Ретровирусы помогают своим дальним родственникам встроиться в хозяйский геном

Встраивание ретровирусов и ретротранспозонов в геном организма-хозяина может приводить к печальным последствиям. Эта собака родилась обесцвеченной и глухой на оба уха из-за того, что ретротранспозон встроился в один из ее генов (SILV), нарушив его работу. Фото с сайта www.pnas.org
Встраивание ретровирусов и ретротранспозонов в геном организма-хозяина может приводить к печальным последствиям. Эта собака родилась обесцвеченной и глухой на оба уха из-за того, что ретротранспозон встроился в один из ее генов (SILV), нарушив его работу. Фото с обложки журнала PNAS

Считалось, что из всех РНК-содержащих вирусов только ретровирусы способны синтезировать ДНК на матрице своей РНК и встраиваться в геном хозяйской клетки. Как выяснилось, другие РНК-содержащие вирусы тоже умеют это делать, хотя у них нет генов, необходимых для обратной транскрипции (синтеза ДНК на матрице РНК). Встраивание этих вирусов в хромосомы хозяина происходит благодаря своеобразной кооперации с уже обжившимися в хозяйском геноме ретровирусами.

Ретровирусы отличаются от других РНК-содержащих вирусов тем, что в их геноме есть ген обратной транскриптазы — фермента, который осуществляет синтез ДНК на матрице вирусной РНК. Эта ДНК затем встраивается в геном хозяйской клетки и начинает размножаться вместе с ним. Если это произойдет в половой клетке, встроенный ретровирус может начать передаваться по наследству в череде поколений организмов-хозяев, то есть стать эндогенным ретровирусом (см.: Предки человека заимствовали полезные гены у вирусов, «Элементы», 22.10.2008). Утратив в результате мутаций инфекционность — то есть способность передаваться горизонтально от одного хозяина к другому — эндогенный ретровирус превращается в ретротранспозон. Ретротранспозон может размножаться только внутри хозяйских клеток, встраиваясь в разные места генома и внося сумятицу в работу генетических систем хозяина. Возможен и обратный процесс — превращение ретротранспозонов в активные ретровирусы (см.: Данные сравнительной геномики проливают свет на происхождение ретровирусов).

Другие РНК-содержащие вирусы обходятся без обратной транскрипции и встраивания в хозяйский геном. У них нет генов обратных транскриптаз, зато есть гены РНК-зависимых РНК-полимераз — ферментов, которые просто размножают молекулы РНК, минуя стадию ДНК (см.: Найден самый древний из ферментов, «Элементы», 11.12.2006).

До сих пор считалось, что такие вирусы не могут встраивать свой наследственный материал в геном хозяина (или, точнее, что это может происходить лишь исключительно редко, в силу стечения ряда маловероятных обстоятельств; необходимо помнить, что в биологии почти нет абсолютно строгих правил такого рода — любой догматизм здесь противопоказан).

В 1997 году швейцарские биологи установили, что в хромосомах мышей после заражения РНК-содержащим вирусом LCMV (lymphocytic choriomeningitis virus) систематически обнаруживаются фрагменты вирусного генома, а именно гены вирусного гликопротеина (GP) и нуклеопротеина (NP). Как происходит синтез ДНК на матрице вирусной РНК при отсутствии у вируса LCMV обратной транскриптазы, никто не знал.

В последнем номере журнала Science те же исследователи в соавторстве с коллегами из Франции и США сообщили о расшифровке механизма этого явления. Как выяснилось, в роли «троянского коня», обеспечивающего встраивание в хозяйский геном не приспособленного к этому вируса, выступает эндогенный ретровирус IAP (intracisternal A-type particle), около 1000 копий которого рассеяно по всему мышиному геному. IAP давно утратил инфекционность, поэтому его одинаково правильно называть и эндогенным ретровирусом, и ретротранспозоном. Впрочем, и ретротранспозонная активность сохранилась только у небольшой части копий IAP.

Известно, что IAP активизирует свою деятельность (то есть начинает транскрибироваться и, возможно, встраиваться в другие места генома) во время сперматогенеза (это свойственно и другим мобильным генетическим элементам, см.: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007), а также в тимусе, где лимфоциты подвергаются целенаправленным геномным перестройкам. Однако реальная роль IAP в мышиной физиологии и эволюции толком не известна.

Исследователи заражали мышиные клетки вирусом LCMV до тех пор, пока не получили две линии клеток, содержащих в своем геноме вирусные гены. Затем из этих клеток были выделены и размножены фрагменты геномной ДНК, включающие гены LCMV, вместе с прилегающими участками.

Оказалось, что в обеих линиях произошло встраивание в хозяйский геном вирусного гена GP. В одной линии клеток вирусный ген встроился в 7-ю хромосому, в другой — в 10-ю. Самое главное, что в обоих случаях к встроенному вирусному гену непосредственно прилегает нуклеотидная последовательность ретротранспозона IAP.

Это позволило ученым предположить, что обратная транскрипция вирусного генома и последующее встраивание получившейся ДНК в хозяйский геном были осуществлены благодаря деятельности ферментов, кодируемых ретротранспозоном IAP.

Чтобы проверить это предположение, исследователи вводили активные копии мышиного ретротранспозона IAP в клетки других видов млекопитающих (человека, зеленой мартышки, собаки и китайского хомячка), у которых интеграция генов LCMV в геном никогда не наблюдалась. В качестве контроля использовались клетки, в которые не вводили дополнительных генов или вводили ген зеленого светящегося белка. Затем все эти клетки заражали вирусом LCMV и смотрели, будет ли синтезироваться ДНК на матрице вирусной РНК.

В клетках всех четырех видов животных, в которые был введен ретротранспозон IAP, гены вируса LCMV подвергались обратной транскрипции (в среднем в 70% клеток). В контрольных клетках этого не произошло ни разу. Таким образом, IAP действительно необходим для встраивания генов LCMV в хозяйский геном, причем ретротранспозон успешно справляется с этой работой не только в клетках своего природного хозяина — мыши, но и в клетках других животных.

Используя в экспериментах разные варианты ретротранспозона IAP, исследователи установили, что для успешного встраивания LCMV необходимо наличие в составе IAP неповрежденных генов pol и gag (каждый из этих генов кодирует по несколько белков; обратная транскриптаза кодируется геном pol; см. схему строения ретровируса).

По-видимому, объединение фрагментов геномов IAP и LCMV происходит во время обратной транскрипции: обратная транскриптаза начинает синтезировать ДНК на матрице своей «родной» РНК, но в определенный момент она переходит на РНК вируса LCMV и продолжает синтез ДНК на этой новой матрице. Подобные «сбои» в ходе обратной транскрипции были известны и ранее.

Вирус LCMV может проникать в семенники мышей, где активно работают ретротранспозоны IAP. Теоретически LCMV мог бы встроиться в геном сперматозоида и стать наследственным, но до сих пор этого не произошло: в геномах мышей, не зараженных вирусом LCMV, не удалось обнаружить никаких фрагментов генома LCMV, несмотря на целенаправленный поиск.

Авторы отмечают, что полученные ими результаты необходимо учитывать при разработке новых методов генной терапии, основанных на создании искусственных РНК-содержащих вирусов с нужными пациенту генами. Ведь в геноме человека тоже есть немало эндогенных ретровирусов. Правда, почти все они неактивны, но некоторые, возможно, частично сохранили активность. Эти эндогенные ретровирусы теоретически могут обеспечить встраивание геномов искусственных РНК-содержащих вирусов в человеческие хромосомы, что может привести к плохо предсказуемым последствиям. Поэтому все новые терапевтические РНК-вирусы должны проходить предварительную проверку на способность встраиваться в хозяйский геном.

Источник: Markus B. Geuking, Jacqueline Weber, Marie Dewannieux, Elieser Gorelik, Thierry Heidmann, Hans Hengartner, Rolf M. Zinkernagel, Lars Hangartner. Recombination of Retrotransposon and Exogenous RNA Virus Results in Nonretroviral cDNA Integration // Science. 2009. V. 323. P. 393–396.

См. также о ретровирусах и ретротранспозонах:
1) Данные сравнительной геномики проливают свет на происхождение ретровирусов // Журнал общей биологии, 2007.
2) Предки человека заимствовали полезные гены у вирусов, «Элементы», 22.10.2008.
3) Древняя вирусная инфекция сделала людей беззащитными перед ВИЧ, «Элементы», 27.06.2007.

Александр Марков


12
Показать комментарии (12)
Свернуть комментарии (12)

  • PavelS  | 20.01.2009 | 17:58 Ответить
    1. Вопрос может и не совсем по теме, но меня давно интересовало, может ли вирус передаваться на несколько поколений не встраиваясь в хромосомы? Т.е. делиться независимо от деления хромосом и передаваться потомкам клетки, не пересекая её оболочку.
    2. Используется ли обратная транскрипция самим организмом в норме? Есть ли гены обратной транскриптазы в человеческом геноме? Дело в том, что полно (правильнее сказать, почти все) лекарств от ретровирусов представляют собой ингибиторы обратной транскриптазы. Вопрос важен, т.к. интересно, какого типа неустранимые побочные эффекты должны давать такие лекарства.
    3. Какими особыми характеристиками должна обладать цепочка РНК, чтобы её встраивала в хромосомы обратная транскриптаза? Обратные транскриптазы различных вирусов - они взаимозаменяемы?
    Ответить
    • -claim- > PavelS | 21.01.2009 | 08:19 Ответить
      задаете грамотные вопросы. грамотные ответы на них - в соответствующих книгах:
      http://nehudlit.ru/books/detail6126.html
      http://nehudlit.ru/books/detail6127.html
      http://nehudlit.ru/books/detail6128.html

      успехов в удовлетворении любопытства!
      Ответить
      • PavelS > -claim- | 21.01.2009 | 13:42 Ответить
        За ссылки спасибо, но как-то не очень воодушевило читать книгу 20-летней давности, где говорится про открытие роли ДНК в последнее десятилетие.
        Ответить
      • Александр Марков > -claim- | 21.01.2009 | 13:57 Ответить
        Ух ты, какой ценный сайт! Спасибо за ссылку.
        Ответить
    • Александр Марков > PavelS | 21.01.2009 | 14:06 Ответить
      Ваши вопросы - это самый "передний край" науки. Чтобы ответить хорошо, мне бы пришлось очень долго рыться в литературе. Поэтому отвечу плохо, только то, что помню.
      1) Не знаю, не слышал про такое.
      2) Да, я знаю один пример: обратная транскрипция используется эукариотами при восстановлении теломер (фермент теломераза имеет обратно-транскриптазную активность и синтезирует теломеры на основе РНК-матрицы). Генов о.т. в человеческом геноме многие сотни, если не тысячи - они же входят в состав ретротранспозонов. Плюс теломеразы. Надеюсь, что эти лекарства не ингибируют теломеразу, а то это могло бы привести, теоретически, к ускоренному старению.
      3) Обратная транскриптаза, похоже, распознает определенные петли и шпильки, образуемые молекулой РНК. Тут есть какая-то не совсем понятная связь с некоторыми тРНК. Cм. дополнительные материалы к обсуждаемой статье в Science. Насколько взаимозаменяемы обратные транскриптазы разных вирусов - не знаю. Учтите также, что обратная транскрипция и встраивание получившейся cDNA в хромосому - это обычно два разных процесса. Обычно второй процесс осуществляется не обратной транскриптазой, а другим ферментом - интегразой. См. ссылку в моей заметке на синопсис из ЖОБ о происхождении ретровирусов.
      Ответить
      • PavelS > Александр Марков | 21.01.2009 | 14:44 Ответить
        Разумеется, я не ждал что вы возьмётесь писать ради меня монографию, так что уровень "только то, что помню" - это всё что я хотел. Спасибо.
        Ответить
      • PavelS > Александр Марков | 21.01.2009 | 15:29 Ответить
        Судя по тому, что пишут в популярных заметках про теломеразу, то она активна только до дифференциации клеток в зародыше и в раковых клетках. Что будет с ребёнком при антиретровирусной терапии матери во время беременности - видимо тут теоретически оценить сложно.
        Ответить
    • verbummentis > PavelS | 21.01.2009 | 15:49 Ответить
      1. Вопрос не корректный. Если ответить на него тупо, то получится, что важно как именно вирусы проявляются в генотипе хозяина. Они могут проявляться по разному и один из способов, безусловно, заключается во встраивании в геном и запуске механизмов экспрессии для синтеза "своих" белков. Таким образом, один и тот же уязвимый участок ДНК может передаваться по наследству через много поколений и приводить к одному и тому же вирусному заболеванию. Но это очень тупой ответ на вопрос. Поскольку здесь стОит начать с азов и попытаться понять что такое вирус? (сразу скажу, что это не есть цепочка генетической информации)
      2. Используется, если считать процесс старения нормой.
      3. Первая часть вопроса странная, если речь идет о каких-то маркерах в тех же цепочках РНК. Вторая часть вопроса подтверждает сказанное мной ранее. Вы не понимаете что такое вирус. увы
      Ответить
      • PavelS > verbummentis | 21.01.2009 | 19:30 Ответить
        У меня сложилось впечатление, что цель вашего ответа была не в том, чтобы что-то объяснить, а в том, чтобы тыкнуть меня носом, намекнув что вы знаете что-то лучше меня - так лучше вовсе не отвечать. Тем более что Александр очень неплохо ответил по пунктам раньше вас.

        Что касается вопроса 1, то вопрос был о ДНК-содержащих вирусах, которые могут размножаться и без встраивания в хромосомы (категорически против слова геном, см. ниже).
        В заметке http://elementy.ru/news/430912 было написано "Аденовирусы не способны встраиваться в геном клетки-хозяина, поэтому экспрессия внедренных генов только временная". Хотелось разобраться с деталями, насколько оно временно.

        Что касается терминов "геном" или "генотип", то я с некоторых пор стараюсь их избегать, т.к. ИМХО они не достаточно однозначны, если речь о генах вне хромосом, о вирусах и т.п. К примеру, если речь о генах митохондрий - это наследуемый генетический материал, но они не входят в хромосомы клетки; следует или нет относить митохондриальную ДНК к "геному" - не однозначно.
        Ответить
        • -claim- > PavelS | 21.01.2009 | 21:25 Ответить
          Различают ядерный геном и митохондриальный геном. К тому же вирусов, использующих митохондриальный ДНК-синтезирующий аппарат, не обнаружено.

          По поводу многих ваших вопросов - ответы есть в книгах, в учебниках для вузов. Рекомендую их прочитать (сам-то я их уже читал) - вы значительно углубите свои знания. Это сложнее, но... самостоятельнее, что ли. Одного Александра Маркова на всех не хватит ;)
          Ответить
          • PavelS > -claim- | 21.01.2009 | 23:01 Ответить
            Ну... Александр говорит что это передний край науки, а вы мне советуете читать книги прошлого тысячелетия. :( Как бы после такого только чтения хаос в голове не закрепился окончательно. А самостоятельность самоцелью не является, иначе и про книги можно сказать: "не самостоятельно".

            Что существуют "ядерный геном и митохондриальный геном" - это понятно, только вот как правило когда говорят о геноме без каких-либо уточняющих слов имеется в виду только ядерный, что несколько не соответствует определению (совокупность всех генов организма). Пример же с митохондриями я привёл скорее в плане что вирусы ИМХО могли бы передаваться точно так же, без встраивания в ядро - так мне кажется логичным.
            Ответить
            • viperr1122 > PavelS | 24.01.2009 | 09:08 Ответить
              Так, добавлю к ответу А. Маркова на второй вопрос: теломераза, использует обратную трансриптазу, но вот только этот белок находится не совсем В днк человека, он находится на её краю и потомкам клетки он передается не как все остальное...Лан че я пишу пойду лучше бухать.
              Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»