«Требуется сборка»: Как происходили важнейшие превращения в истории жизни

Еще недавно ученые изучали эволюцию животных по окаменелостям. Потом молекулярная биология открыла нам доступ к генетическим данным, и мы выяснили, что на протяжении миллиардов лет геномы живых существ подвергались нападениям извне, сливались друг с другом и многократно перестраивались, порождая новые органы и ткани. В книге «Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни — от древних окаменелостей до ДНК» (издательство «Corpus»), переведенной на русский язык Татьяной Масоловой, палеонтолог и эволюционный биолог Нил Шубин рассказывает, как происходили наиболее значительные перемены и великие превращения в истории жизни на Земле. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным гену Arc, который участвует в механизме формирования памяти — и, вероятно, является фрагментом древней вирусной инфекции.

Память зомби

В детстве, пока Джейсон Шеферд жил в Новой Зеландии и в Южной Африке, он все время приставал к матери с разными вопросами, и однажды она заявила ему, что он должен стать ученым и ответить на все свои вопросы самостоятельно. К окончанию средней школы он уже знал, что хочет заниматься медициной. Он начал интенсивный курс обучения, чтобы за несколько лет получить как предварительное, так и полное медицинское образование. В первый год обучения он прочел известную книгу Оливера Сакса «Человек, который принял жену за шляпу». И эта книга изменила его жизнь. Вдохновленный Саксом, Шеферд перестал заниматься по медицинской программе и ринулся изучать молекулы и клетки, заставляющие работать наш мозг. Как он сам рассказывает, он искал ответ на вопрос, что делает нас людьми. Полем научной деятельности Шеферда стала память и ее потеря. Наша способность вспоминать прошлое в значительной степени определяет нашу способность учиться, наши отношения с другими людьми и функционирование в мире. Это вовсе не отвлеченная тема. Одна из самых серьезных задач нашего общества — борьба с нейродегенеративными заболеваниями. С увеличением продолжительности жизни старение мозга становится еще более серьезной проблемой. Потеря памяти и когнитивной функции сопряжены с чрезвычайно тяжелой эмоциональной, социальной и финансовой нагрузкой.

В последний год обучения в университете, подбирая тему дипломной работы по нейробиологии, Шеферд наткнулся на статью о гене Arc, вероятно участвующем в механизме формирования памяти. Когда мыши обучаются, у них этот ген включен. Более того, он проявляет активность в головном мозге в пространстве между нервными клетками. Возможно, ген Arc относится к числу генов, играющих важную роль в механизме памяти.

Через несколько лет после поступления Шеферда в университет развитие технологии достигло такого уровня, что ученые смогли создать мышей без гена Arc. Животные выживали, но имели целый ряд дефектов. Когда их запускали в лабиринт с сыром в середине, они могли добраться до сыра, но на следующий день не помнили устройство лабиринта. Мыши с нормальной памятью обычно его запоминают. В серии последовательных экспериментов выяснялось, что у мышей имеется специфический дефект формирования памяти. Известно, что у людей мутации гена Arc связаны с целым рядом неврологических нарушений, от болезни Альцгеймера до шизофрении.

Центром внимания Шеферда стали механизмы памяти и ген Arc. Он поступил в аспирантуру, чтобы изучать Arc с одним из тех ученых, которые впервые установили роль этого гена в поведении. После окончания аспирантуры он работал с человеком, определившим местонахождение гена Arc в геноме. В голове у Шеферда ген Arc присутствовал и в прямом, и в переносном смысле.

Обустроив собственную лабораторию в Университете Юты, Шеферд разработал экспериментальные методы для исследования работы белкового продукта гена Arc. Действительно, этот белок вовлечен в проведение сигналов между нервными клетками, важных для памяти и обучения. Чтобы ответить на свои вопросы, Шеферду предстояло выделить белок и изучить его структуру.

Очистка белка представляет собой многостадийную процедуру, суть которой заключается в отделении искомого белка от остального содержимого клетки. Процесс начинается с химического размягчения ткани (в данном случае ткани головного мозга) до жидкого состояния, а затем она поэтапно обрабатывается для отделения искомого белка от остальных белков. Этот белковый суп пропускают через серию колонок, на каждой из которых происходит отделение различных примесей. На одном из последних этапов жидкость пропускают через стеклянную колонку, заполненную специфическим гелем. На геле отделяются остаточные примеси и другие белки, и проходящая через него жидкость содержит только очищенный искомый белок. Шеферд провел все стадии процесса, получая на каждой стадии небольшое количество жидкости. Он нанес жидкость на последнюю стеклянную колонку — и не получил ничего. С колонки ничего не сходило. Он заменил гель новым. Опять ничего. Определенно, что-то забивало колонку. Исследователи опробовали другие колонки, но они по-прежнему оказывались засоренными. Попробовали варьировать концентрации разных растворов — помеха сохранялась.

Ассистенту Шеферда пришла в голову мысль: может быть, засорение колонки связано с каким то особым свойством белкового продукта гена Arc? Может быть, это не ошибка, а что-то, что говорит о структуре самой молекулы? Шеферд и его ассистент отобрали засорявшую колонки жидкость для анализа под электронным микроскопом, позволявшим при сверхсильном увеличении увидеть структуру белка на экране компьютера. То, что они увидели, было настолько удивительным, что Шеферд воскликнул: «Что тут происходит?»

Белок образовывал полые сферы, причем такие большие, что они скапливались в пространстве между частицами геля. Шеферд видел похожие сферы раньше, когда собирался стать врачом. Структура этих сфер была идентична структуре некоторых вирусов, которые перемещаются из клетки в клетку в процессе инфицирования.

Шеферд работает в исследовательском отделе медицинского центра Университета Юты, так что он отправился в другой отдел, где работает группа, изучающая ВИЧ. ВИЧ перемещается из клетки в клетку в белковой капсуле (капсиде), содержащей генетическую информацию. Шеферд показал вирусологам изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, и попросил их разобраться, что это за удивительные сферы. Специалисты по ВИЧ предположили, что это какой то вирус типа ВИЧ: они не видели разницы между капсидом Arc и капсидом ВИЧ. Оба состояли из четырех разных белковых цепочек и имели одинаковую молекулярную структуру, вплоть до расположения атомов в петлях и складках. Подобно анатомам, которые изучают кости и дают им названия, биохимики тоже дают названия молекулярным структурам. Одной из характерных особенностей молекулярной структуры ВИЧ является петля, называемая цинковым пальцем. Arc тоже имеет такую структуру.

Становилось ясно, что белок Arc практически идентичен белку из вируса типа ВИЧ. И обе молекулы функционируют одним и тем же образом: они переносят небольшие фрагменты генетического материала из одной клетки в другую. Как мы видели, синцитин тоже напоминает белок ВИЧ, хотя и в другом аспекте.

Совместно с генетиками группа Шеферда построила карту Arc и просканировала геномные базы данных для царства животных в поисках других существ с такими же генами. В процессе анализа структуры и распространенности гена всплыла история о древних инфекциях. Все наземные животные имеют ген Arc, а у рыб его нет. Это означает, что примерно 375 миллионов лет назад вирус внедрился в геном общего предка всех наземных животных. Мне нравится думать, что первым был инфицирован какой-то близкий родственник рыбы Tiktaalik. Когда вирус проник в организм хозяина, он принес с собой способность производить специфический белок, некую версию белка Arc. В норме этот белок позволяет вирусу перемещаться из клетки в клетку и распространяться. Но в данном случае вирусный ген встроился в геном рыбы в таком месте, что белок стал проявлять активность в головном мозге и усиливать память. Зараженные вирусом особи получили биологический дар. Вирус был вскрыт, нейтрализован и приручен для выполнения новой функции в головном мозге. Наша способность читать, писать и вспоминать моменты нашей жизни возникла благодаря древнейшей вирусной инфекции, случившейся тогда, когда рыбы делали свои первые шаги по суше.

Горя желанием обнародовать свои результаты, Шеферд отправился на конференцию по нейробиологии и поведению. До него выступала исследовательница, работавшая с дрозофилами. Она показала, что у дрозофил есть ген Arc. У них, как и у нас, он проявляет активность в пространстве между нейронами. Кроме того, у дрозофил белок Arc формирует полые капсулы, переносящие молекулы от одной нервной клетки к другой. Однако Arc дрозофилы по виду отличается от Arc наземных животных. Он был приобретен при другой встрече с вирусами.

Каким образом геному удается приручить вирус и пристроить к делу, а не дать ему инфицировать организм? Точного ответа нет, но есть множество предположений. Давайте представим себе судьбу вируса и хозяина в нескольких ситуациях. Если инфицирующая способность вируса очень высока, он убьет хозяина и не будет передан следующему поколению. Если вирус действует сравнительно мягко или приносит пользу, он внедрится в геном и там останется. Если он внедряется в геном яйцеклетки или сперматозоида, он передается потомству. Со временем, если такой вирус приносит большую пользу, скажем, обеспечивает хозяина более эффективной плацентой или памятью, естественный отбор может оставить его на месте и даже повысить его эффективность.

Геном похож на сцены из второсортного фильма о населенном призраками кладбище. Повсюду мы находим куски и фрагменты древних вирусов: по некоторым оценкам, 8 процентов нашего генома составлено из последовательностей мертвых вирусов; по последним данным, в нем содержится более ста тысяч вирусных последовательностей. Некоторые из этих ископаемых вирусов сохранили свою функцию и производят белки, задействованные в механизмах беременности, памяти и множестве других активностей, о которых мы узнали за последние пять лет. От прочих остались лишь мертвые тела, сохранившиеся там, где они встроились в геном, и их ждут распад и исчезновение.

В геномах продолжается борьба. Какие-то фрагменты генетического материала существуют для того, чтобы делать новые копии самих себя. Они могут быть иноземными захватчиками, такими как вирусы, которые проникают в геном, чтобы подчинить его себе. Они также могут быть частями нашего собственного генома, такими как прыгающие гены, которые размножаются и повсюду встраиваются. Иногда, когда эти эгоистичные генетические элементы приземляются в специфических местах, их можно применить для создания новых тканей, например эндометрии, или реализации новых функций, например памяти или обучения. Генетические мутации могут широко распространиться в геноме при смене всего нескольких поколений. И если вирусы попадают в организмы разных видов, у разных существ независимым путем могут происходить похожие генетические изменения.

Подробнее читайте:
Шубин, Н. Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни — от древних окаменелостей до ДНК / Ниш Шубин; пер. с английского Татьяны Масоловой. — М.: АСТ, 2022. — 288 с.