Ученые открыли яркий случай иронии эволюции: фрагменты генетического материала вирусов, закрепившиеся в ДНК человека, со временем превратились в ключевые элементы иммунной системы, которая как раз и борется с опасными микроорганизмами, в том числе с вирусами. В приключениях вирусной ДНК в геноме человека разбиралась «Лента.ру».
Обезвреженный враг
Некоторые вирусы в процессе размножения вписывают последовательность своего генома в ДНК тех организмов, внутри которых они паразитируют. Такие существа получили название ретровирусов. Самым известным патогеном этого типа является вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Обычно после вписывания клетка превращается в фабрику, где изготавливаются новые копии вируса — но иногда этот процесс подавляется, хотя вирусная ДНК и остается внутри хромосомы. Если этот процесс произошел в стволовой половой клетке, то такую последовательность будут наследовать потомки инфицированной особи — именно этот материал и называется эндогенными ретровирусами (ЭРВ).
Закрепляются ретровирусы в геноме случайным образом, что делает их надежным индикатором эволюционной истории: наличие следов вируса на одном и том же участке ДНК у двух различных видов однозначно указывает на наличие общего предка. Например, определенные ЭРВ есть только у шимпанзе и человека, и только у орангутанов, горилл, шимпанзе и человека — в точном соответствии с эволюционным древом приматов.
Полезные останки
Хотя доля ЭРВ в ДНК человека доходит до девяти процентов, изначально ученые считали их балластом — «шумом». Затем исследователи попытались прояснить их опасность для здоровья. Проще всего это оказалось сделать на примере животных. Так, в 2014 году британские ученые нашли в геномах 38 видов млекопитающих 27 711 ЭРВ, скопившихся за последние 10 миллионов лет.
Впрочем, они же обнаружили странный факт: чем крупнее животное, тем активнее его организм «вычеркивает» из генома ЭРВ. У мышей (средний вес — 19 граммов), например, 3331 ЭРВ, у людей (весят в среднем 60 килограммов) их 1085, а у китов — всего 55. Ученые предположили, что изобилие ЭРВ в геноме является опасным, иначе крупные животные не стали бы от них избавляться. Вероятно, дело в том, что ЭРВ связаны с мутациями, в результате которых в организме начинают развиваться злокачественные опухоли.
Однако у человека следов вредоносного воздействия ЭРВ обнаружить пока не удалось. Более того, ученые находят доказательства того, что реликты древних вирусных инфекций неожиданным образом приносят пользу здоровью и сохраняются в геноме по принципам естественного отбора на ценные признаки.
Аварийная система клетки и роль ЭРВ в ее запуске (в образе электроники)
Фото: Edward Chuong and Nels Elde
Так, в 2015 году Джоанна Высоцка (Joanna Wysocka) и ее коллеги из Стэнфордского университета выяснили, что ЭРВ обеспечивает выживание людей: он защищает трехдневные эмбрионы от других вирусов и регулирует генную активность клеток. В составляющих плод восьми клетках ученые нашли не только ДНК родителей, но и генный материал HERVK — самого последнего ЭРВ, попавшего к человеку (около 200 тысяч лет назад).
HERVK вырабатывает белок, не позволяющий другим вирусам попасть в эмбрион, то есть вирус защищает человека от гриппа и других опасных болезней. Более того, Rec (акцессорный белок HERVK) связывает некоторые клеточные РНК и регулирует деятельность рибосом. Таким образом, ЭРВ играет важную роль в раннем развитии человека, участвуя в генной активности эмбриональных клеток. Открытие Высоцки дало новый аргумент ученым, уверенным, что ретровирусы помогли человеку выделиться в отдельный вид, отличный от обезьян.
Бить врага его же оружием
Дальше — больше. Генетики из Университета Юты экспериментальным образом обнаружили, что при удалении ЭРВ из многих участков генома «ломается» иммунная система человека, защищающая его от болезнетворных микроорганизмов. Ученые работали с интерферонами — молекулярными сигналами, которые выделяются при вторжении вируса и принуждают соседние клетки активировать сотни генов, отвечающих за защиту от «захватчиков». Специалисты изучили открытые базы данных по генам в клетках человека и обнаружили тысячи ЭРВ, которые запускались от интерферонов. Более того, эти ЭРВ были не случайным образом раскинуты по геному: больше всего их было рядом с генами, играющими важную роль в работе иммунной системы.
Чтобы доказать связь ЭРВ и иммунитета, ученые вырезали эти фрагменты инструментом CRISPR/Cas9. Оказалось, что в модифицированных клетках, лишенных чужеродных элементов, гены иммунитета перестали реагировать на интерфероны. Когда же часть клеток (у которых убрали ЭРВ рядом с геном AIM2) заразили опасным вирусом, они не могли ответить адекватной иммунной реакцией. Таким образом, ДНК древних вирусов стала важным элементом защиты организма от их современных «родственников».
Авторы исследования
Фото: University of Utah Health Sciences
Более того, сравнительный анализ геномов различных млекопитающих показал, что многие животные независимым образом были атакованы родственными гаммаретровирусами типа MER41. Случилось это 50-75 миллионов лет назад. У лемуров, летучих мышей, хищных и парнокопытных различные ретровирусы создали сходные по механизму действия энхансеры интерферонных реакций.
Ученые отмечают, что соседство «иммунных» генов и ДНК не случайно. Вирусы специально нацеливались на эксплуатацию системы иммунных сигналов, способных облегчить размножение вирусов. Кстати, даже современные вирусы (тот же ВИЧ) обладают элементами, взаимодействующими с интерферонами. Ирония эволюции заключается в том, что адаптивные механизмы вирусов, помогавшие победить иммунную систему, были впоследствии переработаны и включены в ее арсенал.