Книга Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги? - Майкл Кордингли

Провирус, обосновавшийся в клетках зародышевой линии хозяина, избирает эволюционный путь независимо от своих экзогенных собратьев. Экзогенные ретровирусы живут по тем же правилам, что и другие эгоистичные генетические паразиты, которые вынуждены кочевать от хозяина к хозяину, для того чтобы продолжить свою генетическую линию. Все аспекты их эволюции направляются давлением отбора, которое влияет на относительный успех, с которым вирусы множат свои геномы и передаются от хозяина к хозяину. Эндогенный ретровирусный элемент пересекает черту; он больше не является независимо эволюционирующим эгоистичным элементом, он, пользуясь метким выражением Ричарда Докинза, становится просто эгоистичным геном. Теперь он находится на службе клеточного генома и должен конкурировать за место в пуле генов хозяина, как любой другой, наследуемый по вертикали менделирующий ген. Эндогенные ретровирусные элементы, которые губительно действуют на приспособленность хозяев, будут проигрывать нейтральным и полезным ЭРЭ. Здесь можно провести прямую аналогию с бактериями, нагруженными множеством профагов, расположенных в геноме бактерии-хозяина. По большей части эти профаги являются дефектными; со временем их репликативная способность уменьшается, а кодирующие последовательности инактивируются вследствие мутаций, потому что они не приносят пользы бактериям-хозяевам, а зачастую оказываются вредными. Устойчивые профаги бактериальных штаммов, вероятно, привнесли в клетку какие-то полезные признаки после своей конверсии или обеспечили бактерии защиту от инфицирования другими родственными фагами. Каждый из таких сценариев разыгрывается ЭРЭ позвоночных, проникающими в клетки зародышевых линий. С одной стороны, активно осуществляющие транскрипцию ЭРЭ, в частности, если они сохраняют способность к копированию и размножению в геноме хозяина, напоминают шумных разыгравшихся детишек на перемене в школьной рекреации. Учитель должен призвать их к порядку и утихомирить, если хочет, чтобы дети думали не о шалостях, а об учебе. С другой стороны, провирусные ДНК-последовательности – это клоуны, которые всегда есть в каждом классе, это дар, обеспечивающий генетическое разнообразие хозяина в клетках, и экспрессия этих генов может принести хозяину несомненную пользу. Эти гены содержат элементы генетического контроля, включение которых в область определенного гена может повлиять на все программы экспрессии клеточных генов. Последовательности, кодирующие белки ЭРЭ, могут видоизменяться в ходе эволюции без нарушения существующих функций. Мы уже обсуждали дупликацию генов и ее роль в создании новых генов как в вирусном, так и в хозяйском геноме; создание избыточной и несущественной копии гена оставляет ему свободу эволюционировать самостоятельно и принимать на себя новые функции. Множество мусорных ЭРЭ, разбросанных по геномам позвоночных, по большей части в форме дефектных и укороченных провирусов, инактивированных вследствие мутаций последовательностей, кодировавших белки и выделенные LTR, говорит о том, что подавляющее большинство эндогенных ретровирусных геномов вырождается в нефункционирующие нуклеотидные последовательности. Если клеточные регуляторные механизмы заставляют их умолкнуть или если их генные продукты не находятся под давлением очищающего или положительного отбора, то их ДНК-последовательности освобождаются от сохранения прежних функций. Со временем в этих последовательностях накапливаются случайные мутации, и последовательности дрейфуют из популяции без всякого ущерба для хозяина. То обстоятельство, что ЭРЭ по большей части становятся именно такими пустыми ДНК-последовательностями, служат предметом жарких научных споров; можно, однако, легко найти несколько примеров, иллюстрирующих, как хозяева могут извлечь пользу из своих ЭРЭ. Как и в том, что касается всех феноменов эволюции, мы обратим наше внимание на успешные эволюционные события, закрепившиеся в геномах. Эволюционные провалы, неважно, что они численно намного превосходят достижения, остаются незамеченными, не фиксируются и удаляются из геномов беспощадным очищающим отбором.

К настоящему времени накоплено великое множество данных о том, что включение ЭРЭ в определенные локусы может сильно подстегнуть эволюцию хозяина. Считается, что человеческие ЭРЭ были включены в геном от 10 до 50 миллионов лет назад, за исключением, быть может, человеческих ЭРЭ-К, и они уже давно неактивны. Мыши и другие грызуны, однако, обладают некоторыми ЭРЭ, сохраняющими способность к ретротранспозиции по сей день, а в некоторых случаях из крови грызунов можно получить экзогенные варианты ретровирусов, которые до сих пор могут инфицировать хозяев и вызывать заболевания. Один из таких примеров представлен частицами в мышином геноме. Они сохраняют способность к копированию, то есть к включению в хромосомы клеток зародышевой линии. Документально подтверждено, что такие ретротранспозиции вызывают по меньшей мере 10 % спонтанных мутаций в мышином геноме, что приводит к появлению отчетливых фенотипов (Stocking, Kozak, 2008). Если учитывать, что мутации, летальные для сперматозоидов, яйцеклеток или эмбрионов, остаются незамеченными, то вред для мышиного генома от активных ЭРЭ представляется весьма ощутимым. Хозяева могут, в какой-то степени контролировать экспрессию ЭРЭ и подавлять их мутагенный потенциал, в частности, в эмбриональных и зародышевых клетках. Тем не менее, несмотря на то что вредоносные последствия активности ЭРЭ, вероятно, возникают очень часто, существуют все же и примеры благотворного воздействия. Мы можем утверждать, что у ранних приматов одно включение ЭРЭ в локус гена панкреатической амилазы придало нашим предкам способность экспрессировать ген амилазы в слюнных железах (Samuelson, Phillips, Swanberg, 1996; Meisler, Ting, 1993). Это наследственное изменение обеспечило тканеспецифичную экспрессию определенного гена и, кроме того, сделало нас сладкоежками. В этом случае включение последовательности ДНК регуляторного гена близко к месту старта транскрипции гена амилазы позволило слюнным железам секретировать амилазу. Результирующий фенотип предоставил приматам определенные преимущества, сделав обезьян способными лучше усваивать сложные углеводы.

Известно, что гомологические последовательности в любом геноме склонны к упорядочиванию и становятся связующим звеном для гомологичных рекомбинаций между двумя фрагментами ДНК. Пролиферация ЭРЭ с идентичными или гомологичными последовательностями создала геномы, содержащие более 1000 таких последовательностей. Генетики поэтому имеют все основания считать, что эти рассеянные по геному последовательности способны к рекомбинациям, которые могут привести к перестройкам, делециям или дупликациям геномных последовательностей. В 2001 году сотрудники одной из ведущих лабораторий, занимающихся генетикой ретровирусов, принялись за поиск прямых доказательств того, что такие события являются общим правилом и могут вносить существенный вклад в эволюцию (Hughes, Coffin, 2001). Ученые сфокусировали внимание на человеческом ЭРЭ-К, так как существуют убедительные свидетельства того, что они активны в геномах приматов на протяжении последних 30 миллионов лет. Авторы проанализировали нуклеотидные последовательности ДНК и проследили филогенетическое родство тридцати пяти полноценных человеческих ЭРЭ-К-провирусов в ДНК человека и сравнили их распределение с распределением в геномах других приматов; некоторые последовательности были обнаружены у множества других приматов; иные были присущи только человеку или одновременно с ним только гориллам и шимпанзе. Это убедительное свидетельство в пользу того, что эти элементы появились в результате включений, происходивших совсем недавно по меркам эволюции. Некоторые произошли уже после возникновения рода гоминид. Эти исследования значительно расширили наши знания. Речь идет о фундаментальных основах включения в геном провируса: длинные концевые повторы, которые с обеих сторон примыкают к каждому провирусу, по своим нуклеотидным последовательностям идентичны последовательностям, существовавшим в тот момент, когда провирус включался в геном. Более того, каждая последовательность длинных концевых повторов привязана к единственному фрагменту фланкирующей клеточной ДНК, что позволяет надежно его картировать в геномной последовательности. Можно ожидать, что в эндогенных ретровирусных элементах каждый провирусный длинный концевой повтор будет накапливать нуклеотидные замены с той же медленной скоростью, что и клеточная ДНК. Длинные концевые повторы одного провируса создаются в результате единичного события включения в один момент времени и будут поэтому находиться рядом друг с другом на филогенетическом дереве. Работа Хьюза и Коффина (2001) показала, что длинные концевые повторы некоторых локусов человеческих ЭРЭ-К не создают кластеров на филогенетическом дереве, откуда был сделан вывод о том, что их фланкирующие длинные концевые повторы происходят из разных вирусов, включенных в геном в разное время. Рекомбинации между элементами имели место между двумя самостоятельными провирусами, создавшими человеческие ЭРЭ-К с «нестыкующимися» длинными концевыми повторами. В некоторых случаях получены данные о том, что отличительные фланкирующие последовательности хозяйской ДНК также не соответствовали друг другу. В целом можно считать, что один из пяти полноразмерных человеческих ЭРЭ-К подвергся рекомбинации, которая привела к существенным перестановкам или делециям в клеточных нуклеотидных последовательностях. В ходе этого анализа удалось скрупулезно рассмотреть не более тридцати пяти человеческих ЭРЭ, но наш геном содержит почти сто тысяч таких элементов. Если можно обобщить полученные данные (а почему бы и нет?), то мы поймем, что не следует недооценивать масштаб генетических инноваций, достижимых благодаря такому геномному «отягощению».