Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги? - Майкл Кордингли

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

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

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

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

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