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

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.