Вячеслав Тарантул - Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами

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.

В результате секвенирования ДНК человека был раскрыт еще один секрет генома. Кроме вирусов, проникших в наш геном извне и со временем сильно размножившихся там, заметную часть генома человека составляют и гены, пришедшие к нам от других наших постоянных симбионтов — бактерий. В геноме человека содержится множество так называемых ДНК-транспозонов. Они в сумме составляют около 3% генома человека и представлены в нем примерно 300 000 копиями, которые в свою очередь подразделяются на 7 разных классов. Все они по своей структуре очень напоминают ранее обнаруженные перемещающиеся элементы у бактерий — бактериальные транспозоны. Сходство выражается в первую очередь тем, что ДНК-транспозоны человека, как и бактериальные транспозоны, способны кодировать специальный фермент транспозазу, который и обеспечивает их подвижность.

Кроме бактериальных транспозонов, в геноме человека содержится свыше 220 генов, доставшихся нам «в наследство» непосредственно от бактерий, обитающих у нас в кишечнике. Половина из этих генов широко распространена в разных видах бактерий, но среди эукариот встречается только у позвоночных. Теперь стало окончательно ясно, что бактерии, также как и вирусы, внесли свой вклад в формирование генома современного человека. Все это, по-видимому, есть результат длительного сожительства человека с бактериями, когда при некоторых случайных событиях гены бактерий попали в геном человека и там закрепились. Мы давно знаем, что в нашем кишечнике живет много разных видов бактерий, которые не только для нас не вредны, но, наоборот, полезны, так как они служат поставщиками ряда биологически активных продуктов (в частности, некоторых витаминов). Перенос генов «по горизонтали», т. е. от одного вида организма в другой, в принципе был известен давно. В частности, он активно реализуется между разными видами бактерий.

Но то, что он столь масштабно выражен и между геномами таких эволюционно далеких организмов, как человек и бактерии, безусловно, стало для исследователей полной неожиданностью. Интересно, что гены, доставшиеся человеку от бактерий, содержат, как и многие другие, интроны. Последних нет у бактерий. Следовательно, в процессе эволюции после переноса бактериальных генов в геном человека произошло еще одно событие: в состав «бактериальных» генов, ставших генами человека, внедрились дополнительные нуклеотидные последовательности, которые теперь являются интронами.