Что изучает генетика вирусов

Вирусам, как и всем живым организмам, свойственны наследственность и изменчивость. Основной особенностью вирусного генома является то, что наследственная информация у вирусов может быть записана как на ДНК, так и на РНК. Геном ДНК-содержащих вирусов двухнитевой (исключение составляют парвовирусы, имеющие однонитевую ДНК), несегментированный и проявляет инфекционные свойства. У вирусов, принадлежащих к родам PoxvirusиHepadnavirusгеном представлен двумя цепочками ДНК разной длины. Геном большинства РНК-содержащих вирусов однонитевой (исключение составляют реовирусы и ретровирусы, обладающие двунитевыми геномами) и может быть сегментированным (представители родовRetrovirus,Orthomyxovirus,ArenavirusиReovirus) или несегментированным.

У другой группы вирусов РНК не способна транслировать генетическую информацию непосредственно на рибосомы и функционировать как иРНК. Такие РНК служат матрицей для образования иРНК, т.е. при репликации первоначально синтезируется матрица (+РНК) для синтеза –РНК. Такой тип РНК определяют как минус-нить и обозначают –РНК (негативный геном). У вирусов этой группы репликация РНК отличается от транскрипции по длине образующихся молекул: при репликации длина РНК соответствует материнской нити, а при транскрипции образуются укороченные молекулы иРНК. Молекулы +РНК проявляют инфекционность, а –РНК не проявляют инфекционные свойства и для воспроизведения должны транскрибироваться в +РНК.

Исключение составляют ретровирусы, которые содержат однонитевую +РНК, служащую матрицей для вирусной РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы). При помощи этого фермента информация переписывается с РНК на ДНК, в результате чего образуется ДНК-провирус, интегрирующий в клеточный геном.

Так же как и у прочих форм жизни нуклеиновые кислоты вирусов подвержены мутациям. Фенотипически мутации вирусного генома проявляются изменениями в антигенной структуре, неспособности вызывать продуктивную инфекцию в чувствительной клетке, термостабильностью, изменением размера и формы бляшек, образуемых под агаровым покрытием. Большинству мутаций присущи реверсии к дикому типу, причем каждая мутация имеет характерную частоту реверсий, которую можно точно измерить. У вирусов выделяют спонтанные и индуцированные мутации.

Скорость спонтанного мутагенеза в ДНК-геномах значительно ниже (10 -8 – 10 -11 на каждый включенный нуклеотид), чем у РНК-геномных (10 -3 – 10 -4 на каждый включенный нуклеотид). Более высокая частота спонтанных мутаций связана с низкой точностью репликации РНК-геномов, которая вероятно связана с отсутствием у РНК-репликаз корректирующей активности, свойственной ферментам, реплицирующим ДНК. Наиболее часто спонтанные мутации наблюдаются у ретровирусов, что связано с более высокой частотой сбоев в обратной транскрипции, не способных к самокоррекции.

Индуцированные мутации у вирусов получают при действии различных химических и физических мутагенов, которые подразделяют на действующие invivoиinvitro.

Вирусные мутации классифицируют по изменениям фенотипа и генотипа. По фенотипическим проявлениям мутации вирусов разделяют на четыре группы:

Мутации, не имеющие фенотипического проявления.

Летальные мутации, т.е. полностью нарушающие синтез или функцию жизненно важных белков и приводящие к утрате способности к репродукции.

Условно летальные мутации, т.е. мутации с потерей способности синтезировать определенный белок или с нарушением его функции только в определенных условиях.

Мутации, имеющие фенотипическое проявление, например изменение размеров бляшек под агаровым покрытием или термостабильности.

По изменению генотипа мутации подразделяют на точечные (локализующиеся в индивидуальных генах) и генные (затрагивающие более обширные участки генома).

Заражение вирусами чувствительных клеток носит множественный характер, т.е. в клетку проникает сразу несколько вирионов. При этом вирусные геномы в процессе репликации могут кооперироваться или интерферировать. Кооперативные взаимодействия между вирусами представлены генетическими рекомбинациями, генетической реактивацией, комплементацией и фенотипическим смешиванием.

Генетическая рекомбинация чаще встречается у ДНК-содержащих вирусов или РНК-содержащих вирусов с фрагментированным геномом (вирус гриппа). При генетической рекомбинации происходит обмен между гомологичными участками вирусных геномов.

Генетическая реактивация наблюдается между геномами родственных вирусов с мутациями в разных генах. При перераспределении генетического материала формируется полноценный геном.

Комплементация происходит когда один из вирусов, инфицирующих клетку, в результате мутации синтезирует нефункциональный белок. Немутантный вирус, синтезируя полноценный белок, восполняет отсутствие его у мутантного вируса.

Фенотипическое смешивание происходит при смешанном заражении чувствительной клетки двумя вирусами, когда часть потомства приобретает фенотипические признаки, присущие двум вирусам, при неизменном генотипе.

При множественном инфицировании чувствительной клетки между вирусами могут возникать интерферирующие взаимодействия. Интерфернцией вирусов называют состояние невосприимчивости к вторичному заражению клетки, уже инфицированной вирусом. При гетерологической интерференции инфицирование одним вирусом полностью блокирует возможность репликации второго вируса в пределах одной клетки. Механизмы гетерологической интерференции связаны с угнетением адсорбции другого вируса путем блокирования или разрушения специфических рецепторов, а так же с ингибированием трансляции мРНК любой гетерологичной мРНК в инфицированной клетке. Кроме того, первичное заражение может индуцировать образование интерферона, ингибирующего репликацию второго вируса.

Гомологическая интерференция, т.е. интерференция между гомологичными вирусами, характерна для многих вирусов, особенно при повторных пассажах invitroи при высокой множественности инфицирования. В таких условиях образуется много дефектных вирусных частиц, обычно не способных к репродукции. Однако размножение дефектных вирусов возможно при совместном заражении с полноценным вирусом (вирус-помощник). При этом дефектный вирус может вмешиваться в репликативный цикл вируса-помощника и образовывать дочерние дефектные интерферирующие (ДИ) вирусные частицы. ДИ-частицам присущи три основных свойства: дефектность (повреждение в важных генах), способность к интерференции (ДИ-частицы препятствуют репликации полноценного вируса или других гомологичных вирусов) и способность к самообогащению за счет стандартного вируса. Циркуляция ДИ-частиц и коинфекция с полноценным вирусом вызывают вялотекущие, длительные формы инфекции.

Кроме взаимодействий, происходящих между вирусами, при смешанной инфекции происходят также взаимодействие между вирусом и клеткой-хозяином. При взаимодействии клеток с ДНК-содержащими вирусами может происходить вирусная трансформация клетки. В результате трансформации у клеток изменяются морфологические, биохимические и ростовые характеристики, может появляться способность к опухолевому росту. Представляет интерес трансформация клеток под действием РНК-геномных ретровирусов. У ретровирусов трансформация и репликация не являются взаимоисключающими, поскольку трансформированные клетки способны реплицировать вирус. Геномы трансформирующих вирусов обычно интегрируют с геномом трансформируемой клетки.

За последние несколько лет наблюдался взрывообразный рост числа опубликованных сообщений по различным аспектам генетики эукариотических систем вообще, и системы клетка — вирус животных в частности.

Вирусы являются одним из излюбленных объектов молекулярной генетики благодаря простому строению и малой молекулярной массе их геномов, которая в 106 раз меньше массы генома эукариотической клетки. Организация генетического аппарата у ряда вирусов, например у sv40, настолько сходна с таковой генов эукариотической клетки, что пблучила название минихромосомы. Минихромосома широко используется для изучения организации и репликации ДНК.

Структурная организация генома клетки

В составе генома имеются структурные гены, кодирующие определенные* биополимеры (белки или РНК), и регуляторные гены, которые контролируют функцию структурных генов. Регуляция происходит с помощью белковых продуктов регуляторных генов — репрессоров, подавляющих активность структурных генов. Регуляторными участками генов, контролирующих транскрипцию, являются усилитель транскрипции (enhancer) и промотор — область, предшествующая структурным генам и определяющая место специфического связывания РНК-полимеразы.

Характерной особенностью генов эукариотической клетки является их мозаичная структура, т. е. прерывистость гена. В составе гена, кодирующего один белок, кодирующие участки прерываются вставочными последовательностями, которые не несут никакой кодирующей информации и не транслируются. Кодирующие участки гена называются экзонами, а вставки — нитронами (рис. 25).

Строение эукариотического гена и его транскрипция.

а строение эукариотического гена 8У40: 1—усилитель транскрипции; 2—

промотор; 3— инициация репликации ДНК вируса (origin); 4— интроны; 5— экзоны (кодирующие области гена); 6— терминирующая последовательность ААТААА; стрелка обозначает участок начала транскрипции, б — схема сплайсинга при созревании иРНК: 1—экзоны, 2—интроны, 3—зрелая иРНК.

Основной особенностью вирусного генома является то, что наследственная информация у вирусов может быть записана как на ДНК, так и на РНК. Геном ДНК-содержащих вирусов двухнитевой (исключение составляют парвовирусы, имеющие однонитевую ДНК), несегментированный и проявляет инфекционные свойства. У вирусов, принадлежащих к родам Poxvirus и Hepadnavirus геном представлен двумя цепочками ДНК разной длины. Геном большинства РНК-содержащих вирусов однонитевой (исключение составляют реовирусы и ретровирусы, обладающие двунитевыми геномами) и может быть сегментированным (представители родов Retrovirus , Orthomyxovirus , Arenavirus и Reovirus ) или несегментированным.

Вирусные РНК в зависимости от выполняемых функций подразделяются на две группы. К первой группе относятся РНК, способные непосредственно транслировать генетическую информацию на рибосомы чувствительной клетки, т.е выполнять функции иРНК и мРНК. Их называют плюс-нити РНК и обозначают как +РНК (позитивный геном). Они имеют характерные окончания (`шапочки') для специфического распознавания рибосом.

У другой группы вирусов РНК не способна транслировать генетическую информацию непосредственно на рибосомы и функционировать как иРНК. Такие РНК служат матрицей для образования иРНК, т.е. при репликации первоначально синтезируется матрица (+РНК) для синтеза -РНК. Такой тип РНК определяют как минус-нить и обозначают -РНК (негативный геном). У вирусов этой группы репликация РНК отличается от транскрипции по длине образующихся молекул: при репликации длина РНК соответствует материнской нити, а при транскрипции образуются укороченные молекулы иРНК. Молекулы +РНК проявляют инфекционность, а -РНК не проявляют инфекционные свойства и для воспроизведения должны транскрибироваться в +РНК.

ИНФОРМАЦИОННОЙ ЕМКОСТИ ВИРУСНОГО ГЕНОМА

У многих вирусов молекулярная масса синтезирующихся белков превышает теоретически рассчитанную. Этот феномен объясняется наличием у вирусов механизмов, позволяющих получить развернутую генетическую информацию при максимальной экономии генетического материала; подобные механизмы выработаны в процессе эволюции вирусов как генетических паразитов.

Способами увеличения генетической информации являются: 1) двукратное считывание одной и той же иРНК, но с другого инициирующего кодона; 2) сдвиг рамки трансляции; 3) сплайсинг; 4) транскрипция с перекрывающихся областей ДНК и др.

2) Трансляция может происходить без сдвига рамки и со сдвигом рамки. Генетический код является триплетным, это означает, что три нуклеотида, составляющих триплет, или кодон, кодируют одну аминокислоту. В том-случае, если триплеты сохранены и генетический код не изменился, то при трансляции с двух разных инициирующих кодонов будут синтезироваться полипептиды, представляющие собой укороченную копию первого полипептида (трансляция без сдвига рамки).

В том случае, если произошел сдвиг на один или два нуклеотида, образуются новые триплеты (кодоны) и появляется новый генетический код. В этом случае одна молекула иРНК может транслироваться с образованием двух уникальных белков, т. е. таких белков, у которых нет идентичных аминокислотных последовательностей.

3) Сплайсинг со сдвигом рамки широко используется у ряда вирусов (вирусы гриппа, парамиксовирусы, буньяви-русы, аденовирусы, паповавирусы, парвовирусы и др.). Один и тот же ген парамиксовирусов (вирус Сендай) кодирует два уникальных белка: структурный белок Р и неструктурный белок С.

Одним из способов экономии генетического материала является нарезание полипептида-предшественника на участки разной длины, в результате чего образуются разные полипептиды с перекрывающимися аминокислотными последовательностями. Таким образом, число реальных генов превосходит молекулярную массу генома. Основанный на длине генома расчет числа генов неизменно приведет к ошибочным результатам. Более точные представления о числе генов можно получить путем биохимического и генетического анализов.

Конечная цель генетического изучения вирусов животных — понимание деталей структуры и функции вирусного генома и каждого из генных продуктов вируса.

Методы исследования генетики вирусов .

На раннем этапе генетические исследования вирусов животных сдерживались из-за отсутствия подходящих методов исследования индивидуального потомства при смешанном заражении. Решение этой проблемы было найдено Дульбекко [32, 33], который разработал метод бляшек для цитоцидных вирусов. Использование метода бляшек позволило точно определять количество потомства, получать чистые клональные штаммы вируса и очищать вирусы от других примесных вирусов и дефектных интерферирующих частиц того же типа вируса. С помощью этого метода была получена система, пригодная для анализа условно-летальных мутаций. Таким образом, в значительной степени генетика вирусов животных началась с введения в практику метода бляшек. В настоящее время применимость метода бляшек рассматривают как необходимое условие для начала исследований генетики новой группы вирусов подобно тому, как разработка метода фокусов трансформации для нецитолитических, трансформирующих вирусов [151] послужила ключом к развитию генетических исследований этих вирусов.

При изучении регуляции синтеза вирусных нуклеиновых кислот и белков во многих системах, например у герпесвирусов, с успехом использовали ингибиторы белкового синтеза, такие как пуромицин или циклогексимид, а также ингибиторы синтеза РНК, например актиномицин Е) Разработка электрофоретических систем с высоким разрешением для анализа белков и нуклеиновых кислот позволила провести генетические исследования вирусов с сегментированным РНК-геномом, используя в качестве маркеров полиморфизм электрофоретической подвижности РНК-сегментов и белков Применение рестрикционных эндонуклеаз сыграло аналогичную роль для ДНК-содержащих вирусов с использованием в качестве генетических маркеров полиморфизма подвижности фрагментов ДНК и белков.

Методы исследования транскрипции и трансляции in vitro вирусов доказали свою эффективность при построении физических карт, особенно в системах, где отсутствует генетическая рекомбинация. В последнее время генетические приемы используют для изучения вирусного патогенеза и иммунного ответа хозяина на вирусную инфекцию, если хотят сопоставить специфические свойства вируса с индивидуальными вирусными генами и генными продуктами. Иными словами, современный генетик, изучающий вирусы животных, охотно заимствует методы у биохимика и применяет их в генетическом анализе. Наряду с этим генетики и другие специалисты используют генетический анализ для ответа на вопросы, которым традиционно не уделялось должного внимания. Такое слияние дисциплин очень помогло генетикам и в значительной мере определило быстрый прогресс этой науки в последние несколько лет.

Изучение разнообразия вирусов и вирусоподобных генетических элементов хвойных растений: поиск механизмов, обеспечивающих латентный характер инфекции. НИР

Руководитель НИР: Макаров В.В.
Участники НИР: Гущин В.А., Макарова С.С.
Подразделение: Отдел физических методов измерений
Срок исполнения: 20 апреля 2015 г. - 15 декабря 2016 г.
Номер договора (контракта, соглашения): 15-54-04004 Бел_мол_а
Номер ЦИТИС: 115042870047
Тип: Фундаментальная
Приоритетное направление научных исследований: Структура и функционирование клетки. Межклеточные взаимодействия. Молекулярные механизмы клеточной дифференцировки, иммунитета и онкогенеза. Взаимодействие вирус-клетка.
ПН России: Науки о жизни
Рубрики ГРНТИ:
- 34.25.01 Общие вопросы
- 34.25.39 Вопросы экологии и эпидемиология вирусов
Ключевые слова: латентная инфекция, разнообразие вирусов, вирусы хвойных

Описание:

Растительные вирусы, в настоящий момент довольно хорошо охарактеризованы. С момента открытия вируса табачной мозаики вирусы растений являются объектом пристального изучения как со стороны фитопатологов, так и со стороны молекулярных биологов. Так, за изучение вируса табачной мозаики в 20 веке, было получено две нобелевские премии, и этот вирус надолго стал излюбленным модельным объектом со стороны молекулярных биологов. Последнее время снова стал разгораться интерес к растительным вирусам, как к модельным объектам для изучения процессов фитоиммунитета. Так, именно на растительных вирусах был впервые охарактеризован процесс РНК-интерференции (Covey et al.,1997;.Ratcliff et al.,1997) и подробно изучены механизмы гиперчувствительного ответа (Wright et al., 2000). В настоящий момент растительные вирусы являются модельными объектами при изучении ETI и новых типов защитных ответов, в которые вовлечено ядро и субъядерные органеллы растительной клетки (Taliansky et al., 2010). В связи с тем, что тематика изучения механизмов фитоиммунитета является актуальной, кажется интересным изучить те случаи вирусной инфекции, которые протекают в растениях латентно. В настоящий момент имеется два варианта, объясняющих латентный характер протекания инфекции: ослабление инфекционности вируса вследствие мутаций в его геноме и эффективная работа систем антивирусной защиты растения. Первый вариант, обычно, менее распространен, поскольку ослабление инфекционных свойств вируса часто приводит к абортивным инфекциям и элиминации вирусов, тогда как второй вариант довольно часто встречается в природе. До появления методов глубокого секвенирования, выявление вирусов, несущих латентный характер инфекции, было нетривиальной, а порой и неразрешимой задачей. Однако, теперь, благодаря технологиям секвенирования нового поколения появилась возможность определить все возможные варианты транслирующихся внутри растительной клетки РНК, что делает возможным детекцию вирусов, не имеющих четко выраженных симптомов. Одной из групп растений, для которых отсутствуют литературные данные о наличии у них вирусов, являются хвойные. Учитывая тот факт, что вирусы распространены среди самых разнообразных групп живых организмов, было бы логичным предположить наличие у хвойных эффективных способов противостоять вирусным инфекциям. В связи с вышесказанным, данный проект планируется сосредоточить на решении двух основных задач: поиске новых вирусов растений в популяциях ели европейской (Picea abies) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) и изучению механизмов устойчивости хвойных к вирусным инфекциям. Для решения первой задачи планируется провести глубокое секвенирование большого числа образцов вирусной РНК (через получение кДНК) хвойных, указанных выше видов. Для изучения механизмов устойчивости хвойных к вирусным инфекциям, планируется разработать методику заражения модельными растительными вирусами (вирус табачной мозаики, вирус погремковости табака, вирус штриховатой мозаики ячменя и Х вирус картофеля), охарактеризовать характер протекания вирусной инфекции, изучить конкретные молекулярные пути, задействованные в иммунном ответе хвойных на проникновение патогена, с помощью современных методов вирусологии, молекулярной биологии и протеомики.

грант РФФИ

#	Сроки	Название
1	20 апреля 2015 г.-15 декабря 2015 г.	Изучение разнообразия вирусов и вирусоподобных генетических элементов хвойных растений: поиск механизмов, обеспечивающих латентный характер инфекции.
Результаты этапа: В ходе проекта российским коллективом в 2015 году будут решаться следующие задачи. 1. Выделение фракции двунитевой РНК из образцов потенциально зараженных хвойных растений и получение кДНК библиотек для дальнейшего секвенирования. Для этого образцы хвойного растения будут гомогенизированы. Затем нуклеиновые кислоты из гомогенизированных образцов будут экстрагированы с помощью буферного раствора, содержащего Трис-HCl, ЭДТА, SDS, бета-меркаптоэтанол и поливинилполипирролидон. Полученная суспензия будет отцентрифугирована, а супернатант отобран и после добавления этанола (до конечной концентрации 20%) перенесен на колонки, содержащие CF-11 целлюлозу. Затем целлюлоза промывается специальными растворами для экстракции ДНК и оцРНК, а после с помощью элюирующего буфера, содержащего NaCl и ЭДТА. Полученная фракция двунитевой РНК будет нормализована и станет матрицей для ПЦР с использованием обратной транскрипции. На основе, полученной таким образом нормализованной кДНК, будут созданы библиотеки, которые будут анализироваться с помощью методов высокопроизводительного секвенирования нового поколения. 2. Изучение проявлений инфекционных свойств модельных вирусов на молодых хвойных культурах. В качестве хвойных культур для исследования проявлений инфекционных свойств модельных вирусами планируется использовать молодые растения ели европейской (Picea abies) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris). Эти растения будут заражены следующими модельными РНК-содержащими вирусами из разных систематических групп, а именно представителями семейства Virgaviridae: вирусом табачной мозаики (ВТМ, род Tobamovirus) , вирусом погремковости табака (ВПТ, род Tobravirus), вирусом штриховатой мозаики ячменя (ВШМЯ, род Hordeivirus) и представителем семейства Alphaflexiviridae Х-вирусом картофеля (ХВК, род Potexvirus). Вышеупомянутые вирусы имеют разное систематическое положение, разную инфекционность и разный спектр хозяев. Идентификация вирусов будет проводиться с помощью методов ПЦР, ПЦР в реальном времени, иммуноферментного анализа и вестерн-блоттинга, причем детектироваться вирусы будут как в образцах из инокулированных частей растения, так и в образцах из первично незараженных участков хвойных. Все это позволит оценить чувствительность хвойных растений к различным РНК-вирусам и охарактеризовать процесс протекания вирусной инфекции для целого ряда растительных вирусов.
2	1 марта 2016 г.-31 декабря 2016 г.	Изучение специфических антивирусных механизмов защиты хвойных растений
Результаты этапа:

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, . ). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Экард Виммер

Все вирусы кодируются геномами, равно как и все живое на нашей планете, от бактерий до млекопитающих. Большинство вирусных геномов строится на основе ДНК, но некоторые — на основе РНК. На самом деле вирусы — это единственные организмы, использующие РНК-код. Это заставляет некоторых биологов думать, что вирусы могли появиться на гипотетическом этапе эволюции, известном как РНК-мир, который, как считают сторонники этой теории, предшествовал нашему миру, построенному на базе ДНК. РНК в отличие от ДНК может реплицироваться без помощи белковых энзимов. Соответственно для перехода от первичного бульона химических веществ к самовоспроизведению на основании РНК потребовался бы совсем крохотный шаг. Вирусы являются облигатными паразитами, то есть всегда рождаются в клетках своих носителей. Они умирают, как и бактерии, под влиянием нагревания или токсичных химикатов. Они также проходят жизненные циклы, включающие репродуктивную фазу, что является еще одной базовой характеристикой живого организма. Следующий и, вероятно, самый важный вопрос звучит так: развиваются ли вирусы в соответствии с установленными эволюционными механизмами? Да, именно так они и делают.

Геномы вирусов мутируют быстрее, чем геномы любых других известных нам организмов. Этим частично объясняется, почему человеческому организму так сложно бороться с вирусом ВИЧ-1. Через год или два после инфицирования в одном пациенте развиваются миллионы различных модификаций вируса. Сами по себе вирусы не обладают эпигенетическими системами наследования, но иногда, проникая в ядра клеток носителя, они захватывают его систему. Способны ли они на гибридизацию? И снова можно привести множество ярких примеров — вспомните хотя бы новые пандемические вирусы гриппа, которые регулярно сеют панику во всем мире. Доступна ли вирусам симбиотическая эволюция, или, говоря научным языком, генетический симбиогенез? Ниже я расскажу, почему они являются идеальным примером этого явления.

Итак, почему некоторые ученые настаивают, что вирусы нельзя отнести к живому миру? Насколько я понимаю, это представление развивалось исторически на основании неверной предпосылки о возникновении вирусов.

Когда в середине ХХ века ученые пытались дать определение жизни, мы знали о вирусах еще очень мало, и биологи пришли к договоренности о том, что минимальным требованием к признанию организма живым должно являться наличие клеточной мембраны, внутри которой содержатся энзимные и биохимические средства для обмена веществ. Мне кажется, что создатели этого определения специально приложили усилия, чтобы исключить вирусы из понятия живого. Почему существо, имеющее клеточную мембрану, считается живым, а существо с вирусной оболочкой — нет? Что касается требования о наличии внутреннего обмена веществ, то на это способно лишь небольшое количество так называемых автотрофных бактерий. Выживание всех прочих форм жизни, включая нас самих, зависит от основных аминокислот, жирных кислот и витаминов, которые они получают из других организмов. Некоторые ученые считают, что вирусы следует исключить из мира живого из-за их паразитической природы, но ведь и многие виды бактерий также являются облигатными паразитами.

ВИЧ-1, основной возбудитель заболевания, часто распространяется при незащищенном половом контакте (вагинальном, анальном или оральном). Вирус проникает в организм человека через ткани слизистых. Он также может напрямую попасть в кровь, если зараженный и здоровый человек воспользуются одним и тем же оборудованием для инъекций, и передаться от матери ребенку во время беременности, родов и кормления грудью. Даже на этом эпидемическом этапе, когда вирус действует как эгоистичный генетический паразит, уже можно говорить о начале симбиотической эволюции. Международные исследования показали, что скорость прогрессирования болезни у зараженных людей зависит от подтипа гена человека, известного под названием HLAB. Это один из генов, определяющих характер иммунного ответа при трансплантации органов. Распределение подтипов HLAB по человеческой популяции влияет на эволюцию вируса, а сам вирус за счет летальности некоторых подвидов одинаковых подтипов генов изменяет генофонд человечества.

Точно так же, как колибри и цветы, люди и вирусы влияют на эволюцию друг друга. Именно такого паттерна можно ожидать от симбиотического эволюционного развития.

Это не означает, что вирус одновременно не развивается самостоятельно или того же не происходит с человечеством. В то же время естественный отбор начинает влиять не только на людей и вирусы по отдельности, но и на симбиоз в целом. Вирусологи называют этот паттерн паразитического взаимодействия коэволюцией. С симбиологической точки зрения мы наблюдаем, как союз, начавшийся с паразитизма, со временем может превратиться во взаимовыгодное сотрудничество.

Вирус ВИЧ-1 выборочно поражает иммунные клетки — лимфоциты, носящие название CD+T-хелперы. Мембраны этих клеток содержат важный иммуноглобулин CD4, который способствует слиянию клетки и вирусной оболочки. Так, вирусный геном проникает в ядро, где собственный энзим вируса, называемый обратной транскриптазой, превращает РНК-геном вируса в его ДНК-эквивалент, а затем с помощью энзима интегразы интегрирует его в геном ядра. Это удивительное влияние геномов вируса и носителя является важным шагом. После него вирус может отдать геному носителя команду производить дочерние вирусы, которые будут распространяться на другие клетки и повторять тот же процесс. Таким образом вирус будет постепенно двигаться по крови и тканям зараженного человека.

Обратите внимание на то, какую большую роль в атаке на иммунную систему носителя играет оболочка вируса, как вирус находит свою цель и как сливается с мембраной выбранной клетки, чтобы захватить ее. По мере распространения вирус снова и снова будет использовать свою оболочку, чтобы избежать противодействия иммунной системы, при этом захватывая и убивая все больше и больше клеток с CD4. По мере развития болезни вирус достигнет такой стадии, на которой в организме каждый день будут производиться миллиарды его дочерних копий. При этом они будут мутировать с огромной скоростью. Именно из-за этого быстрого распространения и стремительной мутационной эволюции вируса в организме зараженного человека с ним так сложно справиться без медицинского вмешательства. Во время фазы роста вирус проникает в половые органы, семенники и яичники, а также в железы человеческого организма, делая заразными семенную жидкость, вагинальные выделения и слюну человека для максимального распространения между носителями.

Точно так же, как ретровирус вводит свой геном в клетки CD4, многие ретровирусы поступают с зародышевыми клетками своих носителей, то есть со сперматозоидами и яйцеклетками. Это можно наблюдать на примере эпидемии ретровируса, поразившей коал в восточной части Австралии примерно 100 лет назад. Эта острая инфекция показывает нам, какой ужасной силой может обладать вирус, передающийся половым путем. Вирусологи подтверждают, что заражены уже все животные на севере страны, и эпидемия движется на юг. Со временем все коалы, кроме островных популяций, окажутся зараженными этим вирусом. Из-за вируса у животных развивается лейкемия и лимфосаркома, и уровень смертности очень велик. Изначально биологи беспокоились, что из-за эпидемии австралийским коалам может грозить вымирание, но, судя по всему, этого не произойдет. Ретровирус уже воздействует на половые клетки коал, так что в хромосомах этих животных уже присутствует от 40 до 50 вирусных локусов, которые они передадут потомкам. Так как голобионтический геномный союз имеет место в рамках ядерного, а не митохондриального генома, вставки ретровируса в геном коалы будут наследоваться в соответствии с классическими законами Менделя.

На сегодня вирус ВИЧ-1 еще не проник в половые клетки человека. Некоторые вирусологи полагают, что это невозможно, потому что ВИЧ принадлежит к подгруппе ретровирусов, называемых лентивирусами, которые не проходят процесс эндогенеза. Однако недавно лентивирусы были обнаружены в половых клетках европейских кроликов и мадагаскарских лемуров, которые, как и мы, являются приматами. Станет ли ВИЧ когда-нибудь частью нашего организма — неизвестно. Мы знаем, что множество ретровирусов попадали в зародышевые линии человека и его предков и влияли на эволюцию нашего генома, поэтому около 9% его на сегодня состоит из ретровирусной ДНК. Ретровирусы, способные захватывать геном своего млекопитающего хозяина, называются эндогенными ретровирусами, или ЭРВ (ERV), в то время как разнообразные инфицирующие ретровирусы носят название экзогенных. Эндогенные ретровирусы человека обозначаются аббревиатурой ЭРВЧ (HERV). Она объединяет от 30 до 50 семейств вирусов, которые в свою очередь подразделяются на более чем 200 групп и подгрупп. Последние из этих эволюционных линий, попавшие в геном предков человека, называются HERVK, десять их подтипов являются исключительно человеческими.

Каждое семейство и подсемейство ЭРВЧ было приобретено нами в ходе отдельного процесса геномной колонизации, вторжения, произошедшего во время поразившей наших предков ретровирусной эпидемии. Учитывая, что мы видим сегодня на примере СПИДа и эпидемии коал, можно представить довольно мрачную картину выживания раннего человечества между волнами заболеваний. Когда две группы ученых восстановили первоначальный геном последнего ретровируса, обосновавшегося в человеческом организме, они обнаружили, что им был крайне заразный экзогенный ретровирус, обладающий патогенным потенциалом в тканевых культурах. Приятно понимать, что мы являемся наследниками победителей. Но сегодня нам следует учитывать последствия воздействия ретровирусов, которые все еще продолжают проникать в развивающийся человеческий геном.

Когда ретровирус захватывает половую клетку, он действует как паразит, и геном носителя начинает борьбу против его нападения. Эта борьба продолжается даже в том случае, если защитникам приходится то и дело менять оружие, когда вирусный геном уже колонизировал зародышевую линию и создал вирусные локусы в хромосомах. Антитела уже не будут эффективны против такого генома, поэтому в дело вступят другие приемы деактивации вирусных локусов, например эпигенетическое глушение, о котором я расскажу подробнее в следующей главе. Но такие эпигенетические меры, как метилирование вирусных локусов, не являются окончательным решением для подавления патогенного вируса. Для постоянного глушения потребуются мутации — либо наносящие вред вирусным генам и регуляторным регионам, либо вводящие нежелательные генетические последовательности в вирусный геном. В то же время постоянное присутствие вирусного генома в зародышевой линии носителя, зачастую в виде множества копий, распределенных по хромосомам, вводит новые возможности для симбиотического генетического взаимодействия между двумя разными геномами. С течением времени количество таких возможностей возрастает.

Читайте также: