Реферат: Возникновение злокачественных опухолей
Со времени выдающегося открытия Уотсона и Крика, то есть с середины 50-х годов нашего века, бесспорной считалась основная догма биологии, согласно которой гены, заключенные в двойной спирали ДНК управляют активностью любой клетки посредством двух процессов: транскрипции, в ходе которой на ДНК как на матрице, синтезируются молекулы РНК, и последующей трансляции, в ходе которой на РНК, как на матрице, синтезируются молекулы белков. Путь ДНК->РНК->белок казался единственным, незыблемым и универсальным! РНК-содержащие вирусы казались несущественным, хотя и очевидным исключением, о котором не очень-то и задумывались... Никто, однако, не сомневался в том, что наследственная информация у этих вирусов хранится не в ДНК, а в РНК, ну а остальное происходит "почти так же", как у ДНК-содержащих вирусов. Достаточно сравнить репродукцию вируса полиомиелита и гриппа, например, чтобы в этом убедиться.
В течение первого десятилетия после открытия Теминым и Балтимором обратной транскрипции, то есть до начала 80-х годов, казалось, что этот необычный феномен, укладывающийся в совсем иную формулу:
РНК->ДНК->белок, касается только одного из семейств РНК-содержащих вирусов - ретровирусов, где он и был обнаружен, и более никого. Хотя слов нет: семейство это весьма обширно, а представители его заслуживают самого пристального внимания.
В семейство ретровирусов входит три так называемые подсемейства:
1. опухолевые вирусы,
2. вирусы - возбудители некоторых медленных инфекций,
3. так называемые "пенящие" вирусы.
К первому из этих подсемейств относятся возбудители лейкозов и некоторых плотных опухолей млекопитающих, птиц и рептилий, единственный бесспорный (пока!) возбудитель опухолевого процесса у человека (вирус так называемого Т-клеточного лейкоза людей) и агент, вызывающий... СПИД, - ни больше ни меньше! Заметим, однако, что вирус СПИДа обратную транскриптазу содержит, но опухолеродным не является: в отличие от своего близкого собрата - вируса Т-клеточного лейкоза человека - он не трансформирует человеческие лимфоциты, а убивает их.
Ко второму подсемейству относятся возбудители некоторых так называемых медленных инфекций. Мы уже упоминали об их существовании. Само понятие такого рода ввел в науку исландский исследователь В. Сигурдссон в 1954 году, высказав предположение о причине медленной инфекции-скрепи (почесухе овец).
К подсемейству пенящих относятся вирусы, не обладающие онкогенностью, но поражающие многих млекопитающих, включая человека и вызывающие так называемые синцитиеобразующие эффекты, то есть слияние клеток.
Уже из этого краткого перечня вытекает, что обратная транскрипция вовсе не равнозначна злокачественной трансформации. Для всех перечисленных агентов характерно образование ДНК-копии вирусной ДНК и встраивание этой копии в ДНК клетки-хозяина. Именно это необходимо для образования новых вирусных частиц, таков механизм репродукции этих, вирусов, но последствия для клетки могут быть самыми различными: полная гибель (как при СПИДе), слияние разных клеток в многоядерный синцитий (при репродукции пенящих вирусов), и наконец - злокачественная трансформация (как при лейкозах и образовании некоторых плотных опухолей у млекопитающих, птиц, рептилий и Т-клеточном лейкозе человека).
Итак, открытая на модели онкогенных РНК-содержащих вирусов обратная транскриптаза оказалась инструментом репродукции целого ряда неонкогенных ретровирусов. И все же это была пока только вирусология, причем вирусология одного только семейства РНК-содержащих вирусов. Однако в последние годы стали появляться данные о том, что обратная транскрипция наблюдается не только при репликации вирусов, но и в незараженных клетках дрожжей, насекомых и млекопитающих.
Как это происходит и что это означает? Речь идет о целом направлении исследований в современной молекулярной генетике, и здесь очень трудно выделить самое существенное, тем более что исследования продолжаются. Но мы попробуем.
Прежде всего необходимо подчеркнуть, что в последние годы были открыты совершенно неизвестные ранее генетические элементы, присутствующие в хромосомах большинства, а по-видимому, вообще всех организмов (во всяком случае, они уже обнаружены у бактерий, дрожжей, растений, насекомых и позвоночных) - так называемые транспозоны. Эти элементы способны изменять свое местоположение в геноме клетки.
По современным представлениям, в связи с открытием транспозонов, геном представляется качественно иным, чем это было не только в эпохи Г. Менделя и Т. Моргана, но и во время открытия двойной спирали ДНК Д. Уотсоном и Ф. Криком. Геном - это не застывший кусочек некоего неизвестного вещества или даже вполне конкретной ДНК, а динамическая структура, чем-то напоминающая атом, имеющий, как известно, не только стабильное ядро, но и целый рой перемещающихся элементов (в частности, электронов) по орбитам вокруг. Именно поэтому академик Г. П. Георгиев справедливо отметил, что "ген постоянен в своем непостоянстве"!
Нет сомнений в том, что и сами транспозоны, и характер их перемещения отражают какие-то новые, неизвестные ранее стороны генетической регуляции, имеющие самое непосредственное отношение к непознанным еще законам изменчивости и эволюции живой материи. Открыта, по существу, новая глава в учении о наследственности и изменчивости, причем мы еще читаем только предисловие к ней...
Для того чтобы перемещаться, транспозоны должны иметь определенную структуру в своих концевых участках. Только таким путем они могут встраиваться в определенные участки хромосомы. Каково же было удивление ученых, когда выяснилось, что структура этих концевых участков практически любых изученных транспозонов оказалась аналогичной таковой в... ретровирусной ДНК. Сейчас это уже непреложная истина, известная в деталях, которые мы попытаемся популярно изложить.
Синтез ДНК-копии ретровирусной ДНК происходит в две фазы. На первой - обратная транскриптаза синтезирует так называемую "минус" - нить ДНК непосредственно на матрице вирионной РНК. Затравкой синтеза является при этом клеточная транспортная РНК. На втором этапе синтезируется "плюс" - нить ДНК, комплементарная первой "минус" - нити. Для этого в качестве затравки нужны короткие фрагменты вирусной РНК, отрезаемые ферментом от более длинных ее кусков.
Эксперименты, проведенные Д. Бишопом и X. Вармусом в Калифорнийском университете, а также Д. Тейлором в Институте онкологических исследований в Филадельфии, показали, что у концов ретровирусной ДНК-копии, находящейся в линейной двунитевой форме, имеются одинаковые последовательности длиной в несколько сотен пар нуклеотидов. Эти участки назвали длинными концевыми повторами - LTR (от английского long terminal region). Они оказались на обоих концах ретровирусной ДНК (а мы помним, что это и есть провирус Темина!) абсолютно идентичными с точностью до одного нуклеотида. Кроме того, у границ каждого ЬТК последовательности оказались также идентичными, если... если читать в противоположных направлениях. Они были названы инвертированными повторами. И наконец, было установлено, что в интегрированной вирусной ДНК по краям длинных концевых повторов располагаются одинаковые короткие последовательности, принадлежащие геному хозяина. Это означает, что при встраивании вирусной ДНК в хромосому клетки хозяина в месте интеграции происходит дупликация.
Вот каковы реальные механизмы встройки генома РНК-содержащего онкогенного вируса в геном клетки-хозяина, процесса, предсказанного Л. А. Зильбером применительно к вирусному канцерогенезу много десятилетий назад.
Но, как мы видим, дело не только в вирусном канцерогенезе. Дело в том, что транспозоны самых разных живых существ - от бактерий до человека - также содержат LTR, инвертированные повторы и короткие дупликации последовательностей в месте интеграции. Это сходство оказалось настолько существенным, что возникла мысль о том, что обратная транскрипция может быть частью механизма перемещения некоторых транспозонов, никакого отношения, казалось бы, к ретровирусам не имеющих. В частности, особого внимания удостоился транспозон, получивший название copia и представляющий собой неинтегрированную форму ДНК в культуре клеток плодовой мушки дрозофилы, сослужившей генетике не меньшую службу, чем вирус саркомы Рауса онкологии, а вирус мозаики табака - вирусологии.
Сначала (1981 год) Э. Флавелл и Д. Иш-Горовец в Лондоне разработали метод обнаружения неинтегрированных форм ДНК copia и установили, что эта ДНК очень похожа на неинтегрированную ретровирусную ДНК в зараженных клетках. Это было очень интересно, но еще не говорило о реальном происхождении такого рода элементов. Важные сведения были получены И. Р. Архиповой в Москве, в Институте молекулярной биологии АН СССР. Она и ее коллеги с исчерпывающей полнотой показали, что и возникновение этих элементов и их перемещение в геноме осуществляется в культуре клеток дрозофилы с помощью обратной транскрипции.
Другое доказательство участия обратной транскрипции в происхождении и перемещении транспозона было получено при изучении дрожжей в лаборатории Д. Динка в Массачусетском технологическом институте. Был изучен перемещающийся генетический элемент с условным названием Ту. В серии изящных экспериментов с несомненностью было установлено, что перемещающаяся ДНК Туявляется копией с... РНК, подвергшейся специальной обработке, а потому как бы меченой.
Итак, ДНК генетического фактора дрожжей, никакого отношения не имеющего к ретровирусам, является копией не ДНК, а некой РНК. Ясно, что это могло быть результатом только обратной транскрипции. Неудивительно, что перемещающиеся генетические элементы стали называть ретротранспозонами.
Итак, открыт новый неведомый ранее способ синтеза генов живых существ самого различного уровня организации: от ретровирусов до млекопитающих. Таким способом является обратная транскрипция ДНК на матрице РНК. Важно подчеркнуть, что синтез ДНК-копий ретровирусной РНК является не более чем частным случаем такого рода процесса, хотя он и был открыт первым.
Это неудивительно, но знаменательно: началась же вся вирусология с открытия вируса мозаичной болезни табака - не единственного, да и не главного представителя царства Вира (особенно в наш век тотальной борьбы с курением!). Похоже, что и обратная транскрипция ретровирусной РНК также не самая главная заслуга этого ферментативного механизма.
Есть мнение (его автор - американский молекулярный биолог Дж. Дарнелл-младший), что первым значимым веществом наследственности была именно РНК, а отнюдь не ДНК. Этому взгляду способствует большая универсальность РНК: она способна хранить информацию и воспроизводиться, в сущности, так же, как ДНК, но в отличие от нее может непосредственно направлять синтез белка и даже вести себя как фермент, о чем мы уже говорили в первом разделе книги.
Все это очень интересно и весьма вероятно. Но даже если все это так, то, бесспорно, что на каком-то этапе развития жизни РНК передала свою роль ДНК.
Именно поэтому обратная транскрипция является древним механизмом переноса информации с РНК на ДНК. Так, процесс, который вначале рассматривали как экзотическую способность, присущую лишь небольшой группе вирусов, теперь помогает проследить путь эволюции, приведшей к жизни на основе ДНК.
Из всех этих данных вытекают важные следствия по всем обсуждаемым нами вопросам.
Во-первых, становится совершенно очевидным, что нельзя говорить о каком-то общем происхождении всех вирусов. Видимо, из-за этого уязвимы все рассмотренные выше концепции. Кажется бесспорным, что РНК-содержащие вирусы - более древние, а ДНК-содержащие - более молодые. Ведь вирусная РНК в значительной степени сохранила все признаки древней РНК, которые у нее были, когда жизнь на основе ДНК еще не существовала: РНК-и хранитель генетического кода этой группы агентов, и непосредственный организатор синтеза вирусных белков в рибосомах инфицированных клеток, а в целом ряде случаев (применительно к малым рибовирусам) и монопольный организатор всего инфекционного процесса (вспомним инфекционность РНК вирусов полиомиелита, арбовирусов и т. д.).
Можно предположить, что эти рибовирусы являются истинными потомками тех древних доклеточных форм жизни, когда ДНК еще не стала практически монопольным хранителем генетической информации почти всего живого. В рамках этой гипотезы вполне вероятным кажется представление об определенном эволюционном усложнении древних рибовирусов от пикорнавирусов через арбовирусы к парамиксовирусам и ортомиксовирусам. В этом ряду можно отметить увеличение массы рибонуклеиновой кислоты, соответственно количества вирусиндуцируемых белков, появление отдельных ферментов в структуре вириона и, наконец, сегментацию самого генома, что увеличивает возможности генетического маневрирования. Самый сложный в этом ряду - вирус гриппа с 8 фрагментами РНК и целым набором ферментов, с выраженной способностью изменять свою антигенную структуру и биологические свойства, возможно, и один из самых "молодых"...
Другая группа агентов - ДНК-содержащие вирусы очень похожи на "взбесившиеся" гены. По крайней мере Д. Б. Голубев склонен считать их таковыми.
Еще в 1970 году были опубликованы работы американца Субак-Шарпа, который сравнил состав молекул нуклеиновых кислот трех разных групп ДНК-содержа-щих вирусов и соответствующих тканей позвоночных, в которых эти вирусы паразитируют. Он установил, что четыре мелких вируса из группы папова (СВ-40, полиомы, папилломы Шопа и папилломы человека) имеют нуклеотидное строение и состав, во многом сходные с составом тканей человека и животных. Эта схожесть создает почву для объединения ДНК вируса и клеток и лежит в основе онкогенности этих вирусов. Особенно отчетливо выявилось это тем же Субак-Шарпом при изучении аденовирусов, среди которых есть, как известно, и высокоонкогенные и практически неонкогенные представители. Так вот, у высокоонкогенных аденовирусов гомология вирусной и клеточной ДНК выражена в высокой степени, а у неонкогенных - вообще не выражена.
Все ли ДНК-содержащие вирусы - взбесившиеся фрагменты клеточных ДНК или только малые (если это вообще так), мы не знаем. Возможно, раз возникнув, такого рода агенты потом самостоятельно прогрессивно эволюционировали от паповавирусов к вирусам группы оспы - сложным, большим, богато оснащенным ферментами (почти бактериям).
Ни один из нас не готов настаивать на том, что высказанные предположения бесспорны. Но каково бы ни было реальное происхождение всех этих агентов (как мы заметили, за исключением ретровирусов), они, по мнению Д. Б. Голубева, живые существа, имеющие свою эволюционную историю и "борющиеся" за выживание своего вида по всем законам дарвиновской биологии.
А что же ретровирусы? Чтобы сказать что-то об их происхождении, нужно сделать новый экскурс в область онковирусологии, в ее современное состояние.
Вироиды.
Недавно удалось установить, что возбудителями некоторых опухолей растений являются маленькие "голые", т.е. лишенные белковой оболочки, свободные молекулы РНК. Их назвали вироидами. Это замкнутые в кольцо одноцепочечные молекулы с длиной цепи примерно в 360 нуклеотидов (мол. масса 12×10-4 Да).
Таким образом, они в десять раз меньше инфекционных РНК самых мелких из известных до сих пор вирусов, и, следовательно, это самые мелкие возбудители болезней. Вироиды вызывают болезни картофеля, цитрусовых, огурцов, хризантем, хмеля, кокосовых пальм и других растений.
Г. Шлегель "Общая микробиология", М., Мир, 1987
Генетическая инженерия растений: свершения и надежды (Лутова Л.А. , 2000), БИОЛОГИЯ
