Ретровирусы: пятая колонна днк

Само собой разумеется, для любого человека, что более-менее близко знаком с биологией, вопрос «была ли эволюция живых организмов?» не существует. Так как, как справедливо увидел один из выдающихся биологов прошлого века Феодосий Добжанский, «ничто в биологии не имеет смысла, не считая как в свете эволюции». Но для большинства людей это, конечно же, не так несомненно.

И дабы наглядно продемонстрировать очевидность эволюционных процессов, биологи собрали множество весомых доводов молекулярно-генетического и химического свойства. В качестве одного из основных доказательств эволюции выступили, как это ни покажется необычным, всем узнаваемые вирусы.

Речь заходит о реликтовых ретровирусных последовательностях — так называемых эндогенных ретровирусах, негромко сидящих в отечественных клетках. Эти ретровирусы — следы прошлых встреч живых организмов с вирусами типа ВИЧ и другими. Миллионы лет назад они атаковали клетки живших тогда организмов.

И в случае если организм не погибал, а удачно справлялся с вирусной атакой, то вирусы в «разобранном» (деактивированном) состоянии оставались в клетках, уже утратив собственную свойство к инфицированию. В случае если вирусом заражались клетки половой линии, то эндогенный ретровирус передавался много поколений, путешествуя так по геномам время от времени миллионы лет.

По окончании расшифровки нуклеотидной последовательности ДНК многих животных, среди них и человека, произошло определить, где как раз в геноме находятся эти остатки древних вирусов. И взгляду ученых предстала строгая упорядоченность размещения эндогенных ретровирусов — стало известно, что все они находятся в геномах в строго определенных местах. Кое-какие из них свойственны только для человека либо для кошки и не видятся у других животных.

Другие же ретровирусы возможно найти в одном и том же месте, например, в геномах гориллы, шимпанзе, человека и орангутанга.

Возможность того, что вирусы атаковали клетки и случайным образом встроились в геномы различных видов на полностью однообразные позиции среди миллиардов вторых нуклеотидов, очень мелка. Это все равно, как если бы пара миллионов человек забрали в руки «мир и Войну» и, не сговариваясь, указали бы на одно да и то же слово на одной и той же странице. Все это говорит в пользу того, что в ходе эволюции обломки вирусов в клетках передавались много поколений и от одних видов вторым.

Да и то, что ретровирусы находятся у двух либо более животных на одной и той же позиции в ДНК, недвусмысленно показывает, что эти животные случились от общего предка.

В 2007 году издание Nature собственной редакционной статьей подвел линии под всеми спорами о происхождении человека, заявив решительно и прямо: «При всем уважении к эмоциям верующих идею о том, что человек создан по образу Божию, возможно с уверенностью отбросить. И тело, и разум человека случились методом эволюции от более ранних приматов».

Одомашненные вирусы

Эндогенные ретровирусы относятся к громадному классу мобильных элементов генома — к ретроэлементам. Эти мобильные элементы применяют для собственных перемещений механизм, на что показывает приставка «ретро» в заглавии элемента — она свидетельствует «перемещение вспять, в обратном направлении». В базе этого механизма лежит процесс обратной транскрипции, открытый в первой половине 70-ых годов XX века двумя нобелевскими лауреатами, американскими учеными Говардом Темином и Дэвидом Балтимором.

Транскрипция — это перенос генетической информации с ДНК на рибонуклеиновую кислоту (РНК), при котором ДНК употребляется в качестве отправной точки, матрицы. Транскрипцию возможно замечать всегда, в то время, когда осуществляется синтез новых белков. До открытия американцами обратной транскрипции считалось, что перемещение в направлении от РНК к ДНК нереально.

Но, как выяснилось, данный генетический способ широко применяется в живой природе, среди них и такими страшными ее представителями, как вирусы (среди которых и самый страшный для человека — ВИЧ).

Реликты, доставшиеся нам от ископаемых вирусов, нападавших на заре эволюции предков, пришли в полную «негодность» и потеряли собственную прежнюю силу. Не смотря на то, что при некоторых условиях они все-таки смогут «тряхнуть стариной» и продемонстрировать собственную губительную мощь. Пара лет назад было найдено, что внутренние (эндогенные) ретровирусы человека смогут взаимодействовать с внешними вирусами, такими как ВИЧ.

Со стороны это выглядит как дружеская кооперация: «домашние» вирусы смогут поставлять при потребности вирусам, пробравшимся извне, нужные «комплектующие» (протеиновые структуры) для действенного внедрения последних в геном человека.

Это было доказано в 2009 году группой исследователей из Канады, Франции, Швейцарии и США под управлением Ханса Хенгартнера. Исследователи проследили, как внешний РНК-вирус lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) приобретал помощь от эндогенного ретровируса intracisternal A-type particle (IAP), негромко сидевшего в клетки. «Домашний» ретровирус IAP предоставлял попавшему в организм чужаку LCMV собственную транскриптазу — фермент, нужный для внедрения вируса в ДНК животного. Причем ученые ставили опыты с геномами различных животных, среди них и человека, и везде итог был один — вирусы поддерживать друг друга.

Возможно замечать и другие случаи необычной взаимопомощи между вирусами: эндогенные ретровирусы человека смогут отдавать собственные ферменты, протеиназы, вирусу иммунодефицита. Как раз таким поразительным образом ВИЧ удачно противостоит попыткам людей победить его: кое-какие современные лекарства против ВИЧ вычислены на подавление протеиназы. Не просто так академик РАН Евгений Свердлов, много лет посвятивший изучению вирусов, сравнил эндогенные ретровирусы с «пятой колонной» ВИЧ.

Также, с ВИЧ-заразой ассоциировано сходу пара различных вирусов, каковые взаимно усиливают пагубное воздействие друг друга. От таких фактов кроме того у умелых ученых захватывает дух: вирусы объединяются против человека!

Двигатель прогресса

Еще во второй половине 80-х годов возможно было встретить утверждение о том, что ретровирусы не могут приводить к эпидемическому процессу. И из этого — бесплодные попытки ученых создать вакцину против ВИЧ. Ретровирусы и сейчас не потеряли собственной способности привести к большой пандемии.

Но ретровирусы, согласно мнению ученых, смогут быть нужными. Предполагается, и не без оснований, что они сослужили нам хорошую работу в ходе эволюции, передав человеку и вторым живым организмам собственные структурные элементы, ставшие потом отечественными генами.

Сейчас уже совершенно верно известен множество ответственных генов, берущих собственный начало от ретроэлементов. В первую очередь это кое-какие гены, участвующие во внутриутробном развитии плода. Пара лет назад появились сведенья, что ретровирусы имели возможность сыграть весомую роль в эволюции плацентарных животных. Появление у древних организмов плаценты — серьёзный этап их эволюционного развития в сторону усложнения. Плацента разрешила предкам человека продолжить внутриутробное развитие.

Как раз с этим сейчас связывают кардинальные трансформации у млекопитающих, живших около 60 млн лет назад, — постепенное размеров развитие и увеличение мозга умственных свойств.

Исследователи из Токийского медуниверситета изучили влияние гена Peg10 на развитие плаценты у мышей. Они поняли, что мышиные эмбрионы, у которых ген Peg10 был деактивирован, погибали на десятый сутки по окончании зачатия из-за явного нарушения развития плаценты. Ген Peg10 имеет структуру, схожую с ретротранспозоном Sushi-ichi.

Предполагается, что данный транспозон внедрился в геном древних млекопитающих, а после этого в ходе эволюции «одомашнился» и стал в качестве одного из генов делать серьёзные функции в развитии плаценты.

В 2008 году несколько датских генетиков, Андерс Кельдберг и его коллеги, обрисовали еще одну группу генов, каковые достались нам в следствии «молекулярного одомашнивания». Вирусы имеют в собственном составе ген env, важный за синтез белков вирусной оболочки. Датские ученые поняли, что кое-какие из генов env, в частности ENVV1 и ENVV2, оставшиеся от реликтовых вирусов возрастом 50−70 млн лет, на протяжении эволюции превратились в «нужную» часть ДНК.

Сейчас эти гены трудятся в клетках обезьян и плаценты человека. Предполагается, что они смогут руководить слиянием клеток на протяжении формирования наружного слоя плаценты и защищать эмбрион от иммунной совокупности матери. Кроме этого быть может, что эти вирусные гены защищают эмбрион от вторых ретровирусов.

В 2013 году многочисленная несколько русских ученых из нескольких лабораторий (А.А. Буздин и его сотрудники) нашли еще один эндогенный ретровирус, подвергшийся «молекулярному одомашниванию». Они изучили многочисленную группу ретровирусов, характерных только для людской генома, — human-specific endogenous retroviruses (hsERV).

Таких ретровирусов, по приблизительным подсчетам, в отечественной ДНК имеется более ста копий.

Главной целью русских биологов был поиск ретровирусов hsERV, каковые реализовывают функции энхансеров (усилителей). Энхансеры — это нуклеотидная последовательность с регуляторными функциями, которая в большинстве случаев находится вблизи (либо в) генов и повышает их экспрессию. Из всех найденных на сегодня hsERV только шесть копий пребывали в районах простого размещения энхансеров.

Изучив эти шесть ретровирусов, исследователи смогли распознать один hsERV, расположенный вблизи ответственного гена PRODH.

Ген PRODH кодирует фермент пролиндегидрогеназу, который связан с синтезом глутамата, одного из нейромедиаторов, стимулирующего передачу сигналов возбуждения в нервной совокупности. У шимпанзе подобный ген во всех местах его размещения (в гиппокампе, префронтальной коре и хвостатом ядре) не имеет рядом с собой участка ДНК с эндогенными ретровирусами и менее активен если сравнивать с человеческим. Имеется основания считать, что внедрение ретровируса вблизи этого гена сыграло весомую роль в развитии умственных свойств человека.

Хозяева Почвы

Занимательная догадка о роли ретроэлементов в эволюции была предложена пара лет назад биологом Михаилом Супотницким, что разглядывает вирусы не как случайную прихоть природы, а как сложный эволюционный инструмент. Им было введено новое понятие — «ретровирусная эволюция».

Согласно точки зрения Супотницкого, как раз ретровирусы (и ретроэлементы) — настоящие хозяева Почвы. Они появились раньше нас в ходе эволюции, активно учавствовали в создании сложных организмов и в полной мере способны для большего разнообразия видов сгубить все люди.

Как направляться из догадки, иммунная совокупность многоклеточных была создана ретроэлементами и может делать роль естественного резервуара для ретровирусов. Количество же ретровирусов иногда достигает в популяциях «критической массы», благодаря чего происходит вымирание большей части живых организмов и приобретение выжившими устойчивости к вирусам.

Практически добрая половина генома

У различных ретротранспозонов (транспозон — мобильный элемент ДНК) процесс обратной транскрипции имеет собственные особенности.

У ретротранспозонов с долгими концевыми повторами (LTR-ретропозоны) обратная транскрипция происходит не в ядре, а в цитоплазме. Так как по собственному механизму и строению перемещения LTR-ретропозоны имеют громадное сходство с вирусами, этот класс подвижных элементов именуют ретровирусоподобными. Их содержание в геноме человека — около 8% всей последовательности нуклеотидов.

Ко второму классу ретротранспозонов, без долгих концевых повторов (non-LTR), относятся элементы LINE (Long Interspersed Elements — долгие перемежающиеся элементы) и SINE (Short Interspersed Elements — маленькие перемежающиеся элементы). встраивание и Перемещение ДНК-копии этих элементов происходит не в цитоплазме, а в ядре. Элементы LINE — самые бессчётные из подвижных структур человека: они занимают в ДНК пятую часть (около 20%) от всей последовательности нуклеотидов.

И они же единственные из мобильных генов человека, сохранившие до сих пор собственную независимую свойство к перемещению.

Как мы строим супервирус

Согласно точки зрения академика РАН Евгения Свердлова, из обрывков реликтовых вирусов может «сложиться» супервирус наподобие ВИЧ. И тогда уже не избежать всемирный пандемии с огромными людскими жертвами. Особую угрозу несут так именуемые ксенотрансплантации — пересадки органов животных человеку. Как смогут показать себя ретровирусы животных, возможно талантливые взаимодействовать с вирусами генома человека, — тяжело угадать.

Потому многие ученые выступают категорически против таких трансплантаций.

Жизненный цикл ретровируса

Вирус прикрепляется к строго определенным клеткам хозяина благодаря образованию связей белков рецепторов и капсида на поверхности клетки. По окончании проникновения в клетку личные ферменты либо ферменты клетки хозяина разбирают капсид. Вирусная РНК высвобождается и подвергается обратной транскрипции: обратная транскриптаза формирует по матрице РНК цепочки ДНК, а интеграза инициирует проникновение провирусной ДНК в включение и ядро ее в геном хозяина.

В ядре происходит процесс репликации (повторной сборки) вирусной РНК, что уже стал неотъемлемой функцией генома хозяина. В хозяйской цитоплазме вирусная РНК обзаводится капсидом. Отпочковываясь от клетки, обновленный вирус прихватывает с собой часть мембраны хозяина, применяя ее в качестве собственной оболочки.

Устройство вириона

РНК ретровируса находится в протеиновой оболочке называющиеся капсид. Наружная липидная оболочка покрыта ворсинками длиной 8−10 нм. Вирион имеет форму икосаэдра (многогранника) и диаметр 80−100 нм.

Создатель высказывает громадную признательность д. б. н. А.А. Буздину (Университет биоорганической химии РАН) за помощь при написании статьи.

Статья «Ретровирусы: «пятая колонна» ДНК» размещена в издании «Популярная механика» (№153, июль 2015).

Случайные записи:

• Капризы погоды: самые экстремальные погодные условия всолнечной системе
• Взгляд внебеса: четыре века телескопов

Ретровирусы (рассказывает Антон Буздин)

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Человек стал человеком благодаря вирусам

  Из-за чего у человека и у шимпанзе фактически совпадают геномы, не обращая внимания на то, что мы совсем различные существа по собственной природе? Такая…

• Вирусные белки могут регулировать эмбриональное развитие человека

  Около 8 процентов генома человека составляют эндогенные ретровирусы, каковые являются остатками древних зараз. Ретровирусы, такие как ВИЧ либо…

• Фабрика жизни: стволовые клетки

  Секрет судьбы Один из авторов еще одного наиболее значимого открытия XX века — биофизик и американский генетик Джеймс Уотсон — позирует на фоне модели…

• Обратная сторона самых громких научных открытий

  Многие современные открытия в мире науки, о которых отправится обращение, вправду грандиозны, но существует и обратная сторона медали, о которой мало кто…