Някои инфекции си струва да запомните: Просто попитайте ДНК.
Около осем процента от човешкия геном всъщност е с вирусен произход - изкопаеми данни за отминали заболявания. Но по-голямата част от тези вирусни реликви са се влошили преди да нанесат някакви щети: По някакъв начин в течение на хилядолетия бившите патогени се разпадат в трайно състояние на покой, оставяйки само генетични белези. Днес в списанието PNAS учените разкриват някои от тайните, стоящи зад този мистериозен преход, с помощта на един от най-обичаните сумчарки в Австралия.
Близките срещи от вирусен вид обикновено са временни. Вирусите влизат в органи като наематели, а не собственици на жилища, които възнамеряват просто да се репликират и разпространяват към други домакини. Но за определен клас вируси, наречени ретровируси, временният лизинг често може да се превърне в постоянно съжителство. Когато ретровирусите нахлуват в клетките, те вкарват своята ДНК в нашата, което позволява новите ретровирусни маршови нареждания да се изпълняват заедно с репертоара на работното място в клетката. Ако ретровирусът се случи на сперма или яйцеклетка, генетичните му инструкции могат да продължат да инфилтрират ембрион, който ще пренася вирусни резервоари във всяка от клетките му. Това позволява да се предаде сега "ендогенен" ретровирус, създавайки генетична линия, която е малко по-вирусна от преди.
В ранните поколения вирусът може да остане непокътнат, за да се събуди от спящ режим и да се зарази отново. Но докато ретровирусите са нарушили човешкия геном поне 30 или 40 пъти, повечето от тези вирусни бродници се вмъкнаха в нашите гени преди поне 5 милиона години - и мутациите, които претърпяха оттогава, ги направиха безобидни.
Тъй като мина толкова време, откакто се справихме с нова ретровирусна инвазия, няма начин учените да наблюдават как нашите геноми се примиряват с нови атаки.
Ключът към разгадаването на част от загадката, оказва се, е размита, сива и спи до 18 часа на ден. Всички проучени досега геноми на гръбначни животни са обградени с ретровирусни останки и коалата не е изключение. Единствената разлика? За разлика от повечето други животни, коалите в момента са въвлечени във война с един от тези нарушители - умело наречения ретровирус на коала - което дава на учените рядка възможност да проследяват ретровирусна асимилация в реално време.
„Това наистина е първата ни и единствена възможност да се справим с този процес… тъй като ретровирусът все още [се пренася в] домакина“, обяснява първият автор Улрике Льобер, изследовател от Института за изследване на зоопаркове и диви животни в Берлин в Лайбниц.
Изглежда, че ретровирусът на Коала е сравнително млад вирус - нещо, което навлезе в населението през последните 50 000 години - и продължава да бъде важен противник на тези сумчави. Подобно на отдалечения си относителен ХИВ, ретровирусът на коала изглежда намалява способността на своя домакин да се бори с инфекциите, което потенциално допринася за изключителната уязвимост на коалите към болести, предавани по полов път, като хламидия. За да се влошат нещата, ретровирусът на коала е свързан с развитието на няколко ракови заболявания, връзка, която може да се отнася и за ендогенните ретровируси при хората.
Въпреки тези недостатъци, коалите живеят с този ретровирус от хиляди години. Нещо трябваше да неутрализира атаките - но за да разберат този процес, учените трябваше да знаят къде кацат тези вируси и как се променят с течение на времето.
С помощта на учените, които публикуваха пълната последователност на генома на коала този юли, екип, ръководен от Алекс Гринууд, професор по болести по дивата природа, който ръководи работата на Льобер в Института Лайбниц, и Алфред Рока, професор по генетика и изследвания на дивата природа в университета в Илинойс, най-накрая успя да очертае точките за влизане на ретровирус на коала. Геномът на коала позволи изграждането на цялостна ретровирусна картография, което дава на изследователите ориентир, с който да се определи ретровирусът на коала в генома.
"Наличието на [пълен геном] на коалата ни даде съвсем различна картина къде се намират [тези ретровируси]", казва Джени Грейвс, професор, изучаващ генетиката, екологията и еволюцията в университета La Trobe, който не е свързан с работата. "Не е възможно да се направи това по друг начин."
Първо изследователите изкопаха геномите на две несвързани коали за доказателства за вирусни остатъци - включително все още активни варианти на ретровирус на коала и копия, които вече са били опитомени в послушание. Те бяха изненадани да намерят фрагменти от ретровируса на коала, сгушен с парчета от друг ретровирус, наречен PhER - ветеран, жител на генома на коала, който е пуснал корени отдавна. PHER вероятно някога е бил ретровирусен интерлопер, но отдавна е изпаднал в състояние на лошо състояние. Когато екипът изследва хибридните последователности на ретровирус на ретровирус на коала - по същество счупени версии на ретровирус на коала - те разбраха, че PhER е нахлул и деактивирал ретровирус на коала чрез смяна на вирулентните гени на коала на ретровирус за собствена нежелана последователност в процес, наречен рекомбинация.
Въпреки че не е свързан с ретровирус на коала, PhER има достатъчно прилика, за да позволи това явление. Генетичният превключвател замени ключовите сегменти на ретровируса на коала с инертен удвояване на тялото, ефективно неутрализирайки арсенала на ретровируса на коала и фиксирайки го на място. Всичко, което изисква рекомбинация, е две еднакви „странични“ от двете страни на участък от ДНК: Докато новият сегмент има правилни връзки, смъртоносно ръководство за инструкции може да бъде заменено с манифест на глупости.
Последователността на пълния геном на коала позволи на учените да проучат как ретровирусът на коала навлиза в този вид в реално време. (PublicDomainPictures) В действителност, PhER, древен ретровирусен елемент, действаше като геномна стража срещу нови нашественици като ретровирус на коала. Когато самата PhER е нападнала генома на коала преди милиони години, той се е заседнал - което дава на този вирус сега запазен интерес да защити своя гостоприемник от болести: Ако коалата умре, така и PHER.
И така, възприемайки отношението „ако не можеш да ги победиш, присъедини се към тях“, PhER премина от злонамерен злодей в лоялен подножник. „Когато гостоприемният и вирусният геном станат едно цяло, те трябва да се научат да се разбират помежду си“, обяснява Рока. „Сякаш тези стари вируси казват на нови вируси:„ Това е наша територия, не се забърквайте с нея “.
Но този велик акт на амнистия от страна на PhER може също да има последни мотиви. Препоръчането с ретровирус на коала не е само начин да се ограничи конкуренцията - това е възможност за PHER да отвлече някои много желани машини. Когато PhER замества оръжията на ретровирус на коала със собствени безобидни наследства, PhER има шанса да дръпне самите инструменти, които биха могли да го избият от геномния затвор - и да остави повреден ретровирус на коала да изгние на мястото му.
„Този процес е лош за ретровирус на коала, тъй като той става по-малко от вирус, но е добър за PHER, оригиналния ендогенен ретровирус, защото го позволява да се размножава“, казва Гринууд.
Малко вероятно е PhER да се появи от кръстосания огън като напълно развит инфекциозен вирус: Той е прекалено дълго време изчезващ в генома. Осакатяването на нов ретровирус може да даде шанс на PhER да хвърли оковите си - но най-тежките последици се поддържат от самия ретровирус на коала. Лебер подозира, че наблюдаваме бавното опитомяване на този патоген.
Всъщност, рекомбинацията изглежда критична за инактивирането на ретровируса на коала. Когато изследователите претърсиха геномите на 166 коали, разпространени в цяла Австралия, те откриха, че отделни коали носят счупени копия на ретровирус на коала на много различни места в геномите си. Ретровирусът на Коала активно се разпространяваше сред популацията на коала - но отново и отново ФЕР повдигаше хакове, докато опонентът не загуби крака. Голямото разпространение на ретровирусното разоръжаване на коала показва, че рекомбинацията с PhER е нетен положителен за вида коала.
Не всички интеграции обаче са създадени равни. Според Мария Токуяма, докторантурна изследователка, която изучава ендогенни ретровируси в Йейлския университет, тъй като ретровирусът на коала е разположен в толкова много аванпости в генома, някои вероятно ще бъдат по-изгодни от други. „В крайна сметка това може да повлияе на оцеляването на определени групи пред останалите“, обяснява Токуяма, който не е участвал в изследването.
Според Гринууд и Рока, след стотици хиляди години, вирулентните версии на ретровируса на коала вероятно ще изчезнат от населението, докато не останат само спомени от нейното заразно минало. Когато това се случи, очуканите автостопове, които остават - тези, разположени на места, най-малко пагубни за техните домакини - ще бъдат еднакви във всички коали, като древните ендогенни ретровируси при хората.
Разбира се, рекомбинацията не може да бъде единственият начин ретровирусите да колонизират геном. Първите прониквания например не можеха да разчитат на предишни жители. Клетъчната машина на гостоприемника може директно да изключи вирусна ДНК; или, ако вирусът направи грешка по време на собственото си възпроизвеждане, той може случайно да се окаже на мястото си. Гръбначните геноми са разпръснати с десетки от тези геномни гробове, всеки от които отбелязва различна древна инвазия на едновременен вирус.
В бъдещата си работа учените ще проследят как ретровирусът на коала продължава да се вгражда в генома чрез секвениране на геномите на потомството на коала, които са наследили счупени копия на вируса. Освен това екипът планира да продължи да тества връзките между ретровирус на коала, рак и потискане на имунитета с надеждата да запази намаляващите общности на уязвимата коала.
Уила Хюстън, професор по микробиология в Университета за технологии в Сидни, който не е свързан с изследването, похвали работата като „вълнуваща“ и „висококачествена“ - наблюдението на „наистина красив научен експеримент“, естествено развиващ се сред природата. Хъстън, който изучава хламидия при коали, също подчертава значението на тези открития за бъдещето на коалите като цяло. „Следващият етап [в това изследване] е да разберем какво означава опазването на този вид“, казва тя.
Докато ретровирусът на коала е постигнал доста голям брой печалби на австралийски евкалипт, в края на тунела все още може да има светлина: Съединението на вируси и гръбначни понякога може да доведе до неочаквани ползи. Когато вирусите копаят петите си, геномът-домакин понякога може да се възползва от изисканите трикове на техните врагове в търговията. Например при други бозайници образуването на плацентата кооптира ретровирусен протеин. Без това хора, каквито ги познаваме днес, просто нямаше да съществуват. Може би защитната стратегия на PhER е предвестник на бъдещи времена, когато ретровирусът на коала може също да се радва на по-малко антагонистични (или дори изгодни) отношения с неговите собственици на коала. В бъдещите поколения, коалите все още могат да превърнат таблиците в един от най-страхотните си врагове.
