Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Ретротранспозоны обусловливают дуплицирование генов. Такое явление часто происходит в геноме человека и коррелируется со свойствами, которые делают нас особенными. Специалист по эволюции Сванте Пааб, работающий в Лейпциге, проанализировал дупликацию генов в геномах человека и обнаружил эндогенные ретровирусы, а также LINE-элементы в геноме неандертальца. Неандертальцы жили примерно 200 000–40 000 лет назад.

Дупликация генов характеризуется наличием «опорной ноги» и «свободной ноги» – как у греческих статуй, – таким образом, одна «нога» может без всякого риска пробовать внедрять инновации, поскольку вторая «нога» копирует информацию. Поэтому дупликация генов может оказаться особенно важной для расширения генома и новых адаптаций. Дуплицированные гены способны к вырождению и остаются в качестве псевдогенов, не выполняющих никаких действительных функций. Около 100 млн лет назад геном дрожжей удвоился. Рекорд принадлежит пшенице, геном которой увеличился в шесть раз, и сейчас он огромный, больше нашего. Геном тюльпана в 10 раз крупнее нашего генома, с тремя связанными между собой хромосомами, что, возможно, является следствием разведения этих растений.

В геномах человека самый высокий показатель амплификации генов отмечается в опухолевых клетках, где большое количество онкогенов увеличивается не менее чем в 20 раз. В частности, ген Myc амплифицируется в опухолевых тканях мозга в 10 000 раз, и, видимо, именно этим обусловлена высокая агрессивность именно этого вида опухоли.

Я бы хотела представить в лучшем свете присутствующие в нашем геноме мелкие вирусные остатки; впрочем, их очень много, и они могут кое-что делать. Относятся ли они к широко обсуждаемой «мусорной» ДНК – отбросам, забытым остаткам? На этот вопрос пока нет однозначного ответа. Возможно, у некоторых читателей возникнет желание перейти к следующей главе.

Следующая малочисленная группа транспозируемых элементов состоит из еще более коротких SINE, коротких диспергированных повторяющихся элементов, которые гораздо меньше и ни на что не способны. Они «бродят» по нашему геному, влияя на другие гены. Это их характерное поведение. Они захватывают обратную транскриптазу (ОТ) более крупных LINE, поскольку у них нет собственной. Таким образом, они существуют за счет чужих обратных транскриптаз. SINE образуются на основе РНКаз, которые подверглись обратному транскрибированию в ДНК и интегрировались как SINE-ДНК. У SINE также отсутствуют вирусные ДКП-промоторы, и, следовательно, они не оказывают пагубного долгосрочного воздействия. У них нет эндонуклеаз, но они используют простые ДНК-разрывы, чтобы проникнуть в ДНК геномов. В нашем геноме на долю SINE приходится примерно 13%, хотя каждый SINE имеет всего лишь 100–300 нуклеотидов. Их очень много, в общей сложности 1,5 млн копий. Исторически сложилось, что SINE стали считать «мусором», но они могут обусловить формирование новых функций.

Самыми мелкими ТЭ являются последовательности Alu, которые имеют 300 пар оснований с повторяющимися ДНК-последовательностями. Я бы предпочла не затрагивать в этой главе Alu-последовательности, поскольку это существенно осложнит для читателя понимание причинно-следственных связей. Alu отмечаются только в геномах приматов, в нашем геноме их примерно 1 млн, и эти 10% состава нашего генома нельзя не принимать в расчет. Они не кодируют белки и, скорее, содержат более короткий внутренний промотор, а не ДКП, который влияет на соседние гены. Alu получили такое название от фермента Alu, полученного из бактерии Arthrobacter luteus(аббревиатура не имеет никакого отношения к алюминию, хотя это действительно помогает запомнить название). Фрагменты ДНК являются носителями последовательности, распознаваемой ферментом Alu, который ее расщепляет, позволяя, таким образом, идентифицировать элементы. Элементы Alu могут «прыгать», только если они заимствуют обратную транскриптазу, как это делают SINE-элементы. РНКазы этих элементов стимулируют регуляторную функцию РНК в геноме человека. Регуляция в данном случае носит локальный, а не долгосрочный характер. В геноме человека самое большое количество SINE/Alu. Однако ни у одного из живущих на Земле животных нет такого количества Alu, как у австралийских утконосов, и никто не знает – почему!

Никто не понимает, почему около 50% нашего генома состоит из ретровирусоподобных элементов. Мог бы он на 100% состоять из таких элементов – или только на 50%? Возможно, мы замечаем лишь последовательности вирусоподобных элементов из этих 50%, а оставшаяся часть генома более не распознается как вирусы или пропала в генетическом шуме.

Кроме того, 50% – это не предельное, а среднестатистическое значение. Некоторые гены человека на 80–85% состоят из ретроэлементов, что доказал Феликс Брекер, проанализировав такой ген (бета-ингибитор протеинкиназы, который ингибирует киназу PKB/AKT). Ретроэлементы скомпонованы не линейно, а накладываются друг на друга и могут интегрироваться друг в друга. Шаг от 90 к 100% достаточно серьезный, но не является фундаментальным препятствием. И вот у меня возникает вопрос: состоял ли в свое время наш геном на 100% из вирусов? Существует ли верхняя граница количества «прыгающих» генов? Если исходить из того, что имеется 1,5 млн транспозируемых элементов и каждый состоит из 10 000 нуклеотидов – что соответствует современным представлениям о размере ретровирусов, – его общая длина должна превышать размер нашего генома в пять раз. Вероятно, не все «вирусы» существовали в одно и то же время и имели полную длину.

Состоял ли в свое время наш геном только из ретровирусных элементов? Подозреваю, что да, но не могу доказать и уверена, что некоторые коллеги поставят под сомнение это утверждение. И все же мой коллега, которому я изложила идею, не откладывая в долгий ящик, обратился к этому вопросу в своей следующей лекции: Луис Вильярреаль, первооткрыватель и один из первых исследователей, отметивший роль вирусов на первых этапах формирования жизни на Земле и в начале эволюции. Вирусы могут содержать достаточно информации для формирования наших геномов. В вирусных последовательностях больше информации, чем в последовательностях всех живых существ, вместе взятых. Я вполне могу себе представить, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов или укороченных ретровирусов и формируют наш геном. Мне сложно опровергнуть утверждения коллег, считающих, что вирусы являются спутниками, покинувшими клетки. А откуда взялись клетки? О том, что предшествовало ретровирусам, мы поговорим в разделе, посвященном РНК-вироидам, или рибосомам (см. главы 8 и 12).

Невозможно отследить историю существования вирусов больше, чем на 100 млн лет назад. Гоминиды жили примерно 200 000 лет назад. Люси гораздо старше. Вероятно, она самая древняя женщина-австралопитек, жившая в Эфиопии около 3 млн лет назад. Она была невелика ростом – 1 м 10 см, руки свисали ниже колен, но она ходила прямо на двух ногах. Это значит, что они наши родственники – и все же жизнь началась 3,9 млрд лет назад. А что произошло между этими двумя датами? Это огромный временной разрыв. Нет оснований полагать, что в это время ретровирусы или их родственники не могли заполнить геномы бактерий, архей, растений, животных и человека. И даже у гидры, утконоса, дрожжей и небольшого дикорастущего цветка резуховидка Таля ( Arabidopsis thaliana) во всем обнаруживается схожий генетический состав. Словосочетание « во всем» означает – у всех эукариотов. При наличии слишком большого количества изменений поисковые компьютерные программы начинают давать сбой и становится невозможным внести исправления. «Феникс» – один из ретровирусов, реконструированных из нашего генома, ему 35 млн лет.