Что нам дают вирусы: рак или гениальность?

Есть ряд деталей, которые читатель мог упустить из вида, поскольку сводное заключение было приведено чуть выше. Но, вероятно, последующие разделы также окажутся информативными.

Эндогенные ретровирусы человека (HERV) – самые крупные ретроэлементы в нашем геноме. Они составляют до 8% нашего генома, их 450 000. Из них полностью интактными являются лишь около 40 000. В качестве промоторов у них два ДКП, по одному с каждого конца, а для репликации используются гены gag и pol. Белки pol состоят из вирусной протеазы, обратной транскриптазы, РНКазы Н и интегразы, всех ферментов, необходимых для репликации полного ретровируса. Белок оболочки Env не всегда присутствует. Большинство эндогенных вирусов интактны и полны мутаций. Некоторые из них могут выходить из клетки как частицы, но не могут инфицировать другие клетки. Эндогенные вирусы, которые до сих пор выявляются, предпочитают интегрироваться между «реальными» генами в интроны, что менее вредно для нашего генома, нежели интеграция в одном из 20 000 реальных, кодирующих белок генов. Видимо, до сегодняшнего времени сохранились клетки только с такой безопасной интеграцией, других уже не существует. Согласно нашим расчетам, интеграция определенного HERV-K, который мы анализировали, произошла 35 млн лет назад. Может возникнуть вопрос, что происходило на планете в это время. Метеориты, солнечный ветер, образование сверхновых звезд, изменение положения оси вращения Земли – все что угодно, и никто ничего точно не знает.

Моему коллеге Феликсу Брекеру удалось показать, что интегрированный эндогенный ретровирус HERV-K способен вызывать рак. Интегрированные ретровирусы могут вставляться в «правильном» или «неправильном» направлении, что означает параллельную или непараллельную ориентацию генов. Продукты «считывания» вируса, попавшие в соседние гены, могут либо усилить, либо ослабить их экспрессию. Если соседний ген абсолютно необходим (например, ген – супрессор опухоли), а непараллельная экспрессия вируса инактивирует его, то клетка может стать раковой. Мы смогли продемонстрировать это явление в лабораторных условиях на культуре клеток. Является ли это одной из причин развития рака? Где, при каких опухолях и как часто это может происходить? Такого рода трудные вопросы мне задавали рецензенты нашей рукописи. А мы не знали ответов на них. Даже специалисты в области информатики из Принстонского института перспективных исследований не располагали базой данных, полученных при анализе опухолей пациентов, в которой было бы достаточно сведений для ответа на этот вопрос. Думаю, что на этот вопрос в принципе не удастся ответить. Даже ученые из одного крупного консорциума по изучению рака, основываясь на имеющейся у них базе данных, не смогли понять, постоянно или эпизодически HERV участвует в развитии рака. У некоторых пациентов HERV-K участвует в развитии амиотрофического бокового склероза (АБС), тем не менее до сих пор остается открытым вопрос, насколько повсеместный характер носит это явление.

Существует много вырожденных HERV, которые могут сократиться до одного-единственного промотора ДКП. Так бывает, если вирусы устраняются путем рекомбинации двух идентичных ДКП: все остальные образуют «лассо» или «петлю», которые затем разрезаются. Один ДКП – это самое мелкое, что остается от ретровируса, это его след. Тем не менее все эти остаточные промотор-подобные «соло-ДКП» все еще могут влиять на соседние гены, включая их или выключая, что очень много!

Следующие достаточно близкие родственники – это ретротранспозоны или ретроэлементы. Их основная характеристика заключается в транспозиции ДНК при содействии РНК через механизм обратной транскриптазы, для чего используется механизм «копировать и вставить». Ретроэлементы очень похожи на ретровирусы тем, что они кодируют обратную транскриптазу, молекулярные «ножницы» РНКазу Н, интегразу и РНК-связывающий белок для транспорта и защиты РНК. У них также имеются длинные концевые повторы (ДКП), которые являются вирусными промоторами, необходимыми для интеграции и регуляции генной экспрессии. При наличии белков Env они могут покинуть клетку, а без Env – нет. Их часто называют эндогенными ретротранспозонами.

У ретротранспозонов есть и вторая разновидность, еще короче и лишенная промоторов ДКП, которая называется длинными диспергированными повторяющимися элементами (LINE), у них только два набора белков – Orf1 и Orf2, которые используются для транспортировки, и обратная транскриптаза вместе с эндонуклеазой – для транспозиции. LINE-элементы, или сокращенно L1, являются транспозируемыми элементами (ТЭ) и могут «прыгать» с помощью механизма «копировать и вставить», в результате чего геном увеличивается путем дупликации генов. Они составляют 21% нашего генома, а длина каждого – 10 000 нуклеотидов. В геноме человека содержится примерно 850 000 копий этих LINE-элементов. LINE-элементы дуплицировались, «размножались» более 80 млн лет, влияя на геном человека. Некоторые из них до сих пор активны, и примерно 100 из них в мозге эмбрионов, или, в соответствии с другими оценками, по одному на 10 000 клеток. Было показано, что некоторые из них способны «прыгать» в тканях головного мозга эмбрионов мышей и вызывать серьезные изменения. Как показал Фред Гейдж, американский исследователь головного мозга, при одном из психоневрологических заболеваний, синдроме Ретта, «прыгающие» гены отмечаются в мозге здорового человека чаще. Было зарегистрировано около 60 случаев этого заболевания, что может быть связано с новыми вставками, способными индуцировать развитие таких заболеваний, как гемофилия, болезни мозга, аутизм и рак. Совсем недавно Фред Гейдж высказал гипотезу о том, что даже старческое заболевание – болезнь Альцгеймера – связано с действием транспозируемых элементов. За жизнь нейрона взрослого человека в среднем происходит примерно 14 таких «прыжков», и их последствия никому не известны.

Предполагается, что активация ретроэлементов происходит на фоне клеточного стресса. Такой стресс может быть индуцирован УФ-излучением, действием химических веществ, ядов или агентов, повреждающих ДНК. Существуют веские основания для активации ТЭ. Если клетка находится в состоянии стресса, возможно изменение ее свойств, способных помочь ей справиться со стрессом, а ретротранспозоны могут обусловить быстрое появление новых качеств и повышение выживаемости. Повторю свою «мантру»: вирусы являются двигателем эволюции и создателями новых свойств. Без них мы бы не выжили!

И в заключение отмечу следующее: если показатель заболеваемости LINE-заболеваниями не является верхушкой айсберга, значит, они крайне редко провоцируют болезни. У меня сложилось такое впечатление, но возможно, в будущем появится больше данных, опровергающих мое представление.

Механизм «копировать и вставить» приводит лишь к точечному повреждению генома. Чтобы этого не произошло, в соматических клетках процесс «прыжка» контролируется жестче, чем в эмбрионах. Там «прыжки» могут иметь серьезные последствия. Могут ли они, помимо заболеваний, обусловить рождение нового Моцарта, Ньютона или Эйнштейна – то есть рак или гениальность? В настоящее время рассматривается возможность развития аутизма и таких состояний, как синдром Аспергера («мудрецы» с исключительными качествами), в результате действия этого механизма и вопрос, могут ли «прыгающие» гены привести к рождению Ньютонов и Эйнштейнов.

Возможно, ретротранспозоны вносят свой вклад в способность человека разговаривать, формировать модель социального поведения, а также влияют на его сознание. Похоже, что даже растения научились таким образом привлекать насекомых для репликации и обмена генами. «Лотос» (Lotus) – таково привлекательное название ретротранспозона у цветущих растений. У культивируемых растений имеется огромное количество транспозируемых элементов (ТЭ). В геноме кукурузы на их долю приходится 90%, а в геноме пшеницы – более 80%. Для сравнения: доля ТЭ в геноме человека составляет примерно 42%, а по некоторым оценкам – 66%. Выявить ТЭ при проведении анализа генома не так-то просто, поскольку они не всегда находятся на одних и тех же местах, а их местонахождение не совпадает с местонахождением ТЭ в референсном геноме. Такие сравнения обычно основаны на сопоставлении «сохраняющихся» свойств, поэтому при проведении анализа секвенирования «прыгающие» гены и интегрированные вирусы легко не заметить и даже счесть чем-то незначащим. Их релевантность недооценивается, несмотря на их вклад в осуществление эффективных инноваций в геномах многих видов живых существ.

Ретротранспозоны обусловливают дуплицирование генов. Такое явление часто происходит в геноме человека и коррелируется со свойствами, которые делают нас особенными. Специалист по эволюции Сванте Пааб, работающий в Лейпциге, проанализировал дупликацию генов в геномах человека и обнаружил эндогенные ретровирусы, а также LINE-элементы в геноме неандертальца. Неандертальцы жили примерно 200 000–40 000 лет назад.

Дупликация генов характеризуется наличием «опорной ноги» и «свободной ноги» – как у греческих статуй, – таким образом, одна «нога» может без всякого риска пробовать внедрять инновации, поскольку вторая «нога» копирует информацию. Поэтому дупликация генов может оказаться особенно важной для расширения генома и новых адаптаций. Дуплицированные гены способны к вырождению и остаются в качестве псевдогенов, не выполняющих никаких действительных функций. Около 100 млн лет назад геном дрожжей удвоился. Рекорд принадлежит пшенице, геном которой увеличился в шесть раз, и сейчас он огромный, больше нашего. Геном тюльпана в 10 раз крупнее нашего генома, с тремя связанными между собой хромосомами, что, возможно, является следствием разведения этих растений.

В геномах человека самый высокий показатель амплификации генов отмечается в опухолевых клетках, где большое количество онкогенов увеличивается не менее чем в 20 раз. В частности, ген Myc амплифицируется в опухолевых тканях мозга в 10 000 раз, и, видимо, именно этим обусловлена высокая агрессивность именно этого вида опухоли.