Унаследованные вирусы
Хоуард Темин открыл не только фермент обратную транскриптазу, описанную в главе 3, но и эндогенные вирусы. Он был первооткрывателем в области исследований ретровирусов и обладал очень развитым воображением. Несмотря на ожесточенное сопротивление общественности и даже своих сотрудников, он утверждал, что должны существовать наследуемые формы РНК-содержащих ретровирусов, имеющих «промежуточную» ДНК-форму в ДНК-геномах хозяина. Для транскрипции вирусной РНК в ДНК эндогенным вирусам необходима обратная транскриптаза. Я была среди тех, кто не верил в это утверждение, и мне не удалось обнаружить обратную транскриптазу.
Обычно вирусы передаются «горизонтально», как экзогенные вирусы, которые могут распространяться внутри организма, а также от человека к человеку. Однако в ряде случаев такие вирусы могут инфицировать стволовые клетки, после чего они передаются «вертикально», от поколения к поколению. Как правило, это очень редкое явление, но такое может произойти, поскольку в организме вирусная инфекция распространяется триллионами вирусов. Обычно ретровирусы интегрируются в соматические клетки, но некоторые из них интегрируются и в стволовые клетки в качестве провирусной ДНК и передаются потомству. Можно ли унаследовать вирусы от родителей? Мы не должны этого делать – именно поэтому для целей генной терапии не разрешается использовать реплицирующие вирусы, которые могут интегрироваться в зародышевые клетки и передаваться будущим поколениям. В исследовательской деятельности это абсолютно запретная область.
Большинство унаследованных «эндогенных» вирусов происходят от ретровирусов. Но в нашем геноме могут оказаться и другие вирусы, даже РНК-содержащие вирусы, которые никогда не доходят до ДНК-стадии, используют одну из множества молекул обратной транскриптазы, плавающих в наших клетках, и производят копии ДНК, обеспечивая интеграцию. В настоящее время изучением этих вопросов занимается новая научная дисциплина – палеовирусология, которая появилась благодаря новым эффективным методам секвенирования. Исследователи всячески стремились найти вирусы в нашем геноме, и им это удалось.
Часто вирусы перестают продуцировать реальные вирусные частицы: они дефектны. Унаследованные последовательности эндогенных вирусов остаются в одних и тех же местах, и в силу этого их можно отличить от новых острых инфекций, которые встраиваются более или менее случайным образом. Это простой и легковыполнимый способ распознавания.
Мы рассмотрим механизм перехода от экзогенных к эндогенным вирусам на примере австралийских коал, так как в этом случае практически в реальном времени можно наблюдать процесс эндогенизации. Читатель может удивиться, узнав, что даже вирус Эбола способен проникать в линии зародышевых клеток. это не наблюдалось в организме человека, но имело место у летучих мышей, свиней и кенгуру. К сожалению? На этом вопросе нужно остановиться подробнее. Основная идея сводится к следующему: эндогенные вирусы защищают от экзогенных вирусов. Они их не пускают!
Экзогенные вирусы, главным образом ретровирусы, продолжают существовать в геноме (соматической) клетки на протяжении всей ее жизни. В случае ВИЧ жизненный цикл инфицированных лимфоцитов может составлять 60 дней. Затем клетки гибнут вместе с интегрированными в них ДНК провирусов. К этому времени продуцирующие вирус клетки распространяют 10 вирионов в день. И все же такое выживание сохраняется практически навсегда, если ДНК провируса интегрируется в зародышевые клетки, поскольку эти клетки передаются из поколения в поколение. Таким образом, ретровирусы в организме отца или матери наследуются детьми как собственные гены, как «свой», а не инородный материал. Это продолжается 100 млн лет, а может быть, и дольше. В отличие от соматических клеток, зародышевые клетки, как правило, не продуцируют потомство, и потому новые вирусные частицы не появляются. 100 млн лет не является точно установленным временны?м рубежом, однако более продолжительные периоды интеграции трудно подтвердить, поскольку вирусные последовательности претерпевают мутации, изменения, делеции, которые в определенный момент аккумулируются настолько, что становится невозможно распознать вирусное происхождение ДНК.
Почему эндогенные вирусы накопились в наших геномах? Они должны происходить от реальных вирусных инфекций. Почему на протяжении миллионов лет они сохраняются в наших геномах как провирусная ДНК? По стечению обстоятельств? Случайно? Является ли интеграция надежным способом «укрывания» вирусов, которые прячутся под видом клеточных генов и так становятся недоступными для распознавания иммунной системой хозяина? Защищен ли эндогенный вирус от иммунной системы хозяина? Если это так, интеграция могла бы стать большим преимуществом не только для вируса, но также для клетки, в чем мы далее сможем убедиться. Все это действительно так.
У клетки практически нет шансов избавиться от эндогенной интегрированной ДНК провируса. В ней всегда есть некоторое количество остатков таких последовательностей. Есть концы провирусной ДНК, длинные концевые повторы (ДКП), которые являются промоторами для вирусных генов. Эти повторы идентичны на обоих концах провирусной ДНК в силу механизма репликации, задействованного в их образовании. Они могут рекомбинироваться после интеграции и тем самым устранять последовательности между ними, расщепляя «слоистые» структуры и оставляя за собой только один ДКП. Это приводит к формированию многочисленных одиночных ДКП и только нескольким полноразмерным ретровирусам. (.)
В случае гибели клетки гибнет и эндогенный вирус. Кроме того, если со временем эндогенные вирусы становятся бесполезными, клетки млекопитающих оказывают им противодействие и укорачивают их. Под понятием «бесполезные» подразумевается, что эти вирусы более не дают клетке никаких преимуществ и перестают защищать ее от внешних вирусов (см. далее). Как правило, оставшаяся часть вируса функциональна.
Именно так в наших геномах накапливается большое число поврежденных вирусов, и этот процесс идет миллионы лет. Зачастую первыми теряются гены, кодирующие белки оболочки Env. Эти белки необходимы для упаковки и высвобождения интактных вирусных частиц. Будучи лишенными Env-покрытия, вирусы становятся «голыми» и не могут ни покинуть клетку, ни проникнуть в новую. В этом случае существует две возможности: Env может быть утрачен, но также может быть приобретен во время эволюции или заимствован из вспомогательного вируса.
Кроме того, эндогенные вирусы можно инактивировать путем мутагенеза – этот механизм помогает избавиться от эндогенного вируса, по крайней мере функционально. «Стоп-кодоны» задействуются, когда вирусы перестают быть селективными, больше не способствуют защите клетки от других вирусов и начинают вырождаться. Эндогенные вирусы действительно дают клетке удивительные преимущества. Они способны защищать клетку-хозяина от суперинфекции, индуцируемой другими вирусами. Если клетка занята репликацией первого вируса, она блокирует проникновение в нее второго. Это явление называется «вирусная интерференция», что напоминает «интерферон», молекулу, обеспечивающую противовирусную защиту клеток млекопитающих, о чем мы поговорим в главе 9. Фаги тоже способны «занимать» клетки бактерии-хозяина, не допуская их инфицирования другими фагами. У бактерий это явление называется исключением гиперинфекции – предотвращением проникновения других фагов в клетки. Даже самые древние с точки зрения эволюции биоэлементы – вироиды, состоящие только из «голых» некодирующих нкРНК, уничтожают конкурентов, расщепляя (или разрезая) их. Этот механизм, называемый «сайленсинг», очень широко используется для иммунной защиты. Он основан на РНК, но вирусные белки тоже способны составить конкуренцию вирусам, захватывая рецепторы на поверхности клетки, которые зачастую являются якорями для внедрения вируса. Это один из многих, очень вариабельных, методов вирусной защиты. В общем, вирусы могут защищаться от других вирусов, обеспечивая клеткам противовирусную защиту, и обычно это называется иммунной системой клетки или организма. Все известные иммунные системы сформированы вирусами. И они созданы против вирусов! Вирусы похожи на противовирусную защиту!
Это сильное заявление, но его можно доказать. Существует взаимная выгода и для вируса, и для клетки. Таким образом, вирусы, даже поврежденные, могут оказаться полезными для своего хозяина. Поэтому, вероятно, они не исчезли, а остаются внутри наших геномов миллиарды лет.
Мировое научное сообщество испытало потрясение, когда выяснилось, что геном человека почти на 50% состоит из ретровирусов или вирусоподобных элементов. Зачастую они являются интактными вирусами и вырожденными ретровирусами. Это одни из самых впечатляющих результатов научных исследований XXI в., и они действительны для всех эукариотических организмов – млекопитающих, растений, насекомых, грибов и их спор и т.д. Другая неожиданность: даже интегрированные дефектные ретровирусные элементы способны «двигаться», но только внутри клетки, и у них нет шансов ее покинуть. И все же они передаются следующим поколениям в качестве клеточных генов и их трудно устранить.
Между тем при оплодотворении яйцеклетки действует весьма удивительная модель защиты. Новый эмбрион начинается «с нуля»Эмбрион наследует родительские гены со всеми эндогенными ретровирусами. Однако они, как правило, инактивируются путем сайленсинга, функциональной инактивации. Это фантастически эффективный механизм, изобретенный природой, который имеет целью инактивировать остатки вирусных последовательностей родительских генов и гарантировать новое начало жизни для нового поколения. Механизм сайленсинга был открыт лишь недавно. Сайленсинг вирусов основан на химических модификациях ДНК или хроматина, белок-содержащего упаковочного материала для ДНК. Дизайнерские гены, используемые в генной терапии, также подвергаются сайленсингу в поврежденных клетках как потенциально опасные – к большому разочарованию исследователей, врачей и пациентов.
Существуют ли эндогенные вирусы только в эукариотах? А в бактериях? Они присутствуют и в бактериях: до 20% генома бактерий состоит из ДНК профагов. И лишь недавно было установлено, что многие профаги фрагментированы и в них отмечаются вкрапления спейсерных последовательностей. Этот результат работы иммунной системы против фагов, обозначаемой CRISPR/Cas9, является самым впечатляющим прорывом в области молекулярно-биологических исследований. Таким образом, интегрированные ДНК профагов или ДНК провирусов защищают своих хозяев от фагов и вирусов соответственно. В одном случае хозяином являются бактерии/прокариоты, а в другом – эукариоты, включая нас.
