Иногда эти «безбилетные» последовательности вирусных генов, называемые «эндогенными ретровирусами» (ERV), могут способствовать возникновению таких заболеваний, как рак. Они также могут сделать своих хозяев уязвимыми для инфекций от других вирусов. Тем не менее, ученые выявили многочисленные случаи, когда вирусные автостопщики приносили жизненно важные преимущества своему человеку-хозяину — от защиты от болезней до формирования важных аспектов эволюции человека, таких как способность переваривать крахмал.
Защита от болезней
Генетики Седрик Фешотт, Эдвард Чуонг и Нельс Элде из Университета штата Юта обнаружили, что ERV, заложенные в геноме человека, могут дать толчок иммунной системе.
Чтобы вирус мог успешно копировать себя внутри клетки-хозяина, ему необходимы молекулярные инструменты, подобные тем, которые его хозяин обычно использует для преобразования генов в белки.
В результате у вирусов есть инструменты, тщательно сформированные эволюцией, чтобы завладеть производящим белок механизмом человеческих клеток.
Фешотте и его команда признали, что, поскольку вирусы имеют тенденцию атаковать иммунную систему, они могут особенно хорошо манипулировать генами иммунной системы. Геномы древнего человека могли развиться в ответ. Фешотт считает, что возможно, что геномы людей (или наших древних предков) перепрофилировали вирусную ДНК для собственной защиты, используя ее, чтобы побудить иммунную систему к действиям против вирусов и других чужеродных захватчиков.
«Мы предположили, что эти ERV, вероятно, будут основными участниками в регулировании иммунной активности, потому что сами вирусы эволюционировали, чтобы захватить механизм контроля иммунных клеток», — говорит Фешотт.
Чтобы исследовать свою гипотезу, Фешотт и его команда использовали метод редактирования генов под названием CRISPR для систематического удаления отдельных последовательностей ERV в клетках человека. После удаления одной из последовательностей исследователи наблюдали заметное ослабление иммунной функции, когда клетки были заражены вирусной инфекцией.
Удаление трех других последовательностей ERV также поставило под угрозу иммунный ответ.
Эти результаты предполагают, что каждый из этих элементов ERV может активировать различные генные компоненты иммунной системы. Команда считает, что существуют еще тысячи последовательностей ERV с аналогичной регуляторной активностью, и надеется систематически исследовать их в будущих исследованиях.
«Мы думаем, что мы лишь поверхностно коснулись регуляторного потенциала ERV», — говорит Фешотт.
Подчеркивая сложные отношения людей с вирусами, существуют убедительные доказательства того, что в некоторых случаях ERV вызывают рак, но в других случаях они защищают от рака.
Например, ERV под названием ERV9 может обнаруживать связанные с раком повреждения ДНК клеток яичка. ERV9 затем побуждает соседний ген побудить поврежденные клетки к самоубийству. Этот защитный механизм гарантирует, что раковые клетки не будут распространяться.
Формирование эволюции человека
Ученые также обнаружили, что вирусные злоумышленники стимулировали эволюцию физиологических функций человека от раннего развития до пищеварения.
Почти 20 лет назад ученые идентифицировали ген синцитин, производный от ERV, который, по-видимому, играет ключевую роль в развитии плаценты человека. Синцитин произошел от ретровирусного гена, кодирующего белок, встроенный во внешнюю поверхность вируса. Этот белок опосредует слияние вирионов с мембраной клетки-хозяина, тем самым облегчая вирусную инфекцию. Примечательным поворотом событий стало то, что человеческое тело перепрофилировало деятельность вирусного белка по слиянию клеток, чтобы способствовать формированию слоя клеток, которые сливают плаценту и матку.
Ученые также обнаружили, что вирусные захватчики имеют решающее значение для способности человека переваривать крахмал. Встраивание ERV рядом с геном поджелудочной железы человека для производства амилазы — белка, который помогает человеку переваривать углеводы — привело к экспрессии амилазы в слюне.
Последующая способность переваривать крахмал во рту оказала глубокое влияние на рацион человека, в частности, на сдвиг в сторону употребления в пищу таких продуктов, как рис и пшеница. Помогая запустить пищеварение во рту, амилаза снимает часть бремени расщепления пищи, с которой сталкивается тонкий кишечник.
Если бы этот критический фермент не выводился со слюной, в тонком кишечнике было бы труднее усваивать сахар и крахмал.
Совсем недавно, в 2016 году, команда U.S. и израильские исследователи сообщили, что общая стратегия, которую организмы-хозяева используют для уничтожения вирусов — бомбардировка их мутациями — помогла сформировать эволюцию человека.
Исследователи во главе с компьютерным биологом Алоном Кейнаном из Корнельского университета в сотрудничестве с Эрезом Леваноном из Университета Бар-Илан изучают семейство человеческих ферментов, борющихся с вирусами, под названием APOBEC. В периоды, когда ДНК распаковывается на две отдельные нити — когда она повреждена, находится в процессе копирования или транскрибируется в РНК — ферменты APOBEC ищут кусочки вирусной ДНК.
Затем они систематически подвергают вирусную ДНК — обычно меняя множество экземпляров одной основы ДНК на другую — чтобы нейтрализовать патогены, скрывающиеся в геноме хозяина.
Вероятно, что этот механизм APOBEC также мутировал невирусные части генома человека. Кейнан говорит, что большинство этих генетических изменений нанесли бы достаточно вреда, чтобы вызвать болезнь. По большей части такие мутации были исключены из популяции, потому что они вредили выживанию и воспроизводству.
Однако исследователи все чаще связывают APOBEC с различными видами рака.
Команда Кейнана показала, что эти мутации также происходят в клетках, которые развиваются в сперматозоиды и яйцеклетки, и поэтому они передаются будущим поколениям. И не все мутации были вредными. Генетические изменения, которые пережили эволюционное время — те, которые не привели к болезням, — с большей вероятностью окажутся полезными.
Это понимание предполагает, что противовирусный механизм APOBEC помог сформировать эволюцию приматов с помощью множества полезных мутаций, которые еще предстоит идентифицировать. Команда Кейнана сообщила о десятках тысяч таких мутаций в геномах гоминидов и теперь ищет конкретные примеры, которые привели к изменениям в функциях, которые внесли свой вклад в эволюцию человека.
В то время как поиск дополнительных примеров полезных ERV и противовирусных механизмов продолжается, ученые узнают больше о вирусных захватчиках с помощью больших баз данных геномной информации многих видов.
Они пытаются выяснить, как вирусная ДНК интегрируется в геномы хозяина, как ERV могут переходить от одного вида хозяина к другому и как защитить людей в случае этих редких, но иногда смертельных событий.