Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Это описание характерно для легкого течения болезни; это наблюдение не соответствует опустошительным эпидемиям скарлатины, которые бушевали в Европе в девятнадцатом веке. По тяжести это заболевание уместно сравнивали с тифом и чумой – смертельными инфекциями. Эта трансформация заболевания, его превращение в убийцу, сменявшееся периодическими вспышками более мягкой формы, некоторое время мешало эпидемиологическому пониманию скарлатины. Однако сегодня, вооруженные знанием о молекулярно-генетических механизмах, лежащих в основе приобретенной патогенности стрептококковых штаммов, ученые могут дать связное объяснение вариабельности течения ежегодных эпидемий скарлатины. Теперь мы понимаем, как различные штаммы одного и того же вида бактерии могут вызывать целый спектр заболеваний, начиная с тонзиллита или легкого поражения кожи до синдрома, напоминающего токсический шок с омертвением фасций. Патогенез скарлатины – это иллюстрация того, как фаги могут служить катализаторами патогенности бактерий.

Очарование больших трудностей

Новое поколение техники секвенирования ДНК, которая позволила ученым исследовать метагеномы фагов окружающей среды, является также основой сравнительной геномики. Исследование последовательностей ДНК родственных геномов позволяет изучить филогенетические отношения организмов на уровне последовательностей ДНК в их геномах. Сравнительную геномику можно использовать для исследования геномов близкородственных патогенных штаммов и соотношения геномных последовательностей и фенотипа, например таких фенотипических признаков, как устойчивость к лекарствам или способность вызывать разные типы одного заболевания. Массер и его коллеги (Banks, Beres, Musser, 2002) использовали сравнительный геномный анализ для исследования причин гетерогенности заболеваний, вызываемых различными серотипами стрептококков группы A. Авторы выбрали для исследования три близкородственных штамма бактерии Streptococcus pyogenes: один из них ассоциируется с эпидемиями и заразными инфекциями, второй штамм обладает свойством вызывать синдром токсического шока или некротизирующий фасциит, а третий связан со вспышками острого ревматизма. Ученые обнаружили, что широкий спектр вызываемых этими бактериями заболеваний можно объяснить присутствием разных профагов в их геномах. Более одной десятой генома некоторых штаммов была представлена ДНК фагов, и разный состав профагов играл решающую роль в генетическом разнообразии. Полилизогения различными фагами определяет гетерогенность штаммов стрептококков группы A и в конечном счете их патогенный потенциал (Banks, Beres, Musser, 2002).

Геном патогенной бактерии – это, действительно, ведьмино варево, которое становится вирулентным в результате сочетания его активных ингредиентов. Множество разных профагов, обнаруженных в стрептококках, привносят в эту похлебку разные гены, изменяя силу снадобья и его эффекты. Профаги передают своим хозяевам гены с функциями, которые повышают успешность репликации и передачи в условиях человеческого организма, являющегося хозяином для бактерии. В свою очередь, фаг, как паразит, получает преимущество от успешности своего хозяина, так как этот успех позволяет вирусному геному беспрепятственно размножаться в составе бактериального генома. Обсуждаемые гены усугубляют вызываемые стрептококками заболевания; они включают в бактериальный геном гены, кодирующие экзотоксины, которые вызывают катастрофические изменения в иммунной системе больного, становясь причиной лихорадки, шока и других тяжелых симптомов, так же как гены, повышающие шансы бактерий на выживание в организме больного перед лицом его иммунного ответа. Естественный отбор действует на стрептококки и вирусные (фаговые) гены, которые включены в ДНК бактерии. Действие естественного отбора приводит к появлению у разных штаммов различных фенотипов и способности вызывать заболевания разной степени тяжести. Важно отметить, что в организме одного и того же больного присутствуют стрептококки, обладающие высокой и низкой патогенностью. Иногда эти бактерии становятся причиной эпидемий. В девятнадцатом веке, как и сегодня, очевидна изменчивость природы и тяжести заболеваний, вызываемых стрептококками группы A. Природа каждой эпидемии зависит от преобладания того или иного штамма бактерии; и не всегда самым успешным оказывается наиболее патогенный штамм. Как вид мы должны быть благодарны природе за то, что естественный отбор действует на патогенные популяции без оглядки на их патогенность как таковую. Естественный отбор способствует выживанию генов, кодирующих признаки, которые могут наследоваться с наибольшей вероятностью. Эти гены могут ассоциироваться с приобретением повышенной вирулентности, но так происходит далеко не всегда. Вирусы и микробы, с которыми мы сосуществуем и совместно развиваемся, не всегда развиваются в направлении максимальной вирулентности, но они не отказываются от нее, если вирулентность обещает высокий успех репликации и более эффективную передачу новым хозяевам. В этих случаях у микробов и вирусов одна цель, и они получают от своих отношений одну и ту же награду.

Токсичные помощники

В течение многих столетий одно только упоминание о холере вызывало у людей страх. В наши дни эпидемии, вызываемые холерным вибрионом, остаются самыми распространенными в мире и часто возникают на фоне природных катастроф. Холерой заражаются при употреблении внутрь зараженной еды или воды, в результате чего возникает тяжелый и длительный понос, сопровождающийся тяжелым обезвоживанием. Если больного не лечить, возмещая потери воды и электролитов, болезнь быстро становится опасной для жизни, особенно если пациент молод или ослаблен. Тяжелый водянистый понос, вызываемый патогенным возбудителем холеры, – центральное событие для понимания успешности этого кишечного микроба (Faruque, Albert, Mekelanos, 1998). Этот симптом является средством, с помощью которого она передается от одного хозяина к другому, и основой эпидемии, когда отсутствует элементарная санитария и гигиена.

Холера в той или иной форме преследует человечество на протяжении многих веков. Родина холеры находится в Азии, в дельте Ганга, где эта бактерия процветает в солоноватой теплой воде устья великой реки. Именно отсюда распространилась эта болезнь в 1817 году, вызвав первую в мире документально зафиксированную пандемию холеры. Она быстро распространилась через континентальную Азию на весь остальной мир, и процесс этот ускорился благодаря британской торговой практике. Вся торговля с Индией находилась в руках Ост-Индской компании. Эта компания начала свою деятельность с поставок пряностей из Южной Азии, а затем обеспечила британскую монополию на все торговые отношения с Индостанским субконтинентом. На торговых путях господствовали британские парусные суда, трюмные воды которых были загрязнены зараженной водой Бенгальской бухты, и эту воду затем сливали в эстуариях родных портов. Первая эпидемия холеры разразилась в Лондоне в 1832 году и унесла тысячи жизней, а в течение следующих пятидесяти лет зараза проложила путь в Монреаль, а оттуда в Нью-Йорк. Вскоре холера поразила весь земной шар.

К середине девятнадцатого века стало понятно, что источником заражения является питьевая вода. В 1883 году Роберт Кох, выдающийся немецкий бактериолог, лауреат Нобелевской премии, возглавил Германскую комиссию по холере, направленную на изучение вспышки холеры в Египте. Там Кох первым выделил, идентифицировал и вырастил в культуре бактерию V. Cholerae – холерный вибрион. Существует множество штаммов вибриона, но только два серотипа – 01 и 02 вызывают заболевание. На поверхности клеток этих патогенных штаммов экспрессируются белки фимбрий (вырабатывающих токсин фимбрий), которые образуют выросты на клеточной поверхности, позволяющие вибриону заселять тонкий кишечник. Кроме того, холерные вибрионы обладают генами, которые кодируют чрезвычайно мощный экзотоксин, известный под названием холерного токсина. Этот экзотоксин секретируется в просвет тонкого кишечника и проникает в клетки кишечной стенки. Оказавшись внутри клеток, токсин нарушает их гомеостаз, что приводит к массированному выходу из клеток ионов неорганических солей. Это, в свою очередь, создает градиент концентрации соли, который вызывает выход воды из организма в просвет кишечника, где создается высокое осмотическое давление, и развивается сильнейший понос, при котором из кишечника выделяется водянистый кал, напоминающий «рисовый отвар». Сегодня мы знаем, что патогенность холерного вибриона, безвредного морского микроба, обитающего в эстуариях рек и в прибрежных водах, обусловлена горизонтальной передачей генов в ходе конверсии фагов.

Первым действующим лицом этого превращения является сегмент ДНК длиной в 41 тысячу нуклеотидных оснований, содержащий генный кластер, кодирующий белки для содержащих токсин фимбрий. Второе действующее лицо – умеренный фаг CTXФ, снабженный одноцепочечной ДНК, в которой расположены гены, кодирующие холерный токсин – CtxAB (Waldor, Mekalanos, 1996). Фимбрии (бахромки) на поверхности бактерии не только помогают ей прикрепиться к стенке тонкой кишки, но и являются клеточными рецепторами к CTXФ. Клетки вибриона, обладающие фимбриями, распознаются и инфицируются фагом CTXФ. Представляется, что предковая форма холерного вибриона вначале приобрела генный кластер, кодирующий фимбрии, что открыло путь инфицированию и конверсии фага CTXФ (Davis, Waldor. 2003). Профаг CTXФ и его гены, отвечающие за синтез токсина, являются частью генома клетки-хозяина и наследуются дочерними клетками вибриона. После первоначального инфицирования клетка-хозяин и ее CTXФ претерпели выраженную адаптивную совместную эволюцию. Имеет место тонкое взаимодействие между геномами профага и клетки-хозяина, и это взаимодействие наиболее очевидным образом проявляется в регуляции активности генов токсина в профаге. Экспрессия их преимущественно направляется не самим фагом, но белками, кодируемыми генами бактерии. Этот мутуализм в форме кооперативной регуляции активности генов создает оптимальные условия для вирулентности и пенетрантности бактерии (Davis, Waldor, 2003; McLeod et al., 2005). Нитчатые фаги сильно отличаются от образцовых фагов, с которыми мы познакомились в главе 2, от хвостатого фага. Эффективное инфицирование нитчатыми фагами не приводит к лизису и смерти клетки-хозяина. Напротив, после репликации и сборки дочерних вирусных частиц они секретируются из клетки через кодируемый бактериальной клеткой поровый белковый комплекс. В отличие от литических фагов CTXФ может активно реплицироваться внутри холерного вибриона и продуцировать дочерние фаги, не убивая клетку-хозяина (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Процесс индукции фага CTXФ также отличается особенностями: она происходит без вырезания профага из хромосомы клетки-хозяина. Следовательно, лизоген CTXФ может индуцироваться, вступать в репликативный цикл и высвобождать дочерние частицы фага, сохраняя одновременно и клетку-хозяина и профаг. Таким образом, CTXФ может осуществлять лизогению и реплицироваться как часть бактериального генома, а также одновременно инфицировать и другие клетки, высвобождая из клетки-хозяина новые вирусные частицы. Таким образом, генетическая информация может распространяться как вертикально, так и горизонтально между клетками-хозяевами. Фаги такого типа могут съесть пирог и одновременно сохранить его.

В этой драме есть и мощный помощник. Это тоже фаг, близкий сородич CTXФ, называемый RS1, который часто обнаруживают включенным в ДНК клетки-хозяина рядом с профагом CTXФ (Faruque et al., 2002; Davis, Waldor, 2003). Правда, RS1, в отличие от CTXФ, является дефектным фагом и не имеет полного набора генов, необходимых для осуществления его репликации и сборки новой вирусной частицы. Действительно, RS1 не кодирует структурные вирусные белки. Вместо этого он – для упаковки своего генома – использует вирусные частицы, синтезированные фагом CTXФ. Это добавочный фаг, который паразитирует на CTXФ. Фаг RS1 так часто обнаруживают вместе с CTXФ в патогенных холерных вибрионах, что ученые предположили, что присутствие его дает лизогену какое-то конкурентное преимущество, и оказались правы. Белок, продуцируемый RS1, а не фагом CTXФ, может регулировать экспрессию генов, кодирующих холерный токсин в профаге CTXФ. RS1 полезен для лизогена CTXФ, потому что его гены способствуют успешной передаче бактериального патогена новым хозяевам. Естественный отбор, действующий на геном CTXФ, благоприятствует сохранению паразитизма RS1, так как гены CTXФ реплицируются более успешно в условиях более массивного распространения вибрионов во время эпидемий.

Приобретение лизогенных фагов и последовательностей чужеродной ДНК холерным вибрионом исключительно важно для его патогенности и эпидемического потенциала. Находящийся во внешней среде холерный вибрион не обладает токсическими генами и не вызывает заболевания, и это позволяет предположить, что сама по себе способность секретировать токсин не дает бактерии никаких эволюционных преимуществ в ее обычной, морской среде обитания (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Однако лизогены холерного вибриона, обладающие генами, кодирующими токсин, имеют конкурентные преимущества, позволяющие им колонизировать новую нишу – кишечник человека. Гены холерного токсина опосредованно вызывают сильный понос, то есть способствуют более успешной передаче возбудителей холеры от одного хозяина другому. Более того, поскольку нитчатые фаги не вызывают лизиса клеток-хозяев, постольку эти клетки не погибают во время репликации фага и продукции частиц фага. Для бактерии здесь вообще отсутствует «неприятная изнанка». Фаги получают преимущества при сохранении жизнеспособности клеток-хозяев и при усилении вирулентности и заразительности. Генетическая информация фага, распространяющаяся во время эпидемий холеры, имеет больше возможности для размножения, освоения новых хозяев и достижения своих эгоистичных целей.

Происхождение генов холерного токсина, CtxAB, остается неясным. Происходят ли они из фагового или бактериального метагенома? Мы знаем, что предковые формы CTXФ не имели генов токсина, так как были обнаружены естественные нетоксичные вибрионы, лизогенизированные фагом CTXФ, не имеющим кластера генов, кодирующих токсин (Boyd, Heilpern, Waldor, 2000). Таким образом, представляется вполне вероятным, что CTXФ приобрел гены токсина при трансдукции, когда невероятная на первый взгляд рекомбинация включила сегмент ДНК клетки-хозяина или другого фага в его геном. Эти наблюдения показывают, что конверсия фага холерного вибриона происходила множество раз, каждый раз независимо, и что холерный вибрион служит естественным хозяином этого фага. Наблюдавшаяся в этом случае полная трансдукция является характерным эволюционным приемом для фагов. Гены токсина благотворны для фага, так как позволяют ему распространяться в среде, в которой он в противном случае не смог бы зацепиться. В данном случае вирулентность и болезнетворные свойства идут рука об руку с давлением отбора и создают чрезвычайно эффективный переносчик заболевания, выкованный в ходе деятельности бесчисленных поколений, ускоренной вмешательством фага.

Выберите свой яд

Подобно безвредным морским бактериям – холерным вибрионам, обитающим в морских экологических нишах, кишечная палочка неприметно обитает в желудочно-кишечном тракте многих млекопитающих, не принося никакого вреда хозяину. Патогенные штаммы кишечной палочки также возникают в результате конверсии фага, а затем вызывают многочисленные заболевания: чаще всего это диарея вследствие поражения кишечника, но кишечная палочка может поражать также мочеполовой и дыхательный тракт. Здесь мы обсудим энтерогеморрагическую кишечную палочку, которую чаще всего обнаруживают в говяжьем фарше. Энтерогеморрагическая кишечная палочка вызывает у человека тяжелое заболевание: кровавый понос, геморрагический колит и гемолитический уремический синдром. Виновником всех этих несчастий является штамм кишечной палочки 0157-Н7, впервые выделенный в 1982 году. Этот штамм вызывал зоонозы и передавался через зараженную пищу (Riley et al., 1983). Кишечная палочка 0157-Н7 чаще всего обитает в кишках других видов: крупного рогатого скота и других копытных животных. Патогенной она становится, только попадая в кишечник человека из зараженной пищи или воды. Патогенные штаммы кишечной палочки, каковых существует великое множество, снабжены разнообразными кластерами вирулентных генов, но необычно тяжелое заболевание, вызываемое кишечной палочкой 0157-Н7, обусловлено продукцией токсинов Шига. Кишечная палочка 0157-Н7 получает гены токсина, Stx1 и Stx2, в результате конверсии фага после инфицирования хвостатым двухцепочечным ДНК-содержащим фагом (O’Brien et al., 1984). Болезнь развивается в результате выделения токсина в просвет кишечника. Токсин беспрепятственно поступает в клетки слизистой оболочки кишечника, где нарушает механизмы синтеза белка, что приводит к гибели клеток и некрозу тканей. Часть токсина проникает в системный кровоток и поражает восприимчивые клетки и органы, в частности почки, что и приводит к гемолитическому уремическому синдрому и возможной почечной недостаточности. Для инфекционного агента, каковым является кишечная палочка 0157-Н7, обладание генами токсина – весьма выгодный признак. Так же как и при холере, понос способствует передаче бактерий новым хозяевам. Конечно, эти преимущества для бактерии являются одновременно преимуществами для лизогенного фага.

У лизогена кишечной палочки существует один большой недостаток. Токсины Шига могут продуцироваться бактерией 0157-Н7 только во время литической репликации фага. Продукция токсина, следовательно, связана с индукцией профага и лизисом клетки (Wagner et al., 2001; Wagner, Waldor, 2002). Таким образом, диарея, необходимая для распространения болезни, возникает за счет патогенных лизогенов кишечной палочки. Для каждой отдельной кишечной палочки это несчастье, но индуцируются не все ее лизогены, и распространение жизнеспособных генетически идентичных лизогенизированных палочек 057-Н7 гарантируется сильным поносом, вызываемым токсином. Так же как при холере, вероятность успешной передачи патогена другим хозяевам повышается параллельно с усилением диареи. Есть и другие феномены, играющие роль в заболеваниях, вызываемых патогенными штаммами кишечной палочки. Полагают, что индукция фага и высвобождение инфекционных частиц играют роль в усугублении болезни благодаря началу литического инфицирования других бактерий кишечника. Эти клетки, в свою очередь, тоже начинают высвобождать токсин Шига (Mills et al., 2013; Gamage, Strasser, Chalk, 2003). Таким образом, обладание лизогенным фагом является бомбой замедленного действия для бактерий, в которых происходит индукция, но в целом это обладание полезно для бактериальной популяции, так как повышает успешность ее размножения и передачу в человеческой популяции.

Наличие профагов в геномах бактерий может быть обоюдоострым мечом. Исследования показывают, что спонтанная реактивация профага в популяции лизогенных бактериальных клеток может происходить с невысокой, но довольно значительной частотой. В каждый данный момент индукция происходит в 1 на 1000 до 1 на 10 000 бактериальных клеток в культуре. Это фатальное событие в жизни ничтожного меньшинства популяции, но сам факт, что многие линии бактерий стабильно ассоциированы с индуцибельными профагами, позволяет предположить, что в этом заключается определенное преимущество для клеток-хозяев. Энтерогеморрагическая кишечная палочка обладает всеми этими свойствами. Индуцибельный профаг ведет себя, по сути, как ген хозяина, чей фенотип обусловливает самоубийство некоторых индивидов. Однако гены фага определяют и другой феномен – секрецию токсина. Этот фенотип некоторых индивидов полезен для всей популяции, имеющей в геноме индуцибельный профаг.

Тяжесть заболевания, вызываемого энтерогеморрагической кишечной палочкой, коррелирует с частотой индукции. Чем больше токсина выделяется, тем сильнее повреждение слизистой оболочки кишечника. Несмотря на то что индукция профагов происходит спонтанно и с низкой частотой, она усиливается в условиях стресса для бактериальных клеток. Такой ответ благотворен для генов фага, которые рискуют погибнуть в мертвой бактерии. Действительно, такое часто происходит во время заболевания. Среди условий, индуцирующих профаги, немалую роль играет активная форма кислорода, высвобождаемая иммунокомпетентными клетками в ответ на инфекцию (Wagner, Acheson, Waldor, 2001). Лечение фторхинолоновыми антибиотиками подавляет репликацию бактериальной ДНК и вызывает повреждение ДНК хромосомы, что продуцирует у фагов SOS-ответ, индукцию и выделение токсина (Zhang et al., 2000; Ubeda et al., 2005; De Paepe et al., 2014; Maiques et al., 2006). Существует много данных о том, что антибиотики стимулируют продукцию токсина клетками энтерогеморрагической кишечной палочки, и, следовательно, неудивительно, что лечение антибиотиками может ухудшить течение заболевания (Wong et al., 2000; Zhang et al., 2000). По этой причине при геморрагическом колите воздерживаются от введения антибиотиков и ограничиваются поддерживающей терапией.

В наши дни случаи заболеваний, вызванных энтерогеморрагической кишечной палочкой, и вспышки инфекции палочкой штамма 0157-Н7 встречаются редко. Большую часть времени бактерия (вместе со своим пассажиром фагом) реплицируется в организме своего естественного хозяина, чаще всего в кишечнике жвачного животного, у которого она никогда не вызывает заболеваний. Но если бактерия воспроизводится здесь, не причиняя хозяину никакого вреда, то содержит ли она в природе кодирующие токсин профаги, которые для нее являются бомбой замедленного действия, ядовитой пилюлей, реактивация которой грозит бактерии смертью? Представляется, что если подавляющее большинство палочек 0157-Н7 реплицируется в организмах крупного рогатого скота и вызывающий болезнь токсин Шига не играет роли в их репликативном успехе, то, значит, им нет никакой пользы от профага. Следовательно, должно быть какое-то положительное давление естественного отбора, которое заставляет палочку 0157-Н7 сохранять профаг в условиях главного резервуара своего вида. Сравнительное исследование множества бактериальных геномов показало, что они чаще всего содержат значительное число профагов, но это всего лишь дефектные или фрагментарные остатки некогда нормально функционировавших профагов (Kuo, Ochman, 2010; Lawrence, Hendrix, Casjens, 2001). Из этого наблюдения можно вывести, что естественный отбор часто благоприятствует бактериальным геномам, в которых многие профаги нейтрализованы и неспособны активироваться. Бактерии часто получают пользу от конверсии фагов, но не сохраняют функционально активные профаги и их способность к индукции, причиняющей клетке смерть. Индукция фага, как правило, ограниченная немногими клетками популяции, может происходить с высокой скоростью и частотой в условиях, когда клетка-хозяин подвергается стрессовому воздействию. Поскольку каждая бактериальная клетка может содержать множество профагов, постольку легко видеть, что должно быть сильным давление отбора, направленное на их инактивацию, если нет противоположно направленного давления, заставляющего сохранять функциональность профагов. В случае палочки 0157-Н7 ученые считают, что токсины Шига обеспечивают преимущество в выживании бактерий, обитающих в кишечнике крупного рогатого скота (Steinberg, Levin, 2007). Полагают, что обладание токсинами Шига защищает бактерии от пастбищного зоопланктона, который тоже обитает в кишечнике пастбищных животных. Если это действительно так, то появление этих патогенных токсикогенных кишечных палочек у человека – лишь результат неудачного совпадения и наследство борьбы за существование и за эволюционные преимущества в выживании в естественной нише – в кишечнике крупного рогатого скота.

Острова сокровищ

Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) – широко и печально известный бактериальный патоген, который за десятилетия, прошедшие после начала эры антибиотиков, успешно приобрел целый набор генов, определяющих устойчивость к ним, что заставило сдать в архив множество антибактериальных препаратов, которыми некогда лечили заболевания, вызванные этим весьма активным микроорганизмом. Устойчивые к метициллину золотистые стафилококки стали одним из самых опасных грамположительных возбудителей, способных вызывать тяжелые и угрожающие смертью поражения в госпиталях и вне их стен. Помимо устойчивости к таким бета-лактамным антибиотикам, как метициллин, они часто приобретают поливалентную устойчивость вместе с сонмом вирулентных факторов, связанных с повышенной патогенностью и способствующих их более успешному размножению в организмах пациентов (Gordon, Lowy, 2008; Otto, 2010). Эти вирулентные, устойчивые к метициллину штаммы золотистого стафилококка распространились теперь по всему миру и часто становятся виновниками вспышек стафилококковой инфекции в больницах, воинских частях и детских учреждениях. Особенно опасны вспышки такой инфекции в больницах, где она может оказаться смертельной для ослабленных пациентов. Сегодня количество устойчивых к антибиотикам и высоковирулентных бактериальных патогенов достигло критического уровня. Главный вызов общественному здравоохранению заключается в способности бактерий претерпевать быстрые приспособительные эволюционные изменения при столкновении с антибактериальными лекарственными средствами. Золотистый стафилококк обладает этими способностями в избытке. Основная проблема заключается в отборе устойчивых к лекарствам штаммов и штаммов с усиленными или измененными болезнетворными свойствами. Эти эволюционные приспособления возникают вследствие мутаций и изменений бактериального генома, но более важная причина заключается во включении новой генетической информации, приобретенной путем горизонтального переноса генов из родственных и неродственных бактериальных геномов.

В то время как холерный вибрион и кишечная палочка становятся более вирулентными в результате получения новой генетической информации с фагами, штаммы золотистого стафилококка развиваются и изменяются вследствие приобретения дополнительных генетических элементов. Эти носители, каждый из которых часто встречается в бактериальном метагеноме, варьируют от профагов, плазмид, транспозонов до островков патогенности (Baba et al., 2002; Kuroda et al., 2001). Эти носители в совокупности можно считать содержащими «мобилому», библиотеку мобильного генетического материала, который может с замечательной легкостью обмениваться между родственными и неродственными видами бактерий. Мобилома имеет особую ценность для передающихся патогенных бактерий, которые постоянно подвергаются меняющемуся давлению отбора в организмах разных хозяев, а также испытывают воздействия разнообразной антибактериальной терапии. Фаги, плазмиды и островки патогенности являются превосходными носителями генетического разнообразия, так как могут переносить целые гены и генные кластеры между бактериями. Сложные фенотипические признаки могут, таким образом, приобретаться в результате одного, мгновенно происходящего события. Плазмиды уникальны среди этих медиаторов горизонтального переноса генов тем, что не образуют инфекционных внеклеточных форм, опираясь на конъюгацию клеток для мобилизации и переноса. Как таковые плазмиды не считаются вирусами. То, что мы не станем обсуждать их, нисколько не умаляет их важную роль в генетическом обмене между бактериальными клетками.

Фаги отвечают за поддержание микробного разнообразия, и именно они несут главную часть вины за усиление патогенности бактерий в результате конверсии фагов. Фаги облегчают адаптацию к новым хозяевам и новым условиям окружающей среды, поставляя в клетки ассоциированную с ними генетическую информацию, которая включается в хромосому клетки-хозяина. Это включение может стать основой селективного преимущества, если говорить об успешной репликации, для генома бактерии, а также и для ДНК самого фага, который эгоистично пользуется побочным преимуществом репликативного успеха своего хозяина. Фаги едут дальше вместе с геномом хозяина, но могут, время от времени, овладеть полем и стать литическими, в надежде на большой выигрыш, на обретение нового хозяина, где, вероятно, можно будет реплицировать свой геном еще быстрее.

Островки патогенности – это мобильные генетические элементы, обнаруживаемые в геномах большого числа как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий (Novick, Christic, Penades, 2010). Островки патогенности содержат крупные кластеры генов и множество тысяч пар оснований ДНК. Появление столь многих патогенных штаммов золотистого стафилококка за такой короткий период демонстрирует мощное влияние островков патогенности на ее проявления у бактерий. Эти генные кассеты обрамлены повторяющимися последовательностями ДНК и кодируют интегразы, напоминающие таковые умеренных фагов, то есть фагов, которые превращают бактериальные клетки в лизогенные. Этот массивный набор генов кодирует белки с широким диапазоном функций, включая устойчивость к лекарствам, а также содержит гены вирулентности, кодирующие токсины, суперантигены, а также и другие новые генные продукты. Это самостоятельная и весьма ценная генетическая валюта островков патогенности. Их получение бактерией может позволить ей немедленно экспрессировать множество новых генов, что обеспечивает клетку-реципиента новым фенотипом, на который может воздействовать естественный отбор. Распространение островков как паразитов бактериальных геномов зависит от конкурентного преимущества, обеспечиваемого их генетическим грузом, и именно этот груз делает островки столь важным катализатором адаптивной эволюции бактерий. Главным фактором успеха является мобильность островков, и – вы угадали – главным фактором их мобильности являются фаги!

Островки патогенности – это самостоятельно и независимо развивающиеся эгоистичные генетические элементы, которым для того, чтобы поддерживать свой жизненный цикл, приходится паразитировать на фагах. В этом отношении они подпадают под данное мною широкое определение вирусов. Островок патогенности можно считать окончательным лизогеном. У островков отсутствуют гены, обеспечивающие их мобильность, и им приходится опираться на помощь «хелперного вируса», для того чтобы завершить свой независимый репликативный жизненный цикл (Ram et al., 2012; Tormo-Mas et al., 2010). Инфицирование фагом или индукция фага в клетке-хозяине островков активирует патогенные островки – их гены начинают репликативный цикл и мобилизацию. ДНК островков патогенности вырезается из хромосомы клетки-хозяина, с формированием кольцевидного генома, который реплицируется под влиянием ферментов синтеза ДНК клетки-хозяина. С этого момента продуцируется еще больше генных продуктов островка патогенности, что позволяет использовать структурные белки хелперного фага для построения инфекционных вирусных частиц, содержащих их геном. Эти вирусные частицы продуцируются в больших количествах и являются носителями эффективного горизонтального транспорта генов островков патогенности между бактериями. Репликация островка патогенности разрушительно действует на хелперный фаг, который не способен эффективно продуцировать свои собственные вирионы перед лицом активированного паразита. Это подавление репродукции хелперного фага называют «парадигмой молекулярного паразитизма». Этот механизм был изучен и охарактеризован в изящных исследованиях островков патогенности золотистого стафилококка и хелперного фага 80α (Ram et al., 2012; Novick, Christic, Penades, 2010). Этот треугольник отношений между клеткой-хозяином, островком патогенности и фагом 80α развился в результате длительного совместного процесса; хотя понятно, что бактериальная клетка получает преимущество от присутствия островка патогенности, который, в свою очередь, получает «товары и услуги» от хелперного фага 80α, но не ясно, почему сам фаг играет в эти игры. Он эгоист, и давление естественного отбора, как ожидается, должно повышать его шансы на успешность репликации. Оказывая помощь паразитическому островку патогенности, он вредит этой основополагающей цели, так как в результате репликация фага 80α страдает и образуется меньше инфекционных частиц. Тем не менее было обнаружено множество случаев подобных взаимоотношений, включая различные островки патогенности, использующие разные виды фагов. Поскольку все эти отношения представляются эволюционно стабильными, мы должны заключить, что геном хелперного фага извлекает какое-то репликативное преимущество из этого «любовного» треугольника. Можно утверждать, что уменьшение литической плодовитости фага многократно перевешивается увеличением и здоровьем бактериальной клеточной популяции, что увеличивает число доступных новых хозяев.

Индукция профага и устойчивость к антибиотикам

Мутации, происходящие в результате ошибок при репликации хромосомной ДНК, случаются у бактерий часто благодаря быстрой смене поколений и являются источником генетической вариабельности – движущей силы адаптивной эволюции. Мутации – это чаще всего дискретные изменения в нуклеотидной последовательности хромосомной ДНК, которые влияют на функцию единичного гена или белка. Лишь очень редко хромосомные мутации улучшают функции бактериальной клетки и становятся объектом положительного отбора. Можно обоснованно утверждать, что наибольший вклад в эволюцию бактерий вносит приобретение (или потеря) последовательностей ДНК в ходе горизонтального переноса генов. Приобретаются целые гены или кластеры генов, что мгновенно дает бактериальной клетке потенциальные адаптивные признаки. Островки патогенности, присутствующие в вирулентных штаммах стафилококка, являются наиболее мощными переносчиками при горизонтальной передаче генов. Присутствующие в них гены привносят в клетку-реципиент ценные функции, так как кодируют белки, определяющие устойчивость к антибиотикам или повышенную патогенность. За эту валюту островки патогенности покупают преимущества, связанные с положительным влиянием естественного отбора на геном клеток-хозяев. Улучшение репликативной функции клетки-хозяина приносит пользу самому хозяину и его островкам патогенности. В ходе своего развития островки патогенности стали напоминать дефектные лизогенные фаги, зависящие от репликации хелперного фага для завершения своего репликационного цикла и инфицирования других клеток. Следовательно, мобилизация островка патогенности может быть запущена либо инфицированием клетки хелперным фагом, либо индукцией профага. Жестокая ирония судьбы заключается в том, что лечение, которое мы проводим для борьбы с бактериальными инфекциями, само стимулирует опосредуемую фагом трансдукцию ДНК, передачу островков патогенности другим клеткам и конверсию фагов (Modi et al., 2005). Наше лечение способствует усилению горизонтального переноса генов и закладывает фундамент под ускорение адаптивной эволюции тех самых возбудителей, против которых мы боремся.

Сегодня это повод для большой озабоченности. Наша система здравоохранения все чаще обнаруживает, что лечение опасных и угрожающих жизни бактериальных инфекций оказывается неэффективным вследствие развития устойчивости к антибиотикам. Открытие антибиотиков и их польза для человечества стали одним из величайших достижений медицинской науки, но сегодня почва уходит у нас из-под ног. В структуре смертности от инфекционных поражений среди госпитализированных больных в странах Европы и Северной Америки в девяностые годы первенствовали больные с приобретенным иммунодефицитом (зараженные ВИЧ-1); причиной смерти прежде всего становилась оппортунистическая инфекция. Сегодня в этой статистике не упоминаются больные СПИДом, но большая часть смертей обусловлена патогенной бактериальной инфекцией. В недалеком прошлом многие из этих инфекций были легко излечимы. Теперь же мы сталкиваемся с новыми штаммами бактерий, вооруженных способностью противостоять нашим самым мощным антибиотикам. Кризис, вызванный вирулентными, полирезистентными патогенными микроорганизмами, оказался таким угрожающим, что международные сообщества врачей-инфекционистов и специалистов-микробиологов затрубили тревогу, призывая правительства предпринять меры по стимуляции исследований в области борьбы с бактериальными инфекциями (Stagnates, 2004).

Тревожное положение дел обусловлено горизонтальным переносом генов между бактериями разных видов в нашем микробиоме, в окружающей среде и среди патогенных видов бактерий (Wright, 2007; Martinez, 2009; Penades et al., 2015). Избыточное назначение антибиотиков и их неумеренное применение при вскармливании скота внесли весомый вклад в возникновение резистентности к антибиотикам и множеству других лекарств у наших бактерий-комменсалов (Martinez, 2009). Однако даже метагеномы нетронутых уголков природы нагружены генетической информацией, которая готова вмешаться в эволюцию патогенности и устойчивости к антибиотикам (Colomer-Lluch, Jofre, Muniesa, 2011; Wright, 2007). Мобильные генетические элементы, в частности плазмиды, и, определенно, в некоторых случаях опосредованная фагом трансдукция – все это играет роль в мигрирующей резистентности к лекарствам и вирулентности генов среди комменсалов и изначально патогенных бактерий. Мы живем бок о бок с нашими кишечными микробиомами, и их запас мобильной патогенности и мобильной резистентности к антибиотикам должен особенно нас тревожить. Индукция фага внутри непатогенной симбиотической клетки нашего микробиома является главным феноменом, отвечающим за мобилизацию патологических генов. Эта концепция получила подтверждение в недавно опубликованной работе, выполненной в лабораториях, руководимых доктором Джеймсом Коллинзом в Бостонском университете и на медицинском факультете Гарвардского университета (Modi et al., 2013), в которой рассмотрены механизмы, лежащие в основе переноса резистентности к антибиотикам между бактериями, в норме обитающими в нашем кишечнике.

Известно, что такие стрессовые факторы окружающей среды, как антибиотики, даже в субтерапевтических дозах, которые намного ниже тех, которые назначают для лечения инфекций, могут провоцировать индукцию профагов в кишечных бактериях (Maiques et al., 2006; Ubeda et al., 2005). Нормальное, но редкое стохастическое событие становится частым и определяющим для бактериальной популяции. Исследовательская группа Коллинза попыталась воссоздать условия, возникающие на фоне лечения антибиотиками, использовав в качестве модели мышь. Ученые исследовали нарушения в фагеоме (совокупность последовательностей всех фаговых геномов в образце) в кале мышей, которые получали антимикробные препараты. Используя дозы антибиотиков, эквивалентные тем, что получают люди в процессе лечения инфекционных заболеваний, они выбрали два широко распространенных антибиотика с различными механизмами действия. Первый антибиотик – ципрофлоксацин из группы фторхинолонов, который подавляет микробную флору на уровне репликации ДНК, угнетая лигазную активность бактериального фермента топоизомеразы II. Как уже было сказано выше, введение фторхинолонов вызывает стрессовый SOS-ответ и индукцию фагов в патогенных энтерогемморагических кишечных палочках. Вторым антибиотиком был ампициллин – бета-лактам, который подавляет синтез вещества клеточной стенки бактерий. После лечения антибиотиками из кала мышей выделяли фаговую ДНК и методами глубокого секвенирования определяли фагеом. С помощью компьютерной программы сравнили эти данные с известными ДНК-последовательностями, что позволило определить их происхождение (бактериальное или фаговое), а также функцию соответствующих генов.

Результаты оказались поразительными, а выводы авторов имели огромное значение для нашего понимания ключевой роли фагов в генетическом разнообразии, а также их роли катализаторов генетической адаптации в микробиомах кишечника. У мышей, получавших антибиотики, как получают их больные с инфекциями, наблюдали увеличение количества фаговой ДНК, кодирующей широкий диапазон генных последовательностей, определяющих лекарственную резистентность. К удивлению ученых, однако, эти мобилизованные фаговые гены включали гены, ответственные за резистентность к вводимым антибиотикам, а также гены, связанные с резистентностью ко многим антибиотикам других групп. Эта полная трансдукция ДНК значительно обогатила генетическую сложность фагеома. Эта сложность возникла в результате мобилизации бактериальной ДНК из самых многочисленных родов бактерий, обитающих в кишечнике мышей. Кроме того, трансдукция обогатила пул бактериальных генов, которые обеспечивают выживание в условиях стресса. Например, фагеом мышей, получавших фторхинолон, обогатился генами, отвечающими за репликацию и репарацию ДНК, в то время как фагеом мышей, получавших ампициллин, обогатился генами, отвечающими за включение полисахаридов в клеточную стенку и за белки, катализирующие ее синтез, то есть за процессы, которые нарушаются на фоне приема ампициллина. Индукция фагов и полная трансдукция последовательностей бактериальной ДНК благоприятствуют генам, которые придают бактериям адаптивную способность переносить стрессовые ситуации. Исследователи также выявили фрагменты ДНК, содержащие фаговые и бактериальные последовательности, соединенные в одну крупную молекулу. Эти фрагменты ДНК свидетельствуют об инфекции и рекомбинации между геномами частицы фага и бактерии. Примечательно, что были обнаружены рекомбинантные ДНК, происходящие из фага и бактерии, что говорит о том, что – и это было неожиданностью – имеют место инновационные взаимодействия между клеткой-хозяином и фагом. Представляется, что в подвергнутой воздействию стресса экосистеме кишечника фаги не только выполняют функцию адаптивного генного банка, но и обеспечивают облегченный доступ к этому генетическому инвентарю, упрощая взаимодействие фага и клетки-хозяина.

Влияние фагов на эволюцию, усиление вирулентности и формирование полирезистентности, как выяснилось, усиливается в условиях воздействия антибиотиков на кишечную микрофлору. Дестабилизирующий эффект введения антибиотиков на кишечный микробиом повышает вероятность колонизации микроорганизмами новых ниш и расширения присутствия патогенных микробов в кишечной экосистеме. Такая дестабилизация нормальной флоры нашего кишечника является главной причиной патологического размножения таких оппортунистических микроорганизмов, как Clostridium difficile, которые в обычных условиях ничем себя не проявляют (Young, Schmidt, 2004; Owens et al., 2008). Работа Коллинза показывает, что антибиотики, таким образом, провоцируют непредсказуемые изменения в экосистеме нашего кишечника. Беспорядочная, хаотичная, опосредованная фагами мобилизация генов резистентности и вирулентности в микробиоме кишечника является весьма полезным открытием. Эта мобилизация потенциально способна ускорить микробную эволюцию и возникновение адаптивных патогенных вариантов с новой вирулентностью и новыми фенотипическими проявлениями резистентности.

Пассивным помощником патогенных бактерий является, без сомнения, огромный массив генетической информации, доступной для вирусного и бактериального метагеномов. Совокупно они действуют как резервуар генетической адаптации, стимулируемой и подстегиваемой репликацией, опосредуемой фагами. Этот набор генетической информации может быть мобилизован и использован для адаптивной эволюции. Роль горизонтального переноса генов в бактериальной эволюции так важна, что именно он является первичным и главным движителем расхождения видов, а часто и главным фактором микробного видообразования. Несомненно, бактериальные виды должны иметь совокупность генов, которые составляют ядерную специфичность данного вида, но границы этого ядра стерты почти неограниченным поступлением дополнительной мобильной генетической информации. Собирательное название всей этой огромной совокупности – микробный пангеном.

Все инфекции, будь то скарлатина, холера, дифтерия, синдром токсического шока, некротический фасциит или недавно обнаруженная инфекция устойчивыми к метициллину золотистыми стафилококками, являются закулисными кукловодами для мобильной генетической информации и опосредованных фагами биологических событий. Клинические руководства и органы общественного здравоохранения должны учитывать роль фагов и горизонтальной передачи генов в быстром возникновении и распространении устойчивых к антибиотикам высоковирулентных микроорганизмов. Мы проявим благоразумие, если усилим бдительность в отношении вирусов и разработаем такие лечебные схемы, которые позволят избежать стимуляции механизмов адаптивной эволюции возбудителей болезней, с которыми мы боремся.

Глава 4

Вирусы и высшие организмы

Теперь мы обратим внимание на наши собственные вирусы, на вирусы, составляющие человеческий виром. Мы находимся в разных отношениях с разными вирусами, сформированных различной длительностью совместной эволюции. Вирусная инфекция может быть преходящей и безвредной, а может и угрожать жизни. Вирусы могут вызывать хроническую инфекцию, при которой болезнь прогрессирует или протекает латентно с рецидивами. Многие вирусные инфекции протекают бессимптомно. Установлено, что каждый из нас постоянно инфицирован 8–12 вирусами (Virgin, 2014). Это число меняется с возрастом, с условиями окружающей нас среды, нашим финансовым положением и, самое главное, нашим геномом, а в особенности теми генами, которые управляют нашим иммунитетом. Эти оценки, несомненно, занижены, так как в расчет принимаются только вирусы нашего микробиома (главы 2 и 3); при этом невозможно учесть еще не выявленные вирусы.

Вирусы, клетки, организмы и популяции

Вирусы примитивных прокариот вступают в весьма развитые и богатые нюансами отношения со своими одноклеточными микробными хозяевами. Наше восприятие их как «примитивных» вводит в заблуждение: они эволюционировали вместе со своими хозяевами до появления третьего царства жизни – эукариот. Мы можем сколько угодно думать, будто наш видовой успех измеряется нашей биологической сложностью и культурной изощренностью – нашим разумом, развитием языка и культурными достижениями, но наш геном (и, если уж на то пошло, каждый наш ген) мало задумывается о таких вещах. Если бы он вообще умел думать, то считал бы успехом лишь возможность своего размножения и распространения. В этом отношении фаги и их геномы весьма и весьма успешны, так как сумели провести стадо своих генов через перипетии эволюции от времен зарождения жизни до нашего времени. Тем не менее сейчас мы ступим на территорию вирусов, инфицирующих нас с вами – позвоночных животных, многоклеточные организмы, представителей царства эукариот. Независимо от понимания успеха на генетическом уровне, этим микроскопическим машинам пришлось проложить очень сложный маршрут и проделать тернистый путь для того, чтобы сохранить и приумножить свои гены в эукариотических клетках.

В то время как вид Homo sapiens появился не более двухсот тысяч лет назад, многие инфицирующие нас вирусы, вероятно, были постоянными спутниками предков, от которых произошел человек разумный. Вирусы развивались, эволюционировали и следовали за ветвящимися и вновь образующимися видами по пути, ведущему от крупных обезьян до человека. Другие, не менее древние вирусы недавно нашли в человеке подходящую нишу и подарили ему новые заболевания. Точно так же, как мы, думающие о себе как о венце эволюции, вирусы выработали сложный стиль жизни, позволивший им с гарантией распространять их генетические линии, сохраняя идентичность на протяжении сотен тысяч и миллионов лет. Тот срез вирусов, который мы сейчас наблюдаем в нашем вироме, фиксирует лишь успешные линии вирусной информации, то есть те вирусы, которые обрели информационное содержание, позволяющее существовать им как видам. Особенность (и мы еще вернемся к ней позже) заключается в том, что в отличие от живых организмов вирусы не оставили после себя никаких ископаемых остатков, которые можно было бы соотнести с геологической хронологией. Все наши знания об эволюции вирусов основаны на ретроспективных суждениях, выведенных из генетического состава существующих в настоящее время вирусов. Исчезнувшие вирусы и их генетическая информация совершенно недоступны исследованию. Будучи эгоистичными генетическими паразитами, эти вирусы, если бы они обладали движущими мотивами своих действий, ничем бы не отличались в этом отношении от фагов, инфицирующих бактерии: их мотив – поддержание репликации. Параметры, которые влияют на успешность эукариотических вирусов, тоже не отличаются особой оригинальностью. Мы увидим, что и на таком высоком уровне факторы, направляющие эволюцию человеческих вирусов, работают так же, как и на уровне простейших фагов.

Однако с самого начала надо отметить одну значительную разницу. Она заключается в огромной сложности хозяина: это организм, кооперативное сообщество клеток. Когда мы обсуждали литические фаги, вирусы, инфицирующие бактерии и простейших, мы принимали в расчет только индивидуальные инфицированные бактериальные клетки. Успешное инфицирование фагом популяции бактериальных клеток начинается с проникновения в единичную клетку и реализуется после высвобождения дочерних фаговых частиц во внешнюю среду, где эти частицы могут беспрепятственно инфицировать других индивидов – другие бактериальные клетки. Эти частицы являются носителями генетической информации фага, отвечающими за передачу информации другим хозяевам. Отдельные, генетически идентичные клетки-хозяева, входящие в популяцию, инфицируются в ходе последовательных, разрастающихся по экспоненциальному закону циклов вирусной репликации до тех пор, пока сохраняется популяция клеток-хозяев. Успешные переходы из клетки в клетку являются важнейшим условием для репликации и распространения вирусов в популяции клеток-хозяев. Фаги бактериальных клеток приняли на вооружение разнообразные стратегии, обеспечивающие успешное размножение штаммов. Вирулентная литическая инфекция приводит к немедленной амплификации генома, в то время как лизогения отсрочивает продуктивную репликацию до более поздней реактивации профага. В каждом случае – я сейчас придерживаюсь данного мною определения вируса – необходимо, чтобы вирус был независимо развивающейся эгоистичной генетической единицей. Квинтэссенция «вирусности» заключается в передаче и инфицировании новых клеток-хозяев. Перед вирусами, инфицирующими многоклеточные организмы, стоит, в принципе, та же нелегкая фундаментальная задача обеспечения выживания – передача в новые клетки. Они должны инфицировать организм, реплицироваться и покинуть клетку с тем, чтобы проникнуть в новые клетки-хозяева. Это грандиозная и уникальная задача: вирусы должны отыскать доступ и сориентироваться в массиве из приблизительно 50 триллионов клеток, которые в сумме составляют наши ткани и органы. Вирусы должны отыскать именно те клетки, в которых могут реплицироваться, а также суметь уцелеть, несмотря на множество линий обороны организма. Позвоночные, например, обладают высокоразвитыми врожденными и адаптивными иммунными системами, призванными защищать организм от проникновения чужеродной генетической информации. И, наконец, вирусы должны иметь способ высвобождения дочерних вирусных частиц для их последующей передачи в другие клетки.

Даже для таких животных, как мы с вами, вирусную инфекцию и заболевания, вызываемые ею, можно свести к фундаментальным единицам, к инфицированию одной, отдельно взятой клетки. Тем не менее вирусы животных должны сделать многое сверх репликации и распространения внутри гетерогенной популяции клеток, составляющих ткани и органы нашего тела. Мало того, вирусы должны репродуцироваться и распространяться внутри популяции организмов, которые удалены друг от друга в пространстве. Различие в проявлениях разных вирусных инфекций представляют собой окно, через которое мы можем наблюдать механизмы и процессы, помогающие вирусам справляться с этими вызовами и успешно преодолевать давление естественного отбора, сохраняя свои штаммы на протяжении веков. Виромы животных состоят из совокупности более или менее патогенных вирусов, которые выработали разнообразные и порой удивительные стратегии в своих взаимоотношениях с хозяином. Отношения вирусов животных и их хозяев столь же разнообразны, как отношения фагов и прокариот, и представляют собой континуум, простирающийся от чистого паразитизма до взаимовыгодного симбиоза. Эти отношения вируса с хозяином являются результатом реципрокного хода эволюции хозяина и патогенного возбудителя, где, как в гонке вооружений, каждая сторона старается наилучшим образом оснастить себя ради выживания. Эволюционная адаптация вирусов дыхательных путей человека дает нам наглядную иллюстрацию развивающегося патогенетического процесса. Вирусы сумели развить у себя способность к успешной репликации и эффективному распространению, что вызывает эпидемические вспышки респираторных инфекций.

«Просто вирус»

Одним ранним осенним вечером родители заметили, что их трехлетняя дочка стала апатичной, вялой и плаксивой. Ближе к ночи у ребенка поднялась температура, на щечках появился нездоровый румянец; родители дали дочери парацетамол. На следующий день лихорадка сохранилась, стала нарастать заложенность носа, выделения непрерывно текли на верхнюю губу; присоединился сухой хриплый кашель, появились свистящие хрипы при дыхании. Озабоченные родители отвезли дочку к педиатру. Диагноз оказался нестрашным, но несколько неопределенным: «Это не грипп, наверное, просто вирус». Совет был таков: «Возвращайтесь домой, не обращайте внимания на кашель, уложите ее в постель и давайте больше жидкости. Если девочке станет хуже, немедленно обращайтесь». Доктор не выписал никаких лекарств. Собственно, их и не существует; нет специфического лечения, так как эту банальную симптоматику может вызвать любой из нескольких десятков вирусов, инфицирующих наши дыхательные пути. Куриный бульон работает не хуже других средств; люди моего поколения привыкли к разнообразным домашним способам. Один из них заключался в горчичных ваннах, призванных «выводить токсины». Это был такой же успешный метод лечения, как и все подобные, а терпкий вяжущий вкус горчицы отнюдь не был противным. Симптомы у девочки продержатся пару дней, а потом ребенок как ни в чем не бывало снова станет веселым и подвижным.

Так протекают почти все острые респираторные инфекции, вызываемые вирусами. Они обычно преходящи и разрешаются сами, очень редко приводя к серьезным осложнениям. Диагноз врача и его неспособность выявить конкретного виновника заболевания удовлетворительны лишь в том отношении, что точный этиологический диагноз был бы абсолютно бесполезен. Врач в этой ситуации не может предложить никакого специфического лечения. Есть совокупность разных вирусов, вызывающих простуду (не говоря о бактериях, которые вызывают сравнительно малую долю заболеваний, похожих на простуду), и в реальной обыденной жизни вас редко порадуют точным этиологическим диагнозом, если ваш ребенок заболеет острым респираторным заболеванием.

Мы все озабочены вирусами, и знакомство с ними мы начнем с исследования самого вездесущего вирусного возбудителя – вируса «простуды». К вирусам, инфицирующим нас и вызывающим симптомы банальной простуды, относят вирусы гриппа (если речь идет об очень легких случаях), вирусы парагриппа, респираторный синцитиальный вирус, метапневмовирусы, вирусы Коксаки, энтеровирусы, аденовирусы, коронавирусы и риновирусы. Тем не менее именно риновирусы вызывают классическую простуду у детей. Риновирус является ее причиной в 70 % случаев вирусной респираторной инфекции, в особенности часто риновирус поражает своих жертв весной и осенью (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Успех этого патогена самоочевиден. Но почему он так потрясающе успешен? Он вызывает преходящее острое респираторное заболевание, но наш коллективный опыт учит, что простуда распространяется в домах и школьных классах с колоссальной эффективностью. Какова та стратегия инфицирования и ее отношение к человеку (единственному хозяину риновируса), которые сделали этот вирус нашим вечным и надоедливым спутником?

Риновирус человека

Основным вирусом простуды является риновирус человека. Ринос происходит от греческого слова, означающего «нос» или «носовой». Риновирус человека был выделен в пятидесятые годы как вирус, вызывающий простуду, и к сегодняшнему дню известно около ста его различных серотипов (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Все они генетически очень близки между собой, и выделяли их у больных, имевших одинаковую симптоматику. Вирус реплицируется в эпителиальных клетках, выстилающих носовые ходы. В течение десятилетий считали, что патологоанатомическая картина обусловлена локализованной репликацией вируса в носу и носоглотке. Ученые знали, что риновирус человека лучше всего реплицируется в культуре клеток при температуре между 33 и 35 °C. Это намного ниже температуры тела, и поэтому вирусологи полагали, что вирус может поражать только более холодные верхние дыхательные пути в носовых ходах. Оказалось, что это не так. У небольшой части пациентов риновирус с не меньшим успехом вызывает поражения нижних отделов дыхательных путей. Репликация вируса в нижних дыхательных путях была продемонстрирована в многочисленных исследованиях, в которых РНК вирусного генома выделяли из эпителия нижних дыхательных путей (Gern et al., 1977; Kaiser et al., 2006; Mosser et al., 2005). Ученые Кливлендского университета провели тщательное исследование температуры, преобладающей в дыхательных путях человека. Они непосредственно измерили температуру в нижних дыхательных путях и обнаружили, что она близка к 37 °C только ниже ветвления бронхов четвертого порядка, то есть глубоко в ткани легких (McFadden et al., 1985). Теперь мы принимаем как факт, что риновирус может поражать нижние дыхательные пути и там тоже можно обнаружить его репликацию. Этот аспект патогенеза риновирусной инфекции наиболее важен для особо восприимчивых пациентов. Больные, страдающие бронхиальной астмой или хронической обструктивной болезнью легких, подвержены тяжелым обострениям основных заболеваний на фоне риновирусной инфекции. Так что если мама говорила вам в детстве, что у вас «грудная простуда», то она ставила вам очень точный диагноз.

Существует сомнительное мнение, что простуда непременно возникает в холодную погоду; «ты простудишься и заболеешь» – это типичное напутствие матерей, дети которых убегают на мороз без шапки и в расстегнутой куртке. Считалось, что холод способствует распространению вируса. Какое более удачное место для исследований можно было найти, как не на станции МакМердо в Антарктиде? Группа ученых из университета штата Висконсин отправилась именно туда и в 1989 году опубликовала результаты своих исследований. Один из выводов гласил: длительное пребывание на холоде не оказывало значимого влияния на заболеваемость простудой среди ученых, перезимовавших на станции (Warshauer et al., 1989). Эти исследования развеяли еще один миф о простуде.

Итак, каков «образ жизни» риновируса? В чем секрет его генетического успеха в качестве возбудителя простуды у человека, простуды, которая посещает нас с завидной регулярностью? Давайте начнем сначала, как мы сделали это в отношении хвостатых ДНК-содержащих фагов. Риновирусы являются членами многочисленного и разнообразного семейства Picornaviridae; по размеру они сходны с хвостатыми фагами, инфицирующими прокариот, и тоже имеют икосаэдрический белковый капсид, в который упакован вирусный геном. Вместо двухцепочечной ДНК генетическая программа риновируса записана на одноцепочечной полимерной молекуле РНК длиной приблизительно в восемь тысяч пар оснований. РНК очень похожа на ДНК, и в настоящее время почти все согласны с тем, что РНК является эволюционной предшественницей ДНК в качестве носителя генетической информации. Нить РНК непосредственно представляет рибосомам клетки-хозяина информацию, кодирующую белок капсида, и на рибосоме немедленно начинается его синтез. Вирусная РНК, таким образом, транслируется в крупный белок, который расщепляется на одиннадцать белков меньшего размера, составляющих структурные элементы вирусной частицы (вирусные белки 1–4), и неструктурные белки, отвечающие за ход репликации генома. Частица риновируса является эффективным переносчиком вируса: инфицирование происходит в момент контакта вируса с эпителием носовых ходов или с эпителием конъюнктивы глаза. Вирус остается жизнеспособным в этой среде до четырех суток, а на поверхности кожи его жизнеспособность сохраняется два часа (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Обследование добровольцев показало, что у 40 % людей, страдающих простудой, вирус обнаруживается на руках (Gwaltney, Moskalski, Hendley, 1978). Перенесение вируса с рук на нос, с рук на глаза, а также прямой контакт с выделениями из носа или аэрозолем являются основными путями заражения. Вирус, попавший в носовые ходы, должен получить доступ в клетки хозяина, то есть в клетки слизистой оболочки, в которых ему предстоит реплицироваться. Этот процесс обеспечивается распознаванием и связыванием с белковым рецептором, расположенным на поверхности клетки носового эпителия. Специфичность этого физического взаимодействия исключительно высока. Форма и структура вирусного капсида точно соответствует трехмерной структуре внеклеточного домена рецептора (отношения «замок – ключ»). Таким способом подавляющее большинство риновирусов распознают молекулу межклеточной адгезии 1 (ММКА-1), белок на поверхности эпителиальной клетки. В норме эта молекула играет главную роль в адгезии лейкоцитов, иммунокомпетентных клеток, к клеткам, пораженным инфекцией или воспалением. Малая доля некоторых типов риновирусов, около 10 %, использует связывание с другим поверхностным белком – рецептором липопротеинов низкой плотности. Это связывание вирусной частицы с белком клеточной поверхности служит той же цели; в результате происходит прикрепление вируса к клетке. Независимо от природы рецептора, который распознает и связывает риновирус, комплекс белка и вируса транспортируется внутрь клетки с помощью механизма эндоцитоза. Вирус присваивает процесс, который клетка использует для обратного захвата и повторного использования белков своей собственной поверхности. Комплекс проникает в клетку в полости пузырьков, которые образуются в результате впячивания клеточной мембраны. Внутри клетки вирус отделяется от рецептора, и его частица распадается и высвобождает в цитоплазму геном – так же как фаги, геном вируса вступает в мир клетки-хозяина голым. Геном вируса немедленно распознается как шаблон для синтеза белка на клеточных рибосомах. Эти вирусные белки сразу блокируют функции клеточных белков, парализуют работу клетки и собирают комплексы репликации, которые удваивают геном РНК, готовый к упаковке и высвобождению из клетки. В отличие от фагов у риновируса нет выбора после входа в клетку. Он может вести себя только как вирулентный литический фаг; он не способен к лизогении (к которой способны умеренные фаги), и у риновируса, таким образом, нет возможности задержаться в клетке-хозяине. Это типичный гонщик на голом автомобильном шасси, кодирующий только свои генные продукты; он вынужден следовать хищнической литической тактике – хватай что можешь и беги – реплицироваться в наших клетках и одновременно в наших организмах.

К счастью, репликация риновирусов редко происходит за пределами эпителия дыхательных путей, их активность быстро подавляется усилиями иммунной системы, которая мобилизуется сразу после инфицирования клеток вирусом. Сразу после него клетки носового эпителия распознают вторгшийся вирус и запускают активацию защитной сети экспрессии генов. Эти ответы включают в себя врожденную клеточную антивирусную защиту и адаптивную реакцию иммунной системы, которая запускается в каскаде развертывающихся после инфицирования событий (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Эти реакции немедленно заставляют инфицированную клетку секретировать медиаторы воспаления, кинины и простагландины, которые вызывают повышение сосудистой проницаемости и стимулируют экзокринную секрецию. В результате первыми симптомами простуды являются зуд в носу и насморк. Первоначальное отделяемое из носа состоит из плазмы, просачивающейся из сосудов носовых ходов; только позднее жидкость начинает представлять собой нагруженный вирусами слизистый секрет. Сообщение между клетками продолжается благодаря интерлейкинам, сигнальным молекулам, таким как интерлейкин-8 и хемокины, которые выделяются в инфицированных тканях. Интерлейкин-8 является мощным хемоаттрактантом, который перемещает иммунокомпетентные клетки (нейтрофилы и моноциты) к месту инфекции для борьбы с незваными гостями. Количество интерлейкина-8 в отделяемом носовых ходов прямо пропорционально тяжести симптомов простуды.

Именно наша собственная иммунная система повинна в усугублении тяжести клинических проявлений простуды, так как она отвечает за отграничение и удаление из организма инфицированных вирусами клеток. Степень тяжести симптомов, естественно, играет важную роль в передаче вируса, который высвобождается из носовых эпителиальных клеток и покидает организм хозяина с током носового секрета. Риновирусная инфекция, не спровоцировавшая иммунного ответа, не достигает своей цели – успешной передачи вируса новым восприимчивым хозяевам. Интересно отметить, что одним из ответов инфицированных клеток является увеличение экспрессии ММКА-1. Это тот самый рецептор некоторых серотипов риновируса человека, но не всех, но усиление экспрессии ММКА-1 происходит при инфицировании всеми серотипами риновируса, что указывает на то, что это не является прямым результатом связывания вируса с рецептором. Папи и его коллеги предположили, что не поврежденные риновирусом эпителиальные клетки могут стать более восприимчивыми к последующим инфекциям в результате такого усиления экспрессии упомянутой молекулы (Johnston et al., 1998; Papi, Johnston, 1999), но вопрос так и остался открытым. В любом случае этот феномен ограничен теми риновирусами, которые используют ММКА-1 для проникновения в клетку. Но почему тогда все риновирусы, независимо от рецепторной селективности, оказывают одно и то же воздействие на инфицированную клетку? Вероятнее всего, усиление экспрессии ММКА-1 не влияет на окончательную продуктивность вирусной инфекции для каждой отдельной клетки, но феномен этот возник и сохранился для увеличения эффективности миграции лейкоцитов к инфицированным тканям. Вероятно, это самый важный биологический ответ, так как этим способом риновирус провоцирует более эффективную мобилизацию иммунокомпетентных клеток в эпителии носовых ходов, усугубляя тяжесть клинических проявлений, а значит, повышая заразительность инфекции (Papi, Johnston, 1999).

Специалисты по эволюционной биологии придерживались мнения, что длительная взаимная адаптация вируса и хозяина приводит в ходе эволюции к таким отношениям, которые минимизируют отрицательные последствия заболевания для хозяина. Логическим выводом из такого рассуждения является то, что инфекция со временем будет вызывать более легкое заболевание или вообще перестанет его вызывать. Такой исход часто очевиден при вирусных инфекциях, которые претерпели совместную эволюцию со своими хозяевами и следовали за его видовой дивергенцией в течение длительного, по меркам эволюции, времени. В результате интенсивной гонки вооружений между хозяином и вирусом такая эволюционная разрядка возможна только в том случае, если вирус сможет беспрепятственно распространяться в отсутствие симптомов заболевания. В случае риновируса, заразительность которого зависит от выраженности симптомов, естественный отбор, по необходимости, поддерживает его высокую вирулентность и способность провоцировать выраженные симптомы. В ходе своих кратковременных отношений с организмом хозяина вирусы должны создать условия, которые позволяли бы им свободно перемещаться от одного хозяина к другому. Было бы, однако, неразумно полагать, будто эволюция модулировала тяжесть заболевания, вызываемого риновирусами, оптимизируя возможность передачи и заражения. Это давление эволюции, скорее всего, ответственно за сотворение того, что мы называем простудой, заразной инфекцией, которая вызывает заметные симптомы со стороны верхних дыхательных путей. Относительно доброкачественная природа заболевания и его легкая симптоматика не снижают успешности вируса: он является надежным переносчиком вирусной генетической информации в человеческой популяции. Простуда вызывает легкие симптомы, которые практически не влияют на качество нашей обыденной жизни. Мы не прерываем общение с другими потенциальными жертвами, несмотря на то что являемся источниками этой заразы. Это настоящее преступление.

Необычное разнообразие

Болезнь, вызываемую риновирусами, можно назвать «бурей в стакане воды»; нет массивного разрушения тканей, инфицируются и погибают очень немногие клетки слизистой оболочки носовых ходов. После разрешения инфекции мы приобретаем стойкий иммунитет в отношении того риновируса, который вызвал данное заболевание. Реинфекция тем же штаммом риновируса исключена благодаря иммунологической памяти, которая позволяет организму мгновенно реагировать на вторжение знакомого пришельца и уничтожать его на корню. Реинфекция тем же штаммом риновируса, если она вообще случается, может иметь место при ослаблении иммунологической памяти, что при некоторых вирусных инфекциях происходит спустя достаточно продолжительный период времени. Успешность риновирусов, ежегодно вызывающих простуду у наших детей, не является свидетельством реинфекции тем же вирусом (под «тем же вирусом» я имею в виду тот же штамм вирусов), но говорит об инфекции другим штаммом риновируса, отличающимся генетически. Эти повторные инфекции говорят о большом числе и разнообразии типов риновирусов, которые одновременно циркулируют в нашей популяции. Убедительное подтверждение этого факта было получено в исследовании, проведенном в университете штата Висконсин. Наблюдали группу из тридцати четырех детей, страдавших бронхиальной астмой. Наблюдение вели в сентябре, когда дети только что вернулись в школу (Olenec et al., 2010). На третьей неделе месяца шестнадцать из тридцати четырех детей заболели риновирусной инфекцией; в течение месяца группа ученых выявила семнадцать различных риновирусных штаммов в этой когорте наблюдаемых. Несмотря на то что наблюдали детей, страдавших бронхиальной астмой, у которых восприимчивость к риновирусной инфекции и длительность простуды может быть больше, чем у здоровых сверстников, это наблюдение служит наглядной иллюстрацией того, что в каждый данный момент времени в человеческой популяции циркулирует множество различных штаммов риновирусов.

Для того чтобы исследовать эволюцию риновирусов, специалисты по сравнительной геномике проанализировали геномные последовательности различных изолированных популяций вирусов, чтобы найти основу их генетической вариабельности и выявить давление отбора, которое создало это генетическое разнообразие. Главным в способности риновирусов адаптироваться к среде и развиваться являются ошибки при репликации РНК. Наблюдение вариантов нуклеотидных последовательностей в разных штаммах риновирусов позволило многое узнать о силах, движущих их эволюцию. Здесь требуются некоторые пояснения: наш генетический код (а вирусы используют точно такой же) является по своей природе «вырожденным». Код должен распознавать и идентифицировать каждую из двадцати одной аминокислоты, которые в различных сочетаниях и последовательностях образуют белки; кроме того, последовательности нуклеотидов должны кодировать стоп-сигнал. Невырожденный словарь содержал бы двадцать два слова: по одному на каждую аминокислоту, и еще одно дополнительное слово для сигнала рибосоме прекратить трансляцию белка. На самом деле, в алфавите рибонуклеотидов содержатся четыре разных основания (думайте о них как о буквах): гуанидин, аденин, цитидин и урацил. Эти буквы соединяются, образуя слова или, иначе говоря, кодоны из трех букв, которые определяют, какая аминокислота будет включена в белок. Так, существует 43 = 64 доступных слова, в то время как нужно двадцать одно слово для аминокислот и одно слово-сигнал для прекращения трансляции. На самом же деле, одна аминокислота может кодироваться более чем одним кодоном, отсюда и вырожденность, иными словами, избыточность кода. Это свойство генетического кода дает ценный инструмент в руки ученых, изучающих эволюцию. Так как слова (сиречь, кодоны) с различным написанием (различные триплетные последовательности из четырех оснований) могут обозначать одну и ту же аминокислоту, то некоторые ошибки в записи генетического кода могут не приводить к нарушению смысла, и в белок будет включена та же аминокислота. Такие изменения называют синонимичными мутациями. Если же изменение в записи кодона приводит к включению в белок другой аминокислоты, то речь идет о несинонимической мутации.

Ниже приведены примеры синонимических и несинонимических мутаций для аминокислоты лейцина:

ЦУУ (лейцин) —› ЦУЦ (лейцин) = синонимическая мутация;

ЦУУ (лейцин) —› ЦГУ (аргинин) = несинонимическая мутация.

Исследование полных геномов множества изолированных популяций риновирусов и оценка числа синонимических изменений в сравнении с числом несинонимических изменений в геноме позволило специалистам определить тип естественного отбора и природы его давления на разные участки генома. Если очищающая селекция есть преобладающая форма давления отбора, то он будет поддерживать сохранение уже существующих последовательностей аминокислот в белках. Синонимические изменения терпимы, потому что не приводят к изменениям в белковом составе вируса. Несинонимические нуклеотидные изменения будут отвергнуты, потому что они вредят полноценности вирусного генома. С другой стороны, если преобладают условия, в которых изменения белкового состава вируса благоприятны в отношении давления отбора, то в последовательностях генома будет обнаруживаться большая доля несинонимических мутаций. Такая ситуация называется положительным отбором.

Стоит особо отметить исследования, проведенные Кистлером и его коллегами в Калифорнийском университете Сан-Франциско (Kistler et al., 2007). Авторы изучали последовательности полного генома репрезентативного набора из тридцати четырех риновирусных штаммов. Ученые пришли к выводу, что большая часть генома риновирусов возникла в условиях очищающего давления естественного отбора. Большая часть генетических вариаций, обусловленных ошибками при репликации вирусной РНК, следовательно, возникли в результате вредоносных для адаптации вируса изменений. Естественный отбор вычищает геномы с мутировавшими последовательностями, которые изменяют последовательность аминокислот в белках. Отличительный признак этой очищающей селекции заключается в том, что допускаются синонимические мутации, которые, таким образом, выявляются чаще, чем несинонимические. Это совпадает с тем, чего можно ожидать от вируса, который в высшей степени, можно сказать, оптимально приспособился к своему хозяину. В этом случае давление отбора, приводящее к генетическим изменениям, прекращается. Учитывая заболеваемость простудой, мы неизбежно приходим к выводу, что риновирусы прекрасно приспособились к нам.

Другие наблюдения проливают свет на движущие силы происхождения множества серотипов риновирусов. В некоторых дискретных участках их генома ученые увидели большую, чем ожидалось, частоту несинонимических мутаций в сравнении с синонимическими: в этой части генома поработал положительный естественный отбор. Эти участки ограничиваются теми последовательностями, которые кодируют белки, образующие внешний капсид вируса, и отдельными участками, кодирующими неструктурные белки. Участки неструктурных белков, оказавшиеся под действием положительного отбора, ограничены участками РНК, которые не играют главной роли в функции вируса внутри клетки. Вероятно, что это селективное давление, ведущее к изменениям, возникло в результате воздействия на риновирусы со стороны иммунной системы. Белки вириона, то есть белки, ассоциированные с вирусными частицами, распознаются циркулирующими защитными антителами, возникающими в ответ на инфицирование вирусом. После выздоровления антитела данной специфичности делают пациента невосприимчивым к реинфекции тем же серотипом риновируса. Эти антитела распознают разные риновирусные серотипы, и их специфичность стала основой для выделения более ста серотипов риновирусов, известных к настоящему времени. Постоянное давление отбора заставляет вирусы обходить эти нейтрализующие антитела; вирусы делают это, маскируясь внутри измененного капсида, который не может быть распознан иммунной системой, отреагировавшей ранее на другие штаммы вируса простуды. Разумно предположить, что эволюция множества серотипов риновирусов позволила им сохраниться и процветать на нашей человеческой популяции, так как они получают беспрепятственный доступ к сборочному конвейеру на рибосомах восприимчивых организмов.

Причина давления положительного отбора на последовательности аминокислот в неструктурных белках риновируса (которые не подвержены нейтрализующему действию антител) не находит объяснения в литературе. Я, однако, полагаю, что эти изменения тоже вызваны давлением отбора, направленного на обход иммунного ответа. Иммунный воспалительный каскад, инициируемый в пораженной клетке, отвечает также за мобилизацию цитотоксичных клеток T-киллеров, которые начинают накапливаться в пораженной ткани. Это плечо нашей иммунной системы – в терминах клеточно-опосредованной иммунной реакции – обладает уникальной способностью распознавать и атаковать инфицированные клетки с целью их уничтожения и удаления. Инфицированные клетки распознаются иммунной системой, так как на их поверхности присутствуют мелкие сегменты белков – пептиды, – образующиеся при разрушении белков внутри каждой клетки. Многие пептиды, присутствующие на клеточной поверхности, образуются в результате распада собственных белков, и они распознаются иммунной системой как «аутоантигены». Отпечатки пальцев вируса обнаруживаются на пептидах, образовавшихся в результате распада вирусных белков и вышедших на поверхность пораженной клетки. Они выявляются и распознаются как чужеродные цитотоксическими T-клетками-киллерами, которые затем приближаются к клетке и уничтожают ее. Особые вирусные пептиды, обнаруживаемые на поверхности инфицированных клеток, таким образом, обучают нашу иммунную систему и делают инфицированные клетки восприимчивыми к действию клеточно-опосредованного иммунитета. Клетки, инфицированные измененными вирусами, то есть с измененными пептидами, не будут распознаваться цитотоксическими T-клетками естественными киллерами. Эти вирусы будут иметь селективное преимущество в том, что смогут избежать этого механизма иммунологической «чистки». Это пример положительного отбора.

Таким образом, будет разумным предполагать, что главной движущей силой диверсификации риновирусов является наш (и наших обезьяноподобных предков) иммунный ответ. Способность риновирусов к диверсификации оказалась критически важной для их успешности в роли вездесущего патогена, который существует за счет доступности восприимчивых нетронутых хозяев. Каждый из нас не раз болел простудой, и каждый раз заболевание, скорее всего, было вызвано особым, отличным от других, штаммом риновируса; наши дети особенно восприимчивы к простуде именно по этой причине – они никогда не сталкивались с большинством серотипов риновирусов. Дети – самая плодородная почва для инфекции, потому что снабжены только теми антителами, которые нейтрализуют только те риновирусы, с которыми они уже имели дело. Простуда – это движущаяся мишень для нашего иммунного ответа; вирусы не только вызывают легкое заболевание с симптомами, которые позволяют нам общаться с другими людьми и заражать их; они также способны к выраженному разнообразию, что позволяет им поражать максимальное число разных хозяев. Риновирусы не имеют возможности почивать на лаврах; распространение каждого штамма вируса зависит от повторных циклов репликации. Вымирают ли некоторые риновирусы, покидая организм очередного хозяина, сменяясь вновь возникшими серотипами? Последнее наиболее вероятно, первое едва ли возможно. Многочисленные серотипы риновирусов циркулируют в человеческих популяциях одновременно, и ни один отдельно взятый серотип не является настолько успешным, чтобы истощить пул своих хозяев и навсегда исчезнуть. Географические миграции и рождение восприимчивых детей снабжают вирусы новыми хозяевами, восприимчивыми к инфицированию любыми серотипами.

Гримасы патогенеза

Я уже упоминал о том факте, что в некоторых случаях риновирусные инфекции протекают тяжелее, чем обычно. В большинстве случаев заболевание бывает легким, и дело ограничивается поражением верхних дыхательных путей, но иногда инфекция поражает и более глубокие, нижние дыхательные пути. Вполне оправдан вопрос, объясняется ли этот феномен различиями между вирусами, или все дело в хозяине. Здравый смысл подсказывает, что тяжесть простуды зависит от больного, а не от серотипа вируса, который его поразил. Тяжелое течение болезни часто регистрировали у пациентов, неспособных на мощный антивирусный иммунный ответ. Это стало очевидным, когда сравнили тяжесть течения простуды с уровнем антивирусного медиатора интерферона-α, который секретируется пораженными клетками (Message, Johnston, 2001; Copenhaver et al., 2004; Sykes et al., 2012). Пациенты, у которых происходит вялая мобилизация интерферона, болеют тяжелее. Пациенты, страдающие легочными заболеваниями, и люди с ослабленным иммунитетом тоже более восприимчивы к тяжелому течению риновирусных инфекций. Тем не менее один новый таксон риновирусов, РВЧ-C, недавно открытый учеными (Lee et al., 2007), ассоциируется с более тяжелым течением вызываемой им простудой и с поражением нижних дыхательных путей, в особенности у больных, страдающих бронхиальной астмой. Этот сегмент риновирусных инфекций является, по понятным причинам, предметом особого внимания и озабоченности для пациентов и их лечащих врачей, но в смысле эволюции риновирусов эта форма заболевания едва ли имеет большое значение, так как встречается редко. Маловероятно, что последствия этого редкого заболевания будут лучше служить эгоистичным целям риновирусных геномов. Особенно это вероятно, если тяжесть заболевания все же зависит от хозяина, а не от генетической вариабельности вируса, которая может стать объектом естественного отбора. Если бы тяжелое течение заболевания у некоторых индивидов определялось на уровне геномной последовательности риновирусов человека и если бы эти изменения обеспечивали вирусу существенные преимущества в плане передачи инфекции, то можно было бы ожидать большей частоты таких тяжелых заболеваний. Поскольку, однако, этого не происходит, представляется более правдоподобным, что эволюция патогенности штаммов риновирусов уже достигла оптимального баланса между надежностью передачи болезни и патогенностью. Геномы наилучшим образом приспособленных риновирусов являются, по-видимому, продуктом самых частых встреч риновирусов с их хозяевами, у которых типичная клиническая картина с легкими и ограниченными по локализации симптомами служат самым отчетливым признаком патогенности. Небольшое число заражений, проявляющееся более тяжелыми симптомами, как представляется, не является движущей силой эволюционных изменений риновирусов. Риновирусы едва ли нуждаются в более высокой патогенности, и едва ли она у них разовьется. Преобладание давления очищающего естественного отбора на геном позволяет предполагать, что за время долгих отношений между людьми и риновирусами эволюция уже довела эти отношения до оптимального уровня.

Все же возможно, что эволюционные изменения риновирусов были (и могли быть) потенцированы редкими случаями более серьезного заболевания. Можно предположить, что такие заболевания протекают с большим числом репликативных циклов у одного больного. Увеличение числа циклов репликации у больного может обогатить генетическое разнообразие вирусной популяции в большей степени, чем это возможно при легко протекающем заболевании (Tappard et al., 2011). Эти варианты, если они доступны для распространения и передачи другим хозяевам, являются вероятными кандидатами на уничтожение под влиянием давления очищающего отбора и удаляются из популяции (для сохранения статус-кво). Тем не менее в условиях, когда эволюционные изменения происходят в популяции хозяев, такое повышение генетической вариабельности может стать плодородной почвой для давления положительного отбора. В настоящее время, однако, нет данных за то, что этот феномен сыграл центральную роль в распространении штаммов риновируса или в их диверсификации.

Позвольте мне теперь представить вам еще одного члена семейства пикорнавирусов. На этот раз мы познакомимся с энтеровирусом, который называется полиовирусом или вирусом полиомиелита. Его геном имеет такой же размер, он сходным образом организован и имеет похожий капсид. Полиовирус, однако, не вызывает респираторных заболеваний; это кишечный патоген, поражающий человеческий кишечник. Источник инфекции – кал больного, в котором содержатся вирусные частицы. В общественном сознании полиовирус в первую очередь представляется причиной тяжелого заболевания, полиомиелита, который до введения в практику вакцинации (в пятидесятые годы) из года в год повторялся в виде сезонных эпидемий. Главными жертвами полиомиелита становились дети, у которых это заболевание было причиной развития детского паралича. Это поистине страшная болезнь. Однако после внедрения в клиническую практику вакцины Джонаса Солка и успешной кампании вакцинации представление о железных легких – громадного аппарата, в котором, как в мышеловке, лежал человек, не способный дышать самостоятельно, – потускнело и ушло в прошлое. Причина, по которой я решил представить вам полиомиелит, заключается не в том, что это тяжелая болезнь, вызываемая вирусом, а в том, что этот пример наиболее наглядно иллюстрирует пункт, о котором я уже говорил, касаясь давления отбора, оказавшего наибольшее влияние на эволюцию риновирусов. Для полиомиелита характерен фекально-оральный путь заражения; вирус попадает в организм через рот и в конечном итоге выводится с калом. Сначала вирус фиксируется и размножается в слизистой оболочке ротоглотки и кишечника, но может проникнуть сквозь кишечную стенку и попасть в кишечные и шейные лимфатические узлы. Репликация в лимфоузлах приводит к виремии (попаданию вируса в кровь), благодаря чему вирусы можно обнаружить в крови. Правда, в 98–99 % случаев этим все и заканчивается. Это очень легкое заболевание, проявляющееся нетяжелой ангиной и такими общими симптомами, как лихорадка и недомогание. Действительно, серологические исследования, проведенные в период, когда полиомиелит был эндемичным для нашего общества, показали, что вирус поражал большое число людей, но мало кто из них мог припомнить, что болел полиомиелитом. Таким образом, во многих случаях инфицирование вирусом полиомиелита протекает без заметных симптомов, а в большинстве других случаев заболевание протекает доброкачественно. С другой стороны, в небольшом проценте случаев вирус полиомиелита может проникнуть в нервную систему, что приводит к ужасным неврологическим последствиям – заболеванию полиомиелитом. Это, однако, случайность, отклонение от естественного течения инфекции, которая по своей сути является поражением пищеварительного тракта. Поскольку лишь у ничтожного числа инфицированных происходит инвазия вируса в нервную систему, логично предположить, что это меньшинство больных изначально предрасположено к тяжелому заболеванию. На моделях животных, зараженных вирусом полиомиелита, был изучен антивирусный ответ на инфицирование и реактивное повышение секреции интерферона. Было показано, что низкий уровень интерферона препятствует эффективному подавлению репликации вирусных частиц и является предпосылкой проникновения вируса в нервную ткань (Racaniello, 2006). Отсюда был сделан вывод о том, что полиомиелит может быть следствием неспособности некоторых индивидов к полноценному антивирусному ответу. Неспособность эффективно подавлять репликацию вируса приводит к образованию большего числа вирусных частиц и повышению риска заражения ими нейронов и дальнейшего проникновения в центральную нервную систему. Обусловленный интерфероном антивирусный ответ оказывает сильное влияние на тяжесть проявления простуды при риновирусной инфекции, поэтому есть все основания считать, что и в этом случае недостаток интерферона определяет подверженность маленьких детей параличу, вызываемому вирусом полиомиелита.

Эгоистичная цель генома полиовируса, репликация и передача другим хозяевам полностью достигается за счет репликации в кишечнике: это кишечный вирус, полностью приспособленный к этой среде. Поражение нервной системы – несчастная случайность. Время от времени вирусологам приходится заново анализировать значение исходов некогда тяжелого заболевания меньшинства населения и сильную отягощенность легким заболеванием той же этиологии. Именно легкое или даже бессимптомное заболевание вносит самый большой вклад в осуществление подавляющего большинства циклов передачи инфекции, и именно на этой сцене громче всего звучит музыка эволюции.

Мутация, генетическое разнообразие и квазивиды

Уникальная способность вирусов к быстрому размножению и влиянию на эволюцию своих хозяев – это тема, которая красной нитью пройдет через всю эту книгу. Риновирусы и полиовирусы разделяют с другими РНК-содержащими вирусами одно свойство, которое отличает их от вирусов с ДНК-геномом: репликация РНК-содержащих вирусов совершается с множеством ошибок. РНК-зависимая РНК-полимераза РНК-содержащих вирусов отличается от ДНК-зависимой ДНК-полимеразы отсутствием механизма устранения ошибок. За редким исключением ДНК-полимеразы способны редактировать свои тексты, чтобы удостовериться в точности копирования, в то время как РНК-полимеразы удовлетворяются черновым вариантом. Следовательно, РНК-полимераза создает мутации и порождает генетическую вариабельность в дочерних геномах в степени, намного превышающей вариабельность ДНК-геномов, созданных под действием ДНК-полимеразы. Склонность к ошибкам копирования у РНК-полимераз так велика, что для вируса с геномом, состоящим из 10000 оснований, каждый дочерний геном будет содержать по меньшей мере один «неправильный» нуклеотид в сравнении с родительским геномом, а в сравнении с сестринскими – два (Malpica et al., 2002). Эта замечательная способность порождать генетическое разнообразие есть жизненно важная основа эволюционной адаптации, и в следующих главах мы увидим, как важен этот магический трюк РНК-содержащих вирусов для их успешности в роли паразитов и патогенов. Это противоречит здравому смыслу, но тем не менее это верно, что такая безалаберная репликация РНК-геномов является ценным достоинством РНК-вирусов.

Как правило, при обсуждении видов вирусов мы неявно подразумеваем, будто существует некий дикий штамм с уникальной геномной последовательностью, которая и определяет генетическую идентичность некоего исходного штамма. При инфицировании в реальном мире вирусная популяция представляется, скорее, как облако очень близких, но тем не менее генетически различных индивидов, которые получили название квазивидов (quasispecies). В каждом раунде инфицирования и передачи вирусные варианты отбраковываются или остаются под воздействием очищающего или положительного давления естественного отбора, и еще большее число вариантов создается по мере распространения и размножения квазивидов. Устойчивая популяция уникальных геномов, составляющих квазивиды, стала предметом многих экспериментов, теоретического моделирования и научных споров после того, как такая популяция была впервые описана в 1978 году учеными из лаборатории выдающегося молекулярного биолога Шарля Вейсмана в Цюрихе (Domingo et al., 1978). Новаторская работа Вейсмана с мелким РНК-бактериофагом Qβ, крошечным вирусом с геномом, содержащим всего 4500 оснований, заключалась в выяснении схемы его репликации в бактериальной клетке. Лаборатория Вейсмана стала, кроме того, первой, где была использована техника молекулярного клонирования генома Qβ для первой демонстрации сайт-ориентированного мутагенеза, то есть вызывания мутаций в определенных местах генома. В своей автобиографической статье Вейсман пишет, что открытие произошло во время проведения опытов по сайт-ориентированному мутагенезу в середине семидесятых годов, когда обнаружилось, что геномная последовательность фага Qβ быстро становится гетерогенной при выращивании в последовательности бактериальных культур: «Мы заключили, что популяция находилась в динамическом равновесии; жизнеспособные мутанты возникали с высокой скоростью… с одной стороны, а с другой – подвергались действию очень жесткого отбора» (2012).

Эти наблюдения имели далеко идущие последствия для наших знаний об эволюции РНК-содержащих вирусов. Вид вируса не является уникальной генетической единицей: он представляет собой сложную популяцию разнообразных, но родственных генетических сущностей, которые действуют как единое целое и, размножаясь, распространяются, откуда и возникло наименование «квазивид». Естественный отбор и эволюция вирусных видов действуют не на единичный индивидуальный генотип, но на совокупность генотипов, представленных в пределах квазивида. Индивидуальные генотипы являются производными случайных мутационных изменений, вызванных ошибочным включением рибонуклеотидов в цепь РНК во время репликации вирусного генома. Эти изменения подвергаются давлению естественного отбора, которое помогает выделять и отбирать относительно пригодные из индивидуальных компонентов и, таким образом, формировать генетический состав квазивида. Наша концепция «дикого типа» – это концепция отдельного, единичного вида, который обычно обладает геномом с «консенсусной последовательностью» и фенотипом, наилучшим образом приспособленным к преобладающим условиям окружающей среды. Понятие о диком типе сохраняет свою ценность для вирусологии, но дикий тип лучше считать неким центром тяжести квазивида, геном дикого типа может существовать в пределах квазивида, как нечто мимолетное и эфемерное, а в большинстве случаев он просто отсутствует. Надо особо подчеркнуть, что концепция квазивида ни в коем случае не отменяет дарвиновскую теорию эволюции, на которой она зиждется и дальнейшим развитием которой является.

Как мы скоро увидим, РНК-содержащие вирусы образуют квазивиды для осуществления быстрой адаптации, повышения шансов на распространение и стимуляции патогенеза в сложной физиологической среде клеток, тканей и органов, составляющих многоклеточные организмы. Основой формирования квазивидов, их движущей силой являются склонные к ошибкам механизмы репликации РНК-содержащих вирусов, которые служат генератором генетического разнообразия. Скорость генетической диверсификации, скорость, с которой ошибки включаются в новые геномы, должна тонко регулироваться эволюцией. Манфред Эйген, лауреат Нобелевской премии по химии, который позднее переключился на изучение теории информации и молекулярной эволюции, написал статью в 1993 году опубликованную в «Scientific American», где доступно и образно изложил свойства квазивидов. Автор говорил о пространстве последовательностей как о концепции, позволяющей картировать разнообразные нуклеотидные последовательности в многомерной матрице, названной пространством последовательностей Хеннинга. Если количество ошибок в репликации нуклеотидных последовательностей будет так высока, что ни один из дочерних вирусов не повторит родительскую последовательность, то популяция последовательностей равномерно заполнит все их пространство. Автор уподобил это молекулам газа, которые равномерно рассеиваются по объему контейнера, в который этот газ заключен. Строго говоря, это не будет репликацией, так как в этом случае целостность вида вообще перестанет существовать, даже при наличии давления отбора, который оставит только самые приспособленные генотипы. С другой стороны, снижение числа ошибок приведет к снижению дисперсии геномных последовательностей, как пишет Эйген: «При некотором критическом уровне ошибок действие отбора на популяцию разительно изменится: расширяющая сила мутаций придет в равновесие с ограничивающей силой давления отбора. Диффузный газ родственных последовательностей внезапно сконденсируется в конечный, но достаточно обширный оформленный объем» (Eigen, 1993). Это облако последовательностей со своим центром тяжести в области исходной последовательности станет самоподдерживающейся популяцией, которая будет несовершенно воспроизводиться, но поддерживать собственную цельность как единое целое.

Такова, следовательно, природа квазивида: плотность облака последовательностей в каждой точке пространства последовательностей определяется относительной приспособленностью последовательности; области облака, представляющие последовательности с меньшей адаптивностью, будут менее плотно заселены, а области с высокой адаптивностью заселены более плотно. В этом заключается наиболее мощное свойство вирусных квазивидов: плотность распределения вариантов адаптивности требует, чтобы последовательности были представлены с частотами, пропорциональными своей относительной адаптивности. Геномы с низкой способностью к адаптации будут реплицироваться мало или не будут реплицироваться вовсе, а наилучшим образом адаптированные геномы будут реплицироваться с наибольшей эффективностью. Отсюда следует, что с наибольшей вероятностью будут реплицироваться отличающиеся наибольшей адаптивностью геномы: их больше, и они претерпевают большее число репликативных циклов. Это может дать вирусам возможность осуществлять адаптивную эволюцию со скоростями, на несколько порядков более высокими, чем при истинно случайных мутациях. Последовательности быстро конденсируются около наиболее приспособленной области пространства последовательностей. Если изменятся условия окружающей среды, изменится и давление естественного отбора, и квазивид сможет воспользоваться присущим ему адаптивным потенциалом. Генотипы быстро перестроятся и начнут группироваться вокруг нового центра тяжести. Изменение ландшафта адаптивности пространства последовательностей, занятого квазивидом, является естественным следствием изменения давления отбора, действующего на популяцию вирусов. Такие изменения могут иметь следствием изменение иммунологического давления, производимого организмом-хозяином, применением антивирусных препаратов или даже передачей генетической информации другим видам, что требует приспособления вируса к новому хозяину. Частота генотипов, которые ранее занимали «центральное» пространство, зарезервированное за самыми приспособленными генотипами, уменьшится, и эти генотипы займут положение на периферии пространства адаптивности, если угодно, на самом краю облака последовательностей. В этом тоже заключается преимущество квазивида: он обладает памятью. Некогда самые приспособленные генотипы, свойства которых стали теперь дезадаптивными, могут продолжать существовать на границе пространства квазивида в роли минорных вариантов. При изменении внешних условий или давления отбора возможность призвать под знамена старые геномные варианты является большим преимуществом. Квазивиды могут быстро реагировать на изменения и адаптироваться, снова выбрав уже существующий вариант и быстро сгруппировавшись вокруг него, воссоздав оптимально приспособленный ландшафт последовательностей.

К настоящему времени накоплено немало экспериментальных данных, убедительно показывающих, что РНК-содержащие вирусы в ходе эволюции приобрели способность с выгодой для себя использовать склонность к ошибкам репликации. Совершенно очевидно, что должен существовать верхний предел склонности к ошибкам в работе вирусных РНК-полимераз. Хорошего может стать слишком много. При превышении некоего критического порога скорости появления мутаций в каждом геноме разнообразие перестанет быть благотворным; большинство дочерних геномов окажется нежизнеспособным. Чем больше геном, тем больше ошибок он может перенести в ходе своего синтеза до превышения какого-то критического порогового значения. В этот момент происходит катастрофа ошибок. Продолжая это рассуждение, можно понять, почему большинство РНК-содержащих вирусов имеют короткие геномы, меньше 15 тысяч оснований. Более длинные геномы не могут реплицироваться с надежностью, достаточной для предотвращения катастрофы ошибок (хотя я должен признать, что, вероятно, есть и другие ограничивающие факторы). Коронавирусы, имеющие геномы длиной свыше 30 тысяч оснований, являются исключением из общего правила. Тем не менее наше основополагающее рассуждение остается верным: максимальная длина генома РНК-содержащего вируса диктуется скоростью появления мутаций. В недавно выполненной работе было показано, что уникальность коронавирусов среди РНК-содержащих вирусов заключается в том, что они способны кодировать белки, повышающие надежность геномной репликации. Неструктурный белок 14 является 3’-5’ экзорибонуклеазой, которая обеспечивает точность репликации генома коронавирусов (Smith et al., 2015). Повышение надежности и точности репликации генома, в свою очередь, допускает экспансию генома и увеличение информационной емкости при сохранении способности к адаптивной эволюции.

Еще одним свидетельством в пользу того, что склонность к ошибкам при репликации геномов является эволюционным преимуществом РНК-содержащих генов, стало обнаружение нового мутанта вируса полиомиелита группой ученых Стэнфордского университета, которые опубликовали свою работу в 2003 году. Пфейффер и Киркегор выделили 3D-G645, мутантный вирус, кодирующий РНК-полимеразу с повышенной надежностью. Этот фермент делает меньше ошибок при синтезе РНК (Pfeiffer, Kirkegaard, 2003). Тот факт, что эта единичная точечная замена остатка глицина в полимеразе серином не произошла в ходе эволюции полиовируса, указывает на то, что в природной популяции вируса полиомиелита это простое изменение может лишить геном каких-то важных преимуществ. Представляется, что в обычных условиях РНК-полимераза вируса полиомиелита с низкой надежностью представляет какие-то преимущества перед лицом естественного отбора. Можно предположить, что создание геномного разнообразия, проявляющегося в форме квазивидов, обеспечивает преимущества вирусной популяции в условиях давления естественного отбора.

Группа ученых из Стэнфорда и еще одна группа из Калифорнийского университета в Сан-Франциско исследовали этот вопрос более подробно. Они смогли убедительно показать, как репликативная ненадежность и обусловленная ею множественность квазивидов благотворны для РНК-содержащих вирусов, особенно в таких сложных экологических условиях, как инфицированный животный организм (Pfeiffer, Kirkegaard, 2005; Vignuzzi et al., 2006). Обе группы исследовали патогенез вирусного поражения у инфицированных вирусом полиомиелита животных. В обоих случаях использовали генетически модифицированные породы мышей, восприимчивых к полиомиелитной инфекции. Ученые сравнили патогенез заболевания при заражении мутантным вирусом с надежной РНК-полимеразой, содержащей точечную мутацию G64S, и при заражении вирусом, содержащим РНК-полимеразу дикого типа. Мутантный вирус, который, как ожидалось, существует в виде квазивида пониженной сложности, проявил меньшую патогенность, и если вирусы дикого типа вызывали заболевание, которое практически во всех случаях поражало головной мозг, то мутантный вирус делал это с намного меньшей эффективностью. Ученые заключили, что сложная вирусная популяция, обладающая множеством генетических вариантов, имеет более выраженную способность вызывать заболевание у мышей. Полученные данные указывают на пользу квазивидов как таковых и на взаимодополняющую кооперацию между вариантами в пределах квазивида, которые максимально стимулируют патогенность вирусов для мышей. Сотрудники доктора Рауля Андино в Калифорнийском университете Сан-Франциско (Vignuzzi, 2006) показали, что при заражении природной болезнью полностью патогенным был только вирус, выделенный из головного мозга мышей. Этот вирус можно было ввести в периферические ткани здоровой мыши, что приводило к тяжелому инфекционному поражению и проникновению вируса в головной мозг. У мышей, инфицированных мутантным вирусом, поражением головного мозга страдало меньшее число животных, а вирус, который обнаруживали в мозге таких мышей, при введении в периферические ткани здоровых мышей в их мозге не обнаруживался. Мутантный вирус не мог создавать квазивиды, разнообразные настолько, чтобы проявлять полную патогенность после повторной инокуляции.

Вырисовывается картина, согласно которой создание геномного разнообразия в популяции полиовирусов очень важно для развития его патогенности для животных. Возможно, различные субпопуляции квазивида опосредуют разные аспекты патогенеза, например репликацию в кишечнике, транспорт между тканями или проникновение в нервную систему. Только вирусы, обладающие устойчивым и достаточным геномным разнообразием, могут проявлять полный спектр вирусной патогенности. Если это действительно так, тогда сложность или вариабельность исходов заболеваний, вызываемых РНК-содержащими вирусы, должны зависеть от способности вирусов создавать адаптивные популяции и проявлять высокую приспособляемость в организме каждого инфицированного хозяина. Сложные экологические системы, такие как внутренняя среда многоклеточного организма, представляют значительные трудности для вирусной популяции, и преодолеть эти биологические препятствия может только генетически разнообразная популяция вирусов. Передача вируса новому хозяину связана для популяции вирусов с необходимостью пройти через «бутылочное горлышко», в котором генетическое разнообразие оказывается сильно, хотя и временно, ограниченным. Эта ситуация обусловлена ограниченным числом вирусных частиц, которые передаются от одного хозяина другому в процессе заражения. Тем не менее если отсутствует измененное или специфическое давление отбора, то представляется вполне вероятным, что самый приспособленный и самый густо заселенный участок пространства последовательностей сумеет благополучно миновать это бутылочное горлышко. В организме нового хозяина эти популяции осуществляют новую экспансию (с повышением генетического разнообразия последовательностей) и воссоздают ее центр тяжести, откуда начинает свое построение облако последовательностей, из которых и состоит квазивид. Если основу новой инфекции составляют менее приспособленные геномы, то природные свойства квазивидов позволят диверсифицировать популяцию, изменить ее форму и сконденсировать вокруг предпочтительной области пространства последовательностей квазивида.

Огромная важность квазивидов в патогенности и эволюции РНК-содержащих вирусов была понята и по достоинству оценена только в течение последнего десятилетия. Квазивиды оказывают постоянное влияние на эволюцию всех РНК-содержащих вирусов. Сила давления отбора на эти вирусные популяции определяет стабильность или изменчивость последовательностей вирусных геномов с течением времени. Мощное давление очищающего отбора может сделать штаммы вируса относительно устойчивыми на протяжении достаточно длительных периодов времени (то есть занимающими четко ограниченные области пространства последовательностей), несмотря на высокую частоту мутаций. Для иллюстрации квазивида в действии я использовал пример вируса полиомиелита, но стоит в этой связи отметить, что естественные изолированные группы полиовируса весьма консервативны в своих нуклеотидных последовательностях. С другой стороны, для вирусов, на которые в большей степени действует положительный естественный отбор, благоприятствующий изменениям (например, это относится к вирусам, находящимся под высоким давлением отбора и вынужденным приспосабливаться к новому виду хозяев), характерна высокая генетическая изменчивость, усиливаемая сложным составом их квазивида. Таким образом, квазивиды обеспечивают вирус резервуаром генетического разнообразия, которое может проявиться в зависимости от условий существования. По мере того как мы исследуем разные вирусы и их эволюционный modus operandi, мы постепенно открываем новые мощные и хитрые трюки, используемые вирусами для того, чтобы перехитрить хозяина, улучшить собственную выживаемость и обеспечить бесперебойную репликацию.

Глава 5

Грипп: не простуда

Огромная ошибка – отождествлять грипп с простудой. В романе Арнольда Беннетта «Карта», написанном в 1911 году, миссис Мачин категорически утверждает: «В мое время не было никакой инфлюэнцы. Называйте простуду простудой». Беннетт, вероятно, счел бы эти строчки менее уместными, если бы написал свой роман десятью годами позже. В 1918 году разразилась пандемия гриппа, названного «испанкой», поразившего каждого четвертого жителя планеты и унесшего сорок миллионов жизней в течение одного года. Вирус простуды является весьма эффективным патогеном, но совместная с человеком эволюция сделала простуду хотя и превалирующим, но легким заболеванием, сохранив только симптомы, необходимые для успешной передачи вируса новым хозяевам. Вирус простуды не стал комменсалом, не причиняющим никакого вреда хозяину; он остается паразитом и вызывает поражение, достаточное для сохранения заразительности. Генетическое разнообразие его велико, но удивительно устойчиво, по крайней мере согласно нашим наблюдениям, и это разнообразие проявляется существованием множества отличающихся между собой генетически и серологически штаммов. Эти родственные вирусы циркулируют в человеческой популяции совместно, и поэтому ни один из отдельных серотипов не является единственным возбудителем простуды в каждый данный момент времени. Биология вируса гриппа, с другой стороны, совершенно иная. Вирус A человеческого гриппа – один из самых успешных и опасных человеческих вирусов и представляет собой образец эволюции вируса. Удивительная быстрота, с которой вирусы гриппа непрерывно обновляются, генетически может сделать грипп одной из самых страшных болезней для человечества. Наши отношения с вирусом гриппа мало похожи на давно установившееся и устойчивое равновесие, в каком мы находимся с вирусом простуды. Вирус гриппа является движущейся мишенью: несмотря на то что мы можем быть уверены, что каждый год грипп будет поражать и убивать людей, мы никогда не можем наверняка знать природу и тяжесть следующей эпидемии.

В феврале каждого года Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) созывает международные конференции специалистов по гриппу. Целью этих конференций является обзор доступных эпидемиологических и лабораторных данных, собранных в 141 клинической лаборатории в 111 странах. В ходе конференции специалисты должны попытаться предугадать, какие штаммы вируса надо использовать для создания следующей вакцины. Эту вакцину необходимо изготовить и сделать доступной для лечебных учреждений Северного полушария до начала зимы месяцев, когда наступает, с точностью часового механизма, следующий гриппозный сезон. Соответствующим национальным агентствам дают рекомендации, а эти агентства, в свою очередь, выдают лицензии производителям вакцин, находящимся в зоне их юрисдикции. Успехи этих дискуссий блистательны, но не вполне совершенны. В некоторые годы появляются новые по антигенному составу и потенциально пандемические штаммы, которые не соответствуют предсказаниям; в иных случаях штамм мутирует настолько, что перестает реагировать на предложенную вакцину. Сегодня ученые-медики обладают углубленным пониманием эволюции вирусов гриппа человека, основанным на эволюции прошлых штаммов и особенностях течения прошлых эпидемий. Выдающийся кетчер «Янки» Йоги Берра выразил это следующей содержательной фразой: «Трудно делать предсказания, особенно о будущем». Предсказание будущей эволюционной траектории вирусов, в особенности вируса гриппа, всегда чревато неопределенностью.

В феврале 2014 года Центры по контролю заболеваемости в Атланте объявили, что в 2014–2015 годах вакцины будут направлены против следующих штаммов:

• вируса гриппа A/California/7/2009 (H1N1) пандемии 2009 года;

• вируса гриппа A/Texas/50/2012 (H3N2);

• вируса гриппа B/Massachusets/2/2012.

Номенклатура, информативная для специалистов по гриппу, является, мягко сказать, туманной, и мы не станем уделять ей большого внимания, чтобы не отвлекаться от сути. Случайное наблюдение, однако, показывает, что существует два изолированных штамма вируса гриппа A: один представляет штаммы “H11”, которые были выявлены во время пандемии 2009 года, второй – недавний образец (2012 года) штаммов “H3N2”, – а также третий, который является совокупностью штаммов B. По своему антигенному составу эти вирусы представляют собой те штаммы вируса гриппа, которые доминируют в современных сезонных эпидемиях, и ученые ожидают, что они станут доминирующими штаммами, которые начнут циркулировать среди населения США в ранние зимние месяцы. Эта догадка основана на сложных расчетах, но это всего лишь догадка, которая может оказаться ошибочной. В следующем сезоне 2014–2015 года было обнаружено, что вакцина не соответствует антигенам доминирующих вирусов. По большей части инфекцию вызывали вирусы гриппа A(H3N2), но по генетическому составу и по антигенам они сильно отличались от штамма A/Texas/50/2012(H3N2), который использовали для создания вакцины. Следствием этой ошибки стала необычная тяжесть сезонной эпидемии того года.

Для того чтобы понять, что именно делает вирус гриппа таким талантливым новатором, важно отчетливо представлять, как он устроен и каковы его особенности как инфекционного агента, поражающего человека. Существуют три вида вирусов гриппа (A, B и C), но мы сосредоточим наше внимание только на вирусах гриппа A. Пока именно они являются наиболее важной группой вирусов, так как определяют ежегодную заболеваемость гриппом, а кроме того, они демонстрируют весь набор трюков, которые делают вирус гриппа столь успешным патогеном.

Подобно человеческим риновирусам, вирус гриппа кодирует свою генетическую информацию в РНК; однако в отличие от риновируса его геном состоит из негативной цепи РНК. После инфицирования гены вируса должны транскрибироваться на комплементарную цепь позитивной РНК, которая уже распознается рибосомами клетки-хозяина, осуществляющими трансляцию вирусных белков. Больше того, геном вируса состоит из восьми различных сегментов РНК, упакованных в рибонуклеопротеиновые комплексы, которые все вместе содержатся в общей вирусной оболочке. Эта оболочка, представляющая собой липидную мембрану, пронизана тремя вирусными белками, которые выступают на поверхности вирусной частицы. Эти белки представляют собой вирусные оболочечные гликопротеины, гемагглютинин (ГА) и нейраминидазу (НА), а также матриксный белок (М2). Белки ГА и НА являются белками, определяющими антигены вируса, и именно они служат мишенью иммунной системы хозяина. ГА – это белок, отвечающий за связывание с рецепторами эпителиальных клеток верхних дыхательных путей и опосредующий проникновение вируса в клетку (в главе 11 подробно обсуждаются белки ГА с различными рецепторными предпочтениями, которые влияют на эпидемиологические особенности вирусов гриппа). Вирус гриппа располагает своим оригинальным механизмом овладения клеточными системами синтеза белка с целью репликации генома и сборки вирусных частиц, которые затем отпочковываются от клетки сквозь двойной липидный слой, из которого состоит стенка клетки. За этот процесс отвечает нейраминидаза – она обеспечивает отделение вирусных частиц от клеточной поверхности. На мембране клеток-хозяев находятся рецепторы, опосредующие вход вируса в клетку. Связывание вируса с рецепторами клетки является необходимым условием инфицирования, но при высвобождении вирусных частиц это становится помехой. Дочерние вирусные частицы прочно связываются с поверхностью клетки, и их надо освободить от этой связи. Здесь в игру вступает НА, которая отщепляет вирус от клетки и дает ему возможность связаться с новыми клетками или поменять хозяина. Примечательно, что вирусные частицы отпочковываются только от свободной поверхности эпителиальных клеток и высвобождаются в просвет дыхательных путей. Следовательно, вирусы, образованные в инфицированных клетках, выходят непосредственно в свой носитель, в секрет слизистой оболочки дыхательного тракта. В типичных случаях заболевание у человека ограничено дыхательными путями.

Начало заболевания гриппом в целом напоминает заболевание простудой, но отличается быстротой развития симптомов и их значительной тяжестью. Так же как при простуде, признаком начала болезни является заложенность носа и боль в горле. Дело в том, что инфекция, как правило, проникает в организм через нос, откуда попадает в носовые пазухи или глотку. Очень скоро вирус начинает реплицироваться в трахее, а в более тяжелых случаях в бронхиолах легких, где он может стать причиной гриппозной пневмонии. Лихорадка, кашель, общее недомогание и ломота в теле, сопровождающие грипп, являются симптомами сопротивления иммунной системы, вступившей в борьбу с вирусом гриппа, так как иммунная система атакует клетки, зараженные вирусом. Поражение вирусом клеток верхних и нижних дыхательных путей приводит к образованию нагруженного вирусными частицами экссудата, который отхаркивается из дыхательных путей при кашле и чихании, и это определяет основной путь передачи вируса от больного человека здоровому. Вирус распространяется по воздуху внутри капель экссудата, а в других случаях заражение происходит при контакте с поверхностями, зараженными вирусом. Беспощадность передачи вирусов между людьми проявляется тем фактом, что во время типичной сезонной эпидемии вирус может инфицировать каждого десятого жителя планеты (Nelson, Holmes, 2007). Инфекция протекает остро и разрешается самопроизвольно, но могут возникать осложнения, чаще у восприимчивых пациентов, например у пожилых больных или у людей с сопутствующими заболеваниями. Самыми частыми осложнениями являются пневмония, бронхит или гайморит. Очень легко недооценить тяжесть гриппа у человека. Каждый год от гриппа в мире умирают от четверти до половины миллиона человек, несмотря на применение вакцины (ВОЗ, 2014).

Мастер по смене антигенов

В основе успешности вируса гриппа A как эпидемического патогена лежит его способность создания генетических вариантов, что позволяет избежать удара иммунной системы в популяции хозяев: вирусы гриппа – подлинные мастера по смене своих антигенов. Иногда это удается сделать так удачно, что разражаются всемирные эпидемии – пандемии. В прошлом столетии мы пережили четыре такие пандемии, самая последняя была в 2009 году (Salomon, Webster, 2009; Kilbourne, 2006). Вирус гриппа, циркулирующий в популяции во время сезонных эпидемий, как правило, имеет небольшие антигенные отличия от штаммов, вызвавших эпидемию предыдущего года. Напротив, пандемические штаммы очень сильно отличаются своим антигенным составом от прочих штаммов, и у людей отсутствует иммунологическая память на эти новые антигены. Возможность такой генетической вариабельности обеспечивается мутациями и генетическими обменами. Быстрота циклов репликации вируса в организме хозяина и устойчивая цепь передачи вирусов между многочисленными хозяевами являются условием возникновения множества мутаций. Подобно другим РНК-содержащим вирусам, вирусная РНК-полимераза делает приблизительно одну ошибку на 1000–10 000 включенных в цепь рибонуклеотидов (Nelson, Holmes, 2007). Следовательно, мы должны полагать, что вирус гриппа также существует в образе квазивида. Сложность состава квазивида преходяще ограничивается «бутылочным горлышком» при передаче вируса от одного хозяина другому, она быстро восстанавливается после инфицирования нового хозяина. Это важный и устойчивый источник генетической вариабельности, которая может быть объектом как очищающего, так и положительного отбора, в зависимости от природы и активности селективного давления иммунитета. Вторым источником вариабельности вируса гриппа A является обмен генетическим материалом между вирусами, инфицирующими одну и ту же клетку. Сегментированная природа РНК-генома вируса гриппа допускает замену сегментов в геноме, что приводит к возникновению новых химерических вирусов с радикально измененными патогенными и антигенными свойствами. Набор сегментов в геноме вируса гриппа A можно сравнить с колодой на руках сдающего в покере. Карты можно брать, и набор их у игрока может измениться как в лучшую, так и в худшую сторону. Так же как в покере, естественный отбор заботится о том, чтобы неудачные расклады исчезали, а оставались только жизнеспособные, которыми и продолжают игру. Этот феномен генетической перетасовки является формой горизонтального переноса генов и напоминает приобретение бактериями новых признаков в результате конверсии фагов. В данном случае вновь созданный вирус обладает одним или более вирусными генами, обеспечивающими преимущество. Такие перемещения, которые приводят к получению новых сегментов для ГА или НА из вирусов других подтипов, являются главным источником возникновения новых, потенциально пандемических штаммов, снабженных антигенными новшествами. Это, пожалуй, самое мощное и непредсказуемое оружие в арсенале вируса гриппа. До изобретения секвенирования нуклеотидных последовательностей разнообразие вирусов гриппа описывали исключительно на основании серологических критериев, и обнаруживаемое разнообразие ограничивалось антигенными различиями вирусных штаммов с разными подтипами ГА и НА на их поверхности. Так как реакция антител на вирус гриппа определяется гликопротеинами ГА и НА на поверхности вирусного капсида, описание вирусов гриппа опиралось на их антигенные свойства. То же самое остается и сегодня, поскольку это самый обильный источник антигенного разнообразия, которое определяет патогенный потенциал вирусов гриппа. Тем не менее сегодня мы можем дополнить анализ отдельных групп вирусов знанием нуклеотидных последовательностей в генах ГА и НА, а также последовательностей в шести других генных сегментах вирусного генома.

Существует восемнадцать подтипов ГА (H1–H18) и десять подтипов НА (NA1–NA10), которые мы к настоящему времени научились распознавать (Webster, Govorkova, 2014); эти подтипы отличаются по своим функциям и антигенам, и их используют для типирования вирусов гриппа A. Отсюда подтипы, появления которых ожидали в эпидемию зимой 2014–2015 года в Северном полушарии, должны были, по расчетам, обладать наборами H3N2 (подтип ГА 3 и подтип НА 2) и H1N1. Перемещения ГА- и НА- подтипов (в результате которых происходит антигенный сдвиг) являются главными детерминантами эпидемического потенциала и патогенных свойств вирусов гриппа. Сегодня все согласны с тем, что геномный контекст этих вариантов подтипов также важен для успешного возникновения патогенных форм вируса гриппа. В течение последних десяти лет, на фоне развития техники секвенирования, ученые получили полные геномные последовательности для беспрецедентного числа отдельных штаммов вируса. Филогенетическая, эпидемиологическая и эволюционная динамика вируса гриппа во время эпидемий и в промежутках между ними может быть теперь подробно исследована. Этот филодинамический анализ позволил документально показать, каким способом вирус гриппа с такой непринужденностью и апломбом каждый раз заново изобретает свою конструкцию.

Вирус A гриппа человека

Вирус гриппа A может паразитировать не только в организме человека; вирусы этой группы инфицируют множество видов других млекопитающих: свиней, лошадей, морских млекопитающих, птиц и летучих мышей (Webster et al., 1992). Те вирусы, которые инфицируют людей и передаются в человеческих популяциях, ограничены вирусами только трех из восемнадцати известных на сегодня подтипов ГА (H1, H2 и H3) и двух из десяти подтипов НА (N1 и N2). Действительно, вирус гриппа является в первую очередь вирусом водных птиц; филогенетический анализ указывает на то, что все вирусы типа А развились из вирусов птичьего гриппа (Webster et al., 1992). Таким образом, водные птицы являются естественными и самыми древними хозяевами вирусов гриппа и их главным резервуаром. Грипп свободно циркулирует в диких популяциях птиц, преимущественно среди гусей, уток и других водоплавающих птиц, с эпидемическими вспышками, которые, как правило, происходят в конце лета и начале осени. Среди диких водоплавающих птиц вирус гриппа циркулирует не как возбудитель респираторных заболеваний, так как у птиц вирус гриппа поражает клетки кишечного эпителия. Вирус передается фекально-оральным путем в окружающей среде, в воде, где птицы находят пищу. По некоторым оценкам, в инфицированных фекалиях птиц содержание вирусов на один грамм в миллиард раз превышает то количество вирусов, которое необходимо для заражения культуры клеток в лабораторных условиях (Webster, 2002). Несмотря на такое массивное вирусное отягощение, гриппозная инфекция у птиц, как правило, протекает доброкачественно и практически не вызывает болезненных симптомов. Считается, что причина кроется в длительной совместной эволюции, в результате которой установились устойчивые отношения вирус – хозяин.

Представляется, что вирус птичьего гриппа и его хозяева достигли адаптивного равновесия (Webster, 2002). Сравнение эндемичных для птиц вирусов гриппа за последние 60 лет показало практическое отсутствие эволюции их геномов в сравнении с вирусами гриппа млекопитающих, которые быстро накапливают значительные аминокислотные изменения в продуктах всех восьми геномных сегментов. Эволюционный статус-кво сохраняется у птиц, несмотря на непрерывное возникновение генетических вариантов во время репликации гриппозного РНК-генома. Представляется, что в данном случае отсутствует давление положительного отбора, которое облегчало бы появление новых штаммов. Предположительно можно сказать, что сохранившиеся штаммы достигли «оптимума приспособленности» своего природного вида, и почти все генетические изменения оказываются разрушительными, так как подвергаются давлению отрицательного очищающего отбора. Этот вывод подкрепляется наблюдением, согласно которому синонимичные изменения нуклеотидных последовательностей, не оказывающие влияния на последовательность аминокислот в белках (а значит, и на фенотип) вируса, значительно превосходят по численности несинонимические изменения. Представляется в связи с этим, что эволюционная гонка вооружений между птицами и вирусом гриппа осталась в далеком прошлом, и стороны пришли наконец к стабильному сосуществованию. Иммунная система диких птиц довольно вяло реагирует на гриппозную инфекцию. Можно предположить, что именно по этой причине практически отсутствует давление отбора на популяцию вирусов, так как мала необходимость избегать воздействия иммунной системы хозяина. Во взаимоотношениях человека и вируса гриппа картина совершенно иная; здесь генетический конфликт сохраняет прежнюю ярость.

Вирус гриппа диких птиц часто поражает домашних птиц. У этих новых и относительно мало адаптированных хозяев преобладают реакции положительного отбора, облегчающие генетические изменения вируса. Изменение экологической среды создает новое диверсифицирующее давление на вирусный геном, что проявляется в преобладании несинонимических мутаций над синонимическими в геномах вирусов (Nelson, Holmes, 2007). Мутации, приводящие к изменению последовательности аминокислот в белках, могут быть благоприятными для репликации вируса в клетках нового хозяина. Представляется, что это происходит, несмотря на слабый иммунный ответ домашних птиц на инфицирование вирусами гриппа. Положительный отбор, однако, фокусируется не только на обычных подозреваемых, на антигенных детерминантах ГА и НА генов; отбор сильнее действует на другие генные сегменты. Представляется, что другие детерминанты вирулентности или мишени клеточного иммунитета являются доминирующими движителями этой новой эволюционной траектории. Так же как во всех новых отношениях, конкуренция между партнерами и необходимость притирки друг к другу всегда сильнее всего вначале.

Как старейшие штаммы вируса гриппа, штаммы, доминирующие среди диких птиц, отличаются большим генетическим разнообразием. Это разнообразие служит настоящим плавильным котлом, в котором множество штаммов вируса гриппа претерпевают множество циклов относительно свободной передачи и репликации, смешиваются и путем перемещений передают друг другу блоки генетической информации. Этот резервуар поддерживает существование вируса гриппа A и является созидающей силой, действующей за фасадом генетического разнообразия, которое с большой выгодой используется вирусом.

Достаточно четко установлено, что вирус гриппа человека A берет свое начало в генетической информации вируса птичьего гриппа. Несмотря на то что вирус птичьего гриппа инфицирует новых хозяев иных видов, он редко образует в них устойчивые штаммы. Вирус заходит в тупик либо по причине избыточной вирулентности, либо, наоборот, от отсутствия вирулентности, или же от невозможности обеспечить надежный путь передачи и заражения. Из тех штаммов, которые все же возникли и упрочились – тюленя, лошади и свиньи, – вирус человеческого гриппа ближе всего к свиному гриппу. Вирусы гриппа человека не циркулируют в популяциях диких птиц; вероятно, они потеряли эту способность в результате эволюционной адаптации к человеку. Штаммы вируса гриппа человека редко напрямую приобретают генетическую информацию вируса птичьего гриппа. Свиньи являются важными промежуточными хозяевами между птицами (скорее всего, утками) и людьми. Вирус гриппа человека, циркулирующий в настоящее время, приобрел свои гены от многочисленных предковых вирусов, но перемещения и приобретения генетической информации, вероятно, имели место в организмах свиней, откуда гены передавались людям. Этот процесс выявлен и надежно документирован (Webster, 2002; Webster, Govorkova, 2014). Один из циркулирующих в настоящее время сезонных вирусов гриппа человека, штамм H3N2, существует, начиная с 1968 года, когда он впервые был зарегистрирован как причина пандемии гонконгского гриппа. Как мы увидим ниже, длительный период времени, в течение которого этот вирус превалировал в этиологии эпидемий, предоставляет нам уникальный инструмент изучения эволюции эпидемического вируса гриппа человека на протяжении нескольких десятилетий. Сравнительное изучение геномов H3N2 в разные моменты времени и в разных географических областях позволило неплохо разобраться в эволюции гриппа. Перемещение генов, создавшее пандемический гонконгский штамм H3N2, произошло в результате замещения превалировавшего до тех пор штамма H2N2. Исследование генных сегментов нового, появившегося в 1968 году штамма H3N2 показало, что он является продуктом генетического обмена между циркулирующим вирусом H2N2 и птичьим вирусом H3. Новый вирус сохранил шесть генных сегментов штамма H2N2, но приобрел новый гемагглютинин (H3) и новый генный сегмент, кодирующий РНК-полимеразу.

Циркулировавший до этого эпидемический вирус H2N2, по сути, с течением времени развился в два генетически разнородных генетических таксона типа H2N2. Представляется, что эти вирусы продолжают циркулировать в человеческой популяции и после пандемической вспышки гриппа типа H3N2. Филодинамика возникновения и быстрого распространения нового пандемического вируса была сложной. В то время как первые штаммы H3N2 получили все свои H2N2 гены от одного из двух циркулирующих таксонов вирусов H2N2, штаммы, возникшие позднее, имели генные сегменты, полученные от обоих таксонов. Ученые сделали вывод, что происходило не одно, а множество перемещений этих генов между циркулирующими штаммами, что и сыграло решающую роль в быстрой эволюции нового пандемического штамма (Lindstrom, Cox, Klimov, 2004).

Эпидемия гриппа: одежда по сезону

Грипп чаще встречается в виде сезонных эпидемий, в зимние месяцы, в регионах с умеренным климатом в Северном и Южном полушариях. Факторы, управляющие этой сезонностью, неизвестны. Высказывалось предположение, что такие погодные условия благоприятствуют передаче вируса между хозяевами – возможно, благодаря более тесному контакту между людьми, проводящими в зимние месяцы больше времени в закрытых помещениях. Другие ученые считают причиной сезонное ослабление иммунитета или дефицит витамина D в связи с укорочением светлого времени суток. Некоторые или все эти факторы могут играть большую или меньшую роль. Выяснено, что эпидемии гриппа среди птиц возникают во время, предшествующее миграции, когда птицы сбиваются в группы после рождения восприимчивых к гриппу птенцов, поэтому весьма вероятно, что поведенческие факторы, влияющие на передачу вирусов, являются основными в определении сезонности инфекции (Nelson, Holmes, 2007). Было установлено, что тиглем человеческого гриппа являются субтропические области Восточной и Юго-Восточной Азии. В этих областях эпидемии не следуют сезонным циклам, и вирус может быть выделен в любое время года. Представляется вероятным, что линии вирусов гриппа постоянно циркулируют в этом регионе и сеют семена эпидемий, распространяющихся в зоны с умеренным климатом.

Эволюция генотипов и фенотипов вируса гриппа, происходящая во время эпидемий, является главной проблемой в их безграничной возможности вызывать эпидемии у людей. Мы принимаем как догму, что постоянство ежегодных эпидемий стало возможным благодаря способности вирусов избегать воздействия иммунитета хозяев путем образования новых штаммов. Геном циркулирующего во время эпидемии вируса гриппа находится в организме хозяина под сильным давлением отбора. Это давление является орудием гонки вооружений: если у хозяина сохранена иммунологическая память об инфицировании тем же или близкородственным вирусом, находящиеся на страже антитела быстро нейтрализуют вирус сразу после инфицирования. Поэтому на вирусы действует сильное диверсифицирующее давление, которое благоприятствует вирусам с измененными антигенами. Такие вирусы не распознаются иммунной системой хозяина и становятся объектами положительного отбора. Только те вирусы и содержащаяся в них генетическая информация, которые избегнут нейтрализации, смогут обеспечить непрерывность передачи в популяции жертв. Вирус создает необходимое генетическое разнообразие в форме мутаций поверхностных гликопротеинов ГА и НА. Доминантные эпитопы белка нейраминидазы обнаруживаются в наиболее далеко выступающем участке белка ГА, называемом HA1. Эта часть вирусной частицы наиболее важна в определении ее антигенности, именно она распознается и связывается защитными антителами. Исторически HA1 всегда был самым исследованным белком вируса гриппа, как с точки зрения филогенеза, так и с точки зрения иммунологии. Каждый год собирались и исследовались нуклеотидные последовательности для выяснения генетической эволюции циркулирующего вируса гриппа. Внимательному изучению подверглись и защитные антитела, распознающие HA1; на этом белке были выявлены пять главных эпитопов, частей белка, на которые предпочтительно нацелены антитела. Именно здесь разыгрывается первая стадия гонки вооружений.