловие к ней...

Для того чтобы перемещаться, транспозоны должны иметь определенную структуру в своих концевых участках. Только таким путем они могут встраиваться в определенные участки хромосомы. Каково же было удивление ученых, когда выяснилось, что структура этих концевых участков практически любых изученных транспозонов оказалась аналогичной таковой в... ретровирусной ДНК. Сейчас это уже непреложная истина, известная в деталях, которые мы попытаемся популярно изложить.

Синтез ДНК-копии ретровирусной ДНК происходит в две фазы. На первой — обратная транскриптаза синтезирует так называемую "минус"-нить ДНК непосредственно на матрице вирионной РНК. Затравкой синтеза является при этом клеточная транспортная РНК. На втором этапе синтезируется "плюс"-нить ДНК, комплементарная первой "минус"-нити. Для этого в качестве затравки нужны короткие фрагменты вирусной РНК, отрезаемые ферментом от более длинных ее кусков.

Эксперименты, проведенные Д. Бишопом и X. Вармусом в Калифорнийском университете, а также Д. Тейлором в Институте онкологических исследований в Филадельфии, показали, что у концов ретровирусной ДНК- копии, находящейся в линейной двунитевой форме, имеются одинаковые последовательности длиной в несколько сотен пар нуклеотидов. Эти участки назвали длинными концевыми повторами — LTR (от английского long terminal region). Они оказались на обоих концах ретровирусной ДНК (а мы помним, что это и есть провирус Темина!) абсолютно идентичными с точностью до одного нуклеотида. Кроме того, у границ каждого LTR последовательности оказались также идентичными, если... если читать в противоположных направлениях. Они были названы инвертированными повторами . И наконец, было установлено, что в интегрированной вирусной ДНК по краям длинных концевых повторов располагаются одинаковые короткие последовательности, принадлежащие геному хозяина. Это означает, что при встраивании вирусной ДНК в хромосому клетки хозяина в месте интеграции происходит дупликация.

Вот каковы реальные механизмы встройки генома, РНК-содержащего онкогенного вируса в геном клетки-хозяина, процесса, предсказанного Л. А. Зильбером применительно к вирусному канцерогенезу много десятилетий назад.

Рис. 12

Но, как мы видим, дело не только в вирусном канцерогенезе. Дело в том, что транепозоны самых разных живых существ — от бактерий до человека — также содержат LTR, инвертированные повторы и короткие дупликации последовательностей в месте интеграции. Это сходство оказалось настолько существенным, что возникла мысль о том, что обратная транскрипция может быть частью механизма перемещения некоторых транспозонов, никакого отношения, казалось бы, к ретровирусам не имеющих. В частности, особого внимания удостоился транспозон, получивший название copia и представляющий собой неинтегрированную форму ДНК в культуре клеток плодовой мушки дрозофилы, сослужившей генетике не меньшую службу, чем вирус саркомы Рауса онкологии, а вирус мозаики табака — вирусологии.

Сначала (1981 год) Э. Флавелл и Д. Иш-Горовец в Лондоне разработали метод обнаружения неинтегрированных форм ДНК copia и установили, что эта ДНК очень похожа на неинтегрированную ретровирусную ДНК в зараженных клетках. Это было очень интересно, но еще не говорило о реальном происхождении такого рода элементов. Важные сведения были получены И. Р. Архиповой в Москве, в Институте молекулярной биологии АН СССР. Она и ее коллеги с исчерпывающей полнотой показали, что и возникновение этих элементов и их перемещение в геноме осуществляется в культуре клеток дрозофилы с помощью обратной транскрипции.

Другое доказательство участия обратной транскрипции в происхождении и перемещении транспозона было получено при изучении дрожжей в лаборатории Д. Динка в Массачусетском технологическом институте. Был изучен перемещающийся генетический элемент с условным названием Ту. В серии изящных экспериментов с несомненностью было установлено, что перемещающаяся ДНК Ту является копией с... РНК, подвергшейся специальной обработке, а потому как бы меченой.

Итак, ДНК генетического фактора дрожжей, никакого отношения не имеющего к ретровирусам, является копией не ДНК, а некой РНК. Ясно, что это могло быть результатом только обратной транскрипции. Неудивительно, что перемещающиеся генетические элементы стали называть ретротранспозонами.

Итак, открыт новый неведомый ранее способ синтеза генов живых существ самого различного уровня организации: от ретровирусов до млекопитающих. Таким способом является обратная транскрипция ДНК на матрице РНК. Важно подчеркнуть, что синтез ДНК-копий ретровирусной РНК является не более чем частным случаем такого рода процесса, хотя он и был открыт первым.

Это неудивительно, но знаменательно: началась же вся вирусология с открытия вируса мозаичной болезни табака — не единственного, да и не главного представителя царства Вира (особенно в наш век тотальной борьбы с курением!). Похоже, что и обратная транскрипция ретровирусной РНК также не самая главная заслуга этого ферментативного механизма.

Есть мнение (его автор — американский молекулярный биолог Дж. Дарнелл-младший), что первым значимым веществом наследственности была именно РНК, а отнюдь не ДНК. Этому взгляду способствует большая универсальность РНК: она способна хранить информацию и воспроизводиться, в сущности, так же, как ДНК, но в отличие от нее может непосредственно направлять синтез белка и даже вести себя как фермент, о чем мы уже говорили в первом разделе книги.

Все это очень интересно и весьма вероятно. Но даже если все это так, то бесспорно, что на каком-то этапе развития жизни РНК передала свою роль ДНК. Именно поэтому обратная транскрипция является древним механизмом переноса информации с РНК на ДНК. Так, процесс, который вначале рассматривали как экзотическую способность, присущую лишь небольшой группе вирусов, теперь помогает проследить путь эволюции, приведшей к жизни на основе ДНК.

Из всех этих данных вытекают важные следствия по всем обсуждаемым нами вопросам.

Во-первых, становится совершенно очевидным, что нельзя говорить о каком-то общем происхождении всех вирусов. Видимо, из-за этого уязвимы все рассмотренные выше концепции. Кажется бесспорным, что РНК-содержащие вирусы — более древние, а ДНК-содержащие — более молодые. Ведь вирусная РНК в значительной степени сохранила все признаки древней РНК, которые у нее были, когда жизнь на основе ДНК еще не существовала: РНК — и хранитель генетического кода этой группы агентов, и непосредственный организатор синтеза вирусных белков в рибосомах инфицированных клеток, а в целом ряде случаев (применительно к малым рибовирусам) и монопольный организатор всего инфекционного процесса (вспомним инфекционность РНК вирусов полиомиелита, арбовирусов и т. д.).