Вирусная диверсия-многоходовка

РНК-вирус мышиного менингита научился встраиваться в хозяйскую ДНК, используя её фрагменты, оставшиеся в геноме от инфекций далёкого эволюционного прошлого. В геноме человека есть очень похожие участки. Они готовы в любой момент предложить свои услуги запросившему их вирусу и лишить «безопасную» генную терапию РНК-вирусами её безопасного статуса.

Залог успешной диверсии – наличие давно прижившихся и ничем не выделяющихся из толпы агентов. При хорошем стечении обстоятельств можно даже воспользоваться чужими, припасенными до поры ресурсами.

Ларс Хангартнер из Цюрихского университета и его европейские и американские коллеги выяснили, что примерно так и поступает РНК-вирус лимфоцитарного хориоменингита (ЛЦХМ):

он встраивается в геном за счёт доставшихся нам от далеких предков ретротранспозонов – самовоспроизводящихся прыгающих «генетических» элементов.

Учёные пытались объяснить неразрешимый до сегодняшнего дня наблюдательный факт – в инфицированных клетках они часто находили вирусный геном в форме ДНК, которой там и близко быть не должно. Дело в том, что РНК-содержащие вирусы, генетическая информация которых представлена только в форме РНК, в отличие от ДНК-содержащих и ретровирусов, размножаются, не встраивая свой геном в наш.

Например, если клетку поражает аденовирус, то его ДНК встраивается в хозяйскую, после чего клетка синтезирует новые вирионы; то же самое характерно и для герпеса. И хотя сама инфекция не передаётся от поколения к поколению, вирусный элемент при делении клеток сохраняется в геноме. Ретровирусы (к которым относится и ВИЧ) содержат не ДНК, а РНК, но в отличие от остальных РНК-вирусов, синтезируют комплементарную цепочку ДНК уже внутри клетки с помощью фермента обратной транскриптазы; эта цепочка ДНК затем встраивается в геном клетки. Кстати, именно обратная транскриптаза – слабое место ВИЧ: поскольку в нашем организме этот фермент изначально отсутствует, замедление его работы до сих пор остается одним из самых успешных направлений в борьбе со СПИДом.

Аренавирусы, к которым относится вирус острого менингита, «герой» публикации Харгантера в последнем номере Science, значительно «сокращают» свой цикл развития:

сначала они впрыскивают свою РНК, с которой сразу же начинает синтезироваться белок, а «тиражирование» генетического материала осуществляется за счёт фермента РНК-полимеразы, тоже вирусного происхождения.

В этом и заключалось неразрешимое до сегодняшнего дня противоречие. Так как у вируса острого менингита отсутствует обратная транскриптаза, а в здоровом, не пораженном ретровирусами организме ей взяться неоткуда, то все процессы должны протекать на уровне одноцепочечных РНК, без перехода в ДНК-стадию и тем более без встраивания в геном. Но последовательности ДНК, комплементарные вирусной РНК, неизменно находили как при инфицировании отдельных клеток, так и целого организма.

Хангартнер и его коллеги показали, что в этом процессе участвуют упомянутые выше ретротранспозоны – но не все, а только типа IAP. Количество их копий в геноме как дикой, так и лабораторной мыши может достигать двух тысяч копий. «Пассивными» элементами их не назовёшь: несмотря на то, что они содержат гены, их последовательность не считывается, а вот перестановки IAP и участие в считывании ДНК регулярно приводят к сбою в работе системы – их чрезмерную активность связывают с развитием опухолей и иммунодефицитов.

Как выяснилось, эти IAP ретротранспозоны и выступают в роли диверсантов, встраивающих гены менингитного вируса в геном мыши.

Происходит это в два этапа: сначала пара генов pol/gag, находящихся внутри ретротранспозонов, обеспечивает построение ДНК на основе вирусной РНК, причем делает это даже эффективней ретровирусов. Второй этап – непосредственно встраивание, происходит за счет рекомбинации, причем тоже в области IAP или в местах повреждения или разрыва ДНК.

Справедливость своей гипотезы ученые доказали, понаблюдав за инфицированными клетками мыши, китайского хомячка, человека, собаки и зелёной мартышки. Если у мыши IAP ретротранспозонов достаточно и вирус лимфоцитарного хориоменингита встраивался в одной клетке из тысячи (такая кажущаяся низкой вероятность связана с частотой рекомбинации и на деле вполне достаточна в масштабах целого организма), то в клетках других организмов вирусной ДНК обнаружить так и не удалось, хотя вирус отлично размножался. А вот при введении «коктейля» из IAP ретротраспозонов и вируса менингита ДНК появлялась уже на вторые сутки.

Казалось бы, этот факт относится только к фундаментальной науке и людей пока не касается – ведь у нас отсутствуют вышеописанные IAP ретротранспозоны. Но Хангартнер и его коллеги не советуют расслабляться раньше времени:

в человеческом геноме есть потенциально активные К-ретровирусы, способные проявлять ровно такую же активность.

Причем их эффект может быть двояким. Во-первых, это осложнения генной терапии, подразумевающей использование считающихся «неопасными» РНК-вирусов в качестве средства для доставки кодирующих РНК.

Во-вторых, эти К-ретровирусы могут стать причиной включения чужих нуклеотидных последовательностей в геном всей популяции, ведь у мышей наибольшая активность IAP ретротранспозонов зарегистрирована именно в яичках. Если в момент образования сперматозоидов в клетку попадёт любая цепочка нуклеотидов, её шансы стать неотъемлемой частью генома следующего поколения достаточно велики.

РНК-вирус мышиного менингита научился встраиваться в хозяйскую ДНК, используя её фрагменты, оставшиеся в геноме от инфекций далёкого эволюционного прошлого. В геноме человека есть очень похожие участки. Они готовы в любой момент предложить свои услуги запросившему их вирусу и лишить «безопасную» генную терапию РНК-вирусами её безопасного статуса.

Залог успешной диверсии – наличие давно прижившихся и ничем не выделяющихся из толпы агентов. При хорошем стечении обстоятельств можно даже воспользоваться чужими, припасенными до поры ресурсами.

Ларс Хангартнер из Цюрихского университета и его европейские и американские коллеги выяснили, что примерно так и поступает РНК-вирус лимфоцитарного хориоменингита (ЛЦХМ):

он встраивается в геном за счёт доставшихся нам от далеких предков ретротранспозонов – самовоспроизводящихся прыгающих «генетических» элементов.

Учёные пытались объяснить неразрешимый до сегодняшнего дня наблюдательный факт – в инфицированных клетках они часто находили вирусный геном в форме ДНК, которой там и близко быть не должно. Дело в том, что РНК-содержащие вирусы, генетическая информация которых представлена только в форме РНК, в отличие от ДНК-содержащих и ретровирусов, размножаются, не встраивая свой геном в наш.

Например, если клетку поражает аденовирус, то его ДНК встраивается в хозяйскую, после чего клетка синтезирует новые вирионы; то же самое характерно и для герпеса. И хотя сама инфекция не передаётся от поколения к поколению, вирусный элемент при делении клеток сохраняется в геноме. Ретровирусы (к которым относится и ВИЧ) содержат не ДНК, а РНК, но в отличие от остальных РНК-вирусов, синтезируют комплементарную цепочку ДНК уже внутри клетки с помощью фермента обратной транскриптазы; эта цепочка ДНК затем встраивается в геном клетки. Кстати, именно обратная транскриптаза – слабое место ВИЧ: поскольку в нашем организме этот фермент изначально отсутствует, замедление его работы до сих пор остается одним из самых успешных направлений в борьбе со СПИДом.

Аренавирусы, к которым относится вирус острого менингита, «герой» публикации Харгантера в последнем номере Science, значительно «сокращают» свой цикл развития:

сначала они впрыскивают свою РНК, с которой сразу же начинает синтезироваться белок, а «тиражирование» генетического материала осуществляется за счёт фермента РНК-полимеразы, тоже вирусного происхождения.

В этом и заключалось неразрешимое до сегодняшнего дня противоречие. Так как у вируса острого менингита отсутствует обратная транскриптаза, а в здоровом, не пораженном ретровирусами организме ей взяться неоткуда, то все процессы должны протекать на уровне одноцепочечных РНК, без перехода в ДНК-стадию и тем более без встраивания в геном. Но последовательности ДНК, комплементарные вирусной РНК, неизменно находили как при инфицировании отдельных клеток, так и целого организма.

Хангартнер и его коллеги показали, что в этом процессе участвуют упомянутые выше ретротранспозоны – но не все, а только типа IAP. Количество их копий в геноме как дикой, так и лабораторной мыши может достигать двух тысяч копий. «Пассивными» элементами их не назовёшь: несмотря на то, что они содержат гены, их последовательность не считывается, а вот перестановки IAP и участие в считывании ДНК регулярно приводят к сбою в работе системы – их чрезмерную активность связывают с развитием опухолей и иммунодефицитов.

Как выяснилось, эти IAP ретротранспозоны и выступают в роли диверсантов, встраивающих гены менингитного вируса в геном мыши.

Происходит это в два этапа: сначала пара генов pol/gag, находящихся внутри ретротранспозонов, обеспечивает построение ДНК на основе вирусной РНК, причем делает это даже эффективней ретровирусов. Второй этап – непосредственно встраивание, происходит за счет рекомбинации, причем тоже в области IAP или в местах повреждения или разрыва ДНК.

Справедливость своей гипотезы ученые доказали, понаблюдав за инфицированными клетками мыши, китайского хомячка, человека, собаки и зелёной мартышки. Если у мыши IAP ретротранспозонов достаточно и вирус лимфоцитарного хориоменингита встраивался в одной клетке из тысячи (такая кажущаяся низкой вероятность связана с частотой рекомбинации и на деле вполне достаточна в масштабах целого организма), то в клетках других организмов вирусной ДНК обнаружить так и не удалось, хотя вирус отлично размножался. А вот при введении «коктейля» из IAP ретротраспозонов и вируса менингита ДНК появлялась уже на вторые сутки.

Казалось бы, этот факт относится только к фундаментальной науке и людей пока не касается – ведь у нас отсутствуют вышеописанные IAP ретротранспозоны. Но Хангартнер и его коллеги не советуют расслабляться раньше времени:

в человеческом геноме есть потенциально активные К-ретровирусы, способные проявлять ровно такую же активность.

Причем их эффект может быть двояким. Во-первых, это осложнения генной терапии, подразумевающей использование считающихся «неопасными» РНК-вирусов в качестве средства для доставки кодирующих РНК.

Во-вторых, эти К-ретровирусы могут стать причиной включения чужих нуклеотидных последовательностей в геном всей популяции, ведь у мышей наибольшая активность IAP ретротранспозонов зарегистрирована именно в яичках. Если в момент образования сперматозоидов в клетку попадёт любая цепочка нуклеотидов, её шансы стать неотъемлемой частью генома следующего поколения достаточно велики.