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

Одно из наиболее распространенных наследственных заболеваний зрения — болезнь Лебера, или наследственная атрофия зрительного нерва. Мужчин она поражает в четыре раза чаще, чем женщин. У пораженных ею людей в детстве зрение нормальное, но в подростковом возрасте либо чуть позже вдруг возникает странное замутнение посреди поля зрения. Обычно такое начинается на одном глазу, но быстро распространяется и на второй. Вскоре зрение больного серьезно ухудшается, вплоть до фактической слепоты, а при обследовании врачи замечают странное просветление диска — области в центре глазного яблока, где к нему подсоединяется глазной нерв. Подоплека этого заболевания долго оставалось загадкой, пока в 1988 году не обнаружили: болезнь вызвана мутациями митохондриальных генов. Хотя около двух десятков мутаций связаны с этой болезнью, за 85–90 процентов случаев ответственны всего лишь три мутации. Почему эти мутации воздействуют именно на зрительный нерв, в точности не известно. Возможно, митохондрии неверно программируют апоптоз клеток в зрительном нерве, и это вызывает его дегенерацию.

Поскольку болезнь Лебера наследуется только от матери и генетическая подоплека ее сложна, иногда считали, что эта болезнь связана с дефектами Х-хромосомы, то есть что дефектный ген переносится материнской Х-хромосомой, — но генетика заболевания вовсе не следует законам Менделя. Она определяется передачей цитоплазмы материнской яйцеклетки, что и влечет иной характер наследования. Чтобы понять его, а также то, каким образом дефекты митохондриального генома вызывают заболевания, рассмотрим подробнее происходящее на генетическом уровне.

Геном митохондрии очень мал по сравнению с ядерным геномом, и потому было бы логичным предположить редкость митохондриальных наследственных заболеваний по сравнению с ядерными — но это не так. Они встречаются довольно часто, и причиной тому бактериальная природа митохондрий. Среди унаследованных от наших предков-позвоночных ядерных генов лишь малый процент участвует в кодировании белков, и потому мутации ядерной ДНК далеко не всегда приводят к заболеваниям. С другой стороны, большинство митохондриальных ДНК кодируют функционально важные белки, и потому мутации этих ДНК с гораздо большей вероятностью приводят к болезни. К этому следует добавить большую склонность бактериальных генов к мутациям — мутации в митохондриальных ДНК случаются в десять — двадцать раз чаще, чем в ядерных. А вдобавок митохондриальные заболевания могут возникать и в силу мутаций части митохондриального генома, оказавшейся в ядре. В дополнение ко всему этому митохондрии делятся куда чаще, чем сама клетка, а митохондрий в клетке много. Естественно, мутации возникают куда чаще, чем в таком же по размеру наборе ядерных генов. Поскольку митохондриальные мутации могут возникать и спустя много времени после рождения ребенка, налицо ситуация, когда в одних и тех же клетках ткани бывают и нормальные, и мутировавшие митохондрии. Не правда ли, яркий пример того, как разница в происхождении и эволюционном развитии — в нашем случае факт симбиоза с некогда свободно существовавшей бактерией — сказывается на возникновении и развитии болезни, несмотря на то что симбиоз продолжается уже колоссальное время — миллиард лет? Генетическую подоплеку митохондриальных заболеваний невозможно понять, не поняв симбиотической природы эволюции митохондрий.

Митохондриальные заболевания возникают в семьях из поколения в поколение, бывают всевозможных степеней тяжести — от легких до фатальных, — а проявление болезни зависит от пораженного органа и степени его потребности в кислороде. Надеюсь, теперь читатель поймет, отчего столь сложно такие заболевания диагностировать, в особенности у новорожденных детей и в младенчестве, несмотря на обилие митохондриальных заболеваний. Приблизительно один новорожденный ребенок из семи тысяч шестисот страдает от них. Они составляют значительную часть того, что доктора именуют «врожденными пороками метаболизма». Ведущие к тяжелым заболеваниям мутации были идентифицированы у тридцати из тридцати семи митохондриальных генов и более чем у трех десятков ядерных генов митохондриального происхождения. У больных детей развиваются и прогрессируют неврологические заболевания, сопровождаемые различными изменениями в органах и тканях с высоким потреблением кислорода: мозга, сердца, печени и скелетных мышц. Болезни эти включают смертельно опасную молочную ацидемию (болезнь Лейха), кардиомиопатию с катарактой (синдром Сенджерса) и другие серьезные расстройства метаболизма. Поражены могут быть печень, сердце, почки, кишечник, эндокринные железы и кровь. Из-за этих болезней происходит дегенерация мозга и нервной системы.

Широко известный пример митохондриального заболевания, вызванного мутациями содержащихся в ядре митохондриальных генов, — атаксия Фридрайха. Ее вызывает мутировавший ядерный ген FXN, кодирующий митохондриальный протеин фратаксин, который делает возможным удаление железа из митохондрии; потому в случае отсутствия фратаксина либо его дефектности митохондрия накапливает железо, из-за чего сильно повреждается свободными радикалами и прекращает функционировать. По мере накопления клинических данных доктора заподозрили: дефекты митохондрий могут играть значительную роль в происхождении многих болезней — таких, как сахарный диабет, рак, инфаркт, остеопороз, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, инсульт — и, возможно, в самом процессе старения. Генетики уже тестируют генную терапию наследственной атрофии зрительного нерва (болезни Лебера). Несомненно, со временем будут разработаны новые эффективные виды генной терапии митохондриальных заболеваний, и для разработки их потребуется учитывать симбиотическое эволюционное происхождение митохондрий, а также сложную генетическую и молекулярную динамику, возникающую как следствие такого происхождения митохондрий.

Ранее я вкратце описал роль HERV, их продуктов и зависящих от них элементов в человеческой эволюции, генетике, эмбриологии и поддержании нормального метаболизма. Теперь же, полагаясь на эти знания, приступим к изучению связи эндогенных ретровирусов с наследственными заболеваниями.

Как было показано ранее в это книге, эндогенные ретро-вирусы, несомненно, внесли важнейший вклад в человеческую эволюцию. Однако и после включения в наш геном они остаются потенциально вредоносными. Что сулит нам сосуществование с множеством уже развитых, функциональных чужеродных генов и вирусных LTR, этих мощных регуляторов генной активности? Конечно, мы не выбирали наших сожителей. Вирусы едва ли дожидаются, пока естественный отбор помашет им ручкой и скажет: «Включись в геном, ты полезен». Симбиоз с вирусами происходит по их инициативе, диктуется их стратегией выживания.

Во время недавнего моего выступления перед группой биотехнологов слушатель спросил меня: «Какая часть из всех этих угнездившихся в геноме вирусов активна?»

Я затруднился с ответом. Прежде всего потому, что наши знания о вкладе HERV в нормальное функционирование человеческого генома весьма ограничены. Но есть и другие, не менее весомые причины. Особенности бактериального в своей сущности митохондриального генома наталкивают на мысль, что и вирусные части человеческого ядерного генома могут вести себя вовсе не так, как части, доставшиеся нам от предков-позвоночных. Они ведь и структурно отличаются: вирусные гены не состоят из разделенных интронами экзонов, что свойственно генам позвоночных. Имеются и другие отличия. Мутация — стоп-кодон — в ключевой последовательности гена позвоночных делает ген неактивным. То же самое случается и в случае мутации в ключевой последовательности вирусных генов, но, как показали упоминавшиеся выше исследования Вайса, вирусный ген либо целая область env вирусного генома могут быть реактивированы при взаимодействии с другим вирусом.

Подобное взаимодействие, приводящее к созданию нового голобионтического вирусного генома вследствие рекомбинации нескольких отдельных вирусных геномов, по сути, проявление симбиоза между вирусами. Свойство вирусов объединяться важно для медицины — обычно так и возникают новые штаммы гриппа, вызывающие пандемии. Например, анализ, проведенный Канадской национальной микробиологической лабораторией в Виннипеге и Центром по контролю и профилактике заболеваний США в Атланте, показал: вызвавший эпидемию апреля 2009 года вирус свиного гриппа — это сборная солянка из частей генома вирусов гриппа человека, птиц и свиней. Причем эти исходные вирусы встречаются в разных частях света: в Северной Америке, Европе и Азии. Хотя в точности происхождение вируса свиного гриппа не выяснено, вполне возможно, что он развился в геноме свиней посредством голобионтического слияния геномов трех разных вирусов гриппа. Слияния такого рода — мощнейший из известных симбиогенетических механизмов, способный за очень короткое время произвести новую смертоносную заразу. Потому и не слишком удивительно мнение экспертов, считающих, что новому вирусу присуща «такая сложность, какой до сих пор мы понять не можем».