Влияние трансгенных вирусных ДНК (РНК) на естественную эволюцию вирусов

История трансгенных растений, устойчивых к вирусам берет начало с 1986 года, когда P. Powell-Abel с соавторами было создано растение табака, устойчивое к вирусу табачной мозаики (TMV). С тех пор увидело свет множество трансгенных культур, устойчивых к широкому спектру вирусов. Эти растения являются примером использования патоген-зависимой резистентности – резистентности, определяемой действием патогена (вирусными генами). Среди агентов резистентности вирусного происхождения, инкорпорируемых в растительный геном, можно назвать гены, кодирующие капсидный белок (CP-белки - от английского coat protein); дефектные гены белков, обеспечивающих движение вирусов и их проникновение в клетку; гены репликаз, протеиназ и их вспомогательных компонентов. Однако чаще всего для развития резистентности растений к вирусам используют трансгенез СР-генов.

Устойчивость к вирусным заболеваниям – одно из наиболее ценных достижений современной генно-инженерной биотехнологии. Однако, несмотря на неоспоримые преимущества при использовании, трансгенные вирусоустойчивые растения могут представлять собой и определенный фактор экологического риска. Фактор риска связан с предполагаемой вероятностью взаимодействия продуктов вирусного трансгена (РНК или вирусного протеина) с природными вирусами по типу синергизма, транскапсидации или рекомбинации. Эти взаимодействия теоретически могут привести к повышению активности вирусов, выражающейся как в усилении их поражающего действия, так и расширении первоначального видового состава их потенциальных носителей. В качестве определенного фактора риска в отношении некоторых групп растений рассматривается также вероятность миграции гена вирусоустойчивости к представителям диких родственных видов (появление резистентности или толерантности к вирусам может стать фактором неконтролируемого увеличения их численности).

Повышение активности вирусов может быть вызвано фенотипическими изменениями во взаимодействии вирусов между собой и их кумулятивным действием на растение-носитель (при синергизме вирусов и транскапсидации), или иметь в своей основе генетические изменения вирусной РНК при ее рекомбинации с РНК трансгенного устойчивого к вирусам растения.

При синергизме два или более различных вирусов могут одновременно заражать растение. При этом комбинированное действие этих вирусов имеет больший поражающий эффект, чем тот, который был бы при поражении каждым из вирусов в отдельности. В случае взаимодействия вирусов с трансгенным растением существует вероятность эффекта синергизма при взаимодействии РНК или протеинов, являющихся продуктами трансгена, и вирусом другого типа (не родственного трансгену), заражающего трансгенное растение. До настоящего времени не было зафиксировано ни одного случая синергизма у трансгенных растений, однако такие взаимодействия между вирусами, одновременно заражающими одно растение, неоднократно наблюдались у нетрансгенных растений. Впервые замечен и наиболее полно изучен эффект синергизма при одновременном заражении картофеля вирусами картофеля Х (PVX - potato virus X) и Y (PVY - potato virus Y). Механизмы, лежащие в основе проявления эффектов синергизма еще мало изучены. Однако было установлено, что значимую роль для их возникновения в случае взаимодействия PVX и PVY играет 5’-терминальная последовательность генома PVY размером в 3544 нуклеотида, кодирующая протеазу-1 (Р1), компонент-помощник протеазы (HC-Pro) и протеин-3 (Р3).

Неоднократно в научной литературе, посвященной экологическим проблемам биобезопасности, поднимался вопрос о потенциальной опасности другого типа взаимодействия вирусов – транскапсидации(иначе гетерокапсидации). При транскапсидации происходит замена капсидной белковой оболочки одного типа вируса на капсидную оболочку другого. Если первый вирус мог распространяться от растения к растению посредством растительноядных насекомых (например, тлей (Aphis), колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata) и многих других), то передача его капсидной оболочки второму вирусу, не имевшему такой способности, приводит у второго вируса к ее появлению. Таким образом, транскапсидация рассматривается как способ расширения числа потенциальных носителей вирусов, которые раньше были ограничены в выборе хозяина из-за невозможности переноса растительноядными насекомыми. В случае с трансгенными вирусоустойчивыми растениями РНК вируса, заражающего трансгенное растение, может приобрести новую белковую оболочку (энкапсидироваться), кодируемую РС-трансгеном этого растения.

В модельных системах (системах с искусственно созданными оптимальными для протекания процесса условиями) возможность транскапсидации была продемонстрирована для нескольких типов вируса, например, для вируса желтой карликовости ячменя (группа luteovirus), представителей группы вирусов, к которым также принадлежит PVY (группа potyvirus) и вируса кустистой карликовости томатов (группа tombusvirus). Также была продемонстрирована возможность транскапсидации с участием вирусного СР трансгенных растений . Например, Н. Lecoq с соавторами (1993) наблюдали заражение трансгенных растений кабачка со встроенным геном СР от переносимого тлями вируса желтой мозаики кабачка (potyvirus), вирусными штаммами, которые тлей переноситься не могут (имеют дефектный трансмиссионный фактор в гене СР). Однако в природных условиях явление транскапсидации является исключительно редким, несмотря на многочисленные известные случаи совместного сосуществования нескольких вирусов в разных сельскохозяйственных и древесных растениях.

Таким образом, несмотря на известную теоретическую возможность транскапсидации и синергизма при участии вирусных генов трансгенных растений, осуществление этих событий в естественных условиях представляется маловероятным. Кроме того, синергизм и транскапсидация у сельскохозяйственных культур могут иметь только кратковременный фенотипический эффект, который прекращается вместе с окончанием вегетации трансгенного растения. По мнению некоторых исследователей транскапсидацию вообще не стоит рассматривать как проблему, так как трансмиссия капсидного белка представляет собой единичные случаи, и даже если вирусы приобретают такой белок, они быстро возвращается к использованию своего собственного.

Оценивая в целом вероятность неблагоприятных последствий для сельскохозяйственных культур и окружающей среды транскапсидации и синергизма с участием устойчивых к вирусам трансгенных растений, ее можно оценить только как очень низкую. А эффекты, которые могут последовать для трансгенных растений от реализации синергизма или транскапсидации, не могут превышать тех, что имеют место при заражении вирусами нетрансгенных вирусочувствительных растений.

Рекомбинация вирусной РНК со встроенными участками генома растений вирусного происхождения гораздо чаще, по сравнению с двумя предыдущими явлениями, рассматривается в качестве реального источника неблагоприятных последствий для окружающей среды в литературе, касающейся безопасности использования растений с трансгенным признаком устойчивости к вирусам. Как мы уже знаем, эти последствия будут определяться вероятностью события (фактора риска) и его возможным поражающим эффектом. Насколько вероятна рекомбинация генов между РНК двух вирусов или вирусов и вирусными генами трансгенных растений?

Впервые рекомбинация вирусных РНК была обнаружена G.K. Hirst (1962) при совместном заражении животных разными штаммами полиовируса. С тех пор был опубликован ряд сообщений о рекомбинации РНК животных и растительных вирусов. В качестве доказательства существования рекомбинации между вирусными РНК приводятся результаты лабораторных экспериментов с использованием штаммов вирусов с функциональными дефектами. В результате взаимодействия в совместно инфицированных растениях дефектных вирусов с полноценными, функции первых восстанавливались, что служит подтверждением наличия рекомбинации РНК дефектных и полноценных вирусов. Однако отсутствуют публикации по поводу рекомбинации между совместно инфицированными дикими типами вирусов. Возможно, это связанно со сложностью учета частоты рекомбинации РНК между бездефектными дикими штаммами вирусов. Ведь даже если рекомбинация и имеет место, то это событие из разряда крайне редких. Для рекомбинации необходимо совпадение, по крайней мере, двух событий: два вируса должны одновременно находиться в состоянии репликации РНК и в то же самое время находиться в непосредственной близости в клеточном пространстве.

Та же система с использованием дефектных функциональных генов применяется для выявления рекомбинации между РНК растительных вирусов и РНК инфицируемых трансгенных растений. Была выявлена возможность рекомбинации между РНК вируса мозаики цветной капусты (CaMV) с РНК трансгенных растений со встроенными генами вирусов хлорозной пятнистости вигны (CCMV) и кустистой карликовости томата (TBSV). Показано также восстановление двигательной функции белка у дефектного по этому признаку штамма CaMV, после его инокуляции в трансгенные растения рапса с экспрессией гена CaMV ORFVI, кодирующего двигательный протеин, необходимый для систематического заражения растений вирусом мозаики цветной капусты. Таким же образом удалось продемонстрировать рекомбинацию РНК растения с трансгеном, кодирующим 3’-терминальную часть капсидного протеина CCMV и РНК изолята CCMV, в котором гены, кодирующие этот участок протеина, отсутствовали. Следовательно, нельзя исключить вероятность случаев рекомбинации как между РНК вирусов, принадлежащих к одной или разным группам, так и вероятность рекомбинации РНК вирусов с участками РНК, являющимися продуктами транскрипции встроенных генов вирусного происхождения трансгенных растений.

Если такая рекомбинация возможна, возникает второй вопрос: может ли рекомбинация между РНК трансгенного происхождения и РНК инфицирующего вируса стать причиной возникновения новых штаммов вируса с более сильными, чем у исходного штамма поражающими свойствами? К настоящему времени нет ни одного экспериментального подтверждения такого увеличения патогенности. В ряде экспериментов, изучавших поражения, вызываемые у растения рекомбинантным вирусом, было показано появление новых случайных симптомов, однако они не увеличивали поражающего эффекта, производимого дикой формой вируса при совместном заражении. Заметим, в этих экспериментах не проводилось сравнение отдельно действующих поражающих эффектов рекомбинантного и исходных диких типов вируса. Можно предположить, однако, что рекомбинантные вирусы по своему действию на трансгенное растение-хозяин или при совместном с исходными формами заражении растений не будут сильно отличаться от диких штаммов, заражающих растение в одиночку. Наличие рекомбинации между вирусами, одновременно заражающими растение, позволяет говорить о том, что трансгенные растения, экспрессирующие гены вирусного происхождения, не представляют новой опасности повышения вирулентности природных вирусов и по своему влиянию на процесс эволюции вирусов оказывают эффект, сравнимый с эффектом от естественных причин эволюции, характерных для нетрансгенного окружения вирусов.