Медиатека

Чужой среди своих: когда вирусы впервые попали в геном позвоночных?

Коэволюция вирусов и млекопитающих насчитывает миллионы лет: «чужеродные» генетические элементы, на которые приходится до 8% генома человека, стали частью ДНК предковых позвоночных задолго до появления представителей рода Homo 1. Попадая в клетки зародышевой линии, эндогенные вирусные элементы (ЭВЭ) встраиваются в хромосомы и передаются по наследству, что обеспечивает их закрепление в геноме на протяжении многих поколений 2.

«Фиксированные» в популяции (т.е. встречающиеся со 100% частотой) ЭВЭ служат так называемой «палеонтологической летописью», позволяющей ретроспективно восстановить геохронологические пути эволюционных взаимодействий между вирусами и многоклеточными организмами: на основе данных о времени расхождения родственных видов, содержащих ортологичные локусы ЭВЭ (гомологи, разошедшиеся в результате видообразования), можно определить, когда именно произошла интеграция вирусных ДНК в геном хозяина 3.

У млекопитающих значимая доля ЭВЭ представлена фрагментами парвовирусов – безоболочечных одноцепочечных (до 5 тыс. пар оснований) ДНК-вирусов семейства Parvoviridae. С развитием методов молекулярной генетики парвовирусы стали ценным инструментом биомедицинской инженерии: в генной терапии они используются для создания вирусных векторов, в том числе при производстве вакцин (например, вектор аденоассоциированного вируса), а на основе онколитических свойств протопарвовирусов грызунов разрабатываются новые методы противоопухолевой терапии 4, 5. Социальная значимость парвовирусов также во многом определяется большим разнообразием патогенов животных и человека. Например, парвовирус В19 вызывает инфекционную эритрему («пятая болезнь») 6, а протопарвовирус плотоядных животных – парвовирусный энтерит собак 7.

Пролить свет на хронологию коэволюции парвовирусов и многоклеточных удалось ученым из Музея Севера Университета Аляски 8. Проанализировав данные полногеномного секвенирования 752 позвоночных, исследователи обнаружили 364 вирусных элемента, представителей 5 родов семейства Parvoviridae, которые за период кайнозойской эры не менее 199 раз встраивались в геном позвоночных. Большинство ЭВЭ принадлежали родам Protoparvovirus и Dependoparvovirus, реже происходили от предковых родов Erythro- и Ichthamaparvovirus. Фрагменты ДНК-патогенов – представителей Ave-, Boca-, Tetra-, Copi- и Chaphamaparvovirus – вовсе отсутствовали в анализируемых геномах. Среди всех исследуемых ЭВЭ ученые нашли 56 уникальных локусов, кодирующих полипептидные цепи длиной ≥300 аминокислот, причем некоторые из них активно экспрессировались в клетке.

Рис. 1. Распределение протопарвовирусов среди групп древних млекопитающих 8.
*Mya – миллионов лет

У млекопитающих обнаружили 121 ЭВЭ протопарвовирусов и 213 ЭВЭ, принадлежащих роду Dependoparvovirus. Первые за период эволюции встраивались в геном млекопитающих не менее 105 раз, вторые – по крайней мере 80 раз (Рис. 1, 2).

Рис. 2. (А) Биогеографическая изоляция наземных млекопитающих Лавразии (Европа и Азия), Южной Америки, Австралии, Африки и Мадагаскара в результате дрейфа континентов в 200–2035 гг. Эволюция плацентарных млекопитающих (включая грызунов, приматов, копытных и летучих мышей) берет начало в Лавразии. Позже эти группы мигрируют на другие континенты. (Б) Биогеографическая эволюция предковых млекопитающих 8.

Таким образом, в исследовании продемонстрирован яркий пример эффективной генетической коэволюции. Впервые парвовирусы встроились в геном позвоночных еще в период кайнозойской эры и, передаваясь по наследству на протяжении миллионов лет, приобрели уникальные особенности строения и функции. Сегодня парвовирусы, с одной стороны, представляют серьезную медико-социальную проблему, с другой, являются основой инновационных разработок в биологии и медицине. Поэтому понимание механизмов эволюционного взаимодействия парвовирусов и позвоночных является неотъемлемым этапом в изучении коэволюции представителей неродственных филогенетических групп, а также создании более эффективных и точных средств генной терапии.


Литература

1. Kazazian H.H. Jr., Moran J.V. Mobile DNA in Health and Disease. The New England Journal of Medicine, 2017. 

2. Katzourakis A., Gifford R.J. Endogenous viral elements in animal genomes. PLoS Genetics, 2010.

3. Belyi V.A. et al. Sequences from ancestral single-stranded DNA viruses in vertebrate genomes: the parvoviridae and circoviridae are more than 40 to 50 million years old. Journal of Virology, 2010.

4. Fakhiri J., Grimm D. Best of most possible worlds: Hybrid gene therapy vectors based on parvoviruses and heterologous viruses. Molecular Therapy, 2021.

5. Nüesch J.P. et al. Molecular pathways: rodent parvoviruses—mechanisms of oncolysis and prospects for clinical cancer treatment. Clinical Cancer Research, 2012.

6. Ganaie S.S., Qiu J. Recent Advances in Replication and Infection of Human Parvovirus B19. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018.

7. Tuteja D. et al. Canine parvovirology—A brief updated review on structural biology, occurrence, pathogenesis, clinical diagnosis, treatment and prevention. Comparative Immunology, Microbiology and Infectious Diseases, 2022.

8. Campbell M.A. et al. Comparative analysis reveals the long-term coevolutionary history of parvoviruses and vertebrates. PLoS Biology, 2021.