Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Авторы научных работ делят прогресс в биологии в XX в. на четыре четверти по 25 лет каждая. В первой четверти были повторно открыты хромосомы и механизмы наследования в контексте законов Грегора Менделя. Во второй произошло открытие двухцепочечной ДНК как основы наследования и хранения информации. В третьей четверти появились рекомбинантные ДНК-технологии и клонирование генов, а в четвертой – расшифровка генов и генома. К 2001 г. секвенировали последовательности геномов 599 вирусов и вирусоидов, 205 существующих в природных условиях плазмид (двухцепочечные кольцевые «голые» ДНК), 185 органелл, 31 бактерии, семь архей, одного гриба, двух животных и одного растения, а также геномов двух людей – Дж. Уотсона и К. Вентера. Потом появилась вышеупомянутая работа, и начиная с 2001 г. события в этой научной сфере происходили с невероятной скоростью. Буквально за 15 месяцев было секвенировано около 95% генома человека, в котором последовательностей в 10 раз больше, чем всех предыдущих последовательностей, вместе взятых. Геном человека состоит из 3,2 млрд нуклеотидов. Какую информацию они в себе несут? Эта информация нам по большей части неизвестна, так как мы знаем четыре буквы (обозначения отдельных нуклеотидов), но не понимаем, что они означают, по крайней мере большинство из них. Первым шоком стала информация, что у нас лишь 20 000 кодирующих генов, то есть генов, кодирующих белок (по расчетам исследователей, их число составляло 30 000, но позже цифра была скорректирована в сторону уменьшения и сейчас составляет 22 000–20 000 генов). Если исходить из общего числа нуклеотидов, можно было ожидать в 10 раз больше. Бытовало мнение, что человек – существо особое – так думают люди! А сейчас выясняется, что у человека генов не больше, чем у многих других организмов. А что же делает человека человеком? Открою один секрет: наши гены длиннее (именно в этом кроется ошибка в расчетах) и они фрагментированы на участки, описанные нами выше как экзоны и интроны, где экзоны (их примерно семь на ген) могут рекомбинироваться за счет сплайсинга.

Способность комбинировать кусочки генома – вот что делает нас «великими» (и отличает от других). Комбинаторика. Следующий большой сюрприз заключался в том, что наши гены не уникальны, а представляют собой «винегрет» из генов, химер, сформированных из всех видов источников: бактерий, архей, грибов, растений и какого-то «бессмысленного мусора» – в последнее многим из нас не хотелось бы верить. Мы в самом деле не знаем, действительно ли в нашем геноме есть «мусор». Большая часть генетической информации в нашем геноме не является «человеческой» и появилась в результате горизонтального переноса генов (ГПГ) от многих других живых организмов, обитающих вокруг нас. Примерно 10–20% нашего генома идентично геному бактерий; почти на 50% наш геном схож с геномом ретровирусов или ретровирусоподобных элементов; 5% генов мы получили от грибов; пока невозможно определить вклад архей, растительных или иных вирусов. Другие гены не коррелируются с известными вирусами – они нам просто неизвестны, многие некодирующие гены в настоящее время являются предметом активных исследований. Мы все родственники – все живые существа являются «братьями и сестрами». Я всегда об этом вспоминаю, когда случается наступить на дождевого червя, после чего он погибает. Еще одним напоминанием об этом служит посвященный мне Томасом Лархером этюд «Не наступай на дождевого червя» из его цикла «Поэмы».

Столь впечатляющие результаты исследования состава генома человека и его взаимосвязи с геномами всех живых существ на планете даже подвигли тогдашнего папу римского Бенедикта XVI обратиться к ученым за разъяснениями. Еще некоторое время назад напечатанная в Nature статья попала бы в список запрещенных Ватиканом публикаций. Мы не настолько уникальны, как думали. И все же нельзя сказать, что человек свержен с пьедестала. В конце концов, мы самые сложноорганизованные живые существа.

Наш геном почти на 50% состоит из древних ископаемых вирусов. Чем старше вирус, тем более он вырожден и тем короче. Исходя из длины вирусов, можно разработать простую классификацию: от длинных к коротким, включая, например, HERV, длинный диспергированный повторяющийся элемент (LINE), ДНК-транспозоны, короткий диспергированный повторяющийся элемент (SINE) и короткие последовательности Alu. ДНК-транспозоны не вполне вписываются в данную классификацию, поскольку они необязательно бывают короче. Следует упомянуть еще одно правило: чем короче транспозируемые элементы, тем их больше – вероятно, потому, что для них не требуется много пространства.

Эти вирусные элементы входят не только в наш геном, но и в геномы всех видов животных и растений, всех без исключения – кур, мышей, утконосов, опоссумов, грибов, растений, мух – и далее по нисходящей вплоть до червей, обитающих у побережья острова Эльба (см. главу 10), и медуз. Однако есть определенные различия. В геноме человека больше LINE; в геноме кур нет SINE, в то время как у утконосов их больше; в геноме риса и грибов нет ретротранспозонов. Пока никто не выяснил, чем это объясняется. Я спросила об этом у Михаэля Кубе, одного из исследователей, проводивших анализ генома утконоса (в то время Кубе работал в Обществе Макса Планка в Берлине). Он не смог это объяснить, и пока никто не может. Как сформировался геном у нас и как – у остальных организмов? Мы получили такой геном в какой-то момент своей истории как результат переноса генов (ГПГ) и вследствие разнообразных вирусных и других микробных инфекций. Для нашего генома вирусные инфекции крайне полезны, так как дают толчок инновациям. Многие новые гены попадают с первой попытки. Это выгодно для генома. Вирусы – самые разносторонние «изобретатели». Они являются двигателями эволюции. Читателю нужно представлять себе, в каком направлении она развивалась: нас создали вирусы и микроорганизмы! Вот новый взгляд на наш мир.

Есть ряд деталей, которые читатель мог упустить из вида, поскольку сводное заключение было приведено чуть выше. Но, вероятно, последующие разделы также окажутся информативными.

Эндогенные ретровирусы человека (HERV) – самые крупные ретроэлементы в нашем геноме. Они составляют до 8% нашего генома, их 450 000. Из них полностью интактными являются лишь около 40 000. В качестве промоторов у них два ДКП, по одному с каждого конца, а для репликации используются гены gag и pol. Белки pol состоят из вирусной протеазы, обратной транскриптазы, РНКазы Н и интегразы, всех ферментов, необходимых для репликации полного ретровируса. Белок оболочки Env не всегда присутствует. Большинство эндогенных вирусов интактны и полны мутаций. Некоторые из них могут выходить из клетки как частицы, но не могут инфицировать другие клетки. Эндогенные вирусы, которые до сих пор выявляются, предпочитают интегрироваться между «реальными» генами в интроны, что менее вредно для нашего генома, нежели интеграция в одном из 20 000 реальных, кодирующих белок генов. Видимо, до сегодняшнего времени сохранились клетки только с такой безопасной интеграцией, других уже не существует. Согласно нашим расчетам, интеграция определенного HERV-K, который мы анализировали, произошла 35 млн лет назад. Может возникнуть вопрос, что происходило на планете в это время. Метеориты, солнечный ветер, образование сверхновых звезд, изменение положения оси вращения Земли – все что угодно, и никто ничего точно не знает.