Филогенетические деревья вирус гриппа
| Главная ≫ Инфотека ≫ Биология ≫ Происхождение жизни ≫ Молекулярная эволюция // Ратнер В. А. |
|
Теория эволюции является одним из краеугольных камней биологии и естествознания в целом. В последние годы теория эволюции испытывала ускоренное изменение и развитие в связи с появлением в естественнонаучной практике нового мощного пласта экспериментальных данных и теоретических методов. В поле зрения теории эволюции попали кодирующие макромолекулы: ДНК, РНК и белки, составляющие костяк организации клеток и организмов. Теперь уже широко известна роль ДНК и РНК как материальных носителей генов, как переносчика генетической информации от генов к белкам и белков как исполнителей самых разнообразных биологических функций: ферментов — катализаторов процессов обмена, антител — иммунных защитников организма, структурных элементов, регуляторных и транспортных Первые последовательности аминокислот в белках были расшифрованы нуклеотидов в генах и РНК — но массовое секвенирование началось только став к настоящему времени рутинной технологической операцией. Результаты секвенирования с тех пор накапливаются в компьютерных банках данных. К осени 1997 года крупнейшие международные банки данных содержали сведения примерно об одном миллиарде секвенированных нуклеотидов генов и других и о более Легко понять, что расшифровка нуклеотидных последовательностей генов , РНК и аминокислотных последовательностей белков создаёт новую ситуацию, позволяющую взглянуть на процесс эволюции с молекулярного уровня организации жизни. Действительно, в классической генетике аллели генов принято обозначать однородными буквами или индексами: B и b, Если в процессе эволюции один аллель вытесняет другого , то кажется, что происходят как бы утрата предыдущего и распространение . В то же время в молекулярной генетике известно, что многие мутации состоят в замене лишь одного или нескольких нуклеотидов: Поэтому замена аллеля может сводиться фактически к замене и фиксации единственного нуклеотида, а остальная, большая часть гена остаётся неизменной. Сходство последовательностей аллельных генов остаётся максимальным. Чем больше накапливается различий, тем меньше сходство последовательностей. Чем раньше дивергировали два гена, тем больше фиксированных различий они накопят. Таким образом, сходство последовательностей макромолекул можно положить в основу построений. Число различий мономеров к нему может быть мерой эволюционной дивергенции. Обилие секвенированных последовательностей в банках данных делает применимость этого подхода практически неограниченной. В течение последних 30 лет были разработаны несколько десятков компьютерных методов и пакетов программ для построения филогенетических деревьев макромолекул и филогенетического анализа, при помощи которых были построены многие сотни филогенетических деревьев макромолекул. В результате их анализа получены многочисленные интереснейшие данные, причём некоторые из них имели фундаментальное значение. Многие макромолекулы эволюционировали гораздо медленнее, чем морфологические признаки живых форм, поэтому их филогенетический анализ позволяет заглянуть в очень ранние периоды эволюционного процесса млн лет тому . Кодирующие макромолекулы эволюционируют с разными скоростями. Наиболее консервативными обычно являются гены и белки некоторых очень глубоких и рано возникших генетических процессов, которые представлены у многих форм жизни. Таковы, например, гены рибосомных РНК в молекулярный механизм синтеза , некоторых гистонов — белков компактизации ДНК хромосом. Менее консервативны гены и белки систем, которые встречаются у определённых широких групп видов , глобины . Наконец, наиболее изменчивыми являются гены и белки вирусов, которые стремительно изменяются в борьбе с иммунной системой их хозяев гриппа, , онкогенные . Этот важный результат сразу привлёк внимание к изучению архебактерий, причём вскоре было показано, что по многим другим свойствам они действительно существенно удалены как от эукариот, так и от эубактерий. Многие архебактерии существуют в природе в весьма экзотических условиях: при высокой температуре вблизи подводных вулканов; в среде, насыщенной метаном, соединениями Время разделения надцарств Bacteria и Archaea оценивается примерно в 3,5 млрд лет назад. Дерево Вууза включает в себя фракции кодируемых не только ядерными генами, но и генами клеточных органелл — митохондрий и хлоропластов. Легко заметить, что ядерная фракция кукурузы попадает в ветвь эукариот, как и ожидается, а фракции из митохондрий и хлоропластов этой же кукурузы mitochondrion, в ветвь эубактерий. Этот факт считается самым веским аргументом в пользу симбиотической гипотезы эволюционного возникновения эукариот, согласно которой митохондрии происходят от симбиотических предковых пурпурных бактерий, а хлоропласты — от цианобактерий , а вовсе не от ядерных структур эукариотических клеток. Белки-глобины (гемоглобины крови, миоглобины и их гены распространены в живой природе не столь широко. Они найдены в основном у животных, некоторые удалённые их представители найдены также у растений, а у прокариот они пока не обнаружены. Поэтому глобины образуют молекулярное надсемейство, охватывающее лишь часть таксономического дерева жизни. Деревья эволюции глобинов и их генов были построены многими исследователями. На рис. 2 приведено филогенетическое дерево глобинов, построенное А. Жарких в нашей лаборатории. В целом оно достаточно хорошо соответствует принятой таксономии животных. Из независимых палеонтологических данных можно почерпнуть датировки эпох существования общих предков многих ныне живущих биологических форм. Так, в дереве глобинов датированы шесть точек ветвления. Поскольку методы реконструкции деревьев позволяют определить длины рёбер дерева фиксированных замен, на различных маршрутах, то с учётом датировок это даёт возможность подсчитать скорости эволюции на разных этапах и в разных ветвях дерева. Нами получены очень любопытные . оказалось, что средняя скорость эволюции по всему белку была непостоянна и имела максимум примерно лет назад, в эпоху выхода позвоночных животных из Мирового океана на сушу . эта особенность выявилась ещё ярче для тех участков глобинов, которые отвечают за образование их четвертичной , структуры. Дело в том, что миоглобины и гемоглобины некоторых примитивных животных до сих пор представляют собой протомеры субъединицы . Круглоротые рыбы , имеют димерные агрегаты гемоглобинов, а большинство других позвоночных — тетрамерные агрегаты, состоящие из двух и двух . Субъединицы соединяются при помощи так называемых центров контакта, которые обозначаются Для современных гемоглобинов известны аминокислоты, входящие в центры контакта. Поэтому можно подсчитать скорости эволюции непосредственно для центров контакта. Максимум скорости чётко выявляется для центра контакта и регуляторного центра связывания дифосфоглицерата . Таким образом, при выходе позвоночных животных на сушу их гемоглобин приобрёл тетрамерную структуру, когда разные связаны между собой центрами и регуляторным центром ДФГ. Прежде всего в эту эпоху ген общего предка гемоглобинов был дуплицирован, а его копии в ходе дивергенции дали начало двум родственным . Именно в ту эпоху мы видим максимальную скорость эволюции центров их контакта и регуляции, а затем в течение сотен миллионов лет скорость резко падала, часто до нуля, когда возникшие центры были просто неизменны. Иначе говоря, мы как бы видим события эпохи формирования новых функциональных структур молекул гемоглобина, которые в дальнейшем сохраняются у всех наземных форм позвоночных. Следует учесть, что выход позвоночных на сушу и переход к дыханию свободным кислородом воздуха сопровождались резкой перестройкой всей системы дыхания, и в том числе структуры гемоглобинов. Ускорение эволюции в эту эпоху означает, что указанные приобретения были высоко адаптивными, то есть обеспечивали существенное преимущество их обладателям. Примером дерева наиболее быстрой молекулярной эволюции является дерево генов, кодирующих гемагглютинины H3 вируса , построенное Л.В. Омельянчуком и сотрудниками. Это белок вирусного капсида, некоторые выпуклые участки которого узнаются специфическими антителами хозяина . В результате иммунное сопротивление хозяина препятствует размножению вируса. Вирус гриппа имеет в котором мутации происходят с наибольшей известной частотой — на позицию, за репликацию. В XX веке изучены несколько локальных эпидемий и пандемий гриппа. Одной из первых изученных была пандемия испанки . В дальнейшем были зафиксированы пандемии гонконгского В большинстве случаев образцы эпидемических штаммов вируса гриппа были собраны и сохранены в коллекциях. После 1978 года РНК этих эпидемических штаммов были секвенированы, а позже теоретиками построены филогенетические деревья. Поскольку все эпидемии были датированы , оказалось возможным определить скорости эволюции. В эпидемических ветвях они оказались выше, чем в неэпидемических, причём особенно большое ускорение было выявлено именно в позициях, кодирующих антигенные детерминанты белка. Иммунное сопротивление хозяина размножению вируса является главным селективным фактором, действующим на вирус. Поэтому выплеск эпидемического штамма, не встречающего иммунного сопротивления хозяина, сопровождается ускорением эволюции. Это размножение высоко адаптивно для вируса и неадаптивно Напротив, после выработки иммунного ответа спокойное размножение вируса становится для него и хозяина нейтральным — в ожидании новых адаптивных мутаций и рекомбинаций. В целом можно говорить о коэволюции вируса и иммунного ответа системы хозяина. Вирус стремится как бы мутационно выскользнуть готового иммунного ответа хозяина, а хозяин стремится догнать новые варианты вируса путём выработки нового специфичного иммунного ответа. Ещё один пример — эволюция вируса ВИЧ иммунодефицита человека, HIV в английской , вызывающего заболевание СПИД приобретённого иммунодефицита, в английской транскрипции . Вирус ВИЧ передаётся половым путём, а также нередко при переливании крови, нестерильных инъекциях и хирургических вмешательствах, при родах от матери к ребёнку и в других подобных ситуациях. Он был обнаружен в начале в крови больных, погибавших от различных тяжёлых заболеваний. Эти заболевания имели одно общее свойство — иммунная система больного была неспособна противостоять как этому вирусу, так и сопровождавшим возбудителям других заболеваний, от которых, собственно, больные и погибали. Были обследованы образцы из банков переливания крови, которые созданы во многих странах для медицинских целей. Оказалось, что многие образцы содержали вирус ВИЧ. Различные штаммы вируса ВИЧ, выделенные в разных районах Африки, Карибского бассейна и США, были секвенированы, для них теми же методами, что и выше, построены филогенетические деревья из них показано . Это дерево указывает, что вирус ВИЧ существовал в Центральной Африке до 1960 года, был занесён на Гаити до середины и в США до 1978 года. Иначе говоря, его истоки лежат в Африке, где в некоторых странах вирусоносители составляют до половины населения, хотя заболевание СПИД проявляется далеко не у всех. Видимо, размножение вируса всё же сдерживается их иммунной системой. Вирус ВИЧ сходен с некоторыми вирусами обезьян, поэтому многие учёные предполагают, что он возник в результате изменчивости этих вирусов и был занесён в популяцию человека извне относительно недавно. Интересно, что изменчивость вируса ВИЧ столь велика, что он успевает измениться в сторону усиления своей агрессивности непосредственно в ходе развития болезни СПИД у некоторых больных в течение и менее. Оценки изменчивости показывают, что она превышает верхний допустимый предел, в результате чего иммунная система больного не успевает справиться с выработкой новых вариантов антител и фактически распадается, открывая путь процессу заболевания СПИД и других болезней. Именно в этом, состоит источник агрессивности заболевания СПИД. Есть биологические проблемы, которые в большой степени и всегда интересуют человека и человечество. Среди них особое место занимает проблема происхождения эволюции самого человечества. В последние годы в этой области прогресс связан в основном с филогенетическим анализом макромолекул. Американский учёный М. Гудмен и сотрудники построили филогенетические деревья для некоторых генов и белков от высших приматов и человека. На рис. 6 приведено одно из них. Из него следует, что порядок последовательного ответвления видов от эволюционного ствола человека таков: макак резус — орангутан — горилла — шимпанзе — человек. Иначе говоря, наиболее близким к человеку является шимпанзе. Следует отметить, что до этих работ в таксономии высших приматов выделяли два семейства: Hominidae, включавшее только вид Homo sapiens, и Pongidae, включавшее гориллу, шимпанзе и орангутана. анализ существенно изменил эту классификацию. Гудмен и его сотрудники предложили новую таксономию высших приматов:
Род Homo , Род Pan : обычный шимпанзе и карликовый ,
Близость человека и шимпанзе дала основание Дж. Дайамонду назвать человека третьим шимпанзе. По его оценкам, геномы человека и шимпанзе различаются примерно одиночных замен , то есть на каждый сотый нуклеотид, но остальные 99 из 100 нуклеотидов у них одинаковы. Время их молекулярной дивергенции оценивается лет назад. Эти факты являются очень веским аргументом в пользу естественного происхождения человека в процессе филогенетического развития жизни на Земле в противовес различным религиозным мифам о разовом творении тому назад. В заключение можно отметить, что молекулярный филогенетический анализ становится сейчас одним из весомых методов таксономии живых форм. Таксономия высших приматов сейчас больше базируется на молекулярных данных, чем других. В систематике наивысших таксонов, систематике высших растений решающую роль играют деревья рибосомных РНК. Таксономию бактерий вообще невозможно построить без молекулярных данных. Можно надеяться, что в дальнейшем роль этого подхода только возрастёт.
2.Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику. . 3.Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М.: Мир, 4.Кимура М. Молекулярная эволюция: Теория нейтральности. 5.Ратнер В.А., Жарких А.А., Колчанов И.А. и др. Проблемы теории молекулярной эволюции. Новосибирск: Наука, 1985. 6.Ратнер В.А. Краткий очерк теории молекулярной эволюции. Новосибирск: НГУ, 1992. 7.Ratner V.A., Zharkikh A.A., Kolchanov N.A. et al. Molecular Evolution. B. etc.: , 1996. Об авторе:
Георгий Александрович Базыкин — кандидат биологических наук, заведующий сектором молекулярной эволюции в Институте проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории эволюционной геномики факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М. В. Ломоносова. Занимается изучением различных вопросов биологической эволюции с использованием методов геномики и биоинформатики.
Юрий Эдуардович Стефанов — кандидат биологических наук, научный сотрудник Института молекулярной биологии РАН им. В. А. Энгельгарта и научный консультант студии научного дизайна Visual Science. Область научных интересов — эволюция мобильных генетических элементов, трехмерное компьютерное моделирование вирусных частиц. В общественном сознании закрепилось довольно легкомысленное отношение к гриппу. Действительно, зачастую его симптомы не тяжелее простудных, да и беспокоит он нас не дольше недели, причем проходит обычно без всякого лечения. Однако история взаимодействий человека и вируса гриппа требует более серьезного подхода к этому патогену. Достаточно вспомнить, что одни из самых страшных пандемий прошлого века были вызваны этим вирусом * . Да и обычный сезонный грипп далеко не безвреден: по оценкам Всемирной организации здравоохранения, ежегодно от него и связанных с ним осложнений умирают сотни тысяч человек (в первую очередь, пожилые люди, младенцы и страдающие хроническими заболеваниями), а в годы тяжелых пандемий — миллионы. По числу унесенных жизней среди инфекционных заболеваний грипп уступает, пожалуй, только ВИЧ. Основная проблема профилактики и лечения гриппа связана с тем, что вирус очень быстро меняется, и каждый год мы имеем дело с его новыми формами, поведение которых далеко не всегда можно предсказать. Очередным шагом на пути к пониманию изменчивости вируса гриппа стал компьютерный анализ последовательностей аминокислот в белках вируса и нуклеотидов в его геноме.
Первая в мире полная достоверная модель вируса гриппа A/H1N1 с атомным разрешением, созданная в рамках проекта Viral Park компании Visual Science при участии Национального центра биотехнологии в Мадриде. Цель проекта — построение научно достоверных 3D-моделей распространенных вирусов человека с максимальной детализацией. Специалисты Visual Science собирают воедино данные огромного количества работ по молекулярной биологии, вирусологии и кристаллографии вирусов, мнения экспертов ведущих научных центров мира и результаты молекулярного моделирования, полученные научным отделом компании. Модель в значительной степени построена на основе данных, опубликованных исследовательскими коллективами под руководством: Хуана Ортина (Испанский национальный центр биотехнологий, Мадрид, Испания), Такеши Нода (Университет Токио, Япония), Роба Ригро (Отдел взаимодействий вируса и клетки, Гренобль, Франция) и Питера Розенталя (Национальный институт медицинских исследований, Лондон, Великобритания). Точное строение генома вируса гриппа удалось смоделировать благодаря сотрудничеству с Хайме Мартин-Бенито (Испанский национальный центр биотехнологий, Мадрид, Испания), группа которого добилась уникальных результатов в описании упаковки вирусного генетического материала. Создатели модели: Иван Константинов (руководитель проекта), Юрий Стефанов (научный консультант), Анастасия Бакулина (ведущий молекулярный моделлер), Дмитрий Щербинин (молекулярный моделлер), Александр Ковалевский (3D-моделлер) Сегментированный геномОбщая длина генома вируса гриппа составляет приблизительно 13 500 нуклеотидов [2]. Три самых крупных (примерно по 2300 нуклеотидов) его сегмента (PA, PB1 и PB2) кодируют вирусную полимеразу — белок, копирующий РНК и состоящий из трех крупных субъединиц. Четвертый по длине (около 1750 нуклеотидов) сегмент (HA) отвечает за синтез гемагглютинина. Этот белок заякорен в липидной оболочке вируса и отвечает за его проникновение в клетку, связываясь с рецептором на поверхности клеточной мембраны [3]. В зависимости от того, какой именно вариант гемагглютинина несет вирус, связывание может быть более или менее крепким. После этого клетка поглощает вирус, помещая его в мембранный пузырек внутри цитоплазмы. Большинство макромолекулярных комплексов, поглощаемых таким образом, перевариваются клеткой. Однако вирус избегает этой участи: его мембрана сливается с мембраной пузырька, в результате чего ее содержимое оказывается в цитоплазме. В этом процессе гемагглютинин также играет важную роль. Затем геном вируса проникает в ядро, где с него может начать считываться информация. Сегмент размером около 1550 нуклеотидов (NP) кодирует нуклеопротеин — белок, необходимый вирусу для упаковки РНК. Множество копий такого белка распределяется по каждому из геномных сегментов, связываясь с молекулой нуклеиновой кислоты. В результате фрагменты генома образуют нуклеопротеидные тяжи, сложенные пополам и закрученные в спираль, к каждому из которых прикрепляется своя копия полимеразного комплекса [4]. Сегмент M1/M2 длиной 1000 нуклеотидов, в соответствии со своим названием, кодирует сразу два белка — М1 и М2. Из молекул первого из них образован слой (матрикс), подстилающий вирусную липидную оболочку. Обычно М1 играет ключевую роль в формировании вирусных частиц, поскольку он взаимодействует одновременно с поверхностными белками вируса и внутренними компонентами вирусной частицы. Задача матриксного белка — собрать все составляющие воедино [6]. Белок М2 выполняет роль ионного канала. Он расположен в липидной оболочке вируса и способствует его распаковке в цитоплазме клетки [7]. Последний, самый короткий (из 865 нуклеотидов) сегмент РНК вируса гриппа отвечает за синтез двух белков, которые не попадают в зрелую вирусную частицу. Эти белки называются NS1 и NEP. Первый необходим вирусу, в частности, для того, чтобы блокировать считывание информации с клеточных молекул РНК [8]. Благодаря ему клетке приходится синтезировать преимущественно вирусные белки, оставляя свои собственные нужды. Второй белок, NEP, обеспечивает транспорт новообразованных геномных комплексов вируса из ядра к клеточной мембране, где происходит сборка вирионов [9]. Новые штаммы и поиск реассортацийКлассификация штаммов вируса гриппа основана прежде всего на том, какие именно варианты гемагглютинина и нейраминидазы входят в его состав. Широко известные комбинации букв H и N в сочетании с порядковыми номерами (например, H3N2) как раз и обозначают подтип вируса: гемагглютинин 3, нейраминидаза 2. Таких подтипов десятки, однако человека заражают лишь немногие — обычно те, у которых не слишком большие номера N и H. Наиболее давние хозяева вируса гриппа — птицы, от которых новые штаммы время от времени передаются домашнему скоту и, прямо или опосредованно, людям [10]. Чем более долгий период коэволюции провели вместе патоген и хозяин, тем менее болезненным становится их совместное существование. Птичьи штаммы вируса зачастую оказываются очень опасными после передачи новым хозяевам [11]. Известно, что именно реассортации сегментов РНК привели к возникновению штаммов, которые вызвали пандемии азиатского и гонконгского гриппа в 1957 и 1968 гг., унесшие около 2,5 млн жизней [12]. Возможно, что и испанский грипп начала прошлого века, число жертв которого шло на десятки миллионов, тоже появился в результате такой эволюционной схемы [13]. Подобное исследование можно провести с использованием геномов вируса гриппа, опубликованных в свободном доступе. Избрав в качестве объекта штаммы H3N2, можно составить выборку из 1376 сегментированных геномов, а затем сравнить между собой филогенетические деревья для этих вирусов, построенные в отдельности по каждому из геномных сегментов [15]. В результате такого сравнения оказалось, что число реассортаций примерно сопоставимо для разных сегментов: в ходе эволюции гриппа в популяции человека каждая пара сегментов в недавнем прошлом реассортировала около 50 раз.
Последствия реассортацийПосле того как ветви, в которых произошли реассортации, были обнаружены, стало возможным оценить их влияние на накопление в сегментах вирусного генома точечных замен. Для этого можно сравнить время, прошедшее между каждой такой заменой и ближайшей предшествующей ей реассортацией, с тем, которое бы ожидалось из компьютерной модели, если бы реассортации не влияли на замены. Проведенный анализ показал, что по крайней мере в пяти из восьми сегментов генома мутации ускоренно накапливаются после реассортации. Наиболее ярко эффект проявился для нейраминидазы и белка PB1. Ускорение аминокислотных замен после реассортаций вирусных геномов указывает на то, что в такие периоды эволюции вируса гриппа прежде всего происходит адаптация белков к новому генетическому окружению. Из-за того, что вирусные белки взаимодействуют между собой, молекулы из разошедшихся штаммов вынуждены какое-то время изменяться, приспосабливаясь друг к другу. Интересно, что у нейраминидаз наблюдалось 30 замен, расстояние от которых до ветви, несущей реассортацию, меньше того эволюционного расстояния, на котором мы бы ожидали встретить одну случайную синонимичную замену в гене данного белка. Такой результат свидетельствует о том, что все эти 30 мутаций произошли и закрепились необычайно быстро, и что необходимость быстрой адаптации возникла именно благодаря тому, что соответствующий сегмент генома попал в новое генетическое окружение. Реассортация — это резкое эволюционное изменение, которое поначалу может снижать общую приспособленность вируса к условиям окружающей среды и к организму-хозяину. Однако иногда оказывается, что из-за такой перетасовки белков из разных штаммов новая форма патогена оказывается более приспособленной, чем штаммы-предшественники, получая возможность эффективнее распространиться [18]. Похоже, что за коррекцию первичного вредного эффекта от реассортации как раз и отвечают быстро закрепляющиеся адаптивные мутации. Предсказания, полученные только статистическими методами, — путем анализа последовательностей белков и кодирующих их генов, — конечно, не могут иметь стопроцентную точность. Действительно ли взаимодействуют две определенные аминокислоты, можно проверить экспериментально. Однако каждый белок вируса состоит из сотен аминокислот, так что возможны десятки тысяч разных взаимодействий. Постановка такого числа экспериментов практически неосуществимы. Биоинформатический анализ позволяет расставлять приоритеты: выбирать и анализировать только те аминокислоты, которые участвуют во взаимодействиях, экономя время и силы экспериментаторов. Кроме того, такой подход позволяет понять, насколько взаимодействия, приводящие к вредности реассортаций, распространены на уровне всего генома. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 13-04-02098) и Министерства образования и науки Российской Федерации (проект 11.G34.31.0008). Литература Читайте также:
|
