В конце сентября в лентах прошла новость из Корнеллского университета: в геноме вируса контагиозного моллюска нашли человеческий ген BC200. Контагиозный моллюск — поксвирус, вызывающий неопасные кожные бородавки и способный заражать, насколько известно, исключительно клетки кожи. Новость выглядела бы рутинной, если бы у этого гена не обнаружилось двух свойств сразу: он работает в нейронах и при этом остаётся «прыгающим» — способен вырезать себя и встраиваться в новые места генома.
Прыгающие гены, они же транспозоны, — куски ДНК, которые копируют себя и расталкивают копии по хромосомам, ломая попадающиеся на пути нормальные гены. Барбара Макклинток обнаружила их в 1940-х годах; именная профессура, которую сегодня занимает один из авторов новой работы Седрик Фешотт, носит её имя. Обычно транспозон, приспособленный под полезную клеточную работу, теряет мобильность и превращается в обычный ген.
«Эволюция как-то не смогла распутать эти две вещи», — сказал Фешотт про BC200.
Зацепила меня не кража как таковая. Зацепило то, что это двустороннее движение: мы не только теряем гены в пользу вирусов, но и собираем из вирусного и транспозонного хлама собственные рабочие узлы. Прежде чем разбирать, что именно мы забрали, я поискал по архиву слова «транспозон», «прыгающий ген», «обратная транскриптаза»: тема не разбиралась ни разу. Такое случается нечасто, и за этим обычно стоит сюжет, который не лежит на поверхности.
Историю нашли в 2010 году, и почти случайно. Чэн Сунь, тогда постдок в объединённой лаборатории Фешотта и Эллен Притам, писал программу, которая искала человеческие транспозоны в вирусных геномах, и наткнулся на две вставки BC200 у контагиозного моллюска. Важность увидели сразу, но статью писать не стали. Проект возродился спустя полтора десятилетия, когда Сунь и Фешотт случайно встретились на конференции: аспирант Сунь по имени Пу Гао к тому времени раскопал старые файлы. «Не могу поверить, что нас не обошли», — прокомментировал Фешотт.
Хронология получилась аккуратная. Сам BC200 открыли в конце 1980-х как одну из самых обильных некодирующих РНК человеческих нейронов; он есть только у человека и близких приматов, а его предшественник был кооптирован из древнего транспозона у общего предка приматов примерно 40 миллионов лет назад. В геном вируса он попал дважды уже в человеческой истории, около 100 тысяч лет назад, причём вирус заражает только кожу — значит, прыжок, скорее всего, произошёл именно в клетках кожи.
Про функцию BC200 известно немного: предполагают, что он регулирует трансляцию нейронных матричных РНК. Зато известно про его поведение. Его находят в небольшом количестве в сперматозоидах и яйцеклетках, а значит, вставки могут наследоваться. Он ненормально экспрессируется при некоторых опухолях, повышен в мозге людей с болезнью Альцгеймера. И до сих пор это единственный известный человеческий элемент, который одновременно служит клетке и сохраняет способность прыгать.
Прецеденты для «кражи» тоже есть, хотя и редкие. В конце 1980-х в культуре клеток мотылька транспозон перепрыгнул в бакуловирус — это был первый ясный случай, когда мобильный элемент сбежал из генома хозяина в вирус. В 2007 году группа из Японии нашла транспозон, причём змеиный, внутри поксвируса грызуна. Новая работа отличается тем, кто именно прыгнул: не безымянный повтор, а работающий человеческий ген.
Наш адаптивный иммунитет держится на фокусе: фермент RAG1/RAG2 разрезает несколько сотен генетических сегментов и сшивает их в случайных сочетаниях, из-за чего из конечного набора кусков получаются миллионы вариантов антител и рецепторов. Реакция называется V(D)J-рекомбинацией, и без неё нет ни лимфоцитов, ни вакцин.
В 2005 году выяснилось, откуда взялся этот фермент. Ядро RAG1 (примерно 600 аминокислот) оказалось близким родственником транспозазы семейства Transib — белка, чья работа как раз и состоит в том, чтобы вставлять мобильный элемент в ДНК. Мало того: последовательности, по которым RAG узнаёт места разреза, произошли от концевых инвертированных повторов древнего Transib, а каталитическая триада DDE у них общая. Весь адаптивный иммунитет челюстноротых позвоночных — то есть наш с вами — вырос из транспозона около 500 миллионов лет назад.
Инструмент получили, но его пришлось обезвредить.
Спустя одиннадцать лет у ланцетника, примитивного морского хордового, нашли ProtoRAG — живой работающий транспозон ровно той конструкции, которую предсказывали: он сам вырезается, сам вставляется и сам заделывает за собой повреждение. Исследователи назвали его молекулярной живой ископаемой. А в 2019 году структуру ProtoRAG сняли на криоэлектронном микроскопе и насчитали две правки, отличающие нашу версию от транспозонной: аргинин в позиции 848 у RAG1 и кислый участок в RAG2. Вдвоём они подавляют самопроизвольные прыжки более чем в 1000 раз. Доместикация оказалась двухтактной операцией: включить режущую способность и выключить склонность разъезжаться по геному.
Иммунная система миногов и миксинов показывает, что решение не единственно возможное: лимфоциты и иммунная память у них есть, но рецепторы VLR собираются из лейциновых повторов через конверсию генов с участием цитозин-дезаминаз. Другой конструктор, тот же результат.
Ретровирус умеет вписывать ДНК-копию себя в геном хозяина. Если копия попала в половую клетку, она уходит в потомство как обычный ген, и такие окаменевшие провирусы называют эндогенными ретровирусами. До 10% генома млекопитающих — такие остатки.
Семейство HERV-W занесла в геном предка катарриновых обезьян инфекция возрастом 25–40 миллионов лет. Из всего семейства один локус, ERVWE1 на хромосоме 7q21.2, сохранил полноразмерный ген оболочки, причём сохранил под действием отбора, а не по недоразумению. Его белок, syncytin, сливает клетки трофобласта в единый синцитиальный слой на границе матери и плода — без этого слоя плаценты не бывает. Нокаут обоих мышиных syncytin, A и B, останавливает плацентацию и убивает эмбрион.
Выключатель у этого гена собран из того же материала. Экспрессией управляет бипартитный элемент: ретровирусный промотор в 5' LTR плюс участок длиной 436 пар оснований, где сидит трофобласт-специфичный энхансер из LTR семейства MaLR. Обе детали этого выключателя когда-то были чужой ДНК, только из разных семейств.
А теперь про срок годности: эти захваты не вечны. Syncytin-подобные гены подбирались независимо и многократно: у приматов, мюроидов, лепоридов, хищных, кавиид и овец, в интервале примерно от 10 до 85 миллионов лет назад, иногда сразу парами. А ген envV, пришедший в линию приматов больше 45 миллионов лет назад, до сих пор работает у мартышковых и потерял способность сливать клетки у человека. У ERVWE1 в той же ветви всё сломалось ещё раньше: у бабуина стоп-кодон в позиции 181, у макака сдвиг рамки в позиции 498. «Необходимые» гены, приобретённые случайно, имеют срок годности.
Полезно помнить и о первой ошибке в этой истории. Первым кандидатом на роль трофобластного слияния был другой ретровирус, ERV-3, и версия развалилась просто: нашлись люди, гомозиготные по инактивирующей мутации, — без этого белка они живы и здоровы. Вывод отозвали, гипотезу переписали.
Arc — ген, без которого не формируется долговременная память. В 2018 году выяснилось, что белок Arc ведёт себя как вирусный: собирается в вирусоподобные капсиды, то есть белковые оболочки, которыми вирусы упаковывают свой геном, пакует внутрь РНК, выходит из нейрона в пузырьке и передаёт собственную матричную РНК в соседнюю клетку, где она транслируется в зависимости от активности клетки. По происхождению это бывший ген структурного белка Gag ретротранспозонов линии Ty3/gypsy — той же, что дала начало ретровирусам.
У дрозофилы гомолог dArc1 проделывает то же самое на нервно-мышечном синапсе, только происходит от другой линии ретротранспозонов. Один и тот же трюк — доставка информации между клетками через капсид — эволюция придумала дважды и оба раза за счёт мобильных элементов.
MER41 — семейство эндогенных ретровирусов, встречающееся только у приматов. В 2010 году обнаружился странный эффект: примерно 5% сигнала в данных о связывании фактора STAT1 приходилось на эти повторы. Интерфероновый ответ клетки, главная линия защиты от вирусной инфекции, частично «нажимался» через вирусные последовательности.
Через шесть лет это подтвердили напрямую и расширили: разные линии эндогенных ретровирусов независимо разбросали по геномам млекопитающих участки, включающие гены интерферонового ответа. Когда у человеческих клеток удалили часть таких элементов, соседние гены перестали нормально включаться, включая активацию инфламмасомы AIM2 — одного из сенсоров чужой ДНК. Воюя с вирусами, мы дёргаем за вирусные выключатели.
И след тянется дальше иммунитета. В 2019 году группа исследователей показала, что промоторы генов, связанных с интеллектуальными нарушениями, обогащены LTR именно MER41 — это выделяется среди более чем 130 проверенных семейств HERV, и там же сидят сайты связывания иммунных факторов транскрипции STAT1, NFKB1 и STAT3. Для генов аутизма и шизофрении такого обогащения не нашли. Никакой готовой морали из этого не следует, но заготовка видна: те же регуляторные площадки работают и в иммунитете, и в развитии мозга.
Теперь про пропорции, потому что здесь легко сбить читателя громкой цифрой. По оценкам 2001 года, около 45% человеческой ДНК происходит от транспозонов, и примерно 8% — последовательности, напоминающие инфекционные ретровирусы. Упрощение «половина тебя — это вирусы» неверно дважды: ретровирусы составляют лишь часть мобильных элементов, а большинство копий успели накопить мутации. Полных провирусов с целыми генами gag, pol и env в геноме нашлось всего три, и у одного из них мутация в домене обратной транскриптазы.
Самый молодой из семейств, HERV-K(HML-2), активен последние примерно 5 миллионов лет и замешан в опухолях герминативных клеток. Но по поводу связей HERV с болезнями обзор того же 2001 года осторожен до скуки: прямых доказательств мало, а высокая экспрессия повторов при раке и аутоиммунных состояниях сама по себе ещё ничего не доказывает — в таких случаях включаются десятки семейств сразу, и найти виновника трудно.
Скорость вставок измеряли двумя способами, и результаты разошлись. Прямой подсчёт по 33 трёхпоколенным родословным (599 человек, 437 рождений) дал одну новую вставку Alu на 40 рождений, L1 — на 63, SVA — тоже на 63 при прежней оценке 1 к 900; у Alu нашёлся статистически значимый перевес по отцовской линии. Широкое исследование нарушений развития (9738 семей) дало около одной новой вставки на 12–14 рождений по всем классам сразу. Филогенетические оценки, на которых держались старые цифры, оказались примерно вдвое выше прямых измерений — обычная история для оценок, полученных разными методами.
Цена аренды выглядит так. В геноме каждого из нас примерно 1200 полиморфных мобильных вставок, три четверти — Alu. Около одной вставки на геном попадает прямо в белок-кодирующую последовательность, и это примерно 0,6% всех вариантов, обрывающих белок, в личном геноме. Описано около 130 патогенных вставок; на 9738 семей с тяжёлыми нарушениями развития нашлось девять новых, из них четыре угодили в гены, уже известные по таким диагнозам. Каждый 2434-й случай нарушений развития в этой выборке объясняется такой вставкой. Alu занимает около 11% генома и больше миллиона копий, и на него приходится порядка 0,3% генетических болезней — в том числе через крупные перестройки при слиянии повторов.
Совсем недавний пример того, как это выглядит в клинике: семейный синдром Марфана из-за вставки Alu в ген FBN1. Вставку не увидели при первом секвенировании — её нашло уже следующее поколение методов. Диагноз в этой семье больше десяти лет упирался в элемент, который прежняя техника просто не умела разглядеть.
А BC200 в этой картине — не сенсация, а уточнение пропорций. Ген работает в нейронах человека и продолжает прыгать; вирус держит две его копии уже сто тысяч лет и, возможно, распоряжается ими в своих интересах. Проверить это предстоит отдельной работе: интересно, прыгает ли BC200 в клетках опухолей и не с этим ли связан его повышенный уровень в мозге при Альцгеймере.