Вирусная диверсия-многоходовка

РНК-вирус менингита научился встраиваться в хозяйскую ДНК

РНК-вирус мышиного менингита научился встраиваться в хозяйскую ДНК, используя её фрагменты, оставшиеся в геноме от инфекций далёкого эволюционного прошлого. В геноме человека есть очень похожие участки. Они готовы в любой момент предложить свои услуги запросившему их вирусу и лишить «безопасную» генную терапию РНК-вирусами её безопасного статуса.

Залог успешной диверсии – наличие давно прижившихся и ничем не выделяющихся из толпы агентов. При хорошем стечении обстоятельств можно даже воспользоваться чужими, припасенными до поры ресурсами.

Ларс Хангартнер из Цюрихского университета и его европейские и американские коллеги выяснили, что примерно так и поступает РНК-вирус лимфоцитарного хориоменингита (ЛЦХМ):

он встраивается в геном за счёт доставшихся нам от далеких предков ретротранспозонов – самовоспроизводящихся прыгающих «генетических» элементов.

Вирусы и механизмы их воспроизведения

Синтез белков осуществляется в рибосомах, а последовательность аминокислот синтезируемых белков (клеточных и вирусных) задается молекулами матричных РНК (мРНК).

Есть обширная группа вирусов, генетический материал которых представляет собой как раз мРНК. Такие вирусы называют вирусами с позитивным (положительным, +) РНК-геномом. Сюда, например, относят вирусы полиомиелита и клещевого энцефалита, а из вирусов растений – вирус мозаики табака (ВТМ). Первое, что делает вирусная РНК, попав в клетку, – обеспечивает синтез вирусных белков. Лишь после этого начинается размножение самих молекул вирусной РНК, которое просто невозможно без предварительного образования соответствующего вирусного фермента. Невозможно потому, что до заражения клетки в ней не было фермента (РНК-зависимой РНК-полимеразы), способного синтезировать молекулы РНК без участия ДНК. На заключительной стадии из накопившихся вирусных белков и РНК монтируются вирионы.

Геном другой группы вирусов представлен молекулами не мРНК, а их комплеметарной (зеркальной) копией, то есть молекулами (-)РНК. Среди таких вирусов с негативным РНК-геномом - вирусы гриппа, кори, бешенства, желтой карликовости картофеля и др. Казалось бы, такие вирусы просто не имеют права на существование. Действительно, инфекционный процесс не может начаться с синтеза белков: инструкций, записанных в зеркальной форме, рибосомы не понимают. Но и репликация вирусной РНК кажется невозможной, поскольку, как уже упоминалось, в клетке нет собственных ферментов, способных осуществить этот процесс. Вирусы с негативным РНК-геномом решают эту проблему так. Они вводят в заражаемую клетку свой геном не в «голом» (свободном от белков) виде, как поступают вирусы первой группы, а в виде более сложных структур, содержащих, в частности, РНК-зависимую РНК-полимеразу. Этот вирусный фермент, синтезированный в предыдущем цикле размножения, упакован в вирионе в удобной для доставки в клетку форме. Инфекционный процесс начинается с того, что вирусный фермент копирует вирусный геном, образуя комплементарные молекулы РНК, то есть (+)РНК. Эти молекулы уже «находят общий язык» с рибосомами. Образуются вирусные белки, в том числе и РНК-зависимая РНК-полимераза, которая, с одной стороны, обеспечивает размножение вирусного генома в данной клетке, а с другой – «консервируется впрок» во вновь образующихся вирионах.

У третьей группы вирусов наследственная информация хранится в виде двуцепочечной РНК. Сюда, например, относятся ротавирусы, вызывающие расстройства кишечника. Размножение этих вирусов проходит по варианту, близкому к предыдущему. Вместе с вирусной РНК в клетку попадает и вирусная РНК-зависимая РНК-полимераза, которая обеспечивает синтез молекул (+)РНК. В свою очередь, (+)РНК выполняет две работы: обеспечивает производство вирусных белков в рибосомах и служит матрицей для синтеза новых (-)цепочек вирусной РНК-полимеразой. Цепочки (+) и (-)РНК, комплексируясь друг с другом, образуют двунитевой РНК-геном, который упаковывается в белковую оболочку. Новое поколение вирионов готово.

Четвертая группа – вирусы с двуцепочечной ДНК. Здесь, например, возбудители герпеса и оспы. Хотя геном этих вирусов и можно условно изобразить как ДНК, во многих (но не во всех) случаях в каждой из двух цепочек ДНК имеются участки, соответствующие как позитивной, так и негативной полярности. В зараженной клетке фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза считывает (транскрибирует) с генома этих вирусов молекулы мРНК (то есть (+)РНК), которые делают свою обычную работу – направляют синтез белков. Размножением вирусного ДНК-генома занимается фермент ДНК-зависимая ДНК-полимераза. Поскольку геном клетки также представлен молекулами двуцепочечных ДНК, то в ней еще до заражения имеются как ДНК-зависимая РНК-полимераза, так и ДНК-зависимая ДНК-полимераза. В некоторых случаях производством вирусных мРНК и ДНК занимаются клеточные ферменты. Другие же вирусы (более сложные) это крайне ответственное дело никому не передоверяют и используют собственные ферменты. Бывает и так, что транскрипция и репликация вирусного генома – прерогатива «смешанных предприятий», эксплуатирующих как вирусных, так и клеточных «работников». Заканчивается инфекционный цикл, как обычно, «одеванием» генома в защитную одежду и выходом вирионов «в свет».

Следующая группа – вирусы с одноцепочечным ДНК-геномом, который может быть представлен молекулами как позитивной, так и негативной полярности. Жертвами таких вирусов могут быть и животные, и растения, и микроорганизмы. Попав в клетку, вирусный геном сначала превращается в двуцепочную форму, это превращение обеспечивает клеточная ДНК-зависимая ДНК-полимераза. Далее смотри предыдущий вариант.

Шестая группа – ретровирусы, – включающая, в частности, такую «знаменитость», как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), и некоторые возбудители злокачественных новообразований. Геном этих вирусов, как и в первой из названных нами групп, – одноцепочечная (+)РНК, но инфекционный процесс развивается по совершенно иному сценарию. В вирусном геноме закодирован необычный фермент (ревертаза), который обладает свойствами как РНК-зависимой, так и ДНК-зависимой ДНК-полимеразы. Этот фермент попадает в заражаемую клетку вместе с вирусной РНК и обеспечивает синтез ее ДНК-копии сначала в одноцепочечной форме ((-)ДНК), а затем и в двуцепочечной. Далее события развиваются по обычному расписанию: синтез вирусных (+)РНК, синтез вирусных белков, формирование вирионов, выход из клетки.

Наконец, седьмая группа – ретроидные вирусы, из которых наиболее известен вирус гепатита В. В состав этих вирусов входит двуцепочечная ДНК, но реплицируется она иначе, чем у вирусов четвертой группы. Там вирусную ДНК копирует ДНК-зависимая ДНК-полимераза. Здесь же сначала с вирусной ДНК считывается (+)РНК (это делает клеточная ДНК-зависимая РНК-полимераза), которая затем служит матрицей для синтеза двух компонентов вириона: белков и ДНК. Синтез ДНК осуществляет вирусный фермент с активностью ревертазы по схеме, которая реализуется у ретровирусов.

Учёные пытались объяснить неразрешимый до сегодняшнего дня наблюдательный факт – в инфицированных клетках они часто находили вирусный геном в форме ДНК, которой там и близко быть не должно. Дело в том, что РНК-содержащие вирусы, генетическая информация которых представлена только в форме РНК, в отличие от ДНК-содержащих и ретровирусов, размножаются, не встраивая свой геном в наш.

Например, если клетку поражает аденовирус, то его ДНК встраивается в хозяйскую, после чего клетка синтезирует новые вирионы; то же самое характерно и для герпеса. И хотя сама инфекция не передаётся от поколения к поколению, вирусный элемент при делении клеток сохраняется в геноме. Ретровирусы (к которым относится и ВИЧ) содержат не ДНК, а РНК, но в отличие от остальных РНК-вирусов, синтезируют комплементарную цепочку ДНК уже внутри клетки с помощью фермента обратной транскриптазы; эта цепочка ДНК затем встраивается в геном клетки. Кстати, именно обратная транскриптаза – слабое место ВИЧ: поскольку в нашем организме этот фермент изначально отсутствует, замедление его работы до сих пор остается одним из самых успешных направлений в борьбе со СПИДом.

Аренавирусы, к которым относится вирус острого менингита, «герой» публикации Харгантера в последнем номере Science, значительно «сокращают» свой цикл развития:

сначала они впрыскивают свою РНК, с которой сразу же начинает синтезироваться белок, а «тиражирование» генетического материала осуществляется за счёт фермента РНК-полимеразы, тоже вирусного происхождения.

В этом и заключалось неразрешимое до сегодняшнего дня противоречие. Так как у вируса острого менингита отсутствует обратная транскриптаза, а в здоровом, не пораженном ретровирусами организме ей взяться неоткуда, то все процессы должны протекать на уровне одноцепочечных РНК, без перехода в ДНК-стадию и тем более без встраивания в геном. Но последовательности ДНК, комплементарные вирусной РНК, неизменно находили как при инфицировании отдельных клеток, так и целого организма.

Хангартнер и его коллеги показали, что в этом процессе участвуют упомянутые выше ретротранспозоны – но не все, а только типа IAP. Количество их копий в геноме как дикой, так и лабораторной мыши может достигать двух тысяч копий. «Пассивными» элементами их не назовёшь: несмотря на то, что они содержат гены, их последовательность не считывается, а вот перестановки IAP и участие в считывании ДНК регулярно приводят к сбою в работе системы – их чрезмерную активность связывают с развитием опухолей и иммунодефицитов.

Как выяснилось, эти IAP ретротранспозоны и выступают в роли диверсантов, встраивающих гены менингитного вируса в геном мыши.

Происходит это в два этапа: сначала пара генов pol/gag, находящихся внутри ретротранспозонов, обеспечивает построение ДНК на основе вирусной РНК, причем делает это даже эффективней ретровирусов. Второй этап – непосредственно встраивание, происходит за счет рекомбинации, причем тоже в области IAP или в местах повреждения или разрыва ДНК.

Справедливость своей гипотезы ученые доказали, понаблюдав за инфицированными клетками мыши, китайского хомячка, человека, собаки и зелёной мартышки. Если у мыши IAP ретротранспозонов достаточно и вирус лимфоцитарного хориоменингита встраивался в одной клетке из тысячи (такая кажущаяся низкой вероятность связана с частотой рекомбинации и на деле вполне достаточна в масштабах целого организма), то в клетках других организмов вирусной ДНК обнаружить так и не удалось, хотя вирус отлично размножался. А вот при введении «коктейля» из IAP ретротраспозонов и вируса менингита ДНК появлялась уже на вторые сутки.

Казалось бы, этот факт относится только к фундаментальной науке и людей пока не касается – ведь у нас отсутствуют вышеописанные IAP ретротранспозоны. Но Хангартнер и его коллеги не советуют расслабляться раньше времени:

в человеческом геноме есть потенциально активные К-ретровирусы, способные проявлять ровно такую же активность.

Причем их эффект может быть двояким. Во-первых, это осложнения генной терапии, подразумевающей использование считающихся «неопасными» РНК-вирусов в качестве средства для доставки кодирующих РНК.

Во-вторых, эти К-ретровирусы могут стать причиной включения чужих нуклеотидных последовательностей в геном всей популяции, ведь у мышей наибольшая активность IAP ретротранспозонов зарегистрирована именно в яичках. Если в момент образования сперматозоидов в клетку попадёт любая цепочка нуклеотидов, её шансы стать неотъемлемой частью генома следующего поколения достаточно велики.