Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Позднее в своей исследовательской деятельности мне приходилось сталкиваться с тем, что люди боятся нашей работы. Так было в случае с гриппом, ТОРС и вирусом рака, поскольку заражались не только коллеги, но и их сослуживцы, и часто мужья и жены. Подозрительность была вполне оправданна, поскольку действительно было несколько инцидентов – в Китае, например, из лаборатории с высокой степенью биозащиты пропадал вирус ТОРС (три раза!); кроме того, однажды исчезло несколько лабораторных лягушек ( Xenopus laevis), и это стало огромной проблемой в Калифорнии.

ОТ – специфическая характеристика ретровирусов, что удивило ученых, поскольку никто не ожидал, что РНК может транскрибироваться в ДНК для репликации. Это привело к пересмотру «центральной догмы» молекулярной биологии, согласно которой биосинтез ДНК – РНК – белок происходит в ходе двух последовательных процессов, транскрипции и трансляции соответственно. Хоуард Темин и независимо от него Дэвид Балтимор показали, что возможен и обратный процесс: ДНК может биосинтезироваться из РНК. Такую реверсивную транскрипцию впоследствии назвали «обратной» транскрипцией, в силу чего фермент получил название «обратная транскриптаза». ( Интересно отметить, что ОТ может осуществлять две реакции: «превращать» РНК в ДНК и ДНК в ДНК, а изначальная РНК должна быть удалена при помощи РНКазы Н между этими двумя реакциями. В итоге получается двуспиральная ДНК.)

Открытие реверсивного (обратного) потока информации стало большой неожиданностью для ученых. Следовательно, ДНК может интегрироваться в ДНК генома клетки-хозяина и передаваться на протяжении всего жизненного цикла клетки при делении как клеточный ген. Ретровирусы обычно не вызывают лизис своей клетки-хозяина и не уничтожают ее, они «отпочковываются» от клеточной мембраны. Если исходить из того, что в процессе эволюции сначала появилась РНК, а потом ДНК, то понятие «обратная транскриптаза» окажется некорректным. Шаг от РНК к ДНК носит не реверсивный, а прямой характер. Строго говоря, правильно было бы назвать это явление «реальная транскриптаза»! В этом случае даже не пришлось бы менять сокращенное название на английском языке (RT) [9] Реальная транскриптаза – real transcriptase (англ.), сокращенно RT; обратная транскриптаза – reverse transcriptase (англ.), сокращенно также RT. – Прим. ред. , однако никто в таком изменении не заинтересован.

В настоящее время, когда, фигурально выражаясь, все возможные геномы секвенированы, самое большое удивление вызвало количество находящихся вокруг нас обратных транскриптаз. Они присутствуют во многих организмах, во всех эукариотах (животных и растениях), а также в археях, бактериях, ретротранспозонах, сплайсосомах и в странных химерных мультисателлитных ДНК (msDNA), а также в иммунной системе человека и бактерий. У одних только бактерий существует более 1000 различных видов обратных транскриптаз. Для чего они предназначены? В клетках млекопитающих нам известны ретротранспозоны, которые кодируют эти обратные транскипты, необходимые для действия механизма «копировать и вставить» клеточной ДНК, который будет описан ниже (ретротранспозоны напоминают упрощенный вариант ретровирусов). В 1978 г. один из ученых, открывших обратную транскриптазу, Дэвид Балтимор, организовал встречу, на которой кто-то из участников охарактеризовал существование обратной транскриптазы у мух: «Насколько мне известно, в организме мух нет ретровирусов». И лишь в настоящее время, много времени спустя, нам стало известно, что у мух тоже есть обратная транскриптаза, источником которой являются не ретровирусы, а их родственники, ретротранспозоны – предшественники или процессированные «деформированные» ретровирусы, которые широко распространены и существуют, в частности, у мух. Они чрезвычайно широко распространены. Так уж случилось, что ретровирусы как частный случай были открыты первыми!

Итак, мы выяснили, что обратные транскриптазы связаны не только с ретровирусами. Поскольку фаги, которые по большей части содержат ДНК, тоже относятся к вирусам, можно себе представить, что в процессе эволюции они в свое время имели РНК и только позднее ДНК-геномы, а в промежутке обладали ретровирусоподобными свойствами. То есть вполне можно ожидать открытия и «ретрофагов». Я сформулировала эту идею. Но, насколько мне известно, несмотря на интенсивные исследования, в которых я тоже участвовала, существует только один «ретрофаг», являющийся прибежищем одной из обратных транскриптаз (см. ниже).

Известно, что обратная транскриптаза – ключевой фермент в биологии. Вероятно, фермент ОТ даже в первую очередь «изобрел» ДНК и, безусловно, сыграл важную роль в формировании геномов, включая наш собственный, в процессе эволюции, которая насчитывает, как сейчас признано, более 100 млн лет. Возможно, изначально существовал более простой и примитивный предшественник ОТ. Я подчеркиваю значимость обратной транскриптазы не (только) потому, что я специалист именно по данному ферменту и сужу пристрастно, а еще и потому, что есть новые свидетельства очень важной роли этого фермента, который является одним из наиболее распространенных белков и даже ведущим ферментом в проекте по изучению образцов, забранных из океана, и составляет 13,5% всех содержащихся в планктоне белков, даже через 45 лет. А почему? Ретровирусы, ретротранспозоны, механизм «копировать и вставить» подходят друг к другу и формируют геномы, стимулируя эволюцию. ОТ – молекула номер один, равно как и РНКаза Н, о которой речь пойдет в следующей главе.

Чаще всего цитируется моя работа, опубликованная не в самом известном журнале. Но это – нетипичный случай. Частота цитируемости является важным критерием качества статьи, что, очевидно, может быть и не совсем так. Я открыла «ножницы», рибонуклеазу Н, или РНКазу Н в ретровирусах животных, а потом еще и в ВИЧ. ( Она играет важную роль в процессе репликации ретровирусов от РНК до двуспиральной ДНК: РНК нужно удалить из гибрида РНК–ДНК, для чего используют рибонуклеазу Н (РНКазу Н), обладающую специфичностью к гибриду.) В 1990-х мне позвонили и спросили: «Вы доказали, что данный фермент действительно необходим для репликации вируса?» Звонили из компании, которая была заинтересована в разработке ингибитора РНКазы. Они только собирались разрабатывать препарат против важного вирусного компонента, поскольку разработка лекарства требует серьезной работы и затрат. «Да, конечно, – сразу же ответила я. – В противном случае образование двуспиральной ДНК было бы невозможно – РНК нужно удалить, как только она скопируется в односпиральную ДНК». Однако я поспешила с ответом. «Этому есть формальные подтверждения?» – «Нет!» Мне никогда не приходило в голову, что их нет. Для этого следовало бы осуществить мутацию РНКазы Н (это означало бы уничтожение ее активности) и показать, что вирус более не способен реплицироваться. Это была бы мутация, приводящая к «утрате функциональности». Я не могла провести такой эксперимент, поскольку для этого необходима инфицированная копия ДНК (клон) ВИЧ, направленный мутагенез и тестирование инфицированного вируса-мутанта, что можно сделать только в лаборатории с высоким уровнем защиты (самым высоким, четвертым, уровнем биозащиты). Такую работу могла выполнить только группа компаний Wellcome Co. в Лондоне. Я позвонила им, и мы договорились о сотрудничестве. Для мутагенеза мы искали последовательности генов, которые были описаны в бактерии E. coli и были известны. Следовательно, было просто найти важные сайты для мутации, поскольку они были «консервативны». Такой подход сработал. Как это ни странно, меня тогда нисколько не удивляло, что РНКаза Н хорошо работает и с бактериями. Какая может быть взаимосвязь между бактерией и одним из ретровирусов человека? В те годы, в отличие от настоящего времени, я не рассматривала эволюционный аспект! ( Принято считать, что для всех систем репликации ДНК необходим «стартер» – часть ДНК, который какое-то время сохраняется, а потом удаляется при помощи РНКазы Н.)