Почти все наши гены хранятся в ядерной ДНК. Но кроме ядерной ДНК, у нас есть ДНК митохондрий. Когда-то митохондрии были самостоятельными древними бактериями, которые в какой-то момент оказались внутри древней археи сумели наладить симбиоз с хозяином; так на Земле появились эукариотические клетки. Постепенно будущие митохондрии упрощались, специализируясь на энергетических реакциях. Сейчас у митохондрий человека осталось всего 37 генов: одни кодируют ферменты для энергетических реакций, другие, необходимые для синтеза белка, митохондрии сохранили свой белоксинтезирующий аппарат. При этом в митохондриальной ДНК есть не все «энергетические» гены: часть митохондриальных белков закодирована в ядерной ДНК. Когда-то давно некоторые гены митохондрий встроились в ядерную ДНК. Сейчас появляются данные, что у некоторых людей она и сегодня переходит в ядро. Сотрудники Кембриджского университета проанализировали геномы десятков тысяч людей, и оказалось, что у некоторых из них ядерная ДНК содержит куски ДНК из митохондрий. И это не те куски, которые встроились миллиарды лет назад: в статье в Nature говорится, что митохондриальная ДНК переходит в ядро до сих пор.
Происходит это примерно у одного человека из четырёх тысяч; примерно 14% людей на земле несут в ядерной ДНК фрагменты митохондриальной, которых там до сих пор не было. Встроившись, фрагмент ДНК митохондрий теперь будет передаваться из поколения в поколение, разумеется, если он не слишком навредил ядерным генам. В некоторых случаях вторжение митохондриальной ДНК в ядерную становится причиной рака — это опять же удалось увидеть, сравнив ДНК двенадцати с половиной тысяч образцов разных опухолей. Вместе с тем клетка чувствует такие вторжения посторонней ДНК и старается сделать так, чтобы она, по крайней мере, молчала, то есть была неактивна. Как именно митохондриальная ДНК попадает в ядерную, исследователи пока не знают.
Точно так же встраивались и продолжают встраиваться в ДНК нуклеиновые кисолты бактерий и вирусов в процессе инфекяий и, например, иммунизаций. Статья «Эволюция и противовирусная активность человеческого белка ретровирусного происхождения», опубликованная в журнале Science, предоставляет доказательство этого эффекта.
Предыдущие исследования показали, что фрагменты древней вирусной ДНК, называемые эндогенными ретровирусами, в геномах мышей, кур, кошек и овец обеспечивают иммунитет против современных вирусов, которые возникают вне организма, блокируя их проникновение в клетки-хозяева. Хотя это исследование было проведено с культурой клеток человека в лаборатории, оно показывает, что противовирусный эффект эндогенных ретровирусов, вероятно, существует и для людей.
Исследование важно, потому что дальнейшие исследования могут выявить пул природных противовирусных белков, которые позволяют проводить лечение без аутоиммунных побочных эффектов. Работа раскрывает возможность системы защиты генома, которая не была охарактеризована, но может быть весьма обширной.
«Результаты показывают, что в геноме человека у нас есть резервуар белков, которые могут блокировать широкий спектр вирусов», — сказал один из авторов исследования профессор молекулярной биологии и генетики в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни Седрик Фешотт.
Эндогенные ретровирусы составляют около 8% генома человека — по крайней мере, в четыре раза больше ДНК, из которой состоят гены, кодирующие белки. Ретровирусы вводят свою РНК в клетку-хозяин, которая преобразуется в ДНК и интегрируется в геном хозяина. Затем клетка следует генетическим инструкциям и производит больше вируса.
Таким образом, вирус захватывает механизм транскрипции клетки, чтобы реплицироваться. Как правило, ретровирусы заражают клетки, которые не передаются из поколения в поколение, но некоторые из них заражают зародышевые клетки, такие как яйцеклетки или сперматозоиды, что открывает дверь для ретровирусной ДНК, которая передается от родителей к потомству и в конечном итоге становится постоянным приспособлением в организме хозяина.
Чтобы ретровирусы проникли в клетку, белок вирусной оболочки связывается с рецептором на поверхности клетки, подобно ключу в замке. Оболочка также известна как шиповидный белок для некоторых вирусов, таких как SARS-CoV-2.
В своем исследовании учены использовали компьютерную геномику для сканирования генома человека и каталогизации всех потенциальных последовательностей, кодирующих белок оболочки ретровируса, которые могли сохранить активность связывания с рецептором. Затем они провели дополнительные тесты, чтобы определить, какие из этих генов активны, то есть экспрессируют продукты генов оболочки ретровируса в определенных типах клеток человека.
«Мы обнаружили явные доказательства экспрессии, — сказал Фешотт, — и многие из них экспрессируются в ранних эмбрионах и в зародышевых клетках, а часть экспрессируется в иммунных клетках при инфекции».