Виролюция симбиоз человека и вируса как реальность эволюции

99 Пожалуйста дождитесь своей очереди, идёт подготовка вашей ссылки для скачивания.

Скачивание начинается. Если скачивание не началось автоматически, пожалуйста нажмите на эту ссылку.

Основная идея этой книги шокирует. Все живое на планете, в том числе люди, живут в симбиозе с вирусами, эволюционируют вместе с ними и благодаря им… выживают. Первая реакция читателя: этого не может быть! Но, оказывается, может… Вирусы, их производные и тесно связанные с ними структуры составляют как минимум сорок три процента человеческого генома, что заставляет сделать вывод: естественный отбор у человека и его предков происходил в партнерстве с сотнями вирусов. Но как вирусы встроились в человеческий геном? Как естественный отбор работает на уровне вирус-носитель? Как взаимодействуют движущие силы эволюции — мутации, симбиогенез, гибридизация и эпигенетика? Об этом — логичный, обоснованный научно и подкрепленный экспериментальными данными рассказ Фрэнка Райана.

Книга изготовлена в соответствии с Федеральным законом от 29 декабря 2010 г. № 436-ФЗ, ст. 1, п. 2, пп. 3. Возрастных ограничений нет

Посвящается Терри Йетсу, чья доброжелательность, способность вдохновить и щедрая помощь помогли ступить на дорогу, изменившую мою жизнь

Наука не имеет отечества, она — свет, озаряющий мир.

Как и наука, вирусы не имеют отечества. Ничто не может задержать их на границах государств или часовых поясов.

Ричард М. Краузе

Относительно малое число ученых занято исследованием вирусов… их жизнеустройства и способа действия, и эти ученые куда лучше осознают… эволюцию нашего с ними симбиотического существования.

Введение. Ветер перемен

Уверен: наши взгляды на эволюцию были бы совершенны иными, если бы биологи изучали генетику и естественный отбор после того, как убедились в справедливости дарвиновской теории, а не до того — как большинство биологов сейчас.

Когда двенадцатого февраля 2001 года две конкурирующие группы одновременно объявили о завершении полного анализа человеческого генома, все ожидали подтверждения человеческой уникальности. Впервые в истории на всеобщее обозрение выставлен подробный анализ наших генов, всех сорока шести хромосом, определяющих человеческое существо!

Увы, с подтверждением уникальности получилось не очень. Однако результаты были воистину замечательными.

Первой удивительной особенностью оказалась сравнительная малочисленность наших генов — всего-то близ двадцати тысяч. Ожидалось, что сложное человеческое устройство потребует, как минимум, сотню тысяч или больше. Для сравнения заметим: оказалось, у нас всего лишь в десять раз больше генов, чем у бактерии, на треть больше, чем у мухи дрозофилы, и почти столько же, как у червя нематоды. Выходит, количественно величина нашей генной памяти такого же порядка, как и у этих скромных малоразмерных жизненных форм. Однако наш геном гораздо более сложным и изощренным способом кодирует процесс производства белков, и тем же количеством генов, что и у дрозофилы, мы можем записать гораздо большее количество разных белков.

Главнейшей же находкой была демонстрация нашей общности, общего происхождения с прочими формами земной жизни. Например, у нас с дрозофилой 2758 общих генов и 2031 общих генов с червем нематодой. А вся троица — человек, муха и червяк — имеет целых 1523 общих гена!

И хотя некоторых читателей, несомненно, огорчит это известие, Дарвин бы обрадовался — ведь такая общность возникла не случайно. Нам уже хорошо известна чрезвычайная точность генетического анализа в криминалистике — даже малая толика доступного биоматериала позволяет доказать причастность определенного — и никакого другого — человека к преступлению. 1523 общих гена — более чем убедительное свидетельство, и я даже не возьмусь подсчитывать шансы на случайное совпадение подобного числа генов (сколь ничтожная доля процента там будет — миллиардная или триллиардная). Это говорит нам, насколько важна эволюционная биология, — возможно, она важнее всех наук, да и прочих человеческих занятий тоже. Ведь она одна пытается посредством экспериментов и логики понять происхождение жизни, от ее самых зачатков в ужасных и неподходящих условиях новорожденной планеты до прекрасной, завлекающей пышности и разнообразия, окружающего нас сейчас на плодородной голубой Земле.

Скачать книгу в формате:

Аннотация

87546
15
2

В бизнесе (да и в жизни в целом) постоянно приходится покидать зону комфорта: выступать публично, ве.

30053
1
2

Предположим, вы сделали что-то очень плохое, но поняли это слишком поздно, когда уже ничего нельзя .

59962
3
4

Стивен КИНГ ТЕМНАЯ БАШНЯ СТРЕЛОК Посвящается Эду Ферману, который рискнул прочесть эти исто.

59253
0
11

31646
4
6

Учебник написан с учетом последних исследований исторической науки и современного научного подхода к.

183383
8
12

Понравилось: 0
В библиотеках: 0

Эпидемия ковид-19 серьезно и не в лучшую сторону изменила нашу жизнь. Но уже скоро она будет возв.

Столетиями властители царства мрака, вампиры и оборотни ведут беспощадную войну, невидимую человеч.

Одна часть армии Цитадели отправилась в поход на Бункерк, другая была распущена в результате много.

Ваш начальник вам не нравится? Бывает. Но что делать, если только он может помочь в сложившейся не.

СТРАННАЯ, НИКОМУ НЕ НУЖНАЯ ПЛАНЕТА: или как межгалактические мусорщики федерации спасли землю от в.

Фрэнк Райан

ISBN:	978-5-91678-143-4
Год издания:	2014
Издательство:	ЛомоносовЪ
Серия:	ЛУЧ
Язык:	Русский

Лучшая рецензия на книгу

Перевод Дмитрия Могилевцева просто ужасен. Сразу видно, что человек не в теме - многие термины переведены черте-как, вместо нормальных устоявшихся в русскоязычной научной литературе терминов автор выдумывает какую-то корявую отсебятину. Со склонением терминов у этого товарища тоже проблемы. И редактор, безусловно, халтурил, ибо много опечаток.
Сама же книга производит несколько сумбурное впечатление, не создает целостной картины, хотя и написана на хорошем научном уровне. Очень часто идет разбор каких-то конкретных исследований и "интервью" автора с коллегами. Очень понравилась идея с вынесением ссылок на поля, а не вниз страницы или в список литературы. Сразу видно откуда какая идея пришла, можно обратиться к первоисточнику.
Собственно, основная идея книги вполне точно обозначена в аннотации - мы эволюционировали параллельно с вирусами, подтверждения чему можно обнаружить в нашем геноме. Идея вроде бы очевидная, но додумались до нее не так давно, потому что человечество изначально привыкло воспринимать только негативные аспекты такого "сожительства".
Мне показалась интересной идея о том, что вирусы могут после определенного периода "притирки" к хозяину (в процессе которого может погибнуть значительная часть популяции) давать своему носителю эволюционные преимущества. В пример приведены обезьяны, кролики и белки. При встрече адаптированного к вирусу вида-носителя с другим конкурентным видом, например, при расширении ареала, вирус быстро и эффективно выкашивает конкурентов, у которых нет к нему иммунитета, освобождая для хозяев жизненное пространство и пищевые ресурсы.
Еще, на мой взгляд, удалась глава про полиплоидию и гибридизацию, их роль в эволюции животных как-то недооценена. В пример приводятся широко известные кластеры HOX-генов, которые, согласно "гипотезе 2R" японского ученого Сусуму Оно, возникли в результате двух "раундов" дупликации геномов в ходе эволюции.
В общем, я несколько разочарована, потому что эта книга могла бы быть намного лучше, особенно, если бы ее нормально перевели.

Доктор биологических наук, сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков рассказывает, как эволюция симбиотической системы животных и вирусов привела к созданию иммунной системы, необходимой для существования теплокровного организма, и о той важнейшей роли, которую играют вирусные механизмы в жизни животных и растений.

– Александр, давайте начнем с какого-нибудь яркого примера симбиоза, в котором участвуют вирусы.

– Я могу привести просто поразительный пример такого симбиоза. Совсем недавно появилась статья американских биологов из Йелоустонского национального парка (Yellowstone National Park) Там есть горячие источники и в некоторых местах почва раскалена до 50-60 градусов. И на этой почве растет трава. Как она выдерживает такую высокую температуру? Нормальное растение не может расти на такой раскаленной почве. Было установлено, что в этой траве имеется симбиотический гриб, который живет внутри клеток травы. Если удалить гриб, то растение выжить при такой температуре не может, но и гриб тоже не может! Дальнейшее исследование показало, что есть третий участник – гриб обязательно должен быть заражен определенным вирусом. Если убрать вирус, что удалось сделать в эксперименте, то гриб вместе с растением теряют эту термоустойчивость и на раскаленной почве расти не могут. То есть действительно вирусы часто входят в состав симбиотических комплексов. И, кроме того, поскольку вирусы способны переносить фрагменты генов или целые гены от одного организма к другому, участвуют в глобальном процессе кооперации, информационного обмена. В процессе эволюции вирусы играют большую роль.

– Чем вирусы отличаются от бактерий?

– У вируса нет клетки. У них есть наследственная информация в виде молекулы РНК или ДНК и у них есть белковая оболочка, и больше ничего. Вирус – это, конечно, не самостоятельная система, можно сказать, что это часть мирового генетического банка.

– Давайте подробнее остановимся на роли вирусов в эволюции животного мира.

В эволюции животных можно привести, как минимум, три примера, когда вирусы или вирусоподобные объекты – мобильные кусочка генома – сыграли важную положительную роль.

Во-первых, знаменитый фермент – теломераза по своему происхождению, скорее всего, вирусный объект. Дело в том, что теломераза – это специальный белок, который занимается тем, что он достраивает кончики хромосом. Согласно одной из теорий, многоклеточные организмы стареют, потому что при каждом клеточном делении хромосома немножечко укорачивается и возникает опасность, что хромосомы в конце концов так укоротятся, что утратят функциональность и каким-то образом нужно эти кончики, которые не воспроизводятся при копировании, достраивать. Российский ученый Алексей Оловников предположил, что должен существовать специальный фермент для достройки кончиков хромосом. И этот фермент действительно открыли и назвали теломеразой. Это фермент, который спасает наши клетки от необратимого старения.

Но причем здесь вирусы? Дело в том, что, как сейчас считается, этот белок теломераза имеет вирусное происхождение. Вирус – это специальное устройство (я говорю сейчас о так называемых РНК-содержащих вирусах), это специальное устройство для записи информации в геном других организмов. Он содержит РНК, попадает в клетку. И та информация, которая записана в этой вирусной РНК, она переписывается в форме ДНК уже в геном, скажем, человеческой клетки. Вирус кодирует необходимые ферменты для для записи информации в геном.

Удивительно, но по последним данным, 40-45% всего генома человека – это всевозможные мобильные и повторяющиеся элементы, обладающие способностью перемещаться по геному, то есть, грубо говоря, это бывшие вирусы или размножившиеся вирусоподобные объекты, и это до 45% генома человека.

– То есть мы можем сказать, что молекула ДНК – это симбиотическая молекула. Когда мы видим сложнейшую молекулу ДНК, то непонятно как могло возникнуть столь сложное устройство? Но в действительности она возникла не под воздействием единичных мутаций, а в результате симбиотического обмена – то есть фактически собиралась из строительных блоков.

– Совершенно верно. Это – блочный принцип эволюции.

Второй случай, когда в эволюции высших позвоночных животных пригодились вирусы – это система приобретенного иммунитета. Что происходит, когда мы вырабатываем иммунитет к новой болезни? Ведь антитела вырабатываются даже к синтетическим веществам, которых в природе нет.

В геноме человека нет готовых генов антител, а есть набор заготовок. Ген антитела собирается из трех кусочков, причем в геноме есть сотни вариантов первого кусочка, несколько десятков вариантов второго кусочков и несколько вариантов третьего, их надо собрать. Вот в каждом лимфоците происходит вырезание, берется один кусочек ДНК первого типа, один второго, один третьего, и они склеиваются вместе в работающий ген, и уже с него синтезируется антитело. Оно потом еще может дополнительно доводиться до нужной кондиции, но начальный этап – это нарезание и сбор из кусочков гена. Так происходит редактирование генома.

– Необходимо подчеркнуть, что роль иммунной системы чрезвычайно важна. Она позволяет человеку выжить и противодействовать атакам микроорганизмов.

– Посудите сами: теплокровное млекопитающее – это просто инкубатор. 37 градусов постоянная температура тела – это же рай для бактерии. Если бы не иммунная система, нас бы просто съели.

И третий важный пример, того что принесли вирусы в симбиотическую систему, которой является организм животных. Недавно был обнаружен ген в геноме млекопитающих, который необходим для развития плаценты – того органа, который осуществляет обмен между организмом матери и плодом, благодаря которому сравнительно долго плод может безопасно развиваться в утробе матери. А то что это занимает довольно продолжительное, кстати, считают важнейшей предпосылкой для развития мозга и, в конечном счете, для появления разума.

– Александр, мы приходим к выводу, что симбиоз играет гораздо более важную роль, чем это может показаться. Мы все слышали, о таких симбиотических системах, в которых насекомые опыляют растения. Но то, что вы рассказали, говорит о том, что симбиоз – это действительно магистральное развитие всей эволюции, именно симбиоз может дать объяснение, почему организмы могут так быстро усложняться и приобретать совершенно новые функции и возможности.

– Мне и представляется эта тема очень важной, но до сих пор в биологии сохраняется отношение к симбиозу, как к некоему курьезу, какой-то причуде матушки-природы. Но если взять факты, то мы видим, что это не просто типично, но это основа и прогрессивной эволюции и функционирования биосферы. Это – всеобщее явление.

Когда был открыт один из первых случаев симбиоза – оказалось, что лишайник – это симбиотический комплекс гриба и водоросли –ученые очень удивились: надо же, чудеса какие. Мы думали, это растение, а это какой-то немыслимый комплекс – и гриб, и водоросли вместе переплелись, и получился лишайник. Но с тех пор уже столько открыто еще более удивительных симбиотических систем, что уже пора перестать удивляться, а включить это явление в общую теорию как неотъемлемый ее элемент.

– То есть, можно сказать, главное в природе это не всеобщая борьба и взаимное уничтожение, а синтез, взаимопомощь и сотрудничество.

6. Как вирусы помогли нам стать людьми

Лишь на огне кузнец чекан дарит Куску железа, мудрый труд свершая; И, золота огнем не расплавляя, Высоких форм художник не творит[38].

Философы многих обществ древности, включая досократовских греков, японцев, индусов, полагали: все в мире состоит из четырех основных элементов, земли, воды, огня и воздуха. И если включение в состав основных элементов воды, земли и воздуха понятно — это же составляющие видимой материи, то огонь — исключение. Огонь принципиально враждебен материи, он — уничтожитель ее, он несет бедствие, он — следствие войн и стихийных бедствий, он вырывается из жерл вулканов, фантастически мощных и страшных. Он — насилие и гибель. Так почему же древние люди столь различных культур включали его в число основных элементов природы? Возможно, из-за его алхимической роли в сотворении нового. Ведь огнем извлекается металл из руды, добываются медь, железо и золото. Свойства огня дуалистичны, он может разрушать, но может и созидать.

С эволюционной точки зрения вирусы обладают такой же дуальностью.

Насколько мне известно, ни один геном млекопитающих не колонизирован ретровирусами столь обширно, как наш. Я допускаю, что интерпретация этого обширного присутствия в духе современного дарвинизма вполне возможна, но настаиваю на значительном влиянии симбиоза на образование вирусной части нашего генома. Принципиально важно то, что мы, люди, представляем собой голобионтическое единство вирусов и млекопитающих. Доказать это либо опровергнуть можно исследованиями вклада ретровирусов в наш геном и их роли в нем. На практике это значит — обнаружить активно действующие вирусные гены и контрольные последовательности, сохраненные в геноме на протяжении долгого времени естественным отбором, действующим на уровне партнерства между вирусами и позвоночными. Признаки действия этих генов и последовательностей должны обнаруживаться на каждом уровне нашего существования: и в работе генома, и в эмбриональном развитии, и в повседневной работе биохимии нашего тела.

Теперь мы понимаем: ретровирусная часть нашего генома состоит из множества копий эндогенных ретро-вирусов, или HERV, подвергавшихся интенсивному эволюционному прессингу со времени их первого вторжения в человеческий геном. Эти вирусы и действующий на них естественный отбор, ранее привлекавшие лишь спорадический интерес, теперь — важнейший объект исследований в лабораториях всего мира. В зависимости от того, как определять семейства вирусов, все HERV можно распределить на 30–50 семейств, а семейства эти разделить на 200 с лишним групп и подгрупп, каждая из которых имеет свою четко определенную эволюционную траекторию. Такое изобилие вирусов в геноме указывает на то, что за сотню с лишним миллионов лет эволюции млекопитающих они много раз подвергались вирусному заражению и экспансии вирусов в геном. Поскольку у всех нас один и тот же набор HERV, это значит — все наши прямые предки были заражены. И хотя нельзя с уверенностью сказать, что каждая группа HERV прибывала в наш геном одинаковым образом, свидетельства пандемии СПИДа и в особенности эпидемии лейкемии у коал заставляют предположить: жестокая выбраковка вирусом не раз происходила и у предков человека и сопровождалась вымиранием значительной части популяции. Мы, современные люди, — наследники переживших безжалостный эволюционный процесс. Не слишком воодушевляющая мысль, правда?

И какие же из этого всего следуют выводы?

В Австралии Рэйчел О’Нейл с коллегами обнаружили находящиеся в центральных областях хромосом (центромерах) ретровирусы, активно модифицирующие хромосомы межвидовых гибридов валлаби и тем способствующие быстрейшему появлению нового вида[48]. Русский генетик Евгений Свердлов предположил, что интегрированные HERV могли изменить характер экспрессии генов и тем сыграть важную роль в эволюции гоминидов и возникновении различных эволюционных ветвей гоминидов[49]. Дженнифер Ф. Хьюз и Джон Ф. Коффин из Медицинской школы университета Тафта в Бостоне доказали, что эндогенные ретровирусы человека могли приводить к удалению больших участков хромосом, дупликации их, изменению их места в хромосоме — то есть играли важную роль в человеческой эволюции[50]. Известно, что вирусы могут конкурировать друг с другом, и в настоящее время несколько экспертов-вирусологов — а среди них и Эрик Ларсен, профессор патологии университета Упсалы — высказали предположение о возможной полезной роли HERV в защите человеческого зародыша.

Профессор Ларсен внес существенный вклад в исследования HERV, начиная с самого открытия ERV3 и HERV-K, и напрямую связан с множеством новых находок в этой области в начале двухтысячных. Я знал о его работах задолго до того, как повстречался с ним на конференции Линнеевского общества в Лондоне в 2008 году. На этой конференции Ларсен представил резюме своих результатов, в том числе результаты по интенсивной экспрессии протеинов посредством HERV в человеческом мозге. Эти результаты показались столь необычными, что профессора прервали посреди выступления, прося подробных объяснений.

В начале 2009 года Ларсен согласился дать мне интервью.

— Что вы исследуете сейчас? — спросил я.

— Я работаю главным образом над эндогенными вирусами в плацентарных тканях. В культурах клеток плацентарных тканей наблюдается просто поразительная экспрессия ERV3. Наше внимание сосредоточено преимущественно на трофобластах (это клетки внезародышевой оболочки, ответственные за формирование плаценты). К сожалению, методики тестирования еще несовершенны…

Замечу: несмотря на упомянутое профессором несовершенство, исследование эндогенных вирусов в плацентарных тканях может привести к революционным результатам. Чтобы понять почему — давайте совершим краткий экскурс в захватывающую область биологии — репродуктивную биологию.

Далее исследования развивались столь стремительно, что за год оказалось возможным прийти к полноценной модели формирования плаценты, описывающей согласованные действия двух производящих синтицины HERV, связанных к тому же и с коэновской находкой ERV-3. Вся троица работает согласованным образом для создания структур, необходимых для защиты и питания зародыша в утробе. Но исследование выявило и весьма любопытную деталь: обнаружилось присутствие приблизительно у одного процента кавказоидов мутации, не позволявшей ERV-3 осуществлять подавление иммунитета и способствовать слиянию клеток — но при этом беременность по-прежнему оставалась возможной. С чем это связано, до сих пор не выяснили, но можно предположить: хотя ERV-3, очевидно, играет важную роль в формировании плаценты в большинстве беременностей, незаменимым он не является. Возможно, другой вирус подключается вместо него.

Отбором на уровне партнерства можно объяснить и другие наблюдаемые свойства HERV, из-за потери генов или мутации лишившихся изначальной экзогенной независимости.

Одни специалисты полагают, что плацента млекопитающих развилась без симбиотического участия вирусов, но другие, включая Вильярреала, считают вирусы причастными к образованию плаценты с самого начала существования плацентарных млекопитающих. По-видимому, оба сценария имеют право на существование, поскольку у каждой большой группы млекопитающих, исследованных на сегодняшний день — а это грызуны, жвачные (включая овец и коров) и приматы, — в образовании плаценты участвуют совершенно разные вирусы. Тут, вероятно, нам помогут сумчатые — млекопитающие, у которых плаценты нет. Их геномы при этом изобилуют ретровирусами, а у некоторых сумчатых, таких, как жирнохвостая сумчатая мышь, возникает подобие плаценты, исчезающей по мере развития зародыша. Напрашивается вывод: именно изучение сумчатых поможет понять, как возникла плацента у млекопитающих. К сожалению, исследования по этой теме были свернуты из-за недостатка финансирования, несмотря на первые многообещающие результаты.

Шестью годами позже эта же группа в сотрудничестве с другими группами из Великобритании и Германии продолжила изучение экспрессии ERV3 (уже переименованного в HERV-R), а также HERV-К в развивающемся человеческом зародыше[56].

Работа с человеческими зародышами неизбежно влечет за собой проблемы морального свойства, потому следует пояснить: для исследований использовались не зародыши от прерванных беременностей, но от женщин, нуждающихся в удалении зародыша из-за внематочной беременности — опасной для жизни ситуации, когда оплодотворенная яйцеклетка внедряется не в стенку матки, но в стенку фаллопиевой трубы. Было обнаружено, что HERV-R (ERV-3) весьма активен во многих тканях зародыша, включая адреналиновые железы, почки, печень, язык, сердце и центральную нервную систему. Столь высокая экспрессия HERV-R в упомянутых тканях и органах указывает на важность ее для нормального развития клеток этих тканей и органов. Несомненно, настолько нужным и важным для человека HERV-R мог сделаться лишь в результате симбиотической интеграции в процессе эволюции.

Что примечательнее всего, Ларсен с соавторами обнаружили очень активную экспрессию вирусных генов env и gag в важнейших структурах и тканях головного мозга — а это подразумевает важность этих генов для физиологии и анатомии человека. Среди синтезируемых вирусом белков присутствуют синтицины 1 и 2 — те самые, играющие важнейшую роль в образовании плаценты. Поразительно, но экспрессия вирусных генов в мозге интенсивнее, чем даже в плаценте, и, по-видимому, интенсивнее, чем где-либо еще в организме. Никто пока не знает, что эти протеины делают в мозге и различаются ли они неким образом от протеинов плаценты, но, вероятно, они играют важную роль.

Интервью с Эриком Ларсеном, одним из организаторов этого проекта, я завершил вопросом:

Читайте также: