Ретровирус довольно сложно устроен и ведет себя почти как живой организм. Тем не менее ретровирусы – не самостоятельные живые существа, а причудливый результат эгоистической эволюции отдельных фрагментов генома настоящих живых организмов. Изображение с сайта http://www.genciencia.com

Ретровирусы могли произойти от ретротранспозонов – подвижных участков генома эукариот – в результате приобретения одного дополнительного гена, env, обеспечивающего способность вируса проникать внутрь эукариотической клетки. Ген env мог быть заимствован ретротранспозонами у ДНК-содержащих (не «ретро-») вирусов, а те, в свою очередь, заимствовали его у хозяев – эукариотических организмов.

Ближайшими родственниками ретровирусов , к числу которых относится вирус ВИЧ, являются ретротранспозоны – мобильные генетические элементы, широко распространенные в геномах эукариот. В отличие от ретровирусов, ретротранспозоны передаются от клетки к клетке только «по наследству», то есть вертикально. Они могут перемещаться и размножаться внутри хозяйского генома, но не могут передаваться горизонтально от клетки к клетке или от организма к организму. Иными словами, у них нет свойства, называемого «инфекционностью».

Вместе с тем ретровирусы, встроившиеся в геном хозяина, и ретротранспозоны очень похожи друг на друга. Те и другие представляют собой фрагменты ДНК, содержащие более или менее стандартный комплект генов, необходимых для собственного копирования и встраивания в хозяйскую ДНК. Гены эти в большинстве своем сходны у ретровирусов и ретротранспозонов. Обе разновидности «ретроэлементов» размножаются при помощи обратной транскрипции , т.е. переписывания информации с РНК на ДНК.

Родство ретровирусов и ретротранспозонов не вызывает никакого сомнения, однако вопрос о том, кто из них появился раньше и кто от кого произошел, остается открытым. Большинство специалистов склоняется к тому, что первыми появились ретротранспозоны. Они проще устроены, и самые простые из них вполне могли «самозародиться» в геномах примитивных организмов в результате случайных мутаций. По-видимому, это произошло еще на уровне прокариот (бактерий). Долгое время считалось, что ретроэлементы характерны только для эукариот, однако потом удалось и у бактерий обнаружить примитивные ретроэлементы (ретроны, ретроинтроны, ретроплазмиды). Обзор современных данных о происхождении и эволюции ретроэлементов см. в статье: Jef D. Boeke, 2003. The Unusual Phylogenetic Distribution of Retrotransposons: A Hypothesis // Genome Res. 13:1975-1983. Другим аргументом в пользу первичности ретротранспозонов является то, что они более многочисленны и распространены гораздо шире, чем ретровирусы, которые в основном приурочены лишь к позвоночным животным.

Стало быть, ретровирусы, скорее всего, являются результатом некоторого усложнения или, если угодно, «совершенствования» ретротранспозонов. В дальнейшем, конечно, могли происходить и обратные процессы – ведь ретровирус сравнительно легко может снова превратиться в ретротранспозон, если потеряет инфекционность в результате какой-нибудь мутации.

Сотрудники кафедры генетики биологического факультета МГУ Л. Н. Нефедова и А. И. Ким детально изучили строение разнообразных ретроэлементов, имеющихся в геноме дрозофилы, чтобы понять, каким путем ретротранспозоны могли превратиться в ретровирусы. В основе исследования лежал сравнительный анализ нуклеотидных и аминокислотных последовательностей генов и белков различных ретроэлементов, а также их хозяев.

Наиболее вероятный путь эволюции ретроэлементов выглядит следующим образом. По-видимому, началось все с обратной транскриптазы – фермента, синтезирующего молекулы ДНК на матрице РНК (этот процесс называется обратной транскрипцией). Обратная транскриптаза – очень древний фермент. Возможно, он сыграл ключевую роль при переходе от РНК-мира к привычному нам ДНК-миру.

Простейший из теоретически возможных ретроэлементов (нечто подобное встречается у бактерий) – это ген такой обратной транскриптазы, которая способна синтезировать молекулу ДНК на матрице своей собственной РНК. Работает все это так. Сначала хозяйская клетка «считывает» ген обратной транскриптазы, то есть осуществляет его транскрипцию (синтез РНК на матрице ДНК). Затем на матрице РНК синтезируется белок – сама обратная транскриптаза. Этот этап тоже выполняется хозяйской клеткой. Обратная транскриптаза затем находит «свою» РНК и на ее основе путем обратной транскрипции синтезирует ДНК. В результате получается копия исходного гена, с которого все и началось.

Тут, правда, есть еще один нюанс. Синтезированная путем обратной транскрипции ДНК ретроэлемента должна быть встроена в хозяйский геном. Для этого хромосому хозяина нужно разорвать, и синтезировать ДНК ретроэлемента как продолжение одного из образовавшихся свободных концов хозяйской ДНК.

Изначально с этой дополнительной работой – разрыванием хозяйской ДНК – справлялась, по-видимому, сама обратная транскриптаза. Но в дальнейшем ретроэлементы обзавелись дополнительным (вторым по счету) геном, который кодирует специальный белок, приспособленный именно для этой функции – эндонуклеазу. Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие ДНК в определенных местах – есть практически у всех организмов, и ретроэлементам не составило труда заимствовать их у хозяев.

Такие простейшие ретротранспозоны, содержащие всего два гена – обратной транскриптазы и эндонуклеазы – реально существуют у дрозофилы.

Следующий этап усложнения ретротранспозонов был связан с тем, что эндонуклеаза была модифицирована и превратилась в интегразу – фермент с несколько иной функцией. Интеграза осуществляет встраивание уже готовой ДНК ретроэлемента в хозяйский геном. В результате весь механизм размножения ретроэлемента меняется. Если раньше обратная транскрипция осуществлялась в ядре хозяйской клетки, и ДНК ретроэлемента с самого начала строилась как «продолжение» оборванной цепи хозяйской ДНК, то теперь обратная транскрипция стала осуществляться в цитоплазме. Готовая ДНК-копия ретроэлемента затем транспортируется из цитоплазмы в ядро, и здесь интеграза встраивает ее в хозяйский геном. Интегразы ретроэлементов дрозофилы способны, кроме того, вырезать из хозяйской ДНК свой ретроэлемент, что делает их похожими на транспозазы (см.: Растения заимствуют гены у «геномных паразитов» ).

Ближайшими родственниками ретровирусов , к числу которых относится вирус ВИЧ, являются ретротранспозоны – мобильные генетические элементы, широко распространенные в геномах эукариот. В отличие от ретровирусов, ретротранспозоны передаются от клетки к клетке только «по наследству», то есть вертикально. Они могут перемещаться и размножаться внутри хозяйского генома, но не могут передаваться горизонтально от клетки к клетке или от организма к организму. Иными словами, у них нет свойства, называемого «инфекционностью».

Вместе с тем ретровирусы, встроившиеся в геном хозяина, и ретротранспозоны очень похожи друг на друга. Те и другие представляют собой фрагменты ДНК, содержащие более или менее стандартный комплект генов, необходимых для собственного копирования и встраивания в хозяйскую ДНК. Гены эти в большинстве своем сходны у ретровирусов и ретротранспозонов. Обе разновидности «ретроэлементов» размножаются при помощи обратной транскрипции , т.е. переписывания информации с РНК на ДНК.

Родство ретровирусов и ретротранспозонов не вызывает никакого сомнения, однако вопрос о том, кто из них появился раньше и кто от кого произошел, остается открытым. Большинство специалистов склоняется к тому, что первыми появились ретротранспозоны. Они проще устроены, и самые простые из них вполне могли «самозародиться» в геномах примитивных организмов в результате случайных мутаций. По-видимому, это произошло еще на уровне прокариот (бактерий). Долгое время считалось, что ретроэлементы характерны только для эукариот, однако потом удалось и у бактерий обнаружить примитивные ретроэлементы (ретроны, ретроинтроны, ретроплазмиды). Обзор современных данных о происхождении и эволюции ретроэлементов см. в статье: Jef D. Boeke, 2003. The Unusual Phylogenetic Distribution of Retrotransposons: A Hypothesis // Genome Res. 13:1975-1983. Другим аргументом в пользу первичности ретротранспозонов является то, что они более многочисленны и распространены гораздо шире, чем ретровирусы, которые в основном приурочены лишь к позвоночным животным.

Стало быть, ретровирусы, скорее всего, являются результатом некоторого усложнения или, если угодно, «совершенствования» ретротранспозонов. В дальнейшем, конечно, могли происходить и обратные процессы – ведь ретровирус сравнительно легко может снова превратиться в ретротранспозон, если потеряет инфекционность в результате какой-нибудь мутации.

Сотрудники кафедры генетики биологического факультета МГУ Л. Н. Нефедова и А. И. Ким детально изучили строение разнообразных ретроэлементов, имеющихся в геноме дрозофилы, чтобы понять, каким путем ретротранспозоны могли превратиться в ретровирусы. В основе исследования лежал сравнительный анализ нуклеотидных и аминокислотных последовательностей генов и белков различных ретроэлементов, а также их хозяев.

Наиболее вероятный путь эволюции ретроэлементов выглядит следующим образом. По-видимому, началось все с обратной транскриптазы – фермента, синтезирующего молекулы ДНК на матрице РНК (этот процесс называется обратной транскрипцией). Обратная транскриптаза – очень древний фермент. Возможно, он сыграл ключевую роль при переходе от РНК-мира к привычному нам ДНК-миру.

Простейший из теоретически возможных ретроэлементов (нечто подобное встречается у бактерий) – это ген такой обратной транскриптазы, которая способна синтезировать молекулу ДНК на матрице своей собственной РНК. Работает все это так. Сначала хозяйская клетка «считывает» ген обратной транскриптазы, то есть осуществляет его транскрипцию (синтез РНК на матрице ДНК). Затем на матрице РНК синтезируется белок – сама обратная транскриптаза. Этот этап тоже выполняется хозяйской клеткой. Обратная транскриптаза затем находит «свою» РНК и на ее основе путем обратной транскрипции синтезирует ДНК. В результате получается копия исходного гена, с которого все и началось.

Тут, правда, есть еще один нюанс. Синтезированная путем обратной транскрипции ДНК ретроэлемента должна быть встроена в хозяйский геном. Для этого хромосому хозяина нужно разорвать, и синтезировать ДНК ретроэлемента как продолжение одного из образовавшихся свободных концов хозяйской ДНК.

Изначально с этой дополнительной работой – разрыванием хозяйской ДНК – справлялась, по-видимому, сама обратная транскриптаза. Но в дальнейшем ретроэлементы обзавелись дополнительным (вторым по счету) геном, который кодирует специальный белок, приспособленный именно для этой функции – эндонуклеазу. Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие ДНК в определенных местах – есть практически у всех организмов, и ретроэлементам не составило труда заимствовать их у хозяев.

Такие простейшие ретротранспозоны, содержащие всего два гена – обратной транскриптазы и эндонуклеазы – реально существуют у дрозофилы.

Следующий этап усложнения ретротранспозонов был связан с тем, что эндонуклеаза была модифицирована и превратилась в интегразу – фермент с несколько иной функцией. Интеграза осуществляет встраивание уже готовой ДНК ретроэлемента в хозяйский геном. В результате весь механизм размножения ретроэлемента меняется. Если раньше обратная транскрипция осуществлялась в ядре хозяйской клетки, и ДНК ретроэлемента с самого начала строилась как «продолжение» оборванной цепи хозяйской ДНК, то теперь обратная транскрипция стала осуществляться в цитоплазме. Готовая ДНК-копия ретроэлемента затем транспортируется из цитоплазмы в ядро, и здесь интеграза встраивает ее в хозяйский геном. Интегразы ретроэлементов дрозофилы способны, кроме того, вырезать из хозяйской ДНК свой ретроэлемент, что делает их похожими на транспозазы (см.: Растения заимствуют гены у «геномных паразитов»).