Мобильные элементы, ретровирусы и наследственные изменения

Среди факультативной части генома особое значение в процессах наследственной изменчивости имеют семейства мобильных генетических элементов (МГЭ). Их число и топография в хромосомах каждой особи уникально. Перемещаясь по геному, МГЭ встраиваются в области расположения генов и вызывают инсерционные мутации. У дрозофилы вида D. melanogaster, например, доля МГЭ в геноме составляет 12–15% ДНК хромосом. Оказалось, что среди спонтанных мутаций этого вида до 70% связаны с инсерциями, причем перестройки хромосом происходят в основном по местам локализации МГЭ. При некоторых условиях (стресс, изменение ядерно-цитоплазменных отношений, способов размножения) происходят упорядоченные перемещения определенных семейств МГЭ, меняется характер регуляции генома. Поэтому знание особенностей поведения МГЭ в генотипе имеет важное значение для выяснения механизмов наследственных изменений и генной регуляции.

Как обстоит дело в этом смысле у человека? На долю собственно генов у человека приходится не более 10% ДНК хромосом (Баранов, 1996). Геном человека населяет специфическое для приматов Alu-семейство мобильных элементов. Они имеют размер около 300 н. п. Число их копий в геноме фантастично, около 500 000, что составляет примерно 5% ДНК хромосом. Повторы расположены как по отдельности так и группами или кластерами. Alu-элементы относятся к разряду ретроэлементов и перемещаются с помощью образования РНК-копий. В клетках человека найдены их кольцевые ДНК-копии вкупе с другими последовательностями, а также копии Alu в местах генных и внутригенных дупликаций. Причины успешной амплификации и расселения семейства Alu в геноме человека ( в отличии от других приматов) загадочны. Исходя из сопоставления последовательностей ДНК предполагается, что Alu-семейство в ходе эволюции возникло путем дупликации из более простого элемента длиной около 130 пар оснований (п. о.), который находятся в виде несколько сот тысяч копий в геноме грызунов (Хесин, 1984; Novick., et al., 1996).

В лаборатории Н. В. Томилина в структуре Alu-элементов обнаружена повышенная по сравнению с другими элементами генома концентрация сайтов связывания факторов транскрипции. Видимо, это может влиять на характер транскрипции соседних локусов и, стало быть, на степень выражения генов (Kazakov, Tomilin, 1996). Однако, здесь, возможно, действует принцип "слоненка Киплинга" (см раздел 5.6): экспансия Alu-элементов в геноме есть результат автогенетических, неселективных процессов, а затем они могут быть использованы в адаптивных целях в ходе коэволюции (Novick, et al., 1996).

Помимо Alu в геноме человека обнаружены и другие мобильные элементы, инсерции которых способны вызвать мутации и наследственные патологии. Таков ретротранспозон ТНЕ-1, имеющий размер 2.3 т. п. о. и фланкированный LTR-длинными терминальными повторами. Несколько мутаций, обусловленных инсерциями этого элемента обнаружены в гене мышечной дистрофии (Pizzut, et al., 1992; Горбунова, Баранов, 1996). По аналогии с дрозофилой, не исключено, что в некоторых межпопуляционных межрасовых скрещиваниях возникают явления, сходные с гибридным диагенезом, когда определенные МГЭ, попадая на фон свободный от репрессоров, внезапно активируются и вызывают множественные мутации. Так, интересно, что первый найденный случай внутрисемейных множественных мутаций в локусе мышечной дистрофии Дюшенна описан в межрасовой семье, где в двух поколениях были англо-малайзийский и швейцарско-малайзийские браки (Miciak, et al., 1992).

Геном человека, как и других организмов, не представляет собой закрытую систему. В 1985 г. в составе ДНК хромосом одного эндемичного вида дрозофилы Drosophila mauritiana, найденного только на острове Маврикия (Индийский океан, к востоку от Мадагаскара) был обнаружен небольшой мобильный элемент, названный mariner. Он относится к группе транспозонов, имеет размер всего около 1330 п. н., обрамлен по краям короткими обратными повторами по 28 п. н., а в середине несет лишь один ген, кодирующий фермент транспозиции. Согласно классификации МГЭ у высших организмов, приведенной в разделе 3.3.5, mariner относится к классу транспозонов. В этот класс входят также элементы Р и Hobo у дрозофилы, Тс-1 у плоских червей и семейство Ac-Ds у кукурузы, открытое Б. МакКлинток.

Хотя элемент mariner встречается не у всех видов дрозофил, он имеет древний эволюционный возраст (200–300 миллионов лет) и обнаружен у таких далеких от дрозофил видов, как бабочки, пчелы, комары, уховертки. Элемент mariner встречается гораздо шире, чем найденный ранее у дрозофил знаменитый Р-транспозон. Мозаичное или пятнистое распространение — сильный довод в пользу горизонтального переноса. И вот недавно в геноме у человека найдено два подсемейства мобильных элементов, сходных с mariner у дрозофилы. (Oosuki, Belknap, Garlick, 1995). Эта находка, согласно авторам, указывает на неоднократные случаи горизонтального переноса у человека. Человек как вид возник около двух миллионов лет назад, a mariner, прежде чем попал в геном человека, существовал к тому времени уже более 200 миллионов лет и совершал свой вояж по геномам далеких видов. Пути горизонтального переноса mariner еще совершенно не ясны. Однако, сам факт может служить новым подтверждением тезиса Р. Б. Хесина о потенциальном единстве генофонда всех живых организмов и гипотезы В. А. Кордюма о непрерывном информационном обмене в биосфере (см. разделы 5.3–5.5).

Для медицинской генетики очень важны аспекты инсерционного мутагенеза, связанные с действием ретровирусов. Ретровирусы (и среди них прежде всего онкогенные) представляют собой, как стало ясно уже в начале 80-х годов, один из классов МГЭ, а именно, ретротранспозоны (разделы 3.3.5 и 5.4). Они размножаются с помощью обратной транскрипции, их ДНК-копии встраиваются в разные участки генома, вызывают там мутации. При своих перемещениях ретровирусы способны включать в свой состав другие гены. Встроенные в геном ретровирусные последовательности находят в геноме всех позвоночных. Так, у мышей есть до 20 локусов в хромосомах, содержащих провирус рака молочных желез или его отдельные гены (Жданов, 1990). В процессе эволюции многие ретровирусы расселялись по геномам позвоночных горизонтально, минуя видовые барьеры (Хесин, 1984; Жданов, 1990). По одному из сценариев, вирус ВИЧ попал к человеку сравнительно недавно путем горизонтального переноса от африканских зеленых мартышек, затем с колонизацией Африки попал в Америку через перевозимых туда рабов и около 50 лет (как и транспозон Р у дрозофилы) назад стал активно распространяться по планете (Галло, Монтанье, 1988; Эссекс, Канки, 1988). Как было показано в гл. 5 (табл. 5), наблюдаются удивительные параллели между популяционным поведением Р-транспозона у дрозофилы и вызывающего СПИД ретровируса у человека.

Исходя из представлений о ретровирусах как о факультативных генетических элементах, следует ожидать целого спектра их инкарнаций, переходов в разные состояния, по аналогии с тем, что установлено на модельной системе фаг лямбда — бактерия. Еще в начале 60-х годов Ф. Жакоб и Э. Вольман (1962) пришли к пророческому выводу о возможности путем простых мутационных событий получить все промежуточные категории между вирусами как структурами экзогенными, инфекционными и неядерными, и нормальными клеточными генами.

Концепция эписом и плазмид перекинула мост между наследственностью и инфекцией, клеточной патологией и физиологией клетки, между ядерной и цитоплазматической наследственностью. Уместно напомнить (раздел 5.3, рис.7), что для лямбда фагов в экспериментах получено не менее семи разных состояний: 1) вирулентности, приводящей к лизису клетки-хозяина и амплификации фаговых частиц; 2) профага; 3) облигатно-вирулентное или утрата способности к лизогении при повреждении или делеции в локусе "c1"; 4) облигатной интегрированности в хромосому бактерии; 5) плазмиды, когда при некоторых делециях в ДНК фаг утрачивает способность образовывать белки оболочки, но сохраняет способность репликации и, наконец, (6 и 7) — образование космид и вирусов-химер на основе рекомбинации участков фаговой и разного рода чужеродной ДНК.

Использование полимеразной цепной реакции (ПЦР) в случае ретровируса ВИЧ дает возможность обнаружить от 1 до 10 инфицированных вирусной ДНК клеток среди популяции в 100 000 неинфицированных клеток. При этом был обнаружен сложный характер взаимопревращений разных форм вирусной ДНК и РНК, напоминающий систему фаг-бактерия. Эти сведения позволяют с более широких позиций подойти к ответу на вопрос: "Где прячется вирус СПИД?", обсуждаемый в одноименной заметке нобелевского лауреата Говарда Темина (Temin, Bolognesi, 1993). С помощью ПЦР показано, что значительная часть клеток лимфоидных узелков у носителей ВИЧ-инфекции инфицирована латентно, то есть несет ДНК вируса, но не образует вирусной РНК и белков.

Интегрированный в геном клетки провирус может быть в нормальном или дефектном состоянии. В первом случае сохраняется потенциальная способность к образованию РНК, вирионов и к инфекционности. Во втором случае вирус СПИД, либо облигатно интегрируется в геном как латентный "молчащий" провирус, либо образует нефункциональные РНК и белки. Эти соображения имеют важное прикладное значение, ибо латентно инфицированные вирусом клетки будут устойчивы к противовирусным препаратам, таким, например, как ингибиторы обратной транскриптазы.

Отсюда следует, что продуманная система мер борьбы против ретровирусов типа ВИЧ должна вестись в рамках представлений внутриклеточной популяционной генетики. Необходим количественный анализ разных тканей и в разные сроки после начала инфекции с целью определить долю клеток с нормальными или дефектными провирусами, клеток, содержащих ранние и поздние вирусные РНК, и общий пул свободных вирусных частиц. Только такие комплексные знания дадут возможность успешного контроля за вирусной инфекцией (Temin, Bolognesi, 1993).

Вирусы и вирусные нуклеиновые кислоты обладают мощным и специфическим мутагенным действием. Они вызывают вспышки нестабильных мутаций за счет активации собственных для вида-хозяина мобильных элементов. При этом каждый вид вирусных нуклеиновых кислот имеет свою специфику: активирует определенные МГЭ и вызывает нестабильные мутации преимущественно в определенном наборе локусов-мишеней. Данные выводы были получены в многолетних генетических опытах С. М. Гершензона и его коллег и затем были подтверждены на молекулярном уровне (Gazaryan, et al., 1987). Возникновение нестабильных мутаций нередко наблюдается в ряду поколений после вирусного воздействия.

Эти исследования имеют чрезвычайно важные биомедицинские следствия: "Если принять во внимание, сколь универсально распространены вирусы в окружающей человека среде, и как часто он сталкивается с ними, например, когда болеет насморком, гриппом, корью, когда ему делают разные профилактические прививки, когда вирусные препараты применяют для борьбы с вредными насекомыми и т. п., приходится признать, что мутагенность вирусов представляет весьма серьезную проблему, требующую тщательного изучения" (Гершензон, Александров, Малюта, 1975). Отсюда, в частности вытекает необходимость заменить применяемые при иммунизации ослабленные вирусные вакцины на чисто белковые препараты.

7.2. Наследственные изменения и онтогенез

Наследственная система особенно чувствительна к возникновению вариационных и эпигенетических изменений на самых ранних этапах развития индивида. В связи с этим возникает вопрос, какой момент онтогенеза у млекопитающих, к которым относится человек, можно считать началом развития особи. С эмбриолого-генетической точки зрения начало развития следует относить не к моменту оплодотворения и образованию зиготы, а включить в него весь оогенез, протекающий у самок предшествующего поколения (Светлов, 1968; Хесин, 1984; Рафф, Кофмэн, 1986).

П. Г. Светлов предложил у организмов с половым размножением особо выделять проэмбриональный период, который начинается со стадии формирования половых клеток и заканчивается оплодотворением При образовании яйцеклетки, наряду с мейозом, происходит детерминация хода развития будущей особи: морфологических осей, типа симметрии, кортикального слоя цитоплазмы и обособление ее участков, соответствующих будущим органам. По словам П. Г. Светлова, "в ооците имеется как бы каркас, отражающий наиболее общие черты архитектоники строящегося организма". Этот вывод подтвержден с открытием генов гомеобокса, материнская активность которых уже на уровне яйцеклетки определяет будущую архитектонику особи.

После оплодотворения во внутриутробном развитии плода выделяют три этапа-(Шабалов, 1995): бластогенез — первые две недели после оплодотворения; эмбриогенез — с момента имплантации бластоцисты до сформирования плаценты, с 16-ого до 75-ый день; фетогенез — с 12-ой недели внутриутробной жизни до родов (с 76-ого по 280-ый день). Первичные половые клетки или гоноциты обнаруживаются уже в конце бластогенеза, а их детерминация происходит еще раньше. Таким образом, условия, в которых происходила беременность у бабушки, могут влиять на возникновение и проявление наследственных изменений у внучатого потомства!

Это обстоятельство экспериментально было доказано в модельных опытах П. Г. Светлова на мышах при исследовании характера выражения мутации микрофтальмии. Материнское влияние через цитоплазму яйцеклетки испытывает множество наследуемых признаков. Через цитоплазму экстрахромосомно могут наследоваться в потомстве изменения в проявлении и выражении разных генов, вызванные однократным внешним воздействием (раздел 5.2.2). Сходное наследственное изменение свойств цитоплазмы происходит под действием некоторых хромосомных генов, как это изучено для ситуации гибридного дисгенеза. Некоторые механизмы такого рода наследуемых по материнской линии изменений могут быть основаны на "внутриклеточной популяционной генетике" (Хесин Р. Б., 1984), например, на различиях в соотношении разного рода автономных и полуавтономных цитоплазменных элементов, органелл, плазмид, регуляторных нуклеопротеидных комплексов и белков.

Зигота на стадии двух пронуклеусов и первых делений имеет ослабленный "геномный иммунитет", она становится как бы промискуитетной для включения в геном чужеродных ДНК-носителей. В этот же период, видимо, с повышенной частотой происходит активация мобильных элементов и возникают инсерционные нестабильные мутации. Они возникают пучками еще на стадии стволовых клеток, приводя к гонадно-соматическому мозаицизму (Green, 1967; Golubovsky, Ivanov, Green, 1977; Golubovsky, 1980; Голубовский, 1985; Герасимова,. 1990).

Эти сведения важны для эпидемиологии мутационного процесса у человека, например, при оценке возможного увеличения частоты мутаций после вирусных пандемий. Вирусы и их нуклеиновые кислоты при попадании в клетку индуцируют инсерционные мутации. Можно ожидать, что при вирусной пандемии (например, эпидемии гриппа) частота соматических мутаций и разного рода аномалий развития повышена у лиц, родившихся в год или спустя год пандемии. Оценку же частоты генеративных мутаций (в гаметах) следует проводить уже во внучатом поколении. Это соображение вошло в учебник неонаталогии (Шабалов, 1995).