МИКОПЛАЗМА, ТРАНСПОЗОНЫ, ЭВОЛЮЦИЯ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА.
ЧАСТЬ 1. 25 ИЮЛЯ - 25 АВГУСТА 2009.
Главы из книги:Курносов М.Н."Новая генетика и ДНК-информатика".2013.
На примере генома микоплазмы я продемонстрирую, как производится поиск и сравнение геномов или последовательностей ДНК.
В процессе разных биоинформационных разработок ученые постоянно проводят
поиск и сравнение каких-то участков ДНК. ДНК подвергается постоянному мутированию - это ее основное свойство. Можно сказать, что человек на
столько-то процентов сходен с шимпанзе, мышью и даже с растениями, микробами
и вирусами. С ними в человеческой ДНК есть много совпадений. Чтобы оценить
эти мутации у разных участков или разных организмов, проводится сравнение
разных последовательностей друг с другом. Операция называется иначе
алигментом. Для целей сравнения и выравнивания двух или многих участков есть много разных программ. Я приведу , для примера, самые простые из них, и самые передовые.
Для примера, я приведу программу Repfind, находящуюся по адресу
ftp://ftp. ebi. ac. uk/pub/software/dos/repfind/.
Программа G. Hutchinson, 1995 года, предназначена для работы в
DOS или Windows в командном режиме. В ней использована база
повторов J. Jurka. Программа простая и позволяет искать не только повторы в
ДНК , но и любые участки. У нее есть ограничения на размер участка, который
надо будет найти - около 2500 байт. Для подключения к программе нового
повтора надо дать команду repfind -e <имя файла нового повтора>. ref, далее вписать этот файл строкой в файл repfind. cfg. Для поиска дать команду
repfind -d <имя тест-файла>. Будут выведены наглядно сравниваемые места в
двух файлах со статистикой.
Также простая программа - это Clustalw и Clustalx, можно взять по адресу ftp://ftp. ebi. ac. uk/pub/software/clustalw2.
Она позволяет вести сравнение сразу нескольких участков. Эти программы сравнивают или ведут поиск участков ДНК даже если в них есть пробелы или
gaps, или вставки. Это распространенные мутации ДНК - вставки (инсерции)
одного или нескольких нуклеотидов или делеции (пробелы). Для поиска в ДНК небольших участков, я применяю обычные текстовые поисковики. Для этого
открываю участок ДНК программой "Блокнот", или подобной, беру опцию "Правка",
далее "Найти", и в окно вставляю искомый участок. Далее нажать кнопку "Найти далее". При таком поиске, если хотя бы один знак будет отличен, то участок не будет найден. Также в текстах есть невидимый знак переноса строки. Если он
будет внутри участка, то он не будет найден. Это такие ограничения простых поисковиков. Одной из самых передовых поисковиков является программа BLAST.
Она находится по адресу http://www. ncbi. nlm. nih. gov/
BLAST. Она распространяется свободно в виде файла, например
ncbi-blast-2. 2. 26. +-win32. exe , или используется в онлайновом сервисе.
Для этого надо открыть страницу BLAST, выбрать раздел анализа последовательности, выбрать сравнение. Будет открыто окно "Align Sequences Nucleotide BLAST". В форму вставить два участка ДНК, выбрать опции сравнения,
и нажать кнопку "BLAST". Будет выведен полный отчет о поиске, сравнении двух
участков ДНК. Для изучения BLAST написаны целые книги, так как эта программа
довольно сложна и требует введения многих опций или ключей в коммандном
режиме. Литература по BLAST [16]. Можно также использовать Help-файлы со
страниц о BLAST. Пример использования этой программы будет дан в части 2
раздела о микоплазме.
Микоплазма - микроб небольшой, и поэтому алигмент ее генома с другими организмами не сложен по количеству сравниваемой информации.
Что вообще сегодня известно о микоплазме?
Микоплазма - внутриклеточный или расположенный на поверхности микроб, она
может бессимптомно сопровождать человека всю его жизнь или вызывать
заболевание тяжелое, вплоть до смерти. Существует много видов микоплазм
человека и животных. Из микоплазм человека значение, как патогены или сапрофиты, имеют Mycoplasma pneumoniae, M. hominis и другие. Из них самый маленький геном у M. genitalium.
Mycoplasma genitalium имеет 517 генов, из них у 100 функция пока не известна,
а 93 гена повреждены по [19]. У этого микроба наименьшее количество генов, с которыми еще возможна жизнь свободно живущего организма клетки-прокариота.
Живет в половых путях человека, что особо важно, так как она прилипает к сперматозоидам и , возможно, к яйцеклетке. Таким образом, при предполагаемом проникновении ее генома внутрь зиготы или в клетки бластулы или эмбриона, возможно влияние на геном зародыша человека на ранних этапах эмбриогенеза, и поэтому предполагается появление иммунной толерантности к этому микробу.
Если микроб повреждает ключевые системы плода, то происходит смерть эмбриона
- бесплодие или самопроизвольный аборт мертвым плодом или при частичном повреждении и внутриутробной персистенции, носительстве микроба - рождение
живого плода со сниженной массой тела. Литература [17, 18, 21].
Микоплазма может влиять на работу генов клетки-хозяина после инфицирования,
по литературе [20, 22, 23] может изменять работу генов клетки так, что через несколько стадий деления работа генов изменяется необратимо, приводя клетку к
раковой трансформации. В культуре клеток для полной трансформации надо около
18 недель. Этот пример показан для заражения Mycoplasma fermentans. Клетки проходят стадию обратимого изменения, при котором обработка антибиотиком,
освобождая клетки от микоплазмы, возвращает нормальный фенотип клетке.
Этот пример я привел для того, чтобы показать, что геномы клетки и паразита активно взаимодействуют. Аберрации регуляции генов , вероятно, проходят
стадию нестабильности генома, при котором активация транспозонов обычное явление, а возможное внедрение транспозонов под промоторы онкогенов
приводит к стойкой раковой трансформации. Поверхностное расположение
микоплазм также может приводить к обмену генетическим материалом, но по
другому механизму без внутриклеточного расположения микроба. Хотя, как для
M. penetrans так и для M. genitalium показаныо их внутриклеточное положение
для части микробов. Я приведу здесь мою гипотезу о роли микоплазмы в биологии
и эволюции человека. Это микроб , который на протяжении всей истории человечества имеет прямой контакт с половыми и зародышевыми клетками и , поэтому, возможно, причастен к жесткой эволюции человека путем обмена генами
при попадании микроба в эмбрион при его заражении. Если в настоящей генетике проводят эксперименты по введению генетического материала в яйцеклетку с
помощью микрошприца, протыкая оболочку зиготы, то микоплазма - это природный переносчик генов. К тому же, как половая инфекция, микоплазма , возможно,
транспортирует гены между индивидумами. Я предполагаю , что это делает микоплазму носителем или "троянским конем" для введения в клетки
человека иной генетической информации.
Это пока что моя гипотеза, а косвенное ее подтверждение - это обнаруживание
мной в геноме микоплазмы участков ДНК похожих на транспозоны человека.
Я произвел поиск повторов и транспозонов, характерных для человека в
Mycoplasma genitalium G37. Я обнаружил сильно мутировавшие повторы подобные
транспозону L2, CHARLIE2 и эндогенного ретровируса человека.
Примеры этих участков приведены в приложении 8.
Попал вирус или транспозон в микоплазму от человека или другого организма или наоборот. Покажет дальнейшее изучение. Скорее всего обмен ими был
многократным в истории человечества и при этом были перестройки генома
в зародышевых клетках.
Это говорит о том, что в далеком прошлом произошла с человеком генетическая катастрофа, изменившая биологию человека. Произошло резкое изменение генома человека, которое и привело к современному Homo sapiens со всеми его
болезнями и низкой продолжительностью жизни. Возможно это связано с какими-то глобальными геологическими или экологическими процессами на планете Земля.
Именно в такие времена выживания человеческого рода происходит снижение иммунитета и распространение различных инфекций. Можно даже вспомнить
библейскую легенду о всемирном потопе и о том что люди до потопа жили до 1000 лет, а после Мафусаила через несколько поколений продолжительность жизни
упала до 40-70 лет в разных эпохах. Такое резкое падение длительности жизни - косвенный признак заражения человека каким-то вирусом. Или , как я думаю, это микоплазма плюс вирус или транспозон.
Микоплазма была всегда с гоминидами и является поэтому свидетелем этой генетической катастрофы. С тех пор как произошел обмен генами с микоплазмой прошло много времени. Хотя количество измененных нуклеотидов в похожих
последовательностях известно, но точно назвать дату трудно. Если геном
человека во много раз стабильнее микоплазмы, то все-таки судить о скорости мутирования микоплазмы трудно, так как влияет на это много факторов. И даже в одном гене у микоплазмы mgpC есть вариабельный и консервативный участки.
Использование для определения скорости мутирования микоплазмы культуры зараженных клеток также может дать большую ошибку, так как в реальном
человеке на них влияет иммунитет и метаболический фон.
Чтобы точно рассчитать это время я предлагаю ученым провести для прямого
замера следующий эксперимент - если будет найден замороженный умерший
человека где то в широтах вечной мерзлоты или высокогорья, что более реально,
то выделить у него микоплазму, которая была заморожена вместе с человеком
на протяжении 300-500 лет со знанием точной даты смерти человека и определить
в ней количество мутаций и сравнить с современной микоплазмой с учетом этноса
и географии. При этом скорость мутации в микоплазме будет определена
более точно in vivo.Если будет возможность,то вместо SNP в отдельных локусах лучше полностью отсеквенировать весь геном у микоплазм, выделенных у такого человека, жившего несколько сотен лет назад. После этого можно будет сравнить
эти участки повторов похожие не человеческие и экстраполировать назад в
историю вида человека.
В настоящее время мне удалось найти одну статью, где in vivo продольные исследования проводились только за 10-35 дней. При этом , конечно, никаких
новых мутаций не обнаружили у микоплазмы из зараженного человека в генах
микоплазмы rRNA и MG309. В другом исследовании проводилось продольное
изучение гена mgpC у инфицированных женщин на протяжении 19 месяцев. Проксимальный его участок содержит гипервариабельный участок, скорость
мутаций в котором очень велика. На участке в 70 аминокислот произошло около
20 различий за это время. Таким образом, у микоплазмы есть консервативные участки, необходимые для стабильности важных генов и сохранения вида и
гипервариабельные участки , необходимые для паразитирования. В частности для ускользания от иммунного надзора. Поэтому только прямое определение в виде секвенса может дать ответ на этот интересный вопрос – когда у человека и микоплазмы произошли обмены генетической информацией и как это могло повлиять
на эволюцию человека?Возможно, за счет обмена между человеком и микоплазмой
даже небольшими участками ДНК, особенно транспозонами или эндогенными ретровирусами, произошло резкое повышение нестабильности генома предков человека, что способствовало его эволюции и приспособлению к среде. Что в конечном счете привело к современному виду человека.
Еще раз отмечу, что это лишь моя гипотеза. Как обычно,данные, полученные с помощью биоинформатики, надо проверять экспериментально.
Меня интересует этот микроб с точки зрения моей программы борьбы с мобильными генетическими элементами - транспозонами. Транспозоны могут быть одними из главных факторов повреждения клеток и снижения уровня здоровья, расходования резервов организма, развития рака и старения.
Могут ли как-то взаимодействовать транспозоны человека с их мутировавшими похожими последовательностями из микоплазмы пока не известно.
Косвенный факт этого - возникновение артритов у инфицированных микоплазмой людей. С другой стороны, было показано, что активация некоторых транспозонов
у человека, например LINE, приводит к развитию ревматоидного артрита.
Необходимо радикальное освобождение человечества от этого микроорганизма. Использование антибиотиков и вакцинация по литературе [17] дает временный
эффект для отдельных индивидуумов. Человек может заражаться микоплазмой много
раз в течение жизни. И, если человечество намерено освободиться от основных
микробных патогенов, то микоплазма хороший кандидат для этого. Например, человечество победило натуральную оспу в 70-80 годах прошлого века и всем от этого хорошо. Также надо последовательно избавляться и от других патогенов ,
путем проведения генетических влияний на эти микробы. Для этого надо либо модифицировать геном человека, чтоб он был не совместим с микоплазмой на генетическом уровне, либо применить лекарство , изменяющее геном микроба,
когда он в клетке или снаружи.
Микоплазму легко контролировать микробиологически и генетически, потому что у нее очень маленький геном и достаточно 1-2 генов человека для противостояния
ей, и, если микроб проникнет внутрь клетки, то программу его размножения
легко заблокировать, сделав геномы человека и микроба несовместимыми.
Если же влиять на геном микоплазмы, то из небольшого числа эссенциальных
генов можно in vivo заблокировать тоже 1-2, чтобы сделать микроб нежизнеспособным. Таким образом , я думаю, в недалеком будущем будет переход
от антибиотиков и вакцинации в борьбе с микробами к влиянию на генетическое
взаимодействие микроба и хозяина.
МИКОПЛАЗМА, ТРАНСПОЗОНЫ, ЭВОЛЮЦИЯ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА.ЧАСТЬ 2.
Я произвел сравнение генома Mycoplasma genitalium c HERVK и LINE 1 транспозонами. Использовался онлайн сервис - программа BLAST сервиса NCBI. Полученные данные в виде нескольких примеров представлены в приложении 9.
Видно, что есть очень много участков с идентичностью для некоторых до 100 процентов. Данные транспозоны – эндогенный ретровирус человека К и перемежающийся большой повтор 1 характерны для человека. Их ДНК получена из
базы повторов человека с сайта www. girinst. org . Таким образом, я показал,
что в таких разных организмах, как человек и прокариот микроб микоплазма
имеются почти одинаковые участки ДНК. Особенно наглядно соответствие геномов можно видеть, если при алигменте загрузить дот матрикс. Он находится на той
же странице алигмента, что и графический результат алигмента ДНК. На нем
видно, что есть много участков соответствия, но они разбросаны по дот
матриксу и оторваны друг от друга. Также было наблюдение того, что многие алигменты имеют плюс и минус цепи ДНК, то есть повернуты на 180 градусов.
На основании этого я сделал вывод, что участки человеческой ДНК встраиваются
в геном микоплазмы. Эти события встраивания облегчаются тем, что в половых
путях повышено количество ДНК человека из разрушенных сперматозоидов, а транспозоны составляют значительный процент всего генома. Вероятно,
микоплазма постоянно встраивает в свой геном внешнюю ДНК, которая затем подвергается мутированию в течение времени. Возможно влияние ДНК микоплазмы
на человека, но это требует дополнительного изучения. В этой же книге
основной упор я делаю на демонстрацию роли ДНК биоинформатики для подготовки дальнейшиего экспериментального изучения роли микоплазмы на здоровье
человека.
С точки зрения здоровья человека и геронтологии, имеет большое значение наблюдение того, что у животных при эксперименте длительность жизни сильно зависит от условий в которых находятся половые клетки до оплодотворения. При полной зашите половых клеток от окислительной деструкции у мышей
предполагается увеличение в 2 раза предстоящей длительности жизни.
Как пишут эти авторы, это может быть сверхпервичной профилактикой старения и болезней у будущего поколения. Литература [24].
Микоплазма может нанести прямой вред половым клеткам за счет токсинов и за
счет кислородных радикалов. Резкое возрастание кислородных радикалов в среде
также происходит за счет "кислородного взрыва", который производят активированные микробами нейтрофилы, находящиеся в половых путях.
В настоящее время распространенность микоплазмы на примере близкого вида M. hominis и U. urealyticum дают 40 процентов всех воспалительных заболеваний мочеполовых органов. Бессимптомное носительство составляет от 8 до 26
процентов всех людей. Литература [25]. Таким образом, проблема микоплазм довольно большая для человечества, и вызывает интерес у разных специалистов,
от практической медицины до генетики.