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

Имеет определенный смысл, что ВИЧ-1 использует тот же набор эволюционных инструментов для избегания иммунного ответа хозяина, что и вирус гриппа. Кодирующие последовательности иммунодоминантных, гипервариабельных участков env демонстрируют предпочтение к летучему использованию кодонов в сравнении с другими участками белка; чаще всего подвергаются несинонимическим мутациям кодоны мелких гидрофобных аминокислотных остатков (Stephens, Waelbroeck, 1999). Геном ВИЧ-1 не сегментирован, и поэтому перетасовка генов этим вирусом не используется, но нередко наблюдаются рекомбинации между вирусными геномами разных квазивидов, реплицирующихся в клетках-хозяевах при ВИЧ-1 (Zhuang et al., 2002). Это разительный контраст по сравнению с вирусами гриппа, у которых рекомбинация происходит крайне редко (если вообще происходит), вероятно, потому что способ репликации их геномов дает меньше возможности для генетического обмена такого типа. Рекомбинантные линии подтипов ВИЧ-1 очень часто встречаются при пандемии, и они могут играть значимую роль в патогенезе заболевания у каждого конкретного пациента. Представляется, что рекомбинация, в частности когда у больных наблюдают очень высокую виремию, может быть важным источником генетической новизны, повышающей устойчивость вируса (Levy et al., 2004; Wei et al., 2003). Есть и дополнительная стратегия ВИЧ-1, которая не была (возможно, пока) зарегистрирована у других вирусов: ранние исследования, в которых изучали нейтрализацию вирусных антигенов и избегание иммунного ответа, показали, что вирус использует для избегания быстро образующийся «гликановый щит» (Wei et al., 2003). Сама по себе это отнюдь не уникальная стратегия иммунного избегания: патогены часто меняют паттерны гликозилирования своих поверхностных гликопротеинов для того, чтобы избежать ударов иммунной системы. Ученые из Лозанны (Швейцария) недавно опубликовали данные анализа, который позволил выявить мотивы повторяющихся нуклеотидных триплетов в гипервариабельных участках белка env (De Crignis et al., 2012). Эти повторы обладают способностью порождать генетическое разнообразие и изменять состав гликанового щита вируса. Таинственный тринуклеотид RNY, где R – пурин, Y – пиримидин, а N – произвольное основание, был обнаружен в вариабельных участках гена env, в большом количестве, исключающем случайность; были также обнаружены длинные отрезки, состоящие из повторов этого тринуклеотида, причем эти повторы укладываются в рамку считывания аминокислот. Швейцарская группа до этого обнаружила, что вариабельный участок 4 в вирусах, взятых у одного больного, часто накапливает варианты с вставками или делециями из трех или многих троек нуклеотидов. В этом исследовании такие вариации повторов RNY были обнаружены в четырех из пяти вариабельных участков гена env. Аминокислотами, кодируемыми измененными триплетными повторами, чаще всего оказываются аспарагин, аминокислотный остаток белков, которые чаще всего являются объектом N-гликозилирования. Представляется вероятным, что эти особенности в последовательностях обеспечивают работу механизма, посредством которого вирус меняет гликановый щит оболочки, создавая барьер между белковыми эпитопами и антителами хозяина. То, что естественный отбор может поддерживать существование этих таинственных нуклеотидных повторов в гене env, объясняет предпочтительность и перспективность гипервариабельных последовательностей, подверженных ошибкам при репликации. Что же касается отбора волатильных кодонов, можно сказать, что отбор гипермутабельных последовательностей должен зависеть от истории уравновешивающего отбора в этих сайтах белка. «Прямые» и «обратные» мутации посредством дупликации или делеции являются самыми вероятными полезными мутационными событиями в этих последовательностях. Так же как дупликация при частом ее протекании обеспечивает адаптивное преимущество под давлением селективного иммунологического отбора, так и сочетание дупликации с делецией тоже происходит часто в том же месте и является полезным при изменении давления отбора. Эти делеции или мутационные события обычно меняют рисунок аспарагин-гликановых модификаций, которые часто оказываются полезными для иммунного избегания. Итак, здесь мы имеем дело не с причинностью и не с эволюционной предусмотрительностью; этот механизм вариаций в нуклеотидных последовательностях возникает вследствие общепризнанного процесса естественного отбора (который, конечно, действует на имеющиеся фенотипы и в данный момент времени).

Определенные эпитопы, на которые нацелен иммунный ответ у одного инфицированного больного, могут отличаться от эпитопов другого благодаря генетическим различиям в структуре иммунитета. Так происходит в результате отбора, улучшающего адаптацию вируса к конкретному индивиду-хозяину, но это не гарантирует, что новоприобретенный генотип будет обладать селективным преимуществом в организме следующего хозяина. Генетическая информация инфицирующего вируса несет на себе несмываемый отпечаток воздействия иммунной системы предыдущего хозяина. Наиболее влиятельными генетическими факторами хозяина (по меньшей мере при нашем современном понимании), действующими в гонке вооружений между вирусом и иммунной системой, являются аллели HLA класса I. Это определяет способность иммунной системы распознавать вирусные эпитопы посредством цитотоксических Т-клеток. Образованные из вирусного белка пептиды дифференциально представляются как цели для Т-клеток в зависимости от HLA-аллелей хозяина. Обладание избранными HLA-гаплотипами, как выяснилось, полезно для некоторых индивидов, так как позволяет им более эффективно подавлять репликацию вирусных частиц, в то время как другие индивиды такими гаплотипами не обладают. Пептиды CTL-эпитопов главного структурного белка Gag ВИЧ-1 служат основными мишенями для клеточно-опосредованного иммунитета, а значит, являются объектами мощного давления отбора посредством мутаций. Этот белок в высшей степени консервативен и имеет несколько важных структурных и функциональных доменов. Считается, что CTL-распознавание пептидов внутри критически важных структур этого белка является преимуществом для хозяина. Мутации для избегания иммунного ответа, которые изменяют эти эпитопы, должны снижать адаптивность вируса и в результате подавлять способность к репликации. В самом деле, это представляется весьма вероятным; индивиды, демонстрирующие эффективный и обширный CTL-ответ на Gag CTL-эпитопы, отличаются меньшим содержанием вирусов в тканях организма (Edwards et al., 2002; Ramduth et al., 2005). Эти реакции особенно эффективны у больных с благоприятными аллелями HLA-I в HLA-B.

Многие исследования, особенно проведенные под руководством доктора Эрика Хантера в Университете Эмори в Джорджии, имели цель открыть наиболее значимые факторы, управляющие интенсивностью первоначальной виремии, которая возникает при инфицировании нового хозяина. Интенсивность первоначальной виремии может быть показателем вирулентности инфекции и является прогностически важной в определении скорости прогрессирования заболевания на его ранней стадии (вспомним, что ранние стадии инфекций могут играть решающую роль в разрушении иммунной системы хозяина), а также уровня передачи. Эта работа включает в себя детальное изучение когорт пар, участвовавших в передаче вируса, где необходимо выделение вируса из организма донора и из организма реципиента и известны HLA-гаплотипы обоих хозяев. Приспособленность (способность к репликации) соответствующих штаммов вируса можно определить в лаборатории, наряду с анализом мутаций избегания иммунного ответа, происшедших в организме донора. Эти параметры можно сравнить с вирусной нагрузкой донора и инфицированного им партнера. При этом возникают несколько тем (Prince et al., 2012): существует значимая конкордантность между вирусной нагрузкой донора и реципиента независимо от их HLA-гаплотипов. Это согласуется с важным влиянием природной вирулентности вируса. Более того, первоначальный подтип инфицирующего вируса с множеством мутаций избегания иммунного ответа часто обладает сниженной способностью к репликации и реплицируется на низком уровне на ранней стадии инфекции. Наконец, уровень ранней репликации вируса производит устойчивый эффект на прогрессирование заболевания в долгосрочной перспективе. Эти результаты согласуются с гипотезой о том, что вирусы, накопившие множество мутаций избегания иммунного ответа, обладают сниженной вирулентностью в организме нового хозяина, а на исход заболевания сильное влияние оказывает ранняя стадия инфекции. Статус HLA-I донора определяет, какие варианты избегания CTL выбраны вирусным геномом. Определенные благоприятные HLA-аллели сочетаются с более медленным прогрессированием заболевания, так как они отбирают варианты с пониженной вирулентностью. Следовательно, особый интерес представляет выяснение исходов после передачи таких вирусов индивидам с несовпадающими HLA-I-гаплотипами (Chopera et al., 2008). В этом фокусном исследовании индивиды, инфицированные от больных с благоприятными типами HLA-I-аллелей (а следовательно, с ослаблением мутаций избегания ответа), лучше справлялись с заболеванием. Более того, как и ожидалось, мутации избегания, сочетающиеся со снижением приспособленности вируса, претерпевали реверсию в ходе эволюции внутри организма хозяина. Тем не менее эти больные сохраняли преимущество, так как были инфицированы вирусами с ослабленной вирулентностью, и заболевание у них протекало медленнее, несмотря на отсутствие благоприятного HLA-гаплотипа. Таким образом, исход игры с ВИЧ-1 определяется уже в первом периоде матча.