Александр Марков

Данные сравнительной геномики проливают свет на происхождение ретровирусов

Ретровирус довольно сложно устроен и ведет себя почти как живой организм. Тем не менее ретровирусы – не самостоятельные живые существа, а причудливый результат эгоистической эволюции отдельных фрагментов генома настоящих живых организмов.
Ретровирус довольно сложно устроен и ведет себя почти как живой организм. Тем не менее ретровирусы – не самостоятельные живые существа, а причудливый результат эгоистической эволюции отдельных фрагментов генома настоящих живых организмов. Изображение с сайта http://www.genciencia.com

Ретровирусы могли произойти от ретротранспозонов – подвижных участков генома эукариот – в результате приобретения одного дополнительного гена, env, обеспечивающего способность вируса проникать внутрь эукариотической клетки. Ген env мог быть заимствован ретротранспозонами у ДНК-содержащих (не «ретро-») вирусов, а те, в свою очередь, заимствовали его у хозяев – эукариотических организмов.

Ближайшими родственниками ретровирусов , к числу которых относится вирус ВИЧ, являются ретротранспозоны – мобильные генетические элементы, широко распространенные в геномах эукариот. В отличие от ретровирусов, ретротранспозоны передаются от клетки к клетке только «по наследству», то есть вертикально. Они могут перемещаться и размножаться внутри хозяйского генома, но не могут передаваться горизонтально от клетки к клетке или от организма к организму. Иными словами, у них нет свойства, называемого «инфекционностью».

Вместе с тем ретровирусы, встроившиеся в геном хозяина, и ретротранспозоны очень похожи друг на друга. Те и другие представляют собой фрагменты ДНК, содержащие более или менее стандартный комплект генов, необходимых для собственного копирования и встраивания в хозяйскую ДНК. Гены эти в большинстве своем сходны у ретровирусов и ретротранспозонов. Обе разновидности «ретроэлементов» размножаются при помощи обратной транскрипции , т.е. переписывания информации с РНК на ДНК.

Родство ретровирусов и ретротранспозонов не вызывает никакого сомнения, однако вопрос о том, кто из них появился раньше и кто от кого произошел, остается открытым. Большинство специалистов склоняется к тому, что первыми появились ретротранспозоны. Они проще устроены, и самые простые из них вполне могли «самозародиться» в геномах примитивных организмов в результате случайных мутаций. По-видимому, это произошло еще на уровне прокариот (бактерий). Долгое время считалось, что ретроэлементы характерны только для эукариот, однако потом удалось и у бактерий обнаружить примитивные ретроэлементы (ретроны, ретроинтроны, ретроплазмиды). Обзор современных данных о происхождении и эволюции ретроэлементов см. в статье: Jef D. Boeke, 2003. The Unusual Phylogenetic Distribution of Retrotransposons: A Hypothesis // Genome Res. 13:1975-1983. Другим аргументом в пользу первичности ретротранспозонов является то, что они более многочисленны и распространены гораздо шире, чем ретровирусы, которые в основном приурочены лишь к позвоночным животным.

Стало быть, ретровирусы, скорее всего, являются результатом некоторого усложнения или, если угодно, «совершенствования» ретротранспозонов. В дальнейшем, конечно, могли происходить и обратные процессы – ведь ретровирус сравнительно легко может снова превратиться в ретротранспозон, если потеряет инфекционность в результате какой-нибудь мутации.

Сотрудники кафедры генетики биологического факультета МГУ Л. Н. Нефедова и А. И. Ким детально изучили строение разнообразных ретроэлементов, имеющихся в геноме дрозофилы, чтобы понять, каким путем ретротранспозоны могли превратиться в ретровирусы. В основе исследования лежал сравнительный анализ нуклеотидных и аминокислотных последовательностей генов и белков различных ретроэлементов, а также их хозяев.

Наиболее вероятный путь эволюции ретроэлементов выглядит следующим образом. По-видимому, началось все с обратной транскриптазы – фермента, синтезирующего молекулы ДНК на матрице РНК (этот процесс называется обратной транскрипцией). Обратная транскриптаза – очень древний фермент. Возможно, он сыграл ключевую роль при переходе от РНК-мира к привычному нам ДНК-миру.

Простейший из теоретически возможных ретроэлементов (нечто подобное встречается у бактерий) – это ген такой обратной транскриптазы, которая способна синтезировать молекулу ДНК на матрице своей собственной РНК. Работает все это так. Сначала хозяйская клетка «считывает» ген обратной транскриптазы, то есть осуществляет его транскрипцию (синтез РНК на матрице ДНК). Затем на матрице РНК синтезируется белок – сама обратная транскриптаза. Этот этап тоже выполняется хозяйской клеткой. Обратная транскриптаза затем находит «свою» РНК и на ее основе путем обратной транскрипции синтезирует ДНК. В результате получается копия исходного гена, с которого все и началось.

Тут, правда, есть еще один нюанс. Синтезированная путем обратной транскрипции ДНК ретроэлемента должна быть встроена в хозяйский геном. Для этого хромосому хозяина нужно разорвать, и синтезировать ДНК ретроэлемента как продолжение одного из образовавшихся свободных концов хозяйской ДНК.

Изначально с этой дополнительной работой – разрыванием хозяйской ДНК – справлялась, по-видимому, сама обратная транскриптаза. Но в дальнейшем ретроэлементы обзавелись дополнительным (вторым по счету) геном, который кодирует специальный белок, приспособленный именно для этой функции - эндонуклеазу. Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие ДНК в определенных местах – есть практически у всех организмов, и ретроэлементам не составило труда заимствовать их у хозяев.

Такие простейшие ретротранспозоны, содержащие всего два гена – обратной транскриптазы и эндонуклеазы – реально существуют у дрозофилы.

Следующий этап усложнения ретротранспозонов был связан с тем, что эндонуклеаза была модифицирована и превратилась в интегразу – фермент с несколько иной функцией. Интеграза осуществляет встраивание уже готовой ДНК ретроэлемента в хозяйский геном. В результате весь механизм размножения ретроэлемента меняется. Если раньше обратная транскрипция осуществлялась в ядре хозяйской клетки, и ДНК ретроэлемента с самого начала строилась как «продолжение» оборванной цепи хозяйской ДНК, то теперь обратная транскрипция стала осуществляться в цитоплазме. Готовая ДНК-копия ретроэлемента затем транспортируется из цитоплазмы в ядро, и здесь интеграза встраивает ее в хозяйский геном. Интегразы ретроэлементов дрозофилы способны, кроме того, вырезать из хозяйской ДНК свой ретроэлемент, что делает их похожими на транспозазы (см.: Растения заимствуют гены у «геномных паразитов» . Элементы, 26. 11. 07).

Но транспортировать ДНК из цитоплазмы в ядро эукариотической клетки не так-то просто. Чтобы справиться с этой задачей, ретроэлементы обзавелись еще одним – уже третьим по счету – геном, который кодирует белок капсида (белковой оболочки, защищающей наследственный материал вирусов). ДНК ретроэлемента, синтезированная в цитоплазме, стала упаковываться в маленькие белковые капсулы – вирусоподобные частицы. Такие трехгенные ретротранспозоны (обратная транскриптаза + интеграза + капсидный белок) тоже есть у дрозофилы. Откуда был взят новый ген (он называется gag)? Авторы обнаружили в геноме дрозофилы несколько генов, похожих на gag. Самым большим сходством с gag обладает ген дрозофилы CG4680, кодирующий белок с неизвестной функцией. Таким образом, ретроэлементы вполне могли заимствовать ген капсидного белка, как и ген эндонуклеазы, у своих хозяев. Впрочем, в таких случаях ничего нельзя утверждать наверняка – ведь с тем же успехом может оказаться, что дрозофила сама заимствовала ген CG4680 у какого-нибудь ретроэлемента.

Так или иначе, от трехгенного ретротранспозона до настоящего вируса остается только один шаг. И этот шаг был сделан, когда ретротранспозоны приобрели четвертый ген, называемый env. Этот ген кодирует белок, обеспечивающий проникновение вируса через наружную мембрану в клетку хозяина. Белок состоит из двух частей: одна отвечает за распознание определенных поверхностных белков (рецепторов) хозяйской клетки, вторая – за прохождение сквозь мембрану.

Каково происхождение гена env? Как выяснилось, гомологи этого гена (т.е. гены с похожей последовательностью нуклеотидов) есть и у насекомых, и у их паразитов – бакуловирусов и бактерии Wolbachia.

Судя по некоторым косвенным признакам, можно предположить, что изначально данный ген сформировался у животных-хозяев. Затем он был захвачен бакуловирусами – широко распространенными паразитами насекомых (см.: Насекомые-вредители защищаются от биологического оружия. Элементы, 8.10.07). Бакуловирусы являются ДНК-содержащими вирусами: их наследственная информация хранится в виде молекул ДНК, а не РНК, как у ретровирусов и других РНК-содержащих вирусов.

У бакуловирусов инфекционность обычно обеспечивается двумя белками – GP64 и F, причем более важную роль играет первый белок. Второй белок, F, кодируется геном, гомологичным гену env. Вероятно, он был заимствован у хозяев и постепенно приспособлен к новой функции, связанной с проникновением в хозяйскую клетку. Сначала он только «помогал» белку GP64, но потом научился управляться и в одиночку (у некоторых бакуловирусов это наблюдается).

Авторы предполагают, что ретротранспозоны группы gypsy, широко распространенные в геномах насекомых, заимствовали ген env у бакуловирусов. Для этого ретротранспозон должен был встроиться в геном бакуловируса, встроенный, в свою очередь, в геном насекомого-хозяина. Такие вещи вполне возможны и реально наблюдались, например, у капустной совки (ретротранспозон группы gypsy был обнаружен в составе генома бакуловируса). Затем ретротранспозон перешел в другое место хозяйского генома, прихватив с собой копию гена env. То, что ретротранспозоны при своих перемещениях способны захватывать и включать в себя «посторонние» гены – это тоже экспериментально подтверждено.

Так возникли ретротранспозоны с четырьмя генами (обратная транскриптаза, интеграза, капсидный белок, белок «инфекционности»). Именно так устроены ретротранспозоны дрозофилы, относящиеся к группе gypsy. Ретротранспозонами их называют только в силу привычки (раньше считалось, что они не инфекционны; и вообще думали, что настоящие ретровирусы есть только у позвоночных). Сегодня уже доказано, что многие ретротранспозоны дрозофилы могут вести себя как настоящие ретровирусы, то есть передаваться горизонтально и заражать новых хозяев. Для них даже придумали специальное название: эррантивирусы.

Авторы приводят данные о ряде других более или менее доказанных случаев заимствования ретротранспозонами «генов инфекционности» у вирусов. По-видимому, такие заимствования, в результате которых ретротранспозоны превращаются в ретровирусы, происходят достаточно часто. Не менее часто, надо полагать, происходит и обратный процесс – утрата или «поломка» гена env приводит к превращению вируса в ретротранспозон.

Не последнюю роль в распространении гена env и его гомологов может играть бактерия вольбахия – внутриклеточный паразит насекомых. В ее геноме тоже обнаружен гомолог гена env, скорее всего, заимствованный у хозяев. С другой стороны, известно, что хозяева тоже могут заимствовать гены и даже целые большие фрагменты генома у вольбахии (см.: Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями. Элементы, 5.09.07). Таким образом, вольбахия, переходя от одного вида насекомых-хозяев к другому, может способствовать распространению разных вариантов гена env среди ретроэлементов.

О мобильных генетических элементах см. также:
1) Эволюционная роль мобильных генетических элементов остается загадочной (синопсис к статье Л. А. Васильевой и др. «Отклик геномного рисунка МГЭ412 на отбор по количественному признаку у Drosophila melanogaster» // ) Журнал общей биологии, 2007. № 5. С. 341–349).
2) В. А. Ратнер, Л. А. Васильева. Мобильные генетические элементы (МГЭ) и эволюция геномов.
3) В. А. Ратнер, Л. А. Васильева. 2000. Индукция транспозиций мобильных генетических элементов стрессовыми событиями(PDF, 200 Кб).
4) В. А. Гвоздев Подвижная ДНК эукариот.
5) Прочтение генома опоссума доказало ключевую роль транспозонов в эволюции млекопитающих, «Элементы», 13.05.2007.
6) У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007.
7) У растений обнаружен межвидовой обмен генами, «Элементы», 22.12.2005.
8) Древние млекопитающие заразились плацентой, «Элементы», 15.12.2005.

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»