Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Принято считать, что это давление отбора вызывает изменение антигенного состава капсида в результате постепенных мутационных изменений в эпитопах HA1. Результатом является такое же постепенное ослабление иммунного ответа хозяина, что служит главным источником конкурентного преимущества, которое движет эволюцию эпидемических штаммов вируса гриппа. Дрейф антигенов вместе с ослаблением иммунологической памяти в популяции хозяев и доступность новых хозяев – фундаментальная необходимость для сохранения и распространения эпидемических линий вируса гриппа. При отсутствии эволюции антигенов и ускользании от действия иммунитета вирус столкнется с уменьшением восприимчивости популяции хозяев к инфекции. В такой ситуации может повыситься групповой иммунитет и доля хозяев, восприимчивых к инфекции, станет ниже критического порогового уровня. Возможно, это противоречит здравому смыслу, но для того, чтобы популяция выжила в борьбе с хищничеством возбудителя инфекции, совершенно необязательно, чтобы все индивиды в популяции имели иммунитет к инфекции. Если к инфекции устойчива просто значительная доля индивидов, то прервется цепь передачи инфекции в популяции в связи с малым числом восприимчивых хозяев, и эпидемия самопроизвольно угаснет. Патоген может существовать в этих условиях, время от времени вызывая эпидемии, если находит восприимчивую к инфекции популяцию, которая может поддержать распространение вируса. С другой стороны, некоторые патогены – и вирус гриппа A входит в их число – обладают способностью поддерживать эпидемическую вспышку, изменяя в ее ходе свои свойства с такой живостью, что всегда находятся восприимчивые индивиды, за счет которых и продолжается эпидемия. Как еще может грипп находить восприимчивых жертв, если он успешно поражает (и делает иммунными) значительную долю населения мира ежегодно? Каждый год мы страдаем от нескольких «простуд», возникающих от инфицирования генетически различными вирусами, в отношении которых мы не обладаем иммунитетом. Однако каждый год в сезонных эпидемиях гриппа преобладают только один или два штамма, при исключении всех других. Таким образом, эпидемии гриппа представлены распространением и эволюцией индивидуальных генетических линий.

Вирус гриппа A идеально оснащен для того, чтобы сохранять потенциал для эпидемического распространения. Для этого он прежде всего должен находить восприимчивых жертв. Для того чтобы это стало возможно, вирус гриппа использует две стратегии. Первая заключается в использовании быстрых мутаций и селекции в условиях давления, оказываемого иммунным ответом в популяции хозяев. Постепенная, но неуклонная эволюция, производимая антигенным дрейфом, сочетается с сезонными эпидемиями вирусов определенных штаммов. Второй эволюционный механизм, антигенный сдвиг, включает в себя резкие и массивные изменения патогенности и антигенных свойств путем блочного обмена генетической информацией между разными линиями вируса. Генетический дрейф в первую очередь порождает появление антигенно разнородных штаммов вируса, которые ежегодно запускают эпидемии гриппа. Они в достаточной степени отличаются от своих предковых эпидемических штаммов, чтобы избежать воздействия иммунного ответа, но представляется, что популяция хозяев все же получает некоторую пользу от того, что уже «видела» похожий штамм в предыдущем году. Антигенный сдвиг в штаммах вируса гриппа представляет собой радикальное изменение, в ходе которого вирус в антигенном отношении становится совершенно непохожим на вирус-предшественник. Эти вирусы вызывают пандемии и являются источником больших проблем для общественного здравоохранения.

Квазивиды, кластеры последовательностей и пристрастия кодонов

За последние годы генетическая структура циркулирующих штаммов вируса гриппа была подвергнута интенсивному изучению, так как теперь доступны технологии, позволяющие быстро определять нуклеотидную последовательность множества вирусных разновидностей и анализировать ее с помощью быстродействующих компьютерных программ. Наибольшее внимание было уделено вирусу эпидемического гриппа H3N2, который появился в 1968 году и продолжает циркулировать в наши дни. В двух исследованиях, опубликованных в Proceedings of the National Academy of Sciences (Plotkin, Dushof, Levin, 2002; Plotkin, Dushof, 2003), выполненных учеными Принстонского университета, были представлены результаты изучения эволюции генетических последовательностей гена гемагглютинина вируса H3N2 из базы данных более 500 вирусных последовательностей, собранных за два десятилетия ВОЗ, наблюдавшей за эпидемиями гриппа. В исследовании были разработаны две концепции, позволяющие подвести фундамент под эволюцию эпидемического вируса гриппа. В первом исследовании вместо того, чтобы ограничить анализ филогенетическими отношениями между белками гемагглютинина, ученые начали изучать их хронологически. Они выполнили попарное сравнение аминокислотных кодонов во всех генных последовательностях, кодирующих ГА, определив «расстояние» между каждой последовательностью, и распределили их по времени. В результате анализа было выяснено, что HA1- последовательности распадаются на близкородственные кластеры, которые изменяются во времени, притом что один кластер последовательностей заменяется другим каждые два-пять лет. Существование и циркуляция вирусных генных последовательностей в виде кластеров родственных последовательностей, словно эхо, повторяет возникновение вирусных квазивидов или групп родственных последовательностей, синтезируемых вирусной РНК-полимеразой. На самом деле, каждый элемент базы данных является записью одного члена преобладающего квазивида в организме данного хозяина. Следовательно, эпидемический вирус гриппа существует в виде ансамбля родственных кластеров последовательностей (каждый из которых является квазивидом), которые проявляют метастабильность, периодически сменяясь конкурирующими группами. Эти наблюдения согласуются с результатами теоретического математического моделирования в приложении к антигенному многообразию инфекционных агентов (Gupta, Ferguson, Andererson, 1998), где было показано, что в условиях сильного давления отбора популяции будут разделяться на дискретные штаммы, но при среднем уровне давления эти различные штаммы могут варьировать либо циклично, либо хаотично. Является ли это основой такой вариабельности гриппозных кластеров? В любом случае возникновение и сохранение квазивидового представления кластеров должно быть выгодно с точки зрения эволюции для популяции вирусов гриппа, так как представляет базис для быстрой генетической и антигенной эволюции в ответ на давление окружающей среды.

Вторая статья (Plotkin, Dushof, 2003) представляет собой в некотором роде веху в понимании эволюции и антигенной пластичности белка гемагглютинина эпидемического вируса гриппа. Было установлено, что ген гемагглютинина развился ради способности к эволюционному развитию. На первый взгляд, это абсолютно еретическое утверждение: как может дарвиновский отбор действовать на фенотип, который еще даже не существует? В этом исследовании ученые тоже использовали большие базы данных относительно последовательностей гемагглютинина, но в данном случае усилия были сосредоточены на отношении изменений последовательностей нуклеотидов в гене гемагглютинина к изменениям последовательностей аминокислот в самом гемагглютинине. Вспомним, что мутации в кодирующих белки генах могут быть синонимическими и несинонимическими, и гены, находящиеся под давлением положительного естественного отбора, накапливают непропорционально большее число несинонимических мутаций, которые изменяют аминокислотную последовательность в белке. Эти ученые распространили свое наблюдение на ГА1 кодирующие последовательности штамма H3N2, собранные за период в двадцать лет. В исследовании было показано, что в пяти дискретных участках белка HA1, образующих места связывания с антителами, происходит существенно больше несинонимических нуклеотидных мутаций, чем в других частях гена. Это наблюдение согласуется с предположением о том, что эпитопы HA1 находятся под сильным диверсифицирующим давлением положительного отбора. В других участках белка (а на самом деле, и в других белках вируса) везде преобладают синонимические нуклеотидные мутации. Эти участки подвергаются более низкому давлению иммунологического отбора и являются потенциальными объектами давления очищающего отбора благодаря своим более сложным функциям или хрупкости в отношении мутационных изменений. Эти участки могут оставаться неизменными с течением времени, не вредя жизнеспособности вирусной линии.

Авторы углубленно исследовали результаты этого наблюдения в надежде понять механизмы, обеспечивающие высокую скорость эволюции и иммунологическую пластичность вирусного ГА. Они детально исследовали состав кодонов, используемых вирусом для кодирования белка HA1. Авторы различали кодоны на основе их волатильности. Каждый, состоящий из трех нуклеотидов кодон по единичным нуклеотидным изменениям отнесен к одному из девяти «мутационных соседей». Из этих девяти мутаций какая-то часть превращает кодон в синонимический, а какая-то часть – в несинонимический, который вставляет в синтезируемый белок другую аминокислоту. Более волатильными являются те кодоны, в которых большая часть из возможных девяти мутаций является несинонимической, то есть приводит к вставке в белок другой аминокислоты. Использование определенных кодонов в гене с большей частотой, непропорциональной их средней встречаемости при кодировании определенной аминокислоты, названо пристрастием кодона. Такие пристрастия встречаются нередко и подвержены влиянию многих факторов, но в данном случае авторы обнаружили убедительные свидетельства того, что пристрастия кодонов были характерны для определенных аминокислот, составляющих эпитопы HA1, и ограничивались ими. Примечательно, что вирус гриппа, как оказалось, использует непропорционально большое число волатильных кодонов для кодирования последовательностей эпитопов. Пристрастие выражалось в том, что использовались кодоны, имевшие наименьшее число синонимических мутационных соседей. Другими словами, вирусный белок HA1 нашел оптимальную скорость, с какой он может изменять аминокислотный состав эпитопов. Изменения аминокислотного состава, таким образом, могут происходить при меньшем числе мутационных событий. Участки, связывающие антитела, оптимально используют кодоны, обладающие наибольшей вероятностью претерпевать несинонимические единичные нуклеотидные замены, то есть они оптимально подходят для быстрой эволюции.

Авторы хорошо сознавали, что такое утверждение не слишком хорошо согласуется с принятыми взглядами на дарвиновскую эволюцию, потому что оно нарушает «закон причинности». Эволюция не предусматривает будущих преимуществ от мутации в положении данной аминокислоты в белке. Волатильный кодон оказывается выгодным только после того, как удаляется из последовательности в результате мутации, и, таким образом, не может быть объектом естественного отбора. Агентом отбора может быть только фенотипическое преимущество новой аминокислоты. Были предложены два аргумента для объяснения того, как такие пристрастия кодонов сохраняются в кодирующих HA1 последовательностях. Первое объяснение ретроспективное: пристрастие кодона является отпечатком, оставленным предыдущим отбором, зависящим от частоты мутаций. Вирус инфицирует в течение года значительную долю человеческой популяции, и относительно длительно действующий иммунитет, развивающийся после инфицирования, является активным движителем частотно-зависимого отбора антигенных вариантов. Такой отбор требует, чтобы такое селективное давление на аллели подчинялось частоте их появления в популяции: аллели с низкой частотой получают преимущество и подвергаются действию положительного отбора, а преобладающие аллели подвергаются отбору отрицательному. В контексте антигенной вариабельности это означает, что эпитопы с низкой частотой появления будут плохо распознаваться иммунной системой хозяина (являясь, таким образом, ускользающими от иммунного ответа), в то время как преобладающие эпитопы представляют собой мишени иммунитета и являются невыгодными. Можно ожидать, следовательно, что давление отбора на какой-то определенный эпитоп будет изменяться со временем и в контексте особенностей каждой эпидемии. Ученые сделали предположение, что мутационный процесс в пристрастных кодонах является симметричным во времени, то есть каждая мутация может подвергнуться обратной мутации. Если допустить, что волатильные кодоны имеют большую долю соседей с единичными нуклеотидными заменами, то, опираясь на статистику, можно заключить, что кодируемая аминокислота, вероятно, и сама возникла в результате единичной нуклеотидной замены. Больше того, можно также утверждать, что существует высокая вероятность того, что следующая мутация в кодоне тоже вызовет замену аминокислоты. Отсюда, если допустить, что здесь действует частотно-зависимый отбор, то на положении нуклеотида отразится пристрастие кодона.

Первое объяснение не предполагает, что пристрастие кодона выбирается на основании его адаптивной полезности, но второй перспективный аргумент подразумевает, что такая возможность существует. Проще говоря, этот аргумент основан на наблюдении, согласно которому существует корреляция между волатильностью кодона и средней волатильностью родственных ему кодонов, отличающихся на единичную нуклеотидную мутацию. Так как в среднем волатильность порождает волатильность, можно утверждать, что волатильность может быть наследуемым признаком в эволюционных линиях. Это чудесный аргумент – как говорили в старину, «неопределенный, но тонко уравновешенный». В любом случае эти исследования HA1 являются эмпирическими наблюдениями, описывающими систему такой, «какова она есть», независимо от ее специфической этиологии. Пристрастность кодона является чрезвычайно полезным инструментом, которым располагает вирус гриппа для ускорения своей адаптивной эволюции и успешной конкуренции в гонке вооружений с человеческой иммунной системой. Несмотря на отсутствие подобной информации о других вирусах, мы можем все же предположить, что этот феномен можно наблюдать и у других вирусов, которые полагаются на антигенную пластичность и уход от воздействия иммунного ответа для сохранения генетических линий в эпидемиях или при хронических вирусных инфекциях.

Сопоставление генетической и антигенной эволюции

В 2004 году Дерек Смит из Кембриджского университета и его коллеги из Нидерландов и Соединенных Штатов опубликовали еще одну революционную статью, закрыв брешь в наших представлениях об антигенной эволюции эпидемических штаммов вируса гриппа (Smith et al., 2004). Было и до этого понятно, что изменения последовательности аминокислот в эпитопе белка HA1 транслируются в антигенные изменения, необходимые для иммунного избегания вируса. Тем не менее отсутствовали знания об истинных отношениях аминокислотных последовательностей с адаптивностью вируса и, следовательно, с фенотипом, обусловленным данной аминокислотной последовательностью. Были определены аминокислотные последовательности белковых кластеров ГА, но не было данных о взаимодействии каждого из этих вариантов с иммунной системой человека. В конце концов, самое важное – это вирусный фенотип, образующийся в результате взаимодействия вируса и хозяина. Иммунная система человека видит антигенную структуру HA1, а не просто последовательность аминокислот, на которую действует естественный отбор. Иммунная система хозяина видит антигенную структуру ГА глазами антител, которые специфично направлены против определенных эпитопов. Мы можем с полным основанием предполагать, что антитела будут по-разному видеть разные аминокислотные последовательности, но степень, в которой замены индивидуальных аминокислот изменяют способность антител хозяина связываться с HA1, остается загадочной. Изменение в структурной и физико-химической форме антигенного сайта, проявляющееся заменой определенной аминокислоты, может оказывать более или менее сильное воздействие на его распознавание циркулирующими антителами. Относительная способность антитела распознавать аффинный эпитоп, и именно она, определяет фенотип генотипа и адаптивность вируса перед лицом преобладающего антитела.

Работа Смита и его коллег позволила перебросить мост через эту брешь. Группа изучила данные об антигенах белков вируса H3N2, который циркулировал в человеческой популяции тридцать пять лет – с 1968 по 2003 год. Авторы создали количественный метод, позволяющий сравнивать антигенную эволюцию (истинную меру фенотипа) непосредственно с генетической эволюцией. Эти количественные методы были важны для того, чтобы измерить и проанализировать с помощью компьютерной программы эволюцию HA1. Метод позволил измерить перекрестную реактивность антигенов вирусных штаммов с реагирующими антителами. В отличие от изолированных вирусных штаммов и последовательностей, которые были в избытке доступны в базах данных, были недоступными реагирующие антитела больных, инфицированных соответствующими штаммами вируса. В экспериментальном рыцарском турнире авторы воспроизвели антитела, заражая хорьков выбранными штаммами вируса гриппа. Была получена сыворотка семидесяти девяти хорьков, которую исследовали на перекрестную реактивность с 273 изолированными штаммами вируса, после чего была составлена карта антигенного состава H3N2 и его изменения с течением времени. Антигенная карта показала, что вместо постепенного антигенного дрейфа на протяжении тридцати пяти лет антигенность изменялась скачкообразно и ее изменения составили группы из несоприкасающихся антигенных кластеров. Вирусы гриппа периодически испытывают скачки по мере того, как последовательные кластеры становятся доминантными, а затем исчезают с периодичностью приблизительно трех лет. Это напоминает о кластерах генетических последовательностей, описанных ранее Плоткиным и его коллегами.

Теперь ученые могли непосредственно сравнить антигенную и генетическую эволюцию вируса штамма H3N2. Результат был поразительным. Существует универсальное соответствие антигенных кластеров и генетических карт, но генетические изменения, то есть эволюция нуклеотидных последовательностей, происходит постепенно и градуально, а антигенная эволюция происходит точечными скачками. Внутри каждого антигенного кластера может произойти существенная эволюция последовательностей, которая остается немой на уровне антигенов. Таким образом, эволюция последовательностей происходит равномерно и непрерывно, но сопровождается едва заметными фенотипическими изменениями. С другой стороны, некоторые антигенные кластеры отличаются друг от друга единичной мутацией, которая произвела глубокий фенотипический эффект. Скорость эволюции между кластерами оказалась выше, чем внутри каждого кластера; быстрее всего антигенная эволюция осуществляется при переходе от одного кластера к другому.

После того как была опубликована эта пионерская работа, были проведены и другие исследования эволюции H3N2 в годы эпидемий и в промежутках между ними, но также в контексте географических и эпидемиологических данных (Holmes et al., 2005; Nelson et al., 2006). Анализ H3N2, циркулирующего во время локальных эпидемий, позволил обнаружить, что множество групп последовательностей обычно циркулирует во время каждого эпидемического сезона. Еще одна сложность проявляется в том, что эти совместно циркулирующие группы обычно обмениваются между собой генетической информацией, что создает основу для генетического разнообразия внутри циркулирующей популяции вирусов гриппа. Этот феномен, когда включается перемещение информации между разными подтипами вируса, отвечает за антигенный сдвиг и порождает пандемические штаммы вируса. Теперь стало понятно, что это весьма распространенный феномен, способствующий эволюции сезонных вирусов гриппа во время эпидемии. Такое внутритипическое перемещение сочетается с повышением скорости замен аминокислот в продуктах вирусных генов (Holmes et al., 2005; Neverov et al., 2014). Точный геномный фон каждого сегментного гена вируса гриппа влияет на его приспособленность. Генные сегменты одного вируса находятся под давлением отбора, который приводит к эволюционной коадаптации для достижения оптимальной приспособленности вируса. Нарушение хорошо адаптированного геномного состава путем блочного перемещения информации, таким образом, создает мощное давление, приводящее к коадаптации и ускорению эволюционных изменений. Это хорошо видно в передаче генетической информации между подтипами, которая является ключевым фактором быстрой эволюции, наблюдающейся в геномах возникающих пандемических штаммов вируса гриппа.

Зарождение сезонных эпидемий

Восточную и Юго-Восточную Азию считают «кузницей» вируса гриппа человека и эпицентром возникновения эпидемий гриппа. Точная природа событий, приводящих к распространению ежегодных эпидемий гриппа на местности с умеренным климатом в Северном и Южном полушариях, оставалась не вполне ясной. Зарождаются ли сезонные эпидемии локально, запуская следующую эпидемию, или ежегодные эпидемии возникают в субтропической Азии, а затем оттуда распространяются на другие географические ареалы? Недавно на этот вопрос был получен ответ, во всяком случае для вируса H3N2. Ученые предприняли антигенный и генетический анализ 13000 подтипов вируса A (H3N2) с шести континентов за пятилетний период между 2002 и 2007 годами (Russell et al., 2008). Полученные данные показали, что грипп циркулирует в Восточной и Юго-Восточной Азии в течение всего года в виде перекрывающихся по времени эпидемий. Это ведьмино варево сеет ежегодные эпидемии гриппа во всех остальных регионах мира. Это имеет большое значение для наших взглядов на эволюцию вируса гриппа. Если ежегодные эпидемии всякий раз зарождаются в Восточной или Юго-Восточной Азии, то отсюда следует, что эволюция вируса гриппа за пределами своей азиатской колыбели во время эпидемий не окажет влияния на долгосрочную эволюцию этого вируса. Все генетические инновации, имеющие долгосрочные последствия для линий вируса, ограничены эпидемиями в восточном регионе. Остается неясным, в какой степени обе – генетическая и антигенная – эволюции гриппозного генома внутри региональной сезонной эпидемии могут иметь значение для патогенеза заболевания. Возможно ли, что в некоторых условиях сезонная эпидемия может возникнуть из предыдущей и локально? Представляется, однако, что в типичных случаях механизм возникновения ежегодных эпидемий H3N2 возвращает нас к источнику вируса в Юго-Восточной Азии. Это напоминает о важности постоянного наблюдения за вирусами гриппа, циркулирующими в этом регионе, потому что тогда мы сможем с определенной степенью уверенности предсказывать, насколько скоро они посетят наши родные пределы.

Эти знания об эволюции гриппа и дрейфе антигенов имеют большое значение для нашей способности интерпретировать ежегодные эпидемиологические данные о вспышках и предугадывать возможную филодинамическую траекторию циркуляции подтипов вируса гриппа. Наша уверенность в способности экспертов ВОЗ предсказывать штаммы, которые могут вызвать эпидемию следующего года, никогда не была столь высокой; вакцины, изготовленные для наступающих гриппозных сезонов, обычно вполне соответствуют циркулирующим штаммам (если не считать ошибки, сделанной в 2014 году). Риск антигенного сдвига, однако, всегда присутствует, и этот сдвиг может угрожать кризисом общественного здравоохранения до того момента, когда будет изготовлена адекватная вакцина. Грипп не только чрезвычайно изобретателен в генетическом отношении, он пользуется также и техническими и общественными достижениями своих хозяев. Новым пандемическим штаммам не нужны посадочные талоны, в наше время они могут беспрепятственно путешествовать самолетами, распространяясь с небывалой скоростью, способны в течение нескольких недель, а то и дней, посеять региональную эпидемию в любом густонаселенном городе или транспортном узле (Lemey et al., 2014).

Пандемический грипп: голый император

Ни одно суждение о человеческом вирусе гриппа A не будет полным без учета пандемических вирусов, которые возникают с завидной периодичностью и наполняют гриппозный пул свежими генами. Непредсказуемость определяется самой их природой; они возникают не в результате постепенного эволюционного процесса, но в виде стохастических событий, в результате массивной перетасовки генов между вирусами разных линий. Вирусы гриппа – это изощренные экспериментаторы, объединяющие и модифицирующие генетические ресурсы, в данном случае целые генные сегменты в повторяющихся циклах бета-тестирования. Пользуясь покерной терминологией, мы можем сравнить это со сбросом множества карт в надежде набрать выигрышный расклад. Такая тактика редко приводит к успеху. Больше всего мы озабочены пандемическими вирусами, которые обладают новыми комбинациями подтипов гемагглютинина и нейраминидазы. Это именно те вирусы, которые обладают наибольшим пандемическим потенциалом, потому что иммунная система хозяев никогда прежде их не видела, и в популяции отсутствует иммунитет к новым штаммам. Это команда мечты генов вируса гриппа, редкое сочетание талантов, которое может без особых предварительных тренировок стать глобально доминирующим эпидемическим вирусом. Перетасовка генов между вирусами может происходить чаще, чем мы думаем. Вирусы с внутритиповыми перемещениями генов обычно обнаруживаются в составе вирусных групп, циркулирующих в популяции во время сезонных эпидемий. Успешный вирусный геном, однако, должен быть хорошо смазанной машиной для того, чтобы принять эпидемическую форму. Даже генетические перемещения между близкородственными штаммами, циркулирующими при сезонных эпидемиях, приводят к значительной диверсификации перед лицом давления отбора. Отбор оказывает это давление на весь геном, а сам отбор и его давление обусловлены относительной несовместимостью новых ансамблей вирусных генов (Neverov et al., 2014). По определению вирусы с пандемическим потенциалом являются продуктами перемещения генов между радикально отличающимися друг от друга вирусами. Вероятно, что создание жизнеспособной и успешной команды генных сегментов при внутритиповом их перемещении происходит очень редко. Эпидемический потенциал новых пандемических штаммов определяется не только рекомбинацией антигенных ГА и НА; на него также влияет возникновение других генных сегментов. Детерминанты вирулентности и патогенности вируса гриппа являются сложными, и их трудно распределить по определенным генным сегментам новых пандемических типов.

Для наглядности давайте займемся пандемическим вирусом 2009 года H1N1. Когда этот вирус возник, генетики-вирусологи и эпидемиологи имели в своем распоряжении знания и данные, не доступные в прежние времена. Предыдущая пандемия гриппа разразилась в 1968 году, виновником ее был штамм H3N2; то было время, когда не существовало большей части наших современных молекулярных технологий. Понимание природы вируса, вызвавшего пандемию 2009 года, интересно и само по себе, а кроме того, позволяет извлечь замечательное знание об эволюции других эпидемических и пандемических штаммов вируса гриппа за истекшие 100 лет.

Пандемия гриппа H1N1 2009 года началась в марте: весьма поверхностный абзац в «Еженедельном докладе о заболеваемости и смертности» Центров по контролю заболеваемости гласил: «Есть сообщения о появлении похожего на грипп заболевания в Вера-Крусе, Мексика». 17 апреля был зарегистрирован случай атипичной пневмонии в штате Квахака, а двое детей в двух разных графствах Южной Калифорнии заболели тяжелым гриппом. К 23 апреля власти сообщили, что случаи заболеваний в Мексике были обусловлены свиным гриппом A (H1N1) – штаммом S-OIV. Заболевания свиным гриппом, особенно среди людей, работающих на свинофермах, встречаются нередко. Каждый год центры по контролю заболеваемости сообщают об одном-двух случаях (множество других, вероятно, протекают незамеченными), но заболевание редко передается другим людям. Калифорнийские дети не имели контактов со свиньями, поэтому они, вероятнее всего, заразились от контакта с людьми. Передача этого вируса от человека к человеку тоже имела место: вскоре появилось сообщение, что в геноме вируса наблюдается перемещение с уникальным сочетанием генных сегментов – это были классические признаки появления пандемического вируса. 29 апреля «Нью-Йорк Таймс» сообщила, что ВОЗ повысила уровень готовности к пандемии гриппа до пятого уровня, оставался всего один шаг до объявления тревоги. Возникла реальная вероятность пандемии. В Мексике к тому времени было зарегистрировано уже 166 смертей, тревога была так велика, что 176 футбольных матчей в разных городах проходили на пустых стадионах. Были также случаи заболевания в других графствах Калифорнии и в Техасе, грипп поразил учеников и учителей одной школы в Нью-Йорке и вызвал несколько случаев заболевания в Канаде. Сцена для пандемии была готова, хотя власти медлили с быстрым выделением штамма и срочным изготовлением вакцины для ограничения скорости распространения гриппа. Госпитали Нью-Йорка были переполнены больными, считавшими, что у них свиной грипп (хотя у большинства его не было). К началу мая была поражена двадцать одна страна в Северной и Южной Америке, Европе, на Среднем Востоке и в Азии. В более чем 80 % случаев заражение можно было проследить от путешественников, возвращавшихся из Мексики. Вирус буквально облетел мир всего за один месяц. 6 июля 2009 года ВОЗ объявила о пандемии гриппа. К середине октября гриппом H1N1 переболели 22 миллиона американцев, из которых сто тысяч были госпитализированы. От гриппа умерли четыре тысячи человек. Пандемия продолжалась до 10 сентября 2010 года, когда ВОЗ объявила о постпандемической фазе. Всего в мире от свиного гриппа умерли 200 тысяч человек, а от осложнений умерли еще 200 тысяч.

Эта хронология иллюстрирует быстрые и разрушительные последствия, какие может вызвать чрезвычайно заразительный пандемический вирус гриппа, даже в таких развитых и передовых в медицинском отношении обществах, как наше. Пандемические вирусы имеют селективное преимущество благодаря уникальному сочетанию генных сегментов, которое быстро появилось у глобально доминирующего штамма гриппа. Это преимущество заключается в новой комбинации антигенных белков ГА и НА, с которыми никогда прежде не сталкивалась человеческая популяция. Но вы можете спросить, почему нас не защитил прежний контакт с человеческим вирусом гриппа А типа H1N1, который был главным циркулирующим штаммом в течение последних нескольких десятилетий. Ответ сложен, и для того, чтобы добраться до него, нам надо сначала понять генетическое происхождение штамма S-OIV 2009 года (Smith et al., 2009; Garten et al., 2009). Эта история начинается в 1918 году, с эпидемии испанки. Пандемия гриппа, вызванная вирусом H1N1, стала подлинной эпидемической бурей, поразившей 40 % населения земного шара и вызвавшей 40–50 миллионов смертей. Были, кроме того, созданы идеальные условия для эпидемического распространения болезни: началась демобилизация армий после Первой мировой войны, и население было готово подцепить эту агрессивную и в высшей степени заразную болезнь. Более того, «сотрудничество» вируса гриппа с бактериями, вызывающими пневмонию вслед за гриппом, стало основной причиной высокой смертности в пандемии 1918 года, которая разразилась до внедрения антибиотиков в клиническую практику.

В настоящее время интенсивно изучается генетическое происхождение пандемического вируса 1918 года, вируса H1N1 (Shanta, Donald, 2009; Taubenberger, Morens, 2006). Гены этого вируса произошли от генов вируса птичьего гриппа, и большинство ученых считают, что вирус этот попал к людям непосредственно от птиц. Шоуп, выдающийся вирусолог того времени, заключил, что вирус этот затем перешел от людей к свиньям (1936). Свиной грипп был распознан после первой волны эпидемии среди людей весной 1918 года. По большей части первые жертвы пандемии заражались непосредственно от птиц (или свиней), и в течение этой первой волны вирус интенсивно адаптировался к новым хозяевам. Вирус появляется вновь через месяцы или, иногда, годы после первой эпидемии, вооруженный повышенной приспособленностью к людям, между которыми и начинает интенсивно циркулировать (Miller et al., 2009). Можно предположить, что это результат эволюционной адаптации посредством мутаций и, возможно, даже внутритипового перемещения генов между возникшими таксонами. Сегодня мы понимаем, что огромный запас генетического материала вирусов птичьего гриппа свободно перемешивается в дикой популяции птиц. Эти птицы являются его естественными хозяевами, и они часто инфицируются множеством подтипов одновременно. Вслед за птицами идут свиньи, которые, как считают, являются сосудом для перемешивания вирусов гриппа. Свиньи в высокой степени восприимчивы к инфекции, молекулы их клеточных рецепторов позволяют поддерживать инфицирование как птичьим, так и человеческим вирусом гриппа. Следовательно, свиньи являются кондукторами, посредством которых вирус гриппа может проникнуть в человеческую популяцию. Таким образом, есть своеобразная ирония в том, что та единственная пандемия 1918 года, вызванная вирусом H1N1 птичьего происхождения, стала основательницей того, что мы сейчас называем «классическим» свиным гриппом. Вирус H1N1 продолжал циркулировать в человеческих популяциях в течение почти сорока лет, после чего его сменил вирус H2N2, вирус с перемешанным геномом, вызвавший пандемию 1957 года (Kilbourne, 2006; Morens, Taubenberger, Fauci, 2009). В свою очередь H2N2 уступил место гонконгскому гриппу, вирусу H3N2, который вызвал последнюю пандемию двадцатого века, пандемию 1968 года (Kilbourne, 2006; Morens, Taubenberger, Fauci, 2009). Как я уже упоминал выше, вирус H3N2 был объектом интенсивного изучения с тех пор, как он появился более сорока пяти лет назад, и он до сих пор остается одним из вирусов, вызывающих сезонные локальные эпидемии.

В 2009 году, когда выступил со своим дебютом вирус S-OIV H1N1, мир был захвачен врасплох. Штаммы, выбранные для изготовления вакцины, нацеленной на штаммы гриппа A, преобладали в 2008 году, и ожидалось, что они будут циркулировать и в следующем году: штаммы H3N2 и H1N1. Здесь наша история делает небольшой поворот. После того как пандемический штамм H2N2 в 1957 году сменил штамм H1N1, этот последний вообще исчез из сезонных эпидемий. Примечательно, что он появился еще раз только в 1977 году (Kilbourne, 2006). К удивлению вирусологов, вновь появившийся вирус H1N1 был генетически неотличим от вируса, который скрылся из виду в 1957 году (Nakajima, Desselberger, Palese, 1978; Scholtissek, von Hoyningen, Rott, 1978). Если бы этот вирус все время своего отсутствия циркулировал бы в резервуаре такого вида, как свинья, то в его геноме накопились бы мутации. Отсутствие генетической дивергенции может породить только одну гипотезу: в течение прошедших двадцати лет вирус был «заморожен». Сегодня считают, что вирус мог попасть в человеческую популяцию случайно незадолго до 1977 года в результате ошибки при клинических испытаниях вакцины (Rozo, Gronvall, 2015). Его повторное появления в 1977 году привело к эпидемии, поразившей в основном детей и молодых взрослых. Люди более старшего возраста в большинстве случаев сталкивались в прошлом с вирусом штамма H1N1, те же, кто родился после исчезновения этого вируса, оказались восприимчивыми к инфекции.

Вирус H1N1, прямой потомок вируса испанки 1918 года, продолжал циркулировать и после этого, сосуществуя с вирусом H3N1, с теми или иными штаммами, доминировавшими в сезонных эпидемиях вплоть до 2008 года. Конечно, этот современный H1N1 находился в непрерывной циркуляции в течение семидесяти лет (между 1918–1957 годами и 1977–2008 годами). Учитывая давление отбора со стороны иммунной системы человека, поверхностные белки весьма существенно изменились благодаря антигенному дрейфу. Здесь действовали те же самые молекулярные механизмы, которые мы детально обсуждали в разделе об эволюции антигенов H3N2 за 45 лет, в течение которых H3N2 циркулировал в популяции, вызывая сезонные эпидемические вспышки.

Вспомним, что в 1918 году свиньи были заражены вирусом испанки H1N1. Если, действительно, люди получили вирус непосредственно от птиц, то кто в таком случае заразил свиней. Это был очень важный этап. (Я говорю «если», потому что трудно исключить возможность, что вирус сначала был передан от птиц свиньям, а уже от них – людям). О таком же феномене сообщили в 1977 году, когда штаммы человеческого гонконгского вируса H3N2 были обнаружены в популяциях свиней в Азии (Shortridge et al., 1977). Несомненно, эти штаммы некоторое время циркулировали среди свиней, так как они были весьма схожи с вирусами H3N2, которые к тому моменту уже перестали циркулировать в человеческой популяции. Это было свидетельством не только того, что свиньи могут играть роль тигля и передавать вирусы людям, но и того, что вирус может передаваться от человека свинье. Выше я уже упоминал, что вычисленная скорость эволюции вируса птичьего гриппа в птичьих популяциях очень небольшая; этот феномен приписывают длительной взаимной эволюционной адаптации вируса и хозяина, что и наложило отпечаток на поведение вируса птичьего гриппа. Скорость эволюции вируса гриппа в свиной популяции ниже, чем в популяции человеческой. Следовательно, вирус, циркулирующий среди свиней, может играть роль архива альтернативно развивавшегося генетического материала, что достигалось перемещениями и включениями в геном материала либо человеческого, либо птичьего гриппа, которые могли одновременно инфицировать свиней. Это может создать феномен, известный под названием «тройное перемещение вирусов»: вырисовывается фантастическая картина соединения различных генных компонентов из смеси циркулирующих свиных, птичьих и человеческих вирусов. Такие составные вирусы действительно циркулировали в американских и китайских свиных популяциях и часто передавались людям, контактировавшим с зараженными свиньями (Smith et al., 2009; Yin, Yin, Xie, Zhang, Qi, 2014).

Вскоре после того, как в 2009 году начал циркулировать вирус S-OIV, специалисты по молекулярной вирусологии принялись исследовать свойства нового вируса, стараясь выяснить его происхождение. Откуда и как он возник? Выяснилось, что вирус имеет очень сложную генеалогию (Smith et al., 2009; Zimmer, Burke, 2009). Из восьми генных сегментов шесть были унаследованы от вирусов с тройным перемещением, которые сами произошли от человеческого вируса H3N2, птичьего вируса и классического свиного вируса H1N1. Оставшиеся два сегмента могли происходить из свиного вируса H1N1 птичьего происхождения, который был обнаружен на просторах Евразии в 1979 году. Интересно, что вирус испанки продолжает свое существование в этой же пандемической линии в форме трех генных сегментов: гемагглютинина (ГА), неструктурных белков и нуклеокапсида, каждый из которых был передан путем тройного перемещения генного материала. Эти два вируса свиного гриппа H1N1 подверглись смешиванию в клетках свиней с формированием S-OIV незадолго до того, как были переданы человеку и вызвали пандемию. Это вполне очевидный факт, потому что генетическое расстояние между их генами и генами родительских вирусов указывают на степень дивергенции, которая была бы возможна только при условии циркуляции – в течение некоторого времени – в свиной популяции. Представляется весьма вероятным, что «перетасованный» вирус, появившийся во время пандемии 2009 года в виде штамма H1N1, некоторое время вызревал, необнаруженный, в мексиканской свиной популяции, прежде чем инфицировать первого пациента (Smith et al., 2009). Эти события перемещения генетического материала привели к соединению подтипа 1 ГА и подтипа 1 НА, то есть тех же подтипов, которые циркулировали в 2008 году. Оба подтипа происходят от вируса испанки 1918 года, но генетически от него отличаются: подтип 1 НА происходит от птичьего вируса, а также от вируса евразийского свиного гриппа, а подтип ГА 1 происходит от штамма классического свиного гриппа H1N1. Несмотря на то что ген гемагглютинина происходит от гена предкового вируса 1918 года H1N1, он сильно изменился в своем развитии за девяноста лет адаптации к хозяевам различных биологических видов. Подтип гемагглютинина, обнаруженный в человеческом вирусе H1N1, который продолжает циркулировать и в наши дни (а в 2009 году был использован для изготовления вакцины), совершил большой эволюционный путь, и сегодня сильно отличается от своего предка – вируса свиного гриппа. К 2009 году человеческая популяция уже не имела иммунологической памяти ни для одного поверхностного антигена группы S-OIV.

Независимые эволюционные траектории генов антигенов в организмах разных хозяев являются мощным источником генетического разнообразия вируса гриппа. Подтипы гемагглютинина или нейраминидазы, которые, соединяясь, приводят к образованию нового пандемического вируса, не являются равноправными; они могут иметь разную эволюционную историю и играть важную роль в возникновении успешных генетических линий вируса гриппа. Вместе с внутривидовым перемещением генных сегментов эти эволюционные процессы могут создавать антигенную анонимность возникающего вируса и определенно являются основными факторами эволюции пандемического штамма. С другой стороны, Холмс и его коллеги (2005) изучали группы вируса H3N2 и пришли к выводу, что внутритиповые перемещения между совместно циркулирующими таксонами тоже вносят существенный вклад в генетическое разнообразие вируса. В ходе сходного анализа ученые изучили полные исторические последовательности геномов человеческого вируса H1N1, прямого потомка вируса испанки 1918 года, за период с 1918 по 2006 год для того, чтобы во всех деталях прояснить ход независимой эволюции (и, следовательно, филогенетическую историю) каждого генного сегмента (Nelson et al., 2008). Авторы построили филогенетическое дерево на основании дивергенции нуклеотидных и аминокислотных последовательностей каждого из вирусных генов. Так же как в случае H3N2, наблюдали перемещения между генетически разошедшимися таксонами вируса H1N1. Это было очевидно, потому что генетические деревья, построенные для каждого из различных генных сегментов, различались между собой. Эти деревья не были конгруэнтны, но составляли обширную разветвленную сеть. В течение шестидесяти восьми лет разделенных географически и во времени сезонных эпидемий гриппа штаммы вируса H1N1 постоянно подвергались перемещению в непрерывных циклах эволюционной оптимизации, а не постепенным изменениям, которые шаг за шагом приводили к созданию «команды мечты», чья тактика значительно отличается от тактики соперников.

Эта работа проливает свет на потенциал генетических изменений, происходящих между пандемиями, помимо антигенных сдвигов, и приводящих к необычным перемещениям, вызывающим изменения патогенности вируса. Одно из таких внутритиповых перемещений в геноме вируса H1N1 произошло в 1947 году: созданная в том году вакцина оказалась неэффективной, но вирусные подтипы остались неизменными; последовала тяжелая эпидемия вируса H1N1 (Kilbourne, 2006). Анализ нового штамма позволил выявить, что значительно изменился сегмент гена гемагглютинина. Последующих антигенных изменений оказалось достаточно для того, чтобы дать вирусу гриппа значительные преимущества. Другие тяжелые эпидемии, случавшиеся между пандемиями, такие, например, как эпидемии 1950–51 года, также были, возможно, связаны с внутритиповыми перемещениями генных сегментов. Геном вируса гриппа представляет собой сумму восьми генных сегментов, а не просто набор гликопротеинов оболочки. Эта команда генов должна быть очень сыгранной для того, чтобы конечный исход оказался оптимальным для вирусного генома. Это утверждение можно проиллюстрировать проведенными лабораторными экспериментами по реконструкции вирулентного вируса испанки 1918 года (см. главу 11). Только вирусы, реконструированные из всех восьми исходных генных сегментов вируса, при соединении формировали вирус с ожидаемой вирулентностью предкового вируса; ни одна другая комбинация восьми генных сегментов не позволяла этого добиться. Таким образом, команду мечты может создать уникальное сочетание генов; основа такой оптимальной комбинации остается для нас неясной. Мы не знаем доподлинно, что вирусы гриппа изменяют свои генные линии для оптимизации игры своей команды. Случайные события, мутационные изменения и хаотичные обмены генных сегментов создают условия, при которых грипп может – с беспрецедентным успехом – эмпирически проверить все возможные комбинации каждого игрока команды. Наиболее успешные генетические линии возникают в результате деятельности замечательного эволюционного поисковика, встроенного в генетическую программу вируса гриппа.

Глава 6

Альтернативная жизнь вирусов

До сих пор мы рассматривали вирусы, вызывающие быстротечные и, как правило, самостоятельно разрешающиеся инфекции. Я ограничился описанием человеческого риновируса и вируса гриппа. Оба вируса ведут себя подобно литическим фагам, то есть придерживаются тактики «бей и беги». Преходящие, проявляющиеся яркой симптоматикой заболевания суть основа их, если можно так выразиться, политики, позволяющей передавать вирусные частицы от одного хозяина другому. В типичных случаях заболевание прекращается после того, как иммунная система очищает организм хозяина от вируса. После этого организм хозяина приобретает стойкий иммунитет и становится невосприимчивым к повторному инфицированию тем же вирусом. К другим вирусам, попадающим в ту же рубрику, относятся вирусы парагриппа, вирус кори, вирус краснухи, вирус свинки, вирус полиомиелита, а также вирус оспы. Эти вирусы могут успешно поддерживать численность своей популяции только в тех случаях, когда существует достаточное количество восприимчивых потенциальных хозяев, которых может инфицировать вирус. Отсюда возникла точка зрения, согласно которой эти вирусы являются относительно современными – они инфицировали человека в недавнем прошлом нашего биологического вида. Еще в пятидесятые годы двадцатого века было подсчитано, что вирус кори не может поддерживать непрерывность своего существования в человеческой популяции меньше 250–300 тысяч человек. Эта гипотеза получила дополнительное подтверждение в работе, выполненной Фрэнсисом Блэком в Йельском университете. Исследование Блэка, посвященное заболеваемости корью в островных популяциях, показали, что прекращение передачи вируса неизбежно наступает в популяциях численностью менее 500 тысяч человек (Black, 1966). На основании этих данных Блэк предположил, что в первобытном обществе просто не существовало популяций, способных поддерживать размножение и передачу вируса кори.

Изучавший заболевания античности Хэйр заметил, что ни один вирус не мог существовать в мелких человеческих популяциях, если он не мог размножаться в организмах хозяев иных биологических видов (видов, играющих роль резервуаров) или находиться в человеческих организмах вне острой фазы заболевания (Hare, 1967). К таким вирусам относится и вирус кори. В антигенном отношении это очень стабильный вирус, эта стабильность сохраняется на протяжении многих десятков лет, а инфекция оставляет после себя надежный пожизненный иммунитет. (Неизвестны виды животных, которые могут служить резервуаром вируса кори, и нет никаких данных за то, что вирус может каким-то образом находиться в организме человека вне острого заболевания.) Таким образом, предположение Хэйра получило подтверждение. Его обзор исторических свидетельств о заболеваниях человечества показывает, что нет никаких данных об эпидемиях кори до шестого века нашей эры, так же как нет данных об эпидемиях оспы до первого века нашей эры, что подтверждает гипотезу. Естественно, все выводы, основанные на исторических свидетельствах, являются в той или иной мере умозрительными, но все же есть данные, указывающие на то, что эпидемии кори стали поражать людей после одомашнивания крупного рогатого скота и заражения коровьей чумой. Вероятно, большинство наших современных вирусных заболеваний начинались как зоонозы, передававшиеся от одомашненных животных новым хозяевам – людям. Это произошло на заре цивилизации, когда появление больших скученных масс населения в городах привело к распространению эндемичных вирусных заболеваний. Вероятно, Месопотамия является колыбелью как цивилизации, так и современных эпидемических болезней. Численность населения тогдашних крупных месопотамских городов оказалась вполне достаточной для поддержания постоянной циркуляции эндемических вирусных болезней в человеческой популяции.

Мы познакомимся и с другими примерами общественных перемен, способствовавших возникновению вирусных эпидемических (а затем и эндемических) заболеваний, но для начала мы обратимся к нескольким вирусам, вызывавшим не современные, а древние заболевания. Речь идет о вирусах, отравлявших жизнь гоминидам со времени их появления, о вирусах, корни коэволюции которых мы можем проследить до эпохи, предшествующей появлению млекопитающих и даже до эпохи беспозвоночных, то есть до времени более 400 миллионов лет тому назад. Более того, есть достаточно убедительные данные о хвостатых ДНК-фагах прокариот в их далеком эволюционном прошлом. С большой долей определенности можно утверждать, что предшественников вируса герпеса млекопитающих можно проследить до гипотетического вируса, инфицировавшего рептилий, бродивших по Земле более 200 миллионов лет назад (McGeoch et al., 1995; McGeoch, Rixon, Davison, 2006). Вирус герпеса относится к семейству Herpesviridae. К настоящему времени идентифицированы более 300 видов этого семейства; они инфицируют беспозвоночных, двустворчатых и брюхоногих моллюсков, а также и позвоночных – рыб, пресмыкающихся и млекопитающих (Davison, 2002; McGeoch, Rixon, Davison, 2006). Позвоночными хозяевами вирусов этого обширного семейства являются животные от мыши до слона, от кита до человека, от летучей мыши до гориллы и от копытных до птиц. Одного только человека инфицируют вирусы восьми видов, откуда можно предположить, что многие вирусы, заражавшие наших эволюционных сородичей, остались неоткрытыми, а возможно, уже и вымерли. Это огромное семейство успешных вирусных паразитов имеет длинную и яркую коэволюционную историю со многими видами хозяев. Те вирусы герпеса, которые были изучены к настоящему времени, выказывают чрезвычайно высокую степень сложности в своих взаимоотношениях с клетками и организмами хозяев. Я могу еще многое рассказать о биологии и способах существования этих очаровательных вирусов и об уроках, которые мы можем извлечь относительно эволюции вирусов в контексте видов их хозяев.

Никто сейчас не сомневается в том, что наши африканские предки из рода Homo страдали от инфицирования вирусами герпеса. Для того чтобы не противоречить нашим рассуждениям о численности популяций, необходимой для непрерывного поддержания передачи информации в вирусных линиях, мы должны принять, что эти вирусы должны были располагать механизмами выживания в относительно малочисленных, примитивных и рассеянных популяциях гоминид. Этот механизм должен быть антитезой тактике «бей и беги», то есть способ существования этих вирусов должен быть совершенно иным. После первичного инфицирования, которое, вероятно, сопровождалось легкой и преходящей симптоматикой, вирус оседал в организме хозяина, причиняя пожизненную, так называемую латентную инфекцию. Очень часто носитель вирусной инфекции живет с ней до самой смерти, не подозревая о своем носительстве (как любил говорить мой учитель, человек умирает с вирусом, а не от него). Как профаги бактериальных лизогенов, эти вирусы периодически активируются, производя инфекционные вирусные частицы. Независимо от особенности и различий передачи вирусов герпеса от хозяина к хозяину, их способность к латентной инфекции является хорошо подогнанной стратегией, позволяющей поддерживать непрерывность вирусных линий. Первичное инфицирование делает пациента заразным, то есть пациент служит источником передачи вируса другим хозяевам. После клинического выздоровления хозяин периодически становится заразным, что дает вирусам возможность поддерживать непрерывность цепи передачи вирусов в популяции. Сохранение стратегии латентной инфекции в течение эволюции (с полной определенностью у наиболее изученных членов семейства вирусов герпеса) говорит о том, что она в прошлом предоставила генетической информации вируса дополнительное селективное преимущество. Это преимущество должно было возникнуть в результате случайных генетических изменений, которые сохранились благодаря давлению положительного отбора. Мы можем утверждать, что латентное инфицирование и периодическая активация вирусов герпеса являются главными факторами их эволюционной успешности в качестве передающихся инфекционных агентов. Механизмы, отвечающие за эту часть жизненного цикла, настолько сложны, что невозможно предполагать, что они стали случайным результатом эволюции. Это очень сложный и совершенный механизм, который хорошо служит вирусам герпеса.

Прежде чем перейти к разбору некоторых хитростей инфицирования вирусом герпеса, мы рассмотрим недавние работы Фрэнсиса Блэка, служащие убедительной иллюстрацией преимуществ такого способа существования вируса для сохранения вирусных линий в человеческих популяциях. Статья Блэка в журнале «Science» (1975) касалась изучения первобытных культур на периферии бассейна Амазонки. Блэк рассудил, что эти изолированные друг от друга постоянные поселения, численность населения которых колебалась от 100 до 300 человек, практически полностью повторяли условия проживания древних первобытных сообществ охотников и собирателей. Блэк собрал демографические данные и серологические пробы в нескольких таких популяциях в поисках антител, реагирующих на распространенные человеческие вирусы. Для некоторых из наиболее распространенных современных заболеваний нашего общества – кори, свинки, краснухи, парагриппа и полиомиелита – он не обнаружил сывороточной реактивности у представителей либо большинства, либо всех племен. Если обнаруживались признаки какого-то заболевания, то его находили среди людей определенного возраста или старше, но оно полностью отсутствовало у более молодых представителей племени. Это было доказательством эпидемий вирусных заболеваний, поразивших данное племя в определенный период времени. Эпидемия быстро угасала после выздоровления или смерти заболевших, не оставляя людей, восприимчивых к вирусу. Дети, родившиеся после окончания эпидемии, были свободны от этой болезни. Противоположная ситуация наблюдается в случаях заболевания герпесом или гепатитом B. Постоянно высокий уровень антител, независимо от возраста, был обнаружен во всех племенах. Эти заболевания проявлялись едва заметной симптоматикой и не представляли угрозы для выживания племен. Каждый из этих вирусов – вирус простого герпеса, опоясывающего лишая, заболевания, вызванного вирусом Эпштейна – Барр (все эти вирусы являются вирусами герпеса), и вирус гепатита B – вызывают постоянную инфекцию хозяина после первичного инфицирования и, таким образом, хорошо адаптированы к эндемическому выживанию в малых по численности популяциях. В то время как эти вирусы быстро распространялись по племенам в стародавние времена и сохранялись в поколениях, несмотря на малую численность хозяев, вирусы, придерживавшиеся стратегии «бей и беги», вызывали спорадические эпидемии и исчезали. Повторные эпидемии были возможны только после того, как проходило достаточно времени, чтобы количество восприимчивых индивидов достигло уровня, при котором возможна эпидемическая передача вируса между восприимчивыми хозяевами. Такие болезни представляли небольшую угрозу выживанию древних людей, но явились порождением обществ нового времени.

Латентное заболевание: до тех пор, пока смерть не разлучит нас

Я приступил к исследованиям вирусов эукариотических клеток на последнем курсе обучения в Кембриджском университете в конце семидесятых годов. Я живо вспоминаю, как захватил меня сплайсинг м-РНК транскриптов одного из генов аденовируса, ДНК-содержащего вируса, реплицирующегося в ядрах эукариотических клеток. Недавнее открытие расщепления генов в лабораториях «Колд-Спринг-Харбор» Филиппом Шарпом и Ричардом Робертсом принесло первооткрывателям Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1993 года. Сплайсинг РНК включает в себя процессинг первичного транскрипта гена в ядре перед его выходом в цитоплазму. В процессе сплайсинга вырезаются целые сегменты некодирующих последовательностей, называемых интронами, которые включаются в первичный транскрипт. Получающаяся зрелая РНК содержит непрерывные, кодирующие белки – экзоны. Подвергнутый сплайсингу транскрипт транспортируется в цитоплазму, где он распознается и транслируется на рибосоме. Стало ясно, что этот процесс лежит в основе любой экспрессии клеточных генов. Точно так же, как бактериофаги снабдили нас знаниями о генетике и молекулярной биологии царства бактерий, эти вирусы должны были научить нас особенностям эукариотических клеток. Итак, мое первое очарование вирусами, касалось, собственно говоря, не самих вирусов как таковых и болезней, которые они вызывали, но предвосхищения того, чему они научат нас относительно процессов в наших собственных клетках, которыми они так умело пользуются. Ядерные ДНК-содержащие вирусы, подобно своим цитоплазматическим РНК-содержащим сородичам, должны использовать те же цитоплазматические механизмы трансляции белка, но должны «уметь» манипулировать клеточными механизмами транскрипции генов в ядре. Эти матричные РНК транскрибируются с вирусной геномной ДНК с помощью человеческой РНК-полимеразы II. Эта ДНК должна кодировать необходимые сигналы и последовательности кодонов для направления синтеза из аминокислот собственных белков вируса на клеточных рибосомах, а кроме того, содержать информацию, необходимую для согласованной экспрессии генов клеточными транскрипционными механизмами.

Представители семейства вирусов герпеса – одни из наиболее сложных ДНК-содержащих вирусов, геном которых колеблется от 125 до 230 тысяч пар оснований двуспиральной ДНК, кодирующих от 70 до 200 генов. Сложность их геномов является убедительным индикатором их способности к многогранным адаптационным отношениям с организмами хозяев. Вирусы герпеса являются наглядной живой историей успешной эволюции.

Требуется, однако, более формальное представление вирусов герпеса. Так же как хвостатые вирусы признаются семейством родственных бактериофагов благодаря их сходной морфологии, порядок герпетических вирусов входит в вирусную номенклатуру в виде точно такой же сложной совокупности. При исследовании под электронным микроскопом видна похожая архитектура вирусных частиц всех вирусов герпеса. Вирусные частицы состоят из липидной оболочки, пронизанной вирусными гликопротеинами, окруженными аморфным белковым матриксом, внутри которого находится икосаэдрический капсид, содержащий ДНК-геном. Вирусы герпеса представлены тремя семействами: семейство, вирусов, поражающих млекопитающих, птиц и рептилий; алловирусы герпеса рыб и земноводных; малаковирусы, поражающие беспозвоночных. Большая часть наших знаний о герпетических вирусах почерпнута из исследований первого семейства, в которых выделяют три подсемейства: альфа-, бета- и гамма-герпетические вирусы. Люди являются хозяевами для трех альфа-герпетических вирусов, трех бета-герпетических вирусов и одного гамма-герпетического вируса. Человеческие вирусы герпеса являются окном, сквозь которое мы можем изучать способ существования и патогенные свойства герпетической инфекции. Все они обладают общим свойством взаимодействовать с клетками двумя способами: литическим и латентным. После первичного инфицирования хозяина вирус производит литическую инфекцию, обычно сочетающуюся с легкой симптоматикой и выделением в окружающую среду инфицирующих вирусных частиц. Установление пожизненной латентной фазы инфекции в покоящейся клеточной популяции следует за начальной литической фазой инфекции. Латентность определяется как отсутствие продукции инфицирующего вируса и происходит перед лицом активного иммунного ответа (Wilson, Mohr, 2012; Roizman, Whitley, 2013). Успешность герпетических вирусов объясняется их способностью уходить от иммунной реакции. Герпетические вирусы приобрели механизмы противостояния иммунной защите макроорганизма, хотя и в латентном состоянии вирус герпеса находится под прицелом иммунной системы хозяина. Механизм, поддерживающий латентное состояние вируса, является предметом интенсивных исследований, но ясно, что это метастабильное состояние, в поддержание которого вносят равный вклад клеточные репрессивные механизмы и механизмы активации вируса. Реактивация вируса из латентного состояния происходит периодически и, очевидно, стохастически, при продукции инфекционной формы вируса, которую можно передать новому хозяину.

Вирусы герпеса очень медлительны в выборе новых хозяев, а заболевания, вызываемые ими, редко сочетаются с тяжелыми клиническими проявлениями у здоровых пациентов. Это указывает на высокий уровень эволюционной адаптации к их привычным хозяевам. Это, разумеется, имеет большое преимущество для вируса, если хозяин остается относительно здоровым в течение длительного периода времени инфицирования, что позволяет вирусу передаваться от хозяина другим организмам в нормальном состоянии. Особенно это верно в отношении патологии, передаваемой половым путем, или для заболеваний, которые требуют для передачи тесного телесного контакта. Тяжелые или даже смертельные поражения, вызванные вирусами герпеса, однако, случаются, когда происходит инфицирование во время эпизоотии (среди животных разных видов). Чаще всего такие заражения происходят случайно, а вирус проникает в чуждый организм, как в тупик, который не приводит к развитию эндемического заболевания. Вирус B герпеса макаки может служить в этом отношении примером (Huff, Barry, 2003). Проникая в организм своего естественного хозяина, вирус вызывает у него бессимптомное легкое заболевание, но для человека, имевшего несчастье заразиться вирусом от макаки, заболевание часто оказывается смертельным. Вирус B герпеса макаки поражает до 75 % выловленных в дикой природе макак, которых используют для научных исследований, однако в наши дни макак разводят в специальных питомниках для выведения чистых линий, что резко снизило опасность зооноза среди сотрудников лабораторий. Многие другие перекрестные заражения приводят к похожим исходам, причем зоонозы чаще всего поражают фермеров и держателей зверинцев, где представители разных биологических видов находятся в нехарактерном для этих видов близком соседстве.

В обиходе герпесом называют инфекционное поражение вирусом простого герпеса (HSV). Половой герпес, вызываемый вирусом HSV, приобрел широкую известность в начале восьмидесятых годов. В 1982 году журнал Newsweek окрестил его «венерической болезнью восьмидесятых, а журнал «Time» – новой «Алой буквой». Та эпидемия поразила двадцать миллионов американцев – она прошлась, как ураган, по нашему сексуально раскрепощенному обществу. На самом деле, существуют два вида вируса простого герпеса, HSV-1 и HSV-2, и они сочетаются с губным герпесом, распространенным заболеванием, при котором герпетические поражения высыпают в полости рта и на губах, и с половым герпесом, который поражает слизистые оболочки полового тракта (Whitley, Roizman, 2001). Эта инфекция передается половым путем, когда вирус отшелушивается от слизистой оболочки половых путей либо при первичном инфицировании, либо при реактивации латентной инфекции. Эти вирусы, являющиеся эталоном успешности в качестве человеческих патогенов, HSV-1 и HSV-2, чрезвычайно широко распространены среди людей, а частота поражения неуклонно увеличивается с возрастом. Носителями менее распространенного вируса HSV-2 являются 30 % взрослого населения, вирус HSV может обнаруживаться у 50 % детей в возрасте до 10 лет, а у пожилых людей частота поражения достигает и превосходит 80 %. Обычный путь заражения – контакт вирусных частиц простого герпеса с эпителиальными клетками. Так же как в случае с вирусом гриппа, прикрепление к клетке опосредуется молекулярным взаимодействием между гликопротеинами вирусной оболочки с мембранными белками клеточной мембраны. Слияние вирусной и клеточной мембран позволяет нуклеокапсиду и ассоциированным с ним матриксным белкам проникнуть в цитоплазму клетки, откуда нуклеокапсид проходит в клеточное ядро, прободая его мембрану. Через ядерную пору сбросивший белковый матрикс и капсид ДНК-геном вируса проходит в святая святых клетки, в ее ядро. Здесь вирус проходит несколько циклов экспрессии генов, в ходе которых возникают волны последовательных синтезов белка, нейтрализуются защитные механизмы клетки и метаболизм клетки начинает работать на вирус. Реплицируется геном вирусной ДНК, и сборка вирусных частиц происходит в ядре. Частицы отпочковываются от ядерной мембраны и вступают в аппарат Гольджи, где частица приобретает вирусную оболочку. Покинув аппарат Гольджи, частицы переходят в цитоплазму и сливаются с клеточной мембраной, после чего зрелые вирионы выходят в окружающую среду. Этот литический репликативный цикл в эпителиальных клетках приводит к появлению клинических симптомов инфекции – образованию наполненных водянистой жидкостью пузырьков на слизистой оболочке рта, губ или других слизистых оболочках. Эти патологические элементы нагружены инфекционными вирусными частицами, которые могут быть легко переданы другим людям в слюне или секрете половых желез. Вирус герпеса человека способен заражать незаметно; очень часто передача инфекции половому партнеру происходит при отсутствии видимых симптомов вирусного поражения слизистой оболочки половых путей.

При первичном инфицировании вирусные частицы, высвобождаемые из эпителиальных клеток, инфицируют чувствительные нейроны, иннервирующие инфицированную эпителиальную ткань. Нуклеокапсид, содержащий ДНК-геном, проникает в терминаль аксона, а затем генетический груз транспортируется на значительную длину аксона к ядру нервной клетки, расположенному в заднем корешке спинномозгового нерва. Геном впрыскивается в ядро нейрона, но чаще всего вслед за этим не происходит репликационный литический цикл. Баланс сил в этом ядерном окружении является несколько иным, нежели в эпителии: экспрессия вирусных генов строго ограничена нейроном, и в нем происходит транскрипция только одной копии генома (транскрипция, ассоциированная с латентностью), которая играет решающую роль в индукции дремлющего, латентного состояния вируса в нервной клетке. Геном вируса сохраняется в клеточном ядре в виде кольцевидной молекулы ДНК, упакованной в эписому, расположенную в хроматине, так же как хромосомная ДНК. Экспрессия этой эписомы сильно ограничена и строго регулируется внутриклеточными механизмами. Именно в этих ганглиях инфицирующий их вирус периодически активируется, что называют вспышкой герпеса. Такие вспышки обычно поражают участки кожи в непосредственной близости от места первичной инфекции, будь то простуда на губе или пузырек на слизистой половых органов. В типичных случаях явная реактивация может сочетаться со стрессом, который позволяет вирусу на время ускользать из-под непрерывного иммунологического контроля вследствие ослабления иммунных реакций, которые минимизируют патологические последствия событий стохастической реактивации (Roizman, Whitley, 2013).

Вирус герпеса человека 3, или вирус ветряной оспы, тоже является нейротропным вирусом, который индуцирует латентную инфекцию нейронов. Первичное инфицирование вызывает ветряную оспу, распространенную детскую болезнь, но в отличие от герпеса, при ветрянке вирус вызывает общее поражение, так как реплицируется в клетках эпителия кожи и слизистых оболочек, откуда отшелушивается в виде зудящей пузырьковой сыпи на коже и слизистой оболочке рта. Латентный вирус в нервных клетках при реактивации вызывает заболевание, известное под названием опоясывающего лишая, резко отличающегося от поражения при первичном инфицировании. Кожная вирусная сыпь возникает лишь на ограниченном участке кожи, иннервируемом пораженными нейронами. Представляется, что первичное инфицирование не сдерживается на месте иммунной системой, и поэтому реактивация оказывается более успешной. Единственный человеческий бета-вирус герпеса (цитомегаловирус) и гамма-вирус герпеса (вирус Эпштейна – Барр) весьма сходны между собой в плане этиологии, но сильно отличаются в этом отношении от альфа-вирусов герпеса. Каждый из этих вирусов вызывает у подростков мононуклеоз, хотя у маленьких детей заболевание может протекать бессимптомно и остаться незамеченным. В отличие от вируса простого герпеса и вируса ветряной оспы и опоясывающего лишая они не передаются половым путем. Как правило, болезнь возникает после отшелушивания элементов поражения в ротовую полость, что привело к народному названию мононуклеоза – «поцелуйная болезнь». Цитомегаловирус и вирус Эпштейна – Барр инфицируют эпителиальные клетки в момент заражения, но затем поражают различные популяции лейкоцитов, в которых они находятся в латентном состоянии. В случае цитомегаловируса он предпочтительно поражает клетки лимфоцитарного и моноцитарного ряда, в то время как вирус Эпштейна – Барр проникает в B-лимфоциты. Примечательно, что эти вирусы, принадлежащие разным подсемействам, выработали много общего в способе существования, за первичным инфицированием следует пожизненное латентное состояние, но эти вирусы занимают разные клеточные ниши, в которых и переходят в латентное состояние. Такая разница в тропизме потребовала развития в ходе эволюции различных регуляторных механизмов в разных подсемействах вирусов герпеса, для того чтобы проникать в клетки разных типов.

Все семейство вирусов герпеса

Члены этого семейства являются близкородственными группами вирусов герпеса в том, что касается их генетического содержания. Геномы этих вирусов содержат около сорока общих консервативных генов, которые можно считать «ядерными генами», обеспечивающими все необходимое для базовой репликации тех элементов вирусных частиц, которые являются общими для всех представителей семейства (McGeoch, Rixon, Davison, 2006). Это самый низкий генетический общий знаменатель семейства вирусов герпеса, гены этого знаменателя составляют большинство из семидесяти или около того генов подсемейства альфа-вирусов герпеса. С другой стороны, человеческие бета-вирусы кодируют значительно больший набор генов. Например, человеческий цитомегаловирус кодирует 165 генов в геноме длиной в 230 тысяч пар оснований. Это, на самом деле, очень сложный вирус; его можно уподобить лимузину с множеством дополнительных опций. Ядерные гены дополнены более чем сотней добавочных генов. Другие семейства вирусов герпеса содержат такой же базовый набор для обеспечения распространения в организме хозяина. Эти клетки тоже должны организовать проникновение в клетку, репликацию ДНК и сборку нуклеокапсидов для того, чтобы в конце концов созреть в весьма схожие между собой морфологически вирусные частицы. Тем не менее определяемое сходство аминокислотных последовательностей между их белками было утрачено в ходе эволюции по мере дивергенции самих вирусов и их хозяев. Можно выявить только один случай сходства между их белками – для белка, участвующего в синтезе вирусного капсида. Можно полагать, что механизм упаковки вирусного ДНК-генома и сборки вирусной частицы является единственным признаком, объединяющим все семейства вирусов герпеса.

В настоящее время накапливается все больше данных о том, что сборка капсида и механизм упаковки генома всех представителей семейства вирусов герпеса имеют общее и древнее происхождение от хвостатых вирусов с двойными цепями ДНК, из которых состоит их геном, то есть от ДНК-содержащих хвостатых фагов, инфицирующих прокариотические клетки (McGeoch, Rixon, Davison, 2006; Schmid et al., 2012). Эти исследования были основаны на сравнении путей морфогенеза вирусных частиц, последовательностей аминокислот в белках и их структуры. Примечательно, что трехмерная визуализация нуклеокапсидных белковых структур фага и вируса герпеса выявляет тот факт, что их аминокислотные цепи имеют одинаковую конфигурацию (третичную структуру), несмотря на то что их разделяют миллиарды лет эволюционной истории. Иногда первое решение проблемы бывает настолько удачным, что не требует никаких улучшений. Эволюция вируса герпеса привела к определенному способу морфогенеза вирусных частиц и с тех пор не пыталась заново изобрести колесо. Пока преждевременно говорить, что вирусы герпеса являются прямыми филогенетическими потомками хвостатых ДНК-содержащих фагов. Вирусные линии обладают сверхъестественными способностями отдавать и принимать генетическую информацию, будь то гены или целые генетические модули. Тем не менее мы можем с уверенностью заключить, что последний общий предок вирусов герпеса, который, как полагают, мог существовать 400 миллионов лет назад, уже обладал таким механизмом. Либо тот вирус возник за счет видообразования от потомков хвостатого ДНК-содержащего фага, либо (не более ли это вероятно?) самостоятельная линия вирусов приобрела этот механизм с помощью горизонтального переноса генов от самого фага или от другого потомка Caudivirales.

Несмотря на генетическое разнообразие, геномы всех представителей семейства вирусов герпеса должны кодировать определенный набор белков, необходимых для репликации в эукариотических клетках-хозяевах. Большие отличия в дополнительных генах, даже в пределах одного подсемейства, сами по себе вызывают удивление. Это разнообразие возникло после дивергенции от общего предка семейства вирусов герпеса, в результате различий в давлении естественного отбора, формирующего генетический состав каждого вируса для того, чтобы он соответствовал определенной экологической нише. Ведущие специалисты по геномике и эволюции, прежде всего МакГеок, Дэвисон и их коллеги из университета Глазго в Шотландии, выполнили подробный и убедительный анализ генеалогического древа семейства вирусов герпеса и его компонентов – альфа-, бета- и гамма-подсемейств вирусов герпеса (McGeoch, Dolan, Ralph, 2000; McGeoch et al., 1995). Корни этого древа вырастают из филогенетических отношений вирусов и их хозяев и из знания о временных параметрах видообразования хозяев, совместно с которыми развивались и вирусы. Относительно рассматриваемых вирусов можно осторожно и предположительно сказать, что если проследовать по ветвям их эволюционного дерева в прошлое, то их совместные корни сходятся к предковому вирусу, существовавшему около 200 миллионов лет назад. Этот общий предок расщепился на группу альфа-вирусов герпеса и на вторую линию общего предшественника современных бета- и гамма-вирусов герпеса. Следовательно, три линии семейства вирусов герпеса возникли задолго до ветвления видов млекопитающих, которое произошло приблизительно 80 миллионов лет назад. Ветвление в эволюции этих трех подсемейств невозможно увязать ни с каким узловым моментом видообразования в общей эволюционной истории млекопитающих, птиц и рептилий. Специалисты считают, что первое событие видообразования в истории семейства вирусов герпеса стало результатом генетической дивергенции, создавшей линии вирусов, способных к использованию различных экологических ниш внутри одного и того же организма-хозяина.

Взбираясь все выше и выше по эволюционному дереву семейства вирусов герпеса, МакГеок смог с большей достоверностью рассмотреть эволюционный ландшафт вирусов герпеса, паразитирующих на млекопитающих (McGeoch et al., 1995). В течение прошедших восьмидесяти миллионов лет герпетические вирусы млекопитающих развивались практически рука об руку со своими хозяевами. Несомненно, вслед за передачей вирусов герпеса новым, пусть даже близкородственным хозяевам происходило видообразование, но совместное видообразование или совместная дивергенция вируса и вида-хозяина были намного более распространенным правилом. В результате каждый вирус становится в высшей степени взаимно адаптированным к своему виду организма-хозяина. Вирус простого герпеса приматов представляет собой наглядную иллюстрацию совместного видообразования и совместной дивергенции. Эволюцию эту прослеживают до предков приматов Старого и Нового Света (Simiiformes), и теперь многие виды приматов (например, люди, бабуины, африканские зеленые мартышки, шимпанзе, макаки, беличьи и паукообразны мартышки) могут похвастать своими собственными видами вируса простого герпеса. Люди уникальны в том отношении, что они могут быть инфицированы двумя вирусами простого герпеса, HSV-1 и HSV-2. Предметом некоторых дебатов стал вопрос о том, развились ли эти линии за счет дупликации в человеческих организмах или в организмах одного из наших предков, либо одна или другая линия была передана людям перекрестно от какого-нибудь близкородственного примата. До недавнего времени вопрос этот оставался открытым, но обнаружение вируса герпеса шимпанзе не оставило места для дальнейших спекуляций. Этот вирус оказался весьма близким родственником HSV-2, в большей степени, чем HSV-1. Получается, что HSV-2 возник у людей после перекрестной передачи, в то время как HSV-1 выделился совместно с человеком и развивался параллельно эволюции наших прямых предков. Представляется, что около 1 миллиона 600 тысяч лет назад один из наших вымерших предков был инфицирован вирусом герпеса, полученным от предка современного шимпанзе (Wertheim et al., 2014). Конечно, это не единственный пример перекрестной межвидовой передачи в ходе эволюции других современных подсемейств вирусов герпеса млекопитающих, но тем не менее коэволюция и кодивергенция остаются доминирующим способом эволюции этих древних ДНК-содержащих вирусов.

Являются ли недавно возникшие вирусные заболевания исключительной епархией РНК-содержащих вирусов? Эти «современные вирусные болезни» относительно новы для нашего с вами биологического вида и возникли в результате межвидовой передачи вирусов животных из их устойчивых резервуаров. Это верно, что РНК-содержащие вирусы идеально оснащены для перемещений между разными видами и быстрой адаптации к новым хозяевам, в чем они достигли значительного успеха. Примерами являются вирус кори (произошедший от вируса кори крупного рогатого скота) и человеческий вирус гриппа A (произошедший от вируса птичьего гриппа). Тем не менее мы скоро познакомимся с некоторыми ДНК-содержащими вирусами, представляющими собой исключение из правила, заставляющее нас с большим уважением относиться к изобретательности эволюции.

Глава 7

Механизмы эволюции ДНК-содержащих вирусов

Ленивая натура вирусов герпеса и папилломы человека типична для вирусов, эволюция которых протекала под подавляющим влиянием совместного видообразования и совместной дивергенции с организмами их животных-хозяев. Интуиция и здравый смысл подсказывают, что все они обладают ограниченной эволюционной живостью или что они ограничены тесными эволюционными рамками, потому что в высшей степени адаптировались к своим конкретным хозяевам. Номинально РНК-содержащие вирусы лучше оснащены для быстрых эволюционных изменений. Вирусная РНК-полимераза – это неутомимый генератор генетической изменчивости, создающей мутации практически во всех новых дочерних геномах. Присутствуя в каждом хозяине в форме квазивида, они могут использовать свою богатую и динамичную генетическую изменчивость как основу для быстрых адаптивных изменений. ДНК-содержащие вирусы не могут позволить себе такой роскоши. Полимераза, которую они используют, является ДНК-зависимой ДНК-полимеразой. Вирусы герпеса сами кодируют вирусную ДНК-полимеразу, в то время как вирус папилломы человека полностью полагается на клеточный фермент хозяина. Каждая из этих ДНК-полимераз обладает способностью к редактированию копий; они умеют выявлять и заменять ошибочно вставленные в цепь копии нуклеотидов до того, как они смогут закрепиться в дочерних вирусах. Таким образом, низкая скорость появления ошибок в нуклеотидных последовательностях говорит о большей надежности клеточных механизмов репликации в сравнении с механизмами репликации РНК-содержащих вирусов. Каким же образом в таком случае могут ДНК-содержащие вирусы достигать высокой скорости эволюции для того, чтобы преуспеть в гонке вооружений с организмом хозяина? Ответ на этот вопрос достаточно сложен: позвольте мне сначала убедить вас в том, что для того, чтобы успешно конкурировать в духе Черной Королевы с динамичным хозяином, паразит (в нашем случае вирус) должен обладать способностью обогнать хозяина. То есть бежать так же быстро или еще немного быстрее, чем сама Черная Королева.

Скорость эволюции, будь то многоклеточные организмы или вирусы, микробы или простейшие, управляется несколькими переменными. Это скорость, с которой ошибки или другие события создают генетические варианты, преобладающее давление отбора (очищающего или положительного), а также период генерации. ДНК-содержащие вирусы ограничены в своей свободе большей, чем у РНК-содержащих вирусов, точностью копирования, но тем не менее во время репликации они перехватывают инициативу у клетки-хозяина. ДНК-содержащие вирусы могут претерпевать бесчисленное множество репликационных циклов, создавать большие популяции вирусов и порождать множество поколений за время жизни одного поколения хозяина. Здесь я имею в виду не период времени, проходящий между двумя делениями клетки-хозяина, но время, проходящее между воспроизведениями целых организмов. Это время, необходимое организму-хозяину для того, чтобы передать свои гены потомству и испытать их на прочность естественным отбором. Только мутации, которые происходят в гаметах мужских или женских хозяев, наследуются при половом размножении организма; именно такие генетические вариации управляют эволюцией хозяев. В скорости смены поколений все вирусы намного опережают своих хозяев. Для ДНК-содержащих вирусов этого преимущества достаточно для того, чтобы обеспечить их эволюционный успех, особенно в контексте коэволюции с организмами-хозяевами. Межвидовые перекрестные передачи и результирующая смена хозяев – обычные события для эволюции и видообразования РНК-содержащих вирусов, но играют относительно скромную роль в эволюционной истории ДНК-содержащих вирусов. Везде, где такие феномены имеют место, они происходят с наибольшей вероятностью между филогенетически родственными видами (более подробно этот вопрос обсуждается в главе 10). Необходимая живость адаптации, степень которой достаточна для скачкообразных передач генетической информации, является прерогативой (хотя и не исключительной) РНК-содержащих вирусов.

Для полноты картины я должен еще подчеркнуть, что РНК-содержащие вирусы (как и ДНК-содержащие вирусы) не обладают все же абсолютно безграничной гибкостью и способностью к генетическим изменениям. Хотя РНК-содержащие вирусы со своей склонной к ошибкам репликацией обладают большой способностью к быстрому перебору генетических вариантов, все же их гибкость ограничена. Репликация на основе РНК накладывает сильные ограничения на величину генома. Чем больше РНК-геном, тем выше риск «катастрофы ошибок». Можно экспериментально показать, что геномы РНК-содержащих вирусов постоянно пребывают на грани катастрофы ошибок. Эволюция отрегулировала отношение между скоростью мутаций и длиной генома до оптимальной величины. В лабораторных условиях РНК-содержащие вирусы можно довести до вымирания, искусственно повысив скорость их мутаций. Это достигалось либо экспозицией к нуклеотидным аналогам, повышающим скорость мутаций, либо путем генетических манипуляций с РНК-полимеразой, которая делает больше ошибок при копировании (Crotty, Cameron, Andino, 2001; Crotty et al., 2000). Представляется, что частота ошибок около одной на 104 включенных последовательностей является максимальной, которую может перенести геном длиной около 10 тысяч оснований (в лаборатории ученые работали с вирусом полиомиелита). Отсюда следует, что любое изменение функциональности генома РНК-содержащих вирусов должно быть достигнуто без увеличения его размеров. Пространство мутаций, которым может пользоваться РНК-содержащий вирус, всегда должно быть соотнесено с ограниченным размером генома. Это ограничение кодирующей способности приводит к минимизации геномов, плотно упакованных информацией. Многие продукты генов ДНК-содержащих вирусов должны выполнять множество функций в течение жизненного цикла вируса и могут быть закодированы в перекрывающихся генах. Для РНК-содержащих вирусов еще более важно то, что функциональные роли играют как первичная, так и вторичная структура значительных частей генома. Первичная нуклеотидная последовательность сама по себе представляет информационное содержание и, следовательно, обладает собственной функциональностью. Такие функции «кодируются» в определенных нуклеотидных последовательностях или в складках цепи РНК, которые образуют более сложные вторичные структуры, стабилизируемые связями, образующимися между комплементарными нуклеотидами цепи. Этот «код» не является избыточным в обычном понимании, то есть синонимические мутации в этих участках невозможны. Любая замена нуклеотида приведет к изменению структуры РНК и к изменению фенотипа вируса. Таким образом, гибкость в определенной степени утрачивается, что ограничивает вариабельность РНК-содержащих вирусов. Они могут успешно развиваться, если сохраняют функциональность плотно конденсированной генетической информации, которая выполняет задачу репликации вируса, а также овладевает механизмами и структурами клетки-хозяина.

С другой стороны, надежность репликации генетического материала ДНК-содержащих вирусов устраняет ограничения, наложенные на длину генома. Многие лаборатории оценивают частоту ошибок при репликации ДНК-содержащих вирусов величиной в 1 на 108 включений нуклеотидов в новый геном (Drake, Hwang, 2005), то есть надежность репликации ДНК в десять тысяч раз превышает надежность репликации РНК-содержащих вирусов. При отсутствии других ограничительных факторов, таких как малый размер капсида, который может ограничить объем ДНК, который можно упаковать в инфекционную вирусную частицу (Chirico, Vianelli, Belshaw, 2010), ДНК-содержащие вирусы могут позволить себе массивные геномы, не подвергаясь риску катастрофы ошибок. Размер генома некоторых мелких ДНК-содержащих вирусов, таких как папилломавирусы и парвовирусы, может быть ограничен размерами их капсида. Такие вирусы располагают минимальными геномами, которыми распоряжаются с изумительной экономностью, зачастую кодируя многофункциональные белки и перекрывающиеся гены. К мелким ДНК-содержащим вирусам мы еще вернемся ниже в этой главе. Вирусы герпеса и ядерно-цитоплазматические крупные ДНК-содержащие вирусы, к которым относится вирус оспы (poxvirus), обладают намного большими геномами. Хотя у них нет способностью к генетической вариабельности, равной способности РНК-содержащих вирусов, им, с другой стороны, не нужно экономить на кодировании необходимых белков. Эти вирусы могут с большой выгодой для себя использовать роскошь расширенного генома. Для испытаний возможностей расширенного генного пространства и быстрой эволюционной адаптации вирусы герпеса используют разнообразные механизмы.

Дупликация и захват гена

Не следует игнорировать мутационные замещения нуклеотидов как источник генетической вариабельности вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК, и, действительно, частота их мутаций на порядок выше, чем у клеток-хозяев (Li, 1997). Тем не менее для поддержания генетической вариабельности, необходимой для адаптивной эволюции, вирусы герпеса используют гибкость своих ДНК-геномов двумя дополнительными способами. Для поддержания гибкости генома вирусы герпеса прибегают к дупликации генов, а кроме того, умело используют захват гена (gene capture). Эти способности становятся очевидными при тщательном исследовании вирусов герпеса, особенно если принять во внимание их весьма разнообразные наборы неядерных генов (которые, вероятно, следует обозначать более удачным термином «адаптивные гены»). Концептуально будет полезным считать их дополнениями к базовой модели, которая способна обходиться исключительно ядерными генами; при этом каждый отдельный вирус герпеса получает гены, которые наилучшим образом приспосабливают его к конкретным клеткам-хозяевам. Чаще всего адаптивные гены возникают в качестве контрмеры в отношении действия защитных систем против вирусной инфекции. Эти защитные системы делятся на две части: врожденный иммунитет и клеточно-автономный иммунитет – первую линию клеточной защиты против вирусов и адаптивный иммунный ответ организма хозяина. Кроме того, должна быть обеспечена способность управлять метаболизмом клетки-хозяина для возможности репликации и поддержания вирулентности. Эти совокупности генов должны быть доступными для осуществления репликации вирусной ДНК, а это может потребовать от клетки активации определенных регуляторных систем, которые в норме используются для репликации клеточной ДНК и деления клеток. По определению, эти функции должны полностью соответствовать структуре и функции клетки-хозяина. Структуры, отвечающие за репликацию и деление, являются главным полем битвы между вирусом и хозяином, и именно здесь наиболее сильно давление отбора, приводящее к адаптивным изменениям вируса.

Эволюция геномов всех царств жизни использует дупликацию генов. Это очень мощный механизм развития новых функций у уже имеющихся генов. К настоящему времени накоплено множество данных о том, что рекомбинации приводят к дупликации генетического материала у всех вирусов герпеса (Davison, 2002; McGeoch, Rixon, Davison, 2006). Преимущества, возникающие благодаря дупликации генов, очевидны: создается вторая, избыточная копия гена. Эта копия может претерпевать адаптивную эволюцию, так как нет необходимости консервативного сохранения прежней функциональности исходного гена, кодировавшего какой-либо важный белок. Оставшийся неизменным ген продолжает кодировать продукты, необходимые для поддержания жизнеспособности линии вируса. Захват гена – это второй способ приобретения новой адаптивной функциональности геномами вирусов герпеса. Это горизонтальный перенос генов, с которым мы познакомились при обсуждении фагов и их хозяев – микробных клеток. Вирусы герпеса захватывают гены из хромосом клетки хозяина и включают эти гены в собственный геном. Точный механизм генного захвата пока неясен, но фрагменты ДНК клеток хозяина должны соединиться с геномной ДНК вируса, чтобы создать геном, содержащий новую генетическую информацию. Этот новый генетический материал часто передает вирусу полезные фенотипические признаки. Этот ген больше не подвергается давлению, оказываемому естественным отбором на организм хозяина, но развивается независимо и может изменяться, чтобы лучше выполнять новые функции вследствие случайных мутаций и под давлением отбора, действующего на вирусный геном.

Из результатов исследования геномов герпетических вирусов становится совершенно очевидным, что ядерные гены, унаследованные от последнего общего предка семейства вирусов герпеса, имеют тенденцию к расположению в середине вирусной хромосомы. Дуплицированные и захваченные гены располагаются ближе к концам хромосомы. Таким образом, можно предположить, что рекомбинации между молекулами ДНК, будь то рекомбинации самой вирусной ДНК или включение фрагментов клеточной ДНК в вирусную хромосому, происходят без ненужного риска поражения центральной области генома. Естественно, рекомбинации происходят в случайном порядке по всему геному, но рекомбинации, затрагивающие область ядерных генов, приведут к нарушению жизнеспособности рекомбинантных вирусов и их исключению из популяции. Если бы ядерные гены были равномерно распределены по всему геному, то большая доля случайных рекомбинаций пришлась бы на ядерные гены. Таким образом, естественный отбор благоприятствовал вирусам, чьи ядерные гены были сконцентрированы в центральном участке генома. Гены, осуществляющие жизненно важные для вируса метаболические функции, были помещены в безопасное место. В предыдущих главах мы обсуждали ДНК-содержащие бактериофаги, которые абсолютно случайным образом «сканируют» и обменивают модули генетической информации в ходе своей эволюции. Ясно, что этот механизм продолжает играть существенную роль и в эволюции крупных вирусов, содержащих двойную спираль ДНК, что позволяет им наилучшим образом приспосабливаться к многоклеточным хозяевам, проникать в их клетки и овладевать их метаболизмом.

Если мы внимательно присмотримся к далекому эволюционному прошлому, то, возможно, сумеем распознать эпизоды захвата генов, который и стал источником происхождения ядерных генов, которые были уже представлены у самого позднего общего предка этих вирусов. Была выявлена схожесть между генами вируса герпеса и генами аденовируса, другого ДНК-содержащего вируса. ДНК-полимеразы крупных вирусов сохраняют структурное и функциональное сходство с одним из семейств ДНК-полимераз, кодируемых геномами клеток-хозяев. Таким образом, представляется весьма вероятным, что крупные ДНК-содержащие вирусы собрали свои репликационные механизмы, подбирая гены клетки-хозяина и адаптируя их к своим нуждам. Тем не менее это предположение все же остается спорным: в нашем распоряжении слишком мало данных, и остается формальная возможность, что гены полимераз эукариотических клеток были позаимствованы из вирусных геномов, а не наоборот (Shackleton, Holmes, 2004). Захваты генов преобладают в ходе эволюции вирусов герпеса. Эти крупные ДНК-содержащие вирусы являются подлинной амальгамой генетического материала. Новые функции вируса создаются после дупликации гена или его захвата из другой вирусной частицы или хромосомы клетки-хозяина, после чего новоприобретенный ген может быть приспособлен к нуждам вируса. Этот процесс очевиден в генах, которые теперь являются общими для всех вирусов герпеса, но впервые появились у их одного общего предка. Эти же процессы лежат в основе появления генов, уникальных в пределах одного вида герпетических вирусов, а следовательно, были приобретены после последнего видообразования линии, которое произошло в недавнем эволюционном прошлом.

Фермент 2’-дезоксиуридин-5’-трифосфат-пирофосфатаза обнаруживается у представителей всех трех царств жизни и является необходимым элементом гидролиза 2’-дезоксиуридинтрифосфата, в результате которого образуются молекулы-предшественники, необходимые для синтеза ДНК. Крупные ДНК-содержащие вирусы, все вирусы герпеса (а также поксвирусы) располагают одним или более аналогом этого фермента в своем геноме (Baldo, McClure, 1999; McGeoch, 1990). Они захватили эти гены из хромосом клеток-хозяев; более чем вероятно, что такие события захвата происходили на протяжении эволюции неоднократно. Примечательно, что некоторые вирусы герпеса располагают единственной копией этого гена, весьма схожей с клеточным геном; в лабораторных экспериментах было установлено, что этот ген играет важную роль в поддержании вирулентности, необходимой для успешного инфицирования животных. У других вирусов есть дубликаты этого гена, и дополнительные копии значительно изменены или, наоборот, более точно подогнаны для осуществления исходной функции. Исследование их аминокислотных последовательностей выявило, что они уже не обладают протеиновой структурой, необходимой для осуществления гидролиза дезоксиуридинтрифосфата. Представляется, что это примеры эволюции новых функций de novo в генах, захваченных из хромосом клеток-хозяев. В результате удивительного хода событий некоторые вирусы герпеса обладают множественными аналогами гена клеточной дезоксиуридинтрифосфатазы, но ни один из этих аналогов не имеет исходный ферментативный функций. Это родственные дезоксиуридинфосфатазы из обширного семейства генов многочисленного отряда герпетических вирусов. Один только цитомегаловирус располагает четырьмя такими родственными генами, которые обладают независимыми и разными, хотя и не вполне понятными функциями. В ходе анализа было выявлено, что сходство этих генов заключается в консервативности тех участков гена дезоксиуридинтрифосфатазы, которые отвечают за трехмерную конфигурацию белка (Davison, Stow, 2005). Авторы полагают, что вирусы герпеса позаимствовали кодирующие белок последовательности, которые в наибольшей степени поддаются изменениям, способствующим появлению новых функций, и использовали эти гены в своих целях путем дупликации и нового использования для создания совершенно нового генного вирусного продукта.

Цитомегаловирус – это человеческий герпетический вирус, располагающий самым крупным набором дополнительных генов: этот вирус со всей полнотой использует преимущества каждого из этих способов эволюции для приобретения адаптивных функций, позволяющих выгодно управлять работой клеток и систем организма-хозяина. Большую часть продуктов этих вирусных генов представляют белки, которые модулируют иммунный ответ хозяина и позволяют вирусу избегать подавления репликации и удаления из организма как при острой, так и при хронической вирусной инфекции. Цитомегаловирус широко распространен в большинстве человеческих популяций и заражает нас после острого первичного инфицирования. Он никогда не удаляется из организма, несмотря на весьма активный пожизненный иммунитет. Другие гены цитомегаловируса управляют его патогенностью; например, во время активного инфицирования пораженная клетка секретирует вирусный белок, генетически гомологичный человеческому хемокину. Этот белок связывается с хемокиновыми рецепторами, чем опосредуется приток нейтрофилов к месту воспаления (Penhold et al., 1999). Было показано, что инфицирование нейтрофилов является центральным звеном патогенеза цитомегаловирусной инфекции; это весьма изящный механизм привлечения восприимчивых клеток к продуцирующим вирус клеткам, что ускоряет диссеминацию вируса по организму хозяина. Эту стратегию то и дело обнаруживают при исследовании патогенеза инфекционных болезней, в особенности тех, которые поражают иммунокомпетентные клетки. Эти клетки в изобилии привлекаются к месту поражения и могут затем использоваться как переносчики при амплификации и для распространения вируса или иного инфекционного агента из одних тканей хозяина в другие.

Дополнительные части генома, привлекающие наибольшее внимание ученых, – это гены, приобретенные и модифицированные для смягчения иммунной реакции организма-хозяина и затруднения распознавания и удаления вирусных частиц иммунокомпетентными клетками. Цитомегаловирус снабжен целым арсеналом таких генов, которые также могут обнаруживаться в геномах и других герпетических вирусов, как и прочих крупных ДНК-содержащих вирусов. Эти гены, происходящие из хромосом клеток-хозяев в результате генного захвата различными генетическими линиями вирусов, говорят об общем пути эволюционного развития вирусов герпеса. Как часть присвоенных вирусных геномов, они затем развиваются, обеспечивая адаптивность и успешность репликации вирусных частиц, так как приспосабливаются к нуждам каждого конкретного вируса. В арсенале белков, помогающих цитомегаловирусам избегать воздействия со стороны иммунной системы хозяина, присутствуют белки, подавляющие способность вирусных частиц экспрессировать антигены на их поверхности. Происходит также рекрутирование цитокинов хозяина, которые в норме подавляют иммунную активность в ответ на вирусную инфекцию. Таковым, например, является интерлейкин-10, примечательный, в частности, тем, что его ген был присвоен несколькими вирусами герпеса (и по крайней мере одним поксвирусом) в ходе отдельных, независимых друг от друга эволюционных событий. Эволюция вирусных аналогов протекает независимо в их геномах так, что они сохраняют различные наборы функций, осуществляемых нормальными продуктами человеческих генов (Spencer et al., 2002).

Белки главного комплекса гистосовместимости класса I, экспрессируемые на поверхности клеток организма-хозяина, отвечают за активацию цитотоксических T-клеток, оповещая их о том, что какая-то клетка продуцирует чужеродные антигены а следовательно, должна быть атакована и уничтожена. Подавление экспрессии белков главного комплекса гистосовместимости класса I и его сигнальной функции осуществляется по меньшей мере двумя генами цитомегаловируса. Их функцию можно скорее уподобить маскировке инфицированных клеток, нежели бомбардировщику-невидимке, который уничтожает сам радар. Такое подавление распознающей активности главного комплекса гистосовместимости постоянно обнаруживают как функцию многих вирусов, и это подавление является одним из основных признаков, присущих инфицированным клеткам. В самом деле, иммунная система хозяина распознает комплексы гистосовместимости как таковые, а клетки, лишенные белков главного комплекса гистосовместимости, распознаются и становятся мишенями для клеток – естественных киллеров. Цитомегаловирус, однако, является подлинным виртуозом этого жанра – иммунного обмана. Мало того, цитомегаловирус сделал еще один шаг вперед в этом искусстве; он не только подавляет экспрессию главного комплекса гистосовместимости (эту стратегию хозяин способен обнаружить), он также заставляет клетку экспрессировать на своей поверхности нефункциональный гомолог комплекса гистосовместимости. Эта тактика позволяет обмануть естественные киллеры; они принимают этот комплекс за настоящий, и инфицированная клетка остается нетронутой.

Тенденция усваивать гены клеток-хозяев и кроить их в соответствии со своими нуждами наблюдается у всех представителей семейства вирусов герпеса и крупных ДНК-содержащих вирусов, но цитомегаловирус является в этом отношении эталоном. Его геном содержит пятнадцать семейств генов, каждое из которых возникло благодаря дупликации генов и представлено 2–14 копиями. Это создало возможность диверсификации функций генов в параллельно возникших копиях исходного гена. Эти дупликации чаще всего вовлекают гены, захваченные в хромосомах хозяина, а подавляющее большинство их кодируют белки, позволяющие избегать воздействия иммунной системы хозяина. Эти функции обеспечивают успешную острую инфекцию, а затем поддерживают устойчивое существование вируса в клетках, несмотря на иммунологическую защиту хозяина. Представляется, что, несмотря на гораздо меньшую частоту мутаций, чем у РНК-содержащих вирусов, эти крупные ДНК-содержащие вирусы выказывают незаурядную эволюционную живость и склонность к инновациям.

Действительно, адаптивные изменения в РНК-содержащих вирусах поддерживаются высокой частотой мутаций (на фоне быстрых циклов репликации и при достаточно большой численности популяции хозяев), но вирусы, содержащие двойную спираль ДНК, выбирают иную тактику. Как мы уже видели, они пользуются многими другими механизмами для осуществления эволюционных изменений, необходимых для ведения беспощадной гонки вооружений со своими хозяевами. При этом вирусы пользуются преимуществами, находящимися в их распоряжении; в отличие от РНК-содержащих вирусов они содержат в своих геномах большое число генов. В то время как РНК-содержащие вирусы с высокой скоростью мутируют на нуклеотидном уровне, крупные вирусы бегут, стоя на месте, пользуясь выражением Черной Королевы; вирусы герпеса склонны к ошибкам при поддержании цельности своего геномного хозяйства. Это допускает осуществление неупорядоченных дупликаций и обменов генетическим материалом с хромосомами клеток-хозяев. В самом деле, если снова прибегнуть к аналогии Черной Королевы, они большую часть времени идут, но иногда совершают гигантские скачки, позволяющие им хотя бы на один шаг опередить в гонке организм хозяина. Такие события могут происходить относительно редко или часто; предсказать это точно невозможно, так как мы являемся свидетелями только тех событий, что происходили с предками современных линий вирусов герпеса. Более того, в геномах линий отражены только успешные генетические изменения. В любом случае эти рекомбинации обеспечивают вирусы герпеса основой для выраженной генетической вариабельности, которая может быть затем окончательно отрегулирована дальнейшими мутационными изменениями. Все эти механизмы вместе обеспечивают высокоточную адаптивную эволюцию, которая отчетливо видна во взаимоотношениях вирусов герпеса и их сегодняшних природных хозяев.

Эволюция поксвирусов

Poxviridae, или поксвирусы, являются представителями группы крупных ядерно-цитоплазматических ДНК-содержащих вирусов, которые все вместе образуют порядок Megavirides (Colson et al., 2013). В этот порядок входят вирусы семейств Poxviridae, Asfaviridae, Iridiviridae, Ascoviridae, Phycodnaviridae, Mimiviridae и Marseilleviridae. Подобно вирусам герпеса, поксвирусы обладают большими геномами, многие из которых достигают длины 360 тысяч пар оснований. Соответственно, сложны и их комплементарные гены. С вирусами герпеса поксвирусы сближает и то, что все члены этого семейства тоже обладают набором ядерных генов, самым низшим общим генетическим знаменателем поксвирусов, сохраненным в аминокислотных последовательностях, унаследованным от самого недавнего общего предка. Общим с вирусами герпеса является также и то, что этот набор генов занимает центральное положение в вирусной хромосоме, а гены, расположенные ближе к концам хромосомы, сообщают вирусу дополнительную функциональность. Эти дополнительные варианты моделей поксвирусов облегчают освоение новых способов существования. Эти дополнительные гены образуются также за счет дупликации и эволюционной дивергенции или были захвачены из геномов клеток хозяина либо из геномов других вирусов. Так же как у вирусов герпеса, периферические участки их больших геномов являются менее консервативными и в большей степени толерантными к геномным экспериментам. В большинстве случаев эти дополнительные функции обеспечивают избегание вирусами антивирусного и иммунного ответа хозяина. Некоторые дополнительные гены, называемые «генами круга хозяев» или host range genes, адаптируют вирус так, чтобы он успешно реплицировался в клетках определенных хозяев (Hughes, Friedman, 2005; McFadden, 2005).

Как уже было сказано выше, за несколькими исключениями (одним из них, несомненно, является HSV-2, второй вирус простого герпеса, который передается между разными биологическими видами) линии вирусов герпеса остаются верными своему единственному природному хозяину. Каждый из них эволюционировал со своим конкретным хозяином и его предками в течение миллионов лет. Это утверждение подкрепляется абсолютной конгруэнтностью филогенетических деревьев, которые мы составляем для того, чтобы проиллюстрировать эволюцию позвоночных, и деревьев, которые мы выводим из генетического родства современных вирусов герпеса. Поксвирусы, в отличие от вирусов герпеса, не эволюционировали со своими хозяевами в течение миллионов лет; их эволюционные деревья не отражают филогению их хозяев. В своих вкусах и склонностях в отношении выбора хозяев поксвирусы отличаются большей универсальностью; действительно, многие поксвирусы инфицируют животных более чем одного биологического вида, и эту способность можно приписать присутствию в их геномах множества дополнительных host range genes. Вместо того чтобы эволюционировать с одним хозяином и следовать за его дивергенцией, поксвирусы перемещаются между разными видами, и эти перемещения проявляются заболеваниями все новых и новых хозяев. Такая эволюционная живость напоминает живость РНК-содержащих вирусов, например вирусов гриппа или кори, которые на протяжении своей эволюции вторгались в хозяев разных биологических видов. Поксвирусы, так же как вирусы гриппа и кори, вызывают острые инфекции, которые либо ликвидируются иммунной системой хозяина, либо приводят к его смерти. Как таковые и подобно другим эпидемическим вирусам, они в своем распространении опираются на постоянно присутствующую доступность новых жертв для поддержания собственной популяции и эндемичности (Black, 1975). Эти вирусы смогли стать эндемичными для людей после того, как плотность населения в человеческих популяциях стала достаточной для этого. В этом отношении поксвирусы фундаментально отличаются от вирусов герпеса по способу существования и по способу эволюции.

Вирусы герпеса и поксвирусы могут позволить себе роскошь относительно неограниченных размеров генома и могут беспорядочно захватывать новый, хотя и уже существующий генетический материал с помощью горизонтального переноса, но только поксвирусы пользуются этой способностью для расширения диапазона своих хозяев. Расширенный диапазон хозяев представляет собой конкурентное преимущество для вирусной линии, потому что увеличивает пул восприимчивых организмов, в которых может размножаться вирус. Гены обновления диапазона хозяев придают вирусу повышенную эволюционную живость в сравнении с другими вирусами, содержащими двухцепочечную ДНК, позволяя им распространяться в организмах новых биологических видов. Вместо быстроты циклов репликации, большой численности популяции и ненадежности репликационного механизма – инструментария, используемого РНК-содержащими вирусами для расширения круга хозяев, – поксвирусы пользуются иными эволюционными средствами для того, чтобы поддержать быстрый темп эволюции и способность переходить от одних хозяев к другим.

Стоит отметить, что эволюционные механизмы, используемые всеми вирусами, содержащими двухцепочечную ДНК, схожи между собой, но эволюционный успех вирусов герпеса измеряется не так, как успех поксвирусов. Вирусы герпеса сохраняются в организме хозяина после периода острой инфекции для того, чтобы расширить временное окно, в течение которого они могут продолжить репликацию и передачу новым хозяевам. Для этих вирусов выигрышная стратегия заключается в прочном союзе с хозяином, что позволяет распространять вирусную генетическую информацию. Вирусы герпеса свели к минимуму необходимость быстрых эволюционных изменений путем длительной совместной эволюции с хозяевами. Поксвирусам нужны острые, протекающие с яркой симптоматикой инфекции, чтобы поддерживать эпидемическое распространение в популяции, и для этого успешные линии расширяют диапазон своих хозяев и переключаются на новых хозяев. Поксвирусы несутся по эволюции, как по скоростному шоссе. Они должны сохранять эволюционную живость и обладать способностью к быстрым генетическим инновациям. Эти качества им жизненно необходимы для того, чтобы конкурировать с эволюционно развивающимися хозяевами и успешно перемещаться между биологическими видами своих жертв. Как мы видели, такой modus operandi больше характерен для РНК-содержащих вирусов.

Фокусы поксвируса

Самым важным полем битвы вируса с хозяином является то место, где защитные механизмы хозяина сталкиваются с вирусными механизмами избегания иммунного ответа. Этот интерфейс часто проявляется чисто физическими взаимодействиями между вирусными белками и белками клеточными, взаимодействиями, находящимися под сильным давлением естественного отбора. Это очевидно при положительном давлении естественного отбора на вирусные гены, как, например, иммунологическое давление на экспрессию эпитопов ГА вирусов гриппа, а также на гены клеток-хозяев. В этом состязании клеточные гены, отвечающие за подавление вирусной инфекции, и соответствующие вирусные гены, управляющие избеганием иммунного ответа, стремятся взять верх. Исследование конфликта Черной Королевы, стимулирующего генетическое обновление и адаптивную эволюцию вирусов и хозяев, дает специалистам по эволюционной биологии прекрасную возможность наблюдать эволюционную гонку вооружений между хозяевами и патогенами. Никакие вирусы не подходят лучше для научного исследования в этой сфере эволюции, чем поксвирусы. Они захватили и нужным образом развили наборы дополнительных генов, играющих роль во взаимодействии вируса с хозяином. Многие поксвирусы менее привередливы в своем выборе хозяина и проявляют изумительную способность инфицировать клетки организмов множества биологических видов. Каждый из этих видов представляет свой особый интерфейс для вируса, и, таким образом, каждая новая встреча является вызовом для инфицирующих клетки поксвирусов. Более того, исследование филогенетики поксвирусов приводит нас к относительно однозначному выводу о том, что они пересекли межвидовые барьеры и быстро адаптировались, приобретя способность эффективно вызывать заболевания у новых хозяев. Для эволюционного биолога эти выводы представляют собой настоящую головоломку. Их можно легко совместить с РНК-содержащими вирусами, которые существуют в форме квазивидов, реплицируются с высокой скоростью и частотой, рискуя катастрофой ошибок. Однако в отношении поксвирусов не вполне ясно, каким образом они могут достигать необходимой скорости эволюционной адаптации для того, чтобы выиграть гонку вооружений с хозяевами, а при необходимости применять у разных хозяев разное оружие.

Один из ведущих специалистов в этой области научных исследований – Хармит Малик, чья лаборатория находится в Сиэтле в Научном противораковом центре Фреда Хатчинсона. Большая часть его исследований посвящена изучению эволюционных конфликтов, включая конфликты между вирусными геномами и геномами клеток-хозяев, признаками которых является быстрая модификация генов в результате действия положительного отбора. Исследования такого рода могут пролить свет на существование древних и ныне исчезнувших вирусов, оставивших свои отпечатки в эволюции последовательностей нуклеотидов в геноме хозяев. Выше мы уже обсуждали, как можно отследить положительный отбор вирусных генов на основании изучения их кодирующих последовательностей. В 2012 году доктор Малик и его коллеги описали новый, неизвестный ранее механизм, используемый поксвирусами для успешного ведения войны с геномами клеток-хозяев (Elde et al., 2012). Многое из того, что нам известно об эволюции вирусов под действием положительного отбора, было выяснено в лабораторных экспериментах, проведенных с вирусами, которые лучше всего подходили для этой цели. Это вирусы, которые быстро реплицируются в культурах, создают многочисленные популяции и отличаются высокой частотой мутаций. Эти условия идеальны для поддержания генетического разнообразия, которое служит основой для любого естественного отбора. Вирусы, отвечающие этим критериям, подходят для изучения естественного отбора вирусов и эволюции в режиме реального времени в лабораторных условиях при заданном давлении отбора. Сюда входит способность вируса развивать резистентность в отношении противовирусных лекарств и способность адаптироваться к репликации в условиях клеток новых хозяев. Такие эволюционные эксперименты помогают испытать способность вирусов адаптироваться к изменениям окружающей среды. В одном случае новая окружающая среда содержит молекулу лекарства, подавляющего репликацию вируса. В другом случае изменение касается самой клетки-хозяина, располагающей новыми механизмами противовирусной защиты, которую вирус должен обойти, чтобы успешно реплицироваться. Эти феномены могут быть отражением гонки вооружений между вирусом и хозяином, которая усиливается по мере эволюционных изменений в организмах-хозяевах; это также может быть отражением нового давления отбора, которое начинает действовать на вирус, когда он вторгается в клетки организмов нового биологического вида. На эти вопросы, касающиеся поксвирусов, ответов не было, и Малик со своими коллегами попытался выявить систему, в которой можно было бы воспроизвести эволюционный ответ поксвирусов на изменение давления отбора, оказываемого клеткой-хозяином.

Для того чтобы описать этот эксперимент на языке, понятном читателю, я предпошлю описанию краткое введение. Вирус, который был выбран лабораторией Малика для изучения этого феномена, называется вирус вакциния. Этот вид ортопоксвируса, широко используемый в лабораториях и являющийся близким родственником вируса обезьяньей и коровьей оспы (последним заражались скотницы, и этот вирус был использован Дженнером для приготовления первой противооспенной вакцины), обладает двумя особыми генными продуктами, E3L и K3L, роль которых заключается в противостоянии антивирусной защите клетки-хозяина. Вирус вакциния может заражать клетки множества разных биологических видов, и некоторое время назад стало известно, что эти два генных продукта влияют на диапазон различных хозяев вируса (Langland, Jacobs, 2002). Стоит заметить, что для эффективного инфицирования человеческих клеток вирусу необходим E3L; напротив, K3L требуется для репликации в клетках хомячков. Каждый из этих генных продуктов нейтрализует ключевой компонент клеточной антивирусной защиты. Этот компонент представляет собой протеинкиназу R – часто встречающийся побочный продукт многих вирусных инфекций, включая инфекции, вызываемые поксвирусами. Двойная цепь РНК непосредственно активирует эту протеинкиназу, что приводит в действие каскад, замыкающий синтез белка в инфицированной клетке, а это приводит к подавлению репликации вируса и гибели клетки. E3L и K3L обычно блокируют этот антивирусный ответ. Однако протеинкиназы R разных видов животных (например, человека и хомячка) отличаются друг от друга, как отличаются E3L и K3L своей способностью к нейтрализации активности протеинкиназы. Группа Малика рассудила, что если создать вирус вакцинию, лишенный гена E3L, и инфицировать клетки человека, то удастся эффективно воссоздать генетический конфликт, имитирующий генетический конфликт, возникающий при межвидовом заражении клеток человека поксвирусом хомячка. Остающийся ген поксвируса K3L не слишком эффективно нейтрализует протеинкиназу R человека, и новый E3L-негативный вирус будет очень слабо реплицироваться в клетках человека. Эксперимент был задуман для того, чтобы «попросить» вирус изменить свою структуру так, чтобы начать интенсивно реплицироваться в клетках человека; вирусу оставили выбор – размножаться или погибнуть!

Ученые пассировали вирусы в клеточной культуре в рамках обычной вирусологической методики, включающей рост вируса в культуре клеток хозяина, после чего собирали дочерние вирусы и инокулировали их в новую культуру клеток. Этот подход особенно полезен для выявления эволюционных изменений, происходящих в вирусной популяции по ходу адаптации вируса к новым культуральным условиям. Результат, однако, оказался неожиданным. Так же как в любом добросовестном эксперименте, были проведены контрольные опыты, но во всех были получены одинаковые результаты. После нескольких пассажей вирус адаптировался к человеческим клеткам и стал расти более энергично. Тщательный анализ вирусной популяции позволил показать, что в каждом из трех независимых экспериментов произошла амплификация в локусе гена K3L; вирусы получили от двух до пятнадцати копий гена. Более того, в двух из трех экспериментов некоторые вирусы также стали обладателями копий гена K3L, содержащих одну и ту же уникальную замещающую мутацию с заменой единственной аминокислоты. Вирусы с амплификацией последовательностей гена K3L и вирусы с единственной копией мутировавшего гена K3L демонстрировали повышение репликационной активности в инфицированных клетках человека. В этих экспериментах поксвирус использовал два различных механизма для преодоления антивирусного ответа клетки-хозяина. Поразительно, но эти результаты подтвердили идею о том, что дупликация гена K3L обычно предшествует приобретению адаптивного мутационного изменения. Амплификация гена эффективно повышала вероятность приобретения мутационных изменений в гене K3L. Частота возникновения мутаций в каком-либо фрагменте ДНК обычно прямо пропорциональна его длине. Отсюда следует, что вирус с десятью копиями гена K3L будет подвержен мутациям в десять раз чаще, чем одна копия гена. Далее, избыток нуклеотидных последовательностей обеспечивает страховку от негативных последствий вредных мутаций, которые могут преобладать в случае единственной копии интересующего нас гена. Группа Малика пришла к выводу, что амплификация генома ускоряет приобретение адаптивных изменений вирусом вакцинией. Возможно, что это обычный механизм, используемый поксвирусами, что позволяет им обойти ограничения, накладываемые низкой частотой мутаций. Таким способом поксвирусы могут облегчать эволюционную адаптацию в условиях давления отбора быстрее, чем мы могли предполагать. Насколько развит этот механизм? Обладает ли репликационный механизм поксвируса свойством порождать умножение генетического материала, или это просто следствие событий рекомбинации, происходящих при репликации генома поксвируса? На мой взгляд, этот феномен надо поместить в ту же категорию, что и склонность к ошибкам при работе РНК-полимеразы вируса полиомиелита, эволюция которого в направлении большей надежности тормозится силами естественного отбора. Эти наблюдения вдохновляюще действуют на мыслителей-эволюционистов, так как они представляют собой новый элемент мозаики, которая может показать, как именно эти крупные ДНК-содержащие вирусы столь быстро адаптируются к новым хозяевам и не проигрывают вечную гонку вооружений. Малик назвал расширение генома, которое наблюдали он и его коллеги, «геномным аккордеоном» по аналогии с растягиванием и сжатием мехов этого музыкального инструмента. В данном случае авторы, вероятно, имели в виду музыку эволюции.

Примечательно, что одна из главных движущих сил эволюции вируса герпеса – приобретение дополнительных генов и их модификация – действует и на поксвирусы. Геномы этого семейства крупных ДНК-содержащих вирусов напоминают модульную геномную мозаику, составленную из ядерных генов, переданных последним общим предком, дополненных различными присоединенными генами, определяющими новые аспекты функциональности. Почему это представляется странным? Потому что поксвирусы, хотя они и являются крупными вирусами, содержащими двухцепочечную ДНК, подобно вирусам герпеса, полностью завершают свою репликацию в цитоплазме клеток хозяина. С другой стороны, вирусы герпеса завершают свою репликацию в ядре, в непосредственной близости от ДНК клетки-хозяина. Интуитивно легче представить себе ситуацию, в которой случайные рекомбинационные события (в ходе которых две молекулы ДНК сходятся для того, чтобы создать новый непрерывный фрагмент ДНК) могут происходить между нитями ДНК клеточного генома хозяина и нитями ДНК реплицируемых геномов вирусов герпеса. Не вполне очевидно, каким образом вирус, жизненный цикл которого ограничен цитоплазмой, может вообще захватывать ядерный генетический материал. Больше того, представляется, что это происходит с завидной регулярностью, по крайней мере в том временном масштабе, в котором может развертываться адаптивная эволюция поксвирусов. Тем не менее есть подсказки, позволяющие ответить на этот вопрос: ни один из генов поксвирусов, захваченных из генома клетки-хозяина, не содержит интроны, последовательности ДНК, удаляемые в ходе сплайсинга первичного РНК-транскрипта. Гены поксвирусов похожи на матричную РНК, а не на гены. Это позволяет предположить, что место их происхождения находится на цитоплазматической мРНК, которая под действием обратной транскриптазы транскрибируется в двухцепочечную ДНК. Эти фрагменты ДНК затем становятся доступными рекомбинации с ДНК генома поксвируса. Это событие, вероятно, не является таким редким, как думали раньше; в клетках человека существует достаточное количество предназначенных для этой цели ферментов. Я вернусь к этой концепции в главе 14, где мы попробуем разобраться в том, насколько важны вирусы для эволюции наших собственных геномов.

Эволюция мелких ДНК-содержащих вирусов

Вирусы герпеса и поксвирусы, принадлежащие к семействам ДНК-содержащих вирусов, обязаны своим эволюционным успехом гибкости генома, его размерам и составу. Помимо замечательной способности захватывать генетический материал хозяина для удовлетворения своих эволюционных нужд, эти замечательные адаптивные способности делают их чрезвычайно успешными генетическими паразитами. Они освоили в качестве хозяев клетки живых существ самых разных видов, где они занимают множество разнообразных экологических ниш, к каждой из которых они прекрасно приспосабливают стиль своего существования. Мелкие ДНК-содержащие вирусы тоже добились впечатляющих эволюционных успехов, хотя и своим оригинальным способом, сильно отличающимся от описанного выше. Папилломавирусы, полиомавирусы, анелловирусы, цирковирусы и парвовирусы – все это примеры ДНК-содержащих вирусов с относительно малыми геномами. Кодируя свои весьма немногочисленные гены, они пользуются своими генетическими возможностями с экономностью РНК-содержащих вирусов. Последовательности, кодирующие их белки, всегда упакованы плотно, очень близко друг к другу, настолько ценен каждый участок ДНК. Гены часто перекрываются; одни и те же последовательности ДНК используются для кодирования более чем одного генного продукта. Эволюция ограничила размер их генома размерами их крошечного нуклеокапсида (Chirico, Valliani, Belshaw, 2010). Физическое строение вирусной частицы является фундаментальным конструктивным элементом вируса, который можно уподобить шасси автомобиля. Перестроить это шасси невозможно, его можно только создать заново с чистого листа, эта роскошь доступна только производителям автомобилей, но эволюция вирусов не пошла таким путем. Несмотря на все ограничения, те вирусные линии, которые возобладали в ходе эволюции, являются эффективными паразитами, вызывающими тяжелые инфекционные поражения у представителей разных биологических видов, включая людей.

У большинства из нас в организме постоянно присутствуют один или больше этих вирусов, причем с самого юного возраста. Обычно эти мелкие вирусы вызывают малозаметные инфекции или относительно доброкачественные заболевания. Обычно эти вирусы вызывают обширные и затяжные инфекции. Для репликации генов и экспрессии белков эти вирусы практически полностью полагаются на клеточные механизмы репликации и трансляции. По мере чтения вы заметите, что не существует единого типа эволюции, которого бы придерживались все мелкие ДНК-содержащие вирусы. Сначала мы обратим внимание на папилломавирусы и полиомавирусы, а затем займемся парвовирусом, вирусом, содержащим одноцепочечную ДНК, который процветает, несмотря на то что отличается особым способом существования. Папилломавирус и полиомавирус имеют в своем генетическом арсенале мелкие кольцевидные геномы, состоящие из двухцепочечной ДНК и кодирующие менее чем 10 генов, а также сигналы, управляющие транскрипцией, и точку инициации репликации ДНК. Этот геном упакован в простую икосаэдрическую вирусную частицу, состоящую из двух структурных белков. Весьма ограниченный набор генов, которые они могут кодировать, требует опоры на клетку-хозяина для осуществления репликативной функции. Эти вирусы не кодируют аппарат репликации своей собственной ДНК, а просто кодируют два белка, используя для этого ДНК-полимеразы клетки и сопутствующие факторы из вирусной хромосомы. В строении этих вирусов преобладает минимализм и высокая специфичность в отношении выбора хозяина, при почти полном отсутствии адаптивных, неядерных генов, способных манипулировать внутриклеточной окружающей средой (DeCaprio, Garcea, 2013; Krumbholz et al., 2009; Van Doorslaer, 2013).

Полиомавирусы вызывают стойкую бессимптомную пожизненную инфекцию у своих хозяев; инфекции, вызванные папилломавирусом человека, подавляются иммунной системой, но в зависимости от возраста и состояния иммунитета они могут длительно протекать в виде продуктивного субклинического заболевания. Подобно риновирусам, вирус папилломы человека существует в виде множества подтипов, и реинфекции родственными, но различными генотипами вируса встречаются весьма часто. Эти свойства поддерживают высокую заболеваемость и обеспечивают надежную передачу вирусов от хозяина к хозяину.

Возьмем для примера вирус JC, впервые описанный в 1971 году. Этим вирусом инфицированы от 70 до 90 % населения Земли. Вирус поражает клетки почечных канальцев, и 80 % из нас до конца своих дней выделяют в окружающую среду вирус с мочой. Успех этих вирусов коренится в их способности удерживаться в организме больного, совершая сменяющие друг друга циклы репликации. Эти вирусы сохраняют способность удерживаться в организме и одновременно реплицироваться перед лицом нашего иммунного ответа. Этим обеспечивается непрерывность цепи передачи вируса от индивида к индивиду. Персистирующий вирус часто передается от родителей детям в течение длительного сосуществования. Более того, число генетических вариантов, возникающих при репликации вирусных частиц, находится в прямо пропорциональной зависимости от числа синтезированных геномных реплик. Это, несомненно, преимущество для эволюционной адаптации, так как эти варианты непрерывно тестируются и проверяются на пригодность давлением естественного отбора. Эта быстрая смена поколений способствует быстрому темпу эволюции, характерному для полиомавируса JC в сравнении с папилломавирусами (Shackelton et al., 2006; Loy et al., 2012).

Можно предположить, что частота мутаций у этих вирусов, а следовательно, генетическое пространство, которое они могут опробовать в ходе эволюции, будет ограничено высокой надежностью репликационных механизмов соматической клетки. В принципе, скорость их эволюции легко может превысить скорость эволюции хозяина, так как у них относительно короткое время существования поколения. Следовательно, они постоянно создают копии своего генома и выбрасывают во внешнюю среду свои частицы в течение длительных периодов времени, пока существуют в организме единственного хозяина. Это таит в себе возможность создавать генетические варианты, порождая крупные популяции дочерних вирусных частиц. Тем не мене не следует недооценивать вызовы, брошенные эволюцией вирусам, адаптированным к единственному хозяину. Вирусы герпеса могут дополнять свои геномы обширным и разнообразным генетическим материалом, содержащим сотни генов. Но мелкие ДНК-содержащие вирусы должны завершать репликацию в клетке-хозяине, используя по большей части весьма ограниченный набор «адаптивных» генных функций.

В этой связи мы рассмотрим вирус папилломы человека, в геноме которого закодированы три гена – Е5, Е6 и Е7, которые можно считать адаптивными. Представители этого семейства вирусов выработали исключительно сбалансированные отношения со своими хозяевами, инфицируя дифференцирующийся чешуйчатый эпителий, где они пребывают в покоящемся состоянии, в клетках базального слоя, где они находятся вне поля зрения иммунной системы (Stanley, 2010). Вирус получает преимущества, пользуясь программой дифференцировки чешуйчатых эпителиальных клеток для собственной репликации и продукции инфекционных вирусных частиц, которые распространяются, отшелушиваясь вместе с отмершими клетками с поверхности эпителия (Doorbar et al., 2012). В разных видах вируса папилломы эти гены и кодируемые ими белки присутствуют в разных формах и обладают несколько различающимися свойствами, но во всех случаях их функция заключается в подготовке дифференцирующейся клетки к поддержке репликации вирусной ДНК, отключении врожденных механизмов клеточной смерти и модуляции врожденных антивирусных ответов, что позволяет вирусу избегать неприятностей иммунного надзора. Каждый из этих замечательно компактных белков обладает множеством функций, притом что не страдает основная функция репликации генетического материала этих мелких геномов. Оставшиеся гены вируса папилломы человека отвечают только за репликацию генома и образование вирусных частиц. Относительно доброкачественное течение инфекции, вызванной вирусом папилломы, исключительная привязка вируса к дифференцирующимся эпителиальным клеткам и строгая видовая специфичность говорят о длительной истории совместной эволюции с хозяином. Нас инфицируют представители трех родов вируса папилломы, каждый из которых можно обнаружить у разных приматов, а это указывает на то, что вирусы папилломы подверглись дивергенции задолго до дивергенции наших предков-приматов, заняв, вероятно, разные ниши в пределах организма одного хозяина. Кроме приматов, папилломавирусы обнаруживаются у птиц, черепах и многих млекопитающих. Шах и его коллеги (2010) подсчитали, что если совместное видообразование было единственным способом эволюции вируса папилломы, то их филогенез должен согласовываться с эволюцией этих хозяев на протяжении более трехсот миллионов лет. Тем не менее очевидны многочисленные несоответствия эволюции вирусов эволюции хозяев, и, действительно, у некоторых вирусных генов при независимом анализе выявляют иную по сравнению с другими генами того же вируса филогенетическую историю. Эти данные подкрепляют предположение о том, что рекомбинация между геномами вируса папилломы и дивергенция этих вирусов создавали новые разновидности вирусов в организмах одних и тех же хозяев. Этот источник генетических инноваций мог создать новые виды вируса, снабженные механизмами для проникновения в разные экологические ниши одного организма. Эти процессы, возможно, сыграли значительную роль в эволюции линий вируса папилломы, которые мы сегодня изучаем. Тем не менее совместное видообразование (коспециация) представляет собой важный механизм эволюции вируса папилломы, а зоонозная передача папилломавирусов между разными биологическими видами встречается исключительно редко (если вообще встречается). Учитывая низкий темп эволюции, можно предположить, что межвидовая передача стала тем эволюционным барьером, преодолеть который эти вирусы так и не смогли.

Представляется вполне вероятным, что механизм эволюции полиомавирусов очень похож на таковой вируса папилломы. Очень хочется думать, что все мелкие ДНК-содержащие вирусы, которые реплицируются с использованием аппарата репликации человеческой ДНК, будут отличаться сходной скоростью эволюции. Однако это не так. Парвовирус (parvus означает по-латински «малый») значительно отличается от рассмотренных выше консервативных в эволюционном плане вирусов, как способом существования, так и способностью к эволюционным изменениям. Это крошечный вирус, геном которого содержит всего пять тысяч пар оснований. Геном парвовируса не кодирует никаких адаптивных функций в отличие от вируса папилломы: парвовирусы – абсолютные и законченные минималисты. Парвовирусы кодируют всего только один белок, который помогает овладеть клеточными механизмами репликации ДНК, и два структурных белка, которые осуществляют сборку вирусного капсида. После проникновения в клетку парвовирус должен пассивно дожидаться вступления клетки в фазу деления, чтобы начать реплицировать свой вирусный геном. Наиболее знакомый нам всем парвовирус – это человеческий эритровирус B19. Он широко распространен в человеческой популяции, а вызываемая им инфекция получила почетное наименование пятой детской болезни. Моя мама называла ее “the slaps” из-за розовой кружевной сыпи, которая часто появляется на щечках заболевших младенцев. Это преходящая, легко протекающая инфекция, передающаяся воздушно-капельным путем. Эту болезнь почти половина всех детей переносят до достижения подросткового возраста.

Я заболел ею, будучи уже взрослым, и у меня болезнь вызвала артропатию, которая часто возникает в такой ситуации; иммунные комплексы накапливаются в суставах, что приводит к их отеку и хромоте, которые могут продолжаться довольно длительное время. Этот вирус, действительно, сильно отличается от вирусов папилломы и полиомавирусов. Он не вызывает устойчивой хронической инфекции, придерживаясь тактики «бей и беги», напоминая такие эпидемические вирусы, как вирусы гриппа, кори или простуды, и оставляя после заболевания стойкий пожизненный иммунитет. Другим отличием от прочих мелких ДНК-содержащих вирусов является скорость его эволюции. Вызывает удивление, что последовательность нуклеотидов в геноме B19, собранная в течение более тридцати лет, показала, что частота нуклеотидных замен равна приблизительно 10-4 замены на один сайт за один год (Shackelton, Holmes, 2006). Этот темп эволюции сравним с темпом эволюции РНК-содержащих вирусов, но сильно отличается от скорости эволюции, типичной для ДНК-содержащих вирусов. Эта скорость свидетельствует о способности к быстрой эволюционной адаптации и о высоком потенциале к перекрестному инфицированию представителей разных биологических видов.

Нетрудно найти этому доказательства. В 1978 году среди домашних собак разразилась пандемия новой вирусной болезни, распространившаяся по всему миру. Собачий парвовирус возник после межвидовой передачи специфичного для кошек парвовируса собакам. Сообщения о регистрации случаев заболевания указывали на то, что основой пандемии послужила небольшая локальная эпидемия среди собак в Европе. Представляется вероятным, что генетические варианты кошачьего парвовируса в результате мутаций гена, кодирующего капсид, приобрели способность прикрепляться к клеткам организма собак, и именно эти варианты первыми «перепрыгнули» на домашних собак. В течение всего нескольких лет, прошедших до 1978 года, видимо, имела место быстрая адаптивная эволюция, в результате которой появился пандемический штамм, распространившийся по миру с быстротой лесного пожара. Подобно эритровирусу B19, парвовирус демонстрировал очень высокий темп эволюции, столь характерный для РНК-содержащих вирусов. Другие исследования парвовирусов показали, что описанный феномен присущ всем парвовирусам, и есть указания на то, что высокий уровень генетической вариабельности может иметь место и в других линиях вирусов с одноцепочечными ДНК, например цирковирусов. Остается загадкой, почему вирусы, использующие клеточный аппарат репликации ДНК для копирования своих геномов, могут обладать столь высокой скоростью вирусной эволюции, которая позволяет им преодолевать межвидовые барьеры и существовать предположительно в форме квазивидов в организме каждого нового хозяина. Возможно ли, что механизмы контроля ошибок, присущие клеточной ДНК-полимеразе, не полностью восстанавливаются во время репликации одноцепочечного ДНК-генома парвовируса? Не отказывают ли и другие механизмы защиты от ошибок, работающие во время репликации клеточной ДНК, после инфицирования клеток парвовирусом? Пока все суждения основаны на умозрительных спекуляциях. Точный механизм генетической изменчивости парвовирусов покрыт завесой тайны, оставаясь поистине цирковым трюком, которым в совершенстве овладели эти очаровательные, обманчиво простые, маленькие ДНК-содержащие вирусы.

Глава 8

Вироиды и мегавирусы: крайности

Выше я писал, что лучше всего понять идентичность и эволюцию вируса можно, если считать вирусы независимо развивающейся, эгоистичной и передающейся из клетки в клетку генетической информацией. Первым примером стал вирус табачной мозаики, маленький растительный вирус. Позже я обратил ваше внимание на простоту РНК-содержащего бактериофага Qβ с его крошечным одноцепочечным геномом, способным кодировать всего четыре гена. На другом краю спектра мы наблюдали вирусы герпеса и поксвирусы – крупные вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК. Они инфицируют и поражают заболеваниями позвоночных и беспозвоночных, и некоторые из этих вирусов экспрессируют сотни генных продуктов, призванных наилучшим образом адаптировать способ существования вирусов к особенностям клеток-хозяев. Все они соответствуют критериям, постулированным первыми вирусологами: они представляют собой фильтрующиеся через фарфоровые фильтры и передающиеся из клетки в клетку инфекционные агенты, состоящие из нуклеиновой кислоты, заключенной в белковую оболочку, то есть обладают свойствами, соответствующими их физическим характеристикам и их способности передаваться от хозяина к хозяину, будь это отдельные клетки или многоклеточные организмы, состоящие из огромных клеточных конгломератов. Передача – главный отличительный признак любого вируса. Хотя мобильные генетические элементы описываются как эгоистичная ДНК, эти элементы, определенно, не являются инфекционными агентами. По этой причине я пока не стал их описывать (см. главу 14, где мы обсудим эндогенные ретровирусы). Однако есть и другие классы агентов, которые невозможно обойти вниманием. В этой главе мы обсудим самые мелкие и самые крупные вирусы. Они соответствуют критериям, позволяющим включить их в наше обсуждение, но делают это несколько иным способом; они выпадают за границы приведенного простого определения вирусов, и для понимания их особенностей нам придется напрячь наше воображение.

Вироиды: мельчайшие из мелких

В 1967 году Динер и Реймер, ученые, работавшие в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США в Белтсвилле (штат Мэриленд), опубликовали статью, озаглавленную: «Веретенообразный вирус картофельного клубня: вирус растения со свойствами свободной нуклеиновой кислоты». Через семьдесят лет после того, как был описан первый вирус, у вирусологов появилось новое поле для исследования. За эти семьдесят лет во многих исследованиях вирусы были в достаточной степени охарактеризованы как важная причина заболеваний у людей, а также у экономически важных животных и растений. Все эти вирусы состоят из нуклеиновых кислот, упакованных в капсид, иногда одетый в липидную оболочку. Вирус веретеновидности картофельных клубней поражает рост стебля и листьев картофеля, а в 1923 году было показано, что это заболевание вызывается фильтрующимся инфекционным агентом – вирусом. Патологические эффекты вируса веретеновидности картофельных клубней часто варьируют, и их трудно выявить, но после того, как был подобран подходящий суррогатный хозяин, начались серьезные исследования вируса веретеновидности картофельных клубней. За пять лет до этого Реймер открыл, что этот вирус может расти на томатах; еще важнее было то, что он вызывал отчетливые и воспроизводимые признаки заболевания. Теперь в распоряжении исследователей было индикаторное растение, которое позволяло количественно оценивать заразительность препаратов вируса. Теперь появилась возможность биохимического выделения и характеристики вируса. В 1967 году вышла одна из статей в серии работ, в которых была выяснена истинная природа инфекционного агента вируса веретеновидности картофельных клубней. Ученые использовали разнообразные физические и биохимические методы для определения природы инфекционных частиц, выделенных из листьев пораженного картофеля. Результаты исследований оказались беспрецедентными; инфицирующая способность для растений томата ассоциировалась с частицами, которые при центрифугировании в градиенте плотности сахарозы оказались намного менее плотными, чем все другие, исследованные до тех пор вирусы. Более того, инфицирующая способность препаратов оказалась резистентной к воздействию фенола (вещества, используемого для денатурации и экстракции белков из вирусных частиц), а при обработке нуклеазами была устойчива в отношении дезоксирибонуклеазы и поддавалась действию рибонуклеазы только при низкой концентрации солей. Ученые были осторожны в своих выводах: «Независимо от химической природы вируса веретеновидности картофельных клубней, наш опыт демонстрирует, что он является весьма необычным патогеном. Если учесть нуклеиново-кислотные свойства вируса веретеновидности картофельных клубней, легкость, с какой он передается, его удивительная устойчивость и высокоспецифичная инфекционность просто поражают» (Diener, Raymer, 1967). Еще более любопытным оказался тот факт, что высокотоксичные экстракты практически не поглощали свет в ультрафиолетовом спектре. Вирус было невозможно выявить с помощью той самой методики, которую применяют для обнаружения и количественного определения нуклеиновых кислот. Более того, экстракты можно было разводить в миллион раз, но они, несмотря на это, продолжали заражать растения томата. Если инфекционным агентом действительно была нуклеиновая кислота, то она присутствовала в экстракте в ничтожно малых концентрациях, но обладала большой силой. Инфицирующей единицей, как было установлено позже, оказалась крошечная, замкнутая в кольцо одноцепочечная нить РНК, которая в физиологических условиях существует в форме компактной, плотно упакованной и свернутой структуры. Вскоре эта структура была визуализирована под электронным микроскопом. При наложении ее на изображение ДНК-содержащего бактериофага T7 она выглядела как крохотное пятнышко на фоне переплетенных нитей генома бактериофага. Этот класс инфекционных агентов, которые посчитали субвирусными, получил наименование вироидов. В 1978 году вирус веретеновидности картофельных клубней стал первым патогеном эукариот, у которого была расшифрована полная последовательность генома. Открытие вироидов стало научным водоразделом, открывшим эру геномики.

К сегодняшнему дню описаны более тридцати видов вироидов, принадлежащих к двум четко различающимся семействам (Flores et al., 2014; Tsagris et al., 2008; Tabler, Tsagris, 2004; Flores et al., 2005; Daros, Elena, Flores, 2006). Эти вироиды инфицируют множество других растений, среди которых экономически важные сельскохозяйственные культуры, такие как цитрусовые, баклажаны, кокос и авокадо, а также такие декоративные растения, как хризантемы и колеусы. Все вироиды имеют геном, состоящий из одноцепочечной РНК длиной 246–401 нуклеотид – это приблизительно в десять раз меньше, чем геном самого мелкого бактериофага. Геном кольцевидный и компактно свернут благодаря наличию водородных связей между нуклеотидами, которые определяют образование комплементарных пар и сложной вторичной структуры. Наиболее примечательным аспектом вироидов является то, что их генетический материал не кодирует белков, но они способны эффективно организовывать свою репликацию и передачу между клетками и даже между разными растениями. По причине своей невероятной простоты они выработали способы использовать исключительно клеточные белки для поддержания своего существования. Вироиды – это убедительная иллюстрация того, что образование фенотипа вовсе не является прерогативой белков. Вироиды напоминают нам о том, что последовательности оснований нуклеиновых кислот сами по себе могут определять функции и фенотип. Первичная нуклеотидная последовательность вироидов «кодирует» все сигналы, необходимые для рекрутирования клеточных функций и их использования для репликации и передачи инфекционных частиц; эта последовательность определяет фенотип, экспрессируемый вироидом. Именно этот фенотип должен быть объектом давления естественного отбора. Несмотря на ту особенность, что вироиды не кодируют белки или капсид, они тем не менее отвечают критериям независимо развивающейся эгоистической генетической информации: в моей книге они считаются по своей сути вирусами.

Формы существования вироидов отнюдь не просты и различны у двух семейств: Pospiviroidae, представителем которого является веретенообразный вирус картофельных клубней (обратите внимание на – oid в названии семейства, это особенность обозначения вироидов), и Avsunviroidae, типичным представителем которого является вироид «загара» авокадо. После внедрения в растительную клетку, вероятно, через структуры плазмодесмосом соответствующие вироиды выбирают себе сайт для репликации. Посповироиды включаются в ядро, а авсунвироиды – в хлоропласт. Оказавшись в органелле-мишени, каждый вироид производит одно и то же, поистине замечательное действо: они мобилизуют клеточную ДНК-зависимую РНК-полимеразу для осуществления своей репликации. В ядре посповироиды мобилизуют РНК-полимеразу II, которая обычно отвечает за транскрипцию всех кодирующих клеточные белки генов. В хлоропласте авсунвироиды используют кодируемую в ядре хлоропластную РНК-полимеразу. Геном реплицируется по механизму вертящегося круга (rolling circle) с образованием олигомерных репликационных интермедиатов, которые расщепляются на фрагменты нужной длины, а затем конформируются в кольцевидную форму. На этом последнем этапе вироиды двух семейств ведут себя по-разному: реплицирующиеся в ядре посповироиды мобилизуют клеточные ферменты для процессинга генома, а авсунвироиды «кодируют» рибозим в форме молота (Cech, 1993; Hutchins et al., 1986), который отвечает за автокаталитическое созревание геномной РНК. Через плазмодесмосомы вироиды перемещаются внутри растения между клетками, а на большие расстояния распространяются по сосудистой системе растений, вероятно, в комплексе с белками растения. Передача между растениями осуществляется разнообразными способами, часто с семенами или пыльцой, но самым эффективным способом является вегетативная передача. Зафиксированы примеры передачи между отдельными растениями тлями, и было также показано, что между кустами помидоров вироид веретеновидности картофельных клубней переносят медоносные пчелы (Florees et al., 2005). Многие аспекты репликации и патогенности вироидов остаются неясными, так же как их загадочная способность изменять субстратную специфичность РНК-полимеразы хозяина, позволяющая использовать ее не на ДНК-, а на РНК-шаблоне. Неизвестны также механизмы внутриклеточного транспорта; например, неизвестно, каким образом РНК авсунвироидов проникает в хлоропласт. Вероятно, самый таинственный аспект вироидной инфекции – способность вироидов вызывать самые разнообразные болезненные поражения у инфицированных растений. Является ли это результатом захвата важных клеточных функций? Вероятно, нет, потому что некоторые вироиды вообще не оказывают на инфицированные растения вредоносного влияния. Недавно выполненная работа позволяет предположить, что частная патология, вызываемая вироидами, обусловлена нарушением направленности антивирусной защиты самого растения, вызванным вироидом (Flores et al., 2005). С полной уверенностью мы можем заключить лишь, что генетическая информация, организующая весь репертуар репликационных стратегий и заболеваний, вызываемых вироидами (их фенотипы), заключена в 246–401 нуклеотид- одинарной цепи РНК. Эта РНК не кодирует ни одного белка. Представляется, что в клетках действует сама нуклеотидная последовательность; но как она действует? Должно быть, какие-то важные свойства заложены в первичной нуклеотидной последовательности вироида, которая, в свою очередь, обусловливает образование вторичной структуры путем свертывания РНК-генома в сложную трехмерную структуру, аналогично свертыванию последовательности аминокислот в трехмерную структуру белка.

Очевидно, что возможно прямое физическое взаимодействие вироидного генома с клеточными белками хозяина, и, соответственно, был предложен возможный механизм, опосредующий транспорт вироида веретеновидности картофельных клубней в ядро растительной клетки. Эта гипотеза подкрепляется фактом прямого и специфического связывания РНК вироида веретеновидности картофельных клубней с клеточным бромсодержащим белком, которое, как полагают, играет регуляторную роль в ремоделировании клеточного хроматина (Martinez de Alba et al., 2003). Образующийся в результате рибонуклеопротеиновый комплекс перемещается в ядро, где имеет место репликация вироида веретеновидности картофельных клубней и где, возможно, осуществляется влияние этого комплекса на регуляцию активности клеточных генов. Вероятнее всего, первичная нуклеотидная последовательность вироида получает преимущество как главное действующее лицо, определяющее патогенность вироида. Ответ растения-хозяина на репликацию вироида, как теперь известно, предусматривает посттранскрипционное подавление активности клеточных генов (Famens et al., 2008), развившийся в древности защитный механизм, нацеленный на проникшие в клетку нуклеиновые кислоты. Те же процессы участвуют в образовании нуклеотидных последовательностей специфических микро-РНК и малых интерферирующих РНК [small interfering RNA (siRNA)], которые участвуют в регуляции развития как растительных, так и животных организмов (Carrington, Ambros, 2003). Известно, что в растениях образуются siRNA, которые специфически сдерживают и тормозят репликацию вироидов, и ученые предполагают, что такие, нацеленные на вироиды siRNA могут играть роль в патогенности вироидов, влияя на транскрипты генов самой клетки. Несколько таких матричных РНК-мишеней уже описаны, но ученые пока далеки от понимания разнообразных механизмов, посредством которых эти крошечные РНК-геномы манипулируют клетками организма-хозяина (Gago-Zachert, 2016; Flores et al., 2015).

Эволюционный реликт

Вироиды – это эгоистичные репликоны РНК, независимо от того, считать ли их вирусами или субвирусами (вироидами) из-за того, что они не развили у себя способности кодировать капсиды или любые другие белки. Вироиды реплицируются с помощью склонных к ошибкам РНК-полимераз, и, следовательно, можно ожидать, что частота мутаций будет соответствовать частоте мутаций, характерной для РНК-содержащих вирусов вообще. Таким образом, они должны существовать в клетках хозяев в форме квазивидов. Частота мутаций вироидов, так же как вирусов, зависит от частоты появления ошибок при построении нуклеотидных последовательностей новых геномов. Темп эволюции не отражает истинную частоту таких мутаций, потому что возникающие вследствие замещения нежизнеспособные геномы удаляются из популяции. Минималистский геном, такой как у вироидов, способный направлять каскад сложных биологических функций, будет находиться под очень сильным селективным ограничением. Более крупные вирусы, которые кодируют белки, могут выдерживать больше мутационных изменений; синонимичные мутации (мутации, не меняющие последовательность аминокислот в белках) не сказываются на жизнеспособности вирусов. Не так обстоят дела у вироидов, так как их генетическая информация никоим образом не является избыточной; ее характеристическая нуклеотидная последовательность непосредственно связана с вироидным фенотипом. Тем не менее in vivo наблюдали полиморфизм нуклеотидных последовательностей и вариации последовательностей; это своего рода квазивиды, хотя и относительно небольшой сложности. Испанские ученые измерили частоту мутаций вироидов, они использовали изощренные экспериментальные техники для выявления и подсчета мутаций, возникающих во вновь синтезированных вироидных геномах до того, как отбор сможет удалить их из популяции (Gago et al., 2009). Результаты оказались впечатляющими. Частота мутаций составила 0,0025 на один включенный нуклеотид, что эквивалентно одной мутации на один новый геном. Эта скорость мутаций, превосходит скорость мутаций в генетическом материале РНК-содержащих вирусов, которые мы обсуждали в первых главах. Ученые пока не решили, почему это происходит, но некоторые полагают, что надежность включения нуклеотидов может нарушаться под воздействием нескольких факторов. Один из важных факторов заключается в том, что вироиды извращают нормальную функцию ДНК-зависимой РНК-полимеразы хозяина, заставляя ее использовать чуждый шаблон РНК. Ранее мы уже обсуждали ограничения размеров генома, которые накладываются частотой мутаций РНК-содержащих вирусов. Можно ожидать, что катастрофа ошибок является следствием избытка мутаций на одну копию генома, и Эйген заметил, что существует прямо пропорциональная зависимость между размером генома и частотой мутаций в разных репликонах, будь то вирусы, бактерии или более крупные многоклеточные организмы (Biebricher, Eigen, 2005). Можно, следовательно, предположить, что при минимальном размере и относительном отсутствии избыточности вироидных геномов частота их мутаций накладывает определенные ограничения на способность геномов к расширению. Эволюция, направленная на повышение надежности, должна идти рука об руку с любым увеличением размера генома, что сопровождается эволюционным нарастанием его сложности.

Сравнительный геномный анализ вироидов позволил обнаружить убедительные аргументы в пользу того, что они возникли из общего и очень древнего предкового РНК-репликона (Flores et al., 2014). Это положение верно как для посповироидов, так и для авсунвироидов, несмотря на разницу в способе их существования. Ядерные посповироиды используют клеточные ферменты для превращения продуктов своей репликации в отдельные кольцевые РНК соответствующей геному длины, в то время как авсунвироиды обладают молотовидной рибозомной последовательностью, которая выполняет ту же задачу в автокаталитической реакции копирования РНК. По этой причине некоторые ученые считают, что авсунвироиды представляют собой наиболее древнюю форму вироидов, которые ближе к наиболее примитивному, центрированному вокруг РНК миру. Было высказано предположение о том, что они существовали как репликоны цианобактерий, которые (репликоны) затем вторглись в эукариотические клетки и превратились в симбиотические хлоропласты. Впоследствии предковый вироид, видимо, покинул органеллу и проник в ядро, а после дивергенции образовал вторую линию автономно реплицирующихся кольцевых РНК, которые приобрели свойства белков, присутствующих в ядре.

Природа вироидов как содержащих исключительно РНК репликонов порождает множество вопросов относительно их эволюционного происхождения: не являются ли вироиды древними ископаемыми остатками, представляющими промежуточный продукт в эволюции доклеточной жизни, которые сохранились в клетках, как сохраняются в янтаре древние насекомые? В настоящее время практически все ученые согласны в том, что РНК является предшественницей всего живого; РНК способна записывать информацию и служить биокатализатором (Cech, 1986b). Джеймс Уотсон, нобелевский лауреат, один из первооткрывателей двойной спирали ДНК, однажды признал, что уже в 1968 году Фрэнсис Крик, его ближайший сотрудник, высказал предположение о том, что РНК может служить не только шаблоном, но также и ферментом, осуществляющим свою собственную репликацию (Watson, 1993). В наше время этот взгляд приобрел всеобщее признание; первым генетическим материалом доклеточной жизни была РНК, а первыми репликонами были полимеры на основе РНК. Только после возникновения ДНК и белков эти соединения оттеснили РНК, отведя ей современную подчиненную роль в эволюции клеточных форм жизни. Тем не менее мы легко можем представить себе, что когда-то органический мир был миром РНК. Следует в этой связи вспомнить открытие рибозимов, последовательностей РНК, которые автокаталитически опосредуют вырезание интронов из рибосомных РНК-транскриптов в эукариотических водорослях (Kruger et al., 1982). Цех, кроме того, смог показать, что современные рибосомы, наши клеточные фабрики, синтезирующие белки, являются по своей сути сложными рибозимными структурами, встроенными в белковый остов (Cech, 2000). Автокаталитические интроны были предложены на роль прототипа самых ранних репликонов РНК, из которых возникла жизнь (Sharp, 1985; Joyce, 1989; Cech, 1986a). Если это так, то отсюда следует, что вироиды образовались позже, чем уцелевшие интроны. Впоследствии, однако, Тед Динер, «отец» вироидов, высказал аргументированное возражение. Он предположил, что не интроны были предшественниками вироидов, а наоборот, вироиды – предшественниками интронов (Diener, 1989).

Несколько ученых вывели эволюцию вироидов от теоретического предшественника, который мог быть мелким автономным РНК-репликоном длиной, возможно, не более нескольких нуклеотидов. Более длинные цепи нуклеотидов не могли быть жизнеспособными, если бы частота неверного включения нуклеотидов была слишком высокой. Такие полимеры РНК, как можно полагать, объединялись с образованием более крупных «геномов»; in vitro было показано, что рибозимы могут связываться в молекулу РНК, если их поместить на шаблон (Doudna, Szostak, 1989). Далее, ученые предположили, что такие геномы могли впоследствии повторно образовывать копии последовательностей. Есть данные, подтверждающие такой взгляд; компьютерный анализ состава большинства вироидных геномов выявил основную периодичность нуклеотидных последовательностей, с величиной периодов в двенадцать, шестьдесят или восемьдесят нуклеотидов (Jugasz, Hegyi, Solymosy, 1988). Вероятно, здесь коренится механизм расширения РНК-геномов путем тандемной дупликации фрагментов (Diener, 1989); помимо создания мозаичных ансамблей, это могло стать механизмом, лежащим в основе эволюции вироидных геномов. Был высказан и еще один аргумент в пользу того, что размер генома практически ограничен частотой ошибок в репликоне. Принятие модели репликации по механизму вращающегося круга позволяет объяснить увеличение размеров дочерних геномов в сравнении с родительскими геномами. Полагают, что результирующий избыток информации, содержащейся в этих продуктах репликации, является основой обхода ограничений на частоту мутаций в этих простых геномах, где она и без того была высока. Повторение информации гарантирует, что каждый геном содержит функционирующие формы всех необходимых генетических элементов; в такой ситуации гарантировано сохранение по крайней мере одного жизнеспособного генома (Flores et al., 2014).

Все вместе эти предположения отводят вироидам место исходных доклеточных репликонов. Если это действительно так, то можно лишь удивляться тому, что они смогли сохранить заметные признаки своих предков, несмотря на огромную эволюционную дистанцию между ними. Мы поместили их в древние (гипотетические) цианобактерии, а также в хлоропласты и ядра эукариотических растительных клеток. Если все же они являются эволюционными реликтами первичных РНК-содержащих паразитов, то становится трудно примирить их исключительную привязанность к покрытосеменным и полное их отсутствие в других царствах живых существ (Koonin, Dolja, 2014). Вероятно, это стало следствием вымирания и замещения следующими генетическими линиями с уже развитым способом существования, но вполне вероятно, что со временем будет выдвинута и другая объясняющая гипотеза. Некоторые эволюционисты высказываются в пользу возможности того, что вироиды могут быть предками определенных мобильных генетических элементов, другие же считают, что они все же являются предшественниками современных интронов, которые обнаруживаются практически во всех эукариотических РНК-транскриптах, но есть и такие ученые, которые полагают, что объяснение их происхождения следует искать в их эволюции после возникновения растительного мира.

Надо сказать несколько слов и о сателлитных РНК (или вирусоидах). Это мелкие, автономно реплицирующиеся РНК-геномы (также кольцевидные), сходные по природе и способу существования с вироидами. Ключевое различие, однако, заключается в том, что им требуются хелперные вирусы для передачи между разными клетками хозяина. Этот (возможно, несколько искусственный) способ существования ставит их вне моего (и без того уже очень широкого) определения вируса, поэтому я не стану дальше углубляться в эту тему. Должен, однако, признать, что впечатление об их родстве с вироидами неизбежно, и они живо иллюстрируют, как эгоистичная генетическая информация может с успехом использовать различные подходы для самосохранения и распространения. Опора на другие вирусы (или вироиды) ради поддержания размножения является отходом от способа существования вироидов, но сам этот факт открывает перед нами крепко запертые прежде двери. Вирус гепатита дельта, сателлитный вирус человеческих клеток, служит одним из примеров; исторически его сначала «взял под крыло» неродственный, но обычный, образующий свою оболочку, хелперный вирус. Представляется правдоподобным, что вирус гепатита D является потомком вироида, который проник и укрепился в определенных эукариотических клетках, как экзогенный паразитический агент.

Мегавирусы: самые крупные