Читать книгу "Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги? - Майкл Кордингли"

Успешность вирусной линии всегда основана на параметрах вирулентности и передачи; кусающие комары передают миксоматоз, и для такой механической передачи в организмах кроликов, в которых циркулирует вирус, должен быть достигнут достаточный титр вирусных частиц. Инфекционным периодом называют время, в течение которого в крови кролика поддерживается титр вирусных частиц, достаточный для дальнейшей передачи. У кролика с очень высоким титром вируса в крови смерть наступит быстро, а, значит, инфекционный период окажется укороченным. Следовательно, менее вирулентный вирус будет располагать более длительным инфекционным периодом. С другой стороны, вирусы со снижающейся вирулентностью будут иметь в крови низкие титры, хозяин будет быстро освобождаться от них, и, таким образом, инфекционный период тоже сильно укоротится. «Штаммы с вирулентностью III класса отличались высокой инфекционностью как для кроликов, которые погибали, так и для кроликов, которые переживали инфекцию», – говорил Феннер в лекции, прочитанной в Королевском обществе в 1983 году (Fenner, 1983).

Но что при этом происходило с кроликами? Они тоже эволюционировали? И конечно, ответ будет утвердительным! В тщательно продуманных экспериментах авторы изучали выживших кроликов после последовательных эпизоотий (вспышек) миксоматоза. Ученые выделили животных с отсутствием антител к вирусу миксомы, а это значит, что эти кролики избежали инфицирования. Животным из популяций, подвергавшихся повторным инфекциям, вводили идентичные вирусы III класса вирулентности. Сразу стало очевидно, что популяции, которые неоднократно переживали эпизоотии вируса миксомы, стали более резистентными к патогенному вирусу. Инфицированные кролики из популяций, переживших семь эпизоотий, демонстрировали после заражения летальность 30 %, в то время как первоначальная летальность составляла 90 %. Эти результаты были дополнены экспериментами со скрещиванием (Sobey, 1969), в которых было продемонстрировано, что те же уровни резистентности к вирусу с вирулентностью класса III могут быть достигнуты в течение шести поколений скрещивания животных, переживших инфекцию. Оба эти результата являются окончательными в отношении эволюции фенотипа, и скорость изменения фенотипа хозяина просто поражает. Эти изменения могут происходить быстро под действием естественного отбора, но за счет высокой смертности. Очевидно, что между европейскими кроликами и вирусом миксомы развертывалась гонка вооружений. Так же как у вируса уменьшилась вирулентность, найдя оптимум на уровне III класса, у хозяина тоже развилась определенная степень резистентности к вирусу. Феннер задался вопросом: не взаимодействуют ли два фенотипа? Если возрастет резистентность хозяина, то не будет ли естественный отбор благоприятствовать более вирулентным вирусам по мере развертывания гонки вооружений? Ответ был утвердительным: по мере того, как популяция кроликов становилась более резистентной к вирусу, начала увеличиваться доля высоковирулентных штаммов в популяции вирусов миксомы.

В конце концов, план истребить австралийских кроликов с помощью вируса миксомы провалился, пав жертвой принципа Черной Королевы. Тем не менее эта неудача дала нам наглядный пример процесса эволюции вируса и позвоночного животного в течение поразительно короткого промежутка времени. Этот эксперимент не уникален, он был воспроизведен. Один французский землевладелец, раздосадованный засильем кроликов в своем поместье, решил уничтожить их, заразив миксоматозом. Через три года эпидемия миксоматоза среди кроликов перекинулась на всю Европу и проникла в Британию, где вымерли 90 % всех кроликов. Сегодня численность популяции кроликов восстановилась; эволюция ослабления вируса и восстановление популяции в точности повторила картину, которую Феннер наблюдал в Австралии (Kerr et al., 2012).

Геномика ослабленного провируса

В лабораториях Феннера и его современников не было возможности исследовать полевые штаммы вируса миксомы на уровне полных нуклеотидных последовательностей их геномов сегодня она есть. Коллеги из Австралии и Соединенных Штатов занялись именно этим, для того чтобы выявить генетические изменения, лежащие в основе ослабления вирулентности циркулирующих в популяциях кроликов вирусов (Kerr et al., 2012). Находка оказалась поразительной и отчасти послужила отражением сложности геномов поксвирусов и очень сильного давления отбора со стороны нового хозяина. Керр и его коллеги определили полную геномную последовательность первого вируса миксомы, использованного для инфицирования кроликов в Австралии, а также последовательности геномов вирусов с различной вирулентностью, определенных Феннером и выделенных за сорок лет эпидемии. Главным наблюдением стало то, что за изучаемый период в геноме вируса происходили нуклеотидные замены со скоростью 10-5 на один сайт за один год. Эта скорость выше скорости нуклеотидных замен, когда-либо зарегистрированной у ДНК-содержащего вируса; несинонимических изменений было очень много, что указывает на сильное положительное давление естественного отбора. Вероятно, более значимым для нашего понимания эволюции поксвируса стало наблюдение, согласно которому мутации в ослабленных вирусах происходили во множестве разных генов и часто сопровождались утратой функций. Геном вируса миксомы, что характерно для поксвирусов, содержит ядро из относительно консервативных генов, окруженных более вариабельными генами, которые отвечают за спектр возможных хозяев и за способность к избеганию иммунного ответа. Вирус миксомы располагает 20–40 генами с такими функциями (Cameron et al., 1999; Stanford, Werden, McFadden, 2007). Большая часть мутаций, наблюдаемых за сорок девять лет эволюции вируса миксомы, происходила в этих фланкирующих областях, как и ожидалось. Но и при этом ослабление вирусов с вирулентностью I класса нельзя увязать с одним общим мутационным изменением. В то время как тенденция эволюции была направлена в сторону общего фенотипа со сходной, но умеренной вирулентностью (класса III), генетические пути достижения этой цели отличались чрезвычайным разнообразием.

Скорость эволюции, превышающую скорость эволюции других ДНК-содержащих вирусов, в прошлом находили у вируса оспы, и, вероятно, этот признак, дающий поксвирусам способность легко переключаться с одного хозяина на другого, сближает его с РНК-содержащими вирусами. Результаты, полученные Керром и его сотрудниками, подчеркивают ключевую разницу между поксвирусами с их геномной гибкостью в размерах и составе и РНК-содержащими вирусами, чьи геномы ограничены в размерах и плотно заполнены кодирующей информацией. Сложность генома вируса миксомы очевидно обеспечивает множество возможных путей повышения приспособленности к новому хозяину. С другой стороны, как мы убедились на примере зоонозного ВИЧ, единичная адаптивная мутация обеспечила «ключевое» начальное генетическое изменение, которое открыло клетку, в которой была заперта успешная инфекция шимпанзе. РНК-содержащие вирусы порождают генетическое разнообразие с большей скоростью, что позволяет им исследовать более ограниченное генетическое пространство, что позволяет им успешно адаптироваться к хозяевам новых видов.

Ортопоксвирусы: прошлые решения и будущие проблемы

Вакцинация, призванная предупреждать вирусные заболевания, является выдающимся достижением современной медицины, о чем было много и талантливо написано. Вакцины – сложные инструменты, используемые для подавления вирусов, изобретенные и изготовленные для защиты восприимчивого населения от определенных вирусных инфекций. Сегодня этот инструмент выступает в виде разнообразных моделей, которым присущи многие «про» и «контра» в сочетании с различными технологиями, в которых часто применяют сложные биотехнологические процессы. Я ограничусь рассмотрением двух различных моделей: вакцины на основе живого гетерологичного вируса и вакцины на основе ослабленного живого вируса. Для наших целей я ограничу обсуждение несколькими замечаниями о том, как и почему эти инструменты стали такими успешными и как их успешность соотносится с эволюцией и видообразованием вирусов.