Карин Мёллинг - Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Мой коллега из Москвы Алексей Мацкевич обнаружил, что у людей в клетках все еще сохраняется слабая система сайленсинга на основе малых интерферирующих РНК. Это довольно неожиданно, поскольку у нас, как уже отмечалось, «более совершенные» и хорошо развитые иммунные системы: интерфероны и иммуноглобулины. Малые «интерферирующие» РНК называются почти так же, как интерфероны, и это верно. Система сайленсинга существует, но она слабая и перекрывается другими, более сильными ( чтобы продемонстрировать систему сайленсинга, малые «интерферирующие» РНК, Алексу пришлось сначала осуществить сайленсинг системы интерферонов; после этого вирусы гриппа реплицировались в четыре раза лучше).

Мы опубликовали эти удивительные результаты. Через восемь лет наш коллега опубликовал такие же данные, но «по рассеянности» не обратил внимания на наши, понадеявшись, что рецензенты этого не заметят. И они действительно не заметили. Время покажет, как долго такое будет оставаться безнаказанным (у этого исследователя в настоящее время есть некоторые проблемы из-за других «забытых» фактов).

Однажды я обратила внимание, что у вирусов и системы сайленсинга для противовирусной защиты схожи не только «ножницы», но и весь набор инструментов, состоящий из 12 компонентов. В 2007 г. на симпозиуме в Колд-Спринг-Харбор я рассказала об этом Дж. Уотсону. Незадолго до этого на обложке Nature был опубликован снимок структуры защитных «ножниц», которая свидетельствует о сходстве между вирусными и противовирусными «ножницами» ( РНКаза и PIWI). Уотсона сразу же убедили мои наблюдения относительно сходства между системами защиты у вирусов и противовирусной защитой. Он уловил смысл моей идеи и тут же сказал: «Представьте рукопись, я поговорю с Брюсом». Он имел в виду Брюса Стилманна, который сменил его на посту руководителя лаборатории. И действительно, Уотсон поговорил с ним в тот же день, и рано утром на следующий день Брюс взял мою рукопись, чтобы включить ее в авторитетный сборник материалов симпозиума. Как здорово! Никогда ранее мою рукопись не брали в печать так быстро – как правило, личное приглашение направляется задолго до публикации. И что лучше всего, я не провела ни одного эксперимента, а лишь сравнительный анализ. И до сих пор не написала полную статью.

Как хорошо для читателя, все просто – вирусная и противовирусная защита тесно взаимосвязаны. Кто у кого научился? (Полагаю, что изобретателями являются вирусы.) Интересно отметить, что трудно проследить взаимоотношения двух пар «ножниц» из их генетических последовательностей, скорее это можно сделать на основе их структур. Это не вполне верно, поскольку существует очень небольшое число структурообразующих связей, сформированных тремя типичными консервативными аминокислотами (D, D, E), которые, однако, трудно найти среди других 120 аминокислот. По крайней мере мы не смогли их обнаружить, хотя и искали. Таким образом, структура гораздо важнее последовательности, и об этом стоит помнить! Подобные функции называются «ортологические». В настоящее время «ножницы» РНКазы считаются самой часто встречающейся укладкой белка и доменами в биологии вообще, о чем свидетельствует открытие, сделанное специалистом по эволюционному развитию и биоинформатике Густаво Каэтано-Аноллесом из Иллинойса, которое удивило меня. РНКаза Н – самые древние «ножницы» в мире! При анализе данных по многочисленным образцам, собранным в 2015 г. во время экспедиции Tara Oceans, было изучено несколько миллионов последовательностей организмов планктона, и оказалось, что РНКаза и обратная транскриптаза – самые распространенные белки . Предположительно это объясняется тем, что ретровирусы, ретротранспозоны и противовирусная защита настолько распространены, что наблюдаются даже в океаническом планктоне. Все были удивлены. ( Как осуществляется сайленсинг? Для тех, кому интересно: РНК, попадающая в клетку, встретившись с аналогичной РНК от предыдущих инфекций, распознается и расщепляется молекулярными «ножницами». Набор инструментов применительно к инфекциям и системе защиты одинаков. Структуры «ножниц» идентичны, но у них разные названия: ОТ-РНКаза у вирусов и Argonaute (PAZ и PIWI) у защитной системы. «Ножницы» присутствуют во многих биологических системах, не только в вирусах, но и в бактериях и митохондриях и задействованы в процессе эмбрионального развития и генетических заболеваниях у человека (об AGS речь шла выше). Совсем недавно была открыта система противовирусной защиты бактерий CRISPR/Cas9, где Cas9 – «ножницы», защищающие бактерии от новых фагов. Недавно открыта PIWI-взаимодействующая РНК, или сокращенно piРНК, влияющая на трансгенерационное наследование. Об этом ниже.)

Таким образом, для «ножниц» существует много названий. Как они появились? Обычно разрезание носит не специфический характер, а РНКазы Н надо направить на специфические участки, где с высокой точностью происходит расщепление. Они почти похожи на настоящие ножницы, поскольку расщепляют реально существующие химические связи. Первоначально РНКаза Н распознавала и расщепляла только родственные (знакомые) возбудители, но со временем приобрела универсальный характер. «Ножницы» проявляют активность внутри клетки, и в свое время они попали в клетку вместе с первым вирусом-возбудителем. Возможно, белковые «ножницы» стали результатом расщепления РНК, и в эволюции известны следующие тенденции: РНК – белок, рибозимы – РНКаза Н, РНК-«ножницы» – белковые «ножницы». Для того чтобы заниматься анализом такого сценария, мне пришлось уйти в отставку. Существует около 10 типов молекулярных «ножниц», РНКаз Н, и в силу ряда исторических причин у них разные названия. Я открыла ретровирусную РНКазу Н и изучала ее несколько десятилетий. Эта тема занимала мои мысли много лет, но я упустила из вида все остальное.

Довольно удручающий, хотя и занимательный результат. А все из-за специализации и повседневных забот, обусловленных работой в штате, – это я говорю в свое оправдание, – которые для меня внове и забирают много времени. И тем не менее… Как я могла всего этого не заметить? Ведь эти открытия могла бы сделать я, но не сделала!

Нужна ли бактериям иммунная система? Могут ли они заболеть? Как распознать больные бактерии? Нужна ли им противовирусная защита? Могут ли они защититься? На самом деле бактерии не болеют. Но они являются прибежищем для вирусов, имеющих специальное название – фаги. Индуцируют ли фаги заболевания? Я не знаю, но фаги способны на гораздо большее. Они могут лизировать бактерии и полностью их уничтожать. Это происходит при следующих обстоятельствах: стресс под влиянием условий среды, высокая температура, отсутствие пищи и недостаточность пространства. Нужна ли бактериям иммунная система от их вирусов, фагов? Да, нужна: бактериям необходима противофаговая система защиты, но не для защиты от болезней, а чтобы не умереть! Поскольку большинство фагов содержит ДНК, бактериям требуется антивирусная ДНК-защита, так же как РНК-содержащим вирусам нужна противовирусная РНК-защита.