МОСКВА, 16 мар — РИА Новости, Альфия Еникеева. Почти восемь процентов ДНК человека приходится на фрагменты древних вирусов. Одни привели к полезным мутациям, повлиявшим на эволюцию, другие — к болезням. Изучая эти вирусные элементы, генетики доказали, что люди в прошлом не раз благополучно переживали опасные пандемии. Чем грозит нашему геному новый коронавирус — в материале РИА Новости.
Засоренный геном
В человеческом геноме содержится около 98 тысяч эндогенных ретровирусных элементов (ЭРВ) — последовательностей ДНК древних вирусов, которыми когда-то заражались наши предки. По разным данным, ЭРВ объединяются в 30-50 семейств, которые, в свою очередь, подразделяются почти на двести групп и подгрупп.
И лишь менее одного процента ЭРВ встречается только у человека. То есть они встроились в геном уже после того, как ветви людей и шимпанзе разделились. По подсчетам, последний ретровирус, сумевший стать частью нашей ДНК, инфицировал человеческую популяцию около 150 тысяч лет назад.
Судя по его первоначальному геному, который удалось восстановить сразу двум группам ученых, это был крайне заразный экзогенный ретровирус. Иными словами, сотни тысяч лет назад наши предки пережили настоящую пандемию.
"В геном интегрировались только те вирусы, которые обладали механизмом обратной транскрипции, то есть умели из РНК делать ДНК. Поэтому их еще называют ретровирусами. Когда такая частица проникала в клетку, превращала РНК в ДНК, а затем встраивала его в геном и оставалась там, как сейчас выясняется, на века. Но тут есть нюанс. Эти древние вирусы могли инфицировать либо половые клетки, либо герминальные — из них на ранних стадиях эмбриогенеза образуются сперматозоиды и яйцеклетки. И это на самом деле нетривиальная задача, потому что большинству вирусных частиц половые клетки неинтересны. Их слишком мало. Зато, попав в них, вирус размножается как горизонтально, так и вертикально — передаваясь потомкам хозяина. Но это бывает крайне редко", — объясняет РИА Новости заведующий лабораторией геномной инженерии МФТИ, вирусолог Павел Волчков.
© Иллюстрация РИА Новости
Ретровирус прикрепляется к строго определенным клеткам хозяина, так как белки его оболочки (капсида) соответствуют рецепторам на поверхности этих клеток. После попадания внутрь капсид распадается под действием либо клеточных ферментов, либо собственных. Вирусная РНК высвобождается и подвергается обратной транскрипции: обратная транскриптаза собирает цепочки ДНК по матрице РНК. Затем эта провирусная ДНК проникает в ядро клетки и встраивается в геном хозяина. В ядре вирусная РНК собирается вновь, а в цитоплазме она обзаводится капсидом. Новый вирус выходит из клетки
Вирусная помощь
В 2014 году британские исследователи подсчитали, что за последние десять миллионов лет в геномах 38 видов животных осело больше 27 тысяч эндогенных ретровирусных элементов. Причем чем крупнее был организм, тем меньше ЭРВ встречалось в его ДНК. Так, если у мыши обнаружили почти три с половиной тысячи вирусных вставок, то у человека — чуть больше тысячи, а у синего кита — и вовсе только 55.
Авторы работы предположили, что обилие этих вирусных участков в геноме потенциально опасно: они могут быть связаны с мутациями, в результате которых развиваются злокачественные опухоли. А чем крупнее животное, тем реже болеет раком.
Однако уже через год международная группа ученых доказала, ЭРВ — не вредный генетический мусор. Они играют важную роль в процессе развития эмбриона у приматов, а значит, и человека. Выяснилось, что у молекул РНК, транскрибируемых из межгенных участков ДНК, вирусная природа. И их блокировка полностью останавливает рост зародыша.
Следы эволюции
В начале нулевых расшифровали нуклеотидные последовательности ДНК многих видов животных. Оказалось, что все эндогенные вирусы расположены в строго определенных местах. Некоторые ЭРВ встречались лишь у человека или кошки, другие же были общими сразу для нескольких видов — скажем, человека, шимпанзе, гориллы и орангутана.
"Прослеживая интеграцию этих ретровирусов в нашу ДНК, можно понять, когда именно разошлись те или иные ветви эволюционно. Потому что встраивание вируса — это событие с конкретной датой, когда какой-то наш общий предок был инфицирован. Вирус встроился в его геном, и теперь этот кусок ДНК есть у всех на планете. Понятно, что таких случаев в процессе эволюции у нас было много. И одинаковое расположение одних и тех же вирусных вставок в геномах двух или более животных говорит о том, что они произошли от одного предка", — говорит Павел Волчков.
По его словам, хотя в геноме эти вирусы, как правило, неактивны, они могут провоцировать новые мутации, в том числе и полезные.
"При делении клеток ДНК постоянно повреждается. Для починки используются точно такие же области другой, сестринской хромосомы. Но из-за огромного количества повторяющихся эндогенных ретровирусов, интегрированных в наш геном, репарационный механизм может "перепутать" место. В результате происходит либо транслокация (перестройка), либо инверсия, которые способны привести к мутации. Для отдельного индивидуума это играет нейтральную либо негативную роль. Но для видообразования это крайне важный процесс, поскольку так возникают новые гены", — отмечает ученый.
Согласно работе датских исследователей, подобным образом появились гены ENVV1 и ENVV2, управляющие слиянием клеток в процессе формирования наружного слоя плаценты. Также они защищают эмбрион от иммунной системы матери. По подсчетам биологов, эти гены остались от древних вирусов, инфицировавших нашего далекого предка 50-70 миллионов лет назад.
Российские ученые предполагают, что ЭРВ сыграли решающую роль в развитии умственных способностей Homo sapiens. Так, один из вирусных элементов, встречающийся только в человеческой ДНК, расположен около гена PRODH и, судя по всему, усиливает его активность. Этот ген кодирует фермент, связанный с синтезом одного из нейромедиаторов, который стимулирует передачу сигналов возбуждения в нервной системе. У наших ближайших родственников, шимпанзе, тоже есть PRODH, но нет ЭРВ, и этот ген у них менее активен.
Когда вирус внедряется в ДНК
Несмотря на значительное количество ЭРВ в геномах животных, вирусы довольно редко могут встроиться в ДНК половых клеток и закрепиться в ней навсегда, считают специалисты. Поэтому вероятность того, что патогены, циркулирующие сегодня в человеческой популяции, — вирус Эбола, Зика или новый коронавирус — встроятся в геном, крайне мала. Даже наиболее подходящий на эту роль ВИЧ, относящийся к семейству ретровирусов, не способен поражать половые клетки.
"Встроиться в геном может только ретровирус, имеющий ДНК-стадию. Правда, есть маленькое исключение: когда клетка одновременно заражается двумя инфекционными частицами, одна из которых относится к семейству ретровирусов. Но это достаточно случайное событие. Его нельзя отрицать, потому что следы таких событий у нас в геноме есть. Однако его вероятность близка к нулю", — пояснил Павел Волчков.