* * *
На момент образования первого симбиотического союза древние бактерии, вероятно, имели от 1500 до 2000 генов. Сегодня в результате естественного отбора, действующего на голобионтическом уровне, геном митохондрии сократился до 37 генов. На каком-то этапе в прошлом примерно 300 изначально бактериальных генов были перенесены в ядро, где многие из них продолжают играть роль генетической связи между ядром и митохондриями, необходимой для нормального функционирования клетки. В клетках человеческого организма митохондрии располагаются в цитоплазме - клеточной среде за пределами ядра. Они превратились в органеллы, похожие по форме на сосиски и выглядящие точь-в-точь как оригинальные бактерии. Митохондрии даже размножаются бактериальным способом - почкованием, не зависящим от деления ядра.
Все это влияет на наследование болезней, возникающих в результате мутаций, затрагивающих митохондриальные гены. В то время как ядерный геном наследуется от обоих родителей и подчиняется законам Менделя (включая паттерны наследования по доминантному и рецессивному признаку и наследование, сцепленное с полом, о которых мы говорили в предыдущих главах), митохондриальный геном ребенок получает исключительно от матери, и Менделевы законы на него не распространяются.
Митохондрии выполняют в клетке крайне важную функцию - они позволяют живым клеткам дышать. Поступление кислорода, в свою очередь, связывается с многочисленными клеточными функциями, включая выработку энергии, генерирование токсичных свободных радикалов и побочных продуктов дыхания, а также регулирование апоптоза, то есть смерти клеток как важного элемента цикла обновления клеток в тканях и органах. Митохондриальный геном куда меньше ядерного (всего 16 500 пар нуклеотидов по сравнению с 6,4 миллиарда), поэтому можно ожидать, что мутации в нем будут случаться реже, а значит, и частота генетически обусловленных заболеваний будет меньше. Однако в то время как большая часть нашего ядерного ДНК не кодирует функциональные протеины, мутации в кодировке которых могут вызывать заболевания, почти вся митохондриальная ДНК является кодирующей, а значит, и вероятность болезни в результате мутации возрастает. Более того, она состоит из бактериальных генов, в которых ошибки встречаются чаще, чем в генах позвоночных. Таким образом, получается, что мутации в митохондриальных генах возникают в 10–20 раз чаще, чем можно было бы ожидать. Ситуация еще больше усложняется тем, что митохондриальное заболевание может быть вызвано мутацией, воздействующей на любой из 300 генов, перенесенных в ядро. Все это означает, что мы особо уязвимы для митохондриальных мутаций, которые могут вызывать серьезные проблемы с питанием клеток кислородом.
Митохондриальные заболевания очень сложны и зачастую имеют специфические характеристики в каждом индивидуальном (или семейном) случае, а их последствия могут быть как мягкими, так и смертельными. Неудивительно, что из-за запутанной генетической ситуации в сочетании с многочисленными вариациями симптомов генетические причины таких заболеваний часто сложно отследить, а сами болезни - диагностировать. Примерно один из 7600 новорожденных страдает от генетических отклонений, влияющих на митохондрии и приводящих к врожденным нарушениям обмена веществ. Мутации, вызывающие серьезные заболевания, были обнаружены в более чем 30 из 37 митохондриальных генов и в более чем 30 связанных с ними генов ядра. Среди таких заболеваний, например, недостаточность комплекса I, которая отвечает примерно за треть всех "пороков дыхательной цепи". Эта болезнь часто проявляется уже при рождении или в раннем детстве. Больной страдает от прогрессирующего дегенеративного заболевания мозга и нервной системы, а также различных симптомов в органах и тканях, требующих высокого уровня энергии, например головном мозге, сердце, печени и мышцах опорно-двигательного аппарата. Еще одно митохондриальное заболевание, проявляющееся во взрослом возрасте, - наследственная оптическая нейропатия Лебера, одно из самых распространенных генетических заболеваний глаз. Большая часть случаев болезни Лебера вызывается мутациями в митохондриальных генах.
Сегодня появляется все больше и больше доказательств того, что митохондриальные повреждения могут играть существенную роль в гораздо более широком спектре заболеваний и, возможно, даже в процессе старения. Учитывая развитие генетики, мы, вероятно, сможем со временем разработать эффективные методы генной терапии для лечения некоторых из этих болезней, но должны будем учитывать симбиотическое эволюционное происхождение митохондрий и сложную генетическую и молекулярную динамику, возникающую в результате этого.
Существует и еще один микроб, который благодаря характеру своего жизненного цикла может вступать в голобионтические генетические союзы с геномами своих хозяев. Этот, на мой взгляд, странный и удивительный микроб называется ретровирусом.
11. Вирусы среди нас
Когда меня спрашивают, полиовирус - это живое или неживое существо, я всегда отвечаю "да".
Экард Виммер
В 2002 году Экард Виммер - знаменитый вирусолог немецкого происхождения, всю жизнь проработавший в Америке, и его коллеги поразили весь мир, когда сумели восстановить из разрозненных компонентов у себя в лаборатории вирус полиомиелита. За 20 лет до этого Виммер первым секвенировал геном этого вируса. Даже сегодня очень сложно точно сказать, что мы имеем в виду под термином "вирус", и с течением времени ситуация лишь усложняется. Например, недавно были открыты гигантские вирусы с 1000 или более генов, что делает их гораздо более сложными организмами (с генетической точки зрения), чем некоторые бактерии. Возможно, вместо того чтобы давать вирусам определения, разумнее было бы изучить некоторые из их базовых свойств.
Все вирусы кодируются геномами, равно как и все живое на нашей планете, от бактерий до млекопитающих. Большинство вирусных геномов строится на основе ДНК, но некоторые - на основе РНК. На самом деле вирусы - это единственные организмы, использующие РНК-код. Это заставляет некоторых биологов думать, что вирусы могли появиться на гипотетическом этапе эволюции, известном как РНК-мир, который, как считают сторонники этой теории, предшествовал нашему миру, построенному на базе ДНК. РНК в отличие от ДНК может реплицироваться без помощи белковых энзимов. Соответственно для перехода от первичного бульона химических веществ к самовоспроизведению на основании РНК потребовался бы совсем крохотный шаг. Вирусы являются облигатными паразитами, то есть всегда рождаются в клетках своих носителей. Они умирают, как и бактерии, под влиянием нагревания или токсичных химикатов. Они также проходят жизненные циклы, включающие репродуктивную фазу, что является еще одной базовой характеристикой живого организма. Следующий и, вероятно, самый важный вопрос звучит так: развиваются ли вирусы в соответствии с установленными эволюционными механизмами? Да, именно так они и делают.
Геномы вирусов мутируют быстрее, чем геномы любых других известных нам организмов. Этим частично объясняется, почему человеческому организму так сложно бороться с вирусом ВИЧ-1. Через год или два после инфицирования в одном пациенте развиваются миллионы различных модификаций вируса. Сами по себе вирусы не обладают эпигенетическими системами наследования, но иногда, проникая в ядра клеток носителя, они захватывают его систему. Способны ли они на гибридизацию? И снова можно привести множество ярких примеров - вспомните хотя бы новые пандемические вирусы гриппа, которые регулярно сеют панику во всем мире. Доступна ли вирусам симбиотическая эволюция, или, говоря научным языком, генетический симбиогенез? Ниже я расскажу, почему они являются идеальным примером этого явления.
Итак, почему некоторые ученые настаивают, что вирусы нельзя отнести к живому миру? Насколько я понимаю, это представление развивалось исторически на основании неверной предпосылки о возникновении вирусов.
Когда в середине ХХ века ученые пытались дать определение жизни, мы знали о вирусах еще очень мало, и биологи пришли к договоренности о том, что минимальным требованием к признанию организма живым должно являться наличие клеточной мембраны, внутри которой содержатся энзимные и биохимические средства для обмена веществ. Мне кажется, что создатели этого определения специально приложили усилия, чтобы исключить вирусы из понятия живого. Почему существо, имеющее клеточную мембрану, считается живым, а существо с вирусной оболочкой - нет? Что касается требования о наличии внутреннего обмена веществ, то на это способно лишь небольшое количество так называемых автотрофных бактерий. Выживание всех прочих форм жизни, включая нас самих, зависит от основных аминокислот, жирных кислот и витаминов, которые они получают из других организмов. Некоторые ученые считают, что вирусы следует исключить из мира живого из-за их паразитической природы, но ведь и многие виды бактерий также являются облигатными паразитами.
Еще одной неверной идеей, возникшей во время создания "клеточного" определения жизни, было представление о том, что некоторые вирусы, например бактериофаги и ретровирусы, развились из обломков генома хозяина, которые приобрели новые характеристики. Мне кажется, что, учитывая современное понимание эволюции вирусов, эта теория не выдерживает критики. Существуют свидетельства, указывающие на то, что бактериофаги и ретровирусы являются потомками древних линий вирусов, которые развивались (разумеется, в тесном симбиотическом союзе со своими носителями, который вирусологи называют коэволюцией) в течение многих столетий. Во время создания определения жизни биологи не имели представления о строении генома. Теперь, когда мы обладаем этой информацией, о теории развития вирусов из генома носителя можно забыть раз и навсегда. Если фаги и ретровирусы действительно являются обломками хозяйского генома, большинство генов в нем и в геноме вирусов должны совпадать. Вместо этого мы видим нечто абсолютно противоположное - большинство вирусных генов встречаются исключительно в эволюционных линиях вирусов. Вирусы - это невероятно креативные эволюционные создания, способные создавать новые гены самостоятельно. При наличии генетического сходства между вирусом и его хозяином обмен генами, скорее всего, будет куда интенсивнее проводиться в направлении от вируса к носителю.
СПИД называют чумой нашего времени. К этому заболеванию приводит заражение ретровирусом ВИЧ-1. Даже в семействе вирусов, насчитывающем множество странных членов, ретровирусы кажутся необычными. Приставка "ретро" в их названии указывает на то, что они действуют в нарушение устаревшей догмы о жестком порядке перехода от генов к белку через информационную РНК. Ретровирусы не только имеют геномы, основанные на РНК, а не на ДНК, но и обладают собственными энзимами, способными превращать вирусную РНК в комплементарную ДНК-последовательность перед введением генома в ядро клетки-носителя. Этот процесс также является ключом к пониманию того, как ретровирусы изменяют эволюционную историю носителей, которых они инфицируют. С эволюционной точки зрения ретровирус способен "захватить" зародышевые линии клеток своего хозяина и таким образом вступить в генетический симбиоз с ним, создав новый голобионтический геном, состоящий из ретровируса и генома человека.
ВИЧ-1, основной возбудитель заболевания, часто распространяется при незащищенном половом контакте (вагинальном, анальном или оральном). Вирус проникает в организм человека через ткани слизистых. Он также может напрямую попасть в кровь, если зараженный и здоровый человек воспользуются одним и тем же оборудованием для инъекций, и передаться от матери ребенку во время беременности, родов и кормления грудью. Даже на этом эпидемическом этапе, когда вирус действует как эгоистичный генетический паразит, уже можно говорить о начале симбиотической эволюции. Международные исследования показали, что скорость прогрессирования болезни у зараженных людей зависит от подтипа гена человека, известного под названием HLA-B . Это один из генов, определяющих характер иммунного ответа при трансплантации органов. Распределение подтипов HLA-B по человеческой популяции влияет на эволюцию вируса, а сам вирус за счет летальности некоторых подвидов одинаковых подтипов генов изменяет генофонд человечества.
Точно так же, как колибри и цветы, люди и вирусы влияют на эволюцию друг друга. Именно такого паттерна можно ожидать от симбиотического эволюционного развития.
Это не означает, что вирус одновременно не развивается самостоятельно или того же не происходит с человечеством. В то же время естественный отбор начинает влиять не только на людей и вирусы по отдельности, но и на симбиоз в целом. Вирусологи называют этот паттерн паразитического взаимодействия коэволюцией. С симбиологической точки зрения мы наблюдаем, как союз, начавшийся с паразитизма, со временем может превратиться во взаимовыгодное сотрудничество.
Вирус ВИЧ-1 выборочно поражает иммунные клетки - лимфоциты, носящие название CD+T - хелперы. Мембраны этих клеток содержат важный иммуноглобулин CD4 , который способствует слиянию клетки и вирусной оболочки. Так, вирусный геном проникает в ядро, где собственный энзим вируса, называемый обратной транскриптазой, превращает РНК-геном вируса в его ДНК-эквивалент, а затем с помощью энзима интегразы интегрирует его в геном ядра. Это удивительное влияние геномов вируса и носителя является важным шагом. После него вирус может отдать геному носителя команду производить дочерние вирусы, которые будут распространяться на другие клетки и повторять тот же процесс. Таким образом вирус будет постепенно двигаться по крови и тканям зараженного человека.
Обратите внимание на то, какую большую роль в атаке на иммунную систему носителя играет оболочка вируса, как вирус находит свою цель и как сливается с мембраной выбранной клетки, чтобы захватить ее. По мере распространения вирус снова и снова будет использовать свою оболочку, чтобы избежать противодействия иммунной системы, при этом захватывая и убивая все больше и больше клеток с CD4 . По мере развития болезни вирус достигнет такой стадии, на которой в организме каждый день будут производиться миллиарды его дочерних копий. При этом они будут мутировать с огромной скоростью. Именно из-за этого быстрого распространения и стремительной мутационной эволюции вируса в организме зараженного человека с ним так сложно справиться без медицинского вмешательства. Во время фазы роста вирус проникает в половые органы, семенники и яичники, а также в железы человеческого организма, делая заразными семенную жидкость, вагинальные выделения и слюну человека для максимального распространения между носителями.
Точно так же, как ретровирус вводит свой геном в клетки CD4, многие ретровирусы поступают с зародышевыми клетками своих носителей, то есть со сперматозоидами и яйцеклетками. Это можно наблюдать на примере эпидемии ретровируса, поразившей коал в восточной части Австралии примерно 100 лет назад. Эта острая инфекция показывает нам, какой ужасной силой может обладать вирус, передающийся половым путем. Вирусологи подтверждают, что заражены уже все животные на севере страны, и эпидемия движется на юг. Со временем все коалы, кроме островных популяций, окажутся зараженными этим вирусом. Из-за вируса у животных развивается лейкемия и лимфосаркома, и уровень смертности очень велик. Изначально биологи беспокоились, что из-за эпидемии австралийским коалам может грозить вымирание, но, судя по всему, этого не произойдет. Ретровирус уже воздействует на половые клетки коал, так что в хромосомах этих животных уже присутствует от 40 до 50 вирусных локусов, которые они передадут потомкам. Так как голобионтический геномный союз имеет место в рамках ядерного, а не митохондриального генома, вставки ретровируса в геном коалы будут наследоваться в соответствии с классическими законами Менделя.
На сегодня вирус ВИЧ-1 еще не проник в половые клетки человека. Некоторые вирусологи полагают, что это невозможно, потому что ВИЧ принадлежит к подгруппе ретровирусов, называемых лентивирусами, которые не проходят процесс эндогенеза. Однако недавно лентивирусы были обнаружены в половых клетках европейских кроликов и мадагаскарских лемуров, которые, как и мы, являются приматами. Станет ли ВИЧ когда-нибудь частью нашего организма - неизвестно. Мы знаем, что множество ретровирусов попадали в зародышевые линии человека и его предков и влияли на эволюцию нашего генома, поэтому около 9 % его на сегодня состоит из ретровирусной ДНК. Ретровирусы, способные захватывать геном своего млекопитающего хозяина, называются эндогенными ретровирусами , или ЭРВ (ERV) , в то время как разнообразные инфицирующие ретровирусы носят название экзогенных. Эндогенные ретровирусы человека обозначаются аббревиатурой ЭРВЧ (HERV) . Она объединяет от 30 до 50 семейств вирусов, которые в свою очередь подразделяются на более чем 200 групп и подгрупп. Последние из этих эволюционных линий, попавшие в геном предков человека, называются HERV-K , десять их подтипов являются исключительно человеческими.
Каждое семейство и подсемейство ЭРВЧ было приобретено нами в ходе отдельного процесса геномной колонизации, вторжения, произошедшего во время поразившей наших предков ретровирусной эпидемии. Учитывая, что мы видим сегодня на примере СПИДа и эпидемии коал, можно представить довольно мрачную картину выживания раннего человечества между волнами заболеваний. Когда две группы ученых восстановили первоначальный геном последнего ретровируса, обосновавшегося в человеческом организме, они обнаружили, что им был крайне заразный экзогенный ретровирус, обладающий патогенным потенциалом в тканевых культурах. Приятно понимать, что мы являемся наследниками победителей. Но сегодня нам следует учитывать последствия воздействия ретровирусов, которые все еще продолжают проникать в развивающийся человеческий геном.