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».
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.
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.
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.
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».
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.