Эффект Рипли: Чужие злоумышленники в могиле

Источник: Оригинальный мультфильм от Alex Martin

У любого плацентарного млекопитающего тонко настроенная иммунная система защищает свое тело от вторжения. Обнаружение чужеродных белков вызывает отторжение. Тем не менее половина генов плода в утробе матери происходит от отца, производя множество отличительных белков. Почему тело матери терпит это чуждое присутствие? Плод каким-то образом обходит ее иммунологическую защиту, избегая отторжения. Питер Медавар, отец иммунологии, впервые отметил этот иммунологический парадокс в 1953 году. Он провел прямую параллель между плодом и трансплантированным «аллотрансплантатом» – тканью или целым органом – от другого человека, стимулируя огромный объем исследований в прошлом шесть десятилетий.

Но сходство между плодом и трансплантацией идет только до сих пор. И мать, и плод заинтересованы в беременности, поэтому это влечет за собой больше, чем принятие или отказ. Вместо этого достигается компромисс между воспитанием плода и предотвращением вторжения в бегство. Отношения матери-плода связаны с тесным сотрудничеством с уникальным взаимодействием в плаценте между клетками плода и лейкоцитами матери. Но, несмотря на многие успехи, обзоры Эшли Моффет и Чарли Локе в 2004 и 2006 годах показали, что иммунологический парадокс все еще ожидает правильного разрешения.

Эволюция плаценты

Диаграмма фетальных мембран у млекопитающих плаценты: Сокращения: C = хорион; V = желточный мешок; Al = allantois; Am = amnion; E = эмбрион.

Источник: Адаптировано из иллюстрации в Martin (1990)

Как видно из названия, все плацентарные млекопитающие имеют хорошо развитую плаценту, служащую основным интерфейсом между матерью и плодом. Из четырех плодных мембран, обслуживающих разные функции, самый внешний – хорион – всегда охватывает всю систему. Как внешний барьер, контактирующий с матерью, он обязательно участвует в любом сопротивлении иммунной защите матери. Но плацента показывает интригующие вариации. С одной стороны, существует широкий спектр различных типов; с другой стороны, каждая основная группа (порядок) млекопитающих обычно характеризуется только одним типом, что указывает на раннюю приверженность предковым условиям. Признание трех основных типов плаценты Отто Гроссером более века назад доказало свою ценность: неинвазивный, умеренно инвазивный или очень инвазивный. В отличие от инвазивных типов, не нарушается внутренняя подкладка матки в неинвазивной плаценте. В высокоинвазивной плаценте материнская кровь напрямую контактирует с хорионом. Принимая примеры среди заказов плацентарного млекопитающего, плацента неинвазивна как у оленей (парнокопытных), так и у нечетных (перисодактил) копытных млекопитающих, умеренно инвазивных у плотоядных животных и слонов и очень инвазивных у грызунов и кроликов. Изменения в порядке обычно включают умеренно или сильно инвазивные типы. Но приматы – яркое исключение: неинвазивная плацента лемуров и лориз совершенно не похожа на высокоинвазивную плаценту ластовиц и высших приматов.

• 3 Признаки У вашего ребенка есть инвалидность обучения
• Человек в вашей жизни может запугать вас, чтобы быть безболезненным
• Должны ли вы сделать новогодние резолюции в этом году?
• Электронная диета для сна
• 8 причин, по которым нам действительно нужно принимать решения

Диаграмма 3 основных типов плаценты, в зависимости от степени инвазии в матку. Фетальные ткани (бледно-розовые) и материнские ткани (темно-розовый) всегда разделены хорионом. Маточные железы (синие), производящие «маточное молоко», лучше всего развиваются у видов с неинвазивной плацентой и обеспечивают альтернативный источник питательных веществ плода.

Источник: Адаптировано из иллюстрации в Martin (1990)

Было сделано много попыток проследить эволюцию плаценты. В течение нескольких десятилетий доминирующее понятие заключалось в том, что эффективность плаценты возрастает по мере того, как она становится более инвазивной, поскольку сокращение барьеров между материнской и эмбриональной кровью способствует обмену. Неинвазивная плацента соответственно считается наименее эффективной и наиболее примитивной. Однако я давно утверждаю, что эта интерпретация ошибочна. Привести только одну проблему: дельфины, которые теперь известны как близкие родственники бегемота, вложенные в парнокопытные, имеют якобы «неэффективную» неинвазивную плаценту и все же демонстрируют быстрый рост плода, включая развитие особо большого мозга. По мере того как широко распространенные ДНК ДНК плацентарных млекопитающих становились все более доступными после 2001 года, быстро появился новый революционный консенсус. В четырех независимых исследованиях (включая мои собственные) все пришли к выводу, что неинвазивная предковая плацента маловероятна, потому что в последующей эволюции потребуется гораздо больше изменений. Умеренно инвазивное состояние у предковых плацентарных млекопитающих требует наименее эволюционных изменений. Я пришел к выводу, что объяснение эволюции альтернативных типов плаценты должно заключаться в компромиссах между вторжением матки и преодолением иммунологической защиты.

Ошибки в геноме

Первоначально предполагалось, что ДНК в ядре клетки состоит из длинных последовательностей генов, каждая из которых кодирует определенный белок. Удивительно, но постепенно выяснилось, что ДНК млекопитающих преимущественно состоит из некодирующих последовательностей, называемых «мусорная ДНК», потому что большинство из них не имеют известной функции. В геноме человека, например, только 1% ДНК-последовательностей кодируют около 25 000 генов, в то время как другие 7% могут быть связаны с функцией гена каким-либо образом. Из оставшихся 92% «прыгающие гены» (мобильные элементы) составляют почти половину человеческого генома, а примерно шестая из них происходит от преимущественно неактивных ретровирусов. Вторжение ретровируса вставляет ДНК в геном хозяина и может изначально быть очень опасным. Но организм-хозяин постепенно принимает контроль и со временем вставленные последовательности обычно вырождаются и подвергаются большой перегруппировке. Только самые последние ретровирусы являются нетронутыми и активными, хорошо известным примером является вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), ответственный за СПИД.

• Рак молочной железы против. Менопаузальный Mojo: Мы должны выбрать?
• Улучшение спортивных результатов – получите правильный отдых
• Необычные имена в обучении
• Почему вы стремитесь понять парадоксального избирателя козыря
• Обучение памяти обеспечивает длительные эффекты

Структура ВИЧ, типичный ретровирус. Ген gag кодирует предшественник оболочки, ген pol дает ферменты, которые превращают вирусную РНК в ДНК для введения в геном хозяина (обратная транскриптаза и интеграза), а ген env кодирует поверхностный белок в оболочке вируса.

Источник: Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID), через Национальный институт здоровья (NIH) [Public domain, by Wikimedia Commons]

Прыгающие гены, которые вводят зародышевую линию, передаются от одного поколения к другому. Хотя они обычно увольняются как простые «генетические паразиты», накопление доказательств свидетельствует о том, что некоторые (особенно ретровирусы) неоднократно были набраны для полезных функций. Типичный ретровирусный геном включает только 3 гена: ген gag , кодирующий предшественник компонентов вирусной оболочки, ген pol , координирующий продукцию компонентов, необходимых для превращения вирусной РНК в ДНК для введения в геном хозяина, и ген env , кодирующий белковые молекулы встроенный в внешний оболочку вируса. В течение эволюционного времени последовательные ретровирусные амплификации генерируют семейства повторных последовательностей. В некоторых редких случаях отдельные ретровирусные гены сохраняются в течение миллионов лет, в то время как остальные последовательности вырождаются. Сохранение одного функционального гена ретровирусного происхождения в кластере родственных видов указывает на избирательное преимущество хозяев.

Вирусные гены в плаценте

В ходе крупного прорыва было обнаружено, что гены env из ретровирусов неоднократно «захватываются» для выполнения ключевых функций в плаценте млекопитающих. В геномах млекопитающих, относящихся к нескольким различным группам, были идентифицированы специфичные к плаценте гены, кодирующие белки оболочки, в каждом случае, полученные из членов разных семейств ретровирусов. Белки конвертов ретровирусов играют важную роль во время заражения путем слияния с мембраной клетки-хозяина. Более того, эксперименты показали, что эти белки также подавляют иммунный ответ хозяина. Сходящаяся эволюция произошла в нескольких группах млекопитающих, чтобы «одомашнить» env гены ретровирусов (переименованных в синцитины ) и использовать их свойства слияния и иммуносупрессии в плаценте. Среди высших приматов один ген синцитина встречается только у обезьян Старого Света, обезьян и людей, а другой – у обезьян Нового Света. Таким образом, последний предположительно уже присутствовал в первоначальном общем предке всех высших приматов, а первый появился позже только в ветке Старого Света. Доказательства для «очищающего отбора», действующего на оба гена, указывают на важную функцию. В отдельных случаях захват генов синцитинов, кодирующих белки ретровирусной оболочки в плаценте, происходил дважды в группе грызунов мыши, один раз у кроликов и зайцев, один раз у хищников и один раз в десятиречье. Кроме того, у различных жвачных животных от коров до жирафов, но не у других парнокопытных, есть ген, специфичный для плаценты. Хотя у парнокопытных обычно имеется неинвазивная плацента, у жвачных животных ген синцитина участвует в очень ограниченном процессе слияния клеток.

Упрощенное эволюционное дерево плацентарных млекопитающих, показывающее основные типы плаценты (синий = неинвазивный, оранжевый = умеренно-инвазивный, красный = сильно инвазивный). Перевернутые лиловые треугольники указывают 8 независимых вставок синцитиновых генов по меньшей мере в 6 разных линий.

Источник: модифицированная версия дерева в Cornelis et al. (2014).

Все гены синцитинов, идентифицированные до настоящего времени, были захвачены задолго до возникновения плацентарных млекопитающих, поэтому они ничего не сообщают нам о первоначальном состоянии предков. Стремясь заполнить этот пробел, Лавиалль и его коллеги предположили, что появление плацентарных млекопитающих сопровождалось захватом оригинального ретровирусного env- гена, который впоследствии был заменен в различных линиях путем захвата различных генов env после последовательных независимых инфекций новыми ретровирусами. Логическим следствием является то, что доказательства «потерянных синцитинов» должны присутствовать в геномах плацентарных млекопитающих. Предварительные данные действительно были найдены в другом геном белка ретровирусной оболочки в геноме человека; но для завершения истории необходимо дополнительное подтверждение.

Очевидно, что многое еще предстоит открыть. Но то, что мы уже знаем, обеспечивает аккуратную иллюстрацию того, как эволюция работает. Благодаря «переделке» существующий материал (в данном случае гены вирусной оболочки) может быть модифицирован для новых целей. Более того, если появляется ценная новая функция – как в выражении «захваченных» вирусных генов в плаценте для слияния клеток и иммуносупрессии, – что эволюционная модификация может происходить независимо в нескольких разных линиях. И все это показывает, что этот факт поистине незначителен, чем научная фантастика.

Рекомендации

Картер, A. (2013) Древний эндогенный вирус. Сообщение в блоге «Эволюционная плацента» : http: //www.placentalevolution.blogspot.ch/2013/08/an-ancient-endogenous-…

Cornelis, G., Vernochet, C., Carradec, Q., Souquere, S., Mulot, B., Catzeflis, F., Nilsson, MA, Menzies, BR, Renfree, MB, Pierron, G., Zeller, U ., Heidmann, O. & Heidmann, T. (2015). Захват генов ретровирусной оболочки и синхронизация синцитина для плацентации в сумчатых. Труды Национальной академии наук США 112 : E487-E496.

Cornelis, G., Vernochet, C., Malicorne, S., Souquere, S., Tzika, AC, Goodman, SM, Catzeflis, F., Robinson, TJ, Milinkovitch, MC, Pierron, G., Heidmann, O. , Dupressoir, A. & Heidmann, T. (2014) Улавливание синцитином ретровирусов огибающей в расщепленной анкестральной кланой млекопитающих для плацентации в примитивных афроэтических тенреках. Труды Национальной академии наук США 111 : E4332-E4341.

Lavialle, C., Cornelis, G., Dupressoir, A., Esnault, C., Heidmann, O., Vernochet, C. & Heidmann, T. (2013) Палеовирусология синцитинов, ретровирусных env генов, в плацентации. Философские труды Лондонского королевского общества B 368, ст. № 20120507 : 1-10.

Martin, RD (1990). Происхождение и эволюция приматов: филогенетическая реконструкция. Нью-Джерси: Принстонский университет.

Martin, RD (2008) Эволюция плацентации у приматов: последствия филогении млекопитающих. Эволюционная биология 35 : 125-145.

Medawar, PB (1953) Некоторые иммунологические и эндокринологические проблемы, вызванные эволюцией жизнеспособности у позвоночных. Симпозиумы Общества экспериментальной биологии 7 : 320-338.

Moffett, A. & Loke, YW (2004) Иммунологический парадокс беременности: переоценка. Плацента 25 : 1-8.

Moffett, A. & Loke, YW (2006) Иммунология плацентации у эвтерийских млекопитающих. Обзоры природы Иммунология 6 : 584-594.

Zimmer, C. (2012) Млекопитающие, полученные вирусами. Сообщение в блоге The Loom : http://phenomena.nationalgeographic.com/2012/02/14/mammals-made-by-viruses/