Модель миграции В-лимфоцитов памяти: приложения для генов «домашнего хозяйства»

Модель миграции В-лимфоцитов памяти: приложения для генов «домашнего хозяйства»

Могут ли соматические клетки проникать в репродуктивные органы и, таким образом, вступать в тесный физический контакт с половыми клетками? По мнению Гарри Ротенфлу роль такого «связника» могут играть В-лимфоциты. Они способны мигрировать в репродуктивные ткани самцов и самок, доставляя возникшие в соме мутантные информационные ДНК-последовательности вариабельных областей к мужским и женским гаметам (сперматозоидам и яйцеклеткам). Для этого, возможно, требуются в качестве генного вектора или источника обратной транскриптазы эндогенные ретровирусы. А может быть, они и не нужны.

Из модели Ротенфлу вытекает одно возможное следствие: мигрирующий В-лимфоцит потенциально способен служить транспортным средством для доставки ДНК-последовательностей любых генов в зародышевую линию. Данные, рассмотренные в гл. 2, предполагают возможность того, что эндогенная ретровирусная обратная транскриптаза могла бы продуцировать кДНК копии клеточных генов, которые еще содержат инт-роны (некодирующие последовательности). Это может быть кДНК других, не имеющих отношение к антителам генов, экс-прессирующихся в В-клетке. Их могут быть сотни. Это могут быть гены, принадлежащие и к семействам тканеспецифичных генов, которые определяют функции лимфоцитов, и гены «домашнего хозяйства», обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Белковые продукты большинства генов «домашнего хозяйства» высоко консервативны. Многие из этих генов эволюционно очень древние, они необходимы для функционирования клетки. (К ним относятся, например, гены, контролирующие энергетические пути, синтез новых мембран, репликацию хромосомной ДНК, а также упаковку молекул ДНК в хромосомах.)

По определению, пока не появится редкая полезная для генов «домашнего хозяйства» мутация, такие гены должны иметь ДНК-последовательность, которая сохраняет функцию генного продукта (обычно белка). Ожидается, что в ретротран-скриптах (кДНК) должны часто встречаться замены оснований вследствие ошибок процесса копирования от ДНК к РНК и обратно. Часть таких замен оснований в кДНК должна быть молчащей (например, замена основания в третьем положении), и не влиять на аминокислотную последовательность кодируемого белка из-за вырожденности генетического кода (см. приложение). Остальные замены оснований должны изменять аминокислотную последовательность белка и обычно они оказывают вредное влияние на функцию белка [14]. Вероятнее всего, такие замены уменьшают приспособленность любого организма, несущего мутантный ген, и естественный отбор будет элиминировать такие мутации. Однако гены с молчащими заменами должны сохраняться. Итак, тот факт, что функция генов «домашнего хозяйства» должна сохраняться, приводит к очевидному предсказанию: предполагается, что в таких генах доля молчащих замен будет больше, чем ожидается из предположения об отсутствии отбора среди мутаций. Такая картина согласуется с кДНК, построенной по матрице про-мРНК, включенной в ходе эволюции в зародышевую линию (однако повышенный уровень молчащих замен можно объяснить также с неодарвинистских позиций, предполагающих отбор против мутаций в зародышевой линии, приводящих к замене аминокислоты).

Сейчас необходим детальный анализ генов «домашнего хозяйства» в свете идеи обратной связи соматических и половых клеток. Можно сделать несколько интересных предсказаний, и предварительный анализ показывает, что они подтверждаются!. Например, модель передачи генов от сомы к зародышевой линии, основанная на мобильных клетках, предсказывает, что уровень замен оснований в генах «домашнего хозяйства» и в тканеспецифичных генах, экспрессирующихся в В-лимфоцитах (а их много), должен быть выше, чем в генах, экспрессирующихся в немобильных клетках. Богатым источником данных могли бы быть тканеспецифичные гены, которые кодируют цитокины и поверхностные белки только лимфоцитов. В этих генах участки ДНК, которые транскрибируются в РНК и транслируются в белок, должны иметь более высокую эволюционную скорость замен оснований, чем нетранскрибируемые/нетранслируемые участки. Эта модель также предсказывает интенсивность рекомбинационного сигнала Уайлера (след вторжения сомы в зародышевую линию) в разных группах гомологичных генных последовательностей (гл. 6). Сигнал Уайлера будет слабее в семействах не-иммуноглобулиновых генов, так как они не должны подвергаться соматическим гипермутациям. Следовательно, они не должны часто проходить через склонную к ошибкам информационную петлю ДНК-РНК-ДНК.

Есть свидетельства того, что переход генов от сомы в зародышевую линию, основанный на обратной транскрипции, происходил за эволюционное время для многих генов «домашнего хозяйства». Поскольку все эти данные косвенные, им можно дать альтернативное неодарвинистское объяснение. Но есть молекулярные свидетельства, предсказанные теорией передачи генов от сомы к зародышевой линии, существенным элементом которой является интеграция кДНК-ретротранскриптов. Имеющий к этому отношение результат, полученный за последние двадцать лет при выделении и секвенировании ДНК многих генов «домашнего хозяйства», состоит в том, что большинство этих генов существует в виде одной (в крайнем случае, двух) функциональной копии на хромосому (копии, которые транскрибируются в мРНК, а затем транслируются в белок). К удивлению, во многих случаях обнаружены близкородственные ДНК-последовательности в форме нефункциональных генов, названных псевдогенами (они укорочены в результате одной или нескольких мутаций). Но самым интригующим оказалось то, что эти псевдогены были копированы с мРНК (после вырезания некодирующих интрон-ных последовательностей из про-мРНК) в кДНК обратной транскриптазой и, таким образом, являются «интегрированными ретротранскриптами», или «ретропсевдогенами».

Исключительная картина, которую мы сейчас имеем для многих генов «домашнего хозяйства» млекопитающих, такова: единственную функциональную высоко консервативную копию гена может сопровождать множество родственных ре-тропсевдогенов, число которых в 10—100 раз больше. Часто они локализованы в других частях генома (например, в другой хромосоме). Процитируем авторитетный текст по молекулярной эволюции:

«Благодаря наличию обратной транскриптазы, геномы млекопитающих буквально бомбардируются копиями обратно транскрибированных последовательностей. Огромное большинство этих копий с момента интеграции в геном нефункциональны ...[и] большей частью они локализованы далеко от родительского функционального гена ...это явление подобно вулканическому извержению, и такой эволюционный процесс назван моделью Везувия».

Это общая черта многих видов высших животных. В некоторых случаях можно обнаружить от тысяч до сотен тысяч копий ретропоследовательностей, разбросанных по всему геному. Стандартная неодарвин истекая или неовейсманистская модель этого явления такова. Некоторые формы синтеза про-мРНК, продуцирующие множество РНК-копий гена и использующие в качестве матрицы ДНК генов, происходят в половых клетках. Затем гипотетический процесс обратной транскрипции должен создавать много нефункциональных кДНК-ре-тротранскриптов, которые встраиваются в разные места хромосомной ДНК тех половых клеток, в которых они образовались. Поскольку образуются ретропсевдогены, требуется сплайсинг про-мРНК для удаления интронов; это событие связано с нормальной экспрессией гена (транскрипцией и трансляцией). Согласно этой модели, фактически все гены «домашнего хозяйства» и тканеспецифичные гены подвергаются транскрипции, сплайсингу и обратной транскрипции в клетках репродуктивных тканей, из которых образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Однако не известно каких-либо доказательств такого механизма. Кроме того, содержащие ошибки кодирующие последовательности могут заменить путем гомологичной рекомбинации стандартный ген, и значит, многие из этих новых генов должны быть летальными или эволюционно невыгодными.

Мы обнаруживаем ретропсевдогены, потому что они являются своего рода реликтами, «молекулярными ископаемыми». Их широкое распространение также может свидетельствовать в пользу интеграции сомы в зародышевую плазму с участием ретротранскрипта, образованного в соматических клетках путем обратной транскрипции несплайсированной про-мРНК. Такие кДНК-последовательности могут быть мутантными, с молчащими и кодирующими заменами оснований. Гомологичная рекомбинация в соматических клетках, заменяющая исходный ген, дала бы возможность проверить функцию нового гена. Выживут и размножатся только соматические клетки с молчащими заменами (функционально консервативные). Некоторые из этих мутантных соматических клеток могли бы иногда передавать новый ген в половые клетки или в результате миграции (например, лимфоцитов), или с помощью ретровирусного вектора, подобно тому, как обсуждалось для генов антител. Однако частота таких событий должна быть много ниже, чем для V-генов антител, потому что только V-гены подвергаются соматическому гипермутированию. Замещение исходного гена новым в результате гомологичной рекомбинации нельзя было бы идентифицировать именно как событие ретротранспозиции от сомы к зародышевой линии, потому что нет способов отличить его от генеративной мутации и естественного отбора: ген будет классифицирован как «аллель» (альтернативный функциональный вариант) исходного гена.

Следовательно, общая теория обратной связи сомы и зародышевой линии утверждает, что за эволюционное время в соматических клетках возникают кДНК-последовательности (и функциональные гены с интронами, и нефункциональные ретропсевдогены) и что они способны встраиваться в ДНК зародышевой линии. Она предполагает также, что случайная интеграция сомы в зародышевую линию (гомологичная рекомбинация) — это событие, которое в ходе эволюции поддерживает функционально консервативное состояние генов «домашнего хозяйства» (так как последовательность сразу проверяется на приспособленность в жизнеспособной соматической клетке) и, следовательно, создает новые функциональные аллели. Однако, нефункциональные кДНК-посдедовательности, возможно, встраиваются в разные места генома, увеличивая число ретропсевдогенов.

Как сделать выбор между этой неоламаркистской моделью и моделью Везувия, которая придерживается строгой неодар-винистской или неовейсманистской парадигмы? Почему мы должны считать, что предполагаемый механизм передачи генов от сомы к зародышевой линии ограничен только V-генами иммунной системы, когда общность природы обратной транскрипции — факт, установленный для многих генов? Масштаб распространения геномных ретропоследовательно-стей говорит о том, что нет видимых причин, по которым этот процесс должен быть ограничен только генами иммунной системы.

По нашему мнению, данные, рассмотренные в этой книге, поддерживают, скорее, обратную связь сомы и зародышевой линии, чем альтернативную модель Везувия. Кажется вероятным, что перенос кДНК от сомы к зародышевой линии поддерживает и разнообразие открытых рамок считывания в V-генах зародышевой линии, и функционально консервативное состояние генов «домашнего хозяйства» и тканеспецифичных генов.

Ретротранскрипты характерны не только для геномов животных и растений. В вирусных геномах обнаружены функциональные гены с высокой степенью сходства с последовательностями клеточных генов. При этом вирусные гены не имеют интронов, это четкий показатель того, что в какой-то момент эволюции они возникли в клетке хозяина из зрелой мРНК в результате обратной транскрипции. Эти гены используются вирусом в клетке животного-хозяина. Возможно, они кодируют аналоги исходного животного белка, которые действуют в пользу вируса, снижая эффективность иммунного ответа. Существование таких генов приводит нас к предположению о межвидовом (горизонтальном) переносе генов вирусами, что мы детально обсуждали раньше. Насколько нам известно, это предположение не вызывает отторжения у неодарвинистов, что удивительно, ибо для такого переноса требуется проницаемость барьера Вейсмана. Для того, чтобы обеспечить возможность интеграции гена в хромосомную ДНК .зародышевой линии другого вида, вирус, содержащий ген одного вида, должен внедриться в половые клетки другого вида. Если это может происходить между видами, то почему бы этому не случиться в одном организме?