Предки человека заимствовали полезные гены у вирусов

На модерации Отложенный Вирусам иногда удается встроить свою ДНК в геном половых клеток хозяина и стать постоянным наследуемым компонентом хозяйского генома. Встроенные вирусные гены обычно не приносят пользы хозяину, но бывают и исключения. Один из таких случаев произошел у предков обезьян более 43 млн лет назад. Два вирусных белка, когда-то служившие для построения оболочки вируса, с тех пор участвуют в работе плаценты у высших приматов, включая человека.

В геноме человека и других животных присутствует множество так называемых эндогенных ретровирусов (ЭРВ) — встроенных вирусных геномов. Обычные, то есть «дикие», или экзогенные ретровирусы, хранят свой наследственный материал в виде молекул РНК, упакованных в белковую оболочку. Клетка, зараженная ретровирусом, синтезирует вирусные белки на основе инструкций, записанных в вирусной РНК. Один из этих белков — фермент обратная транскриптаза — использует вирусную РНК в качестве матрицы для синтеза ДНК. Затем другой вирусный фермент — интеграза — встраивает эту ДНК в геном хозяйской клетки. В результате вирусный геном становится частью генома клетки и начинает размножаться вместе с ним. Такой встроенный вирусный геном называют «провирусом». Молекулы РНК, «считанные» клеткой с провируса, становятся основой для формирования новых вирусных частиц.

До тех пор, пока всё это происходит в соматических (неполовых) клетках, вирусная инфекция не становится наследственной. Но если ретровирусу удается проникнуть в половые клетки, у него появляется шанс стать неотъемлемой частью хозяйского генома на долгие времена. Такие ретровирусы, встроившиеся когда-то в геном половых клеток и устойчиво передающиеся от родителей к потомкам, и называют эндогенными ретровирусами.

В большинстве случаев эти генно-инженерные эксперименты, проводимые вирусами над своими хозяевами, не приносят последним никакой пользы. Если в череде поколений возникает мутация, портящая один из генов ЭРВ, то хозяин от этого либо выигрывает, либо, по крайней мере, ничего не теряет. Поэтому отбор не отсеивает такие мутации, что приводит к постепенной деградации ЭРВ под грузом мутаций. В результате большинство ЭРВ в геномах животных — это неактивные вирусные геномы, находящиеся на той или иной стадии разрушения. Такие ЭРВ, очевидно, представляют собой бесполезный генетический «мусор» (junk DNA). Иногда перед тем, как потерять активность, ЭРВ успевают размножиться внутри генома, то есть встроить множество своих копий (до нескольких сотен) в разные места хозяйских хромосом. Так возникают целые «семейства» похожих друг на друга ЭРВ.

В геноме человека большинство ЭРВ — довольно старые, они встроились в геном наших предков свыше 25 млн лет назад, еще до отделения эволюционной линии человекообразных от других обезьян Старого Света. Но есть и «молодые» ЭРВ, полученные нами уже после разделения линий шимпанзе и человека.

Среди человеческих ЭРВ пока не обнаружено ни одного активного. Все они (возможно, за немногими исключениями) уже утратили способность вести себя как настоящие вирусы, то есть заражать другие организмы. По-видимому, они не могут уже и размножаться внутри клетки и встраиваться в другие места того же генома, то есть функционировать как ретротранспозоны (ретровирус, утративший инфекционность, но сохранивший все остальные свойства, становится, по сути дела, ретротранспозоном). Этим человек отличается от мыши, кошки и свиньи — в геномах этих животных есть молодые ЭРВ, сохранившие в той или иной мере свою вирусную активность. Впрочем, генетики уже умеют искусственно «воскрешать» инактивированные человеческие ЭРВ (см. Lee et al., 2007. Reconstitution of an Infectious Human Endogenous Retrovirus).

Постоянным читателям «Элементов» хорошо известно, что фрагменты мобильных генетических элементов (транспозонов, ретротранспозонов) в ходе эволюции иногда привлекаются для выполнения полезных функций в организме хозяина. Это называют «молекулярным одомашниванием» (см. ссылки внизу).

Поддаются ли «одомашниванию» эндогенные ретровирусы? Результаты недавних исследований позволяют ответить на этот вопрос утвердительно. Генетики из Орхусского университета (Aarhus Universitet, Дания) опубликовали в журнале BMC Evolutionary Biology новые данные, из которых следует, что вирусные гены не раз подвергались «одомашниванию», в том числе и в эволюции наших прямых предков.

Ранее было показано, что несколько генов ЭРВ человека, а именно гены белков вирусной оболочки, экспрессируются (работают) в клетках некоторых тканей, в том числе в плаценте. В отличие от других фрагментов ЭРВ, эти гены не разрушаются под грузом мутаций — очевидно, они находятся под действием очищающего отбора (мутации, портящие эти гены, снижают приспособленность и потому отсеиваются отбором). Для трех человеческих генов вирусного происхождения (syncytin 1, syncytin 2, EnvPb1) недавно была экспериментально показана способность инициировать слияние клеток. Белки вирусной оболочки, помимо прочего, обеспечивают проникновение вируса в клетку. Способность этих белков нарушать целостность клеточных мембран может в некоторых случаях оказаться полезной организму — например, в ходе развития наружного слоя плаценты (синцитиотрофобласта), который образуется в результате слияния множества клеток в единое многоядерное целое.

Датские генетики обнаружили и детально изучили еще один яркий случай «одомашнивания» двух вирусных генов, которые изначально кодировали белки вирусной оболочки. Открытие было сделано в ходе целенаправленного поиска неиспорченных вирусных генов в геноме человека. Исследователи нашли два очень похожих друг на друга ретровирусных гена (их назвали ENVV1 и ENVV2), которые, по всей видимости, находятся в рабочем состоянии. Это типичные гены белков оболочки ретровируса. Каждый из них входит в состав своего ЭРВ, причем все остальные части этих ЭРВ давно выведены из строя многочисленными мутациями и вставками транспозонов.

Авторы нашли гены ENVV1 и ENVV2 и в геномах других приматов: у человекообразных (шимпанзе, орангутана), других обезьян Старого Света (макака-резуса, зеленой мартышки), а также у обезьян Нового Света — мармозетки (Marmoset) и беличьей обезьяны, или саймири (Saimiri). Однако у наших более отдаленных родственников — лемуров — этих генов нет. Сопоставив данные по нуклеотидным последовательностям генов ENVV1 и ENVV2 у разных обезьян, исследователи смогли детально реконструировать эволюционную историю этих генов.

Исходный ретровирус проник в геном наших предков и «прижился» там после того, как разделились линии обезьян и лемуров, но до того, как разошлись обезьяны Старого и Нового света, то есть между 77 и 43 млн лет назад. Новый ЭРВ вскоре подвергся двум последовательным дупликациям, и в результате получилось три одинаковых ЭРВ, расположенных по соседству на одной хромосоме. Все участки этих ЭРВ, кроме генов белков оболочки (ENVV1, ENVV2 и ENVV3), стали постепенно дегенерировать. Ген ENVV2 приобрел в результате мутаций какое-то полезное для хозяина свойство и стал бережно сохраняться отбором. Об этом свидетельствует, в частности, резкое преобладание незначимых (синонимичных) нуклеотидных замен над значимыми в этом гене у всех обезьян. Гены ENVV1и ENVV3, по-видимому, тоже приобрели полезные функции (возможно, это произошло еще до утроения исходного ЭРВ), но эти гены оказались не столь незаменимыми, как ENVV2. Поэтому в некоторых эволюционных линиях обезьян эти гены были либо утрачены, либо выведены мутациями из строя. В частности, общий предок человека и шимпанзе потерял ген ENVV3. У их ближайшего родственника орангутана этот ген есть, хотя и в нерабочем состоянии. Ген ENVV1 у орангутана есть, но не работает; у человека и шимпанзе он в полном порядке. Авторы также выяснили, что между генами ENVV1 и ENVV2 в разных эволюционных линиях неоднократно происходил обмен участками (см. генная конверсия). В результате ген ENVV2 мог передать гену ENVV1 свои полезные свойства — полностью или частично.

Весьма интересно, что у обоих видов, у которых это удалось проверить, а именно у человека и павиана, гены ENVV1 и ENVV2 работают в плаценте. Установить экспериментально, какую именно функцию они там выполняют, технически очень сложно, и авторы пока этого не сделали. Но на основе детального анализа структуры белков, кодируемых этими генами, можно заключить, что возможных функций три:
1) управление слиянием клеток в ходе формирования наружного слоя плаценты — синцитиотрофобласта (об этом способе применения вирусных белков говорилось выше);
2) защита эмбриона от иммунной системы матери (у обоих белков есть участок, обладающий иммуносупрессивным действием — это вполне понятно, если вспомнить, что изначально они входили в состав вирусной оболочки);
3) защита эмбриона от «диких» ретровирусов. У ENVV1 и ENVV2 сохранились участки, связывающиеся с теми поверхностными белками клетки, к которым прикрепляются ретровирусы, чтобы проникнуть в клетку. Если к такому поверхностному белку уже прицепился белок ENVV1 или ENVV2, дикий ретровирус не может использовать его для проникновения в клетку. Этот эффект известен под названием «receptor interference».

Исследование убедительно показало, что те генетические модификации, которым нас подвергают ретровирусы, иногда могут оказаться весьма полезными.