Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Можно найти дополнительные свидетельства в пользу того, что не только вирусы растений, но и сами растения, похоже, развиваются медленно. У них до сих пор активны ДНК-транспозоны, перемещающиеся по способу «вырезать и вставить», которые существуют главным образом в растениях и уже не отмечаются в более высокоорганизованных организмах. У растений, в частности у кукурузы и риса, 85–90% генов представлено активными «прыгающими» генами. Это также применимо к тюльпанам. Однако они составляют некоторое исключение в силу активной селекции, в результате чего сформировались их чрезвычайно крупные геномы, которые в 10 раз больше генома человека. Как это ни странно, размер генома не коррелируется с его сложностью. Тем не менее растения не отличаются особенно эффективной или быстрой адаптацией к новым условиям окружающей среды, помогающей соответствовать образу существования. Растениям для получения новой информации не нужно перемещаться, и, кроме того, их вирусы не очень активны. В большинстве случаев они не могут образовывать частицы и не отличаются высокой мобильностью. Чаще всего это постоянные устойчивые вирусы, не отличающиеся активной репликацией. Активировать «спрятавшиеся» вирусы способен не только стресс. Поэтому ДНК-транспозоны, формирующие два разрыва ДНК, могут оказаться предпочтительными для формирования новой информации. Ретротранспозоны приводят только к одному разрыву ДНК и преобладают в нашем геноме, но и в растениях присутствуют в большом количестве. Однако такое количество ретро- и ДНК-транспозонов не вполне понятно и всегда характеризуется широким спектром значений и вариабельностью.

Когда ДНК-транспозоны или ретротранспозоны приобрели способность к «прыжкам»?

У человека «прыжки» ДНК-транспозонов прекратились около 35 млн лет назад. Наш геном только на 3% произошел от ДНК-транспозонов, и было это давно. У нас есть активные ретротранспозоны, и некоторые из них до сих пор сохраняют активность, что наблюдается преимущественно на этапе эмбриогенеза человека и может привести к развитию рака или рождению гения. У 20 из 200 человек в течение жизни в зародышевых или эмбриональных клетках наблюдается одна ретротранспозиция. Чаще это происходит при раке или в клетках головного мозга.

В соответствии с представленной концепцией ДНК-содержащие вирусы, находящиеся в бактериях или водорослях, в ходе эволюции проявили себя как «скороходы», а РНК-содержащие вирусы – как «тихоходы». Вирусы человека находятся где-то между ними. При этом среднее время удвоения у человека составляет примерно 30 лет, что является средним показателем между двумя крайностями – бактериальными и вирусами растений. С начала летоисчисления от Рождества Христова сменилось приблизительно 60 поколений людей. Один цикл размножения у человека соответствует примерно 1 млн дупликаций бактерий. По сравнению со «средним» вирусом человека, находящимся в диапазоне от РНК-содержащего вироидоподобного вируса гепатита дельта до крупных двухцепочечных ДНК-содержащих вирусов, таких как вирус оспы, фаги прогрессировали, попали в мир ДНК и, вероятно, покинули его. Принимая во внимание, что большое число молекул РНК играет важную роль в метаболизме и репликации в организме человека, мы находимся где-то между РНК- и ДНК-мирами. Просто удивительно, насколько важную роль РНК до сих пор играет в элементарных процессах, происходящих в ДНК-мире, выступая, в частности, в качестве стартеров ДНК-репликации, в качестве сайта для синтеза белка или для безопасного резервного копирования применительно к генной регуляции. И все же по мере увеличения числа ДНК и белков скорость развития человека увеличилась. Сплайсинг РНК может осуществляться автономно – исключительно за счет нкРНК, но у человека для этого требуется 100 белков. Однако сплайсосомы человека быстрее и могут выполнять большое количество более разнообразных функций специальных функций, например в период эмбрионального развития или в процессе генной регуляции.

Регуляторные РНК состоят из рибозимов/вироидов/ кольцевой РНК /piwiРНК, которые родственны с функциональной и структурной точки зрения, и их свойства в наших клетках остались неизменными с начала существования мира РНК и по сегодняшний день, что действительно удивляет. Они обладают очень устойчивой структурой. Возможно, первичный бульон на первых этапах формирования жизни на Земле был самой опасной средой, и поэтому появился такой тип молекул – это всегда самый подходящий вариант!

Лауреат Нобелевской премии Сидни Альтман, который совместно с Томом Чехом открыл каталитическую РНК (рибозим), опровергает гипотезу о доминировании белков в современном мире и подчеркивает важность РНК. Он характеризует наш мир как мир «РНК и белка», который определяется с помощью ДНК в меньшей степени, чем с помощью РНК и белка. ДНК является носителем наследственной информации и ее хранилищем, но не следует забывать о способности ДНК «прыгать», что обусловливает развитие инноваций, и это обстоятельство стоит иметь в виду.

Вызывает удивление два диаметрально противоположных процесса развития: у бактерий и фагов жизненное кредо сводится к следующему: «быть мелкими, многочисленными, быстрыми и простыми», а у млекопитающих и человека – «быть крупными, немногочисленными, медленными и сложными». Почему возникли такие различия – некоторые организмы остаются маленькими, а другие становятся крупными? Достигли ли микроорганизмы, фаги, вирусы и бактерии оптимального уровня развития и оказались ли настолько успешными, что усложнения их структуры не произошло? Как и почему появились мы, люди, столь сложноорганизованные существа? Почему мы не остались такими же мелкими, как бактерии и фаги? По этому поводу могу высказать одну гипотезу. В процессе эволюции действует две силы: с одной стороны, налицо тенденция к усложнению, а с другой – к упрощению. Какие факторы определяют превалирование той или иной тенденции? Я занималась изучением этого вопроса и пришла к заключению, что определяющим фактором является окружающая среда.

В поддержку этого утверждения даже проводились эксперименты: если дать возможность РНК и реплицирующимся ферментам фага Qbeta размножаться в пробирке, то последующие события зависят от условий роста. При самых благоприятных условиях фаги станут меньше, избавятся от некоторого числа генов и будут все быстрее и быстрее реплицироваться. Каким образом? Они бессистемно объединяют неправильные нуклеотиды, извлекая их из довольно большого пула, и аккумулируют ошибки. Некоторые гены погибают из-за частоты и количества ошибок. Манфред Эйген назвал это «катастрофа ошибок». Qbeta «минимизируется». Число генов, безусловно, не редуцируется до нуля, но сводится к минимуму, самому незначительному необходимому для репликации числу. То, что растет все быстрее и быстрее, становясь при этом все меньше и меньше, – так называемый «монстр Шпигельмана». Через несколько сот циклов репликации размер генома «монстра» сократился приблизительно с 4500 нуклеотидов приблизительно до 200. «Монстр» превратился в карлика! Самое же невероятное заключается в том, что в ходе этого процесса РНК превратилась в некодирующую РНК. У нее нет рибосом для считывания кода, в силу чего триплеты утратили способность к кодированию. Буквально через несколько дней процесс приобрел обратную направленность – к началу. При наличии некодирующей РНК процесс начался сначала. Это удивительно. Репликацию и эволюцию фага Qbeta впервые осуществил 50 лет назад Сол Шпигельман в Нью-Йорке. Манфред Эйген из Гёттингена продолжил этот эксперимент и упростил его, убрав РНК и репликазу – фермент, вызывающий репликацию, и добавив в пробирку лишь нуклеотиды. Спустя некоторое время РНК, сформировавшиеся сами собой, реплицировались и эволюционировали, а нуклеотиды оказались сгруппированными и сформировали цепочку РНК. Из хаоса возникла первая РНК-молекула. «Монстр Шпигельмана» возник сам собой. Это два оригинальных и показательных эксперимента. Увеличение и уменьшение сложности.