Вирусы отрегулировали человека

Сложной системой регулирования организма на уровне ДНК человек, возможно, обязан ретровирусам – дальним родственникам ВИЧ. Похоже, именно они дали «гену-императору» приматов, управляющему генной экспрессией у обезьян и человека, его нынешний статус.

Когда миллионы лет назад древние ретровирусы внедрили части своих ДНК в геном приматов, эти агрессоры невольно внесли существенный вклад в развитие механизма саморегулирования человеческого организма на генном уровне. По мнению учёных из Калифорнийского университета, именно эти дальние родственники ВИЧ дали начало одному из важнейших механизмов регулирования экспрессии генов – белку, кодируемому геном p53.

В наши дни примерно 8% человеческого генетического кода состоит из эндогенных ретровирусов – остатков ДНК этих «самолюбивых паразитов». Исследование, проведенное в Калифорнийском университете, описывает процесс развития регуляторной генной сетки. Известно, что не все гены в ДНК равноправны – некоторые имеют привилегию «выключать» и заново «включать» экспрессию тех или иных участков ДНК. Возникновение генных механизмов регулирования позволило лучше контролировать экспрессию различных генов высшим позвоночным.

Такой тонкий и чуткий контроль считывания генной информации позволяет различным видам, даже таким близким генетически, как человек и шимпанзе, иметь значительные различия в биологическом строении и развитии.

У ученых долгое время вызывала огромный интерес способность одного из главных генов-регуляторов – р53 – включать и выключать из работы широкий диапазон генов, участвующих в процессах деления клеток, восстановления участков ДНК, а также программировать смерть клетки. Оставалось неясным и то, как р53 единолично встал во главе этой генной империи.

Применив современные методы вычислительной геномики, учёные пришли к выводу, что за спиной р53 стоят ретровирусы.

В свое время эндогенные паразиты встроились в цепочку ДНК и распространили многочисленные копии своих последовательностей нуклеотидов по всей молекуле, что и позволило р53 взять под контроль обширные её области. В настоящее время генетики называют р53 не иначе как императором или королем, самодержцем среди всего царства геномов – строгим, но справедливым. Единственной его задачей является постоянная инспекция состояния клеток и их развития. Часто сбой в работе р53 приводит к необратимым нарушениям в клеточном механизме и возникновению раковых опухолей.

Примерно половина злокачественных опухолей, встречающихся у людей, содержит мутировавший или нарушенный р53.

Дэвид Хаусслер, профессор биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете подчеркивает важность исследования с точки зрения биомедицинских приложений, так как обнаруженные изменения ДНК под воздействием ретровирсов произошли только у приматов. У чистых линий мышей – основного расходного материала медиков, биологов и генетиков ничего подобного не имеется.

Доктор Тин Ван, ключевой автор публикации в Proceedings of the National Academies of Science, подчеркивает очень короткую продолжительность эволюционного периода, понадобившуюся приматам для развития подобной структуры механизма генного контроля.

Анализируя генетическую информацию различных видов, команда ученых сделала вывод о временных рамках проникновения ретровирусов в ДНК приматов, приведших к возникновению механизма генной саморегуляции. Отдельные ретровирусы проникли в молекулу наследственности примерно 40 миллионов лет назад, широкое же их распространение среди приматов произошло на 15 миллионов лет позже.

Примерно в это же время обезьяны начали превращаться в людей.

Догадки о важной роли ретровирусов в регуляторных процессах на генном уровне появлялись у исследователей уже довольно давно. Более полувека назад нобелевский лауреат Барбара Макклинток заметила изменение скорости экспрессии генов в клетках кукурузы по действием так называемых «перепрыгивающих генов» – взаимозаменяемых участков ДНК. В 1971 году Рой Бриттен и Эрик Дэвидсон выдвинули теорию о том, что часто наблюдаемые многократно повторяющиеся участки ДНК функционируют в рамках некоей общей регуляторной системы. Ими и было сделано предположение, что подобные участки являются остатками ретровирусов и могут изменять свое местоположение в последовательности в случае активации. Теперь же исследователи из Калифорнии наконец-то обосновали эту теорию.

Они досконально изучили человеческий геном на наличие остатков эндогенных ретровирусов, определили участки ДНК, которые контролирует р53, и изучили его способность регулировать экспрессию соответствующих генов.

Оказалось, что более трети участков, подконтрольных р53, связаны с остатками ретровирусов.

Полученные результаты заставляют ученых сильнее задуматься о роли так называемого «генетического мусора» – участков ДНК, не кодирующих ничего; под эту категорию подпадают и остатки ретровирусов. В течение длительного времени ученые не видели смысла в существовании этих участков, однако новое исследование проливает свет на важность наличии таких цепочек в геноме.

Калифорнийцы надеются раскопать в этих «генетических отбросах» свое сокровище.

Кроме прочего, команда Вана осмелилась предложить новый механизм эволюционного развития. Традиционные представления предполагают возникновение маленьких изменений в генотипе, которые затем проходят «проверку на прочность» и в случае успеха закрепляются в геноме либо уничтожаются вместе с особью – носителем изменений, не выдержавшей конкуренции.

Новое исследование предполагает наличие другого механизма, отличного от точечных мутаций. Вместо этого ретровирусы внедряются в геном и значительно изменяют его последовательность, регулируя экспрессию генов, которое и определяет возникновение изменений в биологическом строении того или иного вида. Конечно, и такое «перемешивание» должно пройти проверку временем.

Ван и его коллеги не сомневаются в большом влиянии на различные отрасли науки и медицины, которое окажет проведенная работа. Они уверены, что подобный механизм носит общий характер для всех видов. Скорее всего, подобное вторжение ретровирусов в ДНК происходило не один раз и имело место не только у приматов, и вероятно, существуют и другие гены-регуляторы, вставшие наравне с p53 во главе генных регуляторных сетей с помощью древних ретровирусов. Изучить их только предстоит.