Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

Последние сорок лет австралийские ветеринары наблюдают все более частые случаи лимфомы и лейкемии — рака различных клеток крови — у коал. Встревожившись, ветеринары провели более тщательное исследование и выяснили: уровень заболеваемости растет и в популяциях диких коал, и среди обитателей зоопарков Юго-Восточного Квинсленда. Распространение заболеваний указывало на их вирусную природу, и, принимая во внимание сходные случаи рака у людей, кошек и обезьян, наиболее вероятной причиной болезней признали ретровирус. Предположение было подтверждено Хангером и его коллегами с факультета зоологии университета Квинсленда: в крови больных коал и в пораженных раком тканях обнаружили ретровирус [29] . Его разглядели и сфотографировали под электронным микроскопом, подвергли генетическому анализу, выделили характерные ретровирусные последовательности и подтвердили: да, это новый вызывающий эпидемию вирус. Его назвали «ретровирус коалы», или KoRV. Генетические последовательности вируса обнаруживают сходство с последовательностями вируса, заражающего гиббонов и других человекообразных обезьян. То есть вирус мог перейти от них к коалам в недалеком прошлом.

29

Hanger J. J., Bromham L. D., McKee J. J., et al. The nucleotide sequence of koala (Phascolarctos cinereus) retrovirus: a novel type c endogenous virus related to gibbon ape leukemia virus. J. Virol. 2000; 74 (9): 4264–72.

Была открыта и странная особенность поражающего коал вируса. Он ведет себя не так, как ВИЧ и HTLV. Эти последние передаются от индивидуума к индивидууму, заражают и потому известны как «экзогенные» вирусы («экзо» и значит «внешний» — зараза, пришедшая извне). А ретровирус коал — внутренний, эндогенный. Он переходит к потомству с геномом, унаследованным от родителей. Лимфому и лейкемию вызывает вирус, гнездящийся в хромосомах коалы.

Это еще не конец истории про рак у коал — но мы к ней вернемся чуть позже. А сейчас я предлагаю немного отступить и рассмотреть жизненный цикл ретровирусов.

Как все прочие вирусы, они заражают некий биологический вид или несколько близких видов. Далее они попадают в кровь носителя, где выискивают подходящие клетки либо ткани. В случае ВИЧ-1 первичная цель вируса — лимфоциты, хотя вирус проникает во многие другие клетки и ткани тела. Нормальная же среда обитания вируса — геном носителя и его ближайшие окрестности. Вирус гнездится в хромосомах с их лабиринтом генов, сложной машинерией, позволяющей синтезировать белки, и неимоверно сложным контролирующим, «бюрократическим» генетическим аппаратом. Заметим походя, что вирусы — единственные организмы, настолько малые и примитивные, что способны обитать в геноме. Но как благодаря этому ничтожные по размерам вирусы столь могучи с эволюционной и болезнетворной точки зрения? Попадая в клетку, вирус немедленно вторгается в ядро, впрыскивает туда свой геном, объединяет его с геномом клетки, завладевает контрольными механизмами и заставляет чужой геном производить копии вируса.

Здесь стоит задержаться и задуматься хорошенько над возможными последствиями такого явления. Каждый день и каждый час в мире живого происходят разнообразнейшие взаимодействия вирусов с носителями, и в этих взаимодействиях сливаются геномы существ, принадлежащих к разным царствам живого, находящихся на самых разных ветвях эволюционного древа, от мельчайших и примитивнейших бактерий и археев до рыб-клоунов, морских слизней, орлов, парящих над морями и океанами, мартышек, горилл и орангутангов, населяющих тропические дождевые леса, и, в конце концов, до Гомо сапиенс, который хоть и оставил давным-давно африканскую прародину, тем не менее несет ее в своих генах. Возможно, нам повезло в том, что большинство таких слияний происходит в периферических тканях и органах и не оказывает существенного влияния на ход эволюции. Но иногда слияние происходит в жизненно важных органах и тканях и непосредственным образом сказывается на эволюционном процессе. Только представьте себе потенциал эволюционных изменений, несомых столь примитивным организмом, как вирус: он, приспособленный порабощать геном хозяина, может поселиться в половых клетках носителя, в сперматозоидах, в яйцеклетках — и передаваться по наследству! Эволюционные возможности подобного симбиоза на самом глубинном, генетическом уровне трудно недооценить.

Процесс передачи ретровируса по наследству получил название «эндогенизация». Эндогенизация превращает свободно блуждающий и заражающий клетки экзогенный ретровирус в упакованный в геном эндогенный вирус, отдавший свободу за долгую жизнь, возможно — и бессмертие в качестве составной части нового генома. С точки зрения симбиоза создается новый голобионтический геном, результат динамики взаимодействия ранее раздельных геномов вируса и носителя. На примере коал мы видим первый шаг этого поразительного взаимодействия, наблюдаем, как происходит эндогенизация в наших млекопитающих родичах.

В 2009 году австралийский ветеринар и вирусолог Рэйчел Тарлингтон была приглашена поработать на факультете ветеринарии Ноттингемского университета, и я воспользовался возможностью побеседовать с нею. В начале карьеры она была практикующим ветеринаром, но затем переключилась на исследовательскую работу в тематическом парке «Мир грез» в курортной зоне «Золотой берег» штата Квинсленд, где находится большой зоопарк со ста двадцатью коалами, которые свободно размножаются. В популяции наблюдалась очень высокая заболеваемость летальными формами лейкемии и лимфомы, и это побудило тамошнего ветеринара Джона Хангера предположить возможность ретровирусной эпидемии. Эта эпидемия и стала темой диссертационной работы Тарлингтон.

— Джон Хангер обнаружил, что это эндогенный ретровирус, то есть, конечно, унаследованный вирус, сделавшийся частью генома животного, — сказала мне Тарлингтон. — Обычно эндогенные вирусы не могут работать как вирусы — по крайней мере, так считалось традиционно. Считалось, что они — остатки прежних вирусных инфекций, сумевших внедриться в половые клетки. Перед нами встала непростая задача: вирус нашелся, но это был унаследованный вирус.

— В самом деле, странно, — согласился я. — Насколько я знаю, никто раньше не наблюдал процесс эндогенизации вируса. Думаю, это чрезвычайно важное наблюдение. Но откуда он взялся, этот вирус?

— Скорее всего, перешел от грызуна. Близкородственный вирус выделен у гиббонов. Обычно близкородственные вирусы переходят на близкородственные виды. Но есть ранние работы Джоанны Мартин и Майкла Тристема, проделавших большую работу по филогенезу ретровирусов мышиной лейкемии. Они, по сути, идентифицировали ретровирус коал или по крайней мере его часть, а также указали на два исключения из общего правила «близкородственного» перехода.

Мартин и Тристем хорошо знали, что ретровирусы способны переходить от одного носителя к другому между представителями одного вида, но иногда они переходят и к другим видам плацентарных млекопитающих. Их заинтересовала возможность преодоления ретровирусами гораздо большей эволюционной дистанции — например, между разными классами. Подобный «прыжок» для вируса — нечто совершенно экстраординарное. Подтип черепные, включающий класс млекопитающих, включает также семь других классов: костных рыб, птиц, рептилий и прочих. Для проверки возможности перехода между классами Мартин и Тристем стали искать эндогенные ретровирусы, родственные вирусу мышиной лейкемии, — он может быть как эндогенным, так и экзогенным у грызунов.

Результаты оказались весьма показательными [30] . Оказалось, что, хотя вирусы редко одолевают большие с эволюционной точки зрения расстояния, тем не менее они на это способны. Эндогенные вирусы, близкородственные вирусу мышиной лейкемии, широко распространены в геноме четырех классов наземных животных. Они встречаются, например, у таких амфибий, как прудовая лягушка, камышовая жаба, таких рептилий, как африканская гадюка и боа-констриктор, африканский карликовый крокодил и комодский дракон; у таких птиц, как шалашник, дрозд-белобровик, куропатка, крапивник, фазан и курица; у таких млекопитающих, как мыши, коты, коалы, опоссумы и ехидны. Большинство эндогенизировавшихся вирусов — последствия давних инфекций. Но обнаружились и два случая совсем недавней эндогенизации. В первом случае вирус встречается у многих видов птиц; он настолько схож с вирусом, найденным у ехидны — яйцекладущего млекопитающего, — что это подразумевает недавний переход вируса от млекопитающего к птицам. Во втором случае вирусом-путешественником оказался ретровирус коалы, который (что подтвердил Хангер) обнаружил чрезвычайное сходство с вызывающим лейкемию вирусом гиббонов, известным как GaLV. Вирусы коалы и GaLV отличаются не более чем разновидности GaLV у гиббонов, что приводит к выводу о недавнем переходе экзогенного вируса к коалам и последующей эндогенизации.

30

Martin J., Hemiou E., Cook J., et al. Interclass transmission and phyletic host tracking in murine leukemia virus-related retroviruses. J. Virol. 1999;73 (3): 2442–9.

При дальнейшей работе Тарлингтон и ее коллег с вирусом коалы открылся целый ряд пугающих деталей — например, то, как именно внедрялся вирус в геном коалы. Количество фрагментов и место их внедрения в хромосомы могли очень сильно меняться от животного к животному [31] . Агрессивность вируса тоже сильно отличалась от обычно наблюдаемой у эндогенных вирусов, давно уже вошедших в геном носителя. Исследователи отметили это, заявив, что «KoRV по агрессивности больше походил на экзогенный, чем на эндогенный вирус». Они заново проверяли и перепроверяли данные, проводили тесты спермы, исследовали семейные группы, чтобы подтвердить эндогенность вирусов, их наследование от зараженных животных. И тут они обнаружили явление, удивившее их более всего.

31

Tarlinton R., Meers J., Young P. R. Retroviral invasion of the koala genome. Nature 2006; 442: 79–81; Tarlinton R., Meers J., Young P. Biology and evolution of the endogenous koala retrovirus. Cellular and Molecular Life Sciences, 2008. Online at doi 10.1007/s00 018–008–8499-y.

В популяциях коалы в Квинсленде, занимающем северо-восток Австралии, вирус был распространен равномерно. Но в коалах юго-востока процент зараженных был меньше и по мере удаления от Квинсленда уменьшался. В Балларате рядом с Мельбурном лишь 60 процентов животных носили вирус, а далее на запад вдоль южного побережья, в сторону Кенгуриного острова, у двадцати шести исследованных животных не нашлось ни единого случая заражения. Далее исследователи проверили кровь 225 животных на острове — и тоже не обнаружили и следа заражения.