Фрэнк Райан - Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза
Широко известный пример митохондриального заболевания, вызванного мутациями содержащихся в ядре митохондриальных генов, — атаксия Фридрайха. Ее вызывает мутировавший ядерный ген FXN, кодирующий митохондриальный протеин фратаксин, который делает возможным удаление железа из митохондрии; потому в случае отсутствия фратаксина либо его дефектности митохондрия накапливает железо, из-за чего сильно повреждается свободными радикалами и прекращает функционировать. По мере накопления клинических данных доктора заподозрили: дефекты митохондрий могут играть значительную роль в происхождении многих болезней — таких, как сахарный диабет, рак, инфаркт, остеопороз, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, инсульт — и, возможно, в самом процессе старения. Генетики уже тестируют генную терапию наследственной атрофии зрительного нерва (болезни Лебера). Несомненно, со временем будут разработаны новые эффективные виды генной терапии митохондриальных заболеваний, и для разработки их потребуется учитывать симбиотическое эволюционное происхождение митохондрий, а также сложную генетическую и молекулярную динамику, возникающую как следствие такого происхождения митохондрий.
Ранее я вкратце описал роль HERV, их продуктов и зависящих от них элементов в человеческой эволюции, генетике, эмбриологии и поддержании нормального метаболизма. Теперь же, полагаясь на эти знания, приступим к изучению связи эндогенных ретровирусов с наследственными заболеваниями.
Как было показано ранее в это книге, эндогенные ретро-вирусы, несомненно, внесли важнейший вклад в человеческую эволюцию. Однако и после включения в наш геном они остаются потенциально вредоносными. Что сулит нам сосуществование с множеством уже развитых, функциональных чужеродных генов и вирусных LTR, этих мощных регуляторов генной активности? Конечно, мы не выбирали наших сожителей. Вирусы едва ли дожидаются, пока естественный отбор помашет им ручкой и скажет: «Включись в геном, ты полезен». Симбиоз с вирусами происходит по их инициативе, диктуется их стратегией выживания.
Во время недавнего моего выступления перед группой биотехнологов слушатель спросил меня: «Какая часть из всех этих угнездившихся в геноме вирусов активна?»
Я затруднился с ответом. Прежде всего потому, что наши знания о вкладе HERV в нормальное функционирование человеческого генома весьма ограничены. Но есть и другие, не менее весомые причины. Особенности бактериального в своей сущности митохондриального генома наталкивают на мысль, что и вирусные части человеческого ядерного генома могут вести себя вовсе не так, как части, доставшиеся нам от предков-позвоночных. Они ведь и структурно отличаются: вирусные гены не состоят из разделенных интронами экзонов, что свойственно генам позвоночных. Имеются и другие отличия. Мутация — стоп-кодон — в ключевой последовательности гена позвоночных делает ген неактивным. То же самое случается и в случае мутации в ключевой последовательности вирусных генов, но, как показали упоминавшиеся выше исследования Вайса, вирусный ген либо целая область env вирусного генома могут быть реактивированы при взаимодействии с другим вирусом.
Подобное взаимодействие, приводящее к созданию нового голобионтического вирусного генома вследствие рекомбинации нескольких отдельных вирусных геномов, по сути, проявление симбиоза между вирусами. Свойство вирусов объединяться важно для медицины — обычно так и возникают новые штаммы гриппа, вызывающие пандемии. Например, анализ, проведенный Канадской национальной микробиологической лабораторией в Виннипеге и Центром по контролю и профилактике заболеваний США в Атланте, показал: вызвавший эпидемию апреля 2009 года вирус свиного гриппа — это сборная солянка из частей генома вирусов гриппа человека, птиц и свиней. Причем эти исходные вирусы встречаются в разных частях света: в Северной Америке, Европе и Азии. Хотя в точности происхождение вируса свиного гриппа не выяснено, вполне возможно, что он развился в геноме свиней посредством голобионтического слияния геномов трех разных вирусов гриппа. Слияния такого рода — мощнейший из известных симбиогенетических механизмов, способный за очень короткое время произвести новую смертоносную заразу. Потому и не слишком удивительно мнение экспертов, считающих, что новому вирусу присуща «такая сложность, какой до сих пор мы понять не можем».
Вирусы и их последовательности обладают и другими характерными особенностями. Например, несмотря на наличие стоп-кодона, оборванная им генная последовательность может сохранить способность кодировать белки, хотя и не такие, как раньше. Я хочу особо подчеркнуть и прошу запомнить: длительное время после интеграции вируса в геном носителя вирусные гены и последовательности сохраняют принципиально вирусный характер. Например, они способны к рекомбинации с вирусными компонентами в других хромосомах. А некоторые производные вирусов и зависящие от них структуры сохраняют вирусную способность воспроизводить себя в геноме носителя. Потому-то на теперешней стадии изучения вирусной составляющей генома разумно просто сознаться: мы не знаем, какая именно часть огромного вирусного наследия нашего организма активна. Несомненно, значительная часть — ведь, как мы уже знаем, вирусные компоненты принципиально важны для человеческого развития и нормального метаболизма.
В силу изобилия вирусов и их производных в нашем геноме и несмотря на давность «приручения» естественным отбором этих вирусов, неудивительно, что иногда наши эндогенные вирусы все же вызывают заболевания. Чтобы понять, как это происходит, следует снова взглянуть на наследственные заболевания, вызываемые дефектами генома митохондрий. Как и митохондрии, HERV когда-то были независимо развивающимися паразитическими организмами. Но когда «эгоистический» экзогенный вирус вступил в долговременное голобионтическое партнерство с носителем, развиваться он уже стал по законам симбиоза. И законы эти должны были вступить в силу сразу после эндогенизации, ибо ведущий себя «эгоистически» вирус, передающийся по наследству, очень опасен для носителя. Поэтому сразу после внедрения вируса в геном половых клеток защитные средства клеток носителя делают неактивными вирусные гены и контрольные последовательности посредством таких эпигенетических механизмов, как метиляция, — об этом я расскажу чуть позднее. Но в случае митохондрий такая защита действенна далеко не всегда, и то же самое можно сказать о вирусах.
Генетический симбиоз зачастую приводит к эволюции более быстрой, чем при классическом процессе накопления мутаций и отбора. Я начал свою книгу «Слепое пятно Дарвина» с описания работ профессора Кванга Жеона, исследовавшего симбиоз амебы Amoeba proteus и хромогенной бактерии. Этот симбиоз начался с жесточайшего паразитизма, но за год превратился в генетический симбиоз. Результаты исследований профессора Кванга Жеона можно резюмировать так: во-первых, произошел такой же союз бактерии с протистом, какой произошел давным-давно с предками митохондрий; во-вторых, генетический симбиоз, включающий объединение геномов, может происходить с устрашающей быстротой. Появление в геноме мощных регуляторов генной активности, таких, как LTR, и соседство их с генами позвоночных, гибкость вирусных генов и их способность внедряться в самые разные места генома подвергают новообразовавшийся голобионтаческий организм проверке на прочность. И рано или поздно — причем по шкале времени вирусной эволюции, скорее всего, рано — общий геном и организм, кодируемый им, изменятся.
Изучая эндогенные вирусы, следует запомнить и учитывать несколько важных обстоятельств. Первое: рассматривая эндогенные вирусы, вирусные последовательности и зависящие от них элементы (такие, как Alu) в качестве возможного источника болезней, следует принимать во внимание возможное сильное отличие их поведения от поведения аналогичных элементов позвоночного происхождения. Второе: участие HERV в процессе болезни может происходить отнюдь не от «эгоистического» поведения HERV, но из-за вовлеченности HERV в работу тела — будь то формирование эмбриона либо нормальный метаболизм. Это может происходить из-за мутации позвоночных генов — но также из-за взаимодействия со свежеприбывшим экзогенным вирусом либо со связанной с другим HERV структурой, подобной LINE или Alu. Третье: вирусы всегда остаются в сущности своей вирусами. Как митохондрии сохранили отчетливо бактериальные особенности, так и вирусы остались верны себе. Это значит: как бы долго ни были инкорпорированы они в голобионтический геном, HERV и их производные могут причинять болезни иначе, чем гены позвоночных и их производные. И то, каким образом HERV это делают, можно понять и предсказать, опираясь на знание вирусов.
