Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

Теперь мы понимаем: ретровирусная часть нашего генома состоит из множества копий эндогенных ретро-вирусов, или HERV, подвергавшихся интенсивному эволюционному прессингу со времени их первого вторжения в человеческий геном. Эти вирусы и действующий на них естественный отбор, ранее привлекавшие лишь спорадический интерес, теперь — важнейший объект исследований в лабораториях всего мира. В зависимости от того, как определять семейства вирусов, все HERV можно распределить на 30–50 семейств, а семейства эти разделить на 200 с лишним групп и подгрупп, каждая из которых имеет свою четко определенную эволюционную траекторию. Такое изобилие вирусов в геноме указывает на то, что за сотню с лишним миллионов лет эволюции млекопитающих они много раз подвергались вирусному заражению и экспансии вирусов в геном. Поскольку у всех нас один и тот же набор HERV, это значит — все наши прямые предки были заражены. И хотя нельзя с уверенностью сказать, что каждая группа HERV прибывала в наш геном одинаковым образом, свидетельства пандемии СПИДа и в особенности эпидемии лейкемии у коал заставляют предположить: жестокая выбраковка вирусом не раз происходила и у предков человека и сопровождалась вымиранием значительной части популяции. Мы, современные люди, — наследники переживших безжалостный эволюционный процесс. Не слишком воодушевляющая мысль, правда?

Хотя большая часть этих «выбраковок» произошла более десяти миллионов лет назад, значительная доля их пришлась на прямых предков человека — восемь из десяти полноразмерных подгрупп HERV-K присущи только людям. Они — исключительно наши вирусные партнеры. Весьма примечательно и то, что одна из LTR этих подгрупп HERV-K кодирует последовательность ДНК, встречающуюся также и у ВИЧ-1, — что подталкивает к предположению об эволюционной связи между этими семействами вирусов.

И какие же из этого всего следуют выводы?

В 1996 году Рой Дж. Бриттен из Калифорнийского технологического института смог привести десять примеров того, как эндогенные вирусные последовательности в геноме помогают регулировать экспрессию полезных генов [47]. Семь из десяти примеров относились к человеку, два — к морскому ежу и один — к мыши. Относящиеся к человеку примеры включали ген, ответственный за производство кератина, важного компонента нашей кожи и глаз, гены, связанные с иммунитетом, гены, отвечающие за производство паратиреоидного гормона, ген BRCA-1, ответственный за возникновение рака молочной железы у людей, ген, ответственный за выработку энзима амилазы, позволяющего переваривать крахмал, и ген, связанный с возникновением аденомиосаркомы почки у детей (опухоли Вильмса). Цитирую Бриттена: «Эти примеры демонстрируют, что повторяющиеся сегменты ДНК или мобильные элементы генома, внедрившиеся в человеческий геном в прошлом, сохранившиеся либо модифицированные отбором, теперь контролируют процесс экспрессии соседних генов». Уместно подчеркнуть: выражение «сохранившиеся либо модифицированные отбором» есть фактическое признание симбиогенетического характера динамики естественного отбора, действующего на уровне голобионтического генома.

В Австралии Рэйчел О’Нейл с коллегами обнаружили находящиеся в центральных областях хромосом (центромерах) ретровирусы, активно модифицирующие хромосомы межвидовых гибридов валлаби и тем способствующие быстрейшему появлению нового вида [48]. Русский генетик Евгений Свердлов предположил, что интегрированные HERV могли изменить характер экспрессии генов и тем сыграть важную роль в эволюции гоминидов и возникновении различных эволюционных ветвей гоминидов [49]. Дженнифер Ф. Хьюз и Джон Ф. Коффин из Медицинской школы университета Тафта в Бостоне доказали, что эндогенные ретровирусы человека могли приводить к удалению больших участков хромосом, дупликации их, изменению их места в хромосоме — то есть играли важную роль в человеческой эволюции [50]. Известно, что вирусы могут конкурировать друг с другом, и в настоящее время несколько экспертов-вирусологов — а среди них и Эрик Ларсен, профессор патологии университета Упсалы — высказали предположение о возможной полезной роли HERV в защите человеческого зародыша.

Профессор Ларсен внес существенный вклад в исследования HERV, начиная с самого открытия ERV3 и HERV-K, и напрямую связан с множеством новых находок в этой области в начале двухтысячных. Я знал о его работах задолго до того, как повстречался с ним на конференции Линнеевского общества в Лондоне в 2008 году. На этой конференции Ларсен представил резюме своих результатов, в том числе результаты по интенсивной экспрессии протеинов посредством HERV в человеческом мозге. Эти результаты показались столь необычными, что профессора прервали посреди выступления, прося подробных объяснений.

В начале семидесятых Ларсен окончил медицинский факультет университета Упсалы, одного из старейших и сильнейших университетов Скандинавии. Уже студентом Ларсен заинтересовался возможной ролью вирусов в возникновении рака. В особенности интересными казались ретровирусы — магистерская диссертация Ларсена была посвящена поискам ретровирусов в раковых клетках. Как он пишет: «Я начал работу над проектом, нацеленным на выделение экзогенных человеческих ретро-вирусов из пораженных тканей. Подобные исследования интенсивно велись во многих лабораториях по всему миру — как раз тогда президент Никсон объявил войну раку, и многие откликнулись с энтузиазмом. Но моей главной целью был поиск не экзогенных, а эндогенных человеческих вирусов. Под руководством вирусолога Микуласа Паповича, приехавшего из Братиславы и получившего место в нашей лаборатории, я исследовал многие типы человеческих раковых заболеваний, главным образом глиомы (опухоли мозга), рак крови (лимфомы), опухоли мышц и соединительных тканей (саркомы). Мы искали обратную транскриптазу, открытую несколькими годами ранее. Мы исследовали образцы сыворотки и тканей, а также сами вирусы под электронным микроскопом, использовали несколько разных интерференционных тестов для поиска новых вирусов. Мы довольно часто замечали активность обратной транскриптазы, хотя и на довольно низком уровне, и в особенности часто она отмечалась, когда клетки подвергались воздействию мутагенов — веществ, способных вызывать мутации ДНК».

В начале 2009 года Ларсен согласился дать мне интервью.

— Что вы исследуете сейчас? — спросил я.

— Я работаю главным образом над эндогенными вирусами в плацентарных тканях. В культурах клеток плацентарных тканей наблюдается просто поразительная экспрессия ERV3. Наше внимание сосредоточено преимущественно на трофобластах (это клетки внезародышевой оболочки, ответственные за формирование плаценты). К сожалению, методики тестирования еще несовершенны…

Замечу: несмотря на упомянутое профессором несовершенство, исследование эндогенных вирусов в плацентарных тканях может привести к революционным результатам. Чтобы понять почему — давайте совершим краткий экскурс в захватывающую область биологии — репродуктивную биологию.

После оплодотворения материнской яйцеклетки отцовским сперматозоидом каждое человеческое существо начинается свою жизнь крошечным зародышем, медленно путешествующим по фаллопиевой трубе до безопасного убежища в матке. В возрасте всего четырех дней, когда зародыш — лишь пустой клеточный мешок, он уже посылает гормональный сигнал, получив который матка начинает готовиться к имплантации. В возрасте шести дней зародыш глубоко внедряется во внутреннюю оболочку матки, и так создается удивительный орган, назначенный стать средством связи и взаимодействия между развивающимся зародышем и матерью. Этот орган называется «плацента». Важнейшей деталью устройства плаценты, необходимой для ее работы, является соединительная зона толщиной всего в один слой клеток, отделяющая кровь матери от крови плода. Ее не различить невооруженным глазом — но она позволяет питательным веществам поступать из крови матери в кровь зародыша и в то же время уносит из нее продукты метаболизма, выводимые из организма матери ее почками и печенью. Эта тончайшая мембрана выполняет и другую важнейшую функцию. Половина антигенов зародыша — от отца, то есть они враждебны иммунной системе матери. Если кровь матери вступит в прямой контакт с развивающимся зародышем, иммунная система матери отторгнет зародыш как чужеродное тело, попавшее в ткани. Включится такой же мощный механизм отторжения, какой включается при пересадке чужих органов. Оттого же возникают проблемы наподобие резус-несовместимости, которые приходится изучать — и находить пути их решения — современному акушерству.