Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Я пыталась объяснить Фримену Дайсону, почему считаю, что нас создали вирусы, что вирусы не вызывают у нас заболевания, а помогают приспосабливаться, что, возможно, вирусы – наши древнейшие предки, а он слушал меня и посмеивался, сидя в своем заставленном от пола до потолка книгами офисе в Принстонском институте перспективных исследований. Мои слова его сразу же заинтересовали, и чем более неожиданными и противоречивыми оказывались аргументы, тем больше ему нравилось их обсуждать. «Непременно изложите это на бумаге», – сказал он по-немецки. Он хорошо говорит по-немецки, но скрывает это. Он умеет меня воодушевить, даже несмотря на то, что зачастую его мнение отличается от моего. В конце концов, он автор книги «Ученый-бунтарь».

Следующая группа транспозируемых элементов – ДНК-транспозоны. Считается, что они никак не связаны с ретровирусами, ну или по крайней мере так пишут в учебниках. Это действительно так? Возможно, все они связаны между собой! В качестве довода приводят отсутствие у них обратной транскриптазы (ОТ), но их ферменты, транспозазы, имеют тесное родство с ОТ. ДНК-транспозоны используют механизм «вырезать и вставить» и осуществляют расщепление и вставку с помощи нуклеазы и интегразы, родственных ретровирусной РНКазе Н и интегразе. Итак, налицо родственные узы.

ДНК-транспозоны «прыгают» в геномах растений и других организмов, но не в геноме человека, который эту способность утратил. ДНК-транспозоны – редкие «ископаемые» в геноме человека, на долю которых приходится лишь 3%, что соответствует 300 000 копий. Но они неактивны. ДНК-транспозоны часто отмечаются у многих растений и составляют до 50%, а в кукурузе 85% соответствующего генома. Соотношение ДНК и ретротранспозонов очень вариабельно; кроме того, у многих растений отмечается большое число ретротранспозонов. ДНК-транспозоны не размножаются, а лишь меняют сайт интеграции без дупликации, что приводит к увеличению числа копий. Вместе с тем некоторые транспозоны способны реплицироваться, что не очень хорошо известно, но важно, так как приводит к дупликации большого числа генов.

Старт и приземление транспозонов после «прыжка» вредят геному! Они могут вызвать повреждения и генетические дефекты генома. Но эти изменения могут оказаться и столь же полезными, как действие токсинов на клетки. Клетки могут лишиться некоторых свойств или приобрести новые. Таким образом, взаимодействие с клеткой следует оптимизировать, так как слишком много «прыжков» дестабилизируют геном, и клетка умрет. В то же время недостаточное количество «прыжков» не вполне информативно и инновационно для клетки, и она также может погибнуть. У эукариотов, в частности у дрожжей, исследователям удалось определить частоту «прыжков». Один из транспозонов дрожжей Ty-1 «прыгает» в одну из 20 000 клеток. «Прыжок» ДНК-транспозона с помощью механизма «вырезать и вставить» может обусловить инновации в силу инсерционного (вставочного) мутагенеза вышеупомянутых генотоксических событий, которые могут привести как к развитию рака, так и к рождению гения. Они обладают двойным действием и могут быть «полезными» и «опасными» одновременно, то есть они, как и ретротранспозоны, способны обусловить инновации. Таким образом, ДНК-транспозоны, видимо, являются самой важной силой, обеспечивающей адаптацию геномов к новым условиям, что может оказаться крайне важным для организмов, у которых при иных условиях вариабельность была бы незначительной, что особенно применимо к некоторым растениям и даже к деревьям. ДНК-транспозоны не могут перемещаться, покидать клетку и всю жизнь проводят на одном месте. Этот период может составлять до 9500 лет, что соответствует возрасту самого древнего известного нам дерева. Их «посещают» компоненты геномов насекомых, жуков, птиц, грибов и других организмов, которые могут нести новую информацию. Возможно, налицо недостаток новой информации, поскольку у растений самое большое число активных ДНК-транспозонов. Недавно было описано ядовитое растение вороний глаз японский ( Paris japonica), у которого 150 млрд пар оснований, что в 50 раз превышает геном человека, а самый гигантский из всех известных геномов – геном тюльпана – готова поспорить, что у него самое большое число ДНК-транспозонов.

В отличие от них, у дрожжей ( S.cerevisiae и S.pombe) совсем нет ДНК-транспозонов (но много ретротранспозонов). Мне непонятно, почему два вида амеб столь разительно отличаются друг от друга – у одного из этих видов ( Entamoeba (E) hystolytica) есть практически только ретротранспозоны, а у другого – только ДНК-транспозоны ( E.invadens). Таким образом, трудно вывести правила, определяющие соотношение различных транспозируемых элементов.

Транспозоны проявляют очень высокую активность не только в геноме растений, но также в геноме мух, где они специализируются на «прыжках» на концы хромосом, обеспечивая защиту от эрозии при делении клетки. Поэтому они являются родственниками или предшественниками теломераз (у них сходные структуры), что продлевает концы наших хромосом в период эмбриогенеза. При клеточном делении они защищают наши геномы от потери важнейшей информации.

А теперь удивлю. Транспозоны создали нашу иммунную систему. Каким образом? Транспозоны защищают клетку от родственных транспозонов. Это называется противовирусной защитой, и это – наша иммунная система, защищающая клетку. Механизм действия прост: любой вирус (включая транспозоны) препятствует проникновению в клетку аналогичного вируса. Это гарантирует вирусу успешную репликацию и получение большого количества потомков при ограниченных ресурсах клетки. Таким образом, защита клетки за счет монополии одного вируса благоприятно влияет на репликацию вируса. Вирусы создали противовирусную защитную систему, которая в итоге стала общей иммунной системой клетки-хозяина. Вирусы «научили» клетки не допускать внедрения вирусов. Иммунная система направлена против своих «создателей» или инициаторов, для чего используется простой механизм отрицательной обратной связи.

Не только эукариотические, но и бактериальные клетки защищаются от слишком большого числа транспозонов. Со временем транспозоны должны быть инактивированы, а клеткам нужно аккумулировать инактивирующие мутации для обеспечения эффективных генетических приобретений. Следует отметить, что у клеток существуют механизмы защиты от транспозируемых элементов, поскольку слишком большое количество «прыжков» клетке вредит. «Прыжкам» противодействует сайленсинг (см. главу 9).

Генетик Барбара Макклинток изучала кукурузные зерна и была удивлена разнообразием цветов зерен. Когда она анализировала цвет зерен индийской кукурузы, стало понятно, что полученные результаты не коррелируются с открытыми Грегором Менделем законами наследования генов. Она не могла найти этому объяснение. В результате в 1940-х гг. Макклинток открыла «прыгающие» гены – транспозоны. Она перевернула общепринятую в то время концепцию о стабильности нашего генного материала даже до того, как в 1953 г. была открыта двухцепочечная ДНК. Она стала открывателем нестабильности ДНК кукурузы и объяснила это действием «прыгающих» генов, которые повлияли на цвет. Уже в 1944–1945 гг. Макклинток наблюдала явление перемещения генов в клеточных хромосомах, что вызывает мутации и изменение цвета зерен индийской кукурузы. Когда в 1951 г. она докладывала о полученных ею результатах научному сообществу, то столкнулась не только с полным непониманием, но даже с враждебностью и неприятием. Полученные ею результаты были восприняты как ересь. Она опередила время на 50 лет.