Все ретровирусы обладают набором одних и тех же ядерных генов (gag, pol и env) и реплицируются, копируя их РНК-геном в двойную цепь ДНК в окружении длинных повторов, которые перманентно включаются в геном клетки-хозяина. Экспрессия генов и синтез вирусного генома осуществляются в результате копирования последовательности включенного в ДНК провируса. Если говорить о современности, то, например, ВИЧ-1 является исключительно экзогенным ретровирусом. Его провирусы удерживаются в геноме в течение всей жизни инфицированной клетки. Они тем не менее не наследуются и не передаются вертикально потомкам хозяина. Причина заключается в том, что ВИЧ-1 инфицирует только соматические клетки, где и образует провирус. Для того чтобы стать эндогенным, а следовательно, получить способность наследоваться по вертикали потомству, ВИЧ-1 должен внедряться в наши половые клетки, дающие начало гаметам (сперматозоидам у мужчин и яйцеклеткам у женщин). Если ВИЧ-1 действительно инфицирует человеческие половые клетки с какой-то регулярностью, то, как представляется, он препятствует нормальному оплодотворению и образованию жизнеспособного эмбриона. Инфицирование половых клеток ретровирусом – это лотерея; инфицированная гамета должна выжить, она должна случайным образом образовать жизнеспособную зиготу и выжить до достижения взрослого состояния, чтобы воспроизвестись. Эндогенные ретровирусные элементы человеческого генома были нашими пассажирами в течение миллионов лет. Начинали они с включения единичного провируса в одну хромосому половой клетки единичного индивида. На самом деле это были редкие полиморфизмы, которые распространялись от одного индивида, а затем становились преобладающими в пределах популяции, становясь зафиксированными аллелями. Инфильтрация генома и фиксация эндогенного провируса в популяции является результатом очень редкой последовательности событий. Тем не менее более тридцати самостоятельных генетических линий эндогенных ретровирусов были обнаружены в геномах приматов, поэтому мы можем с уверенностью говорить, что такое событие произошло не менее тридцати раз.

Каждая линия ЭРЭ в геномах позвоночных существует в виде множества копий, разбросанных по геному. После инвазии начинается волна пролиферации провируса. В это время новые эндогенные провирусы активно экспрессируются и образуют новые инфекционные вирусные частицы, которые могут повторно инфицировать половые клетки. Таким образом, возникают новые включенные провирусы, что и приводит к пролиферации ЭРЭ в геноме. В некоторых случаях обычный инфекционный цикл может стать замкнутым накоротко. Инфекционные геномы, синтезированные в половых клетках, могут сразу претерпеть обратную транскрипцию и снова включиться в геном, заняв в нем другой локус. В целом это может происходить с ЭРВ очень редко или не происходить вовсе, однако такая стратегия характерна для некоторых мышиных эндогенных ретровирусов, и эти элементы остаются мобильными и в настоящее время. Например, интерцистернальная частица А утратила ген своей оболочки и приобрела механизмы сборки и созревания вирусных частиц внутри клетки. Такие эгоистические генетические элементы теперь не имеют внеклеточной фазы. Так как такая транспозиция не приводит к продукции внеклеточных вирусов и к реинфекции, то такой механизм будет более эффективным для эгоистической репликации геномного паразита внутри единичного генома.

Решающий период в отношениях вируса с хозяином наступает вследствие ретровирусной инвазии половых клеток. В это время вызывающий заболевание ретровирус продолжает циркулировать в популяции в форме инфекционного экзогенного вируса, становясь причиной новых инфекций. Вирус также будет продуцироваться из активных эндогенных провирусов в особях популяции, которые унаследовали локусы ЭРЭ в каждой клетке своего организма. В самом деле, активность этих провирусов может привести к клиническим проявлениям заболевания при репликации вируса в соматических клетках. По ходу смены поколений активность и пролиферация последовательностей ЭРЭ в линиях половых клеток может оказаться губительной для приспособленности хозяина и порождать опасные уровни геномного поражения. Эта ситуация создает сильное давление отбора, которое благоприятствует тем индивидам, чьи геномы развили необходимые защитные ответы, направленные на подавление экспрессии эндогенных вирусов, и противостоят инфекции экзогенным вирусом. На первый взгляд, представляется, что инвазия половых клеток и включение ретровируса в вертикальное наследование генома должны иметь негативные последствия для хозяина. Почему же тогда локусы ЭРЭ стали фиксированными аллелями в популяциях позвоночных? Какое преимущество получал в результате этого геном хозяина?

Мы можем легко представить себе одно вероятное преимущество, связанное с ЭРЭ, на ранних стадиях инвазии популяции эндогенным вирусным аллелем. Есть множество лабораторных наблюдений, согласно которым ретровирусная инфекция клеток в тканевых культурах приводит к резистентности в отношении суперинфекции (это явление называют также инфекционной интерференцией): инфицированная клетка становится иммунной по отношению к другим инфекциям. Гликопротеины вирусной оболочки, экспрессированные из провируса инфицированных клеток, мигрируют к клеточной мембране. Здесь они готовятся к включению в вирусные частицы, которые выпячиваются из клеточной поверхности. Эти env-белки на поверхности клетки могут также связываться с теми же молекулами клеточного рецептора, с которыми должны связываться инфицирующие вирусы для проникновения в клетку. Таким образом, инфицированные клетки, продуцирующие env на своей поверхности, становятся иммунными к экзогенной инфекции: отсутствуют доступные рецепторы для связывания экзогенных вирусных частиц. Организм хозяина с эндогенным ретровирусом, таким образом, получает защиту от экзогенного инфицирования ретровирусом. В другом примере этого феномена (он будет обсуждаться ниже в этой главе, в разделе об эндогенных вирусных элементах) хозяева-позвоночные получают пользу, используя ретровирусные гены как компоненты ограничительных мер по защите от ретровирусной инфекции. В каждом случае гены ЭРЭ становятся полезным менделевским локусом, который может быть объектом положительного отбора в популяции, подверженной инфицированию ретровирусами. Приобретение половыми клетками ретровируса имеет и другое потенциальное преимущество, заключающееся в том, что антигены ЭРЭ будут теперь распознаваться иммунной системой как «свои». Репликация ЭРЭ или инфицирование экзогенным вирусом перестанет запускать иммунный ответ и сопутствующие иммунопатологические реакции, которые так часто наблюдаются при вирусных инфекциях.

Эти факторы, возможно, всего лишь часть истории; вирусы, проникшие в половые клетки и ставшие ЭРЭ, перестают быть паразитами и не представляют больше опасности для хозяина. Тем не менее они могут оказаться весьма влиятельными на ранних стадиях ретровирусной колонизации, когда аллель ЭРЭ подвергается действию положительного отбора и пролиферирует в генном пуле хозяина. ЭРЭ-локус может проявить кратковременную пользу, его длительная экспрессия и способность опосредовать нестабильность генома могут оказаться опасными для хозяина. При отсутствии полезного фенотипа ЭРЭ геном хозяина должен гарантировать его нейтрализацию или же столкнуться с последствиями – неприемлемо высоким уровнем ретротранспозиции и нестабильностью генома.

Сегодня мы мирно сосуществуем с нашим набором ЭРЭ. Это свидетельствует о том, что геном позвоночных преуспел в отражении последовательных атак ретровирусов. Число ЭРЭ в геноме позвоночных весьма вариабельно, колеблясь от одного до тысяч провирусов, и возможно, что геном содержит еще в десять раз большее число длинных терминальных повторов данной линии отдельного ретровируса. Сегодня большая часть этих элементов не выполняет никаких функций, не соответствует никакому важному фенотипу и эволюционирует в совершенно нейтральном режиме без каких-либо последствий для приспособленности генома. В этих элементах накапливаются синонимические и несинонимические нуклеотидные замены, происходят делеции, перемещения и укорочения, что делает их всего лишь ретровирусными остатками без функций и способности к кодированию. Многие существуют просто в форме единичной последовательности длинных терминальных повторов, атолла вирусной ДНК, лишенного кодирующих последовательностей и возникшего в результате гомологичной рекомбинации между длинными терминальными повторами.

Клетка мобилизует несколько рычагов своего регуляторного аппарата для того, чтобы блокировать и заставить замолчать эндогенных ретровирусных пришельцев. Такие ограничивающие факторы хозяина, как TRIM5 и APOBEC3, используются для ограничения распространения вирусной инфекции по соматическим тканям организма-хозяина (Malim, Bieniasz, 2012). Накапливаются данные о том, что гены ограничивающих факторов являются главным оружием в гонке вооружений между вирусом и хозяином. Можно показать, что в ходе эволюции эти гены возникли одновременно с волнами нашествий ретровирусов, то отступая, то наступая в борьбе за превосходство в этих отношениях. Возникновение мутаций в естественном рецепторе вируса тоже может сделать хозяина невосприимчивым к инфекции. Самое важное заключается в том, что клетки могут использовать изощренный регуляторный аппарат, который накидывает петлю на включившиеся в геном провирусы. Этот аппарат может модифицировать фундаментальную структуру провирусной ДНК, затормозив ее экспрессию. В большинстве случаев это торможение ЭРЭ осуществляется метилированием цитозиновых остатков в ЦГ-связях в последовательностях цепей ДНК; другие ЭРЭ уничтожаются модификацией организации хроматина, который упаковывает геномный материал в ядре и контролирует способность генов и целых участков хромосом к активной экспрессии (Maksakova, Mager, Reiss, 2008).

Все эти механизмы вступают в игру в нелегкий период включения в клеточный геном ЭРЭ. Как мы увидим, введение этого генетического материала в половые клетки позвоночных аналогично включению фага в прокариотический геном. Оба эти процесса представляют собой обоюдоострый меч, катализирующий как опасную генетическую неустойчивость, так и эволюционные возможности для генома-реципиента. Установление конечного состояния, в котором ЭРЭ становятся стабильными элементами генома и перестают пролиферировать, является весьма длительным процессом. Подавляющее большинство из почти 100 тысяч ЭРЭ в нашем геноме было фиксировано в нем до того, как возникли гоминиды; каждый геном ЭРЭ можно проследить в геноме человека и наших ближайших сородичей, у приматов Старого Света. Это позволяет датировать инвазию половых клеток приматов временем появления раннего общего предка человека и шимпанзе (Stoye, 2012). Только одна группа человеческих ЭРЭ, называемых ЭРЭ-К, имеет локусы, не фиксированные в геноме. Человеческие ЭРЭ-К остаются в человеческих популяциях в виде полиморфизмов. Человеческий ЭРЭ-К был впервые включен в геном общего предка приматов Старого Света и человека более 30 миллионов лет назад. Этот ретровирусный элемент оставался активным на протяжении большей части этого периода, и в человеческом геноме присутствуют по меньшей мере двенадцать новых элементов, которые невозможно обнаружить у шимпанзе, с которыми мы разошлись около 6 миллионов лет назад (Belshaw et al., 2004). Существование полиморфных локусов в человеческих популяциях выдает их сравнительно недавнюю активность.

Белшоу и его коллеги (Belshaw et al., 2004) опубликовали свой анализ пролиферации этой группы ЭРЭ после их появления в геноме приматов. Выводы авторов рисуют сложную картину включения ретровирусов в геном и их пролиферации в нем путем многократных циклов реинфекции жизнеспособными вирусами из группы человеческих ЭРЭ-К. К их удивлению, очищающий отбор действует на эти вирусы так, что они сохранили способность генерировать новые ЭРЭ посредством циклов реинфекции генома приматов на протяжении более 30 миллионов лет. Малое меньшинство активных, не фиксированных вирусов человеческих ЭРЭ-К непрерывно рассевало динамичную растущую популяцию человеческих ЭРЭ-К. Несмотря на то что они были частью генома и их активность направлялась скоростью нуклеотидных замен, характерной для геномов позвоночных, вирус человеческого ЭРЭ-К продолжал эволюционировать независимо от генома приматов и находиться под действием отбора, направленного на сохранение репликативной жизнеспособности. Подавляющее большинство человеческих ЭРЭ-К фиксировалось в геноме и инактивировалось в результате мутаций, и, в самом деле, прототипичная последовательность человеческого генома (Lander et al., 2001) не содержит полностью интактных и функционально активных человеческих ЭРЭ-К-вирусов. Тем не менее длительный рост популяции человеческих ЭРЭ-К в человеческих субпопуляциях с различными наборами включений ЭРЭ-К в их геномы позволяет предполагать, что функционирующие вирусы существовали вплоть до сравнительно недавнего времени, и, возможно, такие вирусы еще можно обнаружить в неисследованных человеческих изолятах.