Наши внутренние паразиты

Эндогенные ретровирусы и наш набитый вирусами геном

Идея, что хозяйские гены могут иметь вирусное происхождение, в силу своей причудливости звучит почти философически. Мы склонны думать о наших геномах как о нашем полном тождестве. Тот факт, что бактерии приобретают значительную долю своей ДНК от вирусов, вызывает неудобные вопросы. Есть ли у них свое лицо? Или они всего лишь гибридные чудища Франкенштейна со стертыми чертами идентичности?

Поначалу эту проблему можно было отделить от нашего собственного существования и рассматривать ее исключительно как проблему микробов. Наличие у них вирусных генов казалось всего лишь случайной удачей «низших» форм жизни. Но сегодня мы уже не можем на этом успокоиться. Теперь, заглядывая в человеческий геном, мы тоже наблюдаем вирусы. Тысячи вирусов.

Ученым понадобилось много десятилетий, чтобы распознать наши внутренние вирусы, а началась эта история с плимутрокской курицы Фрэнсиса Рауса. Та больная курица вдохновила Рауса на полувековое исследование вирусов, вызывающих рак. Раус и другие ученые обнаружили множество различных вирусов, способных вызвать опухоли. Изучая кроликов например, Раус проводил первые в своем роде исследования папилломавирусов. Его курица, как оказалось, была заражена уже другим видом вируса, получившим название в его честь — вирус саркомы Рауса.

Дальнейшие поколения ученых занялись вирусом саркомы Рауса, надеясь раскрыть некоторые тайны рака. В ходе исследований они обнаружили, что у вируса необычный способ репликации. Гены вируса саркомы закодированы в одноцепочечной РНК. Поражая клетку курицы, он создает копию своих генов в двуцепочечной ДНК, а затем эта вирусная ДНК встраивается в хозяйский геном. Ученые обнаружили, что, когда хозяйская клетка делится, наряду с собственной ДНК она копирует вирусную. При определенных условиях клетка производит новые вирусы — вместе с генами и белковой оболочкой, — которые могут затем выйти наружу и заразить новую клетку. Опухоли у кур возникают, когда гены вируса саркомы Рауса случайно внедряются в неподходящее место генома. Или, наоборот, они встраиваются в гены, кодирующие белки, мешающие клетке бесконтрольно делиться. Их выключение из-за вставки вируса снимает этот блок. В 1960-е гг. ученые поняли, что вирус саркомы Рауса далеко не уникален. Многие другие вирусы, известные как ретровирусы, внедряют свои гены в хозяйский геном таким же образом.

Робин Уайсс, вирусолог, в ту пору работавший в Вашингтонском университете, особенно заинтересовался одним ретровирусом, известным как вирус птичьего лейкоза, близким родичем вируса саркомы Рауса. Уайсса озадачили результаты проверки кур на наличие вируса. Обследование подразумевало анализ крови птиц на вирусные белки. Иногда эти белки обнаруживались у здоровых кур, которые так и не заболевали раком. Что еще более странно, когда у этих здоровых кур появлялись цыплята, у них уже с рождения присутствовали вирусные белки.

Вспомнив о том, как ретровирусы внедряют свои гены в геном хозяина, Уайсс задался вопросом, не могут ли они передаваться у кур по наследству. Пытаясь выманить вирус из укрытия, Уайсс и его коллеги вырастили культуры клеток здоровых кур, вырабатывавших вирусный белок. Они поливали эти клетки химическими мутагенами и бомбардировали радиацией — эти виды агрессивного воздействия заставляют ретровирусные гены пробудиться и синтезировать новые вирусы.

Как и подозревали ученые, мутировавшие клетки начали тиражировать новые вирусы птичьего лейкоза. Иными словами, здоровые куры не просто несли в части своих клеток вирус птичьего лейкоза — генетические инструкции по изготовлению вируса были встроены у них во все клетки, и птицы передавали соответствующие инструкции своему потомству.

Вскоре Уайсс и его сотрудники выяснили, что эти скрытые вирусы встречаются отнюдь не у одной случайной породы кур. Оказалось, что вирус птичьего лейкоза встроен в гены многих пород. Это наводило на мысль, что вирус с древних времен присутствует в составе куриной ДНК. Чтобы узнать, когда предки современных кур заразились вирусами птичьего лейкоза, Уайсс со своими коллегами отправился в джунгли Малайзии. Там они ловили банкивских джунглевых кур — ближайших диких родичей домашней курицы. Уайсс обнаружил, что банкивские джунглевые куры несут тот же вирус птичьего лейкоза. В последующих экспедициях он установил, что у других видов джунглевых кур вируса нет.

На основании этих исследований вируса птичьего лейкоза сформировалась гипотеза о том, как куры его приобрели. Тысячи лет назад вирус поражал общего предка домашних кур и банкивской джунглевой курицы. Он проникал в клетки, создавал новые копии себя и заражал очередных птиц, оставляя за собой опухоли. Но как минимум одной птице повезло. Вирус не вызвал у нее рак — иммунная система птицы сумела удержать вирус под контролем. Распространившись в организме курицы без вреда для нее, вирус добрался до половых органов. Зараженные яйца или сперма могли дать начало зараженным куриным эмбрионам.

Инфицированный эмбрион рос и делился, и все его клетки тоже наследовали вирусную ДНК. Вылупившись из скорлупы, он был частично курицей, частично вирусом. И поскольку вирус птичьего лейкоза теперь был составной частью его генома, цыпленок передавал вирусную ДНК собственному потомству. Вирус оставался безмолвным пассажиром из поколения в поколение на протяжении тысяч лет. Но при определенных условиях вирус мог активироваться, вызвать опухоли и распространиться на других птиц.

Ученые установили, что вирус птичьего лейкоза принадлежит к особому классу. Они назвали его эндогенным ретровирусом, подразумевая, что он «зарождается внутри». Вскоре эндогенные ретровирусы были обнаружены у других животных. В действительности они скрываются в геномах всех основных групп позвоночных, от рыб и рептилий до млекопитающих. Некоторые из новооткрытых эндогенных ретровирусов, как и вирус птичьего лейкоза, вызывали рак. Но многие не вызывали. Они были искалечены мутациями, лишившими их возможности производить новые вирусные частицы, способные покинуть клетку хозяина. Эти вирусы-калеки могли тем не менее производить новые копии своих генов, которые снова встраивались в хозяйский геном. А еще ученые открыли другие эндогенные ретровирусы, настолько отягощенные мутациями, что они не годились ни на что. Они были просто балластом в геноме своего хозяина.

При исследовании человеческого генома ученые стали находить эндогенные ретровирусы и в нем. Насколько известно науке, среди них нет ни одного активного. Но Тьерри Хайдман, сотрудник Института имени Гюстава Русси в Вильжюифе (Франция), и его коллеги обнаружили, что этот генетический балласт можно трансформировать обратно в полноценные вирусы. Изучая один такой эндогенный ретровирус, Хайдман заметил, что его варианты у разных людей не совсем одинаковы. Эти различия, очевидно, появились уже после того, как ретровирусы попали в геномы древних людей. У их потомков обнаружились мутации в разных частях вирусной ДНК.

Хайдман и его команда сравнили между собой эти разные варианты вирусной ДНК. Это выглядело так, как если бы они нашли четыре экземпляра пьесы Шекспира от четырех незадачливых переписчиков. Каждый копиист допускал собственный набор ошибок, и порой одно и то же слово шекспировского текста воспроизводилось в четырех ошибочных вариантах, скажем: порешу, напишу, покажу, помечу. Сравнив все четыре варианта, текстолог мог установить, что исходное слово — почему.

Применив этот метод, Хайдман и его собратья-ученые сумели на основании мутантных ретровирусов современных людей восстановить последовательность ДНК исходного вируса. Затем они синтезировали фрагмент ДНК с этой последовательностью и внедрили ее в человеческие клетки, культивированные в чашке Петри. Из клеток появились новые вирусы, способные заражать другие клетки. То есть первоначальная последовательность ДНК представляла собой живой функциональный вирус. В 2006 г. Хайдман назвал этот вирус «Феникс» (Fhoenix) — в честь мифической птицы, возрождающейся из собственного пепла.

Вирус «Феникс», по-видимому, заражал наших предков на протяжении последнего миллиона лет. Но мы несем и куда более древние вирусы. Это известно благодаря тому, что ученые обнаружили одни и те же скрытые вирусы в геноме у нас и у других видов. В ходе одного из исследований вирусолог из Имперского колледжа Лондона Адам Ли и его коллеги открыли в человеческом геноме эндогенный ретровирус ERV–L. Затем они обнаружили его у ряда других видов — от лошадей до трубкозубов. Когда команда Ли составила эволюционное древо вируса, оно совпало с древом его хозяев. Похоже, этот эндогенный ретровирус поразил общего предка всех плацентарных млекопитающих, жившего более 100 млн лет назад. Ныне этот вирус дремлет в генах броненосцев, слонов и ламантинов. И в наших.

Обреченный на жизнь в организме хозяина эндогенный ретровирус может сохранять способность производить копии своей ДНК, которые снова встраиваются в хозяйский геном. За те миллионы лет, что эндогенные ретровирусы вторгались в наши геномы, их накопилось невероятно много. Каждый из нас несет в своем геноме почти 100 000 фрагментов вирусной ДНК, что составляет до 8% всей нашей ДНК. Чтобы оценить, насколько это много, вспомним, что 20 000 белок-кодирующих генов в человеческом геноме составляют лишь 1,5% ДНК.

Кроме того, ученые обнаружили миллионы более мелких фрагментов ДНК, которые тоже копируются и заново встраиваются в человеческий геном. Возможно, многие из этих фрагментов — крошечные остатки эндогенных ретровирусов. За миллионы лет эволюции они растеряли все, кроме самого необходимого для копирования ДНК. Иными словами, наши геномы кишат вирусами.

Большая часть этой вирусной ДНК из-за миллионов лет мутаций утратила всякую способность работать. Но наши предки приспособили некоторые вирусные гены себе на пользу. Более того, без этих вирусов никто из нас даже не родился бы.

В 1999 г. Жан-Люк Блонд и его коллеги открыли эндогенный ретровирус человека, который они назвали HERV-W. К их удивлению, оказалось, что один из его генов все еще способен синтезировать белок. А белок этот, синцитин, как выяснилось, выполняет очень специфическую и важную работу, но не для вируса, а для его хозяина — человека. Он содержится только в плаценте.

Клетки внешнего слоя плаценты производят синцитин, благодаря которому они соединяются и между ними возможен обмен молекулами. Ученые обнаружили, что синцитин вырабатывается не только у людей, но и у мышей, и это открытие позволило экспериментально установить, как работает белок. Когда ученые удалили из генома мышей ген, кодирующий синцитин, эмбрионы мышат не дожили до рождения. Вирусный белок был необходим для того, чтобы зародыш получал питательные вещества из кровотока матери.

Исследователи стали искать синцитин у других плацентарных млекопитающих, и он нашелся. Но оказалось, что у разных видов разные формы синцитина. Тьерри Хайдман, первооткрыватель многих синцитиновых белков, предложил сценарий, объясняющий разнообразие вирусов в плаценте. Около 100–150 млн лет назад предковое млекопитающее поразил эндогенный ретровирус. Оно обратило себе на пользу первый синцитиновый белок, который со временем позволил сформироваться плаценте. За миллионы лет это исходное плацентарное млекопитающее дало начало множеству линий потомков. Они продолжали заражаться эндогенными ретровирусами. В некоторых случаях новые вирусы обладали собственными синцитиновыми генами, которые позволяли получить более совершенную плаценту. В различных линиях млекопитающих — грызунов, рукокрылых, копытных, приматов — одни вирусные белки сменились другими.

В самый интимный момент зарождения новой человеческой жизни вирусы необходимы для нашего выживания. Не существует нас и их — есть лишь постоянное перемешивание и перетасовывание ДНК.