В случае гибели клетки гибнет и эндогенный вирус. Кроме того, если со временем эндогенные вирусы становятся бесполезными, клетки млекопитающих оказывают им противодействие и укорачивают их. Под понятием «бесполезные» подразумевается, что эти вирусы более не дают клетке никаких преимуществ и перестают защищать ее от внешних вирусов (см. далее). Как правило, оставшаяся часть вируса функциональна.
Именно так в наших геномах накапливается большое число поврежденных вирусов, и этот процесс идет миллионы лет. Зачастую первыми теряются гены, кодирующие белки оболочки Env. Эти белки необходимы для упаковки и высвобождения интактных вирусных частиц. Будучи лишенными Env-покрытия, вирусы становятся «голыми» и не могут ни покинуть клетку, ни проникнуть в новую. В этом случае существует две возможности: Env может быть утрачен, но также может быть приобретен во время эволюции или заимствован из вспомогательного вируса.
Кроме того, эндогенные вирусы можно инактивировать путем мутагенеза – этот механизм помогает избавиться от эндогенного вируса, по крайней мере функционально. «Стоп-кодоны» задействуются, когда вирусы перестают быть селективными, больше не способствуют защите клетки от других вирусов и начинают вырождаться. Эндогенные вирусы действительно дают клетке удивительные преимущества. Они способны защищать клетку-хозяина от суперинфекции, индуцируемой другими вирусами. Если клетка занята репликацией первого вируса, она блокирует проникновение в нее второго. Это явление называется «вирусная интерференция», что напоминает «интерферон», молекулу, обеспечивающую противовирусную защиту клеток млекопитающих, о чем мы поговорим в главе 9. Фаги тоже способны «занимать» клетки бактерии-хозяина, не допуская их инфицирования другими фагами. У бактерий это явление называется исключением гиперинфекции – предотвращением проникновения других фагов в клетки. Даже самые древние с точки зрения эволюции биоэлементы – вироиды, состоящие только из «голых» некодирующих нкРНК, уничтожают конкурентов, расщепляя (или разрезая) их. Этот механизм, называемый «сайленсинг», очень широко используется для иммунной защиты. Он основан на РНК, но вирусные белки тоже способны составить конкуренцию вирусам, захватывая рецепторы на поверхности клетки, которые зачастую являются якорями для внедрения вируса. Это один из многих, очень вариабельных, методов вирусной защиты. В общем, вирусы могут защищаться от других вирусов, обеспечивая клеткам противовирусную защиту, и обычно это называется иммунной системой клетки или организма. Все известные иммунные системы сформированы вирусами. И они созданы против вирусов! Вирусы похожи на противовирусную защиту!
Это сильное заявление, но его можно доказать. Существует взаимная выгода и для вируса, и для клетки. Таким образом, вирусы, даже поврежденные, могут оказаться полезными для своего хозяина. Поэтому, вероятно, они не исчезли, а остаются внутри наших геномов миллиарды лет.
Мировое научное сообщество испытало потрясение, когда выяснилось, что геном человека почти на 50% состоит из ретровирусов или вирусоподобных элементов. Зачастую они являются интактными вирусами и вырожденными ретровирусами. Это одни из самых впечатляющих результатов научных исследований XXI в., и они действительны для всех эукариотических организмов – млекопитающих, растений, насекомых, грибов и их спор и т.д. Другая неожиданность: даже интегрированные дефектные ретровирусные элементы способны «двигаться», но только внутри клетки, и у них нет шансов ее покинуть. И все же они передаются следующим поколениям в качестве клеточных генов и их трудно устранить.
Между тем при оплодотворении яйцеклетки действует весьма удивительная модель защиты. Новый эмбрион начинается «с нуля». Эмбрион наследует родительские гены со всеми эндогенными ретровирусами. Однако они, как правило, инактивируются путем сайленсинга, функциональной инактивации. Это фантастически эффективный механизм, изобретенный природой, который имеет целью инактивировать остатки вирусных последовательностей родительских генов и гарантировать новое начало жизни для нового поколения. Механизм сайленсинга был открыт лишь недавно. Сайленсинг вирусов основан на химических модификациях ДНК или хроматина, белок-содержащего упаковочного материала для ДНК. Дизайнерские гены, используемые в генной терапии, также подвергаются сайленсингу в поврежденных клетках как потенциально опасные – к большому разочарованию исследователей, врачей и пациентов.
Существуют ли эндогенные вирусы только в эукариотах? А в бактериях? Они присутствуют и в бактериях: до 20% генома бактерий состоит из ДНК профагов. И лишь недавно было установлено, что многие профаги фрагментированы и в них отмечаются вкрапления спейсерных последовательностей. Этот результат работы иммунной системы против фагов, обозначаемой CRISPR/Cas9, является самым впечатляющим прорывом в области молекулярно-биологических исследований. Таким образом, интегрированные ДНК профагов или ДНК провирусов защищают своих хозяев от фагов и вирусов соответственно. В одном случае хозяином являются бактерии/прокариоты, а в другом – эукариоты, включая нас.
Феникс из ДНК
Геном человека кодирует примерно 40 000 эндогенных ретровирусов человека (HERV), интегрированных в качестве провирусной ДНК. Некоторые из них достаточно интактны и могут быть искусственно активированы в культуре клеток под влиянием соответствующих параметров среды, например УФ-излучения, «голода» и клеточного стресса, или при помощи сигнальных молекул, в частности интерферона. Одна группа таких эндогенных ретровирусов человека, HERV-K, до сих пор активна и может вырабатывать белки, а в редких случаях – даже интактные вирусные частицы, которые можно разглядеть в электронный микроскоп. Однако обычно они не могут переходить в другие клетки. Некоторые из этих вирусов были обнаружены в плаценте человека, в мозге мышиных эмбрионов, и возможно, что некоторые из них играют роль в развитии рака, например злокачественной меланомы, или при таких заболеваниях, как артрит. Пока еще рано говорить, важны ли эти наблюдения.
Часто HERV не полностью интактны и не могут реплицироваться. Как узнать, что эти эндогенные вирусы произошли от настоящих вирусов и что наш геном действительно представляет собой кладбище ископаемых вирусов? Это было настолько важно, что две группы исследователей пытались это доказать и нашли подтверждение. Тьерри Хайдман, работающий в Париже, проанализировал вирусные последовательности генома человека и сравнил их с девятью последовательностями ископаемых эндогенных ретровирусов. Все они были заполнены стоп-кодонами, и ни одна из них не могла экспрессировать белки, полные вирусные частицы или реплицироваться. Но стоп-кодоны распределялись неравномерно, поэтому Хайдман смог найти области c «открытыми рамками считывания» и соединил их. Он реконструировал полную длину ретровирусного генома, синтезировал последовательность как ДНК и перенес ее в клетки. Получился способный к репликации ретровирус, который при помощи электронной микроскопии можно идентифицировать как типичный ретровирус и который вновь обрел способность инфицировать другие клетки, включая клетки человека. Это неопровержимое свидетельство того, что «мертвые» эндогенные ретровирусы, населяющие наш геном в большом количестве, действительно произошли от реальных интактных вирусов, большинство из которых уже не существуют. Неожиданное воскрешение древнего вируса пугало. В данном случае критические замечания и даже массовые выступления протеста были бы вполне уместны, так как вирус, существовавший 35 млн лет назад и бывший активным еще 1 млн лет назад, может в настоящее время быть опасным и, возможно, даже провоцировать неизвестные заболевания. К моему удивлению, ни со стороны прессы, ни со стороны общественности никаких протестов не последовало. Или они недооценили потенциальный риск, или никто не понял суть эксперимента? Безусловно, авторы статьи предприняли все меры предосторожности. Вирус назвали Phoenix(«Феникс»), так как, чтобы снова стать реальным вирусом, он возродился, хоть и не из пепла, как птица феникс из греческой мифологии, а из нашего генома.
