Учёные обнаружили в вирусе, поражающем человеческую кожу, фрагменты ДНК, происходящие от гена, который особенно активно работает в клетках мозга. Необычная находка показала, что некоторые участки нашего генома способны не только перемещаться внутри человеческой ДНК, но и преодолевать границу между человеком и вирусом.
Речь идёт о гене BC200, который участвует в процессах, связанных с работой нервных клеток. Исследователи нашли две последовательности, произошедшие от этого гена, в геноме вируса контагиозного моллюска — инфекции, вызывающей появление небольших выпуклых образований на коже.
Открытие, описанное в журнале Science, раскрывает удивительную особенность эволюции человеческой ДНК. Оказывается, ген, который десятки миллионов лет назад приобрёл определённую функцию в клетках, сохранил способность создавать копии, способные встраиваться в новые участки генома. Более того, некоторые из этих копий в конечном итоге оказались внутри вируса.
Однако это не означает, что вирус получил полноценный человеческий ген или приобрёл какие-либо функции мозга. Исследователи обнаружили лишь фрагменты генетической последовательности, а их назначение в вирусном геноме пока остаётся загадкой.
Чтобы понять значение открытия, необходимо разобраться в особенностях самого BC200. В отличие от большинства привычных генов, он не содержит инструкций для непосредственного производства белка. Вместо этого ген образует короткую молекулу РНК, которая особенно распространена в нейронах.
Лабораторные эксперименты показывают, что эта РНК может участвовать в регулировании производства белков, хотя её точная физиологическая роль до сих пор изучена недостаточно.
При этом название «ген мозга» несколько условно. Почти все клетки организма, содержащие ядро, обладают практически одинаковой генетической информацией. Разница заключается в том, какие именно гены активны в конкретных тканях. Поэтому BC200 присутствует не только в нейронах, хотя именно там его активность особенно высока.
Самое интересное связано с происхождением этого гена. Его предшественник представлял собой так называемый мобильный генетический элемент — участок ДНК, способный создавать собственные копии и перемещать их в другие места генома. Такие последовательности нередко называют «прыгающими генами».
Примерно 35–55 миллионов лет назад предшественник BC200 закрепился в геноме общего предка обезьян и человекообразных обезьян. Около 40 миллионов лет назад он приобрёл клеточную функцию, предположительно связанную с регулированием производства белков в нейронах.
Обычно, когда мобильный генетический элемент начинает выполнять полезную клеточную функцию, он постепенно теряет способность перемещаться. Но с BC200 произошло нечто необычное: он сохранил оба свойства.
«Каким-то образом эволюция так и не смогла разделить эти две вещи», — объяснил молекулярный биолог Седрик Фешотт из Корнеллского университета.
Чтобы выяснить, насколько далеко могут распространяться копии этого гена, международная группа исследователей изучила доступные геномы поксвирусов, разыскивая последовательности, похожие на мобильные элементы ДНК.
Именно тогда в вирусе контагиозного моллюска обнаружились два фрагмента, происходящие от BC200. Один из них содержал всю область гена, унаследованную от мобильного элемента Alu. Второй оказался короче и не имел полноценных участков на обоих концах.
Таким образом, в вирусе находились не целые копии человеческого гена, а отдельные последовательности, произошедшие от него.
Несколько обстоятельств указывали на их человеческое происхождение. Ген BC200 встречается у людей и родственных приматов, а вирус контагиозного моллюска в естественных условиях, насколько известно, заражает исключительно человека.
Кроме того, учёные не нашли аналогичных последовательностей в других исследованных поксвирусах, включая близкородственный вирус, поражающий лошадей.
Генетический анализ показал, что человеческие последовательности, вероятнее всего, попадали в вирус дважды в результате независимых событий. Это означает, что речь идёт не об одном фрагменте, который сначала встроился в вирусный геном, а затем скопировался внутри него.
Но каким образом человеческая ДНК вообще могла оказаться в вирусе?
Исследователи предполагают, что ключевую роль сыграл другой мобильный генетический элемент — LINE-1. Он способен производить молекулярный аппарат, который преобразует РНК обратно в ДНК, а затем помогает встроить полученную последовательность в геном.
Сам BC200 не располагает необходимыми инструментами для такого перемещения. Однако он способен воспользоваться механизмом LINE-1, фактически перемещаясь с его помощью.
Характерные генетические следы вокруг обнаруженных вирусных вставок согласуются именно с таким объяснением. Правда, исследователи восстановили предполагаемый механизм по сохранившимся последовательностям ДНК, а не наблюдали перенос непосредственно в лаборатории.
Возникает ещё один вопрос: если BC200 наиболее активен в нейронах, каким образом его копии оказались в вирусе, поражающем кожу?
Оказалось, что этот ген работает и в клетках кожи, хотя значительно слабее. Более того, при заражении выращенных в лаборатории человеческих фибробластов вирусом контагиозного моллюска активность BC200 повышалась.
Это позволяет предположить, что вирусная инфекция сама может создавать условия, благоприятные для переноса генетических последовательностей. Однако установить, в каких именно клетках и при каких обстоятельствах произошли первоначальные события, пока не удалось.
На этом исследователи не остановились. Они решили выяснить, насколько активно BC200 продолжает перемещаться внутри человеческого генома.
Для этого учёные проанализировали данные секвенирования ДНК 908 человек и обнаружили восемь вставок, происходящих от BC200, которые различались между отдельными людьми.
Две последовательности оказались широко распространены среди представителей пяти континентальных популяционных групп. Это указывает на их относительно древнее происхождение.
Ещё одна вставка встречалась преимущественно у людей африканского происхождения. Остальные пять оказались значительно более редкими: одну нашли всего у двух человек, а каждую из четырёх других — только у одного.
Такие редкие последовательности свидетельствуют о том, что BC200 мог сохранять активность до сравнительно недавнего времени. Однако обнаружение вставки у единственного человека ещё не означает, что она возникла непосредственно при его жизни.
Изучение других человекообразных и обезьян также выявило сотни вставок, характерных для отдельных эволюционных линий. Получается, что копии BC200 продолжали распространяться по геномам приматов на протяжении миллионов лет, а обнаружение их в вирусе стало ещё одним проявлением этого длительного процесса.
Пока остаётся неизвестным, получает ли вирус какую-либо выгоду от приобретённой человеческой ДНК.
Исследователи установили, что обнаруженные вирусные последовательности способны считываться с образованием РНК. Теоретически такие молекулы могли бы помогать вирусу вмешиваться в производство белков заражённой клетки. Однако эту гипотезу ещё предстоит проверить экспериментально.
При этом никаких доказательств того, что приобретение человеческих генетических фрагментов сделало вирус опаснее, исследование не представило.
Главное значение открытия заключается в другом. Учёные показали, что даже после приобретения устойчивой клеточной функции мобильный генетический элемент не обязательно утрачивает способность перемещаться.
История BC200 демонстрирует, насколько подвижным может оставаться геном на протяжении эволюции. Последовательность, которая десятки миллионов лет назад стала частью клеточных механизмов приматов, продолжала создавать новые копии, формировать различия между человеческими геномами и в конечном итоге сумела оставить собственные следы даже в ДНК вируса.
