Уже багато років між еволюціоністами і креационистами триває суперечка про те, як же все-таки походить людина - шляхом еволюції чи божественного створення? На щастя, стародавні віруси протягом мільйонів років ведуть літопис еволюції і записують її в нашу ДНК.
Звичайно, для будь-якої людини, який більш-менш близько знайомий з біологією, питання «чи була еволюція живих організмів?» Просто не існує. Адже, як справедливо зауважив один з видатних біологів минулого століття Феодосій Добжанський, «ніщо в біології не має сенсу, крім як в світлі еволюції». Але для більшості людей це, звичайно ж, не так безперечно. І щоб наочно показати очевидність еволюційних процесів, біологи зібрали безліч вагомих аргументів молекулярно-генетичного і біохімічного властивості. В якості одного з головних доказів еволюції виступили, як це не здасться дивним, всім відомі віруси.
Йдеться про реліктових ретровірусних послідовностей - так званих ендогенних ретровірусів, тихо сидять в наших клітинах. Ці ретровіруси - сліди минулих зустрічей живих організмів з вірусами типу ВІЛ та іншими. Мільйони років тому вони атакували клітини жили тоді організмів. І якщо організм не гинув, а успішно справлявся з вірусною атакою, то віруси в «розібраному» (деактивовано) стані залишалися в клітинах, уже втративши свою здатність до інфікування. Якщо вірусом заражалися клітини статевої лінії, то ендогенний ретровірус передавався з покоління в покоління, подорожуючи таким чином по геномам іноді мільйони років.
Майже половина генома У різних ретротранспозонов (транспозон - мобільний елемент ДНК) процес зворотної транскрипції має свої особливості. У ретротранспозонов з довгими кінцевими повторами (LTR-ретропозонів) зворотна транскрипція відбувається не в ядрі, а в цитоплазмі. Так як за своєю будовою і механізму переміщення LTR-ретропозонів мають велику схожість з вірусами, даний клас рухомих елементів називають ретровірусоподобнимі. Їх зміст в геномі людини - близько 8% всієї послідовності нуклеотидів. До другого класу ретротранспозонов, без довгих кінцевих повторів (non-LTR), відносяться елементи LINE (Long Interspersed Elements - довгі перемежовуються елементи) і SINE (Short Interspersed Elements - короткі перемежовуються елементи). Переміщення і вбудовування ДНК-копії цих елементів відбувається не в цитоплазмі, а в ядрі. Елементи LINE - найчисленніші з рухомих структур людини: вони займають в ДНК п'яту частину (близько 20%) від усієї послідовності нуклеотидів. І вони ж єдині з мобільних генів людини, що зберегли до сих пір свою самостійну здатність до переміщення.
Після розшифровки нуклеотидної послідовності ДНК багатьох тварин, у тому числі і людини, стало можливим дізнатися, де саме в геномі знаходяться ці залишки древніх вірусів. І погляду вчених з'явилася сувора впорядкованість розташування ендогенних ретровірусів - з'ясувалося, що всі вони знаходяться в геномах в суворо визначених місцях. Деякі з них характерні лише для людини або для кішки і не зустрічаються у інших тварин. Інші ж ретровіруси можна виявити в одному і тому ж місці, наприклад, в геномах горили, шимпанзе, орангутанга та людини.
Імовірність того, що віруси атакували клітини і випадковим чином прилаштувалися в геноми різних видів на абсолютно однакові позиції серед мільярдів інших нуклеотидів, надзвичайно мала. Це все одно, як якщо б кілька мільйонів чоловік взяли в руки «Війну і мир» і, не змовляючись, вказали б на одне і те ж слово на одній і тій же сторінці. Все це говорить на користь того, що в процесі еволюції уламки вірусів в клітинах передавалися з покоління в покоління і від одних видів іншими. І те, що ретровіруси перебувають у двох або більше тварин на одній і тій же позиції в ДНК, недвозначно говорить про те, що ці тварини походять від спільного предка.
У 2007 році журнал Nature своїй редакційній статті підвів риску під усіма спорами про походження людини, заявивши рішуче і прямо: «При всій повазі до почуттів віруючих ідею про те, що людина створена за образом Божим, можна впевнено відкинути. І тіло, і розум людини відбулися шляхом еволюції від більш ранніх приматів ».
одомашнені віруси
Ендогенні ретровіруси відносяться до великого класу мобільних елементів геному - до ретроелементам. Ці мобільні елементи використовують для своїх переміщень механізм, на який вказує приставка «ретро» в назві елемента - вона означає «рух назад, у зворотному напрямку». В основі цього механізму лежить процес зворотної транскрипції, відкритий в 1970 році двома нобелівськими лауреатами, американськими вченими Говардом Теміном і Девідом Балтімором.
Як ми будуємо супервірус
На думку академіка РАН Євгенія Свердлова, з уривків реліктових вірусів може «скластися» супервірус зразок ВІЛ. І тоді вже не уникнути світової пандемії з величезними людськими жертвами. Особливу загрозу несуть так звані ксенотрансплантації - пересадки органів тварин людині. Як можуть проявити себе ретровіруси тварин, потенційно здатні взаємодіяти з вірусами генома людини, - важко передбачити. Тому багато вчених виступають категорично проти таких трансплантацій.
Транскрипція - це перенесення генетичної інформації з ДНК на рибонуклеїнової кислоту (РНК), при якому ДНК використовується в якості відправної точки, матриці. Транскрипцію можна спостерігати щоразу, коли здійснюється синтез нових білків. До відкриття американцями зворотної транскрипції вважалося, що рух в напрямку від РНК до ДНК неможливо. Але, як виявилося, цей генетичний метод активно використовується в живій природі, в тому числі і такими небезпечними її представниками, як віруси (серед яких і найнебезпечніший для людини - ВІЛ).
Релікти, що дісталися нам від викопних вірусів, що атакували на зорі еволюції наших предків, прийшли в повну «непридатність» і втратили свою колишню силу. Хоча при деяких умовах вони все-таки можуть «згадати молодість» і показати свою згубну міць. Кілька років тому було виявлено, що внутрішні (ендогенні) ретровіруси людини можуть взаємодіяти із зовнішніми вірусами, такими як ВІЛ. З боку це виглядає як дружня кооперація: «домашні» віруси можуть поставляти в разі потреби вірусам, що проникли ззовні, необхідні «комплектуючі» (білкові структури) для ефективного впровадження останніх в геном людини.
Життєвий цикл ретровируса Вірус прикріплюється до строго певним клітинам хазяїна завдяки освіті зв'язків білків капсида і рецепторів на поверхні клітини. Після проникнення в клітину власні ферменти або ферменти клітини господаря розбирають капсид. Вірусна РНК вивільняється і піддається зворотної транскрипції: зворотна транскриптаза формує по матриці РНК ланцюжка ДНК, а інтеграли ініціює проникнення провірусної ДНК в ядро і включення її в геном господаря. В ядрі відбувається процес реплікації (повторної збірки) вірусної РНК, який вже став невід'ємною функцією генома господаря. У господарській цитоплазмі вірусна РНК обзаводиться капсидом. Отпочковиваясь від клітини, оновлений вірус прихоплює з собою частину мембрани господаря, використовуючи її в якості своєї оболонки.
Це було доведено в 2009 році групою вчених з Канади, Франції, Швейцарії та США під керівництвом Ханса Хенгартнера. Дослідники простежили, як зовнішній РНК-вірус lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) отримував допомогу від ендогенного ретровірусу intracisternal A-type particle (IAP), тихо сидів всередині клітини. «Домашній» ретровірус IAP надавав потрапив в організм чужинця LCMV свою транскриптазу - фермент, необхідний для впровадження вірусу в ДНК тварини. Причому вчені ставили експерименти з геномами різних тварин, в тому числі і людини, і скрізь результат був один - віруси допомагали один одному.
Можна спостерігати і інші випадки дивної взаємодопомоги між вірусами: ендогенні ретровіруси людини можуть віддавати свої ферменти, протеїнази, вірусу імунодефіциту. Саме таким вражаючим чином ВІЛ успішно протистоїть спробам людей перемогти його: деякі сучасні ліки проти ВІЛ розраховані на придушення протеїнази. Не випадково академік РАН Євген Свердлов, який багато років присвятив вивченню вірусів, порівняв ендогенні ретровіруси з «п'ятою колоною» ВІЛ. Крім цього, з ВІЛ-інфекцією асоційоване відразу кілька різних вірусів, які взаємно підсилюють згубну дію один одного. Від таких фактів навіть у досвідчених вчених захоплює дух: віруси об'єднуються проти людини!
Пристрій віріона РНК ретровірусу розташовується в білковій оболонці під назвою капсид. Зовнішня ліпідна оболонка покрита ворсинками довжиною 8-10 нм. Віріон має форму ікосаедра (двадцятигранниками) і діаметр 80-100 нм.
Двигун прогресу
Ще в кінці 1980-х років можна було зустріти твердження про те, що ретровіруси не здатні викликати епідемічний процес. І звідси - безплідні спроби вчених створити вакцину проти ВІЛ. Ретровіруси і сьогодні не втратили своєї здатності викликати велику пандемію. Однак ретровіруси, на думку вчених, можуть бути корисними. Передбачається, і не без підстав, що вони співслужили нам хорошу службу в процесі еволюції, передавши людині та іншим живим організмам свої структурні елементи, що стали згодом нашими генами.
Сьогодні вже точно відома ціла низка важливих генів, що беруть свій початок від ретроелементов. Перш за все це деякі гени, що беруть участь у внутрішньоутробному розвитку плода. Кілька років тому з'явилися дані, що ретровіруси могли зіграти вагому роль в еволюції плацентарних тварин. Поява у древніх організмів плаценти - важливий етап їх еволюційного розвитку в бік ускладнення. Плацента дозволила предкам людини продовжити внутрішньоутробний розвиток. Саме з цим сьогодні пов'язують кардинальні зміни у ссавців, що жили близько 60 млн років тому, - збільшення розмірів мозку і поступовий розвиток розумових здібностей. Дослідники з Токійського медичного університету вивчили вплив гена Peg10 на розвиток плаценти у мишей. Вони виявили, що мишачі ембріони, у яких ген Peg10 був деактивовано, гинули на десятий день після зачаття через явного порушення розвитку плаценти. Ген Peg10 має структуру, схожу з ретротранспозонов Sushi-ichi. Передбачається, що цей транспозон увійшов в геном древніх ссавців, а потім в процесі еволюції «одомашнився» і став в якості одного з генів виконувати важливі функції в розвитку плаценти.
У 2008 році група данських генетиків, Андерс Кельдберг і його колеги, описали ще одну групу генів, які дісталися нам у результаті «молекулярного одомашнювання». Віруси мають в своєму складі ген env, відповідальний за синтез білків вірусної оболонки. Данські вчені виявили, що деякі з генів env, а саме ENVV1 і ENVV2, що залишилися від реліктових вірусів віком 50-70 млн років, в ході еволюції перетворилися в «корисну» частина ДНК. Тепер ці гени працюють в клітинах плаценти людини і мавп. Передбачається, що вони можуть управляти злиттям клітин в ході формування зовнішнього шару плаценти і захищати ембріон від імунної системи матері. Також можливо, що ці вірусні гени захищають ембріон від інших ретровірусів.
У 2013 році велика група російських вчених з декількох лабораторій (А.А. Буздин і його колеги) виявили ще один ендогенний ретровірус, що піддався «молекулярному одомашнення». Вони досліджували велику групу ретровірусів, характерних виключно для людського генома, - human-specific endogenous retroviruses (hsERV). Таких ретровірусів, за приблизними підрахунками, в нашій ДНК є більш ста копій.
Основною метою російських біологів був пошук ретровірусів hsERV, які здійснюють функції енхансером (підсилювачів). Енхансери - це нуклеотидних послідовність з регуляторними функціями, яка зазвичай знаходиться поблизу (або всередині) генів і підвищує їх експресію. З усіх виявлених на сьогодні hsERV лише шість копій перебували в районах звичайного розташування енхансером. Вивчивши ці шість ретровірусів, дослідники змогли виявити один hsERV, розташований поблизу важливого гена PRODH.
Ген PRODH кодує фермент проліндегідрогеназу, пов'язаний з синтезом глутамату, одного з нейромедіаторів, стимулюючого передачу сигналів збудження в нервовій системі. У шимпанзе аналогічний ген у всіх місцях його розташування (в гіпокампі, префронтальної корі і хвостатому ядрі) не має поруч із собою ділянки ДНК з ендогенними ретровирусами і менш активний в порівнянні з людським. Є підстави вважати, що впровадження ретровируса поблизу цього гена зіграло вагому роль у розвитку розумових здібностей людини.
господарі Землі
Цікава гіпотеза про роль ретроелементов в еволюції була запропонована кілька років тому мікробіологом Михайлом Супотніцкий, який розглядає віруси не як випадкову примху природи, а як складний еволюційний інструмент. Їм було введено нове поняття - «ретровірусна еволюція». На думку Супотніцкий, саме ретровіруси (і ретроелементи) - справжні господарі Землі. Вони виникли раніше нас в процесі еволюції, брали активну участь у створенні складних організмів і цілком здатні заради більшої різноманітності видів згубити все людство.
Як випливає з гіпотези, імунна система багатоклітинних була створена ретроелементамі і може виконувати роль природного резервуара для ретровірусів. Кількість же ретровірусів іноді досягає в популяціях «критичної маси», внаслідок чого відбувається вимирання більшої частини живих організмів і придбання вижили стійкості до вірусів.
Автор висловлює велику подяку д. Б. н. А.А. Буздин (Інститут біоорганічної хімії РАН) за допомогу при написанні статті.
Стаття «Ретровіруси:« п'ята колона »ДНК» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2015 ).
Звичайно, для будь-якої людини, який більш-менш близько знайомий з біологією, питання «чи була еволюція живих організмів?
