Возможные механизмы формирования генома, генетических паразитов и симбионтов

Автор:Михаил Васильевич Супотницкий

Проблема формирования жизни настолько сложна, что полезны любые попытки ее осмысления, если они, конечно, исходят из естественнонаучных представлений. Доктор биологических наук С. Пашутин в своей статье «Возможные механизмы перехода химической эволюции в биологическую»[1] дал цельную и непротиворечивую картину механизма закрепления естественным отбором белоксинтезирующего аппарата клетки. Мы попытаемся дополнить его представления в той части, где речь идет об образовании интрон-экзонной организации генома и формировании генетических паразитов и симбионтов эукариотических геномов. Рассмотрение этого вопроса именно с такой позиции мы считаем крайне важным из-за полного краха мероприятий по противодействию пандемии ВИЧ/СПИДа.

Проретроэлементы

Внимание исследователей к тем эволюционным процессам, в которых основную роль сыграли ретроэлементы (ретровирусы, ретротранспозоны) и другие представители так называемой «теневой части генома» (ретротранскрипты, ретропсевдогены, различные повторяющиеся последовательности ДНК, повторы Alu-семейства, IS-элементы и пр.), явно не адекватно сложности этой проблемы. Основные усилия по расшифровке генома человека направлены на отдельные гены, тогда как по современным оценкам, их экзоны составляют только 1 % генома человека. В 99 % генома постоянно происходят различные перестройки, в которых участвуют ретровирусы и ретротранспозоны. Такие мобильные элементы составляют не менее половины генома человека, что не может быть ни случайностью, ни рудиментом генетических структур прошлого[2].

По мнению многих ученых, первой молекулой, способной к репликации, был полимер РНК. Этот процесс осуществлялся за счет каталитической активности самой РНК (рибозимы) с большим количеством ошибок. В результате древний мир РНК представлял собой «эволюционирующий хаос», в котором выживали наиболее приспособленные репликаторы[3].

РНК неустойчива в агрессивной химической среде. Поэтому с момента появления первых таких молекул параллельно шел процесс стабилизации их свойств через переход в ДНК посредством примитивной обратной транскрипции. Роль обратных транскриптаз играли сами молекулы РНК. А так как такие ферменты неспецифичны, копии ДНК делались и с других молекул РНК — так формировались устойчивые полимерные агломераты — предтечи будущих хромосом. Обладая выраженной полярностью и значительным электрическим зарядом за счет поляризованных фосфатных групп, крупные молекулы ДНК в слабосолевых растворах формировали вокруг себя упорядоченные двухслойные оболочки из амфипатических органических соединений — деструктивное влияние внешней среды на новые макромолекулярные структуры снижалось. Естественный отбор сохранял только наиболее прочные из них. Для удержания оболочки такой протоклетке требовалось увеличить электрический заряд ДНК, что самым простым способом можно было достичь, наращивая ее массу. Преимущества в этом процессе получили РНК протяженностью 80–130 пар нуклеотидов, ДНК-копии которых были способны образовывать устойчивые структуры за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий — это и были первые ретротранспозоны.

Интроны и экзоны

Ретротранспозоны сыграли основную роль в усложнении генома клетки путем формирования его интрон-экзонной организации. Первыми интронами были массивы повторяющихся последовательностей ДНК, выполняющие функцию электростатического удержания поляризованных «хвостов» амфипатических молекул оболочки протоклетки. Экзоны же формировались путем случайных мутаций ретротранспозонов во время всех процессов матричного копирования их РНК (транскрипции, трансляции и обратной транскрипции), видимо, из участков РНК, обладающих каталитической активностью. Увеличение количества и протяженности таких структур способствовало увеличению скорости неэнзиматической трансляции простых пептидов. Естественный отбор закреплял новые признаки за протовидом. Среди них процесс формирования РНК, способной связываться со «своей» аминокислотой (тРНК), в результате чего стало возможным кодирование информации об отдельных пептидах и белках. В ходе эволюции белкам, в силу более совершенной пространственной конфигурации, удалось перехватить каталитические функции[4].

Процесс усложнения протоклеток в клетки, способные формировать уже многоклеточные организмы, занял не менее 3 млрд лет. Разрастание генома за счет ретротранспозонов послужило толчком к эволюции многоклеточных организмов. На этом этапе их эволюции появились ретровирусы.

Ретровирусы

Своим появлением они обязаны созданию в отдельных протоклетках некой критической массы экзонов, кодирующих белки, входящие в протооболочки (например, участвующие в функции порообразования и т. п.). От других процессов компартментализации клетки (разделения внутреннего пространства клетки на отграниченные двухслойной мембраной полости — вакуоли, ядрышко, каналы Гольджи и др.) эти структуры отличались тем, что формируемые ими путем нековалентных взаимодействий конгломераты белков (четвертичные структуры?) могли сливаться с наружной мембраной клетки, образуя в ней «выпячивание» в другую протоклеточную полость. Этот процесс был закреплен естественным отбором тогда, когда в составе конгломерата оказался некий минимум РНК-генов. Среди них ген, кодирующий белок оболочки, участвующий в порообразовании (прототип генов gp120 и gp41 ВИЧ); рибозим, обладающий обратной транскриптазной активностью (прототип гена pol ВИЧ); и некодирующая последовательность РНК, достаточно большая, чтобы транскрибированная с нее ДНК (интрон) могла электростатически удерживать оболочку, достаточно мощную, чтобы вся структура могла автономизироваться в отдельную протоклетку. Химическую сторону эволюции жизни мы не рассматриваем, о ней более подробно можно прочитать в других источниках[5].

Отдельные протоклеточные конгломераты приобрели селективные преимущества перед другими. Давление естественного отбора установило свои правила и ограничения для их размеров, структуры и функции. Здесь мы должны снова вспомнить про то, что мир РНК самостоятелен и хаотичен. Естественный отбор дал преимущества проторетровирусам, включающим две и более цепей РНК, тем самым увеличивая стабильность передаваемой между клетками информации. Впоследствии такая система поддержания целостности генетической информации закрепилась у организмов, размножающихся половым путем, и стала еще более консервативной, исключив любые этапы, на которых могло иметь место копирование РНК для сохранения наследственной информации в последующих поколениях.

Для самих же ретровирусов естественный отбор сохранил только две цепи РНК, являющиеся производными от одного родительского провируса. После вытеснения клетками, способными к автономной репликации других протоклеточных структур, часть из них либо исчезла, либо вошла в состав этих клеток на правах органелл-симбионтов (митохондрии, пластиды и др.). Естественный отбор избавил проторетровирусы от крупных нуклеотидных последовательностей, уже не дававших им никаких селективных преимуществ в самостоятельно реплицирующихся клетках; и из симбионтов они превратились в паразитов ими же созданных геномов.

Диплоидность ретровирусов дала им существенные преимущества перед другими внутриклеточными паразитами с РНК-геномом, так как легко возникающие мутации не создают однозначных преимуществ их обладателям. Но рекомбинация между РНК-геномами двух высокоадаптированных ретровирусов позволяет им в изменяющихся условиях совершать «эволюционно широкие прыжки». Поведение ретровирусов — расширение ареала собственного существования — мало чем отличается от поведения других паразитов (простейших, бактерий, микоплазм, вирусов других семейств), за исключением того, что нам мало что известно о самом феномене генетического паразитизма.

Симбионты и паразиты

Ретротранспозоны поддерживались миллиарды лет естественным отбором и остались как составная часть генома всех эукариотических видов. Процесс эволюции генома человека не закончился. Число Alu-последовательностей в геноме человека достигло уже 1,4 млн копий и продолжает расти. Они встраиваются в новые сайты с частотой примерно одно новое встраивание на каждые 100–200 новорожденных, повышая кодирующий потенциал генов вида Homo sapiens[6]. Следовательно, такие ретроэлементы можно рассматривать как симбионты генома человека. Их роль в эволюции жизни, закрепленная естественным отбором, по меньшей мере заключается: а) в постепенном наращивании генома вида-хозяина путем образования новых собственных копий; б) в образовании новых экзонов из интронов вследствие точечных мутаций в собственном геноме; в) и вызванном обоими процессами увеличении количества генов, подвергающихся альтернативному сплайсингу.

Роль же ретровирусов в эволюции жизни заключается в увеличении биологического разнообразия в природе через терминацию эволюции отдельных видов. Иными словами, если ретротранспозоны способствуют видообразованию посредством обогащения генетического материала исходного вида, когда ведущим фактором видообразования является естественный отбор, а эволюция идет по пути трансформации вида либо его расщепления на дочерние виды, то ретровирусы сами являются фактором естественного отбора, способствуя инадаптивной эволюции в природе. В этом случае увеличение темпов видообразования происходит уже после массовых вымираний видов и снижения степени заполненности ими экологических ниш. Несомненно и то, что ретровирусы и ретротранспозоны первичны по отношению к одно- и многоклеточным организмам, фактически бессмертны, а вызываемые ими процессы происходят вне нашего ощущения времени[7].

Из этих общих положений следует и частный вывод для эпидемиологов: ВИЧ/СПИД-пандемия — это эволюционный процесс, проявляющийся в форме инфекционного. Отсюда нам и нужно строить свои противоэпидемические мероприятия, не ожидая легкого успеха от простых и понятных мер, выработанных наукой совсем против других эпидемических процессов.

Начало темы смотрите в статье «ВИЧ/СПИД-пандемия как природное явление»

Супотницкий М.В. Возможные механизмы формирования генома, генетических паразитов и симбионтов // Универсум. — 2006. — № 2–3. — С. 43–48.

[1] Универсум. – 2006. № 1., С. 18–25. ↑
[2] Тарантул В.З. Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. — М., 2003. ↑
[3] Стил Э., Линдли Р., Бланден Р. Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция. — М., 2002.; Гладилин К.Л., Суворов А. Н. Проблема происхождения жизни: теоретическое и практическое значение // Прикладная биохимия и микробиология. — 1995. — Т. 31, № 1. — С. 60–69. ↑
[4] Пашутин С. Возможные механизмы перехода химической эволюции в биологическую // Универсум. – 2006. – № 1. – С. 18–25; Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. — М., 1998. ↑
[5] Пашутин С. Возможные механизмы перехода химической эволюции в биологическую // Универсум. – 2006. – № 1. – С. 18–25. ↑
[6] Аст Г. Альтернативный геном // В мире науки. — 2005. — № 7. — С. 37–43. ↑
[7] Супотницкий М.В. ВИЧ/СПИД-пандемия как природное явление // Универсум. — 2005. — № 6. — С. 23–27. ↑

Продолжение темы в статье: К ВОПРОСУ О МЕСТЕ ВИЧ/СПИД-ПАНДЕМИИ СРЕДИ ДРУГИХ ИНФЕКЦИОННЫХ, ЭПИДЕМИЧЕСКИХ И ПАНДЕМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ