Вирусы, которые все делают наоборот
Ретровирусы
Лекция профессора молекулярной вирусологии Университетского колледжа Лондона Грега Тауэрса опубликована на сайте ПостНаука.
Класс вирусов называется ретровирусами, потому что они все делают наоборот. Понятие «ретро» обусловлено тем, что ретровирусы имеют в своем геноме РНК, которую они превращают в ДНК. Обычные клетки превращают ДНК в РНК, но никогда наоборот. Ретровирусы делают все наоборот, и поэтому называются ретровирусами. Все ретровирусы совершают эту практику, которая называется обратной транскриптазой. У них есть две цепи РНК, которые они конвертируют в двухцепочечную ДНК. Потом они переносят эту двухцепочечную ДНК в клеточное ядро и внедряют ее в геном хозяина. Таким образом, геном ретровируса становится частью генома хозяина, и клетка никогда уже не сможет от него избавиться. Единственный способ избавиться от ретровируса – убить клетку. Именно так и поступает иммунная система.
Существует много различных ретровирусов. Многие виды животных имеют ретровирусы. Они очень зоонозны. Ретровирусы способны перепрыгивать с вида на вид. Это и является их отличительной чертой. Мы предполагаем, что на протяжении миллионов лет эволюции они перепрыгивали с одного вида на другой, что привело к «эффекту Черной Королевы». Если вирус патогенен, он инфицирует вид и оказывает на него давление отбора. Многие члены этого вида будут убиты вирусом. Это приведет к давлению отбора, цель которого – стать нечувствительным к этой инфекции или вирусу.
Так как ретровирусы патогенны, они ведут к эволюционному эффекту, или «эффекту Черной Королевы». Ретровирус, инфицируя вид, может оказать патогенное воздействие на этот вид таким образом, что многие люди и многие члены конкретного вида будут инфицированы и подвержены давлению отбора. Наиболее восприимчивые к этому вирусу погибнут, а наиболее устойчивые выживут. В конечном счете весь вид станет невосприимчивым к вирусу. Потом вирус подвергнется эволюционному давлению отбора, изменится и снова заразит вид или перейдет на другой. На протяжении долгого времени ретровирус может прыгать между различными видами, или он может коснуться какого-то вида и снова уйти, что приведет к альтернативной эволюции, которая была названа Ли ван Валеном «эффектом Черной Королевы».
Одна интересная черта ретровирусов заключается в том, что мы можем понять их эволюцию и эволюцию нашей клеточной защиты. Вирус иммунодефицита человека пришел к нам от приматов. Самый распространенный тип ВИЧ называется ВИЧ-1. Он составляет примерно 60 миллионов человеческих заражений ВИЧ. Это практически единичный случай, когда вирус шимпанзе поразил человека и стал распространяться среди человеческого населения. Мы знаем, что направление заражения именно такое – от шимпанзе к человеку, – потому что у шимпанзе существует больше типов этого вируса, чем у людей.
Существует еще один тип ВИЧ, названный ВИЧ-2, который пришел к нам от африканских обезьян, а именно дымчатого мангобея. И снова разновидностей этого вируса у мангобеев намного больше, чем у человека. Это говорит нам о том, что перенос вируса происходит от обезьяны к человеку. ВИЧ-2 вызывает похожую болезнь, что и ВИЧ-1, у примерно 20–30% людей. Однако у большинства людей не наблюдаются никакие значимые симптомы после заражения ВИЧ-2. Поэтому один из важных вопросов ВИЧ-биологии заключается в поиске отличий между тем вирусом, который заразил 60 миллионов человек, и тем, что не инфицировал даже приблизительно такое число.
У приматов есть похожие вирусы. Более того, большинство африканских приматов имеют вирус, который родственен нашему ВИЧ-1. Обычно мы называем эти вирусы в соответствии с видом, в котором мы их нашли. Вирус шимпанзе называется ВИО (SIV) – вирус иммунодефицита обезьян (simian immunodefiency virus). В таком случае, бывает ли у шимпанзе СПИД? Это не до конца понятно. Не все шимпанзе заражены. Существуют определенные территории, где проживают зараженные шимпанзе. Но так как они не живут жизнью людей, не ведут утонченный образ жизни, а, наоборот, проживают более трудную жизнь, то умирают намного раньше, за ними становится очень сложно следить и выяснять, есть ли у них это заболевание.
Из-за этого долгое время мы думали, что они не страдают никакими болезнями, потому что у них нет такого сильного иммунодефицита, как у людей. Но в последнее время мы стали думать, что они тоже имеют эту болезнь, возможно, в менее суровой форме. Так как они не живут долго, им не приходится страдать от тех симптомов, которые переживает человек.
Таким образом, до конца не известно, что происходит с ретровирусной инфекцией в организме обезьян. У африканских обезьян вирус практически не вызывает никаких заболеваний, поэтому кажется, что имеет место адаптация как носителя, так и самого вируса по такому принципу, что обезьяна может быть инфицирована, но не страдать от болезней. Они могут заразиться в достаточно раннем возрасте, поэтому могут иметь вирус в своем теле, но при этом не ощущать значимых последствий для своей жизни.
Среди других видов ретровирусы тщательно изучались у мышей. Это делалось в основном потому, что ретровирусная инфекция у мышей способна вызывать рак. Мышь заражается ретровирусом, который обычно называют гамма-ретровирус. Оказывается, что эта ретровирусная инфекция вызывает у мышей рак. Люди, изучавшие рак в 1950–1960-х годах, то есть в самом начале подобных исследований, выращивали мышь до тех пор, пока она не становилась очень уязвимой к этой болезни, а потом пытались выяснить, почему у этих мышей развивается рак. Оказалось, что они получали рак, потому что были инфицированы ретровирусом. Эти ретровирусы переносили гены (онкогены), которые вызывали рак. Таким образом, все первичные исследования ретровирусов были направлены на понимание того, как работает рак и что его вызывает.
Когда появился ВИЧ и стал вызывать иммунодефицит, это стало первым случаем, когда такой тип вируса вызвал такую болезнь. До этого мы знали о ретровирусах только из исследований гамма-ретровирусов, вызывающих рак. Ретровирусы – это такие типы вирусов, которые можно рассматривать как вирусы, путешествующие налегке. Так, например, ВИЧ имеет всего девять генов, а другие ретровирусы вообще три. Так что они действительно путешествуют налегке по сравнению с вирусом герпеса, например, который имеет около двухсот генов. Я считаю, что их стратегия – путешествовать налегке и быть тихими. Их цель при поражении клетки – не активировать ее и не причинить много ущерба. Я думаю, что изначально они не вызывают сильных болезней, но в длительной перспективе эта инфекция может вызвать болезни вроде рака у мышей. Хотя, возможно, они не вызовут рак у диких мышей. Это происходит только тогда, когда мы пробиваем защиту мыши.
Итак, ретровирусы – это относительно милосердные вирусы, я считаю, потому что они не управляют вашим телом, как делают другие вирусы. Главное их отличие в том, что они превращают РНК в ДНК и интегрируют ДНК в хроматин. Это и есть уникальная черта ретровирусов. Некоторые другие вирусы поступают так же, но только в качестве дополнения. Ретровирусы целиком зависят от этого процесса интеграции. Если клетка не может от них избавиться, она должна умереть для избавления себя от вирусной инфекции.
Ретровирусы внедряют свой геном в хроматин хозяина. Стоит этим генам попасть внутрь хроматина – они останутся там навсегда. Клетка в целом относится к ним как к клеточным генам, так что они считываются, производят РНК, а позже эта РНК направляется в цитоплазму. Вирус производит протеин, клетка производит вирусный протеин, новые вирусы формируются, и они готовы двигаться дальше, заражать новые клетки. Так ретровирусы стали отличным инструментом для изучения клеточной биологии, и это потому, что они простые. Некоторые из них имеют всего три гена. Даже сложный ретровирус вроде ВИЧ имеет всего девять генов. Поэтому очень легко взять их, разделить на части и изучать, какая часть за что отвечает.
В поле генной терапии существует трюк, когда берут ретровирус, вынимают из него ретровирусные гены и вставляют те гены, которые нужны. Потом можно сформировать ретровирусные частицы. Этот трюк можно использовать для развития ретровирусного вектора. Работает это так: можно взять ретровирусный геном, который обычно шифрует все ретровирусные гены, избавиться от них и поставить на их место предпочтительный ген, например терапевтический ген или ген, который можно просто измерять, – мы обычно используем ЗФБ (GFP), который заставляет клетки зеленеть. Если вы это сделаете, вы сможете производить ретровирусные частицы, которые будут только заражать клетку и производить белок. В ретровирусе не окажется ретровирусных генов, так что он сможет производить только терапевтические гены или ЗФБ. И это прекрасный инструмент для изучения клеточной биологии.
Например, можно изменить клетку и посмотреть, продолжает ли вирус оказывать на нее свое влияние, или можно, наоборот, изменить вирус и проверить, может ли он теперь инфицировать клетку. Это будет называться генетическим подходом. Можно выяснить роль различных частей вируса в попадании в клеточное ядро, в попадании в клетку, в пересечении цитоплазмы.
Кроме того, мы можем использовать ретровирусные векторы, чтобы изучить биологию клетки. Мы можем использовать их, чтобы заставить клетки производить определенный ген, обращаясь к процессу РНК-интерференции. Можно использовать ретровирусы, чтобы производить РНК-интерференцию, можно использовать ретровирусы, чтобы выделить определенный ген. Наиболее распространенное использование ретровирусов в последнее время заключается в доставке CRISPR/Cas9, так что мы можем выбросить любой ген в определенной клетке, а затем изучать последствия этого «выбрасывания» или измерять все что угодно вроде деления клеток, их роста или чего угодно, связанного с клетками.
Многие лаборатории сосредотачиваются на исследованиях ретровирусных векторов и ретровирусов, чтобы изучать врожденный иммунитет. Врожденный иммунитет, или внутриклеточный врожденный иммунитет, – это способность индивидуальной клетки защищать себя от вирусной инфекции. Я считаю, что это достаточно увлекательное направление. Осознание его важности произошло не так давно, около 20 лет назад. Теперь мы понимаем, что находимся под атакой вирусных инфекций на протяжении всей эволюции. За это время мы выработали очень сложные пути защиты себя от инфекций. У нас сформирована адаптивная иммунная система, Т-лимфоциты и антитела. Но кроме этого, каждая клетка нашего тела имеет способность защищать себя от инфекции. Ретровирусы дают прекрасную возможность это изучить.
Например, мы пытаемся узнать, как клетка понимает, что внутрь нее попал вирус. Она делает это при помощи процесса, который мы называем распознаванием образов. В наших клетках есть молекулы, способные обнаружить входящий вирус, потому что они замечают нечто, что выглядит иначе с конформационной и химической перспектив. Если рецептор распознавания образов видит входящий вирус, он вызовет антивирусную реакцию. Несколько вещей начнут происходить. Прежде всего, клетка начнет вырабатывать намного больше белка, чем делала раньше. Также она начинает выделять белок вида интерферон тип 1, что позволит еще незараженным клеткам узнать, что приближается вирус. Интерфероны активируют эти незараженные клетки на производство их антивирусной защиты. Это фантастически эффективный способ противостоять вирусной репликации. Так как ретровирусы с их тремя и девятью генами являются очень простыми, мы можем производить мутации и наблюдать за тем, являются ли они все еще способными проходить через защиту, и мы можем понять, как именно они это осуществляют.
Об авторе:
Грег Тауэрс – professor of Molecular Virology, University College London; Head of Research Group, UCL Division of Infection and Immunity.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
11.09.2017