История вирусов начиналась в 1879 году на экспериментальной сельскохозяйственной станции в голландском Вагенингене. В середине девятнадцатого века посевы табака были поражены неизвестной ранее болезнью. В некоторых местностях эта болезнь распространилась так широко, что крестьянам «пришлось полностью отказаться от выращивания табака» (Zaitlin, 1998). Адольф Майер окрестил эту болезнь табачной мозаикой, так как на листьях пораженных растений появлялись темные полиморфные пятна. Он искал причину болезни, когда обнаружил, что сок, выдавленный из листьев пораженных растений, мог передавать заболевание здоровым растениям. Майер справедливо предположил, что за возникновение болезни несет ответственность какой-то заразный инфекционный агент, и проведенные исследования, действительно, позволяли предположить, что табачная мозаика вызывается каким-то неизвестным микробом.

В 1892 году русский ученый Дмитрий Ивановский показал, что возбудитель табачной мозаики свободно проходит через фарфоровый фильтр. Этот фильтр, сконструированный Луи Пастером и Чарльзом Чемберлендом, имел поры, которые задерживали бактерии, но пропускали частицы, меньшие 0,5–1,0 микрона. Опыты Ивановского позволили исключить бактерии из числа возможных возбудителей табачной мозаики. Сам Ивановский заключил, что болезнь вызывается каким-то побочным продуктом жизнедеятельности бактерий или каким-то неизвестным ядом (токсином). Несколько лет спустя голландский ученый Мартинус Виллем Бейеринк уточнил концепцию инфекционного заболевания. Определенно, возбудителем табачной мозаики была не бактерия. Этот возбудитель не удавалось вырастить на питательных средах, на которых беспрепятственно росли другие бактерии. Бейеринк предположил, что этот инфекционный агент нуждался в тесном взаимодействии с метаболизмом живого растения для своего размножения и распространения. Это инфекционное начало, очевидно, зависело от нормального функционирования живой системы. Прозрачный фильтрат, вызывавший болезнь, Бейеринк назвал “Contagium vivum fluidum” – «заразная живая жидкость».

На рубеже двадцатого столетия у ученых не было подходящих инструментов для того, чтобы описать физическую природу вирусов, если не считать фильтра Чемберленда. Все понимали, что возбудителями были мельчайшие организмы, способные проходить сквозь крошечные поры фарфорового фильтра. То есть определенно говорить можно было только о размерах частиц. Потребовалось еще сорок лет для того, чтобы выделить сами частицы вируса табачной мозаики, получившие название «ферментоподобного белка». Затем, после уточнения состава, их назвали нуклеопротеинами – частицами, состоящими из белка и нуклеиновых кислот.

Приблизительно через двадцать лет после идентификации вируса табака, в результате совместных усилий многих ученых были, наконец, открыты вирусы, поражающие прокариотические клетки. Английский врач Фредерик Туорт изучал бактерию из семейства стафилококков, так как она часто загрязняла пузыри коровьей оспы, из которых Туорт собирал материал для изготовления противооспенной вакцины. Исследуя бактериальные культуры, он заметил отчетливые пятна на поверхности мелких бактериальных колоний, растущих на питательной среде. Туорт совершенно правильно интерпретировал эти изменения как результат разрушения бактериальных клеток, то есть заболевания микроорганизма. Туорт обнаружил, что эту «болезнь» можно переносить из колонии в колонию и что инфекционный агент легко проникал через фарфоровый фильтр, так же как возбудитель табачной мозаики в опытах Бейеринка. Сам Туорт считал, что вызывающим болезнь началом был, вероятно, фермент или токсин, это начало соответствовало всем признакам вирусов (Twort, 1915).

Возможно, что Туорт и сам не вполне осознал значение своего открытия, но зато его осознал Феликс д’Эрелль, канадский ученый, работавший в Пастеровском институте в Париже. Д’Эрелль сумел продвинуться еще на шаг вперед в исследовании вирусов, поражающих бактерии. Он наблюдал фильтруемый «антагонистический микроб», который убивал возбудителя дизентерии шигеллу, делая прозрачными бульонные культуры этого микроорганизма. Д’Эрелль писал: «Исчезновение дизентерийных бацилл совпадает с введением невидимого микроба… являющегося облигатным бактериофагом» (D’Hérelle, 1917). Это было первое употребление термина «бактериофаг» в научной литературе (бактериофаг в переводе с греческого означает «пожирающий бактерии»). Д’Эрелль открыл то, что, как мы теперь знаем, является многочисленной группой вирусов. Эти вирусы являются паразитами прокариот – организмов, составлявших большинство форм жизни в архейскую эпоху.

Ивановский, Бейеринк и Туорт ничего не знали об истинной природе инфекционного агента – был ли он бактерией, ферментом или токсином, – но сегодня, в результате многочисленных биохимических, физических и молекулярных исследований было получено подробное описание вирусов. В словарях вирусы определяются так: «Инфекционный агент, который в типичных случаях состоит из молекулы нуклеиновой кислоты в белковой оболочке, невидимый в световом микроскопе вследствие своей малости и способный размножаться только в живых клетках организма-хозяина». Это, в принципе, верное определение, тем не менее оно не лишено недостатков. Использование оборота «в типичных случаях» оказалось пророческим. Действительно, в большинстве случаев вирусы соответствуют такому определению, но есть и достаточно заметные исключения. Некоторые вирусы превосходно обходятся без белковой оболочки, другие размерами превосходят иные бактерии (см. главу 8). Для того чтобы сформулировать признаки фундаментальной природы вирусов, надо исследовать более исчерпывающее их определение.

Виросфера – это совокупность всех вирусов во всех экосистемах и во всех организмах-хозяевах биосферы. В принципе, когда мы произносим слово «вирус», мы думаем о вирусной частице и содержащейся в ней нуклеиновой кислоте. Программа создания вирусной частицы содержится в ней в виде нуклеиновых кислот – рибонуклеиновой или дезоксирибонуклеиновой, которые являются полимерами либо рибонуклеотидов, либо дезоксирибонуклеотидов. Генетический код вируса, представленный этими нуклеиновыми кислотами, содержит информационный фундамент уникальной идентичности каждого вируса. Так же как различные виды живых организмов имеют различные генетические программы («чертежи»), закодированные в последовательности нуклеотидов, имеют их и вирусы. В наше время визуализировать вирусы можно с помощью электронного микроскопа. Таким способом часто выявляются разные вирусы, имеющие настолько схожие размеры и форму, что их невозможно различить по этим признакам. Уникальная идентичность каждой частицы заложена в ее геноме, а геномы у разных частиц могут отличаться друг от друга, причем иногда весьма сильно. Истинное разнообразие царства вирусов можно оценить, только составив каталог их генетического содержимого – их штрих-кодов – и сравнив его между собой. По этой причине виросферу стоит понимать не только как совокупность различных видов вирусов, но как совокупность их генетического информационного содержания – как вирусный метагеном.

Метагеном сводит в один каталог все совокупные геномы всех организмов, которые можно получить в пробе окружающей среды. «Проба окружающей среды» может представлять собой один грамм почвы, миллилитр морской воды или какой-то организм, и каждая из этих проб является отдельной экосистемой. В наиболее общей форме термин «метагеном» включает в себя геномы биосферы, т. е. геномную информацию обо всех живых организмах и их вирусах. Человеческий метагеном включает в себя геномы, с ним связанные, то есть не только собственные геномные последовательности, но и таковые всех организмов, составляющих микробиомы человека. К ним относятся симбиотические бактериальные клетки и клетки простейших, занимающие все наши наружные поверхности: кожу, слизистую оболочку кишечника, носовую и ротовую полость и половые тракты. Человеческий виром – это совокупность вирусов, инфицирующих клетки нашего тела и клетки наших микробных спутников. Все гены этих структур считаются их метагеномом.

Исследование метагеномов стало возможным благодаря технологическому прогрессу в молекулярной биологии. Такие исследования зиждутся на нашей способности читать и интерпретировать нуклеотидные последовательности генетического материала организмов и вирусов в каждой данной пробе. До наступления эры технологического прогресса распознавание и идентификация микроорганизмов и вирусов в каждой данной пробе были ограничены теми микроорганизмами и вирусами, которые можно было вырастить в культуре или рассмотреть под микроскопом. Сегодня выявление нуклеотидных последовательностей даже в крошечных пробах окружающей среды или биологического материала можно использовать как отпечатки пальцев, для надежной идентификации микробов и вирусов.

В течение последнего десятилетия ученые использовали эти инструменты для исследования возможной связи между составом человеческого микробиома, состоянием здоровья и определенными заболеваниями. Было установлено, что сообщество микроорганизмов состоит из 75–200 триллионов микробов – это число вполне сопоставимо с 100 триллионами клеток человеческого организма. Таким же поразительным является тот факт, что на каждый триллион микробных клеток приходится в десять раз больше вирусов! Эта популяция вирусов – в большинстве своем бактериофаги (для краткости мы в дальнейшем будем именовать их фагами) – является главной частью человеческого вирома. Остальные представители вирома – это вирусы, инфицирующие клетки нашего собственного организма. Исследования показывают, что от взаимодействия этих трех частей – человеческого организма, микробиома и вирома – главным образом зависит состояние нашего здоровья и восприимчивость к заболеваниям, хотя детали этого взаимодействия пока малопонятны.

Ключевыми методами в стремительно развивающейся отрасли метагеномики являются новейшие методы секвенирования ДНК и создание компьютерных моделей. Ученые могут определить последовательность нуклеотидов в следовых количествах ДНК множества организмов в единственной пробе. Теперь нет необходимости раздельно культивировать микроорганизмы и выделять ДНК из каждого из них. Параллельное секвенирование позволяет определять последовательности нуклеотидов в разных ДНК одновременно. Применяя сложные биоинформационные алгоритмы, можно определять различные последовательности ДНК и их относительный избыток в пробе. С тех пор как отпала необходимость культивироватяь организмы для того, чтобы охарактеризовать и классифицировать их геномную последовательность, был преодолен главный барьер на пути исследования биологических свойств нашего микробиома. Действительно, несмотря на то что подавляющее большинство микробных видов не могут быть в наше время культивированы вне организма человека, параллельное секвенирование позволяет идентифицировать присутствие микроорганизмов в нашем теле и их относительное количество или относительный избыток в микробиоме кишечника. Облегчает этот анализ то, что всем без исключения клеточным формам, содержащим хромосомы, в которых закодирована генетическая программа генов, необходимы особые структуры – рибосомы. Рибосомы – это биологические машины, отвечающие за интерпретацию генетических последовательностей мРНК (мессенджер-РНК), по шаблонам которых из аминокислот синтезируются белки. Гены рибосомной РНК (присутствующие в 16S субъединице рибосомы) – рРНК, содержащиеся в рибосомах прокариот, являются весьма консервативными структурами, сохранившимися в ходе эволюции. Небольшие вариации последовательностей в этих весьма консервативных генах позволяют точно проследить филогенетические взаимоотношения между разными видами бактерий. Сравнивая эти уникальные «отпечатки пальцев» последовательностей рРНК с последовательностями ДНК, хранящимися в геномных базах данных, ученые быстро идентифицируют виды бактерий или простейших, обнаруженных в данной пробе. Отношение частоты определенной последовательности нуклеотидов в генах рРНК к ее частоте в генах ДНК указывает на относительный избыток этой последовательности в пробе.

К сожалению, пока не существует такой же эффективной методики для выявления вирусного метагенома. Его исследование отстает от исследования метагенома микробного. Мы не можем классифицировать вирусы, присутствующие в данной пробе, с помощью метода, пригодного для идентификации генома прокариот. В вирусном геноме отсутствуют гены рРНК, потому что вирусы не кодируют аппарат для синтеза своих собственных белков. Более того, вирусные геномы демонстрируют невероятное разнообразие генов и нуклеотидных последовательностей в них. В самом деле, нет ни одного единичного гена или потомка единичного гена, который можно было бы обнаружить во всех вирусных геномах; для выявления присутствия в пробе определенных вирусных генов и определения их филогенетического родства отсутствуют уникальные вирусные отпечатки пальцев.

Однако семейства родственных вирусов располагают сходными стратегиями репликации, а следовательно, обладают определенными общими типами ферментов или структурных белков, необходимых для их размножения в различных условиях. У генов, кодирующих эти белки, есть сходство в последовательностях нуклеотидов, что позволяет вывести родословную вирусов. Белки интегразы являются примером вирусных ферментов, присутствующих в вирусных частицах разнообразного происхождения. Несмотря на то что эти белки могут быть разными и обладать различными аминокислотными последовательностями, их можно найти у большинства вирусов – эти белки позволяют интегрировать геном вируса в хромосомы клетки-хозяина. Несмотря на генетическую гетерогенность царства вирусов, у всех них наблюдают всего три структурных шаблона капсида. Представляется, что существует ограниченное количество жизнеспособных решений «проблемы» конструкции вирусного капсида. Инкапсулированные вирусы обладают капсидными белками, упакованными в соответствии с одним из трех трехмерных шаблонов. Именно последовательности аминокислот в этих белках вместе с мощными компьютерными инструментами служат опорой для ученых в их суждении о происхождении и родстве вирусных частиц в пробах. Это отнюдь не точное знание, и положение осложняется тем, что только небольшая часть вирусных последовательностей была каталогизирована и сохранена в геномных базах данных. Мало того, вирусные гены склонны к быстрой эволюции, а, кроме того, вирусы очень охотно меняются генетической информацией, которая может прибавляться к геному или, наоборот, безвозвратно теряться в процессе обмена. Будет честнее сказать, что любая оценка сложности вирусного метагенома является в высшей степени приблизительной. Вычислительные методы позволяют обнаруживать сходство между нуклеотидными последовательностями пробы и последовательностями, хранящимися в базах данных. Новые последовательности, или те, что только что возникли, могут и не иметь такого сходства, а следовательно, не могут быть приписаны вирусам определенного вида.

В наше время ученые исследуют вирусные метагеномы в разнообразных экосистемах. Подсчитать количество вирусов в водной среде в настоящее время несложно. Количественная оценка нуклеиновых кислот вирусных частиц, выделенных из проб океанской воды, пропущенной через фильтр с порами диаметром 0,5 микрон, позволила выявить поразительный факт: в каждом миллилитре океанической воды содержится около 1 миллиона микробных тел и от 10 до 100 миллионов вирусов (Bergh et al., 1989). Прибрежные воды океанов являются, по сути, концентрированными растворами вирусных частиц. По самым скромным подсчетам можно предположить, что виросфера состоит из 10¹¹ индивидуальных вирусов, и именно они являются самыми многочисленными биологическими объектами на Земле, превосходя численностью бактерии и простейшие на порядок (Brüssow, Hendrix, 2002; Suttle, 2007; Breitbart, Rohwer, 2005). Для инопланетянина, снабженного органами чувств, регистрирующими микроскопические и макроскопические объекты, мы и другие представители царства эукариот потеряемся в толпе других биологических сущностей – мы представляем ничтожное меньшинство в планетарном биологическом сообществе.

Разнообразие вирусной генетической информации, выявленное во взятых в окружающей природе пробах, поражает воображение. Область морских вирусных метагеномов открылась взору, когда ученым удалось методом параллельного секвенирования ДНК идентифицировать вирусы в морской воде. По прошествии первого десятилетия двадцать первого века эта область продолжает стремительно расти. Профессор Форест Ровер, специалист по морской экологии из университета Сан-Диего в Калифорнии, является одним из первопроходцев в этой сфере. Он и его сотрудники стали первыми учеными, применившими современные технологии для анализа вирусных метагеномов. В 2006 году они опубликовали одно из самых полных исследований на эту тему (Angly et al., 2006; Suttle, 2007). Они собрали и проанализировали пробы из шестидесяти мест в четырех океанах, выполнив секвенирование ДНК в пробах из Мексиканского залива, прибрежных вод западной части Канады, Северного Ледовитого океана и Саргассова моря. Эти исследования позволили приоткрыть дверь в необозримое царство морских вирусных популяций и их экологии. Вместе с данными других экспедиций их работа позволяет нарисовать относительно связную картину, которая показывает, что вирусная популяция океанов является в высшей мере разнообразной (Suttle, 2007). Среди триллионов вирусных частиц, обнаруженных в 100 литрах морской воды, присутствуют многие тысячи разных видов вирусов, каждый из которых обладает уникальной генетической программой, или, иными словами, генотипом. В одном килограмме отложений морского дна обнаруживается более миллиона различных генотипов. Большинство фагов распространены в мире очень широко – они находятся всюду, – но их количество в разных местах сильно варьирует. Вероятно, различные условия окружающей среды оказывают сильное влияние на преобладание тех или иных вирусов и классов вирусов в разных местах (Angly et al., 2006; Breitbart, Rohwer, 2005).

Несмотря на то что наиболее интенсивно в настоящее время исследуют океанический виром, многие ученые изучают виром других экологических ниш. Проводятся исследования метагеномов галофильных или термофильных бактерий и простейших, обитающих в соляных озерах и горячих источниках. Гиполитические микробные сообщества на нижней поверхности прозрачных камней в Намибийской пустыне, отличающейся крайней сухостью, дают такую возможность (Adriaenssens et al., 2014). Вирусы этих собирательных экосистем численно превосходят все остальные компоненты виросферы. Преимущественно они поражают бактерии и простейших, но делают это множеством способов. Для инфицирования эти вирусы используют разнообразные стратегии, у которых есть только одно общее: единственная цель такого инфицирования – репликация и передача генетической информации. Их геномы, кодирующие всю необходимую генетическую информацию, могут состоять из РНК или ДНК и принимать множество разных форм: одноцепочечную или двухцепочечную, линейную или кольцевую, или даже сегментированную. В некоторых редких случаях вирусы способны делиться генетической информацией (когда генетической информации в каком-то геноме недостаточно, и недостающие гены берутся из генома вируса-помощника). Вирусы могут быстро эволюционировать. Это становится возможным благодаря ряду факторов, включая огромную сложность вирусных популяций и короткое время генерации, что приводит к быстро протекающим циклам репликации. Генетическая сложность, о которой я здесь говорю, служит отражением не только большого числа индивидуальных вирусов, но и большого разнообразия в содержании генетической информации. Другим важным катализатором скорости эволюционного развития вирусов является неограниченный обмен информацией и эффективность, с какой вирусы ею обмениваются, как друг с другом, так и с клеткой-хозяином. И, наконец, склонность к ошибкам в репликации, характерная для репликации вирусных нуклеиновых кислот, тоже приводит к генетическому разнообразию в популяции. Вирусы оседлали быстрые эволюционные потоки, подстегивая собственную эволюцию и адаптивную эволюцию своих хозяев. Вирусный метагеном – настоящий шведский стол полезной генетической функциональности. Этот стол позволяет успешно эволюционировать вирусному геному, но если мутации усваиваются хозяином, то они могут послужить и на благо его выживаемости в изменяющемся и враждебном мире.

Ученые подсчитали, что каждый второй фаг из 10²⁵ частиц, начинающих инфицирование клетки-хозяина, распадается на составные части до того, как генетическая программа направит процесс в сторону синтеза копий исходной вирусной частицы. Физику этот процесс сразу напомнит о втором начале термодинамики, учитывая общую массу фагов, а также высвобождение и расход энергии вслед за началом инфицирования. Расщепление организованной структуры фага на неупорядоченные частицы приводит к выделению энергии и увеличению беспорядка. Воссоздание большего числа вирусных частиц требует более значительного притока энергии, которую вирусам приходится извлекать из работы энергетических систем клетки-хозяина. Биолог, с другой стороны, задумается о вовлеченной в процесс биомассе и о воздействии циклов инфицирования на различные экосистемы, что влияет на поток и доступность питательных веществ в пищевой цепи. Генетик, исследующий систему, отметит, что при одновременной репликации 10²¹ фагов будут возникать практически бесчисленные мутанты. Эти варианты копий возникают, когда геномы фагов копируются с ошибками и когда фрагменты генетической информации теряются или обмениваются с фрагментами наследственной информации, одновременно вносимой в клетку другими фагами. Иногда генетическая информация клетки-хозяина добавляется в геном фага, а затем становится его неотъемлемой частью, служащей целям вируса.

Эта «комбинаторная биология» практикуется в природе в очень широких масштабах. Начало ей было положено три миллиарда лет назад; она является плотью и кровью естественного отбора, который основан на невообразимом разнообразии генетической информации в вирусном метагеноме. Эта комбинаторная биология создала и до сих пор поддерживает мир вирусов, который использует разнообразные стратегии репликации во взаимодействии с клетками-хозяевами и популяциями таких клеток. Почти бесконечное число генетических вариантов в виросфере может быть превращено в «прототипы», и по проторенной таким образом дорожке вирусы могут занимать и обживать завоеванное «эволюционное пространство». Вирусы можно уподобить игрокам в лото с неисчерпаемыми ресурсами; эти игроки могут покупать любые билеты; если в наборе существует выигрышный билет, то они непременно его получат. Все, что требуется, – это наличие выигрышного билета, который становится прототипом, дающим эволюционные преимущества. Здесь кроется невероятная способность вирусов быстро адаптироваться к изменениям в клетках-хозяевах и успех, который сопутствует вирусам во всех их попытках занять любую экологическую нишу.

Генетическая информация, закодированная в геномах фагов, составляет большую часть вирусной генетической информации в виросфере. Если мы учтем все гены, идентифицированные к настоящему времени во всех биологических объектах, то фаговые гены составят подавляющее большинство. В 2003 году ученые использовали вычислительный алгоритм Chao1 для того, чтобы собрать в банке генов все ДНК-последовательности всех идентифицированных фагов. Выводы оказались просто поразительными. Ученые смогли высчитать, что предстоит открыть еще около двух миллиардов фаговых генов (Rohwer, 2003). Если учесть число фаговых генов и их нуклеотидных последовательностей, находящихся в генном банке в настоящее время, то это означает, что предстоит обнаружить 99,9998 % всех фаговых генов (Rohwer, 2003). Действительно, во многих океанографических наблюдениях, касающихся метагенома морских фагов, большой процент (около 75 %) собранных последовательностей отсутствует в любой из существующих баз данных и не может быть идентифицирован – эти последовательности ДНК были названы «темной материей» (Breitbart et al., 2002; Pedulla et al., 2003). Никто не знает, какие генные сокровища будут найдены в этом море генетической информации, но ясно одно: эта информация непременно будет использована в процессе эволюции. Эти новые гены могут способствовать возникновению новых штаммов фагов или сообщить вирусам дополнительную вирулентность. Возможно, и люди смогут извлечь из этого какую-то пользу, так как новые гены могут помочь в создании новых биотехнологических инструментов и новых лекарств.

Вирусы являются облигатными паразитами, которые реплицируются только внутри живых клеток организма-хозяина. Естественный отбор может влиять только на исход инфекционного поражения и на успех размножения вируса. Отношение вируса с клеткой-хозяином – это двустороннее отношение, и естественный отбор точно так же работает и на организме хозяина. Выживание клетки-хозяина является мерой успешности клеточного генома. Эта симметрия влияния естественного отбора на генетическую информацию как вируса, так и клетки-хозяина создает феномен, посредством которого вирусы и клетки вырабатывают в конце концов способы взаимоприемлемой активности. Слово «взаимоприемлемый» в данном контексте выглядит не вполне уместно, потому что геномы обоих организмов в этой ситуации вступают в конфликт, и каждый из них преследует свои собственные эгоистические цели для сохранения собственной репликации. Обычно этот процесс называют «гонкой вооружений» или «эффектом Черной Королевы» между жертвой и хищником, хозяином и вторгнувшимся в него врагом (Van Valen, 1973; Dawkins, Krebs, 1979). Отсылка к Льюису Кэрроллу объясняется словами Королевы, сказанными Алисе: «Смотри, тебе приходится бежать изо всех сил, чтобы оставаться на месте» (Carroll, 1871). И вирус, и хозяин должны непрерывно развиваться; каждый раз, когда у одного из партнеров появляется новый генетический вариант, он приобретает преимущество, разрушительное для другого партнера, и второй партнер должен сильно постараться, чтобы восстановить равновесие, избрав адекватную контрмеру. Отпарировать удар противника и нанести ему свой. Так возникают чрезвычайно сложные отношения между вирусом и хозяином. Эволюция вирусов, таким образом, неотделима от эволюции их хозяев. При том, что вирусов так много и что они вездесущи в природе, при том, что вирусный метагеном содержит массу генетической информации, движущей эволюцию, мы можем представить себе то огромное влияние, какое вирусы оказывают на экосистемы.

Выше я ссылался на определение вирусов, основанное на их природе, а не на их составе или размерах. В 2008 году Рауль и Фортер предложили разделить все биологические объекты на «две группы организмов: организмы, кодирующие рибосомы, куда относятся эукариоты, простейшие и бактерии, и организмы, кодирующие капсиды, куда относятся вирусы». Три царства клеточной жизни: эукариоты, простейшие и бактерии – все обладают способностью синтезировать белки и осуществлять собственный метаболизм. Как уже было сказано выше, молекулярные механизмы всех живых клеток, ответственные за сборку белков из аминокислот, осуществляют свою деятельность на рибосомах. У вирусов такой механизм отсутствует, и они опираются на жизненные формы, кодирующие рибосомы для синтеза собственных, вирусных, белков. С другой стороны, клеточным формам не нужны капсиды, и их геномы поэтому не кодируют самособирающиеся капсиды. Это определение делает далеко идущее различение вирусов и других живых организмов, основанное на содержании их генов. Однако при всей его точности я не могу признать его адекватным, потому что в нем не отражена квинтэссенция вирусов. Кроме того, это определение игнорирует существование многих биологических объектов, у которых присутствуют основные признаки вирусов, но отсутствует способность к сборке капсида. В некоторых случаях эволюционно эти объекты восходят к предковым формам, которые обладали способностью образовывать капсиды.

К таким исключениям относятся вирусы, которые усвоили необычный образ существования. Некоторые из таких вирусов являются простыми генетическими репликаторами – эволюционными реликтами – примитивными репликонами, называемыми вироидами. Вероятно, эти формы возникли очень рано и сохранились за время эволюции (в главе 8 будут обсуждаться данные относительно возможного происхождения вироидов). Другие вирусы представляют собой подвижные генетические элементы, способные реплицироваться. Эти частицы попадают в клетки разнообразными способами. В некоторых случаях эти подвижные генетические элементы обнаруживаются в геноме других вирусов, что позволяет предположить, что в качестве промежуточной станции пересадки эти фрагменты использовали хромосомы клеточных форм жизни. В других случаях эти элементы путешествуют только между клетками-хозяевами внутри вирусного капсида, но при содействии «вируса-помощника», инфицирующего ту же самую клетку. В целом можно сказать, что отсутствие кодируемого вирусным геномом капсида не препятствует репликации вирусного генома и даже его перемещению из клетки в клетку.

Определение, основанное на различении рибосомных организмов и объектов, продуцирующих капсиды, является верным лишь отчасти, потому что не учитывает некоторые биологические сущности, которые ведут себя подобно вирусам. Нужна более полезная дефиниция, учитывающая происхождение и эволюцию вирусов, а также их природу. По моему мнению, более адекватным является определение, данное выдающимся специалистом по биоинформатике Юджином Куниным, который много писал, среди прочего, об эволюции и филогенетических взаимоотношениях вирусов. Кунин описывает мир вирусов как состоящий из «собственно вирусов и лишенных капсидов эгоистичных элементов» (Koonin, Dolja, 2014). Это определение охватывает мир вирусов во всей его полноте. Кроме того, оно является более объемлющим, нежели предыдущее определение, противопоставляющее организмы, кодирующие рибосомы, и объекты, кодирующие капсиды. Однако мне думается, что нет смысла отдельно рассматривать «лишенные капсидов эгоистичные элементы». Я утверждаю, что вирусы сами по себе являются, по сути, эгоистичными элементами, паразитирующей генетической информацией, независимо от того, кодирует ли их геном капсид или нет. Вирус – это чистая информация, которая становится вирусом только в тех случаях, когда она может самостоятельно перемещаться между клетками-хозяевами.

Как минимум, этой генетической информации достаточно для того, чтобы направлять свою собственную репликацию в клетке-хозяине, а затем перемещаться в другую клетку. Многие вирусоподобные элементы находятся в хромосомах прокариотических и эукариотических клеток и способны мобилизовать свои нуклеиновые кислоты внутри клетки, размножаясь внутри клеточных хромосом. Точно так же плазмиды прокариотических клеток являются генетическими элементами, которые реплицируются в бактериальных клетках, а затем передаются клеткам-потомкам при делении клеток, а также передаются в другие бактериальные клетки в ходе конъюгации. Ни один из этих классов самопроизвольно реплицирующихся элементов не может поступать в другие клетки путем передачи в них внеклеточного инфекционного агента. По такому определению, эти элементы не могут считаться вирусами в полном смысле этого термина. Несомненно, вирусы являются эгоистичными генетическими элементами, но они также должны быть самостоятельными инфицирующими объектами: естественный отбор вирусных штаммов действует на генетическую информацию, которая передается от клетки к клетке. При инфицировании опробуются различные генетические варианты. Вирусы определяются информацией, которую они переносят, – вирусным генотипом.

Подумайте о полезном определении, описывающем «эгоистичные» генетические элементы. Основанием такого элемента, который реплицируется внутри клетки, является то обстоятельство, что он претерпевает генетическую трансформацию и может развиваться. Естественный отбор, действующий на него, независим от сил естественного отбора, действующего на геном клетки-хозяина. У каждого из этих геномов свое на уме. Они развиваются независимо и часто вступают в конфликт, но всегда под значимым давлением естественного отбора. От нашего внимания не должно ускользнуть то, что без доступной клетки-хозяина вирус лишен инфекционного потенциала и что эгоистичный генетический элемент, который убивает всех своих потенциальных хозяев, тоже потерян для эволюции. Парадоксальный факт: успех паразитических штаммов неразрывно связан с выживанием линий клеток хозяина. Но у эволюции нет плана; некоторые линии эгоистичной генетической информации (включая и вирусные) должны исчезнуть в результате этого эволюционного конфликта. Вирус – это субъединица эгоистичной генетической информации, которая независимо развивается и независимо инфицирует клетки.

Коэволюция вирусов возникает из генетического конфликта между вирусом и хозяином и является процессом, в результате которого линия вируса и клетка-хозяин претерпевают адаптивную эволюцию, которая оптимизирует их перспективы. Часто клетка-хозяин адаптируется таким образом, что приобретает способность устранять повреждения, причиненные вирусным паразитом, и, наоборот, в результате взаимодействия может возникнуть менее вирулентный вирус. Этот исход не является результатом стремления к взаимной гармонии; у каждого партнера свои, эгоистичные мотивы. Вирус и хозяин должны достичь эволюционного успеха независимо друг от друга. Это, на самом деле, гонка вооружений, и во многих случаях она на срезах эволюции может заканчиваться вничью. В других случаях, особенно когда речь идет о новых патогенных для человека штаммах, мы не достигаем даже подобия стабильного равновесия в своих отношениях с вирусом. Как уже было сказано выше, вполне вероятно, что некоторые штаммы вирусов сводят своего хозяина в могилу, и тем самым генетическая информация утрачивается для дальнейшей эволюции.

Здесь я, как вы заметили, несколько раз употребил определение «эгоистичный», которое позаимствовал из определения вирусного царства Кунина (Koonin, Dolja, 2014). Просвещенные множеством блестящих сочинений ученого и писателя Ричарда Докинза, и более всего его вышедшей сорок лет назад книгой «Эгоистичный ген» (Dawkins, 1976), мы теперь понимаем, что самые малые единицы, на которых работает естественный отбор, являются по сути своей эгоистичными. Для того чтобы придать остроту дискуссии, Докинз выбрал самой малой единицей наследственности ген, но с равным успехом это мог быть локус, полиморфизм внутри гена или находящаяся вне гена последовательность, функция которой может стать объектом давления естественного отбора. Если следовать логике аргументации Докинза, то каждый ген внутри вирусного генома сам по себе является эгоистичным. С этим трудно спорить; варианты вирусных генов конкурируют друг с другом за выживание, и победившая форма преобладает в данном локусе генома какой-либо определенной вирусной популяции. Очищение вирусного генома от вредных вариантов и их вытеснение более успешными генами – это весьма эффективный механизм, действующий в вирусных популяциях. Каждый новый вирусный прототип – это путь, который независимо тестируется, когда каждая отдельная вирусная частица инфицирует новую клетку-хозяина. Самый приспособленный вариант быстро вытесняет своих менее приспособленных братьев и начинает доминировать в популяции.

Несмотря на то что вирусные гены, конкурирующие между собой в популяции, можно сравнивать с эгоистичным геном Докинза, я использую термин «эгоистичный» в ином контексте, описывая независимо возникающие элементы, и здесь надо сделать существенную оговорку. В то время как эгоистичные гены клетки-хозяина развиваются исключительно к пользе для организма – «машины, способствующей выживанию генов» (по выражению Докинза), вирусные гены развиваются в конфликте и независимо от своей машины, нацеленной на выживание. Давление отбора, действующее на вирусные гены и определяющее приспособленность вируса, и давление отбора, действующее на клеточные гены и определяющее приспособленность хозяина, действуют независимо. Вирусы и их гены развиваются независимо от развития организма хозяина и его клеточного генома. Успешность клеточного гена неизменно связана с успешностью клетки организма хозяина, в то время как вирусные гены не знают такого ограничения. Вирусы являются облигатными клеточными паразитами, но действуют эгоистично, не оглядываясь на успешность генома своего хозяина: они суть эгоистичная, независимо возникающая и развивающаяся инфекционная информация. Этот эгоизм вирусов поддерживает генетический конфликт, который лежит в основе эволюции вирусов и их хозяев. В следующих главах вы познакомитесь с судьбой вирусных генов, которые становятся интегральной частью хромосом клеток-хозяев, теряя способность к репликации и переходу в другие клетки организма хозяина. С момента включения в хромосому эти гены превращаются в обычные эгоистичные гены Докинза, и их успешность отныне неразрывно связана с успешностью машины выживания генов хозяина.

Большинство из нас понимает и признает, что естественный отбор – это главная сила, направляющая эволюцию жизни на Земле. Равным образом, хотя и не вполне соответствуя классическим критериям определения живых организмов, вирусы развивались по тем же законам естественного отбора, постулированным Чарльзом Дарвином в 1859 году в книге «Происхождение видов» и развитым в двадцатом веке Гексли, Фишером, Холдейном, Добжанским и другими учеными. Почему вирусы не считаются живыми организмами? Ключевое отличие живого от неживого состоит в том, что живые организмы способны автономно извлекать энергию из солнечного света (в случае фотосинтезирующих организмов) или из сложных, богатых энергией соединений, добываемых из окружающей среды. Еще одно отличие – самоподдерживающийся клеточный метаболизм. Вирусы являются облигатными паразитами жизненных форм и зависят от их энергии, инфраструктуры и сырья. Определение вируса как эгоистичной, независимо развивающейся инфекционной информации само по себе не требует, чтобы вирус был живой формой существования материи. Может ли естественный отбор влиять на неживые сущности, если мы примем, что вирусы именно таковы? Ответ на этот вопрос положителен. Эти природные законы действуют, если выполняются следующие критерии: 1) элемент, на который действует естественный отбор, должен обладать способностью к репликации; 2) варианты элементов должны обладать способностью к изменчивости; 3) должна существовать конкурентная среда, в которой лучшие репликаторы добиваются успеха и размножаются быстрее, чем их менее удачливые сородичи. В случае вирусов, однако, линии наследования смазаны, и эти критерии выполняются только в том случае, если вирус овладевает клеточными механизмами, работу которых он использует для своей репликации. Динамизм вирусной репликации в клетке-хозяине поразителен; некоторые ученые утверждают, что инфицированная вирусом клетка сама по себе должна считаться независимой живой сущностью, ассоциированной с вирусом, и назвали такую клетку «вироцелем» (Forterre, 2013). Это очень интересная идея – считать вирусы биологическими сущностями, которые занимают промежуточное место между косной материей и голой информацией, с одной стороны, и автономными формами жизни – с другой. Мы имеем право признать, что именно план, в нашем случае – вирусный геном, является объектом приложения естественного отбора, который посредством изменения плана влияет на способность к репликации и передаче от клетки к клетке. Невозможно, однако, спорить с тем, что в отсутствие живой клетки может каким-то образом проявиться фенотип вируса. Узел затянут туго: рассматриваемые сущности – вирусы определенно не являются автономными и живыми, но существует мощная связь между информационным содержанием и упорядоченными, богатыми энергией, вирусными частицами. Потенциал репликации высвобождается при контакте вируса с живой клеткой-хозяином, и именно в этот момент проявляется жизнеспособность вируса.

Можно спорить о том, насколько плодотворным является термин «вироцель» для углубленного понимания сути вируса и надо ли считать вироцель самостоятельной биологической сущностью. Мне эта идея представляется сомнительной. Концепция вироцеля была развита некоторыми учеными для обоснования возможности того, что некоторые вирусы (это обсуждается в главе 8) могли произойти от ныне вымершего четвертого живого царства. Эти гипотезы надо тихо похоронить. Самое лучшее – это признать, что заложенная в вирусе информация реализует свой потенциал и ближе всего подходит к живому состоянию, когда она использует метаболические функции клетки-хозяина. Тем не менее передающаяся от клетки к клетке эгоистичная и независимо развивающаяся генетическая информация – это и есть то, что составляет суть вируса.

Сохранят ли все эти аргументы свою силу, если мы попытаемся рассмотреть самые ранние этапы эволюции и разобраться в том, как именно возникло царство вирусов. Ученые согласны в том, что вирусы возникли до того, как началась эволюция истинных клеточных форм (Koonin, Dolja, 2014). Критериям естественного отбора впервые, по-видимому, соответствовали предковые формы генетических элементов, вероятно на основе РНК, когда у них развилась способность к саморепликации. Предположительно, процесс, включающий предрасположенную к ошибкам репликацию, связывание и обмен простых элементов с формированием более сложных видов, и стал объектом естественного отбора. Можно представить, что вначале было много репликаторов, составленных из различных генетических элементов, которые примитивно реплицировались разными способами. Естественный отбор вступил в игру, когда эти репликаторы начали конкурировать за ресурсы, возможно, доступные химические строительные блоки, или когда условия изменились в пользу того или иного класса репликаторов. Эта ситуация могла вскрыть разницу в приспособленности форм репликации и благоприятствовать самым успешным формам, и, таким образом, осуществлять селекцию определенных репликаторов. Давайте на минуту представим себе, что доклеточные репликаторы являлись первыми, предковыми формами жизни. Но в таком случае как могли возникнуть вирусы? Согласно самой популярной гипотезе, они отделялись от этих более ранних предшественников по мере их структурного и функционального усложнения. Паразиты, скорее всего, возникли как неспособные к репликации элементы, которые тем не менее могли использовать химические свойства репликаторов, за счет чего им удавалось реплицироваться самим. После этого первичного становления паразитических отношений естественный отбор получил возможность независимо действовать как на паразитические, неавтономные, репликаторы, так и на автономные. Таким образом, сформировались две отдельные линии. Вероятно, очень смело предполагать, что паразитические неавтономные репликаторы, предшественники вирусов, на самом деле, начинали как члены популяции репликаторов, но отделились от них, утратив часть информации, что привело к появлению дефектных репликаторов, ставших облигатными паразитами, использующими те же механизмы, что и автономные репликаторы. По логике этого рассуждения мы должны заключить, что первые вирусы возникли как ранние предшественники жизненных форм, но утратили способность к автономной репликации и начали развиваться параллельно со своими хозяевами, которые в конечном счете приобрели весь тот антураж, который мы сегодня считаем жизнью.

Заканчивая введение, в котором вирусы представлены как эгоисты и носители чисто паразитической генетической информации, я должен отметить, что несмотря на то, что вирусы, на самом деле, являются косными во всех отношениях, они тем не менее уникальны в своей способности заново, в новом обличье, переделывать себя при каждом следующем инфицировании клетки-хозяина, и процесс этот начинается лишь с плана, закодированного в цепях ДНК или РНК. Живые клетки неспособны на такие подвиги. Несмотря на то что мы обычно ассоциируем естественный отбор с эволюцией живых организмов, вирусы, эти инертные биологические сущности, в конечном счете являются результатом естественного отбора, то есть они развивались вместе с жизненными формами и стали самыми многочисленными и разнообразными репликаторами на Земле. Как мы увидим, способность к быстрой эволюционной адаптации позволила вирусам проникнуть во все домены и царства жизни, где они стали мощными катализаторами эволюции своих хозяев. Это глубокое влияние на формирование и существование экосистем нашей планеты можно сравнить с влиянием великих империй прошлого, которые оказали глубокое воздействие на географию и культуру всего света. «Вирусная империя» может быть косной материей, неспособной к вдохновению в отсутствие помощи от живой клетки-хозяина, но нельзя недооценивать роль этой империи. Потенциал вирусов продолжать развитие в привычной эгоистичной манере, не задумываясь о судьбах человечества, сохраняется и сегодня. Для вирусов эта работа продолжается в своем бесконечном развитии.

Наше подробное рассмотрение виросферы, приведенное в предыдущей главе, демонстрирует все изящество и сложность этих мельчайших переносчиков генетической информации. Тем не менее мы не коснулись разнообразного набора стратегий репликации и взаимоотношений вирусов с клетками-хозяевами и их популяциями. Ничего не было сказано и об эволюционных процессах, сформировавших вирусы, и о том, как вирусный метагеном повлиял на эволюцию живых организмов во всех доменах жизни, включая и экосистемы. Здесь мы постараемся восполнить этот пробел.

Начнем мы с самого многочисленного отряда вирусов, внесших самый весомый вклад в формирование вирусного метагенома, – отряда фагов. Эти вирусы обладают древними корнями и инфицируют самые примитивные, но доказавшие свою успешность генетические линии – бактерии и простейших. Благодаря давней истории своих взаимоотношений эти микроорганизмы представляют собой самые элегантные примеры совместной эволюции вирусов и живых клеток. Хочу еще раз пояснить, что на следующих страницах мы будем просто рассматривать мир вирусов и его отношения с живыми клетками в том виде, какой оно имеет в наше время. Вероятно, мы можем порассуждать о том, какими эти отношения были раньше, но не возьмемся предсказывать, какими они станут в будущем. Разнообразие вирусного метагенома, спрятанное в генетической «темной материи», – это строгое напоминание о том, что до сих пор существует множество возможностей для эволюционных изменений, катализируемых миром вирусов. Эти изменения будут проявляться ветвлениями самих вирусов, но, определенно, это ветвление и изменчивость затронут и их хозяев, и экосистемы, населенные этими хозяевами.

За счет своей многочисленности в природной среде фаги играют важную роль в формировании глобальных экосистем. Это верно в отношении хвостатых фагов, содержащих двухцепочечную ДНК. Эти фаги составляют очень крупный и разнообразный порядок вирусов, метко названный Caudivirales (хвостатые вирусы). Хвостатые фаги с двойной цепью ДНК – это одна из старейших известных групп ДНК-содержащих вирусов. Эти вирусы, поражающие как бактерии, так и простейших (Krupovic et al., 2011), широко представлены в вирусных метагеномах всех известных на сегодняшний день экосистем. У всех этих вирусов общий геном, состоящий из двойной цепи ДНК, заключенной в крошечный икосаэдрический капсид диаметром меньше одной десятой микрометра, снабженный шиповидным выступом. Эта морфологическая особенность служит основанием для объединения всех этих вирусов в один порядок – Caudovirales. Эта группа невероятно разнообразна; гены со сходными функциями часто сильно отличаются по аминокислотному (так в тексте! вероятно, надо писать «нуклеотидному». – Прим. перев.) составу, который изменился по ходу эволюции от далеких общих предков. Более того, размер генома варьирует от менее чем 18 000 пар оснований, которых едва хватает на кодирование 30 белков, до почти полумиллиона пар оснований, которых вполне достаточно для кодирования 675 белков. Очень мелкие фаги кодируют лишь самое минимальное оснащение для репликации в клетке-хозяине. Эти мелкие фаги можно уподобить дрегстеру, которому для скорости оставлено только шасси, в то время как фаги с крупными геномами можно уподобить седанам представительского класса, снабженным самыми разнообразными дополнительными приспособлениями. Эти различия являются всего лишь результатом радикально отличающихся друг от друга траекторий эволюции в разных линиях фагов с двойными цепями ДНК, претерпевавших эту эволюцию в клетках разных хозяев. Отсюда мы можем заключить, что дополнительные гены в геномах более крупных фагов создавали для них какое-то конкурентное преимущество. Дополнительные функции, которыми они в результате стали обладать, видимо, улучшили репликативную успешность соответствующих фаговых линий в их индивидуальных нишах.

Caudovirales, древнейшие из фагов, инфицируют как автотрофных, так и гетеротрофных прокариот (Hendrix, Hatfull, Smith, 2003). Цианобактерии (ранее называвшиеся сине-зелеными водорослями), способные фиксировать углерод в процессе кислородного фотосинтеза, являются автотрофами и древнейшими из известных первичных продуцентов. Гетеротрофы зависят от первичной продукции других, автотрофных жизненных форм и пользуются продуцируемыми ими органическими соединениями для продукции собственной энергии. Отсюда следует, что эти фаги инфицировали общего прокариотического предка бактерий и простейших. Более того, нет ничего нелепого в предположении, что хвостатые фаги, присутствовавшие в океане, были первыми хищниками, истребителями прокариот. В ходе эволюции они появились определенно раньше, чем другие хищники, такие как одноклеточные жгутиковые и реснитчатые, которые в наши дни являются главными пожирателями автотрофов и гетеротрофов, населяющих наши океаны. Это отношение хищник – жертва между фагами и их хозяевами устояло в течение всей эволюции клеточной жизни. Пользуясь своей способностью к быстрой адаптации в условиях постоянно меняющегося давления отбора и реагируя на эволюционные изменения хозяев, фаги выработали широкий диапазон сложных и развитых отношений с клетками-хозяевами.

Некоторые хвостатые фаги, называемые литическими или вирулентными фагами, ведут себя просто как хищники прокариотических хозяев. После проникновения в клетку они быстро налаживают экспрессию своих собственных генов, которые захватывают управление метаболизмом клетки. Начинается синтез геномов и структурных белков фагов, происходит сборка вирусных частиц, и клетка-хозяин распадается (или лизируется), высвобождая сотни реплицированных вирусных частиц. В других случаях развиваются более утонченные типы взаимодействия. Инфицирующий фаг не сразу разрушает клетку, воздерживается от начала литического репликативного цикла и становится симбионтом клетки-хозяина, включив свою ДНК в хромосому клетки. Образующийся таким способом профаг, в спящем и безвредном для клетки состоянии, ведет себя как часть клеточной хромосомы и начинает реплицироваться только тогда, когда клетка начинает делиться. За эту услугу фаг платит клетке защитой от вторжения частиц других родственных фагов. Кроме того, геном фага может пополнить клеточный геном новой и полезной генетической информацией, что придает клетке новые свойства, имеющие конкурентное преимущество в сравнении с неинфицированными клетками. Естественный отбор действует на геномы фагов и их хозяев независимо, но после множества столкновений фага и хозяина развивается состояние мутуализма, которое часто приносит пользу и клетке, и вирусу. В этих условиях для обоих повышается вероятность выживания и продолжения генетической линии наследования.

Для того чтобы надлежащим образом интерпретировать сложные взаимоотношения вирусов с их прокариотическими хозяевами, нам надо рассмотреть процесс, с помощью которого фаги проникают в клетки хозяина и перестраивают его инфраструктуру. Естественно, фаги преследуют свою чисто эгоистическую цель – создать условия для беспрепятственной репликации. Такова главная директива вирусного генома, но такова же цель каждого гена и, на самом деле, всех генов живых сущностей. Фаги – это вирусы, которые инфицируют только прокариотические клетки, то есть одноклеточные организмы, лишенные ядра. Несмотря на то что это простейшие из существующих живых организмов, их фаги проявляют на удивление широкий спектр способов существования и стратегий инфицирования, каковой повторяется во всем мире вирусов. Исключительная взаимная приспособляемость хозяина и фага является результатом длительной истории совместной эволюции, подкрепляемой способностью фагов к быстрому усвоению генетических новшеств.

Согласно каноническому определению, вирус является «инфекционным агентом, в типичных случаях состоящим из молекулы нуклеиновой кислоты, одетой в белковую оболочку». Сам по себе инфекционный агент – это вирусная частица, сущность, которая, по наблюдениям Ивановского и Туорта, способна проходить через поры фарфорового фильтра (Bos, 1999; Twort, 1915). Эта частица является формой вируса, в которой он высвобождается из инфицированной клетки в окружающую среду; это просто нуклеопротеин, косный и инертный до тех пор, пока ему не представится случай инфицировать следующую клетку. Частица фага, томящаяся в окружающей среде слишком долго, инактивируется или просто разрушается под воздействием физических или химических факторов среды. Внутри капсида находится геном, состоящий из нуклеиновой кислоты, кодирующий информацию, которая может наследоваться, определяя вирус, его структуру и производимые им процессы. Белковый компонент вирусной частицы обладает двумя главными целями: 1) защита ценного содержимого от влияний окружающей среды, потому что чем дольше вирус и его генетический груз могут существовать в окружающей среде, тем больше шансов, что он сможет в конце концов инфицировать подходящую клетку; 2) белковая оболочка обеспечивает способность вирусной частицы прикрепляться к поверхности инфицируемой клетки и возможность проникновения вирусной хромосомы внутрь клетки-хозяина, в ее цитоплазму. За немногими исключениями, внутрь клетки проникает голый геном, а капсид сбрасывается и остается снаружи инфицируемой клетки. Каждый цикл репликации фага начинается с чистой генетической информации. Потомки вируса – это воссоздания исходного вируса, который строится по плану, начертанному на нуклеиновой кислоте вирусной частицы. Новые вирусы являются идентичными копиями своих родителей и, если отвлечься от генетических мутаций, направляющих ход эволюции, ведут себя совершенно одинаково.

Самые древние независимо развившиеся эгоисты, рассмотренные в главе 1, были всего лишь кодирующими информацию элементами, плававшими в первичном бульоне, которые оставались отделенными (но зависимыми) от других кодирующих информацию элементов (от которых зависела репликация первых). В какой-то момент предшественники одноклеточных организмов стали реплицироваться более успешно, используя для этого организованную структуру (Koonin, Martin, 2005; Woese, 2002). Вероятно, это предоставляло преимущества для клональной экспансии репликатора, так как позволяло иметь все необходимое для репликации в непосредственной близости, возможно, внутри отграничивающего слоя. Мы можем лишь спекулировать на тему того, что происходило в действительности, но представляется весьма вероятным, что предшественники вирусов эволюционировали параллельно со своими хозяевами. Возможно также, что они начинались как фрагменты дополнительных репликонов внутри этих структур, но в какой-то момент стали высвобождаться во внеклеточную среду. У них появилась «внеклеточная фаза». Получив способность к репликации, но без способности к самостоятельной автономной репликации, они стали паразитами. Теперь паразитам потребовался механизм для связывания с замкнутыми структурами и для проникновения в них.

Стоит поэтапно рассмотреть каскад событий, разыгрывающихся в процессе инфицирования хозяина вирусным паразитом. Молекулярные детали процесса различаются и варьируют в зависимости от конкретного вируса или хозяина, но все вирусные инфекции обладают некоторыми основными общими чертами: проникновением, репликацией и выходом. Мы начнем с проникновения. Эгоистичная генетическая информация нашего хвостатого вируса кодирует белки капсида и белки сборки хвоста. Белки капсида выстраивают защитную оболочку, в которой находится геном, а хвост служит средством введения генетической информации внутрь клетки-хозяина. Некоторые белковые компоненты хвоста, расположенные ближе к его концу, обладают молекулярным сродством к белкам поверхности клетки. Случайный контакт между белком хвоста фага и этим клеточным «рецептором» приводит к связыванию фага с клеточной поверхностью. Здесь работают те же физические принципы, которые лежат в основе взаимодействия антигена с антителом. Молекулярное взаимодействие приводит к образованию энергетически выгодного комплекса. Таким образом фаг оказывается в непосредственной близости от своей жертвы. Состоящий из множества белков хвост – сложная молекулярная машина, целью работы которой является доставка нуклеиновой кислоты, содержащейся в капсиде, в цитоплазму клетки. Аппарат хвоста нашего фага работает, как шприц, выдавливающий ДНК фаговой хромосомы в клетку. Эту последовательность связанных между собой событий, запускаемую первоначальным физическим взаимодействием вирусной частицы с клеточным рецептором, можно рассматривать как каскад событий с благоприятным термодинамическим исходом. Энергия, сохраненная в упорядоченной структуре вируса, используется для протекания процесса.

После проникновения в цитоплазму клетки-хозяина вирус получает доступ к ресурсам, необходимым для репликации его генома и сборки новых вирусных частиц. Аппарат клеточного метаболизма изначально занимался обеспечением энергией роста и размножением самой клетки – морфологической основы жизни, – но вскоре после того, как синтезируются первые продукты экспрессии генов фага, он взнуздывает те же клеточные механизмы, и они начинают обеспечивать репликацию вируса. Теперь клетка-хозяин обречена на гибель, так как ее ресурсы целиком и полностью истощаются в воспроизведении паразита. Тем не менее клеточная инфраструктура остается достаточно жизнеспособной для того, чтобы завершить репликацию вирусного генома и морфогенез новых вирусных частиц. В интересах вируса сохранить жизнеспособность клетки настолько, чтобы выполнить эти задачи (на самом деле, некоторые вирусы, например нитчатый фаг, реплицируются и покидают клетки, не причиняя ей видимого вреда). После завершения цикла репликации вирусов собранные вирусные частицы накапливаются в цитоплазме. В типичных случаях вирус кодирует специфические вещества, роль которых заключается в разрушении клеточной стенки хозяина, что высвобождает в окружающую среду новообразованные вирусные частицы.

Трудно спланировать и осуществить поэтапный генетический эксперимент, который позволил бы продемонстрировать те сложные и изящные механизмы, которые позволяют вирусам использовать энергию и инфраструктуру живых клеток. Эти эволюционные процессы направляются теми же мощными силами дарвиновского отбора, который создал многоклеточную жизнь и ее разумные формы в ходе процесса проб и ошибок и выживания наиболее приспособленных вариантов. Очень увлекательно считать разумные многоклеточные организмы кульминацией достижений естественного отбора, далеко превосходящей достижения эволюции этих примитивных клеточных паразитов. Но будет честно отметить, что разнообразие вирусного мира и объем генетической информации, созданной вирусами, превосходит разнообразие и объем генетической информации клеточных форм жизни. Если вы пороетесь в базах данных последовательностей нуклеотидов ДНК, то обнаружите, что подавляющее большинство уникальной генетической информации в нашей биосфере является вирусной, не имеет ничего общего с клеточными геномами и не происходит от них. Именно вирусы создали хранилище генетического разнообразия планеты. Будучи паразитами великого множества организмов – от цианобактерий и амеб до неандертальцев и людей разумных, вирусы успешно освоили огромное эволюционное пространство, с которым не может сравниться пространство любой формы жизни.

Некоторые фаги придерживаются исключительно хищнической стратегии репликации, которая приводит к циклам разрушения клеток-хозяев и высвобождению новых инфекционных вирусных частиц. Это завзятые гонщики мира фагов, созданные для жестокой и грубой эффективности, но лишенные всякого намека на гибкость тактики. У этих фагов одна цель – репликация любой ценой.

Другие фаги проявляют большую гибкость, и если продолжить автомобильную аналогию, то можно сказать, что они похожи на добротные туристические автомобили: они скоростные, но могут использоваться на обычных дорогах и снабжены приспособлениями, повышающими комфорт поездки, а также могут приспосабливаться к различным дорожным условиям. Эти фаги пользуются роскошью выбора стратегии после проникновения вирусной частицы в клетку. Эти фаги называют умеренными за их способность к самоограничению и умеренности, за отказ от немедленного удовлетворения страсти к литической репликации. Конечно, и эти фаги часто прибегают к лизису клетки, но при некоторых условиях они могут выбрать альтернативную стратегию и надолго поселиться в ДНК клетки-хозяина. После этого они становятся фрагментами передаваемой по наследству генетической информации, так как реплицируются вместе с хромосомой клетки, которую инфицировали. Для того чтобы этого добиться, вирус кодирует ферменты, необходимые для разрезания хромосомы и внедрения в нее собственной ДНК. Получившийся в результате профаг экспрессирует весьма ограниченный набор генов, кодирующих белки-репрессоры, которые помогают вирусу пребывать в дремлющем состоянии внутри хромосомы хозяина, где вирусная ДНК ведет себя всего лишь как еще один модуль клеточных генов. Этот процесс известен в науке под названием лизогении. Профаг сохраняется в клетке долго и передается дочерним клеткам при их делении.

Эволюция этих двух альтернативных типов поведения фагов – литическая репликация и лизогения – должны давать преимущества в выживании линии фага. Ключевым для этого преимущества является принятие правильного решения: лизировать клетку или ограничиться лизогенией. Какая тактика обеспечивает большую вероятность достижения цели вируса – распространения его генов? Для того чтобы принять это решение, вирус кодирует механизм переключения генов, который способен улавливать состояние клетки-хозяина после инфицирования. Если клетка имеет метаболический отпечаток быстро растущей здоровой популяции, то фаг предпочтет литическую репликацию. Такая стратегия обеспечивает быстрое размножение вируса и высвобождение его многочисленных потомков во внеклеточную среду, где высоки шансы встретить такую же здоровую клетку, которую можно атаковать, инфицировать и лизировать. С другой стороны, если вирус «чувствует», что инфицированная им клетка не склонна к быстрому делению, или если вокруг много других вирусов, стремящихся инфицировать ту же клетку, то он может выбрать умеренную стратегию и ограничиться лизогенией, включив свой геном в клеточную хромосому. В таких условиях это оптимальная стратегия, потому что литическая репликация в клетке, которая является частью увядающей популяции, может привести к высвобождению потомков вируса в среду, где мало пригодных к инфицированию клеток. Все будет потеряно, и вирусные частицы будут томиться в окружающей среде до самой своей гибели. Лучше сидеть тихо и передавать генетическую информацию следующим поколениям одной и той же клетки. Эта стратегия не приводит к быстрому размножению и увеличению количества вирусных частиц, но зато способствует сохранению генетического материала.

В любом случае, как у хорошего иллюзиониста, у профага есть в рукаве и иная тактика выживания. Как можно судить по самому названию, профаг может стать родоначальником фага и вступить в цикл вирулентной репликации. Если клетка, в которой имела место лизогения, испытывает какой-либо стресс и рискует погибнуть, то профаг улавливает ситуацию и принимается спасать от гибели свой геном. Бактерии обычно реагируют на стрессогенные ситуации в окружающей среде стандартными запрограммированными ответами. Особенно важным фактором активации профага является стрессовая реакция клетки на повреждение ее ДНК (Ptashne, 2004). Эта реакция заставляет профаг переключать репрессированное дремлющее состояние в состояние вирулентной репликации: вирусный геном мобилизуется, особые ферменты вырезают вирусный геном из бактериальной хромосомы, и геном восстанавливает свою репликативную форму. Профаг экспрессирует продукты гена фага, отвечающие за репликацию ДНК, после чего начинается сборка новых инфекционных вирусных частиц. Фаг успевает реплицироваться до того, как погибает клетка-хозяин. Несмотря на ненадежность шансов, потомки реплицированного фага высвобождаются, чтобы дожидаться встречи с новой подходящей клеткой-хозяином, то есть возможности новой репликации.

В популяции бактериальных клеток, в которых произошла лизогения, – в лизогенах – каждая клетка содержит в своей хромосоме копию одного и того же профага. Индукция профагов происходит с высокой частотой, если популяция подвергается стрессу, что приводит к массированному разрушению клеточной популяции. Однако в растущей здоровой популяции профаги индуцируются спонтанно с очень низкой частотой. Лабораторные исследования показывают, что на 10 000 бактериальных клеток происходит одна индукция фага в каждом поколении клеток. Несмотря на то что такая спонтанная и редкая индукция является смертельной для отдельно взятой клетки-хозяина, мы все же можем заключить, что популяция лизогенированных клеток может получать пользу от присутствия профагов.

Какими же могут быть преимущества, перевешивающие риск от присутствия в клетке такой отравленной пилюли? Одно из объяснений заключается в том, что лизогены защищены от инфицирования сходными, родственными фагами. Та же репрессивная функция, которая поддерживает устойчивое существование профага, предотвращает литическую репликацию проникшей в профаг вирусной частицы. Таким образом, фаги, высвобождаемые в результате индукции, не могут атаковать генетически идентичные лизогены, но могут инфицировать не лизогенированные или другие восприимчивые клетки. Более того, фаги, вызывающие лизогению клеток, часто привносят в нее гены, кодирующие белки, полезные для клетки. Такое явление называют конверсией фага. Разумно предположить, что лизогения в целом оказывает благотворное влияние на клеточную популяцию. Популяция лизогенных клеток как целое повышает свою приспособляемость и становится более успешной. Это преимущество, обеспечиваемое фагом, намного перевешивает вред, причиняемый индукцией и гибелью незначительного меньшинства клеток популяции.

Следуя той же логике рассуждений, будет разумно предположить, что способность профага подвергаться индукции с небольшой частотой сама по себе является преимуществом для генома фага. Привлекательна мысль о том, что это ограждающая стратегия, при которой генетически однородная популяция фагов может одновременно проявляться в двух фенотипах – в данном случае для того, чтобы оптимизировать вероятность генетической успешности. Лизогению можно считать проявлением вирусного консерватизма, стратегии, направленной на выживание в неблагоприятных условиях. Литическая репликация – это азартная игра с высокими ставками, которая окупается уверенным предсказанием результата. Фаг, который никогда не пользуется преимуществами вознаграждений в азартной игре (за исключением неопределенных ситуаций), не будет таким же эволюционно успешным, как консервативный в целом фаг, который периодически индуцируется, когда вознаграждение проявляется в виде стремительного увеличения числа вирусных частиц. Представляется весьма вероятным, что фаги развились для спонтанных, подчиняющихся стохастическим закономерностям индукций – для того, чтобы пользоваться преимуществами литической репликации, но не подвергать опасности генетически однородную популяцию профагов, дремлющих в хромосомах их медленно делящихся хозяев.

В водных экосистемах наши хвостатые вирусы выступают основными игроками; у большинства из них мелкие геномы, и сами они являются вирулентными литическими фагами, которые инфицируют и тут же лизируют пораженную клетку. Созданные на голом каркасе небольшого генома, эти фаги несут лишь ту информацию, которая важна для проникновения в клетку и овладения ею, для дупликации своего генетического материала и уничтожения клетки-хозяина. Этот убийственный цикл происходит в наших океанах повсеместно, днем и ночью. Гибель клеток-хозяев приводит к высвобождению питательных веществ обратно в окружающую среду и делает их снова доступными у основания или на нижних звеньях пищевой цепи, включая и сами клетки-хозяева фага. Было подсчитано, что инфекция литическими фагами убивает практически столько же прокариот, что и питающиеся ими реснитчатые и жгутиковые простейшие; каждый день фаги уничтожают до 20 % микробной биомассы мирового океана (Rohwer, 2009; Suttle, 2007). Таким образом, фаги являются чрезвычайно важным компонентом сохранения равновесия морских экосистем, перерабатывая питательные вещества, предохраняя органические вещества от исключения из пищевой цепи и делая их вновь доступными для низших форм жизни.

Инфицирование фагами оказывает сильное влияние на численность популяций прокариот в этих природных ареалах. Высокая смертность в популяциях клеток-хозяев часто сочетается с массированным инфицированием их фагами. Здоровые растущие популяции прокариот представляют собой самую плодородную почву для хищников-фагов. Высокая плотность интенсивно делящихся клеток-хозяев благоприятствует быстрому повторению циклов литической репликации фагов. Такая стратегия фагов была названа: «Убить победителя» (Short, 2012). Эпидемическое уничтожение доминирующих видов прокариот приводит к катастрофическому сокращению численности популяции, что освобождает место для конкурирующих одноклеточных организмов, которые начинают размножаться вместо погибших бактерий. В свою очередь, эта популяция тоже падет жертвой вирусных хищников. Таким образом, устанавливается цикл экспансии бактериальных популяций, сменяющейся их уничтожением вирусами. Эти циклы позволяют множеству конкурирующих видов прокариот сосуществовать в одном ареале обитания и поддерживать разнообразие видов, что очень важно для сохранения целостности глобальных экосистем.

Экологические последствия эпидемии убийства победителей вирусами могут быть очень далеко идущими, и пример этого мы видим в Восточно-Африканской зоне разломов; эта, расположенная в Кении область отличается невероятной красотой. Вулканы, многие из которых до сих пор действуют, возвышаются над плодородными равнинами, где водятся черные носороги, львы, жирафы, куду и другие виды экзотических животных. В долине жизнь поддерживается цепью из более чем пятидесяти озер. Два озера – Богория и Накуру – являются домом для 75 % всех существующих в мире карликовых фламинго, вида, который находится под угрозой исчезновения и внесен в Красную книгу Международного союза охраны природы. Сотни тысяч розовых фламинго, обитающих в этих озерах, представляют собой незабываемое зрелище. Богорию и Накуру называют «натриевыми озерами» из-за высокого содержания соли в их воде. Вода лишена стока и поэтому имеет щелочную реакцию. Вода этих озер окрашена в сине-зеленый цвет из-за большой концентрации цианобактерий, большая часть которых принадлежит виду Arthrospira fusiformis. Этот фотосинтезирующий пикопланктон является основным источником корма для карликовых фламинго. За прошедшие сорок лет численность прилетающих на озеро птиц радикально уменьшилось вследствие их таинственной гибели. Такие причины, как загрязнение воды тяжелыми металлами и пестицидами или отравление цианобактериями и инфекционные заболевания, могли усугубиться недостатком пищи. Повышение частоты гибели птиц на протяжении последних двух десятилетий сопровождается колебаниями их численности – от одной тысячи в некоторые годы до полумиллиона особей в другие. Изучение биомассы планктона в трех соленых озерах, включая Богорию и Накуру, позволило заподозрить возможную причину, так как были выявлены пятидесятикратные колебания биомассы, причем надиры величин совпадали с уменьшением численности фламинго. Интересно, что популяции A. fusiformis расцветали, размножались и доминировали, а затем наступал момент, когда численность этих цианобактерий резко сокращалась, и они уступали место бактериям вида Anabaenopsis или конкурирующему пикопланктонному хлорофиту Piocystis salinarum (Lothar, Kiplagat, 2010). Основная идея заключалась в том, что отсутствие питательных микроорганизмов делало популяцию более чувствительной к загрязняющим веществам или патогенным микроорганизмам и что в данном случае речь шла о происходивших в озере качественных и экологических изменениях. Тем не менее оставалась неясной причина колебаний численности пикопланктона.

В 2013 году группа ученых под руководством Михаэля Шагерля из Венского университета опубликовала результаты своих исследований, в которых к проблеме подошли с другой стороны (Peduzzi et al., 2014). Ученые понимали, что вирусы, скорее всего, являются преобладающими биологическими сущностями в озерах Восточно-Африканской зоны разломов и, так же как в других водных экосистемах, могут быть важной причиной смертности в популяциях цианобактерий. Ученые решили отследить количество и объем видов цианобактерий, служащих главным источником питания для карликовых фламинго, а также оценить количество поражающих цианобактерии цианофагов. Примечательно, что ученым удалось зафиксировать число вирусов, рекордное для всех исследованных до этого экосистем: величина оказалась просто невиданной – 7 × 10⁹ вирусов на 1 миллилитр озерной воды. Когда ученые измерили плотность популяции цианобактерий A. fusiformis в озерной воде в разные моменты времени, им удалось связать уменьшение плотности популяций планктона с микроскопически видимыми признаками поражения цианофагами. Неудивительно, что такие периоды характеризовались уменьшением численности популяций фламинго. Стало ясно, что эти периодически повторявшиеся уничтожения A. fusiformis были обусловлены литическими цианофагами, убивавшими победителей. Это позволяло объяснить и ранее сделанные наблюдения, согласно которым в отдельные периоды в водах озера увеличивалась численность других планктонных видов, что говорило о повторении циклов уничтожения победителей, которые помогали сохранять разнообразие микробных популяций.

Экосистема соленых озер Восточно-Африканской зоны разломов дает первый документально подтвержденный пример того, что инфицирование фагами оказывает сильное влияние на всю пищевую цепь. Простота экосистемы, в которой вирусная инфекция непосредственно влияет на главный источник пищи для карликовых фламинго, находящихся на высших ступенях пищевой цепи, делает этот эффект особенно драматическим. Остается еще одна проблема: почему экология озер так сильно изменилась именно за последние пять десятилетий? Не объясняется ли этот феномен простым улучшением качества наблюдений? Более вероятно, что к уменьшению микробного разнообразия в озерах привели изменения в окружающей среде и стохастические факторы. Упрощенная пищевая сеть стала опасно восприимчивой к значимым флуктуациям биомассы благодаря хищническому поведению фага. В последние годы численность популяции карликовых фламинго на озере Накуру колебалась от сотни особей до миллиона, демонстрируя то мощное влияние, какое может оказывать на наши экосистемы вызванное активностью фагов повышение смертности микроорганизмов.

Сокровищница уникальных генов и метаболических функций, метагеном фагов, является ценной валютой адаптивной эволюции в мире микробов. Сейчас мы поймем, что фаги действуют, как биржевые брокеры, облегчая передвижение и обмен генетической валюты, вдыхающей жизнь в экономику эволюции. Генетическая экономика приводится в движение эгоистичностью генома фагов, которые берут за это свою комиссию. Геномы фагов приобретают конкурентные преимущества, которые благоприятствуют успешной репликации их собственных генотипов. Фаги – мощные катализаторы генетического обновления и эволюционной адаптации их микробных хозяев (Casjens, 2003; Penades et al., 2015; Ochman, Lawrence, Groisman, 2000). В предыдущем разделе я познакомил вас с альтернативными моделями поведения фагов, включая модель взаимодействия с индивидуальными клетками-хозяевами и с популяциями клеток, приводящего к изменениям в целых экосистемах. Теперь мы попробуем разобраться в том, как эти взаимодействия влияют на собственную эволюцию вирусов и на эволюцию микробных клеток в пределах таких экосистем.

Термином «рекомбинация» обозначают обмен генетической информацией внутри генома и между геномами. Рекомбинация может происходить между геномами различных фагов, инфицирующих одну и ту же клетку-хозяина, что приводит к переносу генов фага между штаммами. Очень важно, что фаги часто смещают и мобилизуют последовательности нуклеотидов в генах клетки-хозяина. Последовательности ДНК микробной клетки, особенно те, что находятся на краях места внедрения ДНК профага, могут по ошибке включаться в хромосому фага и становиться фрагментом инфекционной вирусной частицы. Таким образом, фаги могут опосредовать перенос и включение генетической информации внутри прокариотической клетки способом, отличным от традиционного способа передачи наследственной информации. Этот процесс горизонтальной передачи генов делает фаг незаменимым инструментом увеличения микробного генного пула и при этом обеспечивает ускорение адаптивной микробной эволюции.

В некоторых экосистемах, например в экосистемах прибрежных морских акваторий, на каждую микробную клетку приходится десять и более инфицирующих ее фагов. По этой причине инфицирование одной клетки бактериофагами двух различных типов встречается, вероятно, достаточно часто. Гены в хромосомах бактериофагов, кодирующие белки, обладающие сходными метаболическими функциями, обычно объединяются в кластеры. Мозаика генных кластеров на хромосоме создает возможность для работы целых генетических модулей, которые могут перемещаться между геномами разных видов бактериофагов (Weinbauer, Rassoulzadegan, 2003). Такой опосредуемый рекомбинацией обмен создает химерические фаговые геномы, а эти геномы, в свою очередь, являются основой для приобретения новых адаптивных способностей. Новообразованный фаг может получить доступ к клеткам других видов, что позволит фагу инфицировать ранее недоступные ему бактерии. Таким образом, путем рекомбинации, совместно с генерализованной трансдукцией генетической информации клеток-хозяев между разными микробными хозяевами, фаги активно способствуют передаче генов между разными видами клеток-хозяев. Когда фаги завершают литическую инфекцию клетки-хозяина, в окружающую среду высвобождается свободная ДНК мертвой клетки. Бактерии легко поглощают такую ДНК и встраивают ее в свои геномы в процессе, называемом трансформацией. Новый геном бактериофага, нагруженный бактериальными генами, может обладать, благодаря обновлению генетической информации, преимуществами и формировать основу для образования нового штамма. Новая генетическая информация может быть перенесена в новую клетку-хозяина другого вида бактерий. Перенесенные фрагменты клеточной ДНК часто кодируют гены или генные кластеры, которых не было в родительской клетке. Эти изменения могут приводить к образованию нового генотипа хозяина и к возникновению конкурентного преимущества, которое позволяет занять доминирующее положение в популяции или колонизировать ранее недоступную среду обитания. В конечном счете это может послужить основой для возникновения нового вида или новых штаммов прокариот.

Трансдукция ДНК – явление весьма распространенное в густо заселенных бактериями прибрежных водах, где свободных фагов так много, что каждая бактериальная клетка является хозяином по меньшей мере двух профагов. Роль фагов и горизонтальной передачи генов в эволюции клеточных микроорганизмов и в возникновении новых видов не ограничивается только этими экосистемами – она важна также и в других экологических нишах. Например, ученые из университета Питтсбурга (Lawrence, Ochman, 1998) изучали бактерию – кишечную палочку Escherichia coli (E. coli) и кишечную сальмонеллу, которые произошли от одного вида и разошлись около ста миллионов лет назад. Ученые воспользовались знанием о том, что гены разного эволюционного происхождения можно распознать по содержанию в них особых последовательностей ДНК. В различных видах бактерий возникли гены разного нуклеотидного состава, и эту разницу можно оценить, сравнивая процентное содержание гуанин-цитидиновых пар оснований и разницу в составе кодонов аминокислот. Анализ полного генома кишечной палочки позволил выявить 755 генов, которые значительно отличаются от других в этих отношениях. У бактерий других видов эти гены имеют иное эволюционное происхождение. В наше время эти гены составляют около 20 % хромосомы кишечной палочки. Они были приобретены в ходе более 200 событий независимого горизонтального переноса генов. После этого ученые исследовали положение горизонтально перенесенных генов в хромосоме. Были получены весьма красноречивые данные: они часто расположены в непосредственной близости от перенесенных генов, закодированных в РНК. Это позволяет утверждать, что в горизонтальной передаче принимали участие лизогенные фаги, так как известно, что многие из них включаются в хромосому, предпочтительно вблизи от этих генов. Работа авторов показывает большие возможности фагов и горизонтальной передачи генов в эволюции бактерий и образовании их новых видов. Приобретение новой генетической информации, несомненно, снабдило кишечную палочку адаптивными возможностями, которые позволили ей занять экологическую нишу, недоступную ее предкам.

Плотная популяция микробов и фагов в морских водах предлагает природе плодородное поле для обмена генетической информацией и экспериментов. Цианобактерии, одна из самых разнообразных бактериальных групп, успешно размножаются как на суше, так и в воде. Они уникальны, так как это единственные бактерии, способные к фотосинтезу. Подобно высшим растениям они продуцируют энергию и органические строительные блоки, используя свет и двуокись углерода, высвобождая при этом кислород. Имея диаметр всего 0,5 микрометра, бактерия Prochlorococcus является одним из самых мелких организмов, обладающих способностью к фотосинтезу. Эта бактерия ускользала от внимания исследователей до восьмидесятых годов прошлого века, когда океанографические научные суда были оснащены флоуцитометрами, которые и позволили обнаружить прохлорококк. Прохлорококк – это самый многочисленный фотосинтезирующий организм мирового океана и, вероятно, вообще нашей планеты. Прохлорококк и его ближайший сородич синехококк являются доминирующими фотосинтезирующими видами пикопланктона в поверхностных слоях океана, где достаточно света для поддержания процесса фотосинтеза. Вместе эти два вида осуществляют 25 % всего фотосинтеза на Земле (Partensky, Hess, Vaulot, 1999; Field et al., 1998). Фотосинтезирующие механизмы этих бактерий подобны механизму фотосинтеза растений, растущих в наших садах. В самом деле, вполне вероятно, что цианобактерии произошли от предшественников хлоропластов, органелл, находящихся в эукариотических клетках высших растений.

Фотосинтезирующий аппарат хлоропласта состоит из двух фотосистем: фотосистемы I и фотосистемы II (ФСI и ФСII), которые представляют собой улавливающие свет белковые комплексы и светочувствительные пигменты, соединенные между собой цепями переноса электронов. Энергия, высвобождаемая при движении электрона между этими двумя фотосистемами, используется для перемещения через мембраны протонов (ионов водорода). Эта протонная помпа продуцирует АТФ, источник энергии клетки, и дает энергию для протекания цикла Кальвина, в результате которого синтезируется глицеральдегид-3-фосфат, главный строительный блок для всех структур клетки. Главные действующие лица фотосинтеза – светочувствительные пигменты ФСI и ФСII, причем эти пигменты проявляют различную чувствительность к свету в зависимости от его интенсивности и длины волны. Разные штаммы прохлорококка имеют разные фотосистемы, которые адаптированы к функционированию на разных глубинах моря (Moore, Rocap, Chisholm, 1998). Водоросли, обитающие на больших глубинах, используют длины волн света, который способен проникать наиболее глубоко, а водоросли, обитающие в поверхностных слоях, используют длину волны, которая не способна проникать на большую глубину. Химические структуры фотосинтезирующих систем могут повреждаться случайно попадающим на них светом. Все прохлорококки, особенно те, которые находятся в поверхностных слоях воды, подвержены опасности экспозиции к слишком сильному свету, которая приводит к подавлению фотосинтеза. Активный центр ФСII состоит из белкового димера – двух белковых молекул, D1 и D2, которые содержат светочувствительный пигмент, необходимый для протекания фотохимических реакций. Белок D1 особенно чувствителен к световым повреждениям, что требует постоянной замены белка, для того чтобы клетка оставалась здоровой и продолжала осуществлять фотосинтез. Если клетка оказывается неспособной восполнять D1 в ФСII, то происходит подавление фотосинтеза и снижается продукция энергии клеткой.

Цианобактерии являются хозяевами для множества фагов, преимущественно для цианофагов. Существует множество типов, которые инфицируют как прохлорококк, так и синехококк. Для всех вирусов самое главное свойство инфицируемой клетки – это метаболическая жизнеспособность, продуцирование достаточного количества энергии и материалов для поддержания репликации вируса. Фаг S-PM2, член семейства Myoviridae, который инфицирует синехококк, в высшей степени адаптирован к инфицированию именно этого фотосинтезирующего хозяина. Ученые, исследовавшие инфекционный цикл S-PM2, обнаружили, что адсорбция на поверхности синехококка в значительной степени зависит от освещенности. Оказалось, что так же, как сами цианобактерии наиболее активно растут и делятся в дневное время суток, фаги начинают свои атаки на рассвете, а вирусные частицы освобождаются из погибших микробов в сумерки (Clokie, Mann, 2006). Таким образом, вирус синхронизирует максимум инфицирования популяции клеток-хозяев с тем временем дня, когда хозяин метаболически наиболее активен и может выделить достаточно энергии для репликации хищника. Когда ученые секвенировали геном S-PM2, стало ясно, что это не простой литический фаг, а фаг сложный, содержащий в двухцепочечной спирали ДНК 193 тысячи пар оснований. Более того, ученые были удивлены, открыв, что геном содержал фотосинтезирующие гены, напоминавшие гены, кодирующие светочувствительные белки бактерий-хозяев (Mann et al., 2003). Последовательности, кодирующие D1- и D2-компоненты ФСII, были обнаружены в отрезке из четырех тысяч пар оснований в геноме фага. Эти гены оказались в высшей степени гомологичными, соответствующими генам синехококка, что подтверждает их бактериальное происхождение. Это пример горизонтального переноса генетической информации. Детальный анализ позволяет предполагать, что фаг приобрел эти два гена в ходе независимых переносов, что подтверждает преобладание такого механизма в эволюции фагов и их хозяев (Lindell et al., 2004; Sullivan et al., 2006). Весьма вероятно, что фаг получает выгоду от включения этих фотосинтетических генов бактерии-хозяина в свой геном. Примечательно, что были приобретены также и гены, кодирующие большую часть фоточувствительных белков. На поздних стадиях инфицирования функции поддержания клеточного метаболизма клетки прекращаются. Все ресурсы клетки направляются на поддержание репликации фага и синтез вирусных белков. Следовательно, для вируса критически важна способность поддержать синтез необходимого для фотосинтеза белка ФСII. Эти гены фага стимулируют производство энергии фотосинтеза инфицированной клеткой как можно дольше, что дает возможность вирусу завершить инфекционный цикл до гибели клетки.

В попытке определить, не отражают ли эти наблюдения редкое явление, характерное только для S-PM2 и индивидуального штамма синехококка, ученые исследовали вирусы порядка Myoviridae и Podoviridae, которые инфицируют близкородственный вид Prochlorococcus. В самом деле, все три фага прохлорококка, выбранные для секвенирования, имели общие гены, кодирующие бактериальные белки D1 и D2 комплекса ФСII, а также ген hli, кодирующий индуцируемый коротковолновым светом белок (Sullivan et al., 2006). В определенных штаммах ученые обнаружили дополнительные бактериальные фотосинтезирующие гены. В то время как все эти гены, несомненно, имели цианобактериальное происхождение, что подтверждается сходством их последовательностей, представляется, что эти гены происходят из разных, хотя и близкородственных видов цианобактерий. Примечательно, что ген hli во множестве копий присутствует в бактериальной хромосоме. Ученые полагают, что горизонтальный перенос гена в геном фага, а затем обратный перенос его из ДНК фага могли сыграть решающую роль в избыточности гена в локусе hli бактериальной хромосомы. Возникает картина переноса бактериальных фотосинтезирующих генов от фага в бактериальный геном и обратно. Очевидна выгода от способности фага кодировать эти дополнительные белки. С другой стороны, можно предположить, что такой обмен генами наглядно демонстрирует процесс генетической диверсификации бактерий, что создает преимущества уже для клетки-хозяина. Этот процесс обеспечивает резервуар генетического разнообразия, приобретенного микробной клеткой, что облегчает быструю адаптивную эволюцию. Такая вариабельность может оказаться выгодной в меняющейся окружающей среде, где постоянно возникают новые виды давления отбора. Приспособление к новым условиям является залогом успешности генома. Конечно, этот процесс не ограничивается генами, отвечающими за фотосинтез, и его можно представить себе и в приложении к генам, которые обеспечивают и другие метаболические функции и способны влиять на то, какие экологические ниши может занимать микроб-реципиент. Можно рассматривать фаги определенного хозяина как расширенный пул генов, потенциальный источник генов для инновационных генетических экспериментов. Представьте себе какой-либо ген, позаимствованный в ходе трансдукции и вступивший в пул генов фага, где этот ген будет подвергаться иному давлению отбора, нежели в исходной клетке-хозяине. Ген претерпит воздействие независимого естественного отбора, когда часть быстро реплицирующегося метагенома бактериофагов будет позднее приобретена тем же или другим микробом-хозяином. Ген сохранится, если докажет свое конкурентное преимущество.

О метагеноме фагов надо думать как о корпоративной программе развития, разработанной «отделом кадров» природы для воспитания генетических талантов. В корпоративной Америке талантливые работники в разное время работают в разных окружениях, в разных географических условиях и выполняют различные профессиональные обязанности, набираются разнообразного опыта и навыков, необходимых для успеха. Такие программы полезны для работника (гена) и приносят пользу компании (организму). Ценность разнообразия в команде признается всеми, и ее активно добиваются американские компании. Разнообразие стимулирует творчество и эффективное решение сложных проблем. Представляется, что такие же принципы работают на биологическом уровне, а носителями этих принципов являются вирусы. Конечно, в моем примере из корпоративного бизнеса сотрудников назначают на должности, последив за их работой, а коллективы (надо надеяться!) тщательно комплектуются отделами кадров и руководством. В природном мире такой предварительной селекции не существует. Мы должны полагать, что отбираются все гены, но остаются только те, которые улучшают функциональность принимающего генома. Это в высшей степени неэффективный процесс, но он может успешно работать в течение того времени, когда число проб адекватно низкой вероятности благоприятного исхода.

Умеренные фаги делают гены расширенного пула доступными для клетки-хозяина благодаря трансдукции фагов. Это особенно важно в условиях изменчивой и потенциально опасной окружающей среды. Зная об этом, ученые стараются наблюдать морские и океанические фаги непосредственно над гидротермальными источниками океанического дна, сравнивая эти фаги с вирусами, обитающими в поверхностных слоях морских вод (Williamson, Cary et al., 2008). Ученые обнаружили свободные частицы фагов над отверстиями горячих вод, там, где смешивается горячая и холодная вода. Исследователи пришли к выводу, что в меняющихся условиях профаги индуцируются с большей частотой, чем в окружающей воде со стабильной температурой. Более того, четверть ДНК-последовательностей в этих частицах принадлежала «темной материи» – эти последовательности начисто отсутствуют в базах данных. Виды бактерий и фагов в этих суровых глубоководных условиях должны быть, судя по всему, хранилищем новой адаптивной генетической информации, которая приводится в действие изменчивыми условиями окружающей среды.

Океанические экосистемы, о которых мы говорили выше, являются домом для миллионов микробов на один миллилитр воды и для в десять раз большего числа вирусов, но наш толстый кишечник еще более густонаселен экосистемой. В этой экосистеме обитают разнообразные и многочисленные микробы, которые в совокупности называют кишечным микробиомом. Один миллилитр человеческих каловых масс в среднем содержит 10¹³ микробных клеток. После выполнения необходимых расчетов несложно понять, что количество бактериальных клеток в нашем кишечнике, наш микробиом, равно или даже превышает численность клеток нашего собственного организма. В то время как в одном миллилитре морской воды в большинстве морских экосистем содержится в десять раз больше вирусов, чем бактерий, для нашего кишечника эта закономерность не соблюдается. В одном миллилитре каловых масс взрослого человека содержится от 100 миллионов до одного триллиона вирусов. Тем не менее догмат о том, что популяции фагов процветают там, где процветают бактерии, сохраняет свою силу и в кишечнике. Несмотря на относительную малочисленность свободных вирусных частиц в сравнении с численностью бактериальных клеток, умеренные фаги, включенные в результате лизогении в ДНК бактерий, обильно представлены в микробиоме и являются доминирующей формой существования вирусов, инфицирующих бактерии нашего кишечника (De Paepe et al., 2014).

Вирулентные фаги, осуществляющие литическую репликацию в бактериальных клетках, составляют большую часть вирусных частиц, содержащихся в пробах морской воды. Такие фаги наиболее приспособлены к пребыванию в относительно стабильных условиях окружающей среды при неограниченном доступе к крупным, относительно гомогенным популяциям здоровых и быстро размножающихся организмов-жертв. Такие условия существуют в большинстве океанических экосистем. Лизис бактерий и быстрая репликация вирусных частиц не является выигрышной стратегией в кишечнике, где популяции бактерий, обитающих в своем подавляющем большинстве в толстом кишечнике, находятся в состоянии жестокой конкуренции за ограниченные источники питания и часто оказываются недоступными для атаки частицами фага. Поэтому неудивительно, что в кишечнике преобладают умеренные фаги (De Paepe et al., 2014). Врожденная способность этих фагов улавливать физиологический статус своих клеток-хозяев и должным образом на него реагировать позволяет им выбирать не литический, а лизогенный способ существования. Такими их сделал естественный отбор и успех выбранной стратегии, которая и стала доминирующей в кишечнике. Генетические линии, обладающие этой особенностью, стали наиболее успешными в таком микробиоме. Фаги кишечника используют лизогению, потому что этот способ наилучшим образом позволяет сохранить и передать потомкам свой геном в данной капризной экосистеме. Взаимоотношения этой популяции вирусов, часть которых существует в литической форме, а часть пребывает в хромосомных локусах клеток бактерий-хозяев, определенно, оказывают сильное влияние на состав бактериальных популяций кишечника. Нарастающий объем знаний о микробиомах кишечника у здоровых и больных людей указывает на то, что в кишках здорового человека эти микробиомы существуют в состоянии неустойчивого равновесия.

В состав микробной популяции здорового кишечника входят различные классы симбионтов. Некоторые существуют в состоянии симбиотического мутуализма, когда каждый партнер пары получает выгоды от взаимодействия, а другие являются комменсалами, то есть находятся во взаимодействии, когда одна сторона получает выгоду, а другая не получает ощутимого вреда. Есть также микроорганизмы-патобионты, которые вначале могут быть как симбионтами, так и комменсалами, но становятся патогенными, когда нарушается баланс кишечной экосистемы. За последнее десятилетие стало ясно, что нарушение баланса в бактериальной популяции кишечника – феномен, известный под названием дисбактериоза, – часто сочетается с болезнью (Clemente et al., 2012; Kaser, Zeissig, Blumberg, 2010). Пока не вполне понятно, какова специфическая роль фагов в поддержании здорового микробиома или в развитии дисбактериоза, но совершенно очевидно, что, по аналогии с их воздействием на морские экосистемы, они могут сильно влиять на численность и состав кишечного микробиома. Эпидемические обострения и лизогения с конверсией фагов, а также высокая вероятность индукции фагов – все может играть важную роль. Лизогенные фаги могут влиять на бактериальный фенотип и эволюцию бактерий, в то время как индукция фагов (либо как стохастическое событие, либо как ответ на изменение окружающей среды, порождаемое бактериями с лизогенными вирусами) приводит к высвобождению инфекционных частиц и мобилизации генетического материала. Фаги могут также влиять на нашу иммунную систему, которая играет очень активную роль в защите этой нашей самой протяженной «государственной границы». Фаги препятствуют проникновению в кишечник потенциально опасных бактерий, уничтожая их в его просвете (Barr, Youle, Rohwer, 2013). Влияние фагов микробиома не ограничивается их хозяевами, но распространяется также и на хозяина их хозяев.

Мы видели, что динамика отношений хозяин – фаг в морских экосистемах подчиняется поведению вирулентных фагов, которые ведут себя так, как предусматривает модель отношений хищник – жертва. Эта стратегия в случае фагов и бактерий называется «убить победителя». В такой экосистеме фаги реплицируются литически в здоровых популяциях бактерий до тех пор, пока не происходит истощение популяций, которые теряют способность поддерживать цепь передачи фагов из клетки в клетку. Эпидемия утихает и прекращается. На месте старых микробов начинают размножаться другие, которые, в свою очередь, тоже подвергаются атаке литических фагов. Такие циклы размножения и подавления поддерживают равновесие в микробных экосистемах. Относительная малочисленность свободных частиц фагов в кишечнике в сравнении с числом бактерий говорит о том, что стратегия «убить победителя» здесь неэффективна (во всяком случае, она не является доминирующей модальностью инфицирования бактерий фагами). Нижние отделы толстого кишечника плотно заселены, что создает дефицит питательных веществ для бактерий; бактериальные колонии размножаются медленно и распределены по разным экологическим нишам, которые не всегда доступны для инфицирующих частиц. Бактерии могут быть даже защищены от инфицирования фагами близким соседством кишечной стенки и других структур кишечника или микроскопической пленкой, непроницаемой для фагов. Таким образом, в кишечнике правит бал лизогения, и преобладают умеренные лизогенные фаги.

Определенно, фагам кишечной экосистемы выгодно существовать в хромосомах своих хозяев в виде профагов. Бактерии, постоянно обитающие в кишечнике, располагают различными механизмами прикрепления к кишечной стенке, что предотвращает их удаление с калом. Получается, что это выгодно и профагам. Но что можно сказать об их лизогене? Наблюдение за бактериальными геномами и выявление последовательностей оснований, характерных для профагов, приобретаемых в результате горизонтального переноса, говорят о том, что если активность профага не дает никаких селективных преимуществ хозяину, то естественный отбор способствует инактивации профагов (Ochman, Lawrence, Groisman, 2000; Lawrence, Ochman, 1998; Nicholson et al., 2012). Так как крупные популяции лизогенов в микробиомах кишечника имеют профаги в своих геномах, разумно было бы предположить, что бактерии получают какие-то преимущества от присутствия в их геноме профагов. Должно быть, это преимущество перевешивает опасность «ядовитой пилюли», связанную с возможной индукцией фага и смертью клетки-хозяина. Профаги могут быть источником геномного обновления и стимуляции бактериальной эволюции: конверсия фага часто позволяет обеспечивать полезные метаболические функции, которые делают бактерию более конкурентоспособной в ее экологической нише. Лизогения приводит к включению в бактериальную хромосому новой генетической информации путем горизонтального генного переноса, а успешные линии фагов часто переносят гены, обладающие полезными для клетки-хозяина свойствами. Другие фаги отвечают за генерализованную трансдукцию, при которой фрагменты бактериальной хромосомной ДНК включаются в геном фага. Следующий хозяин, становящийся лизогеном под действием такого модифицированного фага, получит не только генетическую информацию фага, но и информацию другой бактерии – возможно, другого вида и с новыми метаболическими возможностями. Профаги, которые могут составлять значительную часть идентичности данного вида бактерий (то есть ее уникальность и отличие от родственных штаммов), являются, несомненно, мощными катализаторами приспособительной эволюции и могут стать опорными пунктами генома, служащими посадочной площадкой для новой генетической информации.

Лизогения также обеспечивает клетку-хозяина и все ее дочерние клетки, имеющие тот же генетический материал, иммунитетом против инфицирования (и потенциального лизиса) близкородственными штаммами фагов. Бактерии разных генетических линий – не важно, представители они разных видов или сестринские, не являющиеся лизогенами, – не обладают таким иммунитетом. Такие бактерии могут быть непосредственными конкурентами в борьбе за одну и ту же экологическую нишу в кишечнике. В этой ситуации спонтанная индукция фагов в лизогенной популяции может вызвать эпидемию в штамме не имеющей иммунитета бактерии (De Paepe et al., 2014). Здесь фаг действует как эффективное биологическое оружие, поражающее микробы, соперничающие за обладание одной экологической нишей. Лизогенная популяция имеет в этой ситуации несомненное преимущество. «Смерть от индукции» одной бактерии может быть благом для популяции как целого и обусловить успех репликации ее уникального генетического материала.

Носоглотка человека – это еще одна экологическая ниша, где сосуществуют и борются за преобладание бактерии-комменсалы. Обычно носоглотку колонизируют такие бактерии, как Streptococcus pneumoniae и Staphylococcus aureus, при этом носоглотка может служить источником передачи этих бактерий в другие анатомические структуры или другим людям. Много лет назад было установлено, что стрептококки пневмонии и золотистые стафилококки конкурируют за носоглотку. Эпидемиологи, бравшие мазки из зева здоровых детей, обнаруживали, что если высевался стрептококк пневмонии, то снижались шансы высеять золотистый стафилококк. С другой стороны, золотистый стафилококк часто обнаруживается у детей, у которых в носоглотке мало стрептококка пневмонии (Regev-Yochai et al., 2004; Bogaert et al., 2004). Вскоре было показано, что стрептококк пневмонии использует химическое оружие, для того чтобы победить конкурента (Park, Nizet, Liu, 2008; Regev-Yochai, Trzcinski, Thompson, 2006). Стрептококк высвобождает в среду химическое соединение – перекись водорода, хорошо известное дезинфицирующее вещество. Оставалось загадкой, почему данный уровень перекиси водорода не приносит вреда самому стрептококку, но убивает конкурирующих с ним стафилококков. Однако в 2009 году ученым из Нью-Йоркского и одного испанского университета удалось найти ответ на этот таинственный вопрос (Selva et al., 2009). Перекись водорода и опасные продукты ее реакций вызывают повреждение ДНК и порождают стрессовый SOS-ответ бактериальной клетки (этот ответ мы обсуждали выше в данной главе). Стрептококк пневмонии выработал механизмы, позволяющие выдерживать воздействие данной концентрации перекиси водорода, и, несмотря на повреждение ДНК, SOS-реакция у стрептококка не запускается. Напротив, у стафилококков, подвергшихся воздействию перекиси водорода, происходит повреждение ДНК и запускается SOS-реакция. Следствием является активация механизмов репарации ДНК. Эти изменения улавливаются резидентными профагами стафилококков, которые запрограммированы на индукцию и вступают в литический репликативный цикл. В результате происходит лизис стафилококковых клеток вследствие индукции профагов, что, в свою очередь, приводит к гибели стафилококков, прекращению конкурентной борьбы со стрептококками и победе последних (Selva et al., 2009).

Известно, что стафилококки содержат множество индуцибельных профагов, и индукция этих профагов является ядовитой пилюлей не только для индивидуальной клетки, но и для всей популяции. Эти выводы были подтверждены изящными экспериментами Сельвы и его коллег. С помощью генетических манипуляций они создали нелизогенные штаммы золотистого стафилококка, в хромосомах которых не было профагов, готовых к индукции по сигналу стресса. Эти бактериальные клетки оказались устойчивыми к перекиси водорода в концентрациях, которые убивали лизогенные штаммы, а значит, они были устойчивы и к химическому оружию стрептококков пневмонии. Конечно, в природе у подавляющего большинства золотистых стафилококков в хромосомах есть профаги, которые дают своим хозяевам какие-то конкурентные преимущества в отношении тех же стрептококков пневмонии. Такой удаленный контроль индукции профагов может быть широко распространенным феноменом, определяющим состав сложных бактериальных сообществ, которые сосуществуют с многоклеточными организмами и обитают в окружающей среде.

Эти работы только начинают проливать свет на то глубокое влияние, какое фаги оказывают на живые клетки, организмы и целые экосистемы. Резервуар генетической информации в пуле генов фагов, или в метагеноме, – это источник генетического разнообразия микробов и адаптивной эволюции. Легкость, с которой гены перемещаются между фагами и между бактериями, по большей части путем трансдукции, проливает свет на филогенетическую классификацию не только вирусов, но и их хозяев. Я вырос на доктрине о древе жизни с расходящимися, независимо развивающимися ветвями. Вероятно, это верное отражение эволюции высших форм жизни. Для царств бактерий и простейших, а также для вирусов наибольшую роль в эволюции и видообразовании сыграли боковые горизонтальные перемещения генетической информации. Некоторые ученые предполагают, что идея «вида» в мире микроорганизмов лишена смысла, если ее прикладывать к популяциям бактерий и вирусов, изучаемых методами сравнительной геномики. Разнообразие видов и штаммов бактерий объясняют неравномерным приобретением независимо развившейся генетической информации. Фаги играли главную роль в создании этого генетического плавильного котла. Фаги облегчают осуществление гигантского эволюционного потенциала микробного метагенома, и именно за их счет эволюция может проявлять свою невероятную изобретательность.

Фаги играют центральную роль в наших глобальных экосистемах, влияя на движение биомассы в пищевых цепях и стимулируя разнообразие и эволюционное развитие своих многочисленных микробных хозяев. Однако фаги инфицируют также и бактерии, обитающие в многоклеточных организмах. В 1930 году Феликс д’Эрелль писал, что «действие и противодействие осуществляется не только между этими двумя существами, человеком и бактерией, ибо в столкновение вмешивается и бактериофаг, третье живое существо, и поэтому в уравнение надо ввести третью переменную» (D’Herelle, Smith, 1930). Здесь я познакомлю вас с тем, как фаги, инфицирующие микробы, ускользнули от внимания ученых, будучи, на самом деле, активными действующими лицами в драме инфекционных заболеваний.

Если вы зайдете на английское церковное кладбище, посмотрите надписи на могилах, относящихся к началу или середине девятнадцатого века, как современный человек, вы удивитесь множеству детских могил. Под теми камнями похоронены дети, ставшие жертвами инфекционных заболеваний. Детская смертность в те времена была необычайно высока, а эпидемии инфекционных болезней, несомненно, провоцировались недостаточным питанием и плохими жилищными условиями. Помимо чумы, тифа и холеры, скарлатина зачастую уносила жизни всех детей в семье. Д’Эрелль, когда говорил о треугольнике взаимодействия человека, бактерии и бактериофага, имел в виду двух из этих убийц – холеру и скарлатину. Эти болезни суть порождения микробных вирусов. Д’Эрелль писал вышеприведенные слова в 1930 году, всего через несколько лет после того, как Фробишер и Браун (1927) сообщили о выделении фильтрующегося агента из скарлатинозных штаммов гемолитического стрептококка, бактерии – возбудителя скарлатины. Действующее начало, которое они выделили, могло передавать способность к продукции эритрогенного токсина, которая является отличительным признаком болезнетворной бактерии, штаммам стрептококка, которые сами по себе не вызывали скарлатину. Это свойство сохранялось у потомков обработанных выделенным агентом клеток. Авторы, сами того не зная, описали феномен генной трансдукции и конверсии умеренного фага. Инфицирование фагом и лизогенизация превращает невинный стрептококк в патогенную бактерию. Другими словами, штаммы стрептококков, вызывавшие скарлатину, делали это, потому что были инфицированы фагом-лизогеном. Профаг становился частью наследуемого бактериального генома – происходила конверсия фага.

Когда английский врач Томас Сайденгем в 1675 году впервые описал скарлатину, он охарактеризовал ее как «болезнь, поражающую всю семью сразу, а в особенности детей. Больные ощущают судороги и озноб, как и при других лихорадках. Симптомы, однако, выражены довольно умеренно; но очень скоро вся кожа покрывается мелкими красными пятнами, более плотными, чем при кори, а также более широкими, более красными и менее единообразными. Сыпь держится три-пять дней, а потом исчезает. Поверхностный слой кожи отшелушивается, и отрубевидные чешуйки остаются лежать на поверхности, как овсяные хлопья».

Это описание характерно для легкого течения болезни; это наблюдение не соответствует опустошительным эпидемиям скарлатины, которые бушевали в Европе в девятнадцатом веке. По тяжести это заболевание уместно сравнивали с тифом и чумой – смертельными инфекциями. Эта трансформация заболевания, его превращение в убийцу, сменявшееся периодическими вспышками более мягкой формы, некоторое время мешало эпидемиологическому пониманию скарлатины. Однако сегодня, вооруженные знанием о молекулярно-генетических механизмах, лежащих в основе приобретенной патогенности стрептококковых штаммов, ученые могут дать связное объяснение вариабельности течения ежегодных эпидемий скарлатины. Теперь мы понимаем, как различные штаммы одного и того же вида бактерии могут вызывать целый спектр заболеваний, начиная с тонзиллита или легкого поражения кожи до синдрома, напоминающего токсический шок с омертвением фасций. Патогенез скарлатины – это иллюстрация того, как фаги могут служить катализаторами патогенности бактерий.

Новое поколение техники секвенирования ДНК, которая позволила ученым исследовать метагеномы фагов окружающей среды, является также основой сравнительной геномики. Исследование последовательностей ДНК родственных геномов позволяет изучить филогенетические отношения организмов на уровне последовательностей ДНК в их геномах. Сравнительную геномику можно использовать для исследования геномов близкородственных патогенных штаммов и соотношения геномных последовательностей и фенотипа, например таких фенотипических признаков, как устойчивость к лекарствам или способность вызывать разные типы одного заболевания. Массер и его коллеги (Banks, Beres, Musser, 2002) использовали сравнительный геномный анализ для исследования причин гетерогенности заболеваний, вызываемых различными серотипами стрептококков группы A. Авторы выбрали для исследования три близкородственных штамма бактерии Streptococcus pyogenes: один из них ассоциируется с эпидемиями и заразными инфекциями, второй штамм обладает свойством вызывать синдром токсического шока или некротизирующий фасциит, а третий связан со вспышками острого ревматизма. Ученые обнаружили, что широкий спектр вызываемых этими бактериями заболеваний можно объяснить присутствием разных профагов в их геномах. Более одной десятой генома некоторых штаммов была представлена ДНК фагов, и разный состав профагов играл решающую роль в генетическом разнообразии. Полилизогения различными фагами определяет гетерогенность штаммов стрептококков группы A и в конечном счете их патогенный потенциал (Banks, Beres, Musser, 2002).

Геном патогенной бактерии – это, действительно, ведьмино варево, которое становится вирулентным в результате сочетания его активных ингредиентов. Множество разных профагов, обнаруженных в стрептококках, привносят в эту похлебку разные гены, изменяя силу снадобья и его эффекты. Профаги передают своим хозяевам гены с функциями, которые повышают успешность репликации и передачи в условиях человеческого организма, являющегося хозяином для бактерии. В свою очередь, фаг, как паразит, получает преимущество от успешности своего хозяина, так как этот успех позволяет вирусному геному беспрепятственно размножаться в составе бактериального генома. Обсуждаемые гены усугубляют вызываемые стрептококками заболевания; они включают в бактериальный геном гены, кодирующие экзотоксины, которые вызывают катастрофические изменения в иммунной системе больного, становясь причиной лихорадки, шока и других тяжелых симптомов, так же как гены, повышающие шансы бактерий на выживание в организме больного перед лицом его иммунного ответа. Естественный отбор действует на стрептококки и вирусные (фаговые) гены, которые включены в ДНК бактерии. Действие естественного отбора приводит к появлению у разных штаммов различных фенотипов и способности вызывать заболевания разной степени тяжести. Важно отметить, что в организме одного и того же больного присутствуют стрептококки, обладающие высокой и низкой патогенностью. Иногда эти бактерии становятся причиной эпидемий. В девятнадцатом веке, как и сегодня, очевидна изменчивость природы и тяжести заболеваний, вызываемых стрептококками группы A. Природа каждой эпидемии зависит от преобладания того или иного штамма бактерии; и не всегда самым успешным оказывается наиболее патогенный штамм. Как вид мы должны быть благодарны природе за то, что естественный отбор действует на патогенные популяции без оглядки на их патогенность как таковую. Естественный отбор способствует выживанию генов, кодирующих признаки, которые могут наследоваться с наибольшей вероятностью. Эти гены могут ассоциироваться с приобретением повышенной вирулентности, но так происходит далеко не всегда. Вирусы и микробы, с которыми мы сосуществуем и совместно развиваемся, не всегда развиваются в направлении максимальной вирулентности, но они не отказываются от нее, если вирулентность обещает высокий успех репликации и более эффективную передачу новым хозяевам. В этих случаях у микробов и вирусов одна цель, и они получают от своих отношений одну и ту же награду.

В течение многих столетий одно только упоминание о холере вызывало у людей страх. В наши дни эпидемии, вызываемые холерным вибрионом, остаются самыми распространенными в мире и часто возникают на фоне природных катастроф. Холерой заражаются при употреблении внутрь зараженной еды или воды, в результате чего возникает тяжелый и длительный понос, сопровождающийся тяжелым обезвоживанием. Если больного не лечить, возмещая потери воды и электролитов, болезнь быстро становится опасной для жизни, особенно если пациент молод или ослаблен. Тяжелый водянистый понос, вызываемый патогенным возбудителем холеры, – центральное событие для понимания успешности этого кишечного микроба (Faruque, Albert, Mekelanos, 1998). Этот симптом является средством, с помощью которого она передается от одного хозяина к другому, и основой эпидемии, когда отсутствует элементарная санитария и гигиена.

Холера в той или иной форме преследует человечество на протяжении многих веков. Родина холеры находится в Азии, в дельте Ганга, где эта бактерия процветает в солоноватой теплой воде устья великой реки. Именно отсюда распространилась эта болезнь в 1817 году, вызвав первую в мире документально зафиксированную пандемию холеры. Она быстро распространилась через континентальную Азию на весь остальной мир, и процесс этот ускорился благодаря британской торговой практике. Вся торговля с Индией находилась в руках Ост-Индской компании. Эта компания начала свою деятельность с поставок пряностей из Южной Азии, а затем обеспечила британскую монополию на все торговые отношения с Индостанским субконтинентом. На торговых путях господствовали британские парусные суда, трюмные воды которых были загрязнены зараженной водой Бенгальской бухты, и эту воду затем сливали в эстуариях родных портов. Первая эпидемия холеры разразилась в Лондоне в 1832 году и унесла тысячи жизней, а в течение следующих пятидесяти лет зараза проложила путь в Монреаль, а оттуда в Нью-Йорк. Вскоре холера поразила весь земной шар.

К середине девятнадцатого века стало понятно, что источником заражения является питьевая вода. В 1883 году Роберт Кох, выдающийся немецкий бактериолог, лауреат Нобелевской премии, возглавил Германскую комиссию по холере, направленную на изучение вспышки холеры в Египте. Там Кох первым выделил, идентифицировал и вырастил в культуре бактерию V. Cholerae – холерный вибрион. Существует множество штаммов вибриона, но только два серотипа – 01 и 02 вызывают заболевание. На поверхности клеток этих патогенных штаммов экспрессируются белки фимбрий (вырабатывающих токсин фимбрий), которые образуют выросты на клеточной поверхности, позволяющие вибриону заселять тонкий кишечник. Кроме того, холерные вибрионы обладают генами, которые кодируют чрезвычайно мощный экзотоксин, известный под названием холерного токсина. Этот экзотоксин секретируется в просвет тонкого кишечника и проникает в клетки кишечной стенки. Оказавшись внутри клеток, токсин нарушает их гомеостаз, что приводит к массированному выходу из клеток ионов неорганических солей. Это, в свою очередь, создает градиент концентрации соли, который вызывает выход воды из организма в просвет кишечника, где создается высокое осмотическое давление, и развивается сильнейший понос, при котором из кишечника выделяется водянистый кал, напоминающий «рисовый отвар». Сегодня мы знаем, что патогенность холерного вибриона, безвредного морского микроба, обитающего в эстуариях рек и в прибрежных водах, обусловлена горизонтальной передачей генов в ходе конверсии фагов.

Первым действующим лицом этого превращения является сегмент ДНК длиной в 41 тысячу нуклеотидных оснований, содержащий генный кластер, кодирующий белки для содержащих токсин фимбрий. Второе действующее лицо – умеренный фаг CTXФ, снабженный одноцепочечной ДНК, в которой расположены гены, кодирующие холерный токсин – CtxAB (Waldor, Mekalanos, 1996). Фимбрии (бахромки) на поверхности бактерии не только помогают ей прикрепиться к стенке тонкой кишки, но и являются клеточными рецепторами к CTXФ. Клетки вибриона, обладающие фимбриями, распознаются и инфицируются фагом CTXФ. Представляется, что предковая форма холерного вибриона вначале приобрела генный кластер, кодирующий фимбрии, что открыло путь инфицированию и конверсии фага CTXФ (Davis, Waldor. 2003). Профаг CTXФ и его гены, отвечающие за синтез токсина, являются частью генома клетки-хозяина и наследуются дочерними клетками вибриона. После первоначального инфицирования клетка-хозяин и ее CTXФ претерпели выраженную адаптивную совместную эволюцию. Имеет место тонкое взаимодействие между геномами профага и клетки-хозяина, и это взаимодействие наиболее очевидным образом проявляется в регуляции активности генов токсина в профаге. Экспрессия их преимущественно направляется не самим фагом, но белками, кодируемыми генами бактерии. Этот мутуализм в форме кооперативной регуляции активности генов создает оптимальные условия для вирулентности и пенетрантности бактерии (Davis, Waldor, 2003; McLeod et al., 2005). Нитчатые фаги сильно отличаются от образцовых фагов, с которыми мы познакомились в главе 2, от хвостатого фага. Эффективное инфицирование нитчатыми фагами не приводит к лизису и смерти клетки-хозяина. Напротив, после репликации и сборки дочерних вирусных частиц они секретируются из клетки через кодируемый бактериальной клеткой поровый белковый комплекс. В отличие от литических фагов CTXФ может активно реплицироваться внутри холерного вибриона и продуцировать дочерние фаги, не убивая клетку-хозяина (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Процесс индукции фага CTXФ также отличается особенностями: она происходит без вырезания профага из хромосомы клетки-хозяина. Следовательно, лизоген CTXФ может индуцироваться, вступать в репликативный цикл и высвобождать дочерние частицы фага, сохраняя одновременно и клетку-хозяина и профаг. Таким образом, CTXФ может осуществлять лизогению и реплицироваться как часть бактериального генома, а также одновременно инфицировать и другие клетки, высвобождая из клетки-хозяина новые вирусные частицы. Таким образом, генетическая информация может распространяться как вертикально, так и горизонтально между клетками-хозяевами. Фаги такого типа могут съесть пирог и одновременно сохранить его.

В этой драме есть и мощный помощник. Это тоже фаг, близкий сородич CTXФ, называемый RS1, который часто обнаруживают включенным в ДНК клетки-хозяина рядом с профагом CTXФ (Faruque et al., 2002; Davis, Waldor, 2003). Правда, RS1, в отличие от CTXФ, является дефектным фагом и не имеет полного набора генов, необходимых для осуществления его репликации и сборки новой вирусной частицы. Действительно, RS1 не кодирует структурные вирусные белки. Вместо этого он – для упаковки своего генома – использует вирусные частицы, синтезированные фагом CTXФ. Это добавочный фаг, который паразитирует на CTXФ. Фаг RS1 так часто обнаруживают вместе с CTXФ в патогенных холерных вибрионах, что ученые предположили, что присутствие его дает лизогену какое-то конкурентное преимущество, и оказались правы. Белок, продуцируемый RS1, а не фагом CTXФ, может регулировать экспрессию генов, кодирующих холерный токсин в профаге CTXФ. RS1 полезен для лизогена CTXФ, потому что его гены способствуют успешной передаче бактериального патогена новым хозяевам. Естественный отбор, действующий на геном CTXФ, благоприятствует сохранению паразитизма RS1, так как гены CTXФ реплицируются более успешно в условиях более массивного распространения вибрионов во время эпидемий.

Приобретение лизогенных фагов и последовательностей чужеродной ДНК холерным вибрионом исключительно важно для его патогенности и эпидемического потенциала. Находящийся во внешней среде холерный вибрион не обладает токсическими генами и не вызывает заболевания, и это позволяет предположить, что сама по себе способность секретировать токсин не дает бактерии никаких эволюционных преимуществ в ее обычной, морской среде обитания (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Однако лизогены холерного вибриона, обладающие генами, кодирующими токсин, имеют конкурентные преимущества, позволяющие им колонизировать новую нишу – кишечник человека. Гены холерного токсина опосредованно вызывают сильный понос, то есть способствуют более успешной передаче возбудителей холеры от одного хозяина другому. Более того, поскольку нитчатые фаги не вызывают лизиса клеток-хозяев, постольку эти клетки не погибают во время репликации фага и продукции частиц фага. Для бактерии здесь вообще отсутствует «неприятная изнанка». Фаги получают преимущества при сохранении жизнеспособности клеток-хозяев и при усилении вирулентности и заразительности. Генетическая информация фага, распространяющаяся во время эпидемий холеры, имеет больше возможности для размножения, освоения новых хозяев и достижения своих эгоистичных целей.

Происхождение генов холерного токсина, CtxAB, остается неясным. Происходят ли они из фагового или бактериального метагенома? Мы знаем, что предковые формы CTXФ не имели генов токсина, так как были обнаружены естественные нетоксичные вибрионы, лизогенизированные фагом CTXФ, не имеющим кластера генов, кодирующих токсин (Boyd, Heilpern, Waldor, 2000). Таким образом, представляется вполне вероятным, что CTXФ приобрел гены токсина при трансдукции, когда невероятная на первый взгляд рекомбинация включила сегмент ДНК клетки-хозяина или другого фага в его геном. Эти наблюдения показывают, что конверсия фага холерного вибриона происходила множество раз, каждый раз независимо, и что холерный вибрион служит естественным хозяином этого фага. Наблюдавшаяся в этом случае полная трансдукция является характерным эволюционным приемом для фагов. Гены токсина благотворны для фага, так как позволяют ему распространяться в среде, в которой он в противном случае не смог бы зацепиться. В данном случае вирулентность и болезнетворные свойства идут рука об руку с давлением отбора и создают чрезвычайно эффективный переносчик заболевания, выкованный в ходе деятельности бесчисленных поколений, ускоренной вмешательством фага.

Подобно безвредным морским бактериям – холерным вибрионам, обитающим в морских экологических нишах, кишечная палочка неприметно обитает в желудочно-кишечном тракте многих млекопитающих, не принося никакого вреда хозяину. Патогенные штаммы кишечной палочки также возникают в результате конверсии фага, а затем вызывают многочисленные заболевания: чаще всего это диарея вследствие поражения кишечника, но кишечная палочка может поражать также мочеполовой и дыхательный тракт. Здесь мы обсудим энтерогеморрагическую кишечную палочку, которую чаще всего обнаруживают в говяжьем фарше. Энтерогеморрагическая кишечная палочка вызывает у человека тяжелое заболевание: кровавый понос, геморрагический колит и гемолитический уремический синдром. Виновником всех этих несчастий является штамм кишечной палочки 0157-Н7, впервые выделенный в 1982 году. Этот штамм вызывал зоонозы и передавался через зараженную пищу (Riley et al., 1983). Кишечная палочка 0157-Н7 чаще всего обитает в кишках других видов: крупного рогатого скота и других копытных животных. Патогенной она становится, только попадая в кишечник человека из зараженной пищи или воды. Патогенные штаммы кишечной палочки, каковых существует великое множество, снабжены разнообразными кластерами вирулентных генов, но необычно тяжелое заболевание, вызываемое кишечной палочкой 0157-Н7, обусловлено продукцией токсинов Шига. Кишечная палочка 0157-Н7 получает гены токсина, Stx1 и Stx2, в результате конверсии фага после инфицирования хвостатым двухцепочечным ДНК-содержащим фагом (O’Brien et al., 1984). Болезнь развивается в результате выделения токсина в просвет кишечника. Токсин беспрепятственно поступает в клетки слизистой оболочки кишечника, где нарушает механизмы синтеза белка, что приводит к гибели клеток и некрозу тканей. Часть токсина проникает в системный кровоток и поражает восприимчивые клетки и органы, в частности почки, что и приводит к гемолитическому уремическому синдрому и возможной почечной недостаточности. Для инфекционного агента, каковым является кишечная палочка 0157-Н7, обладание генами токсина – весьма выгодный признак. Так же как и при холере, понос способствует передаче бактерий новым хозяевам. Конечно, эти преимущества для бактерии являются одновременно преимуществами для лизогенного фага.

У лизогена кишечной палочки существует один большой недостаток. Токсины Шига могут продуцироваться бактерией 0157-Н7 только во время литической репликации фага. Продукция токсина, следовательно, связана с индукцией профага и лизисом клетки (Wagner et al., 2001; Wagner, Waldor, 2002). Таким образом, диарея, необходимая для распространения болезни, возникает за счет патогенных лизогенов кишечной палочки. Для каждой отдельной кишечной палочки это несчастье, но индуцируются не все ее лизогены, и распространение жизнеспособных генетически идентичных лизогенизированных палочек 057-Н7 гарантируется сильным поносом, вызываемым токсином. Так же как при холере, вероятность успешной передачи патогена другим хозяевам повышается параллельно с усилением диареи. Есть и другие феномены, играющие роль в заболеваниях, вызываемых патогенными штаммами кишечной палочки. Полагают, что индукция фага и высвобождение инфекционных частиц играют роль в усугублении болезни благодаря началу литического инфицирования других бактерий кишечника. Эти клетки, в свою очередь, тоже начинают высвобождать токсин Шига (Mills et al., 2013; Gamage, Strasser, Chalk, 2003). Таким образом, обладание лизогенным фагом является бомбой замедленного действия для бактерий, в которых происходит индукция, но в целом это обладание полезно для бактериальной популяции, так как повышает успешность ее размножения и передачу в человеческой популяции.

Наличие профагов в геномах бактерий может быть обоюдоострым мечом. Исследования показывают, что спонтанная реактивация профага в популяции лизогенных бактериальных клеток может происходить с невысокой, но довольно значительной частотой. В каждый данный момент индукция происходит в 1 на 1000 до 1 на 10 000 бактериальных клеток в культуре. Это фатальное событие в жизни ничтожного меньшинства популяции, но сам факт, что многие линии бактерий стабильно ассоциированы с индуцибельными профагами, позволяет предположить, что в этом заключается определенное преимущество для клеток-хозяев. Энтерогеморрагическая кишечная палочка обладает всеми этими свойствами. Индуцибельный профаг ведет себя, по сути, как ген хозяина, чей фенотип обусловливает самоубийство некоторых индивидов. Однако гены фага определяют и другой феномен – секрецию токсина. Этот фенотип некоторых индивидов полезен для всей популяции, имеющей в геноме индуцибельный профаг.

Тяжесть заболевания, вызываемого энтерогеморрагической кишечной палочкой, коррелирует с частотой индукции. Чем больше токсина выделяется, тем сильнее повреждение слизистой оболочки кишечника. Несмотря на то что индукция профагов происходит спонтанно и с низкой частотой, она усиливается в условиях стресса для бактериальных клеток. Такой ответ благотворен для генов фага, которые рискуют погибнуть в мертвой бактерии. Действительно, такое часто происходит во время заболевания. Среди условий, индуцирующих профаги, немалую роль играет активная форма кислорода, высвобождаемая иммунокомпетентными клетками в ответ на инфекцию (Wagner, Acheson, Waldor, 2001). Лечение фторхинолоновыми антибиотиками подавляет репликацию бактериальной ДНК и вызывает повреждение ДНК хромосомы, что продуцирует у фагов SOS-ответ, индукцию и выделение токсина (Zhang et al., 2000; Ubeda et al., 2005; De Paepe et al., 2014; Maiques et al., 2006). Существует много данных о том, что антибиотики стимулируют продукцию токсина клетками энтерогеморрагической кишечной палочки, и, следовательно, неудивительно, что лечение антибиотиками может ухудшить течение заболевания (Wong et al., 2000; Zhang et al., 2000). По этой причине при геморрагическом колите воздерживаются от введения антибиотиков и ограничиваются поддерживающей терапией.

В наши дни случаи заболеваний, вызванных энтерогеморрагической кишечной палочкой, и вспышки инфекции палочкой штамма 0157-Н7 встречаются редко. Большую часть времени бактерия (вместе со своим пассажиром фагом) реплицируется в организме своего естественного хозяина, чаще всего в кишечнике жвачного животного, у которого она никогда не вызывает заболеваний. Но если бактерия воспроизводится здесь, не причиняя хозяину никакого вреда, то содержит ли она в природе кодирующие токсин профаги, которые для нее являются бомбой замедленного действия, ядовитой пилюлей, реактивация которой грозит бактерии смертью? Представляется, что если подавляющее большинство палочек 0157-Н7 реплицируется в организмах крупного рогатого скота и вызывающий болезнь токсин Шига не играет роли в их репликативном успехе, то, значит, им нет никакой пользы от профага. Следовательно, должно быть какое-то положительное давление естественного отбора, которое заставляет палочку 0157-Н7 сохранять профаг в условиях главного резервуара своего вида. Сравнительное исследование множества бактериальных геномов показало, что они чаще всего содержат значительное число профагов, но это всего лишь дефектные или фрагментарные остатки некогда нормально функционировавших профагов (Kuo, Ochman, 2010; Lawrence, Hendrix, Casjens, 2001). Из этого наблюдения можно вывести, что естественный отбор часто благоприятствует бактериальным геномам, в которых многие профаги нейтрализованы и неспособны активироваться. Бактерии часто получают пользу от конверсии фагов, но не сохраняют функционально активные профаги и их способность к индукции, причиняющей клетке смерть. Индукция фага, как правило, ограниченная немногими клетками популяции, может происходить с высокой скоростью и частотой в условиях, когда клетка-хозяин подвергается стрессовому воздействию. Поскольку каждая бактериальная клетка может содержать множество профагов, постольку легко видеть, что должно быть сильным давление отбора, направленное на их инактивацию, если нет противоположно направленного давления, заставляющего сохранять функциональность профагов. В случае палочки 0157-Н7 ученые считают, что токсины Шига обеспечивают преимущество в выживании бактерий, обитающих в кишечнике крупного рогатого скота (Steinberg, Levin, 2007). Полагают, что обладание токсинами Шига защищает бактерии от пастбищного зоопланктона, который тоже обитает в кишечнике пастбищных животных. Если это действительно так, то появление этих патогенных токсикогенных кишечных палочек у человека – лишь результат неудачного совпадения и наследство борьбы за существование и за эволюционные преимущества в выживании в естественной нише – в кишечнике крупного рогатого скота.

Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) – широко и печально известный бактериальный патоген, который за десятилетия, прошедшие после начала эры антибиотиков, успешно приобрел целый набор генов, определяющих устойчивость к ним, что заставило сдать в архив множество антибактериальных препаратов, которыми некогда лечили заболевания, вызванные этим весьма активным микроорганизмом. Устойчивые к метициллину золотистые стафилококки стали одним из самых опасных грамположительных возбудителей, способных вызывать тяжелые и угрожающие смертью поражения в госпиталях и вне их стен. Помимо устойчивости к таким бета-лактамным антибиотикам, как метициллин, они часто приобретают поливалентную устойчивость вместе с сонмом вирулентных факторов, связанных с повышенной патогенностью и способствующих их более успешному размножению в организмах пациентов (Gordon, Lowy, 2008; Otto, 2010). Эти вирулентные, устойчивые к метициллину штаммы золотистого стафилококка распространились теперь по всему миру и часто становятся виновниками вспышек стафилококковой инфекции в больницах, воинских частях и детских учреждениях. Особенно опасны вспышки такой инфекции в больницах, где она может оказаться смертельной для ослабленных пациентов. Сегодня количество устойчивых к антибиотикам и высоковирулентных бактериальных патогенов достигло критического уровня. Главный вызов общественному здравоохранению заключается в способности бактерий претерпевать быстрые приспособительные эволюционные изменения при столкновении с антибактериальными лекарственными средствами. Золотистый стафилококк обладает этими способностями в избытке. Основная проблема заключается в отборе устойчивых к лекарствам штаммов и штаммов с усиленными или измененными болезнетворными свойствами. Эти эволюционные приспособления возникают вследствие мутаций и изменений бактериального генома, но более важная причина заключается во включении новой генетической информации, приобретенной путем горизонтального переноса генов из родственных и неродственных бактериальных геномов.

В то время как холерный вибрион и кишечная палочка становятся более вирулентными в результате получения новой генетической информации с фагами, штаммы золотистого стафилококка развиваются и изменяются вследствие приобретения дополнительных генетических элементов. Эти носители, каждый из которых часто встречается в бактериальном метагеноме, варьируют от профагов, плазмид, транспозонов до островков патогенности (Baba et al., 2002; Kuroda et al., 2001). Эти носители в совокупности можно считать содержащими «мобилому», библиотеку мобильного генетического материала, который может с замечательной легкостью обмениваться между родственными и неродственными видами бактерий. Мобилома имеет особую ценность для передающихся патогенных бактерий, которые постоянно подвергаются меняющемуся давлению отбора в организмах разных хозяев, а также испытывают воздействия разнообразной антибактериальной терапии. Фаги, плазмиды и островки патогенности являются превосходными носителями генетического разнообразия, так как могут переносить целые гены и генные кластеры между бактериями. Сложные фенотипические признаки могут, таким образом, приобретаться в результате одного, мгновенно происходящего события. Плазмиды уникальны среди этих медиаторов горизонтального переноса генов тем, что не образуют инфекционных внеклеточных форм, опираясь на конъюгацию клеток для мобилизации и переноса. Как таковые плазмиды не считаются вирусами. То, что мы не станем обсуждать их, нисколько не умаляет их важную роль в генетическом обмене между бактериальными клетками.

Фаги отвечают за поддержание микробного разнообразия, и именно они несут главную часть вины за усиление патогенности бактерий в результате конверсии фагов. Фаги облегчают адаптацию к новым хозяевам и новым условиям окружающей среды, поставляя в клетки ассоциированную с ними генетическую информацию, которая включается в хромосому клетки-хозяина. Это включение может стать основой селективного преимущества, если говорить об успешной репликации, для генома бактерии, а также и для ДНК самого фага, который эгоистично пользуется побочным преимуществом репликативного успеха своего хозяина. Фаги едут дальше вместе с геномом хозяина, но могут, время от времени, овладеть полем и стать литическими, в надежде на большой выигрыш, на обретение нового хозяина, где, вероятно, можно будет реплицировать свой геном еще быстрее.

Островки патогенности – это мобильные генетические элементы, обнаруживаемые в геномах большого числа как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий (Novick, Christic, Penades, 2010). Островки патогенности содержат крупные кластеры генов и множество тысяч пар оснований ДНК. Появление столь многих патогенных штаммов золотистого стафилококка за такой короткий период демонстрирует мощное влияние островков патогенности на ее проявления у бактерий. Эти генные кассеты обрамлены повторяющимися последовательностями ДНК и кодируют интегразы, напоминающие таковые умеренных фагов, то есть фагов, которые превращают бактериальные клетки в лизогенные. Этот массивный набор генов кодирует белки с широким диапазоном функций, включая устойчивость к лекарствам, а также содержит гены вирулентности, кодирующие токсины, суперантигены, а также и другие новые генные продукты. Это самостоятельная и весьма ценная генетическая валюта островков патогенности. Их получение бактерией может позволить ей немедленно экспрессировать множество новых генов, что обеспечивает клетку-реципиента новым фенотипом, на который может воздействовать естественный отбор. Распространение островков как паразитов бактериальных геномов зависит от конкурентного преимущества, обеспечиваемого их генетическим грузом, и именно этот груз делает островки столь важным катализатором адаптивной эволюции бактерий. Главным фактором успеха является мобильность островков, и – вы угадали – главным фактором их мобильности являются фаги!

Островки патогенности – это самостоятельно и независимо развивающиеся эгоистичные генетические элементы, которым для того, чтобы поддерживать свой жизненный цикл, приходится паразитировать на фагах. В этом отношении они подпадают под данное мною широкое определение вирусов. Островок патогенности можно считать окончательным лизогеном. У островков отсутствуют гены, обеспечивающие их мобильность, и им приходится опираться на помощь «хелперного вируса», для того чтобы завершить свой независимый репликативный жизненный цикл (Ram et al., 2012; Tormo-Mas et al., 2010). Инфицирование фагом или индукция фага в клетке-хозяине островков активирует патогенные островки – их гены начинают репликативный цикл и мобилизацию. ДНК островков патогенности вырезается из хромосомы клетки-хозяина, с формированием кольцевидного генома, который реплицируется под влиянием ферментов синтеза ДНК клетки-хозяина. С этого момента продуцируется еще больше генных продуктов островка патогенности, что позволяет использовать структурные белки хелперного фага для построения инфекционных вирусных частиц, содержащих их геном. Эти вирусные частицы продуцируются в больших количествах и являются носителями эффективного горизонтального транспорта генов островков патогенности между бактериями. Репликация островка патогенности разрушительно действует на хелперный фаг, который не способен эффективно продуцировать свои собственные вирионы перед лицом активированного паразита. Это подавление репродукции хелперного фага называют «парадигмой молекулярного паразитизма». Этот механизм был изучен и охарактеризован в изящных исследованиях островков патогенности золотистого стафилококка и хелперного фага 80α (Ram et al., 2012; Novick, Christic, Penades, 2010). Этот треугольник отношений между клеткой-хозяином, островком патогенности и фагом 80α развился в результате длительного совместного процесса; хотя понятно, что бактериальная клетка получает преимущество от присутствия островка патогенности, который, в свою очередь, получает «товары и услуги» от хелперного фага 80α, но не ясно, почему сам фаг играет в эти игры. Он эгоист, и давление естественного отбора, как ожидается, должно повышать его шансы на успешность репликации. Оказывая помощь паразитическому островку патогенности, он вредит этой основополагающей цели, так как в результате репликация фага 80α страдает и образуется меньше инфекционных частиц. Тем не менее было обнаружено множество случаев подобных взаимоотношений, включая различные островки патогенности, использующие разные виды фагов. Поскольку все эти отношения представляются эволюционно стабильными, мы должны заключить, что геном хелперного фага извлекает какое-то репликативное преимущество из этого «любовного» треугольника. Можно утверждать, что уменьшение литической плодовитости фага многократно перевешивается увеличением и здоровьем бактериальной клеточной популяции, что увеличивает число доступных новых хозяев.

Мутации, происходящие в результате ошибок при репликации хромосомной ДНК, случаются у бактерий часто благодаря быстрой смене поколений и являются источником генетической вариабельности – движущей силы адаптивной эволюции. Мутации – это чаще всего дискретные изменения в нуклеотидной последовательности хромосомной ДНК, которые влияют на функцию единичного гена или белка. Лишь очень редко хромосомные мутации улучшают функции бактериальной клетки и становятся объектом положительного отбора. Можно обоснованно утверждать, что наибольший вклад в эволюцию бактерий вносит приобретение (или потеря) последовательностей ДНК в ходе горизонтального переноса генов. Приобретаются целые гены или кластеры генов, что мгновенно дает бактериальной клетке потенциальные адаптивные признаки. Островки патогенности, присутствующие в вирулентных штаммах стафилококка, являются наиболее мощными переносчиками при горизонтальной передаче генов. Присутствующие в них гены привносят в клетку-реципиент ценные функции, так как кодируют белки, определяющие устойчивость к антибиотикам или повышенную патогенность. За эту валюту островки патогенности покупают преимущества, связанные с положительным влиянием естественного отбора на геном клеток-хозяев. Улучшение репликативной функции клетки-хозяина приносит пользу самому хозяину и его островкам патогенности. В ходе своего развития островки патогенности стали напоминать дефектные лизогенные фаги, зависящие от репликации хелперного фага для завершения своего репликационного цикла и инфицирования других клеток. Следовательно, мобилизация островка патогенности может быть запущена либо инфицированием клетки хелперным фагом, либо индукцией профага. Жестокая ирония судьбы заключается в том, что лечение, которое мы проводим для борьбы с бактериальными инфекциями, само стимулирует опосредуемую фагом трансдукцию ДНК, передачу островков патогенности другим клеткам и конверсию фагов (Modi et al., 2005). Наше лечение способствует усилению горизонтального переноса генов и закладывает фундамент под ускорение адаптивной эволюции тех самых возбудителей, против которых мы боремся.

Сегодня это повод для большой озабоченности. Наша система здравоохранения все чаще обнаруживает, что лечение опасных и угрожающих жизни бактериальных инфекций оказывается неэффективным вследствие развития устойчивости к антибиотикам. Открытие антибиотиков и их польза для человечества стали одним из величайших достижений медицинской науки, но сегодня почва уходит у нас из-под ног. В структуре смертности от инфекционных поражений среди госпитализированных больных в странах Европы и Северной Америки в девяностые годы первенствовали больные с приобретенным иммунодефицитом (зараженные ВИЧ-1); причиной смерти прежде всего становилась оппортунистическая инфекция. Сегодня в этой статистике не упоминаются больные СПИДом, но большая часть смертей обусловлена патогенной бактериальной инфекцией. В недалеком прошлом многие из этих инфекций были легко излечимы. Теперь же мы сталкиваемся с новыми штаммами бактерий, вооруженных способностью противостоять нашим самым мощным антибиотикам. Кризис, вызванный вирулентными, полирезистентными патогенными микроорганизмами, оказался таким угрожающим, что международные сообщества врачей-инфекционистов и специалистов-микробиологов затрубили тревогу, призывая правительства предпринять меры по стимуляции исследований в области борьбы с бактериальными инфекциями (Stagnates, 2004).

Тревожное положение дел обусловлено горизонтальным переносом генов между бактериями разных видов в нашем микробиоме, в окружающей среде и среди патогенных видов бактерий (Wright, 2007; Martinez, 2009; Penades et al., 2015). Избыточное назначение антибиотиков и их неумеренное применение при вскармливании скота внесли весомый вклад в возникновение резистентности к антибиотикам и множеству других лекарств у наших бактерий-комменсалов (Martinez, 2009). Однако даже метагеномы нетронутых уголков природы нагружены генетической информацией, которая готова вмешаться в эволюцию патогенности и устойчивости к антибиотикам (Colomer-Lluch, Jofre, Muniesa, 2011; Wright, 2007). Мобильные генетические элементы, в частности плазмиды, и, определенно, в некоторых случаях опосредованная фагом трансдукция – все это играет роль в мигрирующей резистентности к лекарствам и вирулентности генов среди комменсалов и изначально патогенных бактерий. Мы живем бок о бок с нашими кишечными микробиомами, и их запас мобильной патогенности и мобильной резистентности к антибиотикам должен особенно нас тревожить. Индукция фага внутри непатогенной симбиотической клетки нашего микробиома является главным феноменом, отвечающим за мобилизацию патологических генов. Эта концепция получила подтверждение в недавно опубликованной работе, выполненной в лабораториях, руководимых доктором Джеймсом Коллинзом в Бостонском университете и на медицинском факультете Гарвардского университета (Modi et al., 2013), в которой рассмотрены механизмы, лежащие в основе переноса резистентности к антибиотикам между бактериями, в норме обитающими в нашем кишечнике.

Известно, что такие стрессовые факторы окружающей среды, как антибиотики, даже в субтерапевтических дозах, которые намного ниже тех, которые назначают для лечения инфекций, могут провоцировать индукцию профагов в кишечных бактериях (Maiques et al., 2006; Ubeda et al., 2005). Нормальное, но редкое стохастическое событие становится частым и определяющим для бактериальной популяции. Исследовательская группа Коллинза попыталась воссоздать условия, возникающие на фоне лечения антибиотиками, использовав в качестве модели мышь. Ученые исследовали нарушения в фагеоме (совокупность последовательностей всех фаговых геномов в образце) в кале мышей, которые получали антимикробные препараты. Используя дозы антибиотиков, эквивалентные тем, что получают люди в процессе лечения инфекционных заболеваний, они выбрали два широко распространенных антибиотика с различными механизмами действия. Первый антибиотик – ципрофлоксацин из группы фторхинолонов, который подавляет микробную флору на уровне репликации ДНК, угнетая лигазную активность бактериального фермента топоизомеразы II. Как уже было сказано выше, введение фторхинолонов вызывает стрессовый SOS-ответ и индукцию фагов в патогенных энтерогемморагических кишечных палочках. Вторым антибиотиком был ампициллин – бета-лактам, который подавляет синтез вещества клеточной стенки бактерий. После лечения антибиотиками из кала мышей выделяли фаговую ДНК и методами глубокого секвенирования определяли фагеом. С помощью компьютерной программы сравнили эти данные с известными ДНК-последовательностями, что позволило определить их происхождение (бактериальное или фаговое), а также функцию соответствующих генов.

Результаты оказались поразительными, а выводы авторов имели огромное значение для нашего понимания ключевой роли фагов в генетическом разнообразии, а также их роли катализаторов генетической адаптации в микробиомах кишечника. У мышей, получавших антибиотики, как получают их больные с инфекциями, наблюдали увеличение количества фаговой ДНК, кодирующей широкий диапазон генных последовательностей, определяющих лекарственную резистентность. К удивлению ученых, однако, эти мобилизованные фаговые гены включали гены, ответственные за резистентность к вводимым антибиотикам, а также гены, связанные с резистентностью ко многим антибиотикам других групп. Эта полная трансдукция ДНК значительно обогатила генетическую сложность фагеома. Эта сложность возникла в результате мобилизации бактериальной ДНК из самых многочисленных родов бактерий, обитающих в кишечнике мышей. Кроме того, трансдукция обогатила пул бактериальных генов, которые обеспечивают выживание в условиях стресса. Например, фагеом мышей, получавших фторхинолон, обогатился генами, отвечающими за репликацию и репарацию ДНК, в то время как фагеом мышей, получавших ампициллин, обогатился генами, отвечающими за включение полисахаридов в клеточную стенку и за белки, катализирующие ее синтез, то есть за процессы, которые нарушаются на фоне приема ампициллина. Индукция фагов и полная трансдукция последовательностей бактериальной ДНК благоприятствуют генам, которые придают бактериям адаптивную способность переносить стрессовые ситуации. Исследователи также выявили фрагменты ДНК, содержащие фаговые и бактериальные последовательности, соединенные в одну крупную молекулу. Эти фрагменты ДНК свидетельствуют об инфекции и рекомбинации между геномами частицы фага и бактерии. Примечательно, что были обнаружены рекомбинантные ДНК, происходящие из фага и бактерии, что говорит о том, что – и это было неожиданностью – имеют место инновационные взаимодействия между клеткой-хозяином и фагом. Представляется, что в подвергнутой воздействию стресса экосистеме кишечника фаги не только выполняют функцию адаптивного генного банка, но и обеспечивают облегченный доступ к этому генетическому инвентарю, упрощая взаимодействие фага и клетки-хозяина.

Влияние фагов на эволюцию, усиление вирулентности и формирование полирезистентности, как выяснилось, усиливается в условиях воздействия антибиотиков на кишечную микрофлору. Дестабилизирующий эффект введения антибиотиков на кишечный микробиом повышает вероятность колонизации микроорганизмами новых ниш и расширения присутствия патогенных микробов в кишечной экосистеме. Такая дестабилизация нормальной флоры нашего кишечника является главной причиной патологического размножения таких оппортунистических микроорганизмов, как Clostridium difficile, которые в обычных условиях ничем себя не проявляют (Young, Schmidt, 2004; Owens et al., 2008). Работа Коллинза показывает, что антибиотики, таким образом, провоцируют непредсказуемые изменения в экосистеме нашего кишечника. Беспорядочная, хаотичная, опосредованная фагами мобилизация генов резистентности и вирулентности в микробиоме кишечника является весьма полезным открытием. Эта мобилизация потенциально способна ускорить микробную эволюцию и возникновение адаптивных патогенных вариантов с новой вирулентностью и новыми фенотипическими проявлениями резистентности.

Пассивным помощником патогенных бактерий является, без сомнения, огромный массив генетической информации, доступной для вирусного и бактериального метагеномов. Совокупно они действуют как резервуар генетической адаптации, стимулируемой и подстегиваемой репликацией, опосредуемой фагами. Этот набор генетической информации может быть мобилизован и использован для адаптивной эволюции. Роль горизонтального переноса генов в бактериальной эволюции так важна, что именно он является первичным и главным движителем расхождения видов, а часто и главным фактором микробного видообразования. Несомненно, бактериальные виды должны иметь совокупность генов, которые составляют ядерную специфичность данного вида, но границы этого ядра стерты почти неограниченным поступлением дополнительной мобильной генетической информации. Собирательное название всей этой огромной совокупности – микробный пангеном.

Все инфекции, будь то скарлатина, холера, дифтерия, синдром токсического шока, некротический фасциит или недавно обнаруженная инфекция устойчивыми к метициллину золотистыми стафилококками, являются закулисными кукловодами для мобильной генетической информации и опосредованных фагами биологических событий. Клинические руководства и органы общественного здравоохранения должны учитывать роль фагов и горизонтальной передачи генов в быстром возникновении и распространении устойчивых к антибиотикам высоковирулентных микроорганизмов. Мы проявим благоразумие, если усилим бдительность в отношении вирусов и разработаем такие лечебные схемы, которые позволят избежать стимуляции механизмов адаптивной эволюции возбудителей болезней, с которыми мы боремся.

Теперь мы обратим внимание на наши собственные вирусы, на вирусы, составляющие человеческий виром. Мы находимся в разных отношениях с разными вирусами, сформированных различной длительностью совместной эволюции. Вирусная инфекция может быть преходящей и безвредной, а может и угрожать жизни. Вирусы могут вызывать хроническую инфекцию, при которой болезнь прогрессирует или протекает латентно с рецидивами. Многие вирусные инфекции протекают бессимптомно. Установлено, что каждый из нас постоянно инфицирован 8–12 вирусами (Virgin, 2014). Это число меняется с возрастом, с условиями окружающей нас среды, нашим финансовым положением и, самое главное, нашим геномом, а в особенности теми генами, которые управляют нашим иммунитетом. Эти оценки, несомненно, занижены, так как в расчет принимаются только вирусы нашего микробиома (главы 2 и 3); при этом невозможно учесть еще не выявленные вирусы.

Вирусы примитивных прокариот вступают в весьма развитые и богатые нюансами отношения со своими одноклеточными микробными хозяевами. Наше восприятие их как «примитивных» вводит в заблуждение: они эволюционировали вместе со своими хозяевами до появления третьего царства жизни – эукариот. Мы можем сколько угодно думать, будто наш видовой успех измеряется нашей биологической сложностью и культурной изощренностью – нашим разумом, развитием языка и культурными достижениями, но наш геном (и, если уж на то пошло, каждый наш ген) мало задумывается о таких вещах. Если бы он вообще умел думать, то считал бы успехом лишь возможность своего размножения и распространения. В этом отношении фаги и их геномы весьма и весьма успешны, так как сумели провести стадо своих генов через перипетии эволюции от времен зарождения жизни до нашего времени. Тем не менее сейчас мы ступим на территорию вирусов, инфицирующих нас с вами – позвоночных животных, многоклеточные организмы, представителей царства эукариот. Независимо от понимания успеха на генетическом уровне, этим микроскопическим машинам пришлось проложить очень сложный маршрут и проделать тернистый путь для того, чтобы сохранить и приумножить свои гены в эукариотических клетках.

В то время как вид Homo sapiens появился не более двухсот тысяч лет назад, многие инфицирующие нас вирусы, вероятно, были постоянными спутниками предков, от которых произошел человек разумный. Вирусы развивались, эволюционировали и следовали за ветвящимися и вновь образующимися видами по пути, ведущему от крупных обезьян до человека. Другие, не менее древние вирусы недавно нашли в человеке подходящую нишу и подарили ему новые заболевания. Точно так же, как мы, думающие о себе как о венце эволюции, вирусы выработали сложный стиль жизни, позволивший им с гарантией распространять их генетические линии, сохраняя идентичность на протяжении сотен тысяч и миллионов лет. Тот срез вирусов, который мы сейчас наблюдаем в нашем вироме, фиксирует лишь успешные линии вирусной информации, то есть те вирусы, которые обрели информационное содержание, позволяющее существовать им как видам. Особенность (и мы еще вернемся к ней позже) заключается в том, что в отличие от живых организмов вирусы не оставили после себя никаких ископаемых остатков, которые можно было бы соотнести с геологической хронологией. Все наши знания об эволюции вирусов основаны на ретроспективных суждениях, выведенных из генетического состава существующих в настоящее время вирусов. Исчезнувшие вирусы и их генетическая информация совершенно недоступны исследованию. Будучи эгоистичными генетическими паразитами, эти вирусы, если бы они обладали движущими мотивами своих действий, ничем бы не отличались в этом отношении от фагов, инфицирующих бактерии: их мотив – поддержание репликации. Параметры, которые влияют на успешность эукариотических вирусов, тоже не отличаются особой оригинальностью. Мы увидим, что и на таком высоком уровне факторы, направляющие эволюцию человеческих вирусов, работают так же, как и на уровне простейших фагов.

Однако с самого начала надо отметить одну значительную разницу. Она заключается в огромной сложности хозяина: это организм, кооперативное сообщество клеток. Когда мы обсуждали литические фаги, вирусы, инфицирующие бактерии и простейших, мы принимали в расчет только индивидуальные инфицированные бактериальные клетки. Успешное инфицирование фагом популяции бактериальных клеток начинается с проникновения в единичную клетку и реализуется после высвобождения дочерних фаговых частиц во внешнюю среду, где эти частицы могут беспрепятственно инфицировать других индивидов – другие бактериальные клетки. Эти частицы являются носителями генетической информации фага, отвечающими за передачу информации другим хозяевам. Отдельные, генетически идентичные клетки-хозяева, входящие в популяцию, инфицируются в ходе последовательных, разрастающихся по экспоненциальному закону циклов вирусной репликации до тех пор, пока сохраняется популяция клеток-хозяев. Успешные переходы из клетки в клетку являются важнейшим условием для репликации и распространения вирусов в популяции клеток-хозяев. Фаги бактериальных клеток приняли на вооружение разнообразные стратегии, обеспечивающие успешное размножение штаммов. Вирулентная литическая инфекция приводит к немедленной амплификации генома, в то время как лизогения отсрочивает продуктивную репликацию до более поздней реактивации профага. В каждом случае – я сейчас придерживаюсь данного мною определения вируса – необходимо, чтобы вирус был независимо развивающейся эгоистичной генетической единицей. Квинтэссенция «вирусности» заключается в передаче и инфицировании новых клеток-хозяев. Перед вирусами, инфицирующими многоклеточные организмы, стоит, в принципе, та же нелегкая фундаментальная задача обеспечения выживания – передача в новые клетки. Они должны инфицировать организм, реплицироваться и покинуть клетку с тем, чтобы проникнуть в новые клетки-хозяева. Это грандиозная и уникальная задача: вирусы должны отыскать доступ и сориентироваться в массиве из приблизительно 50 триллионов клеток, которые в сумме составляют наши ткани и органы. Вирусы должны отыскать именно те клетки, в которых могут реплицироваться, а также суметь уцелеть, несмотря на множество линий обороны организма. Позвоночные, например, обладают высокоразвитыми врожденными и адаптивными иммунными системами, призванными защищать организм от проникновения чужеродной генетической информации. И, наконец, вирусы должны иметь способ высвобождения дочерних вирусных частиц для их последующей передачи в другие клетки.

Даже для таких животных, как мы с вами, вирусную инфекцию и заболевания, вызываемые ею, можно свести к фундаментальным единицам, к инфицированию одной, отдельно взятой клетки. Тем не менее вирусы животных должны сделать многое сверх репликации и распространения внутри гетерогенной популяции клеток, составляющих ткани и органы нашего тела. Мало того, вирусы должны репродуцироваться и распространяться внутри популяции организмов, которые удалены друг от друга в пространстве. Различие в проявлениях разных вирусных инфекций представляют собой окно, через которое мы можем наблюдать механизмы и процессы, помогающие вирусам справляться с этими вызовами и успешно преодолевать давление естественного отбора, сохраняя свои штаммы на протяжении веков. Виромы животных состоят из совокупности более или менее патогенных вирусов, которые выработали разнообразные и порой удивительные стратегии в своих взаимоотношениях с хозяином. Отношения вирусов животных и их хозяев столь же разнообразны, как отношения фагов и прокариот, и представляют собой континуум, простирающийся от чистого паразитизма до взаимовыгодного симбиоза. Эти отношения вируса с хозяином являются результатом реципрокного хода эволюции хозяина и патогенного возбудителя, где, как в гонке вооружений, каждая сторона старается наилучшим образом оснастить себя ради выживания. Эволюционная адаптация вирусов дыхательных путей человека дает нам наглядную иллюстрацию развивающегося патогенетического процесса. Вирусы сумели развить у себя способность к успешной репликации и эффективному распространению, что вызывает эпидемические вспышки респираторных инфекций.

Одним ранним осенним вечером родители заметили, что их трехлетняя дочка стала апатичной, вялой и плаксивой. Ближе к ночи у ребенка поднялась температура, на щечках появился нездоровый румянец; родители дали дочери парацетамол. На следующий день лихорадка сохранилась, стала нарастать заложенность носа, выделения непрерывно текли на верхнюю губу; присоединился сухой хриплый кашель, появились свистящие хрипы при дыхании. Озабоченные родители отвезли дочку к педиатру. Диагноз оказался нестрашным, но несколько неопределенным: «Это не грипп, наверное, просто вирус». Совет был таков: «Возвращайтесь домой, не обращайте внимания на кашель, уложите ее в постель и давайте больше жидкости. Если девочке станет хуже, немедленно обращайтесь». Доктор не выписал никаких лекарств. Собственно, их и не существует; нет специфического лечения, так как эту банальную симптоматику может вызвать любой из нескольких десятков вирусов, инфицирующих наши дыхательные пути. Куриный бульон работает не хуже других средств; люди моего поколения привыкли к разнообразным домашним способам. Один из них заключался в горчичных ваннах, призванных «выводить токсины». Это был такой же успешный метод лечения, как и все подобные, а терпкий вяжущий вкус горчицы отнюдь не был противным. Симптомы у девочки продержатся пару дней, а потом ребенок как ни в чем не бывало снова станет веселым и подвижным.

Так протекают почти все острые респираторные инфекции, вызываемые вирусами. Они обычно преходящи и разрешаются сами, очень редко приводя к серьезным осложнениям. Диагноз врача и его неспособность выявить конкретного виновника заболевания удовлетворительны лишь в том отношении, что точный этиологический диагноз был бы абсолютно бесполезен. Врач в этой ситуации не может предложить никакого специфического лечения. Есть совокупность разных вирусов, вызывающих простуду (не говоря о бактериях, которые вызывают сравнительно малую долю заболеваний, похожих на простуду), и в реальной обыденной жизни вас редко порадуют точным этиологическим диагнозом, если ваш ребенок заболеет острым респираторным заболеванием.

Мы все озабочены вирусами, и знакомство с ними мы начнем с исследования самого вездесущего вирусного возбудителя – вируса «простуды». К вирусам, инфицирующим нас и вызывающим симптомы банальной простуды, относят вирусы гриппа (если речь идет об очень легких случаях), вирусы парагриппа, респираторный синцитиальный вирус, метапневмовирусы, вирусы Коксаки, энтеровирусы, аденовирусы, коронавирусы и риновирусы. Тем не менее именно риновирусы вызывают классическую простуду у детей. Риновирус является ее причиной в 70 % случаев вирусной респираторной инфекции, в особенности часто риновирус поражает своих жертв весной и осенью (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Успех этого патогена самоочевиден. Но почему он так потрясающе успешен? Он вызывает преходящее острое респираторное заболевание, но наш коллективный опыт учит, что простуда распространяется в домах и школьных классах с колоссальной эффективностью. Какова та стратегия инфицирования и ее отношение к человеку (единственному хозяину риновируса), которые сделали этот вирус нашим вечным и надоедливым спутником?

Основным вирусом простуды является риновирус человека. Ринос происходит от греческого слова, означающего «нос» или «носовой». Риновирус человека был выделен в пятидесятые годы как вирус, вызывающий простуду, и к сегодняшнему дню известно около ста его различных серотипов (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Все они генетически очень близки между собой, и выделяли их у больных, имевших одинаковую симптоматику. Вирус реплицируется в эпителиальных клетках, выстилающих носовые ходы. В течение десятилетий считали, что патологоанатомическая картина обусловлена локализованной репликацией вируса в носу и носоглотке. Ученые знали, что риновирус человека лучше всего реплицируется в культуре клеток при температуре между 33 и 35 °C. Это намного ниже температуры тела, и поэтому вирусологи полагали, что вирус может поражать только более холодные верхние дыхательные пути в носовых ходах. Оказалось, что это не так. У небольшой части пациентов риновирус с не меньшим успехом вызывает поражения нижних отделов дыхательных путей. Репликация вируса в нижних дыхательных путях была продемонстрирована в многочисленных исследованиях, в которых РНК вирусного генома выделяли из эпителия нижних дыхательных путей (Gern et al., 1977; Kaiser et al., 2006; Mosser et al., 2005). Ученые Кливлендского университета провели тщательное исследование температуры, преобладающей в дыхательных путях человека. Они непосредственно измерили температуру в нижних дыхательных путях и обнаружили, что она близка к 37 °C только ниже ветвления бронхов четвертого порядка, то есть глубоко в ткани легких (McFadden et al., 1985). Теперь мы принимаем как факт, что риновирус может поражать нижние дыхательные пути и там тоже можно обнаружить его репликацию. Этот аспект патогенеза риновирусной инфекции наиболее важен для особо восприимчивых пациентов. Больные, страдающие бронхиальной астмой или хронической обструктивной болезнью легких, подвержены тяжелым обострениям основных заболеваний на фоне риновирусной инфекции. Так что если мама говорила вам в детстве, что у вас «грудная простуда», то она ставила вам очень точный диагноз.

Существует сомнительное мнение, что простуда непременно возникает в холодную погоду; «ты простудишься и заболеешь» – это типичное напутствие матерей, дети которых убегают на мороз без шапки и в расстегнутой куртке. Считалось, что холод способствует распространению вируса. Какое более удачное место для исследований можно было найти, как не на станции МакМердо в Антарктиде? Группа ученых из университета штата Висконсин отправилась именно туда и в 1989 году опубликовала результаты своих исследований. Один из выводов гласил: длительное пребывание на холоде не оказывало значимого влияния на заболеваемость простудой среди ученых, перезимовавших на станции (Warshauer et al., 1989). Эти исследования развеяли еще один миф о простуде.

Итак, каков «образ жизни» риновируса? В чем секрет его генетического успеха в качестве возбудителя простуды у человека, простуды, которая посещает нас с завидной регулярностью? Давайте начнем сначала, как мы сделали это в отношении хвостатых ДНК-содержащих фагов. Риновирусы являются членами многочисленного и разнообразного семейства Picornaviridae; по размеру они сходны с хвостатыми фагами, инфицирующими прокариот, и тоже имеют икосаэдрический белковый капсид, в который упакован вирусный геном. Вместо двухцепочечной ДНК генетическая программа риновируса записана на одноцепочечной полимерной молекуле РНК длиной приблизительно в восемь тысяч пар оснований. РНК очень похожа на ДНК, и в настоящее время почти все согласны с тем, что РНК является эволюционной предшественницей ДНК в качестве носителя генетической информации. Нить РНК непосредственно представляет рибосомам клетки-хозяина информацию, кодирующую белок капсида, и на рибосоме немедленно начинается его синтез. Вирусная РНК, таким образом, транслируется в крупный белок, который расщепляется на одиннадцать белков меньшего размера, составляющих структурные элементы вирусной частицы (вирусные белки 1–4), и неструктурные белки, отвечающие за ход репликации генома. Частица риновируса является эффективным переносчиком вируса: инфицирование происходит в момент контакта вируса с эпителием носовых ходов или с эпителием конъюнктивы глаза. Вирус остается жизнеспособным в этой среде до четырех суток, а на поверхности кожи его жизнеспособность сохраняется два часа (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Обследование добровольцев показало, что у 40 % людей, страдающих простудой, вирус обнаруживается на руках (Gwaltney, Moskalski, Hendley, 1978). Перенесение вируса с рук на нос, с рук на глаза, а также прямой контакт с выделениями из носа или аэрозолем являются основными путями заражения. Вирус, попавший в носовые ходы, должен получить доступ в клетки хозяина, то есть в клетки слизистой оболочки, в которых ему предстоит реплицироваться. Этот процесс обеспечивается распознаванием и связыванием с белковым рецептором, расположенным на поверхности клетки носового эпителия. Специфичность этого физического взаимодействия исключительно высока. Форма и структура вирусного капсида точно соответствует трехмерной структуре внеклеточного домена рецептора (отношения «замок – ключ»). Таким способом подавляющее большинство риновирусов распознают молекулу межклеточной адгезии 1 (ММКА-1), белок на поверхности эпителиальной клетки. В норме эта молекула играет главную роль в адгезии лейкоцитов, иммунокомпетентных клеток, к клеткам, пораженным инфекцией или воспалением. Малая доля некоторых типов риновирусов, около 10 %, использует связывание с другим поверхностным белком – рецептором липопротеинов низкой плотности. Это связывание вирусной частицы с белком клеточной поверхности служит той же цели; в результате происходит прикрепление вируса к клетке. Независимо от природы рецептора, который распознает и связывает риновирус, комплекс белка и вируса транспортируется внутрь клетки с помощью механизма эндоцитоза. Вирус присваивает процесс, который клетка использует для обратного захвата и повторного использования белков своей собственной поверхности. Комплекс проникает в клетку в полости пузырьков, которые образуются в результате впячивания клеточной мембраны. Внутри клетки вирус отделяется от рецептора, и его частица распадается и высвобождает в цитоплазму геном – так же как фаги, геном вируса вступает в мир клетки-хозяина голым. Геном вируса немедленно распознается как шаблон для синтеза белка на клеточных рибосомах. Эти вирусные белки сразу блокируют функции клеточных белков, парализуют работу клетки и собирают комплексы репликации, которые удваивают геном РНК, готовый к упаковке и высвобождению из клетки. В отличие от фагов у риновируса нет выбора после входа в клетку. Он может вести себя только как вирулентный литический фаг; он не способен к лизогении (к которой способны умеренные фаги), и у риновируса, таким образом, нет возможности задержаться в клетке-хозяине. Это типичный гонщик на голом автомобильном шасси, кодирующий только свои генные продукты; он вынужден следовать хищнической литической тактике – хватай что можешь и беги – реплицироваться в наших клетках и одновременно в наших организмах.

К счастью, репликация риновирусов редко происходит за пределами эпителия дыхательных путей, их активность быстро подавляется усилиями иммунной системы, которая мобилизуется сразу после инфицирования клеток вирусом. Сразу после него клетки носового эпителия распознают вторгшийся вирус и запускают активацию защитной сети экспрессии генов. Эти ответы включают в себя врожденную клеточную антивирусную защиту и адаптивную реакцию иммунной системы, которая запускается в каскаде развертывающихся после инфицирования событий (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Эти реакции немедленно заставляют инфицированную клетку секретировать медиаторы воспаления, кинины и простагландины, которые вызывают повышение сосудистой проницаемости и стимулируют экзокринную секрецию. В результате первыми симптомами простуды являются зуд в носу и насморк. Первоначальное отделяемое из носа состоит из плазмы, просачивающейся из сосудов носовых ходов; только позднее жидкость начинает представлять собой нагруженный вирусами слизистый секрет. Сообщение между клетками продолжается благодаря интерлейкинам, сигнальным молекулам, таким как интерлейкин-8 и хемокины, которые выделяются в инфицированных тканях. Интерлейкин-8 является мощным хемоаттрактантом, который перемещает иммунокомпетентные клетки (нейтрофилы и моноциты) к месту инфекции для борьбы с незваными гостями. Количество интерлейкина-8 в отделяемом носовых ходов прямо пропорционально тяжести симптомов простуды.

Именно наша собственная иммунная система повинна в усугублении тяжести клинических проявлений простуды, так как она отвечает за отграничение и удаление из организма инфицированных вирусами клеток. Степень тяжести симптомов, естественно, играет важную роль в передаче вируса, который высвобождается из носовых эпителиальных клеток и покидает организм хозяина с током носового секрета. Риновирусная инфекция, не спровоцировавшая иммунного ответа, не достигает своей цели – успешной передачи вируса новым восприимчивым хозяевам. Интересно отметить, что одним из ответов инфицированных клеток является увеличение экспрессии ММКА-1. Это тот самый рецептор некоторых серотипов риновируса человека, но не всех, но усиление экспрессии ММКА-1 происходит при инфицировании всеми серотипами риновируса, что указывает на то, что это не является прямым результатом связывания вируса с рецептором. Папи и его коллеги предположили, что не поврежденные риновирусом эпителиальные клетки могут стать более восприимчивыми к последующим инфекциям в результате такого усиления экспрессии упомянутой молекулы (Johnston et al., 1998; Papi, Johnston, 1999), но вопрос так и остался открытым. В любом случае этот феномен ограничен теми риновирусами, которые используют ММКА-1 для проникновения в клетку. Но почему тогда все риновирусы, независимо от рецепторной селективности, оказывают одно и то же воздействие на инфицированную клетку? Вероятнее всего, усиление экспрессии ММКА-1 не влияет на окончательную продуктивность вирусной инфекции для каждой отдельной клетки, но феномен этот возник и сохранился для увеличения эффективности миграции лейкоцитов к инфицированным тканям. Вероятно, это самый важный биологический ответ, так как этим способом риновирус провоцирует более эффективную мобилизацию иммунокомпетентных клеток в эпителии носовых ходов, усугубляя тяжесть клинических проявлений, а значит, повышая заразительность инфекции (Papi, Johnston, 1999).

Специалисты по эволюционной биологии придерживались мнения, что длительная взаимная адаптация вируса и хозяина приводит в ходе эволюции к таким отношениям, которые минимизируют отрицательные последствия заболевания для хозяина. Логическим выводом из такого рассуждения является то, что инфекция со временем будет вызывать более легкое заболевание или вообще перестанет его вызывать. Такой исход часто очевиден при вирусных инфекциях, которые претерпели совместную эволюцию со своими хозяевами и следовали за его видовой дивергенцией в течение длительного, по меркам эволюции, времени. В результате интенсивной гонки вооружений между хозяином и вирусом такая эволюционная разрядка возможна только в том случае, если вирус сможет беспрепятственно распространяться в отсутствие симптомов заболевания. В случае риновируса, заразительность которого зависит от выраженности симптомов, естественный отбор, по необходимости, поддерживает его высокую вирулентность и способность провоцировать выраженные симптомы. В ходе своих кратковременных отношений с организмом хозяина вирусы должны создать условия, которые позволяли бы им свободно перемещаться от одного хозяина к другому. Было бы, однако, неразумно полагать, будто эволюция модулировала тяжесть заболевания, вызываемого риновирусами, оптимизируя возможность передачи и заражения. Это давление эволюции, скорее всего, ответственно за сотворение того, что мы называем простудой, заразной инфекцией, которая вызывает заметные симптомы со стороны верхних дыхательных путей. Относительно доброкачественная природа заболевания и его легкая симптоматика не снижают успешности вируса: он является надежным переносчиком вирусной генетической информации в человеческой популяции. Простуда вызывает легкие симптомы, которые практически не влияют на качество нашей обыденной жизни. Мы не прерываем общение с другими потенциальными жертвами, несмотря на то что являемся источниками этой заразы. Это настоящее преступление.

Болезнь, вызываемую риновирусами, можно назвать «бурей в стакане воды»; нет массивного разрушения тканей, инфицируются и погибают очень немногие клетки слизистой оболочки носовых ходов. После разрешения инфекции мы приобретаем стойкий иммунитет в отношении того риновируса, который вызвал данное заболевание. Реинфекция тем же штаммом риновируса исключена благодаря иммунологической памяти, которая позволяет организму мгновенно реагировать на вторжение знакомого пришельца и уничтожать его на корню. Реинфекция тем же штаммом риновируса, если она вообще случается, может иметь место при ослаблении иммунологической памяти, что при некоторых вирусных инфекциях происходит спустя достаточно продолжительный период времени. Успешность риновирусов, ежегодно вызывающих простуду у наших детей, не является свидетельством реинфекции тем же вирусом (под «тем же вирусом» я имею в виду тот же штамм вирусов), но говорит об инфекции другим штаммом риновируса, отличающимся генетически. Эти повторные инфекции говорят о большом числе и разнообразии типов риновирусов, которые одновременно циркулируют в нашей популяции. Убедительное подтверждение этого факта было получено в исследовании, проведенном в университете штата Висконсин. Наблюдали группу из тридцати четырех детей, страдавших бронхиальной астмой. Наблюдение вели в сентябре, когда дети только что вернулись в школу (Olenec et al., 2010). На третьей неделе месяца шестнадцать из тридцати четырех детей заболели риновирусной инфекцией; в течение месяца группа ученых выявила семнадцать различных риновирусных штаммов в этой когорте наблюдаемых. Несмотря на то что наблюдали детей, страдавших бронхиальной астмой, у которых восприимчивость к риновирусной инфекции и длительность простуды может быть больше, чем у здоровых сверстников, это наблюдение служит наглядной иллюстрацией того, что в каждый данный момент времени в человеческой популяции циркулирует множество различных штаммов риновирусов.

Для того чтобы исследовать эволюцию риновирусов, специалисты по сравнительной геномике проанализировали геномные последовательности различных изолированных популяций вирусов, чтобы найти основу их генетической вариабельности и выявить давление отбора, которое создало это генетическое разнообразие. Главным в способности риновирусов адаптироваться к среде и развиваться являются ошибки при репликации РНК. Наблюдение вариантов нуклеотидных последовательностей в разных штаммах риновирусов позволило многое узнать о силах, движущих их эволюцию. Здесь требуются некоторые пояснения: наш генетический код (а вирусы используют точно такой же) является по своей природе «вырожденным». Код должен распознавать и идентифицировать каждую из двадцати одной аминокислоты, которые в различных сочетаниях и последовательностях образуют белки; кроме того, последовательности нуклеотидов должны кодировать стоп-сигнал. Невырожденный словарь содержал бы двадцать два слова: по одному на каждую аминокислоту, и еще одно дополнительное слово для сигнала рибосоме прекратить трансляцию белка. На самом деле, в алфавите рибонуклеотидов содержатся четыре разных основания (думайте о них как о буквах): гуанидин, аденин, цитидин и урацил. Эти буквы соединяются, образуя слова или, иначе говоря, кодоны из трех букв, которые определяют, какая аминокислота будет включена в белок. Так, существует 4³ = 64 доступных слова, в то время как нужно двадцать одно слово для аминокислот и одно слово-сигнал для прекращения трансляции. На самом же деле, одна аминокислота может кодироваться более чем одним кодоном, отсюда и вырожденность, иными словами, избыточность кода. Это свойство генетического кода дает ценный инструмент в руки ученых, изучающих эволюцию. Так как слова (сиречь, кодоны) с различным написанием (различные триплетные последовательности из четырех оснований) могут обозначать одну и ту же аминокислоту, то некоторые ошибки в записи генетического кода могут не приводить к нарушению смысла, и в белок будет включена та же аминокислота. Такие изменения называют синонимичными мутациями. Если же изменение в записи кодона приводит к включению в белок другой аминокислоты, то речь идет о несинонимической мутации.

Ниже приведены примеры синонимических и несинонимических мутаций для аминокислоты лейцина:

ЦУУ (лейцин) —› ЦУЦ (лейцин) = синонимическая мутация;

ЦУУ (лейцин) —› ЦГУ (аргинин) = несинонимическая мутация.

Исследование полных геномов множества изолированных популяций риновирусов и оценка числа синонимических изменений в сравнении с числом несинонимических изменений в геноме позволило специалистам определить тип естественного отбора и природы его давления на разные участки генома. Если очищающая селекция есть преобладающая форма давления отбора, то он будет поддерживать сохранение уже существующих последовательностей аминокислот в белках. Синонимические изменения терпимы, потому что не приводят к изменениям в белковом составе вируса. Несинонимические нуклеотидные изменения будут отвергнуты, потому что они вредят полноценности вирусного генома. С другой стороны, если преобладают условия, в которых изменения белкового состава вируса благоприятны в отношении давления отбора, то в последовательностях генома будет обнаруживаться большая доля несинонимических мутаций. Такая ситуация называется положительным отбором.

Стоит особо отметить исследования, проведенные Кистлером и его коллегами в Калифорнийском университете Сан-Франциско (Kistler et al., 2007). Авторы изучали последовательности полного генома репрезентативного набора из тридцати четырех риновирусных штаммов. Ученые пришли к выводу, что большая часть генома риновирусов возникла в условиях очищающего давления естественного отбора. Большая часть генетических вариаций, обусловленных ошибками при репликации вирусной РНК, следовательно, возникли в результате вредоносных для адаптации вируса изменений. Естественный отбор вычищает геномы с мутировавшими последовательностями, которые изменяют последовательность аминокислот в белках. Отличительный признак этой очищающей селекции заключается в том, что допускаются синонимические мутации, которые, таким образом, выявляются чаще, чем несинонимические. Это совпадает с тем, чего можно ожидать от вируса, который в высшей степени, можно сказать, оптимально приспособился к своему хозяину. В этом случае давление отбора, приводящее к генетическим изменениям, прекращается. Учитывая заболеваемость простудой, мы неизбежно приходим к выводу, что риновирусы прекрасно приспособились к нам.

Другие наблюдения проливают свет на движущие силы происхождения множества серотипов риновирусов. В некоторых дискретных участках их генома ученые увидели большую, чем ожидалось, частоту несинонимических мутаций в сравнении с синонимическими: в этой части генома поработал положительный естественный отбор. Эти участки ограничиваются теми последовательностями, которые кодируют белки, образующие внешний капсид вируса, и отдельными участками, кодирующими неструктурные белки. Участки неструктурных белков, оказавшиеся под действием положительного отбора, ограничены участками РНК, которые не играют главной роли в функции вируса внутри клетки. Вероятно, что это селективное давление, ведущее к изменениям, возникло в результате воздействия на риновирусы со стороны иммунной системы. Белки вириона, то есть белки, ассоциированные с вирусными частицами, распознаются циркулирующими защитными антителами, возникающими в ответ на инфицирование вирусом. После выздоровления антитела данной специфичности делают пациента невосприимчивым к реинфекции тем же серотипом риновируса. Эти антитела распознают разные риновирусные серотипы, и их специфичность стала основой для выделения более ста серотипов риновирусов, известных к настоящему времени. Постоянное давление отбора заставляет вирусы обходить эти нейтрализующие антитела; вирусы делают это, маскируясь внутри измененного капсида, который не может быть распознан иммунной системой, отреагировавшей ранее на другие штаммы вируса простуды. Разумно предположить, что эволюция множества серотипов риновирусов позволила им сохраниться и процветать на нашей человеческой популяции, так как они получают беспрепятственный доступ к сборочному конвейеру на рибосомах восприимчивых организмов.

Причина давления положительного отбора на последовательности аминокислот в неструктурных белках риновируса (которые не подвержены нейтрализующему действию антител) не находит объяснения в литературе. Я, однако, полагаю, что эти изменения тоже вызваны давлением отбора, направленного на обход иммунного ответа. Иммунный воспалительный каскад, инициируемый в пораженной клетке, отвечает также за мобилизацию цитотоксичных клеток T-киллеров, которые начинают накапливаться в пораженной ткани. Это плечо нашей иммунной системы – в терминах клеточно-опосредованной иммунной реакции – обладает уникальной способностью распознавать и атаковать инфицированные клетки с целью их уничтожения и удаления. Инфицированные клетки распознаются иммунной системой, так как на их поверхности присутствуют мелкие сегменты белков – пептиды, – образующиеся при разрушении белков внутри каждой клетки. Многие пептиды, присутствующие на клеточной поверхности, образуются в результате распада собственных белков, и они распознаются иммунной системой как «аутоантигены». Отпечатки пальцев вируса обнаруживаются на пептидах, образовавшихся в результате распада вирусных белков и вышедших на поверхность пораженной клетки. Они выявляются и распознаются как чужеродные цитотоксическими T-клетками-киллерами, которые затем приближаются к клетке и уничтожают ее. Особые вирусные пептиды, обнаруживаемые на поверхности инфицированных клеток, таким образом, обучают нашу иммунную систему и делают инфицированные клетки восприимчивыми к действию клеточно-опосредованного иммунитета. Клетки, инфицированные измененными вирусами, то есть с измененными пептидами, не будут распознаваться цитотоксическими T-клетками естественными киллерами. Эти вирусы будут иметь селективное преимущество в том, что смогут избежать этого механизма иммунологической «чистки». Это пример положительного отбора.

Таким образом, будет разумным предполагать, что главной движущей силой диверсификации риновирусов является наш (и наших обезьяноподобных предков) иммунный ответ. Способность риновирусов к диверсификации оказалась критически важной для их успешности в роли вездесущего патогена, который существует за счет доступности восприимчивых нетронутых хозяев. Каждый из нас не раз болел простудой, и каждый раз заболевание, скорее всего, было вызвано особым, отличным от других, штаммом риновируса; наши дети особенно восприимчивы к простуде именно по этой причине – они никогда не сталкивались с большинством серотипов риновирусов. Дети – самая плодородная почва для инфекции, потому что снабжены только теми антителами, которые нейтрализуют только те риновирусы, с которыми они уже имели дело. Простуда – это движущаяся мишень для нашего иммунного ответа; вирусы не только вызывают легкое заболевание с симптомами, которые позволяют нам общаться с другими людьми и заражать их; они также способны к выраженному разнообразию, что позволяет им поражать максимальное число разных хозяев. Риновирусы не имеют возможности почивать на лаврах; распространение каждого штамма вируса зависит от повторных циклов репликации. Вымирают ли некоторые риновирусы, покидая организм очередного хозяина, сменяясь вновь возникшими серотипами? Последнее наиболее вероятно, первое едва ли возможно. Многочисленные серотипы риновирусов циркулируют в человеческих популяциях одновременно, и ни один отдельно взятый серотип не является настолько успешным, чтобы истощить пул своих хозяев и навсегда исчезнуть. Географические миграции и рождение восприимчивых детей снабжают вирусы новыми хозяевами, восприимчивыми к инфицированию любыми серотипами.

Я уже упоминал о том факте, что в некоторых случаях риновирусные инфекции протекают тяжелее, чем обычно. В большинстве случаев заболевание бывает легким, и дело ограничивается поражением верхних дыхательных путей, но иногда инфекция поражает и более глубокие, нижние дыхательные пути. Вполне оправдан вопрос, объясняется ли этот феномен различиями между вирусами, или все дело в хозяине. Здравый смысл подсказывает, что тяжесть простуды зависит от больного, а не от серотипа вируса, который его поразил. Тяжелое течение болезни часто регистрировали у пациентов, неспособных на мощный антивирусный иммунный ответ. Это стало очевидным, когда сравнили тяжесть течения простуды с уровнем антивирусного медиатора интерферона-α, который секретируется пораженными клетками (Message, Johnston, 2001; Copenhaver et al., 2004; Sykes et al., 2012). Пациенты, у которых происходит вялая мобилизация интерферона, болеют тяжелее. Пациенты, страдающие легочными заболеваниями, и люди с ослабленным иммунитетом тоже более восприимчивы к тяжелому течению риновирусных инфекций. Тем не менее один новый таксон риновирусов, РВЧ-C, недавно открытый учеными (Lee et al., 2007), ассоциируется с более тяжелым течением вызываемой им простудой и с поражением нижних дыхательных путей, в особенности у больных, страдающих бронхиальной астмой. Этот сегмент риновирусных инфекций является, по понятным причинам, предметом особого внимания и озабоченности для пациентов и их лечащих врачей, но в смысле эволюции риновирусов эта форма заболевания едва ли имеет большое значение, так как встречается редко. Маловероятно, что последствия этого редкого заболевания будут лучше служить эгоистичным целям риновирусных геномов. Особенно это вероятно, если тяжесть заболевания все же зависит от хозяина, а не от генетической вариабельности вируса, которая может стать объектом естественного отбора. Если бы тяжелое течение заболевания у некоторых индивидов определялось на уровне геномной последовательности риновирусов человека и если бы эти изменения обеспечивали вирусу существенные преимущества в плане передачи инфекции, то можно было бы ожидать большей частоты таких тяжелых заболеваний. Поскольку, однако, этого не происходит, представляется более правдоподобным, что эволюция патогенности штаммов риновирусов уже достигла оптимального баланса между надежностью передачи болезни и патогенностью. Геномы наилучшим образом приспособленных риновирусов являются, по-видимому, продуктом самых частых встреч риновирусов с их хозяевами, у которых типичная клиническая картина с легкими и ограниченными по локализации симптомами служат самым отчетливым признаком патогенности. Небольшое число заражений, проявляющееся более тяжелыми симптомами, как представляется, не является движущей силой эволюционных изменений риновирусов. Риновирусы едва ли нуждаются в более высокой патогенности, и едва ли она у них разовьется. Преобладание давления очищающего естественного отбора на геном позволяет предполагать, что за время долгих отношений между людьми и риновирусами эволюция уже довела эти отношения до оптимального уровня.

Все же возможно, что эволюционные изменения риновирусов были (и могли быть) потенцированы редкими случаями более серьезного заболевания. Можно предположить, что такие заболевания протекают с большим числом репликативных циклов у одного больного. Увеличение числа циклов репликации у больного может обогатить генетическое разнообразие вирусной популяции в большей степени, чем это возможно при легко протекающем заболевании (Tappard et al., 2011). Эти варианты, если они доступны для распространения и передачи другим хозяевам, являются вероятными кандидатами на уничтожение под влиянием давления очищающего отбора и удаляются из популяции (для сохранения статус-кво). Тем не менее в условиях, когда эволюционные изменения происходят в популяции хозяев, такое повышение генетической вариабельности может стать плодородной почвой для давления положительного отбора. В настоящее время, однако, нет данных за то, что этот феномен сыграл центральную роль в распространении штаммов риновируса или в их диверсификации.

Позвольте мне теперь представить вам еще одного члена семейства пикорнавирусов. На этот раз мы познакомимся с энтеровирусом, который называется полиовирусом или вирусом полиомиелита. Его геном имеет такой же размер, он сходным образом организован и имеет похожий капсид. Полиовирус, однако, не вызывает респираторных заболеваний; это кишечный патоген, поражающий человеческий кишечник. Источник инфекции – кал больного, в котором содержатся вирусные частицы. В общественном сознании полиовирус в первую очередь представляется причиной тяжелого заболевания, полиомиелита, который до введения в практику вакцинации (в пятидесятые годы) из года в год повторялся в виде сезонных эпидемий. Главными жертвами полиомиелита становились дети, у которых это заболевание было причиной развития детского паралича. Это поистине страшная болезнь. Однако после внедрения в клиническую практику вакцины Джонаса Солка и успешной кампании вакцинации представление о железных легких – громадного аппарата, в котором, как в мышеловке, лежал человек, не способный дышать самостоятельно, – потускнело и ушло в прошлое. Причина, по которой я решил представить вам полиомиелит, заключается не в том, что это тяжелая болезнь, вызываемая вирусом, а в том, что этот пример наиболее наглядно иллюстрирует пункт, о котором я уже говорил, касаясь давления отбора, оказавшего наибольшее влияние на эволюцию риновирусов. Для полиомиелита характерен фекально-оральный путь заражения; вирус попадает в организм через рот и в конечном итоге выводится с калом. Сначала вирус фиксируется и размножается в слизистой оболочке ротоглотки и кишечника, но может проникнуть сквозь кишечную стенку и попасть в кишечные и шейные лимфатические узлы. Репликация в лимфоузлах приводит к виремии (попаданию вируса в кровь), благодаря чему вирусы можно обнаружить в крови. Правда, в 98–99 % случаев этим все и заканчивается. Это очень легкое заболевание, проявляющееся нетяжелой ангиной и такими общими симптомами, как лихорадка и недомогание. Действительно, серологические исследования, проведенные в период, когда полиомиелит был эндемичным для нашего общества, показали, что вирус поражал большое число людей, но мало кто из них мог припомнить, что болел полиомиелитом. Таким образом, во многих случаях инфицирование вирусом полиомиелита протекает без заметных симптомов, а в большинстве других случаев заболевание протекает доброкачественно. С другой стороны, в небольшом проценте случаев вирус полиомиелита может проникнуть в нервную систему, что приводит к ужасным неврологическим последствиям – заболеванию полиомиелитом. Это, однако, случайность, отклонение от естественного течения инфекции, которая по своей сути является поражением пищеварительного тракта. Поскольку лишь у ничтожного числа инфицированных происходит инвазия вируса в нервную систему, логично предположить, что это меньшинство больных изначально предрасположено к тяжелому заболеванию. На моделях животных, зараженных вирусом полиомиелита, был изучен антивирусный ответ на инфицирование и реактивное повышение секреции интерферона. Было показано, что низкий уровень интерферона препятствует эффективному подавлению репликации вирусных частиц и является предпосылкой проникновения вируса в нервную ткань (Racaniello, 2006). Отсюда был сделан вывод о том, что полиомиелит может быть следствием неспособности некоторых индивидов к полноценному антивирусному ответу. Неспособность эффективно подавлять репликацию вируса приводит к образованию большего числа вирусных частиц и повышению риска заражения ими нейронов и дальнейшего проникновения в центральную нервную систему. Обусловленный интерфероном антивирусный ответ оказывает сильное влияние на тяжесть проявления простуды при риновирусной инфекции, поэтому есть все основания считать, что и в этом случае недостаток интерферона определяет подверженность маленьких детей параличу, вызываемому вирусом полиомиелита.

Эгоистичная цель генома полиовируса, репликация и передача другим хозяевам полностью достигается за счет репликации в кишечнике: это кишечный вирус, полностью приспособленный к этой среде. Поражение нервной системы – несчастная случайность. Время от времени вирусологам приходится заново анализировать значение исходов некогда тяжелого заболевания меньшинства населения и сильную отягощенность легким заболеванием той же этиологии. Именно легкое или даже бессимптомное заболевание вносит самый большой вклад в осуществление подавляющего большинства циклов передачи инфекции, и именно на этой сцене громче всего звучит музыка эволюции.

Уникальная способность вирусов к быстрому размножению и влиянию на эволюцию своих хозяев – это тема, которая красной нитью пройдет через всю эту книгу. Риновирусы и полиовирусы разделяют с другими РНК-содержащими вирусами одно свойство, которое отличает их от вирусов с ДНК-геномом: репликация РНК-содержащих вирусов совершается с множеством ошибок. РНК-зависимая РНК-полимераза РНК-содержащих вирусов отличается от ДНК-зависимой ДНК-полимеразы отсутствием механизма устранения ошибок. За редким исключением ДНК-полимеразы способны редактировать свои тексты, чтобы удостовериться в точности копирования, в то время как РНК-полимеразы удовлетворяются черновым вариантом. Следовательно, РНК-полимераза создает мутации и порождает генетическую вариабельность в дочерних геномах в степени, намного превышающей вариабельность ДНК-геномов, созданных под действием ДНК-полимеразы. Склонность к ошибкам копирования у РНК-полимераз так велика, что для вируса с геномом, состоящим из 10000 оснований, каждый дочерний геном будет содержать по меньшей мере один «неправильный» нуклеотид в сравнении с родительским геномом, а в сравнении с сестринскими – два (Malpica et al., 2002). Эта замечательная способность порождать генетическое разнообразие есть жизненно важная основа эволюционной адаптации, и в следующих главах мы увидим, как важен этот магический трюк РНК-содержащих вирусов для их успешности в роли паразитов и патогенов. Это противоречит здравому смыслу, но тем не менее это верно, что такая безалаберная репликация РНК-геномов является ценным достоинством РНК-вирусов.

Как правило, при обсуждении видов вирусов мы неявно подразумеваем, будто существует некий дикий штамм с уникальной геномной последовательностью, которая и определяет генетическую идентичность некоего исходного штамма. При инфицировании в реальном мире вирусная популяция представляется, скорее, как облако очень близких, но тем не менее генетически различных индивидов, которые получили название квазивидов (quasispecies). В каждом раунде инфицирования и передачи вирусные варианты отбраковываются или остаются под воздействием очищающего или положительного давления естественного отбора, и еще большее число вариантов создается по мере распространения и размножения квазивидов. Устойчивая популяция уникальных геномов, составляющих квазивиды, стала предметом многих экспериментов, теоретического моделирования и научных споров после того, как такая популяция была впервые описана в 1978 году учеными из лаборатории выдающегося молекулярного биолога Шарля Вейсмана в Цюрихе (Domingo et al., 1978). Новаторская работа Вейсмана с мелким РНК-бактериофагом Qβ, крошечным вирусом с геномом, содержащим всего 4500 оснований, заключалась в выяснении схемы его репликации в бактериальной клетке. Лаборатория Вейсмана стала, кроме того, первой, где была использована техника молекулярного клонирования генома Qβ для первой демонстрации сайт-ориентированного мутагенеза, то есть вызывания мутаций в определенных местах генома. В своей автобиографической статье Вейсман пишет, что открытие произошло во время проведения опытов по сайт-ориентированному мутагенезу в середине семидесятых годов, когда обнаружилось, что геномная последовательность фага Qβ быстро становится гетерогенной при выращивании в последовательности бактериальных культур: «Мы заключили, что популяция находилась в динамическом равновесии; жизнеспособные мутанты возникали с высокой скоростью… с одной стороны, а с другой – подвергались действию очень жесткого отбора» (2012).

Эти наблюдения имели далеко идущие последствия для наших знаний об эволюции РНК-содержащих вирусов. Вид вируса не является уникальной генетической единицей: он представляет собой сложную популяцию разнообразных, но родственных генетических сущностей, которые действуют как единое целое и, размножаясь, распространяются, откуда и возникло наименование «квазивид». Естественный отбор и эволюция вирусных видов действуют не на единичный индивидуальный генотип, но на совокупность генотипов, представленных в пределах квазивида. Индивидуальные генотипы являются производными случайных мутационных изменений, вызванных ошибочным включением рибонуклеотидов в цепь РНК во время репликации вирусного генома. Эти изменения подвергаются давлению естественного отбора, которое помогает выделять и отбирать относительно пригодные из индивидуальных компонентов и, таким образом, формировать генетический состав квазивида. Наша концепция «дикого типа» – это концепция отдельного, единичного вида, который обычно обладает геномом с «консенсусной последовательностью» и фенотипом, наилучшим образом приспособленным к преобладающим условиям окружающей среды. Понятие о диком типе сохраняет свою ценность для вирусологии, но дикий тип лучше считать неким центром тяжести квазивида, геном дикого типа может существовать в пределах квазивида, как нечто мимолетное и эфемерное, а в большинстве случаев он просто отсутствует. Надо особо подчеркнуть, что концепция квазивида ни в коем случае не отменяет дарвиновскую теорию эволюции, на которой она зиждется и дальнейшим развитием которой является.

Как мы скоро увидим, РНК-содержащие вирусы образуют квазивиды для осуществления быстрой адаптации, повышения шансов на распространение и стимуляции патогенеза в сложной физиологической среде клеток, тканей и органов, составляющих многоклеточные организмы. Основой формирования квазивидов, их движущей силой являются склонные к ошибкам механизмы репликации РНК-содержащих вирусов, которые служат генератором генетического разнообразия. Скорость генетической диверсификации, скорость, с которой ошибки включаются в новые геномы, должна тонко регулироваться эволюцией. Манфред Эйген, лауреат Нобелевской премии по химии, который позднее переключился на изучение теории информации и молекулярной эволюции, написал статью в 1993 году опубликованную в «Scientific American», где доступно и образно изложил свойства квазивидов. Автор говорил о пространстве последовательностей как о концепции, позволяющей картировать разнообразные нуклеотидные последовательности в многомерной матрице, названной пространством последовательностей Хеннинга. Если количество ошибок в репликации нуклеотидных последовательностей будет так высока, что ни один из дочерних вирусов не повторит родительскую последовательность, то популяция последовательностей равномерно заполнит все их пространство. Автор уподобил это молекулам газа, которые равномерно рассеиваются по объему контейнера, в который этот газ заключен. Строго говоря, это не будет репликацией, так как в этом случае целостность вида вообще перестанет существовать, даже при наличии давления отбора, который оставит только самые приспособленные генотипы. С другой стороны, снижение числа ошибок приведет к снижению дисперсии геномных последовательностей, как пишет Эйген: «При некотором критическом уровне ошибок действие отбора на популяцию разительно изменится: расширяющая сила мутаций придет в равновесие с ограничивающей силой давления отбора. Диффузный газ родственных последовательностей внезапно сконденсируется в конечный, но достаточно обширный оформленный объем» (Eigen, 1993). Это облако последовательностей со своим центром тяжести в области исходной последовательности станет самоподдерживающейся популяцией, которая будет несовершенно воспроизводиться, но поддерживать собственную цельность как единое целое.

Такова, следовательно, природа квазивида: плотность облака последовательностей в каждой точке пространства последовательностей определяется относительной приспособленностью последовательности; области облака, представляющие последовательности с меньшей адаптивностью, будут менее плотно заселены, а области с высокой адаптивностью заселены более плотно. В этом заключается наиболее мощное свойство вирусных квазивидов: плотность распределения вариантов адаптивности требует, чтобы последовательности были представлены с частотами, пропорциональными своей относительной адаптивности. Геномы с низкой способностью к адаптации будут реплицироваться мало или не будут реплицироваться вовсе, а наилучшим образом адаптированные геномы будут реплицироваться с наибольшей эффективностью. Отсюда следует, что с наибольшей вероятностью будут реплицироваться отличающиеся наибольшей адаптивностью геномы: их больше, и они претерпевают большее число репликативных циклов. Это может дать вирусам возможность осуществлять адаптивную эволюцию со скоростями, на несколько порядков более высокими, чем при истинно случайных мутациях. Последовательности быстро конденсируются около наиболее приспособленной области пространства последовательностей. Если изменятся условия окружающей среды, изменится и давление естественного отбора, и квазивид сможет воспользоваться присущим ему адаптивным потенциалом. Генотипы быстро перестроятся и начнут группироваться вокруг нового центра тяжести. Изменение ландшафта адаптивности пространства последовательностей, занятого квазивидом, является естественным следствием изменения давления отбора, действующего на популяцию вирусов. Такие изменения могут иметь следствием изменение иммунологического давления, производимого организмом-хозяином, применением антивирусных препаратов или даже передачей генетической информации другим видам, что требует приспособления вируса к новому хозяину. Частота генотипов, которые ранее занимали «центральное» пространство, зарезервированное за самыми приспособленными генотипами, уменьшится, и эти генотипы займут положение на периферии пространства адаптивности, если угодно, на самом краю облака последовательностей. В этом тоже заключается преимущество квазивида: он обладает памятью. Некогда самые приспособленные генотипы, свойства которых стали теперь дезадаптивными, могут продолжать существовать на границе пространства квазивида в роли минорных вариантов. При изменении внешних условий или давления отбора возможность призвать под знамена старые геномные варианты является большим преимуществом. Квазивиды могут быстро реагировать на изменения и адаптироваться, снова выбрав уже существующий вариант и быстро сгруппировавшись вокруг него, воссоздав оптимально приспособленный ландшафт последовательностей.

К настоящему времени накоплено немало экспериментальных данных, убедительно показывающих, что РНК-содержащие вирусы в ходе эволюции приобрели способность с выгодой для себя использовать склонность к ошибкам репликации. Совершенно очевидно, что должен существовать верхний предел склонности к ошибкам в работе вирусных РНК-полимераз. Хорошего может стать слишком много. При превышении некоего критического порога скорости появления мутаций в каждом геноме разнообразие перестанет быть благотворным; большинство дочерних геномов окажется нежизнеспособным. Чем больше геном, тем больше ошибок он может перенести в ходе своего синтеза до превышения какого-то критического порогового значения. В этот момент происходит катастрофа ошибок. Продолжая это рассуждение, можно понять, почему большинство РНК-содержащих вирусов имеют короткие геномы, меньше 15 тысяч оснований. Более длинные геномы не могут реплицироваться с надежностью, достаточной для предотвращения катастрофы ошибок (хотя я должен признать, что, вероятно, есть и другие ограничивающие факторы). Коронавирусы, имеющие геномы длиной свыше 30 тысяч оснований, являются исключением из общего правила. Тем не менее наше основополагающее рассуждение остается верным: максимальная длина генома РНК-содержащего вируса диктуется скоростью появления мутаций. В недавно выполненной работе было показано, что уникальность коронавирусов среди РНК-содержащих вирусов заключается в том, что они способны кодировать белки, повышающие надежность геномной репликации. Неструктурный белок 14 является 3’-5’ экзорибонуклеазой, которая обеспечивает точность репликации генома коронавирусов (Smith et al., 2015). Повышение надежности и точности репликации генома, в свою очередь, допускает экспансию генома и увеличение информационной емкости при сохранении способности к адаптивной эволюции.

Еще одним свидетельством в пользу того, что склонность к ошибкам при репликации геномов является эволюционным преимуществом РНК-содержащих генов, стало обнаружение нового мутанта вируса полиомиелита группой ученых Стэнфордского университета, которые опубликовали свою работу в 2003 году. Пфейффер и Киркегор выделили 3D-G645, мутантный вирус, кодирующий РНК-полимеразу с повышенной надежностью. Этот фермент делает меньше ошибок при синтезе РНК (Pfeiffer, Kirkegaard, 2003). Тот факт, что эта единичная точечная замена остатка глицина в полимеразе серином не произошла в ходе эволюции полиовируса, указывает на то, что в природной популяции вируса полиомиелита это простое изменение может лишить геном каких-то важных преимуществ. Представляется, что в обычных условиях РНК-полимераза вируса полиомиелита с низкой надежностью представляет какие-то преимущества перед лицом естественного отбора. Можно предположить, что создание геномного разнообразия, проявляющегося в форме квазивидов, обеспечивает преимущества вирусной популяции в условиях давления естественного отбора.

Группа ученых из Стэнфорда и еще одна группа из Калифорнийского университета в Сан-Франциско исследовали этот вопрос более подробно. Они смогли убедительно показать, как репликативная ненадежность и обусловленная ею множественность квазивидов благотворны для РНК-содержащих вирусов, особенно в таких сложных экологических условиях, как инфицированный животный организм (Pfeiffer, Kirkegaard, 2005; Vignuzzi et al., 2006). Обе группы исследовали патогенез вирусного поражения у инфицированных вирусом полиомиелита животных. В обоих случаях использовали генетически модифицированные породы мышей, восприимчивых к полиомиелитной инфекции. Ученые сравнили патогенез заболевания при заражении мутантным вирусом с надежной РНК-полимеразой, содержащей точечную мутацию G64S, и при заражении вирусом, содержащим РНК-полимеразу дикого типа. Мутантный вирус, который, как ожидалось, существует в виде квазивида пониженной сложности, проявил меньшую патогенность, и если вирусы дикого типа вызывали заболевание, которое практически во всех случаях поражало головной мозг, то мутантный вирус делал это с намного меньшей эффективностью. Ученые заключили, что сложная вирусная популяция, обладающая множеством генетических вариантов, имеет более выраженную способность вызывать заболевание у мышей. Полученные данные указывают на пользу квазивидов как таковых и на взаимодополняющую кооперацию между вариантами в пределах квазивида, которые максимально стимулируют патогенность вирусов для мышей. Сотрудники доктора Рауля Андино в Калифорнийском университете Сан-Франциско (Vignuzzi, 2006) показали, что при заражении природной болезнью полностью патогенным был только вирус, выделенный из головного мозга мышей. Этот вирус можно было ввести в периферические ткани здоровой мыши, что приводило к тяжелому инфекционному поражению и проникновению вируса в головной мозг. У мышей, инфицированных мутантным вирусом, поражением головного мозга страдало меньшее число животных, а вирус, который обнаруживали в мозге таких мышей, при введении в периферические ткани здоровых мышей в их мозге не обнаруживался. Мутантный вирус не мог создавать квазивиды, разнообразные настолько, чтобы проявлять полную патогенность после повторной инокуляции.

Вырисовывается картина, согласно которой создание геномного разнообразия в популяции полиовирусов очень важно для развития его патогенности для животных. Возможно, различные субпопуляции квазивида опосредуют разные аспекты патогенеза, например репликацию в кишечнике, транспорт между тканями или проникновение в нервную систему. Только вирусы, обладающие устойчивым и достаточным геномным разнообразием, могут проявлять полный спектр вирусной патогенности. Если это действительно так, тогда сложность или вариабельность исходов заболеваний, вызываемых РНК-содержащими вирусы, должны зависеть от способности вирусов создавать адаптивные популяции и проявлять высокую приспособляемость в организме каждого инфицированного хозяина. Сложные экологические системы, такие как внутренняя среда многоклеточного организма, представляют значительные трудности для вирусной популяции, и преодолеть эти биологические препятствия может только генетически разнообразная популяция вирусов. Передача вируса новому хозяину связана для популяции вирусов с необходимостью пройти через «бутылочное горлышко», в котором генетическое разнообразие оказывается сильно, хотя и временно, ограниченным. Эта ситуация обусловлена ограниченным числом вирусных частиц, которые передаются от одного хозяина другому в процессе заражения. Тем не менее если отсутствует измененное или специфическое давление отбора, то представляется вполне вероятным, что самый приспособленный и самый густо заселенный участок пространства последовательностей сумеет благополучно миновать это бутылочное горлышко. В организме нового хозяина эти популяции осуществляют новую экспансию (с повышением генетического разнообразия последовательностей) и воссоздают ее центр тяжести, откуда начинает свое построение облако последовательностей, из которых и состоит квазивид. Если основу новой инфекции составляют менее приспособленные геномы, то природные свойства квазивидов позволят диверсифицировать популяцию, изменить ее форму и сконденсировать вокруг предпочтительной области пространства последовательностей квазивида.

Огромная важность квазивидов в патогенности и эволюции РНК-содержащих вирусов была понята и по достоинству оценена только в течение последнего десятилетия. Квазивиды оказывают постоянное влияние на эволюцию всех РНК-содержащих вирусов. Сила давления отбора на эти вирусные популяции определяет стабильность или изменчивость последовательностей вирусных геномов с течением времени. Мощное давление очищающего отбора может сделать штаммы вируса относительно устойчивыми на протяжении достаточно длительных периодов времени (то есть занимающими четко ограниченные области пространства последовательностей), несмотря на высокую частоту мутаций. Для иллюстрации квазивида в действии я использовал пример вируса полиомиелита, но стоит в этой связи отметить, что естественные изолированные группы полиовируса весьма консервативны в своих нуклеотидных последовательностях. С другой стороны, для вирусов, на которые в большей степени действует положительный естественный отбор, благоприятствующий изменениям (например, это относится к вирусам, находящимся под высоким давлением отбора и вынужденным приспосабливаться к новому виду хозяев), характерна высокая генетическая изменчивость, усиливаемая сложным составом их квазивида. Таким образом, квазивиды обеспечивают вирус резервуаром генетического разнообразия, которое может проявиться в зависимости от условий существования. По мере того как мы исследуем разные вирусы и их эволюционный modus operandi, мы постепенно открываем новые мощные и хитрые трюки, используемые вирусами для того, чтобы перехитрить хозяина, улучшить собственную выживаемость и обеспечить бесперебойную репликацию.

Огромная ошибка – отождествлять грипп с простудой. В романе Арнольда Беннетта «Карта», написанном в 1911 году, миссис Мачин категорически утверждает: «В мое время не было никакой инфлюэнцы. Называйте простуду простудой». Беннетт, вероятно, счел бы эти строчки менее уместными, если бы написал свой роман десятью годами позже. В 1918 году разразилась пандемия гриппа, названного «испанкой», поразившего каждого четвертого жителя планеты и унесшего сорок миллионов жизней в течение одного года. Вирус простуды является весьма эффективным патогеном, но совместная с человеком эволюция сделала простуду хотя и превалирующим, но легким заболеванием, сохранив только симптомы, необходимые для успешной передачи вируса новым хозяевам. Вирус простуды не стал комменсалом, не причиняющим никакого вреда хозяину; он остается паразитом и вызывает поражение, достаточное для сохранения заразительности. Генетическое разнообразие его велико, но удивительно устойчиво, по крайней мере согласно нашим наблюдениям, и это разнообразие проявляется существованием множества отличающихся между собой генетически и серологически штаммов. Эти родственные вирусы циркулируют в человеческой популяции совместно, и поэтому ни один из отдельных серотипов не является единственным возбудителем простуды в каждый данный момент времени. Биология вируса гриппа, с другой стороны, совершенно иная. Вирус A человеческого гриппа – один из самых успешных и опасных человеческих вирусов и представляет собой образец эволюции вируса. Удивительная быстрота, с которой вирусы гриппа непрерывно обновляются, генетически может сделать грипп одной из самых страшных болезней для человечества. Наши отношения с вирусом гриппа мало похожи на давно установившееся и устойчивое равновесие, в каком мы находимся с вирусом простуды. Вирус гриппа является движущейся мишенью: несмотря на то что мы можем быть уверены, что каждый год грипп будет поражать и убивать людей, мы никогда не можем наверняка знать природу и тяжесть следующей эпидемии.

В феврале каждого года Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) созывает международные конференции специалистов по гриппу. Целью этих конференций является обзор доступных эпидемиологических и лабораторных данных, собранных в 141 клинической лаборатории в 111 странах. В ходе конференции специалисты должны попытаться предугадать, какие штаммы вируса надо использовать для создания следующей вакцины. Эту вакцину необходимо изготовить и сделать доступной для лечебных учреждений Северного полушария до начала зимы месяцев, когда наступает, с точностью часового механизма, следующий гриппозный сезон. Соответствующим национальным агентствам дают рекомендации, а эти агентства, в свою очередь, выдают лицензии производителям вакцин, находящимся в зоне их юрисдикции. Успехи этих дискуссий блистательны, но не вполне совершенны. В некоторые годы появляются новые по антигенному составу и потенциально пандемические штаммы, которые не соответствуют предсказаниям; в иных случаях штамм мутирует настолько, что перестает реагировать на предложенную вакцину. Сегодня ученые-медики обладают углубленным пониманием эволюции вирусов гриппа человека, основанным на эволюции прошлых штаммов и особенностях течения прошлых эпидемий. Выдающийся кетчер «Янки» Йоги Берра выразил это следующей содержательной фразой: «Трудно делать предсказания, особенно о будущем». Предсказание будущей эволюционной траектории вирусов, в особенности вируса гриппа, всегда чревато неопределенностью.

В феврале 2014 года Центры по контролю заболеваемости в Атланте объявили, что в 2014–2015 годах вакцины будут направлены против следующих штаммов:

Номенклатура, информативная для специалистов по гриппу, является, мягко сказать, туманной, и мы не станем уделять ей большого внимания, чтобы не отвлекаться от сути. Случайное наблюдение, однако, показывает, что существует два изолированных штамма вируса гриппа A: один представляет штаммы “H11”, которые были выявлены во время пандемии 2009 года, второй – недавний образец (2012 года) штаммов “H3N2”, – а также третий, который является совокупностью штаммов B. По своему антигенному составу эти вирусы представляют собой те штаммы вируса гриппа, которые доминируют в современных сезонных эпидемиях, и ученые ожидают, что они станут доминирующими штаммами, которые начнут циркулировать среди населения США в ранние зимние месяцы. Эта догадка основана на сложных расчетах, но это всего лишь догадка, которая может оказаться ошибочной. В следующем сезоне 2014–2015 года было обнаружено, что вакцина не соответствует антигенам доминирующих вирусов. По большей части инфекцию вызывали вирусы гриппа A(H3N2), но по генетическому составу и по антигенам они сильно отличались от штамма A/Texas/50/2012(H3N2), который использовали для создания вакцины. Следствием этой ошибки стала необычная тяжесть сезонной эпидемии того года.

Для того чтобы понять, что именно делает вирус гриппа таким талантливым новатором, важно отчетливо представлять, как он устроен и каковы его особенности как инфекционного агента, поражающего человека. Существуют три вида вирусов гриппа (A, B и C), но мы сосредоточим наше внимание только на вирусах гриппа A. Пока именно они являются наиболее важной группой вирусов, так как определяют ежегодную заболеваемость гриппом, а кроме того, они демонстрируют весь набор трюков, которые делают вирус гриппа столь успешным патогеном.

Подобно человеческим риновирусам, вирус гриппа кодирует свою генетическую информацию в РНК; однако в отличие от риновируса его геном состоит из негативной цепи РНК. После инфицирования гены вируса должны транскрибироваться на комплементарную цепь позитивной РНК, которая уже распознается рибосомами клетки-хозяина, осуществляющими трансляцию вирусных белков. Больше того, геном вируса состоит из восьми различных сегментов РНК, упакованных в рибонуклеопротеиновые комплексы, которые все вместе содержатся в общей вирусной оболочке. Эта оболочка, представляющая собой липидную мембрану, пронизана тремя вирусными белками, которые выступают на поверхности вирусной частицы. Эти белки представляют собой вирусные оболочечные гликопротеины, гемагглютинин (ГА) и нейраминидазу (НА), а также матриксный белок (М2). Белки ГА и НА являются белками, определяющими антигены вируса, и именно они служат мишенью иммунной системы хозяина. ГА – это белок, отвечающий за связывание с рецепторами эпителиальных клеток верхних дыхательных путей и опосредующий проникновение вируса в клетку (в главе 11 подробно обсуждаются белки ГА с различными рецепторными предпочтениями, которые влияют на эпидемиологические особенности вирусов гриппа). Вирус гриппа располагает своим оригинальным механизмом овладения клеточными системами синтеза белка с целью репликации генома и сборки вирусных частиц, которые затем отпочковываются от клетки сквозь двойной липидный слой, из которого состоит стенка клетки. За этот процесс отвечает нейраминидаза – она обеспечивает отделение вирусных частиц от клеточной поверхности. На мембране клеток-хозяев находятся рецепторы, опосредующие вход вируса в клетку. Связывание вируса с рецепторами клетки является необходимым условием инфицирования, но при высвобождении вирусных частиц это становится помехой. Дочерние вирусные частицы прочно связываются с поверхностью клетки, и их надо освободить от этой связи. Здесь в игру вступает НА, которая отщепляет вирус от клетки и дает ему возможность связаться с новыми клетками или поменять хозяина. Примечательно, что вирусные частицы отпочковываются только от свободной поверхности эпителиальных клеток и высвобождаются в просвет дыхательных путей. Следовательно, вирусы, образованные в инфицированных клетках, выходят непосредственно в свой носитель, в секрет слизистой оболочки дыхательного тракта. В типичных случаях заболевание у человека ограничено дыхательными путями.

Начало заболевания гриппом в целом напоминает заболевание простудой, но отличается быстротой развития симптомов и их значительной тяжестью. Так же как при простуде, признаком начала болезни является заложенность носа и боль в горле. Дело в том, что инфекция, как правило, проникает в организм через нос, откуда попадает в носовые пазухи или глотку. Очень скоро вирус начинает реплицироваться в трахее, а в более тяжелых случаях в бронхиолах легких, где он может стать причиной гриппозной пневмонии. Лихорадка, кашель, общее недомогание и ломота в теле, сопровождающие грипп, являются симптомами сопротивления иммунной системы, вступившей в борьбу с вирусом гриппа, так как иммунная система атакует клетки, зараженные вирусом. Поражение вирусом клеток верхних и нижних дыхательных путей приводит к образованию нагруженного вирусными частицами экссудата, который отхаркивается из дыхательных путей при кашле и чихании, и это определяет основной путь передачи вируса от больного человека здоровому. Вирус распространяется по воздуху внутри капель экссудата, а в других случаях заражение происходит при контакте с поверхностями, зараженными вирусом. Беспощадность передачи вирусов между людьми проявляется тем фактом, что во время типичной сезонной эпидемии вирус может инфицировать каждого десятого жителя планеты (Nelson, Holmes, 2007). Инфекция протекает остро и разрешается самопроизвольно, но могут возникать осложнения, чаще у восприимчивых пациентов, например у пожилых больных или у людей с сопутствующими заболеваниями. Самыми частыми осложнениями являются пневмония, бронхит или гайморит. Очень легко недооценить тяжесть гриппа у человека. Каждый год от гриппа в мире умирают от четверти до половины миллиона человек, несмотря на применение вакцины (ВОЗ, 2014).

В основе успешности вируса гриппа A как эпидемического патогена лежит его способность создания генетических вариантов, что позволяет избежать удара иммунной системы в популяции хозяев: вирусы гриппа – подлинные мастера по смене своих антигенов. Иногда это удается сделать так удачно, что разражаются всемирные эпидемии – пандемии. В прошлом столетии мы пережили четыре такие пандемии, самая последняя была в 2009 году (Salomon, Webster, 2009; Kilbourne, 2006). Вирус гриппа, циркулирующий в популяции во время сезонных эпидемий, как правило, имеет небольшие антигенные отличия от штаммов, вызвавших эпидемию предыдущего года. Напротив, пандемические штаммы очень сильно отличаются своим антигенным составом от прочих штаммов, и у людей отсутствует иммунологическая память на эти новые антигены. Возможность такой генетической вариабельности обеспечивается мутациями и генетическими обменами. Быстрота циклов репликации вируса в организме хозяина и устойчивая цепь передачи вирусов между многочисленными хозяевами являются условием возникновения множества мутаций. Подобно другим РНК-содержащим вирусам, вирусная РНК-полимераза делает приблизительно одну ошибку на 1000–10 000 включенных в цепь рибонуклеотидов (Nelson, Holmes, 2007). Следовательно, мы должны полагать, что вирус гриппа также существует в образе квазивида. Сложность состава квазивида преходяще ограничивается «бутылочным горлышком» при передаче вируса от одного хозяина другому, она быстро восстанавливается после инфицирования нового хозяина. Это важный и устойчивый источник генетической вариабельности, которая может быть объектом как очищающего, так и положительного отбора, в зависимости от природы и активности селективного давления иммунитета. Вторым источником вариабельности вируса гриппа A является обмен генетическим материалом между вирусами, инфицирующими одну и ту же клетку. Сегментированная природа РНК-генома вируса гриппа допускает замену сегментов в геноме, что приводит к возникновению новых химерических вирусов с радикально измененными патогенными и антигенными свойствами. Набор сегментов в геноме вируса гриппа A можно сравнить с колодой на руках сдающего в покере. Карты можно брать, и набор их у игрока может измениться как в лучшую, так и в худшую сторону. Так же как в покере, естественный отбор заботится о том, чтобы неудачные расклады исчезали, а оставались только жизнеспособные, которыми и продолжают игру. Этот феномен генетической перетасовки является формой горизонтального переноса генов и напоминает приобретение бактериями новых признаков в результате конверсии фагов. В данном случае вновь созданный вирус обладает одним или более вирусными генами, обеспечивающими преимущество. Такие перемещения, которые приводят к получению новых сегментов для ГА или НА из вирусов других подтипов, являются главным источником возникновения новых, потенциально пандемических штаммов, снабженных антигенными новшествами. Это, пожалуй, самое мощное и непредсказуемое оружие в арсенале вируса гриппа. До изобретения секвенирования нуклеотидных последовательностей разнообразие вирусов гриппа описывали исключительно на основании серологических критериев, и обнаруживаемое разнообразие ограничивалось антигенными различиями вирусных штаммов с разными подтипами ГА и НА на их поверхности. Так как реакция антител на вирус гриппа определяется гликопротеинами ГА и НА на поверхности вирусного капсида, описание вирусов гриппа опиралось на их антигенные свойства. То же самое остается и сегодня, поскольку это самый обильный источник антигенного разнообразия, которое определяет патогенный потенциал вирусов гриппа. Тем не менее сегодня мы можем дополнить анализ отдельных групп вирусов знанием нуклеотидных последовательностей в генах ГА и НА, а также последовательностей в шести других генных сегментах вирусного генома.

Существует восемнадцать подтипов ГА (H1–H18) и десять подтипов НА (NA1–NA10), которые мы к настоящему времени научились распознавать (Webster, Govorkova, 2014); эти подтипы отличаются по своим функциям и антигенам, и их используют для типирования вирусов гриппа A. Отсюда подтипы, появления которых ожидали в эпидемию зимой 2014–2015 года в Северном полушарии, должны были, по расчетам, обладать наборами H3N2 (подтип ГА 3 и подтип НА 2) и H1N1. Перемещения ГА- и НА- подтипов (в результате которых происходит антигенный сдвиг) являются главными детерминантами эпидемического потенциала и патогенных свойств вирусов гриппа. Сегодня все согласны с тем, что геномный контекст этих вариантов подтипов также важен для успешного возникновения патогенных форм вируса гриппа. В течение последних десяти лет, на фоне развития техники секвенирования, ученые получили полные геномные последовательности для беспрецедентного числа отдельных штаммов вируса. Филогенетическая, эпидемиологическая и эволюционная динамика вируса гриппа во время эпидемий и в промежутках между ними может быть теперь подробно исследована. Этот филодинамический анализ позволил документально показать, каким способом вирус гриппа с такой непринужденностью и апломбом каждый раз заново изобретает свою конструкцию.

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.

Циркулировавший до этого эпидемический вирус H2N2, по сути, с течением времени развился в два генетически разнородных генетических таксона типа H2N2. Представляется, что эти вирусы продолжают циркулировать в человеческой популяции и после пандемической вспышки гриппа типа H3N2. Филодинамика возникновения и быстрого распространения нового пандемического вируса была сложной. В то время как первые штаммы H3N2 получили все свои H2N2 гены от одного из двух циркулирующих таксонов вирусов H2N2, штаммы, возникшие позднее, имели генные сегменты, полученные от обоих таксонов. Ученые сделали вывод, что происходило не одно, а множество перемещений этих генов между циркулирующими штаммами, что и сыграло решающую роль в быстрой эволюции нового пандемического штамма (Lindstrom, Cox, Klimov, 2004).

Грипп чаще встречается в виде сезонных эпидемий, в зимние месяцы, в регионах с умеренным климатом в Северном и Южном полушариях. Факторы, управляющие этой сезонностью, неизвестны. Высказывалось предположение, что такие погодные условия благоприятствуют передаче вируса между хозяевами – возможно, благодаря более тесному контакту между людьми, проводящими в зимние месяцы больше времени в закрытых помещениях. Другие ученые считают причиной сезонное ослабление иммунитета или дефицит витамина D в связи с укорочением светлого времени суток. Некоторые или все эти факторы могут играть большую или меньшую роль. Выяснено, что эпидемии гриппа среди птиц возникают во время, предшествующее миграции, когда птицы сбиваются в группы после рождения восприимчивых к гриппу птенцов, поэтому весьма вероятно, что поведенческие факторы, влияющие на передачу вирусов, являются основными в определении сезонности инфекции (Nelson, Holmes, 2007). Было установлено, что тиглем человеческого гриппа являются субтропические области Восточной и Юго-Восточной Азии. В этих областях эпидемии не следуют сезонным циклам, и вирус может быть выделен в любое время года. Представляется вероятным, что линии вирусов гриппа постоянно циркулируют в этом регионе и сеют семена эпидемий, распространяющихся в зоны с умеренным климатом.

Эволюция генотипов и фенотипов вируса гриппа, происходящая во время эпидемий, является главной проблемой в их безграничной возможности вызывать эпидемии у людей. Мы принимаем как догму, что постоянство ежегодных эпидемий стало возможным благодаря способности вирусов избегать воздействия иммунитета хозяев путем образования новых штаммов. Геном циркулирующего во время эпидемии вируса гриппа находится в организме хозяина под сильным давлением отбора. Это давление является орудием гонки вооружений: если у хозяина сохранена иммунологическая память об инфицировании тем же или близкородственным вирусом, находящиеся на страже антитела быстро нейтрализуют вирус сразу после инфицирования. Поэтому на вирусы действует сильное диверсифицирующее давление, которое благоприятствует вирусам с измененными антигенами. Такие вирусы не распознаются иммунной системой хозяина и становятся объектами положительного отбора. Только те вирусы и содержащаяся в них генетическая информация, которые избегнут нейтрализации, смогут обеспечить непрерывность передачи в популяции жертв. Вирус создает необходимое генетическое разнообразие в форме мутаций поверхностных гликопротеинов ГА и НА. Доминантные эпитопы белка нейраминидазы обнаруживаются в наиболее далеко выступающем участке белка ГА, называемом HA1. Эта часть вирусной частицы наиболее важна в определении ее антигенности, именно она распознается и связывается защитными антителами. Исторически HA1 всегда был самым исследованным белком вируса гриппа, как с точки зрения филогенеза, так и с точки зрения иммунологии. Каждый год собирались и исследовались нуклеотидные последовательности для выяснения генетической эволюции циркулирующего вируса гриппа. Внимательному изучению подверглись и защитные антитела, распознающие HA1; на этом белке были выявлены пять главных эпитопов, частей белка, на которые предпочтительно нацелены антитела. Именно здесь разыгрывается первая стадия гонки вооружений.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

В 1992 году Тим Роуботам поднялся на крышу Королевской больницы в Брэдфорде в английском графстве Йоркшир, чтобы взять пробы из находившейся на крыше водонапорной башни. Роуботам был прикрепленным к больнице научным сотрудником лаборатории Управления здравоохранения в Лидсе, находящегося в двадцати милях от Брэдфорда. Задачей Роуботама было выяснить источник вспышки пневмонии в больнице. Подозревали, что причиной больничной эпидемии стала бактерия, похожая на легионеллу. Бактерии, которые он искал, представляли собой напоминающие легионеллу внутриклеточные патогены, поражающие амеб, которые при определенных условиях могли попасть в систему водоснабжения больницы. Вернувшись в Лидс, Роуботам попытался культивировать бактерию вместе с амебой, чтобы выделить с их помощью интересовавшую его бактерию. В воде действительно обнаружились грамотрицательные болезнетворные бактерии из рода легионеллы; кроме того, в воде содержалась и грамположительная бактерия, которую Роуботаму не удалось идентифицировать. Этот новый микроорганизм был окрещен «брэдфордским кокком». Бактерию описали и хотели сдать в архив, так как она в итоге не являлась причиной вспышки заболевания в госпитале.

Одиннадцать лет спустя эту пробу воды снова подвергли исследованию. Доктор Ричард Бертлз прибыл в лабораторию профессора Дидье Рауля в Марселе. Лаборатория Рауля – это один из многих национальных центров Франции, где исследовали риккетсии и другие внутриклеточные бактерии, а у Бертлза было несколько молекулярных методов для характеристики нового вида бактерий. Бертлз привез с собой несколько проб, среди которых была и проба с брэдфордским кокком, которую начали исследовать, применив метод полимеразной цепной реакции. Ген РНК 16S рибосом весьма консервативен и встречается почти у всех видов бактерий, и в первую очередь ученые занялись именно им, для того чтобы изучить ее видообразование в группах бактерий. Пробы, специфичные по этому гену, можно использовать для амплификации РНК и культур и посевов природных бактерий, содержащих прокариотическую ДНК, с помощью которых можно получить материал, пригодный для секвенирования ДНК, которую затем намеревались подвергнуть филогенетическому анализу. Все пробы Бертлза были исследованы этим методом, за исключением брэдфордского кокка. В этой бактерии рибосомальный ген обнаружен не был. Для того чтобы, по крайней мере, визуализировать упрямый микроб и убедиться в том, что методика все же открывает клетку, Рауль прибегнул к электронной микроскопии. Результат перевернул все представления микробиологии: под электронным микроскопом увидели не бактерию, а чудовищный, исполинский вирус. Вирус обладал икосаэдрическим капсидом и по морфологии напоминал вирусы, инфицирующие водных беспозвоночных, – иридовирусы, представителей группы вирусов, называемых ядерно-цитоплазматическими большими ДНК-содержащими вирусами, но обнаруженный вирус был намного крупнее. Его величина достигала половины микрона, а окружавшая его оболочка делала его размер еще больше – 0,75 мк. Это был нефильтруемый инфекционный агент, его обнаружение потребовало изменения определения вирусов, их возможностей, а также бросило серьезный вызов общепринятому мнению о том, что вирусы, в отличие от других форм жизни, не являются живыми, а представляют собой крупные химические соединения, лишенные самостоятельных признаков жизни. Здесь же был вирус, который, подобно бактериальной клетке, был видим под световым микроскопом. Мог ли он обладать таким же сложным строением, как некоторые истинные формы жизни? Обнаруженное чудовище было названо мимивирусом (мимикрирующим вирусом), и с его обнаружения началась новая эпоха в вирусологии.

Рауль быстро связался с Жаном-Мишелем Клаври, работавшим там же, в Марселе, и попросил его секвенировать геном мимивируса и опубликовать полученные данные (La Scola et al., 2003; Raoult et al., 2004). Величина ДНК-генома мимивируса потрясала воображение – геном содержал 1,81 миллиона пар оснований и кодировал около 1000 генов. Геном мимивируса превышает размерами геномы многих бактерий и содержит множество неизвестных генов, почти половину которых биологи не смогли опознать. Остались неизвестными и их функции. Интересно, что в составе генома были обнаружены гены, родственные клеточным генам и обычно не встречающиеся у вирусов. Геном содержал разнообразные гены, определяющие клеточные метаболические функции, а некоторые гены являлись частью механизма клеточной трансляции белка, в частности несколько транспортных РНК и синтазы аминоацил-тРНК. Это функции, которые все прочие вирусы заимствуют у клетки-хозяина (некоторые крупные ДНК-содержащие вирусы содержат гены транспортной РНК, но ни один из них не кодирует ферменты, участвующие в трансляции белка). Мимивирус оказался весьма странным зверем. Тем не менее при инфицировании простейшего животного Acanthamoeba polyphaga в его культуре мимивирус повел себя как настоящий вирус. Сразу же после инфицирования последовала эклиптическая фаза (период, в течение которого не обнаруживаются дочерние инфекционные вирусные частицы) и осуществление каскада экспрессии генов, синтез белка, а затем репликация вирусной ДНК, после чего наблюдалось взрывоподобное высвобождение вируса в течение двадцати четырех часов.

Открытие мимивируса акантамебы побудило вирусологов заново исследовать разнообразные экосистемы в поисках подобных вирусов. Методами вирусной метагеномики обнаружить их не удалось, но этому есть простое объяснение. Во всех прежних поисках вирусов в окружающей среде пробы предварительно пропускали через фильтры с размером пор в 0,2 микрона. В конце концов, того требовало каноническое определение вируса. Хозяевами первого мимивируса оказались простейшие, такие как акантамеба, поэтому ученые в первую очередь принялись исследовать водные экосистемы. От миллиона до триллиона вирусных частиц, которые обычно обнаруживаются в фильтратах океанической воды, не были гигантскими вирусами, поэтому потребовалось более пристальное изучение. Первое указание на то, что океаническая вода может быть богатым источником новых гигантских вирусов, появилось после повторного анализа проб, собранных во время экспедиции «Сорсерер-2», в ходе которой ученые не ограничились размером фильтра 0,2 микрона (Rusch et al., 2007). Большая часть нуклеотидных последовательностей, собранных учеными, была обнаружена во фракции морской воды, пропущенной через фильтр с порами 0,8 микрона. Эти последовательности задерживались фильтром с порами 0,1 микрона. Большая часть этих последовательностей ДНК имела бактериальное происхождение, но в 3 % случаев ДНК имела вирусное происхождение (Williamson, Rusch et al., 2008). Повторный анализ этого большого набора данных (в нем оказалось 4,9 миллиарда связанных нуклеотидов) позволил выявить множество генных последовательностей, которые прежде считали темной материей, и, как оказалось, эти последовательности были сходными с последовательностями генома мимивируса (Monier, Claverie, Ogata, 208). Очень скоро ученым удалось идентифицировать множество сородичей мимивируса (Colson et al., 2012). Это были мамавирус, терра-2, муму, курдо-11 и самый крупный из обнаруженных к тому времени вирусов Megavirus chilensis. В этом обнаруженном у берегов Чили вирусе культивированном в организме пресноводной амебы, был обнаружен геном величиной 1,25 миллиона пар оснований, кодирующий 1120 белков. Более дальний родственник, названный Кро-V (Cafeteria roenbergensis virus), был обнаружен в представителе морского зоопланктона Cafeteria roenbergensis. Совместное культивирование проб воды с различными видами акантамеб было продолжено, благодаря чему были обнаружены новые гигантские вирусы: Marseillevirus был обнаружен в воде башенного охладителя в Париже, а Lausanevirus – в пробах воды из реки Сены. Стало очевидно, что гигантские вирусы одноклеточных эукариот обильно представлены во всех наших экосистемах.

Ученые, идентифицировавшие чилийский мегавирус, обнаружили его в столбе океанской воды. После этого они решили исследовать также и отложения морского дна, предположив, что в них концентрация потенциальных эукариотических клеток-хозяев будет выше. В 2013 году ученые опубликовали отчет о полученных результатах (Philippe et al., 2013): они обнаружили два новых «пандоравируса», которые были выделены из донных морских отложений в прибрежных водах Центральной Чили, а также из отложений пресноводного водоема в Австралии. Геномы включали 1,9 и 2,5 миллиона пар оснований, что больше геномов некоторых паразитирующих эукариот; больший из этих двух вирусов – Pandoravirus Salinas кодирует 2500 белков. Поразительно, но 93 % из них – это темная материя. Ни один из этих вирусов предполагаемого нового рода не имел никакого филогенетического сходства с вирусами других семейств, включая Mimiviridae. Эти наблюдения замечательны, но одновременно и очень полезны, ибо проливают свет на скудость наших знаний о мире вирусов и микроорганизмов.

Mimiviridae и Marseilleviridae – новые семейства, пополнившие ряды ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов, которые, вероятно, произошли от одного общего предка. Это положение подтверждается филогенетической реконструкцией гипотетического общего предкового вируса, в ходе которой были выделены и идентифицированы около сорока ядерных генов (Yutin et al., 2009). Эти гены по большей части расположены в некоторых ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусах и обеспечивают фундаментальные функции, лежащие в основе способа существования невероятно разнообразного царства вирусов. Размеры их геномов варьируют в широчайших пределах – от 0,2 до 1,25 миллиона пар оснований; при этом молекулы ДНК могут быть линейными или кольцевыми, а реплицироваться вирусы могут как в цитоплазме, так и в ядре клетки. Хозяевами могут быть самые разные организмы – от людей и птиц до насекомых, червей, водорослей, зоопланктона и других фагоцитирующих простейших. Тем не менее все эти вирусы должны реплицировать свою ДНК и окружать капсидами свои геномы, и они делают это с помощью одного и того же набора инструментов, закодированных набором ядерных генов; во всей группе ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов только пять генов обнаруживаются у всех представителей этого класса вирусов. В этом отношении у них много общего с вирусами герпеса, у которых тоже есть основополагающий набор ядерных генов. Ядерные гены вирусов герпеса дополняются вспомогательными генами, которые сообщают функциям вируса многие дополнительные свойства, обеспечивающие взаимную адаптацию вирусов и хозяев. Эта особенность характерна и для поксвирусов, которые сами являются ядерно-цитоплазматическими крупными ДНК-содержащими вирусами, обладающими разнообразными генами, влияющими на проникновение вирусов в организмы разных хозяев и обеспечивающими взаимодействие вирусов с ними. Размер генома крупнейшего мимивируса приблизительно в десять раз превосходит геном мельчайшего поксвируса, который кодирует всего 130 генов. Таким образом, гигантские вирусы могут позволить себе роскошь в высшей степени гибкого генома с огромным адаптивным потенциалом.

Первые ультраструктурные исследования инфицированных мимивирусом клеток, выполненные Раулем и его коллегами, привели к заключению о том, что репликация и сборка вируса происходят в ядре, как у вирусов герпеса (La Scala et al., 2003). Однако более детальное исследование выявило, что ядро оттесняется к периферии клетки и замещается новыми структурами. Вирус строит крупные «вирионные фабрики», и сборка вирусных частиц осуществляется в цитоплазме клетки (Suzan-Monti et al., 2007; Novoa et al., 2005). Эти временные структуры, построенные вирусом в клетке, создают рабочее пространство, куда инфицированная клетка поставляет необходимые ресурсы для экспрессии вирусных генов, репликации генома и морфогенеза вириона. Таких структур ученые в клетках до тех пор не видели. Эти структуры имели мало общего с вирусными фабриками, описанными при исследовании поведения других ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов. Под электронным микроскопом мимивирусная фабрика напоминала связанную с клеточной мембраной органеллу и даже, пожалуй, бактерию. Некоторые ученые уподобили эту структуру воссозданию временно возникающего живого микроорганизма внутри инфицированной клетки. Семя сомнения было посеяно, и научное сообщество раскололось. В какое место эволюционной схемы надо помещать такие вирусы? Не являются ли они реликтами четвертого царства жизни? Дело не только в том, что геном мимивируса содержит генетический материал, который отсутствует у эукариот, бактерий и простейших; геном мимивируса кодирует белки, обладающие теми функциями, которые обеспечиваются при заражении другими вирусами генетического аппарата инфицированной клетки. Сложность генома мимивируса можно сравнить со сложностью генома многих живых клеток; похоже, что этот гигантский вирус существует в виде псевдо-микроорганизма, во всяком случае, в период цикла репликации внутри клетки-хозяина.

Было обнаружено, что вирусные фабрики инфицированных мимивирусом клеток поддерживают репликацию вирусного паразита, называемого спутником (Scola et al., 2008). Исследователи, занятые в этой сфере вирусологии, очень скоро обнаружили, что спутник инфицирует исключительно пораженные мимивирусом клетки и его репликация и сборка происходят только на расположенных в цитоплазме мимивирусных фабриках. Это свойство отличает спутника от сателлитных вирусов, которые образуют капсид для перехода в следующую клетку с помощью хелперного вируса. У спутника есть свой собственный капсид и аппарат морфогенеза, а патогенным он является для самого мимивируса, так как снижает эффективность его репликации и ослабляет цитопатическое воздействие на клетку. Этот класс вирусов был назван вирофагами, пожирателями вирусов. Некоторые ученые возражают, что использование термина «вирофаги», намекающего на сходство этих вирусов с бактериофагами, поражающими бактерии, вводит в заблуждение (Krupovic, Cvirkaite-Krupovic, 2011). Сторонники термина, однако, считают, что он подчеркивает свойства хозяина, которые проявляют невероятно сложные, напоминающие микроорганизмы мимивирусы. Противники же говорят, что лучше называть спутник сателлитным вирусом, ведь гигантские вирусы не являются автономно реплицирующимися организмами-хозяевами и, несмотря на всю свою сложность, вынуждены опираться на клетку-хозяина, чтобы привести в действие свои механизмы, так же как все остальные вирусы. Для своих вирофагов они выступают в роли все тех же хелперных вирусов.

В течение пяти лет было идентифицировано довольно много новых вирофагов, например, мавирус, инфицирующий клетки акантамебы, сам инфицируется вирусом Cafeteria roebergensis. Органический озерный вирофаг был «опознан» по гомологичным последовательностям в метагеномной ДНК, обнаруженной в одном соленом озере в Антарктиде; считают, что он паразитирует на ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусах, инфицирующих зеленые водоросли. Все эти паразиты являются вирусами, содержащими двухцепочечную ДНК, составляющую геном, кодирующий около двадцати генов, и, как и их хозяева, имеют несколько общих генов, в частности генов, кодирующих белки, участвующие в морфогенезе капсида, что позволяет говорить об их монофилетическом происхождении (Krupovic, Raoult, Koonin, 2013). Сходство нуклеотидных последовательностей было отмечено между генами вирофагов и последовательностями класса мобильных генетических элементов, названных мавериками или полинтонами (Yutin, Raoult, Koonin, 2013). Их находят в эукариотических клетках множества беспозвоночных и простейших, что позволяет предполагать их очень древнее происхождение. Четвертый вирофаг, спутник-2, был выделен из жидкости, в которой находились контактные линзы больного, страдающего амебным кератитом. Сама амеба оказалась инфицированной неизвестным гигантским вирусом, названным вирусом Lentille. К удивлению ученых, выяснилось, что очищенные вирусные частицы лентилле переносили спутник-2 в инфицированные амебные клетки. ДНК вирофага была внедрена в геном гигантского вируса; можно сказать, что это был «про-вирофаг». По аналогии с фагами прокариот и ретровирусами эукариот, вирофаги способны к ассоциации с геномами своих хозяев, что позволяет вирофагам вертикально передаваться в дочерние вирусные частицы, а также в клетки, пораженные этими вирусами (Desnue et al., 2012).

В действие вступил также и третий игрок. Анализ нуклеотидных последовательностей вируса лентилле показал, что в их составе присутствует новый генетический элемент, представленный в виде кольцевых копий в вирусных частицах, но также и в виде элементов, включенных либо в сам вирусный геном, либо в последовательность нуклеотидов вирофага. Этот элемент был назван трансповироном, мобильным генетическим элементом длиной 7–8 тысяч пар оснований, включенным в экосистемы гигантского вируса и его вирофага. Подобно вирофагам, трансповироны во многих отношениях напоминают маверики (полинтоны), но в большинстве случаев они вкраплены в геном вируса в виде мозаики генетических элементов, заимствованных из разных, не родственных друг другу источников (Desnues et al., 2012). Подобно геномам высших эукариотических клеток с их достоверным набором перемещаемых в обе стороны элементов или геномам бактериальных клеток с их популяциями транспозонов и профагов, гигантские вирусы располагают своими собственными мобиломами. Могут ли эти мобильные генетические элементы быть частью разнообразных дополнительных генов гигантских вирусов, поддерживающей их предрасположенность к приобретению новой генетической информации путем горизонтального переноса генов?

Эти рассуждения были подкреплены несколькими работами, выполненными марсельскими учеными Раулем и Ла-Скалой совместно со специалистом по эволюционной генетике Юджином Куниным (Koonin, Dolja, Krupovic, 2015a; Koonin, Krupovic, Yutin, 2015; Aherfi et al., 2014). Эти ученые опубликовали много работ, посвященных эволюционному происхождению генов крупных ядерно-цитоплазматических ДНК-содержащих вирусов, и предложили выделить новый порядок вирусов – Megavirales. Теперь, вместе с пониманием биологии этих вирусов, стало вырисовываться понимание картины, примиряющей различные эволюционные траектории в пределах этой разнообразной группы патогенов. Открытие марсельского вируса как нового представителя порядка Megavirales предоставило нам информацию о многих аспектах их эволюции. Геном этих вирусов содержит набор из двадцати восьми предковых ядерных генов, которые присутствуют у всех представителей нового порядка вирусов. Остальные гены в ходе эволюции произошли от генов существ из всех царств жизни: эукариот, бактерий и простейших. Есть также данные о том, что гены семейств с различными функциями возникали в результате дупликации и амплификации генов, то есть происходило то же, что мы видели в эволюции эукариотических геномов и геномов вирусов герпеса. Восемьдесят генов марсельского вируса имеют тесное филогенетическое родство с генами амебы; некоторые гены обнаруживаются также в геномах мимивирусов, но у других представителей Megavirales они обнаружены не были. Все вместе эти данные позволяют предполагать, что эти крупные ДНК-содержащие вирусы приобрели сложный геном в результате горизонтального переноса генов от других организмов, а также от других вирусов, например мимивирусов. Бойер и его коллеги (2009) предположили, что амебы могут представлять собой генетический плавильный котел, где возникают химерические микроорганизмы. Авторы подчеркивают, что фагоцитирующие амебы инфицируются многими вирусами и бактериями, так как преимущественно питаются элементами размером около 0,2 микрона. Амебы могут служить сосудами для смешивания микробной генетической информации, что способствует появлению новых генотипов. Нельзя недооценивать потенциально важную роль мобильных генетических элементов в этом процессе. В самом деле, важную роль в нем могут играть и вирофаги. Та же группа ученых убедительно показала, что вирофаги паразитируют в широком диапазоне хозяев, эффективно инфицируя различные виды Mimiviridae. Таким образом, вирофаги могут быть полезными, как переносчики в процессе горизонтальной передачи генетического материала между разными представителями порядка Megavirales.

В какой-то мере это зеркальное отражение прокариотической жизни и работы бактериофагов; эволюция вирусов из порядка Megavirales основана на двух механизмах: на вертикальной передаче наследственности в виде набора ядерных генов и на горизонтальном переносе генов, заимствованных у представителей всех царств жизни. Эти вирусы являются геномными химерами, собранными, как лоскутные одеяла с невероятно сложным и разнообразным рисунком, в котором содержится все генетическое разнообразие метагенома Megavirales.

Вирусологи всего мира задались вопросом: почему вирус должен быть таким большим и зачем ему нужно так много генетической информации? Не ставит ли это под вопрос все наши воззрения на эволюционное происхождение Megavirales, вирусов вообще и даже всех остальных трех царств жизни? При отсутствии отчетливых указаний на конкретного предка Megavirales некоторые ученые предположили, что они возникли из какой-то четвертой формы клеточной жизни, ныне вымершей, а затем выродились до паразитизма в результате утраты генов и эволюционировали по описанному выше механизму. Это очень соблазнительная идея, так как сложность гигантских вирусов не укладывается в представления о минимализме и экономности генетического материала вирусов. Правда, сравнительная геномика (по крайней мере, для меня) положила конец этим надеждам и гипотезам. Несколько наблюдений не оставили камня на камне от этого предположения, так как более вероятен иной, альтернативный эволюционный сценарий. Одно из самых убедительных положений, лежащих в основе предположения о том, что Megavirales возникли в результате редукции предковой клеточной формы, заключается в том, что эти вирусы обладают разнообразными генами с метаболическими функциями, которые обычно связывают с клеточными формами жизни. В особенности это касается компонентов, характерных для клеточного аппарата трансляции белков. После того как стало доступным большое собрание геномных нуклеотидных последовательностей, специалисты по эволюции вирусов смогли исследовать филогенетические взаимоотношения этих генов между собой и с другими формами жизни (Koonin, Dolja, Krupovic, 2015b; Koonin, Krupovic, Yutin, 2015). Поразительное наблюдение заключалось в том, что эти гены были близкородственны генам организмов, имевших самое разнообразное эволюционное происхождение. Другими словами, гены приобретались гигантскими вирусами в разное время и от разных хозяев. Если бы эти вирусы произошли от общего древнего клеточного предка, обладавшего уникальным механизмом синтеза белка, то разумно было бы ожидать филогенетического родства между этими белками. Но в действительности они имеют разное происхождение. Можно, конечно, привлечь альтернативные сценарии, согласно которым множественные клеточные предшественники породили различные группы Megavirales, но пока нет никаких убедительных данных, подтверждающих такой, в высшей мере невероятный сценарий.

Самое правдоподобное объяснение происхождения Megavirales (все они являются ядерно-цитоплазматическими крупными ДНК-содержащими вирусами) основано на недавнем наблюдении, согласно которому мобильные генетические элементы, называемые мавериками (или полинтонами), имеют в своих геномах гомологичные гены, кодирующие вирусный капсид. Мало того, структурные особенности генов, кодирующих белки их капсидов, напоминают гены всех ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-содержащих вирусов, кодирующие белки капсидов. Кунин предположил, что на самом деле полинтоны, которые в настоящее время существуют как мобильные генетические элементы, были, вероятно, прежде обычными вирусами с внеклеточной передачей путем циклов инфицирования, то есть это группа полинтовирусов (Koonin, Krupovic, Yutin, 2015). Эволюционная нить, протянутая от полинтовирусов до Megavirales, сохранила аппарат морфогенеза капсида, гены которого одинаковы у всех этих вирусов. Такое же происхождение, по-видимому, имеют и вирофаги. Эволюция от гипотетических полинтовирусов Кунина до нынешнего порядка Megavirales была весьма непростой, в ней происходили множественные и частые события независимой горизонтальной передачи генов от других вирусов, мобильных генетических элементов и клеточных геномов. Тем не менее сейчас практически нет сторонников гипотезы о том, что эти гигантские вирусы некогда были давно утраченной линией четвертого царства клеточной жизни.

Многие наши древние болезни, настигшие нас задолго до того, как возник наш современный вид, развивались одновременно с людьми, и их эволюция отличалась строгим параллелизмом с нашей эволюционной историей. Наши «современные» вирусные заболевания являются результатом сравнительно недавней атаки вирусами наших клеток. Вирусы, вызывающие эти болезни, в тот или иной момент времени преодолели эволюционный барьер, отделявший нас от их естественных хозяев. Говоря о естественных хозяевах какого-либо вируса, мы подразумеваем вид хозяина, к которому вирус в наибольшей степени адаптировался в ходе эволюции. Коэволюция вируса и хозяина подвергается реципрокным силам давления отбора. Давайте разберемся в этом феномене. Естественный отбор, действующий на вирус, определяет адаптацию вируса в смысле успешного инфицирования клеток хозяина и способности передачи внутри популяции организмов хозяина. Вирус, успешно утвердившийся в организмах других видов (после межвидовой передачи), должен иметь базовое репродуктивное число, обозначаемое R₀, превышающее единицу, то есть каждый инфицированный хозяин является источником более чем одного нового заражения. Вирусы, неспособные соответствовать этому условию, не выживут среди новых хозяев: часто такие инфекции называют «тупиковыми», подразумевая, что не устанавливается цепь передачи вирусов от организма к организму. Генетические варианты, повышающие шансы на успех, являются адаптивными мутациями, и именно они будут преобладать в геномах успешно инфицирующих линий вируса. Такие мутации возникают в резервуаре организма хозяина, а затем при благоприятных условиях передаются другим организмам того же вида, преодолев бутылочное горлышко естественного отбора, давая начало новой вирусной линии. Альтернативно эти новые виды вируса могут возникнуть опять-таки случайно, в ходе первых затрудненных циклов инфицирования клеток нового хозяина. Теперь, если мы посмотрим на вирусную инфекцию с точки зрения нового хозяина, то отметим, что естественный отбор должен благоприятствовать тем особям, которые могут выживать, продолжая воспроизводить себя. Те индивиды, которые успешно воспроизводятся, несмотря на вирусную инфекцию, передадут свои гены в пул будущих поколений, обогатив генофонд вида признаками, благоприятствующими выживанию. В долгосрочной перспективе это селективное преимущество приводит к закреплению таких генетических вариантов в популяции. Таковы реципрокные силы, действующие в ходе эволюционной гонки вооружений, о которой мы уже говорили, называя принципом Черной Королевы. Каждый ген (и вариант гена) в вирусе и хозяине конкурирует для того, чтобы возобладать в своих командах победивших генов – в успешных геномах вируса и хозяина. Динамику отношений между вирусом и хозяином во многих случаях определяет эта гонка вооружений. Таковы взаимоотношения, выработанные нами в ходе коэволюции в течение длительных периодов времени, по завершении которых мы достигаем равновесия, когда скорость эволюции снижается. Это очень удобные отношения, в которых остается мало места для усовершенствований. Примерами таких адаптированных вирусов являются вирусы герпеса, вирусы папилломы человека, вирусы полиомиелита или вирусы гриппа диких птиц. Даже вирус кори, относительно современный вирус, достиг очевидного эволюционного равновесия с человеком. Для каждого из этих вирусов преобладающим является действие очищающего естественного отбора, потому что большая часть мутаций, изменяющих структуру их белков, губительна для приспособленности генома. Таким образом достигается квазистационарное состояние приостановки эволюции.

Те вирусы, которые перепрыгнули из организмов одного, привычного, хозяина в организм нового, сталкиваются с эволюционным вызовом; они должны адаптироваться к новому хозяину или погибнуть, оставшись лишь в безопасной среде популяции своих естественных хозяев. Там давление коэволюции создало тонкие и многогранные отношения между вирусом, клеткой-хозяином и целым организмом. Вирус, попадающий на поверхность клетки-хозяина, мгновенно отпирает ее надежным ключом, парирует воздействие иммунных ответов и активность антивирусной защиты с помощью механизмов обхода иммунных реакций организма-хозяина и овладевает к своей пользе сигнальными путями клетки. Этот тщательно отработанный танец не может быть надежно воссоздан, когда вирус, привыкший к определенному окружению, случайно попадает в клетку другого хозяина.

Клетку-хозяина можно рассматривать как операционную систему компьютера, созданную для обеспечения инфраструктуры, которая поддерживает надлежащее исполнение компьютерных программ, записанных на определенном языке. Программы составляются под определенную операционную систему. Программы, написанные для компьютеров, поддерживающих операционную систему «Линукс», не могут исполняться в операционной системе «Эппл». Точно так же вирусы являются программами, разработанными под определенную операционную систему – систему их естественного хозяина; код должен быть переписан, если вирус рассчитывает на успех в клетках нового хозяина, которые поддерживают иную операционную систему. Для того чтобы развить дальше эту аналогию, можно сказать, что, например, мой компьютер, работающий в «ворде», скорее всего, будет работать в родственной, возможно, более поздней версии OS X. Постепенно модернизируемые версии операционной системы, скорее всего, будут совместимы с моим старым программным обеспечением. Отсюда следует, что вирусы с большим успехом могут перескакивать между филогенетически близкими видами, которые располагают схожими операционными системами. Например, представим себе межвидовую передачу вируса от приматов грызунам. Следуя здравому смыслу, мы имеем полное право предполагать, что перескок через более широкий эволюционный водораздел, отделяющий беспозвоночных и человека, является для вируса куда большим препятствием. Язык человеческой операционной системы намного ближе к таковому других приматов, млекопитающих и вообще позвоночных, чем к языкам операционных систем беспозвоночных. Близость позвоночных на филогенетическом древе делает их менее удаленными в эволюционном плане; потребуется вносить меньше исправлений в компьютерный код. Эволюционная адаптация к новому хозяину произойдет легче и быстрее.

Как уже было сказано в главе 7, пандемия собачьего парвовируса разразилась после простой мутации капсидного гена кошачьего вируса, что позволило ему легко отпереть клетки собачьего организма и вызвать заражение домашних собак. Несмотря на то что дальнейшее изменение кода кошачьего вируса происходило в период, предшествовавший пандемии, вирус с легкостью адаптировался к кошкам, потому что эти два вида хищников обладают сходными операционными системами, разными, но похожими в достаточной степени для того, чтобы их можно было считать версиями одной и той же операционной системы. Оба фактора вымостили широкий путь для успешной межвидовой передачи вируса.

Такие перескоки «чужих» вирусов в организм человека называют зоонозами. Определенно, что такие события не являются редкостью, но эволюционный провал между видами гарантирует, что лишь очень немногие перекрестные инфекции приводят к настоящим эпидемиям и к возникновению устойчивого эндемического вируса человека. Большинство вирусов, плохо оснащенных для преодоления межвидового барьера при перескоке от естественного хозяина к человеку, вызывают тупиковые инфекции, и эпидемии не возникают. Другими словами, R₀ остается меньше единицы и цепь передачи не возникает. Существует дихотомия между теми вирусами, которые не могут поддерживать продуктивную инфекцию новых хозяев, и теми, которые просто оказываются слишком патогенными. В обоих случаях мы имеем дело с плохой взаимной адаптацией вируса и хозяина. В одном случае вирус не может закрепиться в организме хозяина, потому что не может воспользоваться его операционной системой или иммунная система хозяина оказывается достаточной прочной для того, чтобы противостоять вирусу. В другом случае хозяин быстро падает жертвой вируса и не выполняется условие успешной передачи вируса в следующий организм. Надо помнить, что это две крайние точки континуума, на протяжении которого вирусные генетические варианты и генетические особенности индивида-хозяина драматически влияют на исход их встречи. Для наглядности возьмем обезьяний вирус герпеса B, который до недавнего времени был настоящим бичом для фирм, торгующих лабораторными животными. Этот вирус вызывает скоротечное, практически всегда смертельное заболевание, и передача его человеку практически никогда не наблюдалась. При отсутствии адекватных, законченных циклов инфицирования, репликации и передачи между хозяевами, обеспечивающих основу адаптивной эволюции, ни один вирус не может приспособиться к хозяевам нового биологического вида.

Теперь мы рассмотрим эволюционные изменения, обусловленные успешными зоонозами, когда вирусы благополучно совершают межвидовой перескок от естественных хозяев к человеку; в результате у человека возникает новая эндемичная вирусная болезнь. Корь и натуральная оспа считаются «современными болезнями», происшедшими из зоонозов. Мы выяснили, что успех этих зоонозных эпидемических заболеваний зависел от экологической переменной – существования достаточно больших и концентрированных человеческих популяций в первых крупных населенных пунктах. Болезнь, оставлявшая неизгладимые отметины – натуральная оспа – начала циркулировать среди людей в эпоху Древнего Египта, и некоторые ученые связывают ее возникновение с упадком великих цивилизаций в долине Инда в семнадцатом веке до новой эры (Shchelkunov, 2009). Корь, как представляется, является результатом успешной межвидовой передачи человеку вируса бычьей чумы, предположительно, это произошло в то же время или немного позже. Тем не менее пути генетической адаптации вирусов к хозяевам и наоборот, скрыты во тьме веков. Вирусы не оставляют окаменелостей, трупов, не оставляют они и физических следов, по которым можно было бы составить их достоверную генеалогию. Поэтому мы рассмотрим намного более свежий вирусный зооноз, чтобы проиллюстрировать условия, которые способствуют межвидовой передаче и возникающим вследствие этого эволюционным конфликтам. Первым кандидатом является вирус иммунодефицита человека 1-го типа (ВИЧ-1), вирус, вызвавший самую беспощадную пандемию двадцатого века. За первые двадцать пять лет ВИЧ-1 инфицировал более 65 миллионов человек, и эпидемия продолжается по сей день. От этой болезни уже умерли более 30 миллионов человек, и теперь вирус стал эндемичным для человеческой популяции.

В апреле 1983 года группа ученых под руководством доктора Люка Монтанье из Пастеровского института в Париже объявила, что удалось выделить и охарактеризовать вирус, обнаруженный в организме больного с симптомами болезни, которую несколько позже назвали СПИДом, синдромом приобретенного иммунодефицита. Будучи тогда научным сотрудником Национального онкологического института, я был хорошо осведомлен о том, что доктор Роберт Галло, шеф лаборатории биологии опухолевых клеток, в то время тоже участвовал в гонке открытия вирусного виновника СПИДа. Галло был первопроходцем в изучении ретровирусов человека; в 1981 году он открыл первый человеческий ретровирус, вирус человеческого Т-клеточного лейкоза (HTLV-1) (Rho et al., 1981; Popovic et al., 1984). Новый вирус должен был получить название HTLV–III, а публикация должна была состояться в мае 1984 года в журнале «Science» (Popovic et al., 1984). На самом деле, однако, был выделен и идентифицирован тот же вирус, что был раньше описан в Пастеровском институте. Монтанье поделился культурой выделенного им вируса (названного вирусом лимфаденопатии, LAV) с лабораторией Галло. Кульминация этого ожесточенного спора за первенство между учеными-соперниками подробно описана во многих статьях и книгах, и мы не будем разбирать эту историю. Нет, однако, нужды повторять, что ставкой было право похвастать открытием вируса СПИДа и его связи с заболеванием.

Вирус не был назван ни HTLV–III (на самом деле он оказался весьма дальним родственником вирусам Галло HTLV-1 и -2), ни LAV. Компромисс был найден в названии «вирус иммунодефицита человека 1-uj типа» (ВИЧ-1). Это был первый человеческий лентивирус из подсемейства Retroviridae. Другие лентивирусы инфицируют копытных животных, овец, коз и лошадей, у которых эти вирусы вызывают медленно прогрессирующие заболевания, напоминающие СПИД и поражающие иммунную и нервную системы. После жестокой перепалки между французами и американцами было достигнуто согласие относительно того, что Монтанье и Галло поровну разделять славу первооткрывателей ВИЧ-1 и причины СПИДа. Монтанье за идентификацию вируса, а Галло за окончательное увязывание его с возникновением СПИДа.

Первые признаки эпидемии дали о себе знать в США, на Западном побережье, в 1981 году. Первое упоминание о новом заболевании появилось в статье в июне 1981 года, ведущим автором которой был Майкл С.Готтлиб, в номере журнала «Еженедельная статистика заболеваемости и смертности», в том же периодическом издании, где сообщают о ежегодных сезонных эпидемиях гриппа и о необычных случаях инфекционных заболеваний в США. Статья была озаглавлена так: «Пневмоцистная пневмония – Лос-Анджелес», и в ней не было никаких намеков на то, что эта болезнь вскоре поразит мир пандемией. В первом абзаце было сказано: «За период с октября 1980 по май 1981 года пятеро молодых людей, все активные гомосексуалисты, проходили лечение по поводу подтвержденных биопсией случаев пневмонии, вызванной Pneumocystis carinii, в трех госпиталях Лос-Анджелеса (Калифорния). Двое пациентов умерли. Все пять пациентов страдали лабораторно подтвержденной инфекцией цитомегаловирусом и кандидозным поражением слизистых оболочек. Истории болезни прилагаются…». Очень скоро последовали сообщения о необычных случаях саркомы Капоши, редкого злокачественного поражения стенок кровеносных сосудов. Эти редко встречающиеся у здоровых людей заболевания стали определяющими оппортунистическими инфекциями, сочетающимися с диагнозом СПИДа. В редакционной статье, напечатанной в журнале «Science», доктор Энтони Фаучи из Национального института аллергических и инфекционных болезней отметил, что «общим знаменателем у этих больных [к тому времени их уже было 290] является глубокое подавление иммунной системы, в частности, среди лиц с тяжелыми оппортунистическими инфекциями». Болезнь связали с дисфункцией Т-лимфоцитов; вирус, к тому времени еще не идентифицированный, нарушал способность пациентов справляться с заболеваниями, с которыми легко справляется иммунная система здоровых людей.

Эпидемия началась в гомосексуальных сообществах в городах Восточного и Западного побережий США, распространяясь половым путем между внешне здоровыми и ни о чем не подозревавшими пациентами. Но эта болезнь поражала не только гомосексуалистов, ее жертвами были мужчины и женщины, а также внутривенные наркоманы. Эпидемия свирепствовала среди больных гемофилией, из которых СПИДом заболела половина. Умершие насчитывались тысячами. В 1984 году министр здравоохранения США Маргарет Хеклер, стоя рядом с Робертом Галло на пресс-конференции, объявила, что изолирован вирус, вызывающий СПИД, и скоро появится диагностический метод определения его в крови. Гарантировалась безопасность переливаемой крови и ее препаратов. Хеклер поспешила обнадежить общественность, пообещав через несколько лет вакцину, а к 1990 году метод лечения СПИДа. Прошло больше тридцати лет, но медики до сих пор не смогли выполнить это обещание. Были предприняты огромные усилия, исследованиями занимаются ведущие специалисты биомедицинской науки. Благодаря усилиям медиков и фармакологов были созданы более 25 лекарств для борьбы с ВИЧ. В 1981 году диагноз инфекции ВИЧ-1 однозначно становился смертным приговором, но сегодня это поддающееся лечению, хроническое вирусное заболевание.

Правда, вакцины нет до сих пор, и в ближайшее время ее появление не ожидается. Усилия, направленные на обуздание ВИЧ-1 и на создание противовирусной вакцины, наталкиваются на одно главное препятствие: ВИЧ-1 является непревзойденным мастером генетического обмана. В арсенале вируса целый набор стратегий, позволяющих отражать удары иммунной системы и разрушать ее, к тому же вирус выказывает замечательную способность быстро размножаться в организме больного. ВИЧ – это движущаяся мишень для иммунной системы и противовирусных лекарств; на сегодняшний день нет ни одного достоверного случая излечения СПИДа.

Прежде чем перейти к обсуждению происхождения и эволюции ВИЧ-1, мы исследуем способ существования этого вируса и смертоносные патогенетические механизмы, позволяющие развиваться этой коварной болезни. Клинические проявления СПИДа, с которыми столкнулись калифорнийские врачи в 1981 году, характерны для далеко зашедшего заболевания, вызванного ВИЧ-1. Смертельный секрет вируса, который передается преимущественно половым путем, заключается в том, что много лет заболевание протекает бессимптомно, прежде чем появляются ее явные признаки. Все это время вирус находится в крови жертвы и проникает в телесные жидкости. Хроническая инфекция в организме здорового и сексуально активного человека обеспечивает вирусу возможность беспрепятственно передаваться от одного хозяина к другому, сохраняя цепь передачи в популяции. Те же свободные сексуальные нравы, расцветшие после шестидесятых годов, привели к эпидемии полового герпеса, пик которой пришелся на 1983 год – год, когда был открыт ВИЧ. Путь заражения ВИЧ-1 – это преимущественно контакт телесных жидкостей больного со слизистой оболочкой заднего прохода и полового тракта. Заражение может также происходить с кровью. Группой повышенного риска заражения СПИДом являются внутривенные наркоманы, а на ранних стадиях возникшей эпидемии вполне вероятно, что роль в распространении ее играло повторное использование многоразовых инъекционных игл в лечебных учреждениях.

Острая фаза инфицирования ВИЧ-1 проявляется через несколько дней или недель после заражения в виде преходящего гриппоподобного заболевания. Через короткое время симптомы исчезают, и больной возвращается к привычному образу жизни, болезнь переходит в хроническую стадию, а болезнетворный вирус принимается беспрепятственно бушевать в беззащитном организме. Развертывается яростное сражение между армией хозяина, его иммунной системой, и дикими ордами вируса. В отличие от острых инфекций, которые обычно быстро подавляются нашей иммунной системой, или в отличие от латентных инфекций вирусами герпеса, которые сдерживаются иммунной системой, ВИЧ неуязвим, потому что у большинства из нас отсутствует способность существенно ограничить его репликацию. Небольшая элитная группа индивидов с привилегированной иммунной системой способна одерживать верх над ВИЧ и заставляет его размножаться с низкой скоростью, но большинство из нас целиком и полностью отданы на милость этого беспощадного врага. Наша иммунная система не побеждает его никогда; эта болезнь не может разрешиться и закончиться выздоровлением. Мы можем нормально жить и умереть с вирусом герпеса, но мы живем с ВИЧ и умираем от него.

Здесь уместно одно разъяснение: огромная смертность при пандемии СПИДа, вызванного ВИЧ-1, обусловлена прогрессирующим и полным уничтожением иммунной системы человеческого организма вирусом. Этот приобретенный иммунодефицит делает организм восприимчивым к целому ряду инфекционных и онкологических заболеваний, которые практически никогда не поражают людей со здоровой иммунной системой. Организм оказывается голым и беззащитным по отношению к окружающей среде и ее патогенам. Вирус Эбола убивает своих жертв жестоко и свирепо, беря организм штурмом, атакуя клетки и ткани без видимого разбора, что быстро приводит к недостаточности множества органов и к смерти. ВИЧ-1 с хирургической точностью загрязняет продуктами своей деятельности клетки иммунной системы. Течет скрытая от глаз страшная болезнь, а топором палача становится одна из множества оппортунистических болезней. Но не следует заблуждаться по этому поводу: умираем мы от ВИЧ-инфекции. Успех нашего нового вирусного хищника определенно обусловлен длительной бессимптомной фазой, в течение которой вирус беспрепятственно размножается, высвобождается в кровоток, чем поддерживается его передача другим хозяевам.

Тот факт, что нелеченая ВИЧ-инфекция заканчивается смертью приблизительно через десять лет, не является самым лучшим исходом для вируса. Разве не было бы более выгодным для него и его генетической информации, если бы ВИЧ прогрессировал более медленно? Естественный отбор благоприятствует генетическим вариантам, имеющим больше времени и возможности для половой передачи новым хозяевам. Здоровый хозяин более успешно распространяет вирусы в популяции. В отсутствие врачебного вмешательства мы могли бы ожидать, что это станет естественным исходом адаптивной эволюции ВИЧ-1 в будущем, но сегодня среди вирусных инфекций, поражающих человека, он новичок. Учитывая относительно долгий период коэволюции, мы можем надеяться, что скоро болезнь станет менее агрессивной и патогенной.

В 1981 году не было ни одной научной публикации о ВИЧ-1, потому что вирус не был выделен и идентифицирован. К 2014 году в год появлялось около 15 тысяч публикаций, посвященных этой теме. Сегодня мы имеем 300 тысяч опубликованных работ, пополнивших наши знания о ВИЧ-1. Несмотря на крошечные размеры, вирус с геномом, состоящим из одноцепочечной РНК длиной всего в 7,5 тысячи оснований, кодирующей меньше двадцати белков, стал самой изучаемой биологической сущностью нашего времени.

Итак, почему этот новооткрытый лентивирус вызывает у своих жертв неизлечимое и коварное заболевание? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам придется рассмотреть молекулярную биологию ретровирусов (семейство Retroviridae), способ существования которых уникален среди вирусов, поражающих эукариотические клетки (Coffin, Hughes, Varmus, 1997). Несмотря на то что их геном состоит из РНК, они реплицируются с помощью ДНК интермедиата, который включается в хромосому инфицированной клетки. Этот процесс обратной транскрипции и включения генома осуществляется при посредстве РНК-зависимой ДНК-полимеразы (называемой обратной транскриптазой) и интегразы, которые являются компонентами вирусного нуклеокапсида. Обратная транскрипция, приводящая к синтезу двухцепочечной ДНК-копии вирусной генетической информации, происходит в цитоплазме клетки. Затем эта ДНК транспортируется в ядро, где интеграза включает ее в ДНК клетки. Получившийся в результате провирус служит базовым лагерем для образования вирусов в инфицированной клетке. Провирус транскрибируется РНК-полимеразой-II клетки-хозяина, в результате чего образуется матричная РНК для синтеза белка и образования генома нового вируса, готового к упаковке в инфицирующие вирионы. В большинстве клеток человеческого организма ВИЧ-1 ведет себя как цитолитический вирус. Те клетки, которым посчастливилось уцелеть после инфицирования ВИЧ-1, хранят в своем геноме копию вируса, которая передается дочерним клеткам. Ретровирусные провирусы обладают некоторыми признаками, характерными для профагов бактериофагов, но по другим признакам сильно от них отличаются. И провирусы, и профаги наследуются дочерними клетками и могут после индукции стать источниками инфекции, но провирус ретровируса является облигатным интермедиатом при литической репликации вируса. Напротив, фагам нет необходимости образовывать профаг для того, чтобы реплицироваться литически. Это отделяет ретровирусы от всех остальных вирусов эукариотических клеток. Это свойство имеет значимые последствия для эволюции геномов позвоночных животных, о чем мы более подробно поговорим в главе 14.

Вирусная частица ВИЧ-1 состоит из тороидального нуклеокапсида, одетого в липидную оболочку, инкрустированную копиями единственного вирусного оболочечного гликопротеина (белка env), состоящего из двух субъединиц – gp40 и gp120. Env является единственным вирусным белком, находящимся на поверхности вирусных частиц, и главным антигеном, против которого иммунная система хозяина вырабатывает антитела. Белок составлен из консервативных каркасных участков и вариабельных участков. Вариабельные участки «видны» иммунной системе хозяина, но они непрерывно изменяются, избегая тем самым контакта с циркулирующими антителами. Функционально важная часть белка либо свернута в маскирующие складки, либо прикрыта углеводными модификациями аминокислот на выступающих на поверхность белка участках. Вариабельные участки можно считать «ложным аэродромом» для сил иммунной системы. Белок env – это хамелеон, кодирующая его нуклеотидная последовательность является самым изменчивым геном из известных биологам-эволюционистам (Holmes et al., 1992; Rambaut et al., 2004). Этот белок обеспечивает проникновение вируса в клетку, связываясь со специфическими рецепторами на поверхности клеток-мишеней. Вирус предпочитает CD4 антиген-положительные T-лимфоциты (CD4+T-клетки). Вирусный env вначале распознает и связывает белок CD4 на поверхности клетки, но не с его помощью осуществляется проникновение в нее, env должен вступить во взаимодействие со вторым белком – корецептором. Разные линии вируса демонстрируют предпочтение к одному из двух корецепторных белков: R5 тропических вирусов, которые используют рецептор CCR5 для входа в клетку, или X4 тропических вирусов, которые используют рецептор CXCR4 для входа в клетку. Некоторые CD4+T-клетки имеют на своей поверхности оба рецептора, но в большинстве случаев присутствует рецептор какого-то одного типа, а это значит, что тропизм к вирусам R5 или X4 определяет диапазон клеток-хозяев, которые могут быть поражены вирусом. Соединение env с CD4 запускает конформационные изменения в этом белке, который в этот момент открывает замаскированные участки, чтобы связаться с корецептором. Часть белка env, называемая пептидом слияния, занимает нужное положение и прободает мембрану клетки-хозяина, в результате чего вирусная оболочка сливается с плазматической мембраной клетки. Вирусный нуклеокапсид проникает в цитоплазму клетки. Эта сложная, отработанная «тактика плаща и кинжала» дает возможность выполнять главную стратегию, которая позволяет защитить эволюционно консервативную часть вируса, отвечающую за проникновение в клетку, от распознавания и уничтожения иммунной системой организма-хозяина.

Начало конца ВИЧ-инфекции происходит на достаточно ранних стадиях заболевания, которое продолжается в течение приблизительно десяти лет и заканчивается полным поражением иммунной системы и развитием СПИДа. Вирус особенно охотно инфицирует активированные CD4+T-клетки, на поверхности которых очень много CD4 и CCR5-корецепторов. Во время острой фазы инфекции ВИЧ-1 вирус избирательно поражает популяции активированных CD4+T-клеток в слизистых оболочках, выстилающих стенки кишечного тракта и половых путей, а также в кишечных лимфатических узлах (Hel, McGee, Mstecky, 2006). Важным аспектом патогенеза ВИЧ-1 является избирательное поражение иммунокомпетентных клеток. Те T-клетки, которые накапливаются в месте внедрения инфекции и обладают специфичностью в отношении вирусных антигенов, активируются ими и становятся удобными клетками-мишенями, пригодными для размножения вируса. Вирус эффективно заманивает предпочтительные для него клетки в ловушку. По мере прогрессирования инфекции инфицированные T-клетки движутся к дренирующим лимфатическим узлам, которые густо заселены клетками-мишенями. Начинается систематическое и планомерное уничтожение иммунной системы организма; первичной популяцией клеток, атакованных вирусом, являются хелперные CD4+T-клетки, которые совместно с другими иммунокомпетентными клетками поддерживают эффективность клеточного и гуморального иммунитета. Об ухудшении состояния больного, инфицированного ВИЧ-1, свидетельствует прогрессирующее снижение содержания в крови CD4+T-клеток и ослабление их хелперных функций. Подсчет CD4-клеток в 1 кубическом миллиметре плазмы крови используют в качестве суррогатного диагностического метода для мониторинга прогрессирования инфекции у больного. Несмотря на то что в хронической стадии заболевания число инфицированных T-клеток остается небольшим в сравнении с их общим числом, вирус поражает иммунную систему на многих уровнях. Организм теряет способность к восстановлению популяции нормально функционирующих CD4+T-клеток и к осуществлению эффективного хелперного и цитотоксического Т-клеточного ответа. Эффекторные цитотоксические Т-клетки ослабляют ответ на вирусные антигены; нарушается функция иммунной системы и становится клинически явным приобретенный иммунодефицит.

ВИЧ-1 представляет благодатное поле для исследователей, которые получили возможность изучать эволюцию вируса в режиме реального времени у его носителей в многочисленной популяции в течение большей части ее истории в клетках человека. В большинстве случаев при изучении вирусов мы вынуждены довольствоваться кончиками тонких веточек их эволюционного дерева. В случае ВИЧ-1 геномные нуклеотидные последовательности доступны у всех вирусов из любого места их генеалогического древа. Ученые могут прослеживать геномные последовательности, начиная с корней, когда ВИЧ-1 впервые дебютировал как вирус человека, а также изучать геномы с тонких веточек, то есть геномы вирусов, циркулирующих в наши дни. Вероятно, самым удивительным аспектом эволюции ВИЧ-1 является то, что эта эволюция осуществляется внутри организма хозяина. В фазе хронического течения заболевания в пробах крови больных в каждом миллилитре содержится до 10 миллионов вирусных РНК-геномов. Массивная виремия создает ежедневно от 10 миллиардов до 1 триллиона новых вирусных частиц. Учитывая, что это происходит изо дня в день в течение десятков лет, мы можем уверенно утверждать, что это очень мощный стимул для генетической вариабельности, которая позволяет ВИЧ распространяться по организму с беспрецедентной скоростью. РНК-геном ВИЧ является продуктом работы РНК-полимеразы, которая в среднем делает одну ошибку на пять геномов. Популяция из триллиона вирусов, образующихся ежедневно, содержит до 200 миллиардов различных вирусных геномных последовательностей; в самом деле, в течение всего лишь одного дня вирус может опробовать каждое нуклеотидное замещение, возможное в данном геноме. Образующиеся в результате квазивиды могут исчерпывающе испытать все доступное пространство последовательностей и обеспечить вирус взрывоподобной способностью к эволюционным изменениям и адаптации, и именно эти качества делают ВИЧ-1 смертельно опасным для человека.

В организме человека ВИЧ-1 находится на крутой кривой эволюционного обучения, так как должен учиться отвечать на наши иммунные реакции и на активность системы противовирусной защиты. Так же как вирусы гриппа в человеческой популяции имеют более высокую скорость эволюции, чем вирусы гриппа, паразитирующие на птицах, так и высокая скорость эволюции ВИЧ-1 характерна для эволюционного конфликта, который всегда возникает при начале новых или недавно возникших отношений вируса и хозяина. По прошествии достаточного времени (при отсутствии всякого медицинского вмешательства) можно рассчитывать на два радикально отличающихся друг от друга исхода современной эпидемии ВИЧ: линии ВИЧ-1 и род человеческий вымрут, или штаммы вируса и генетические линии людей будут сосуществовать на популяционном уровне в результате коадаптации. Цепь передачи ВИЧ-1 в человеческой популяции к настоящему времени установлена прочно; эпидемия, если ее не контролировать, станет самоподдерживающейся – ВИЧ стал эндемичным заболеванием. Гигантское бремя, наложенное ВИЧ на человеческие сообщества, подавляет человеческий потенциал в наиболее пораженных инфекцией странах третьего мира. Невероятно важна задача создания эффективных лекарств и вакцин. Конечно, человеческое общество не может, опустив руки, ждать, когда наконец род человеческий выработает сопротивляемость в отношении вируса. Исход такого самопроизвольного процесса не однозначен, и человечество должно вмешаться, а не позволять Черной Королеве продолжать свой бег на месте. Эволюционный потенциал ВИЧ-1 – вот что представляет самую большую трудность на пути эффективного биомедицинского вмешательства в эту эпидемию.

Каково происхождение ВИЧ? Потребовалось почти двадцать лет для того, чтобы составить полную историю (Sharp, Hahn, 2011). В 1999 году доктор Беатрис Хан и ее коллеги из университета штата Алабама смогли достоверно идентифицировать определенный подвид шимпанзе, который и стал источником инфекции. Перекрестная передача вируса от шимпанзе человеку стала причиной зооноза, который превратился в пандемию. История начала раскрываться еще в 1985 году, хотя значение тех наблюдений в то время не были оценены по достоинству. В региональном центре исследования приматов Новой Англии подопытные азиатские макаки страдали от похожей на СПИД болезни (Daniel et al., 1985), вызванной инфекцией лентивирусом. Это был второй идентифицированный лентивирус приматов. Схожее расположение генов в ретровирусном геноме и гомология нуклеотидных последовательностей этого обезьяньего вируса с последовательностями ВИЧ-1 указывали на отдаленное родство с человеческим вирусом, но тем не менее родство. Вскоре после этого, в 1987 году, «Нью-Йорк Таймс» опубликовала под заголовком «Второй вирус грозит опасностью СПИДа: исследования подтвердили открытие, сделанное в Западной Африке и указывающее на возможность следующей эпидемии» новость о том, что вирус, выделенный за три года до этого в Западной Африке, вызвал похожее на СПИД заболевание у тридцати больных. Этот вирус, названный ВИЧ-2, тоже оказался дальним родственником ВИЧ-1 (Clavel et al., 1986), но более близким по структуре к вирусам, выделенным из организмов больных обезьян, содержавшихся в неволе в центре изучения приматов (Clavel et al., 1986). Охота началась, и очень скоро ученым удалось идентифицировать множество вирусов, которые все вместе были названы вирусами иммунодефицита обезьян (ВИО, SIV). Эти вирусы нашли у разнообразных видов обезьян, обитающих в Западной Африке. Вирус, выделенный из организма дымчатого мангобея, оказался особенно близким к ВИЧ-2 и к вирусу, вызывавшему СПИД у лабораторных обезьян; ареал обитания дымчатого мангабея находился в эпицентре эпидемии ВИЧ-2 (Hirsch et al., 1989).

ВИЧ-2 – это обезьяний вирус, перескочивший через межвидовой барьер и поразивший людей; аналогичным способом ВИО-1 у азиатских макак в Новой Англии возник в результате перекрестной передачи от африканских обезьян, содержавшихся в неволе. Подобно людям, азиатские обезьяны Старого Света заболевают СПИДом, если получают вирус, но африканские обезьяны Старого Света от этого не заболевают. Из этого вывели заключение о том, что ВИО атаковал приматов впервые уже после того, как разошлись линии приматов Африки и Азии. То, что дикие африканские обезьяны, инфицированные преобладающим ВИО-1, не выказывают явных признаков заболевания, говорит о том, что имела место длительная коэволюция вируса и его хозяина. Межвидовое перекрестное инфицирование чужого хозяина, даже близкого филогенетического родственника, такого как азиатские обезьяны, может привести к неожиданно тяжелому заболеванию, что свидетельствует об отсутствии адаптации нового хозяина и вируса друг к другу.

Скоро появились и новые фрагменты цельной мозаики. Было выяснено, что многие содержавшиеся в неволе шимпанзе инфицированы вирусами, весьма схожими с человеческими штаммами ВИЧ-1 (мы будем обозначать эти вирусы сокращением SIVcpz). Среди всех обследованных шимпанзе вирус был обнаружен только у четырех особей, а один из вирусов генетически значительно отличался от других, как и от ВИЧ-1 (Sharp, Hahn, 2010). Теперь Хан и ее коллеги были близки к раскрытию происхождения ВИЧ-1. Они заметили, что различные линии ВИО группируются в сообществе близкородственных подвидов африканских зеленых мартышек. Ученые сочли, что это был результат эволюционной кодивергенции, и решили исследовать вопрос о том, не имела ли место похожая, зависящая от хозяина коэволюция при инфицировании вирусом SIVcpz обезьян шимпанзе подвида Pan troglodytes. Существуют четыре подвида, занимающие различные географические ареалы в области южнее Сахары: Pan troglodytes verus в Западной Африке, Pan troglodytes troglodytes в центральном регионе, Pan troglodytes elliotti в Нигерии и Камеруне и Pan troglodytes schweinfurthii в Восточной Африке. Три из четырех инфицированных вирусом SIVcpz шимпанзе принадлежали виду P.t. troglodytes, четвертая обезьяна – P.t. schweinfurthii. Вирус, выделенный из организма P.t. troglodytes, был наиболее близок к ВИЧ-1; вирус, выделенный из восточноафриканских обезьян, был очень далек от предыдущих по структуре. Ученые предположили, что вирус SIVcpz инфицировал общего предка этих двух подвидов шимпанзе, а затем кодивергировал с каждой из отдельных линий (Gao et al., 1999).

Форма ВИЧ-1, выделенная из организмов подавляющего большинства пациентов в США в начале восьмидесятых, была обозначена как главная (M) форма ВИЧ-1. Однако ВИЧ-1 имеет несколько различных линий, которые были выделены и описаны позже и у меньшего числа пациентов. Группа (О) отклоняющихся от общего строения вирусов ограничена преимущественно Восточной Африкой, и доля этого вируса в мировой заболеваемости составляет около 1 % всех ВИЧ-инфекций. Группы N и P распространены гораздо меньше, и инфекция эта была выявлена всего у нескольких камерунцев. В то время как эти группы отчетливо различаются между собой филогенетически, SIVcpz является для всех них близким родственником. Это служит убедительным свидетельством в пользу того, что имели место передачи SIVcpz людям, и некоторые передачи оказались успешнее других, и каждая передача дала начало отдельным линиям; группа M ВИЧ-1 стала вирусом пандемии.

Установление того факта, что высшие африканские обезьяны были истинным природным резервуаром ВИЧ-1 и источником вируса пандемии, стало для биологической науки настоящим вызовом. Детальное эпидемиологическое изучение, необходимое для выяснения географического распространения и преобладания вируса среди шимпанзе, оказалось невозможным. Невыполнимы были также полевые исследования с забором крови у представителей охраняемого и находящегося под угрозой исчезновения вида. Но Хан и ее коллеги оказались изобретательными людьми и разработали неинвазивную методику для сбора проб кала и мочи в местах обитания шимпанзе. Клетки шимпанзе, извлеченные из полученных проб, использовались для установления видовой принадлежности и идентификации отдельных животных. Были разработаны чувствительные иммунологические методы с использованием антител для выявления в пробах антигенов ВИЧ-1. Эти упражнения в судебно-медицинской эпидемиологии позволили обнаружить резервуар ВИЧ-1 в десяти стадах диких шимпанзе в Камеруне (Keele et al., 2006). SIVcpz был широко, но неравномерно распределен в разных стадах шимпанзе. Сравнительный филогенетический анализ показал, что эти нуклеотидные последовательности вируса SIVcpz были близкородственны таковым SIVcpz, выделенных из организмов содержавшихся в неволе шимпанзе, а также ВИЧ-1. Более того, ученые обнаружили, что вирусы разных стад и разных ареалов образовывали самостоятельные, отличные друг от друга линии, что стало результатом быстрой дивергентной эволюции вируса. С определенной долей уверенности можно утверждать, что источник происхождения пандемического ВИЧ-1 и главной группы М можно сузить до вида P.T. troglodytes, обитающего в юго-восточном Камеруне в бассейнах рек Бумба, Нгоко и Сангха (Keele et al., 2006; Van Heuverswyn et al., 2007). Таким же способом было обнаружено, что линии вируса группы N тоже возникли в стадах камерунских обезьян; происхождение двух других групп – O и P – остается пока загадкой. Однако недавно ВИО был обнаружен на равнинах Западной Африки, среди местных горилл, и представляется, что этот вирус является близким родственником ВИЧ-1 из групп О и Р. Эти линии ВИЧ-1, таким образом, берут свое начало от SIVgor, который, вероятно, является результатом дивергенции после передачи вируса SIVcpz от шимпанзе гориллам (D’Arc et al., 2015). Представляется, что в течение относительно короткого промежутка времени произошла перекрестная передача ВИО человеку, причем не только от шимпанзе, но и от горилл.

Полевые исследования SIVcpz подтвердили, что этот вирус эндемичен только для двух из четырех подвидов обычного шимпанзе, заболеваемость среди них, однако, весьма вариабельна: в одних стадах поражены до трети особей, а в других инфицированные особи вообще отсутствуют. Больше того, детальное исследование стад диких шимпанзе показало, что SIVcpz действительно является патогенным для шимпанзе; инфицированные особи живут меньше, рожают меньше детенышей, среди которых повышена ранняя смертность (Keele et al., 2009). Подобно людям, зараженным ВИЧ-1, у больных шимпанзе наблюдали истощение пула CD4+T-клеток. Некоторые стада претерпевали катастрофическую депопуляцию; SIVcpz вызывает среди шимпанзе настоящие эпидемии (Rudicell et al., 2010). Это представляет собой разительный контраст с отсутствием патогенности при инфицировании ВИО низших африканских обезьян.

Происхождение SIVcpz было прослежено до ВИО двух разных видов низших обезьян: SIVrcm, выделенный из красноголового мангобея, и ВИО, выделенный из обезьян вида Ceropithecus. Известно, что шимпанзе охотятся на низших обезьян и питаются ими, и мы можем предположить, что вирусы, содержавшиеся в крови жертв, могли инфицировать шимпанзе либо через раны и повреждения кожи, либо через слизистые оболочки в результате контакта с кровью. В действительности, SIVcpz является рекомбинантным вирусом; представляется, что общий предок P.t. troglodytes и P.t. schweinfurthii был одновременно инфицирован двумя типами ВИО. Смешавшись, вирусы обменивались фрагментами генетической информации, в результате чего возник вирус SIVcpz. Пандемия СПИДа среди людей возникла в результате передачи вирусов от низших обезьян к шимпанзе и от шимпанзе к человеку. Осмелюсь предположить, что разница в способности ВИЧ-1, SIVcpz и SIVsmm вызывать заболевания у своих естественных хозяев является прямым отражением длительности периода, в течение которого происходила коэволюция вирусов и хозяев. Эволюция ВИО характеризуется строгой филогенетической кластерностью, что хорошо согласуется с данными о видообразовании среди обезьян. Эта кластерность согласуется также и с длительными эволюционными отношениями, в ходе которой вирусы претерпевали коэволюцию и кодивергенцию со своими хозяевами. Было бы неверно полагать, будто никогда не происходила перекрестная передача между разными видами обезьян, но, вероятно, такая передача оказала не слишком большое влияние на эволюцию отдельных линий ВИО. Тем не менее вирус шимпанзе вторгся в организм этого хозяина сравнительно недавно, вероятно, заражение произошло меньше миллиона лет назад. Понятно, что ВИЧ-1 практически абсолютно не знаком со своим новым хозяином – человеком, и страшная патогенность служит отражением того факта, что эволюционная взаимная адаптация вируса и человека находится в своей самой ранней фазе.

В 2000 году доктор Бетти Корбер, работавшая в Лос-Аламосской национальной лаборатории, разработала сложный метод компьютерного расчета точной даты появления последнего общего предка ВИЧ-1 М (Korber et al., 2000). Это гипотетический вирус с генетическим набором, который позволил ему в нужное время и в нужном месте перескочить от P. t. troglodytes к человеку и стать источником пандемии СПИДа. Несколько более ранних попыток вычисления даты дали весьма недавнее время. Самая ранняя проба крови, содержавшая ВИЧ-1, была взята в 1959 году у одного больного в Леопольдвиле в Бельгийском Конго (ныне Киншаса в Демократической Республике Конго). Следовательно, общий предшественник появился раньше этой даты. Анализ положения нуклеотидных последовательностей на филогенетическом дереве всех известных штаммов ВИЧ-1 из группы М позволяет предполагать, что ВИЧ-1 появился за несколько десятилетий, до этой даты. В своем анализе Корбер использовала 159 последовательностей гена env из проб, взятых в течение нескольких десятилетий для оценки скорости изменений нуклеотидных последовательностей с течением времени. В результате было определено предположительное время появления единственного предшественника вирусов группы М – между 1915 и 1941 годом. Этот вывод вызывает некоторое удивление, поскольку эпидемия в США стала явной только после 1981 года. Понятно, что ВИЧ-1 М в течение какого-то времени до начала пандемии циркулировал среди населений западной части Центральной Африки. Более свежие исследования сдвинули дату появления предшественника на еще более ранний период. Используя высокочувствительные методы, ученые извлекли вирусные геномы из биопсий лимфатических узлов, хранившихся в течение многих десятилетий в парафине в патологоанатомических архивах госпиталей Киншасы. Эта работа показала, что в 1960 году ВИЧ-1 уже существовал в Киншасе в виде разнообразной вирусной популяции. Включение выявленных нуклеотидных последовательностей в филогенетический анализ штаммов ВИЧ-1 отодвинуло срок появления общего предшественника ВИЧ-1 на период между 1884 и 1924 годом, то есть приблизительно на 1908 год (Worobey et al., 2008). В какой-то момент, после 1884 года, африканский охотник, разделывая тушу убитого животного, заразился вирусом, посеявшим пандемию. Это не было единичным событием; документально подтверждены по меньшей мере четыре межвидовые передачи ВИО – передачи, породившие группы М, N, P и О ВИЧ-1. Возможно, что случаи такого инфицирования отнюдь не были редкостью и почти всегда приводили к тупиковым инфекциям, которые не распространялись. Либо благодаря случайности, либо благодаря уникальной геномной последовательности предшественнику ВИЧ-1 М удалось утвердиться в организме человека.

ВИЧ-1 циркулировал среди населения Западной Африки в течение многих десятилетий до того, как разразилась эпидемия 1981 года. Все это время тлел оставшийся незамеченным зооноз, однако события, приведшие в конце концов к взрыву, стали предметом интенсивного изучения и обсуждения. В своей книге «Происхождение СПИДа» Жак Пепен (Pepin, 2011) убедительно показывает, что причины возникновения эпидемии заключались в социальных и политических изменениях, имевших место в колониальной Западной Африке. Учреждение городской торговли и строительство колониальных административных центров в африканских городах создали центры притока рабочей силы. Леопольдвиль быстро стал самым населенным городом Бельгийского Конго. В городе, где жили многочисленные рабочие, оставившие семьи в деревнях, процветала проституция. Эти факторы сыграли свою роковую роль вкупе с организованными колониальными властями (с самыми лучшими намерениями) медицинскими кампаниями, в результате которых болезнь широко распространилась из-за повторного использования шприцев и игл. Все это лило воду на мельницу эпидемии. Разразилась буря. Длительный инкубационный период заболевания, отклонения от традиционных социальных норм, характерных для сельских районов Африки дали возможность вирусу за несколько десятилетий прочно утвердиться в человеческой популяции. Изменения в социальном поведении людей позволили возникнуть эпидемии, которая из своего эпицентра в Киншасе распространилась на весь мир.

Многие ученые в настоящее время активно прослеживают пути, приведшие вирус в США и во весь остальной мир. Эпидемиологические исследования и филогенетический анализ вирусных таксонов, отделенных друг от друга во времени и по географическому положению, позволили картировать ход развития пандемии (Gilbert et al., 2007). Пандемический штамм ВИЧ-1 М, названный подтипом В, вместе с инфицированным больным прибыл из Африки на Гаити, вероятно, в 1966 году. Несмотря на то что есть несколько свидетельств о нескольких передачах этого вируса вне Гаити, именно оттуда вирус попал в США, где и породил североамериканскую эпидемию. Интересно, что это, скорее всего, произошло уже в 1969 году. Вирус распространялся среди населения США больше десяти лет, оставшись незамеченным. Вероятно, вирус циркулировал среди гетеросексуалов до тех пор, пока не попал в мужскую гомосексуальную среду, то есть в группу повышенного риска. Здесь способ передачи оказался более эффективным, и возникший пандемический вирус начал распространяться быстрее и вскоре был замечен в гомосексуальных сообществах крупных городов США. Оттуда эпидемия распространилась по всему миру прямыми авиарейсами. Передающийся половым путем вирус, вызывающий длительно и бессимптомно протекающее заболевание и существующий в организме больного, является мощным средством распространения пандемии. Изменения поведения людей в Африке и в остальном мире создали благоприятные условия для вспышки этого зооноза.

До того как медицинской науке удалось создать арсенал направленных против ретровируса лекарств, диагноз ВИЧ-инфекции означал смертный приговор для ее жертвы. У некоторых больных прогрессирование от носительства до развернутой картины СПИДа протекало быстрее, чем у других, и только немногим счастливчикам удавалось долгое время держать инфекцию в узде (Yue et al., 2015). Есть убедительные доказательства того, что на исход инфекции влияют генетические особенности не только вируса, но и инфицированного человека, а также человека, передавшего вирус, – донора вируса (Alizon et al., 2010). Другими словами, не все инфицирующие нас вирусы устроены одинаково, и сами мы не равны в нашей способности противостоять инфекции. Главный конфликт между вирусом и его хозяином происходит на уровне клеточной антивирусной защиты и адаптивного иммунного ответа. При инфицировании вирусом гриппа битва между нашим адаптивным иммунным ответом и вирусом проявляется на уровне популяции возникновением новых эпидемических штаммов. Штаммы вируса гриппа, способные избегать иммунного ответа на свои антигены, получают селективные преимущества в своей способности инфицировать новых хозяев и порождать новые эпидемии. ВИЧ-1, напротив, столкнувшись с энергичным иммунным ответом, вызывает хроническую инфекцию, поддерживая одновременно высокий уровень репликации своего генома. Результирующее давление отбора на популяцию реплицирующихся вирусов требует, чтобы эволюция самого вируса в клетках хозяина играла ключевую роль в естественной истории инфекции у каждого отдельно взятого индивида. Эволюция антигенного состава вируса внутри хозяина, в ходе которой вирус всегда поворачивается к иммунитету измененным антигенным лицом, является главным способом ухода ВИЧ-1 от иммунного ответа. Эти мутанты имеют селективное преимущество, потому что мутации меняют иммуногенные эпитопы, малые фрагменты вирусных белков, которые распознаются и атакуются иммунной системой в попытке подавить вирусную инфекцию. Вирусы с изменчивыми эпитопами возникают часто, что позволяет им избегать воздействия специфических, уже существующих антител, хелперных Т-клеток или цитотоксических Т-лимфоцитов, этих бойцов адаптивного иммунитета. Белок вирусной оболочки ВИЧ-1, env, является истинным Протеем. Это не единственный вирусный белок, чья эволюция защищает вирус от иммунного ответа хозяина, но, определенно, он находится на передовой этого сражения. Этот белок служит главной мишенью нейтрализующих антител, а также мишенью клеточно-опосредованного иммунитета. В лонгитудинальном исследовании ВИЧ-инфицированных больных скорость прогрессирования болезни (измеряемая по уменьшению числа CD4-клеток) сравнивали с числом адаптивных мутаций белка env (Williamson, 2003). Стало ясно, что число CD4-клеток у больных с большей частотой мутаций избегания иммунного ответа в гене env снижается медленнее. Способность этих больных поддерживать высокий уровень антител, а значит, оказывать мощное селективное иммунологическое давление на вирус замедляла прогрессирование болезни.

Остов белка env составлен из консервативных участков и четырех гипервариабельных участков, один из которых, V3, является доминирующим антигенным эпитопом. Как мы уже видели, функционально значимые части env – части механизма проникновения в клетку – консервативны и по большей части инвариантны, но они скрыты от недремлющего ока иммунной системы. С другой стороны, вариабельные участки подставлены под удар иммунной системы и находятся под сильным положительным давлением отбора. Это подтверждается большой величиной отношения несинонимических и синонимических мутаций. Мутации эпитопов, являющихся мишенью иммунного ответа, быстро фиксируются в вирусной популяции метлой отбора, которая быстро заменяет последовательности-мишени последовательностями, не распознаваемыми иммунной системой хозяина. Было подсчитано, что одна новая адаптивная мутация фиксируется в белке env ВИЧ каждый 3,3 месяца (Williamson, 2003; Bar et al., 2012). Многие исследовательские группы внесли свой вклад в понимание механизмов избегания белком env иммунного ответа у больных в разные промежутки времени после инфицирования. Наблюдают последовательные изменения вируса, за которыми следуют изменения в иммунном ответе: за избеганием следует цикл подавления инфекции.

В одном недавно проведенном исследовании Бар с коллегами (2012) опубликовали подробный анализ трех ВИЧ-инфицированных пациентов, у которых произошло изменение серологических показателей. Чувствительная методика секвенирования позволила авторам исследовать последовательности индивидуального генома самого первого вируса, которым был инфицирован каждый больной; опираясь на эти данные, авторы смогли вывести последовательность вирусного генома, который передавался между этими пациентами. Имея на руках эту информацию, авторы секвенировали индивидуальные вирусные геномы возникающих квазивидов, находящихся под давлением иммунологического отбора. В течение двух недель с момента изменения серологических показателей у пациентов были обнаружены нейтрализующие антитела. Это был относительно слабый первичный антительный ответ, но эти антитела быстро отреагировали на появление избегающих мутаций в гене env. Детальная характеристика избегающих мутантных геномов у каждого больного показала, что существует целый набор различных путей ухода от иммунного ответа в последовательностях env. У одного больного иммунное избегание возникло вследствие мутаций в иммунодоминантной петле V3; у второго пациента наблюдали множественные мутации в домене V2, многие из которых касались гликозилирования белка; мутации у третьего больного происходили в наружном домене белка env. Ученые особо отметили очень быструю эволюцию мутаций иммунного избегания, несмотря на слабость давления первичного иммунного ответа. Это служит иллюстрацией того, что большая численность популяции, быстрота цикла репликации вирусов и оборот популяции вирусов могут использовать даже слабое давление отбора для оптимизации генома ВИЧ.

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.

Эволюция – это процесс, который сам по себе не имеет цели. Сущность, которая может поддерживать собственную репликацию и создает варианты, конкурирующие с родительским генотипом, становится объектом законов естественного отбора и, в принципе, может развиваться. Варианты ВИЧ-1, которые составляют квазивид в организме хронически инфицированного больного, вступают в борьбу друг с другом, и исход этого соревнования зависит просто от того, способны ли вирусы поддерживать в данный момент свою репликацию в организме хозяина. Относительная приспособленность каждого генотипа под превалирующим давлением естественного отбора определяется его репликативной способностью в сравнении с аналогичными способностями других вирусов популяции. ВИЧ-1 реплицируется так быстро и существует в виде стольких разнообразных генотипов, потому что в организме хронически инфицированного хозяина он может исследовать практически неисчерпаемое число генетических возможностей. Несмотря на существование в форме квазивида при хронической инфекции, каждая новая инфекция у другого хозяина осуществляется, как правило, одним вирусом – отцом-основателем инфекции (Keele et al., 2008). Этот первый вирус, попав в организм хозяина, проникает в CD4+T-клетки и реплицируется в них. Все это происходит в месте инфицирования. Примечательно, что этот вирус всегда проявляет R5-тропизм, а для проникновения в клетку использует CCR5-рецепторный белок как корецептор.

Тропность вируса к активированным CD4+T-клеткам и корецептору, который вирусом используется, определяется последовательностью внутри гена env вируса. По мере того как хроническая инфекция прогрессирует, оболочка вируса постоянно находится под сильным положительным давлением иммунной системы. В ответ на это давление возникают все новые и новые генотипы, способные избегать иммунного ответа. На самом деле, естественный отбор действует также и на уровне иммунной системы хозяина: селективно активируются B- и T-клетки, специфичные в отношении вируса и инфицированных вирусом клеток. Вирусная антигенная идентичность является тем фактором давления естественного отбора, которое обеспечивает распознающим иммунным клеткам преимущество в размножении. Иммунная система модулируется таким образом, чтобы использовать естественный отбор на клеточном уровне. На патогенность вирусной инфекции влияют также и другие виды давления отбора. Ученые могут культивировать вирус из плазмы крови инфицированного больного в различных типах клеток. Некоторые вирусы растут на клетках различных типов лимфоцитов или клетках миелоидного ростка, на которых присутствует один из двух вирусных корецепторов. Таким способом тропизм вируса (R5- или X4-тропизм) может быть описан для различных типов клеток на разных стадиях инфекции. В начальной стадии преобладает R5-тропный вирус, который инфицирует первично активированные CD4+Т-клетки, но позже возникают фенотипы инфицирующего вируса с иным тропизмом (Arrildt, Joseph, Swantrom, 2012; Gorry, Ancuta, 2011). Эти фенотипы могут в значительной степени влиять на патогенез и развитие заболевания. Почти у 50 % больных с далеко зашедшим заболеванием в качестве доминантного фенотипа возникают вирусы с измененным X4-тропизмом. На этой стадии инфекции заболевание и связанное с ним разрушение иммунной системы прогрессируют быстрее, вирус теперь инфицирует нетронутые X4-положительные T-клетки и часто обладает более разрушительным цитопатическим фенотипом. Остается неясным, играет ли в ускоренном разрушении иммунитета решающую роль X4-тропность вируса сама по себе, или это ускорение является вторичным эволюционным феноменом. Варианты вируса, обладающие способностью занимать эту новую нишу (X4-положительные Т-клетки), возможно, более успешны на этой стадии заболевания. Стоит особо отметить, что эволюция вирусов с измененными корецепторами не является обязательным условием прогрессирования заболевания и перехода в развернутый СПИД; у некоторых больных СПИДом отсутствуют X4-тропные вирусы. Действительно, в то время как самый преобладающий вирус В из группы М, вызывающий эпидемию, часто пользуется изменением селективности корецепторов, вирусы подтипа С редко переключают корецептор, если вообще переключают. Точные генетические изменения в оболочке, которые позволяют переключать корецепторы, стали предметом интенсивных исследований. Несмотря на то что такое переключение обычно ассоциируется с изменениями в V3 вариабельной петле белка, представляется, что необходимы и другие замены не определенных пока аминокислот. Было постулировано, что «генетическое расстояние» между R5- и X4-тропизмом env больше у подтипа С, чем у подтипа В (Cotzer et al., 2011). Возможно, постепенное накопление мутаций, приводящих к успешному изменению тропизма, недоступно для белков подтипа С из-за невозможности образования жизнеспособных промежуточных мутантов.

Представляется, что хотя эти эволюционные изменения, происходящие в организме хозяина, на самом деле влияют на патогенез заболевания, их raison d’être может быть больше из-за того, что вирус может, чем из-за того, что вирус должен. Избегание иммунного ответа является главным условием поддержания инфекции в организме хозяина и должно быть важным фактором способности вируса успешно передаваться новым хозяевам. Однако эволюция измененного клеточного тропизма характерна для поздних стадий болезни и дает мало преимуществ в плане успешной передачи генетической линии. Для этого могут быть две причины. Первая, масштаб передачи вируса наибольший на ранних стадиях заболевания, когда инфицированный хозяин еще клинически здоров и осуществляет половые контакты, необходимые для передачи. Вторая, но, вероятно, более важная: вирусы, преобладающие на поздних стадиях заболевания, передаются редко. Действительно, вирус, переходящий к реципиенту по ходу половой передачи, ближе к вирусам-предшественникам, циркулирующим на ранней стадии заболевания, чем к вирусам, циркулирующим в крови длительное время (Redd et al., 2012). Барьер возникает во время передачи ВИЧ-1, и единственный вирус (или весьма ограниченное число вирусов) становится родоначальником новой вирусной популяции, которая распространяется в организме нового хозяина. При ВИЧ-инфекции этот вирус всегда проявляет R5-тропизм и инфицирует CD4+-Т-клетки, которые всегда инфицируются в начале заболевания. Эти вирусы никогда не проявляют X4-тропизм или M-тропизм (вирусы с тропизмом к макрофагам, часто выделяемые из крови ВИЧ-1-инфицированных больных). Эти продукты эволюции никогда не бывают носителями передачи и, скорее всего, являются побочными продуктами системы, которая вынуждена развиваться, чтобы избегать иммунного ответа хозяина.

Следует рассмотреть этот феномен более подробно, так как в нем кроется парадокс эволюции ВИЧ. Скорость эволюции ВИЧ-1 в организме каждого больного чрезвычайно высока; согласно оценкам, вирус претерпевает одну адаптивную мутацию каждые 3,3 месяца (Williamson, 2003; Rambaut et al., 2004). Несмотря на это, темп эпидемиологической эволюции вируса значительно ниже (Rambaut et al., 2004; Lemey, Rambaut, Pybus, 2006). Здесь мы видим некий разрыв; вирусные эволюционные часы в организме хозяина идут быстрее, чем эволюционные часы, управляющие эволюцией вируса при передаче от хозяина к хозяину. Возникает впечатление, что при каждой передаче вируса новому хозяину эволюционные часы переводят назад. Скорость диверсификации нуклеотидных последовательностей при любом способе их измерения и оценки, будь то несинонимические или синонимические замены нуклеотидов, выше в организме каждого хозяина и не может быть уравнена с более медленной скоростью эволюции, проявляющейся во время эпидемии. Внутри хозяина эволюция характеризуется признаками положительного отбора, определяемого отбором под давлением избегания иммунного ответа. Эволюция между хозяевами, с другой стороны, является относительно нейтральной и характеризуется совместной циркуляцией множества вариантов вирусов в течение достаточно длительных периодов времени (Rambaut et al., 2004). В отличие от эволюции внутри хозяев мутации не удерживаются в популяции под действием метлы отбора. Распределение мутаций направляется случайными воздействиями географических и временных факторов. Поэтому представляется, что не обязательно первоначальным геномом при первичной инфекции становится геном наиболее компетентного в плане репликации и эволюционно приспособленного вирусного квазивида. Приспособленность к репликации не обязательно эквивалентна приспособленности к передаче. Для разрешения этого парадокса было выдвинуто несколько гипотез (Lythgoe, Fraser, 2012). Одна из них основана на уникальности передачи R5-вирусов. Более медленный темп эволюции при передаче по сравнению с эволюцией внутри хозяев, возможно, объясняется медленным темпом эволюции вируса в организме хозяина на ранней стадии заболевания (благодаря низкому давлению отбора) в сочетании с высокой частотой передачи в этот период. В таком сценарии R5-тропные вирусы будут доминировать, и, следовательно, немногие другие генетические варианты получат возможность возникнуть и закрепиться в популяции. Представляется, однако, что это не так, и на самом деле все обстоит наоборот. Давление отбора на вирус является очень высоким уже на ранних стадиях инфекции (Bar et al., 2012). Более того, вирусы, которые передаются новым хозяевам даже на поздних стадиях заболевания, в большей степени представлены генотипами, которые преобладали на ранних стадиях инфекции, а не генотипами, возникшими на поздних стадиях. Наиболее правдоподобную гипотезу можно, таким образом, назвать: «сохранить и снова использовать» (Lythgoe, Fraser, 2012; Vrancken et al., 2014).

Особенностью жизненного цикла ретровируса является то, что геном вируса встраивается в хромосому хозяина. Хотя ВИЧ-1 убивает большую часть инфицированных им клеток, некоторые клетки, в особенности Т-клетки иммунологической памяти, могут стать латентно инфицированными. Эти клетки формируют постоянный архив вирусных генотипов, создающийся в самом начале заболевания. Больше того, латентно инфицированные клетки периодически реактивируются и выбрасывают вирусы с генотипом, циркулировавшим ранее. Вполне вероятно, что вирус, переданный другому хозяину и основавший новую вирусную популяцию, наделен архивным вирусным геномом, отобранным благодаря благоприятным признакам. Если это так, то мы получаем объяснение, почему вирус, который передается от инфицированного хозяина новому здоровому хозяину, больше похож на предшествующий первоначальный вирус, чем можно было бы ожидать. Следовательно, несмотря на то что избегание иммунного ответа при персистирующей инфекции критически важно для выживания вирусной линии внутри организма-хозяина (действительно, избежавшие иммунного ответа вирусы часто передаются новым хозяевам), мы должны заключить, что необузданная генетическая вариабельность и оппортунистическая эволюция, которую претерпевает вирус в период далеко зашедшего заболевания, – всего лишь второстепенное явление. Большая часть изменений не является необходимой и даже полезной для выживания генетической линии на уровне популяции и для поддержания цепи передачи. Это эволюция без последствий.

Я не могу отделаться от впечатления, что ВИЧ-1 эволюционирует при передаче от хозяина к хозяину не под давлением естественного отбора. В самом деле, передача генетических вариантов вирусов, способных к избеганию иммунного ответа, наблюдается довольно часто, и это может сильно влиять на исход возникающего заболевания. Не так ясно, играет ли эта передача существенную роль в формировании пандемических генетических линий на популяционном уровне. Я всегда утверждал, что со временем естественный отбор приводит к коэволюции вируса и его хозяина и что одним из исходов такой эволюции может стать ослабление патогенности. Крайне медлительная эволюция наших с вами геномов лишает нас возможности видеть изменения в нас самих в ответ на вторжение нового вируса. Эти изменения не происходят в отведенный нам срок жизни. Мы, однако, можем надеяться, что ВИЧ, этот новичок на ристалище человеческой популяции, под чрезвычайно сильным давлением отбора будет вынужден оптимизировать репликацию и передачу, чтобы ослабить это давление. Несмотря на весьма скромный темп направленной эволюции пандемического ВИЧ-1 на популяционном уровне (в сравнении с эволюцией внутри организмов-хозяев), эволюционные часы ВИЧ-1 все же тикают на много порядков быстрее, чем часы человека. Если нам повезет, то, возможно, нам удастся увидеть, как ВИЧ-1 начнет движение по такой адаптивной эволюционной траектории. Вообще говоря, представляется, что патогенность предковой формы ВИЧ проявляет обратную корреляцию со временем, в течение которого она инфицирует соответствующих хозяев и эволюционирует вместе с ними. ВИО проявляет минимальную патогенность в отношении западноафриканских низших обезьян, которые в течение длительного времени служат его естественными хозяевами, но он же чрезвычайно патогенен для азиатских макак, у которых он вызывает СПИД при экспериментальном лабораторном заражении. Вирус SIVcpz проявляет весьма умеренную патогенность в отношении шимпанзе, которые живут с ним уже около двух миллионов лет, промежуточный период времени. Мы можем предположить, что если нам дать адекватное время, то лентивирусы приматов, инфицирующие шимпанзе или человека, станут проявлять более низкую вирулентность (потенциал вызывать клинически явное заболевание). Конечно, это не очень выгодный компромисс, на который вирусу придется пойти, если он станет менее вирулентным. Более вирулентные вирусы вызывают быстро прогрессирующее заболевание, но реплицируются с более высокой скоростью и легче передаются при половых сношениях. С другой стороны, вирус со сниженной вирулентностью может продлить жизнь хозяину, но при этом реплицируется не так быстро, что приводит к снижению шансов передачи при половом сношении. В 2007 году Фрейзер и его коллеги опубликовали эпидемиологический анализ когорты больных в Амстердаме, у которых показатели анализов крови сменились с серонегативных на серопозитивные. Гомосексуальные мужчины стали объектом исследования в 1982 году с целью систематического наблюдения за естественной историей инфекции ВИЧ-1 (Fraser et al., 2007). Особое внимание в исследовании было уделено эпидемиологическим эффектам разницы в вирусной нагрузке у нелеченых пациентов в зависимости от длительности бессимптомного периода заболевания и степени контагиозности. Результаты исследования подтвердили, что по мере уменьшения вирулентности наблюдается определенный компромисс между этими двумя параметрами. Основываясь на результатах анализа, авторы предсказали, что вирусная нагрузка численностью 4,8 log10 копий вирусной РНК на 1 мл (приблизительно 30000) максимизирует репродуктивное число (R₀) вируса и оптимизирует эпидемическую передачу. На самом деле, средняя вирусная нагрузка в изучаемых когортах соответствовала этому числу: является ли это результатом адаптации вируса? Авторы быстро заметили, что хотя здравый смысл подсказывает, что в этом есть определенный биологический смысл, нет никаких прямых доказательств, что это не простое совпадение.

Тем не менее доказательства адаптации ВИЧ-1 к человеку все же начали появляться. В плодотворном исследовании почти 3000 пациентов, разбитых на когорты, на всех континентах, международная группа ученых занялась темой адаптации ВИЧ-1 к ограничениям HLA класса I (Kawashima et al., 2009). Я уже говорил о важности аллелей HLA класса I как ключевых игроков в иммунологическом подавлении ВИЧ-1 и главных двигателей отбора вариантов, способных избегать иммунного ответа. Есть определенный смысл в том, что одно из главных сражений в гонке вооружений между вирусом и хозяином разыгрывается на поле распознавания вирусных антигенов адаптивной иммунной системой. Из всех наиболее благоприятных аллелей HLA класса I для интенсивного изучения был выбран аллель HLA-B*51 из HLA-B; у индивидов, носителей этой аллели HLA, как правило, выбирают определенный вариант вирусного белка, способствующего избеганию иммунного ответа, а именно, I135X (в котором изолейцин заменен другой аминокислотой). Эта конкретная мутация обнаруживается исключительно в контексте аллели HLA-B*51 и не склонна к реверсии в организмах хозяев с иным гаплотипом HLA. Одна из когорт оказалась наиболее информативной; аллель HLA-B*51 с наибольшей частотой встречается у этнических японцев, у которых она присутствует у каждого пятого пациента. Более чем у половины этих больных был обнаружен вирус с мутацией избегания иммунного ответа; анализ всех когорт подтвердил статистически значимую корреляцию между встречаемостью HLA-B*51 и данной мутацией избегания. На уровне популяции адаптивная мутация возникала у больных с аллелью HLA-B*51. Ученые сравнили частоту обнаружения адаптивной мутации у негативных по HLA-B*51 японских гемофиликов, которые были инфицированы в 1983 году (до того, как начали осуществлять контроль препаратов крови на ВИЧ); только в 21 % случаев была обнаружена данная мутация вируса. Сравнительно недавно, между 1997 и 2000 годами, более 70 % HLA-B*51-негативных пациентов были заражены вирусом с данной мутацией. В начале эпидемии было полезно иметь аллель HLA-B*51, так как в этом случае болезнь прогрессировала медленнее. Сегодня эта аллель не имеет защитных свойств, потому что теперь преобладающий вирусный генотип обладает адаптивной мутацией.

Помня об этих наблюдениях и зная, что многие направляемые HLA мутации избегания иммунного ответа снижают приспособленность вирусов к хозяину, ученые решили разобраться, действительно ли такой тип адаптации вируса может привести к снижению вирулентности. Пэйн и его коллеги (2014) выбрали для исследования эпидемию в Южно-Африканской Республике и Ботсване, двух тяжело пораженных странах, в которых эпидемия ВИЧ-1 началась в разное время. Ученые рассудили, что если происходила адаптация вируса, то она будет наиболее очевидной именно в популяциях с такой высокой заболеваемостью. Результаты оказались поразительными; они показали, что ВИЧ-1 эволюционирует удивительно быстро в ответ на давление иммунной системы, производимое HLA класса I. Обнаружение известных мутаций избегания иммунного ответа при ВИЧ-инфекции на фоне двух эпидемий подтвердило, что вирус адаптировался: частота встречаемости адаптивных вариантов с мутациями избегания была значительно выше в Ботсване, где эпидемия свирепствовала дольше, чем в ЮАР. Хотя несколько наиболее благоприятных HLA-B-аллелей сохраняли защитные свойства в ЮАР, где обладание ими коррелировало со сниженной вирусной нагрузкой, они уже не обладали защитными свойствами в Ботсване. Тем не менее в этом мрачном результате есть и одно светлое пятно: системная оценка репликативной приспособленности вирусов, циркулирующих в настоящее время в популяциях Ботсваны и ЮАР, подтвердила, что направляемая HLA класса I эволюция эпидемического вируса сочетается со сниженной вирулентностью. Несмотря на то что пациенты из Ботсваны были часто инфицированы вирусами, обладавшими мутациями избегания иммунного ответа, определяемого аллелями HLA класса I, это явление компенсировалось снижением вирулентности циркулирующего вируса. Передача вирусов, среди которых преобладали варианты с мутациями избегания, сопровождалась циркуляцией вирусных штаммов с пониженной вирулентностью. Это сопровождалось более медленным прогрессированием болезни и меньшим поражением CD4-клеток.

Результаты этих исследований побудили Пэйна и его сотрудников задуматься о возможности с помощью антиретровирусной терапии ускорить адаптивную эволюцию эпидемических популяций ВИЧ-1 и снизить, таким образом, вирулентность вирусов. С 2010 года антиретровирусное лечение инфицированных начинали только тогда, когда количество CD4-клеток падало ниже критического уровня 350 клеток на 1 мм³. Таким образом, антиретровирусную терапию проводили только больным с далеко зашедшим заболеванием. Пэйн и его команда думали иначе: если отбор направляемых HLA адаптивных вирусных мутаций сочетается со сниженной вирулентностью, а следовательно, замедляет прогрессирование болезни, то со временем антиретровирусную терапию будут во все возрастающем числе назначать больным, инфицированным более вирулентными штаммами (а следовательно, менее адаптированными). Так как антиретровирусная терапия эффективно блокирует передачу вируса, то распространение более вирулентных штаммов, преобладающих в группах лечения, будет остановлено. С большей частотой будут распространяться вирусы с пониженной вирулентностью. То есть антивирусная терапия приведет к ослаблению эпидемического вируса. Слабая сторона этого аргумента заключается в предположении, что передача вируса больше на поздних стадиях заболевания, чем на ранних. Если бы большая часть передач вируса имела место на ранних стадиях инфекции, до начала антивирусной терапии всех инфицированных пациентов, то окно возможностей профилактики передачи осталось бы прежним. «Селективное преимущество» ослабленных вирусов заключается в открытии временного окна, в пределах которого вирулентная инфекция была подавлена антивирусной терапией, в то время как пациенты с иммунологически адаптированными (и ослабленными) вирусами оставались бы нелечеными и заразными. Недавние указания ВОЗ рекомендуют даже еще более раннее начало антивирусной терапии (когда количество CD4-клеток падает ниже 500 на 1 мм³). Стимулирует ли такое назначение антивирусной терапии более мощное ускорение адаптивной эволюции и потерю вирулентности? Возможно ли будет уменьшить среднюю вирусную нагрузку больных ниже 30000 копий на 1 мл, снизив R₀ и замедлив распространение эпидемии? Это очень соблазнительная мысль! Тем не менее имеющиеся данные говорят о том, что такие эффекты едва ли будут иметь место в североамериканской популяции в связи с ее генетической разнородностью и полиэтническим составом.

Черная Королева правит бал в коэволюции паразитов и хозяев. Это отношение реципрокное, но в наш момент в континууме времени наиболее очевидна и осязаема именно адаптивная эволюция паразитов. Давление отбора, действующее на коэволюционные изменения вируса и его хозяина, проявляется больше всего на самой ранней стадии поражения вида вирусом. Мы уже наблюдали эволюционные изменения генотипов ВИЧ-1 в некоторых регионах, пораженных его эпидемией. Более того, Пэйн показал, что всего за несколько десятилетий эпидемии в Ботсване эволюционная адаптация человеческой популяции привела к значительному ослаблению приспособленности вируса (Payne et al., 2014). Эти изменения стали очевидными на протяжении жизни одного человеческого поколения, а это всего лишь миг на шкале времени, необходимого для видимого проявления эволюционных изменений в человеческом организме на уровне популяций. Можно ожидать, что адаптивные эволюционные изменения у людей в ответ на давление отбора, вызванное ВИЧ-инфекцией, потребуют нескольких тысячелетий, чтобы стать очевидными на видовом уровне.

Гипотезы относительно адаптивных эволюционных изменений у человека перед лицом ВИЧ-1-инфекции являются искусственными построениями, сделанными в предположении, что сражение с пандемическим вирусом будет разыгрываться только в наших генах и генах вируса, – обычный бизнес, как у Черной Королевы. Хорошо установлено, что полиморфизм рецепторного белка CCR5, известный, как мутация CCR5A32, обнаруживается у 10 % представителей белой расы в США. Индивиды, гомозиготные по этой аллели, невосприимчивы к ВИЧ и не заболевают (Dean et al., 1996). У этих людей отсутствует способность синтезировать определенный белок клеточной поверхности, представляющий собой важный корецептор, который распознается и связывается ВИЧ для проникновения в клетку. Отсутствие белка не сказывается на состоянии здоровья редких носителей этой аномалии. Де факто это генетический признак, определяющий устойчивость в отношении ВИЧ. Возможно ли, что этот благотворный полиморфизм распространится в человеческой популяции и сделает нас нечувствительными к ВИЧ-1-инфекции? Представьте себе компьютерную модель человеческой популяции, в которой мужчины и женщины случайным образом скрещиваются друг с другом, а вся популяция находится под сильным селективным давлением ВИЧ-инфекции. Можно ожидать, что мутировавший ген устойчивости к инфекции будет постепенно, в форме полиморфизма распространяться в популяции, обеспечивая преимущество тем потомкам, которые будут иметь в генотипе две аллели устойчивости к ВИЧ. Выживание самых приспособленных приведет к преобладанию этих аллелей в нашей воображаемой популяции. Такой ход событий может в принципе привести к появлению вида, устойчивого к этому заболеванию. Конечно, на скорость, с какой это будет происходить, повлияют мириады факторов; устойчивые аллели будут распространяться быстрее, если индивиды, обладающие одним мутантным геном, будут иметь некоторое фенотипическое преимущество (действительно, гетерозиготность по CCR5A32 связывают с более медленным прогрессированием болезни). Возможно также, что аллель будет связана с каким-то непредвиденным отрицательным свойством, и в этом случае ее распространение замедлится (или вообще прекратится). В любом случае, как показывает эта компьютерная игра, по ходу выполнения программы скрещивания и естественного отбора перед лицом эпидемии ВИЧ население непременно сильно сократится. Существенная часть индивидов с диким генотипом, некогда бывших подавляющей частью населения, вымрет от болезни, прежде чем успеет воспроизвести себе подобных. Повышение частоты устойчивой аллели будет связано с появлением в популяции узкого бутылочного горлышка, прежде чем сможет возобладать более приспособленный генотип. Если вы обладаете хорошими знаниями в области популяционной генетики, то простите эту вульгаризацию науки. Я сознательно проигнорировал многие факторы, чтобы упростить аргументацию; одним из таких факторов является воздействие частотно-зависимого отбора на устойчивые аллели и определенность того, что вирус тоже будет эволюционировать. Тем не менее я думаю, что все читатели прекрасно поняли, что я имею в виду. Дело в том, что если вид адаптивно эволюционирует перед лицом вызова, брошенного его приспособленности, например перед лицом смертельного заболевания, то этой адаптивной эволюции будет предшествовать сильное сокращение численности популяции.

Сегодняшние методы изучения связей генома позволили выявить много «защитных» аллелей, циркулирующих в человеческой популяции, определяя разную чувствительность к прогрессированию ВИЧ-инфекции (Passaes et al., 2014; An, Winkler, 2010; O’Brien, Nelson, 2004). В принципе, в долгосрочной перспективе эти варианты полиморфизма, которые предоставляют их носителям конкурентное преимущество, начнут встречаться в популяции чаще. Возможно, мне стоит воспользоваться моментом и убедить вас в том, что Черная Королева оставила свой след в некоторых первобытных популяциях, которые столкнулись с зоонозным ВИО. Ученые из университета штата Иллинойс предположили, что так как в истоке пандемии ВИЧ несколько межвидовых инфекций вирусом иммунодефицита шимпанзе (и горилл), то исторически население Западной Африки, жившее в ареале обитания P.t. troglodytes, вероятно, неоднократно сталкивалось с ВИО задолго до пандемии двадцатого века (Zhao et al., 2012). Ученые принялись искать свидетельства в пользу того, что геномы современных жителей Африки могли сформироваться таким предыдущим опытом. Для исследования они выбрали пигмейское племя Бьяка, проживающее в Центрально-Африканской Республике, чьи общины изначально проживали в лесных районах, там же, где обитали шимпанзе. Частоту единичных нуклеотидных полиморфизмов в генотипе пигмеев сравнивали с частотой полиморфизмов в генотипах пигмейского племени Мбути, которые никогда не жили рядом с шимпанзе (а поэтому не подвергались риску заразиться их зоонозом). Результаты оказались поразительными и интригующими. Частота определенных аллелей генов, отвечающих за врожденный антивирусный ответ и иммунитет, была выше среди пигмейского населения, которое делило территорию своего проживания с ареалом шимпанзе. Были обнаружены свидетельства того, что имел место отбор вариантов, которые могли считаться защитными по отношению к зоонозной инфекции. Возможно, что за исторически длительный отрезок времени первоначальные зоонозные вирусы иммунодефицита вступили в гонку вооружений с первобытными человеческими сообществами.

Этот коэволюционный сценарий был основан на беспощадном дарвиновском выживании самых приспособленных. Это был механизм, посредством которого ретровирусы и их многие позвоночные хозяева установили долговременные отношения, механизм, определивший, как происходила «натурализация» ВИО в организмах новых хозяев – обезьян. Но эта натурализация не характеризует развитие отношений между зоонозным ВИО (ВИЧ) и его новым хозяином – человеком. Это просто неприемлемо с точки зрения человеческого общества: мы не имеем права ждать изменений нашего генотипа для того, чтобы разрешить кризис, вставший перед общественным здравоохранением.

Мы уже исследовали очень личностную гонку вооружений, происходящую между нашей иммунной системой и ВИЧ, гонку, которая побуждает вирус к отбору мутаций вирусного генома, позволяющих ему, по крайней мере временно, избегать нашего иммунного ответа. Этот аспект нашей нескончаемой гонки вооружений с ВИЧ сильно напоминает гонку, происходящую между другими позвоночными и их вирусами. Можно надеяться выявить эволюционные изменения вируса, которые претерпевают повторные быстрые репликативные циклы, в ходе которых происходят ошибки репликации, порождающие невероятное генетическое разнообразие. Тем не менее сегодня ВИЧ подвергается отчетливому давлению отбора, который влияет на успешность вирусных линий. Самое главное заключается в том, что наша осведомленность о заболевании, его воздействии на общество и понимание способов передачи позволили нам адаптивно изменить наше собственное поведение. Оповещение населения о факторах риска и практика безопасного секса суть несомненные адаптивные изменения в поведении, оказывающие непосредственное воздействие на основное репродуктивное число вируса, которое должно превышать единицу при продолжении эпидемии. Прерывание цепи передачи в результате упомянутых мер весьма эффективно, и в настоящее время трудно предвидеть, как это скажется на эволюционных изменениях вирусного генома, которые, возможно, смогут обойти воздвигнутый на его пути концептуальный барьер.

Вероятно, самым наглядным примером адаптивных изменений в человеческой популяции является одно из величайших достижений современной медицинской науки. В течение одного поколения общество ответило на эпидемию ВИЧ-инфекции созданием десятков противовирусных лекарств. Пожизненный прием комбинаций этих препаратов может остановить репликацию ВИЧ-1. Для того сегмента нашего общества, который получил доступ к этим лекарствам, диагноз ВИЧ-инфекции перестал быть окончательным смертным приговором. Успех этого предприятия иллюстрирует вершину достижений вида, борющегося с новой болезнью. Это был нелегкий путь, и вирус с некоторым успехом пытается противостоять лечению. В эскалации гонки вооружений вирус применяет все свои эволюционные навыки, которым человек противопоставляет научные идеи, изобретение и распространение новых антивирусных лекарств и их применение в эффективных сочетаниях. Самое чарующее, что я нахожу в этих лекарствах (простите меня, ибо они являются предметом моей непреходящей страсти), – это механизм их действия и то, что они подставляют под удар вируса. При введении пациенту этих лекарств они проникают во все клетки его организма. Вирусы, инфицирующие клетки больного, «видят» эти лекарства как интегральную часть взаимодействия вируса и хозяина; противовирусные лекарства можно считать расширениями этого взаимодействия или, выражаясь компьютерным языком, их интерфейса. Мы в буквальном смысле этого слова модифицировали внутреннюю среду клеток и обеспечили клетки хозяина способностью производить видоизмененный антивирусный ответ. Если вирус желает размножиться в клетке, в которой присутствует лекарство, он должен применить все свои способности к созданию собственного генетического разнообразия.

Как правило, противовирусные лекарства представляют собой низкомолекулярные органические соединения, которые избирательно распознают и связывают определенные вирусные белки, нарушая их функции и прерывая репликативный цикл вируса. Скорость репликации вирусных частиц в организме инфицированного индивида так велика, что существующее генетическое разнообразие вирусного квазивида получает возможность испробовать свои силы на всех позициях нуклеотидов генома. Дискретные молекулярные взаимодействия противовирусных лекарств с белками-мишенями порождают риск развития резистентности вирусов к лекарствам. Присутствие в клетке лекарства создает целенаправленное давление отбора, которое благоприятствует жизнеспособным, но слегка измененным генетическим вариантам в ходе их взаимодействия с лекарством. Эти так называемые резистентные мутации стали свидетельством продолжения генетической гонки вооружений, теперь уже между ВИЧ и расширенным интерфейсом клетки-хозяина, порожденным коллективной человеческой культурой. Действительно, вначале резистентность в отношении первых противовирусных лекарств развивалась быстро, вирус преодолевал созданный лекарством барьер и вырывался на оперативный простор, освободившись от пут. Однако человеческая изобретательность нанесла контрудар по резистентности вирусов, по большей части благодаря вкладу, сделанному доктором Дэвидом Хо и его коллегами в Центре исследования СПИДа имени Аарона Дайамонда. Эти ученые поняли, что если вводить больному комбинации антиретровирусных лекарств, то потребуются две независимые мутации, для того чтобы вирус приобрел устойчивость. Более того, существующее генетическое разнообразие вирусного квазивида у данного пациента может оказаться недостаточным для того, чтобы удержать в его составе вирус с двумя необходимыми мутациями и сохранить его в геноме. Типичный вирусный квазивид не сможет содержать резистентную мутацию и одновременно мутацию, которая позволила бы обойти интерфейс клетки-хозяина, модифицированный присутствием двух различных ингибиторных лекарственных молекул. В течение нескольких лет были разработаны новые лекарства, а в клиническую практику были внедрены комбинации из трех антиретровирусных препаратов, применение которых было названо высокоактивной антиретровирусной терапией.

Все больше и больше ВИЧ-инфицированных людей получают доступ к этим молекулярным инструментам, создающим в клетках-хозяевах негостеприимную обстановку для вирусов, и подавляют их репликацию. Человеческое общество успешно мобилизует свою коллективную культуру и разум для борьбы с опасной зоонозной инфекцией – ВИЧ. Адаптация человеческого вида к ВИЧ основана не на наследственных изменениях нашего генома и произошла поэтому в течение жизни всего одного поколения. Человеческое общество не нуждается в эволюционных изменениях для борьбы с вирусными зоонозами.

Повествование о пандемии ВИЧ-1-инфекции является убедительным и полезным примером вирусного зооноза с необратимыми глобальными последствиями для человечества. Более углубленное рассмотрение переменных, влияющих на исходы межвидовых вирусных инфекций, позволит нам лучше оценить риски возникновения вирусных зоонозов в будущем. Эти переменные включают генетику, экологию, поведение, и именно они определяют вероятность перескока вируса через межвидовой барьер. Мы будем рассуждать об этом, пользуясь понятиями средств и возможностей для вируса совершить это преступление – вызвать зоонозную инфекцию у человека. Сможет ли вирус успешно преодолеть межвидовой барьер и успешно внедрить устойчивую генетическую линию в клетки нового хозяина?

Возможность в приложении к зоонозу включает в себя экологические и поведенческие параметры. Межвидовая передача вируса от его естественного хозяина новому виду хозяев требует контакта с инфекционным материалом. Два вида могут занимать один ареал или два перекрывающихся ареала обитания. Кроме того, представители этих видов должны вести себя так, чтобы стала возможной передача инфекции. Здесь мы можем полагаться на наши знания о межвидовой передаче ВИО в Западной Африке и возникновении эпидемии СПИДа. Очевидно, что в конечном счете зоонозная линия вируса SIVcpz передавалась от приматов к приматам – от африканских низших обезьян шимпанзе (и гориллам), а потом и человеку. Каждая из этих межвидовых передач происходила в регионах, где перекрывались ареалы обитания соответствующих приматов. Филогенетически родственные виды часто занимают сходные экологические ниши и проявляют схожее поведение, а это фактор, создающий обстоятельства, в которых их пути пересекаются. Конфликты и хищничество, возникающие в отношениях разных видов приматов (например, шимпанзе охотятся на низших обезьян и поедают их), а также охота, разделка туш и питание мясом, характерные для человека, завершают картину возможностей межвидовой передачи зоонозного ВИО. Создаются все условия для появления нулевого хозяина. Поведенческие факторы тоже могут влиять на вероятность возникновения эпидемической цепи передачи вирусов новым хозяевам: доказательством служит возникновение пандемии ВИЧ-1-инфекции, порожденной социальным и экономическим подъемом во французских и бельгийских колониях в Африке.

Так же сложны и средства совершения зоонозного преступления; на него влияют генетические факторы хозяев и вируса. Вероятность надежного закрепления инфекции в организме нового хозяина повышается, если естественный хозяин и новый хозяин близки филогенетически. Белки клеточной поверхности, служащие рецепторами для вируса и позволяющие ему прикрепиться к клетке и проникнуть в нее, как правило, консервативны, а значит, проявляют структурную и функциональную схожесть. То же самое относится и к другим инфраструктурам клетки-хозяина, с которыми вынужден взаимодействовать вирус. Эти белки составляют операционную систему клетки. Чем больше сходства между операционными системами разных хозяев, тем более вероятно, что вирус сможет реплицироваться в организме нового хозяина. Конечно, это слишком широкое обобщение, требующее множества предпосылок, но разумно будет предсказать, что перескоки между видами, эволюционно далекими друг от друга, будут представлять значительные трудности для вируса. Для этого надо сопоставить исход инфицирования низших африканских обезьян Старого Света вирусом обезьяньего иммунодефицита и инфицирования человека ВИЧ-1. ВИО-инфекция, как правило, протекает у мартышек доброкачественно, в то время как ВИЧ вызывает у человека неизбежную смерть в подавляющем большинстве случаев заражения. Точно так же африканский обезьяний вирус вызывает тяжелый синдром приобретенного иммунодефицита у азиатских низших обезьян. Исходы заболеваний при этом разительно отличаются, несмотря на относительно близкое эволюционное и филогенетическое родство африканских и азиатских обезьян. Эта разница иллюстрирует наличие мощных видовых барьеров, которые вирусу приходится преодолевать для того, чтобы передаваться между разными видами родственных между собой приматов. Несмотря на то что клетки африканских и азиатских обезьян пользуются сходными операционными системами, коэволюционная адаптация вируса и его естественного хозяина создает несовпадения, которые значительно влияют на патогенез вирусной инфекции у нового хозяина.

Возможность зоонозного переноса легко доступна для вирусов, но средства закрепления в качестве эндемического паразита нового хозяина могут создать большие трудности при инфицировании нового хозяина. Есть ли этому доказательства? Невозможно количественно точно определить число неудач при межвидовой передаче вирусов. Доведя рассуждения до логической крайности, можно сказать, что это бессмысленное занятие: бактериофаги не поражают и в принципе не могут поражать эукариотические клетки; нет никаких данных за то, что нам могут угрожать зоонозы, возникшие в результате перескока вирусов от представителей одного царства к представителям другого. В одной недавно опубликованной статье ученые из Университета Орхуса в Дании описали растительный вирус, который способен инфицировать пчел и клещей (Francis, Nielsen, Kryger, 2013). Это замечательный пример межвидовой и даже межтаксонной передачи вируса, но некоторые специалисты указывают, что авторам не удалось доказать, что эти вирусы успешно реплицируются в клетках насекомых. Это действительно очень разреженная территория, и основания для успеха или неудачи чаще скрыты, нежели видны. Будет более плодотворным вернуться назад, к клинически очевидным зоонозным инфекциям с разными исходами для человека. Вирусы SIVcpz и SIVgor совершили по меньшей мере два зоонозных переноса (ВИЧ-1 М и N, и ВИЧ-1 P и О соответственно); SIVsmm дымчатого мангобея породил по меньшей мере восемь линий ВИЧ-2, каждая из которых возникла в результате самостоятельной отдельной межвидовой передачи. Сколько межвидовых инфекций лентивирусами приматов прошли незамеченными, потому что инфицирование нулевого реципиента не смогло закрепиться, или заболевание осталось нераспознанным и не передалось другим новым хозяевам? ВИЧ-1 группы М является источником глобальной пандемии СПИДа, а ВИЧ-2 групп А и В – единственными линиями, которые успешно распространяются среди людей, но остаются преимущественно болезнью Западной Африки. Эти разные зоонозные вирусные линии с разной успешностью адаптировались к людям. Природа квазивидов РНК-содержащих вирусов требует, чтобы каждая межвидовая передача происходила с участием генетически отличного вируса-основателя (или ограниченной популяции вирусов-основателей). Как следствие, не все варианты вируса, проникшие в организм нового хозяина, будут иметь одинаковый адаптивный, а следовательно, и эпидемический потенциал.

В Соединенных Штатах каждый год публикуются сообщения о нескольких случаях инфицирования людей вирусами свиного гриппа (обычно сельскохозяйственных рабочих). Работники свиноводческих хозяйств и птицефабрик подвержены высокому риску заражения зоонозными вирусами свиного и птичьего гриппа. В недавно проведенном обследовании сельского населения восточного Китая антитела, направленные против вируса свиного гриппа, были обнаружены более чем у 10 % обследованных, что говорит о сравнительно высокой частоте зоонозной передачи вирусов (Yin, Yin, Rao, Xie, Zhang, Qi et al., 2014). С другой стороны, дальнейшая передача инфекции от человека к человеку и риск возникновения пандемии гриппа возникают исключительно редко. Малая, но тупиковая эпидемия свиного гриппа (вероятно, родственного испанке 1918 года) возникла в Форт-Диксе (штат Нью-Джерси) в 1976 году среди армейских новобранцев. Вирус убил одного человека и инфицировал еще 230, но затем исчез и больше никогда не появлялся (Kilbourne, 2006). Эти примеры, будь то связанные с зоонозными переносами лентивирусов приматов или вирусов свиного гриппа, служат наглядной иллюстрацией массы возможностей для возникновения зоонозов. Однако даже если происходит успешная межвидовая передача вируса, вызывающая заболевание у нового хозяина, то существует целый спектр возможных исходов. Случайность служит весьма важным фактором (она всегда играет определенную роль, особенно в связи с тем, что такая передача является относительно редким событием в сравнении с заражениями естественных хозяев). Тем не менее вариабельность по большей части определяется генетикой: генетикой появившегося вируса-основателя, генетикой организмов новых хозяев и, главное, генетикой индивидуального нулевого хозяина. Некоторые вирусы, инфицирующие новых хозяев, обладают особым вариантным генотипом, который позволяет закрепить инфицирование и адаптироваться к новому хозяину, – эти вирусы, в отличие от других, обладают средствами достижения успеха.

Откуда придет к нам новая пандемия? Самым вероятным кандидатом на роль возбудителя является какой-нибудь вирус. Из шести классов патогенов, вызывающих болезни у человека (бактерии, грибы, простейшие, гельминты, вирусы и прионы), вирусы составляют неоспоримое большинство среди недавно идентифицированных новых патогенов (Jones et al., 2008). В последние несколько десятилетий и в первые годы двадцать первого века число портретов вирусов в этой галерее преступников растет с устрашающей быстротой. ВИЧ-1 и гепатит С всплыли на поверхность в двадцатом веке и вызвали пандемии; хантавирус легочного синдрома появился в США и продолжает вызывать отдельные изолированные вспышки заболевания; лихорадки Эбола, Марбург и Ласса продолжают бушевать в африканских джунглях. Совсем недавно у человека была диагностирована атипичная вирусная пневмония. Эпидемия тяжелого атипичного респираторного синдрома в 2003 году едва не достигла масштабов пандемии, но была остановлена энергичными профилактическими мерами. Сегодня ближневосточный респираторный синдром тлеет на Аравийском полуострове, но вспышку этого вирусного заболевания наблюдали уже в Южной Корее. Трансмиссивные арбовирусы, такие как западно-нильский вирус и вирус чикунгунья, проникли в Северную Америку, а лихорадка долины Рифт вылилась в крупную эпидемию. Недавно открытые парамиксовирусы Нипах и Хендра угрожают жизни людей, убивая половину инфицированных. Этот список продолжает пополняться.

Некоторые из этих вирусов являются новооткрытыми генетическими единицами, другие – знакомыми вирусами, претерпевшими эволюционные изменения и ставшими более трансмиссивными, а иногда и более вирулентными. Некоторые в высшей степени контагиозны и представляют реальную угрозу здоровью мира, в то время как другие (по крайней мере, в своих современных инкарнациях) большой опасности не представляют. Тем не менее тревожная регулярность, с какой все новые и новые болезни угрожают человечеству, служит напоминанием о том, насколько ограниченными являются наши знания о разнообразии вирусов, способных поражать человека. Почти ежедневно СМИ рисуют мрачную картину; например, в марте 2014 года журнал «Science» вышел с заголовком: «Новый китайский вирус-убийца?». Речь в статье шла об одной публикации в Китае (Wu et al., 2014). После смерти двух шахтеров, работавших в заброшенной медной шахте в провинции Юннань, ученые решили найти убившую их инфекцию. Был обнаружен новый парамиксовирус, родственный вирусу Хендра, известному зоонозному вирусу человека. Новый вирус в природе инфицирует летучих мышей и грызунов, обитающих в пещерах. Это ли был источник таинственной болезни? Кажется, куда ни кинь взгляд, всюду найдешь кандидатов на роль вирусных патогенов. Сколько существует невыявленных вирусов, сколько зоонозных заболеваний остаются недиагностированными и незамеченными?

Мы живем в эпоху невиданных ранее глобальных изменений. Население всех континентов растет, занимая территории, бывшие ранее ареалами обитания лишь диких животных. Крупные мегаполисы, вобравшие в себя людей со всего мира, связаны друг с другом авиалиниями. Все мы находимся друг от друга на расстоянии менее чем однодневного пути. Промышленное разведение сельскохозяйственных животных, птиц и рыб усиливает потенциал возникновения и сохранения эпидемических вирусов, создавая возможность для межвидовой передачи этих вирусов от животных нам с вами. Это напоминает ситуацию, когда на заре цивилизации были созданы условия передачи вируса кори от крупного рогатого скота людям, но теперь такие события происходят в куда более впечатляющем масштабе. К настоящему времени только одна вирусная инфекция – натуральная оспа – была успешно искоренена с помощью поголовной вакцинации, и это стало величайшим достижением медицины. Несмотря на наличие эффективных вакцин, многие другие вирусы до сих пор процветают, сохраняясь среди людей, живущих в глухих изолятах, где невозможна поголовная вакцинация (примерами являются вирусы кори и полиомиелита). Для некоторых вирусных инфекций не существует ни вакцин, ни лекарств, и многие такие вирусы беспрепятственно распространяются по всему миру. Переносимые комарами вирусы проложили себе путь в Северную Америку: в 2012 году Центры по контролю заболеваемости сообщили о 2000 случаев чикунгунья в США, пустяковое число в сравнении с 2 миллионами случаев в Южной Америке, но это тем не менее тревожная тенденция. Вирус Денге, а недавно и вирус Зика тоже укрепились в США, а западно-нильский вирус стал эндемичным. Каждый из этих вирусов воспользовался климатическими изменениями и маршрутами миграции насекомых для того, чтобы вторгнуться в нетронутые человеческие популяции, готовые к распространению эпидемий.

Я проявлю недобросовестность, если не упомяну и о других изменениях, которые имеют место в нашем мире, если не скажу о нашей способности быстро распознавать и диагностировать возникающие инфекции. Мы не можем сбросить со счетов тот факт, что многие из таких вирусных инфекций в прошлом протекали просто незамеченными. Тем не менее накапливающиеся данные свидетельствуют, что вирусная угроза на самом деле нарастает, спровоцированная глобальными социальными и климатическими изменениями. Никогда прежде не были возможности вирусов так велики. Но что можно сказать о средствах?

Беглый обзор зоонозных вирусных инфекций сразу показывает, что РНК-содержащие вирусы вызывают подавляющую часть всех зоонозов; эти вирусы обладают невероятной эволюционной подвижностью. Склонная к ошибкам репликация геномов требует, чтобы эти вирусы существовали в форме квазивидов, облаков генотипических вариантов, которые плотно занимают генетическое пространство, ассоциированное с оптимальной приспособленностью. Средства зооноза двоякого рода и отличаются фундаментальностью; вирус должен обладать способностью достичь клетки нового хозяина. Для того чтобы это стало возможным, на клетке-хозяине должен присутствовать работающий рецептор. Вирус должен, помимо этого, обладать способностью к адекватной репликации внутри клетки-хозяина для того, чтобы иметь возможность распространяться на новых хозяев. В некоторых случаях простых генетических изменений оказывается достаточно для того, чтобы посеять инфекцию в популяции новых хозяев, но в других случаях необходимые генетические изменения могут быть сложными и таинственными. Вероятность преодоления этих препятствий, очевидно, выше, когда эволюционный водораздел между естественным и новым хозяином узок. Тем не менее каждый вирус проходит существенную коэволюцию с естественным хозяином, что создает высокий межвидовой барьер, который вирусу предстоит преодолеть. Мощное давление положительного отбора на индивидов, переживающих вирусную инфекцию, приводит к высокоспециализированным адаптивным генетическим изменениям в геноме хозяина, что быстро делает высокоспециализированными и отношения вируса и хозяина. Эта коадаптация хозяина не распространяется на близкородственные виды, которые не имели контакта с вирусом. Сам вирус тоже претерпевает реципрокный отбор генетических вариантов, специфически адаптивных для существования в организме естественного хозяина. Эти изменения могут быть не адаптивными для существования в других хозяевах, даже если они принадлежат к видам, филогенетически родственным виду естественного хозяина. Коэволюция сосуществования вируса и его естественного хозяина укрепляет надежность «союза», и перескок от одного вида в другой становится нетривиальным событием. Человечество должно быть благодарным судьбе за это свойство вирусов.

Выше (глава 7) я подчеркивал, что вирусы, в частности РНК-содержащие вирусы, обладают средствами ускоренной эволюции, но не имеют гибкости, которая позволила бы им беспрепятственно пользоваться этой быстротой. Это уместно повторить и в обсуждении межвидовых инфекций. Устойчивость вирусных генетических линий и их способность к адаптации посредством генетических вариаций поистине восхитительны и в случае РНК-содержащих вирусов коренятся в высокой частоте мутаций, что позволяет исчерпывающе пользоваться всем доступным генетическим пространством. Только таким путем может вирус натолкнуться на правильный генетический вариант, чтобы противостоять противовирусной защите хозяина и оптимизировать собственную приспособленность к нему. РНК-содержащие вирусы эволюционируют в условиях жестких генетических ограничений главным образом из-за того, что их геномы ограничены в размерах низкой надежностью репликационного механизма, и поэтому они вынуждены кодировать большую часть своих функций всего лишь в нескольких вирусных белках и последовательностях РНК.

Установлено, что в репликации ВИЧ-1 в организме человека участвуют несколько сотен клеточных генов (Bushman et al., 2009). Если принять во внимание, что всего пятнадцать кодируемых вирусом белков должны управлять их активностью, то сразу становятся очевидными сложность функциональных сетей и неизбежная многовалентность функций вирусного белка. Для того чтобы сделать ситуацию вируса еще более трудной, его генотипу угрожают механизмы врожденного и адаптивного иммунного ответа. В нашем геноме около 1000 генов отвечают за иммунную защиту (Lander et al., 2001), а так как наши геномы диплоидны, то многие из этих генов присутствуют во множественных аллельных формах в двойных копиях хромосом. Простое генетическое изменение вируса может быть адаптивным для одной функции, но часто оказывается вредным для другой. Мутация при работе вирусной полимеразы, меняющая иммуногенный эпитоп на эпитоп, не распознаваемый цитотоксическими Т-клетками хозяина, предоставляет вирусу преимущество в избегании иммунного ответа. Но та же мутация может привести к негативным последствиям для эффективности репликации вируса; мутация, приводящая к избеганию в одном плече иммунного ответа, может сделать вирус чувствительным к антивирусному действию альтернативной защитной клеточной системы. Адаптивная мутация, таким образом, часто «грабит Петра, чтобы заплатить Павлу». Успешно выживать могут только те вирусы, которые находят способ обходить это препятствие с минимальными потерями. В частности, у минималистских геномов РНК-содержащих вирусов пространство мутаций, которые вирус может «перепробовать», значительно ограничено, и, по необходимости, это часто приводит к снижению вирулентности.

Прежде чем мы разберемся в том, как эти вызовы проявляются в ситуациях межвидовой передачи и зооноза, я хочу изложить концептуальную модель, которая помогает мне наглядно представлять относительную приспособленность вирусных (а на самом деле любых) генотипов, существующих в определенной среде – среде обитания, к которой вирус должен адаптироваться. В нашем случае окружающей средой будет какой-то конкретный биологический вид-хозяин или даже какой-то генетический вариант этого вида. Я предлагаю упрощенный способ концептуализации генетического пространства Эйгена, которое он описал в форме многомерных облаков газа, сконцентрированных вокруг некоторой, наиболее благоприятной области. Мы же представим себе приспособленность вирусов в виде ландшафта, на котором видны горы и долины. Эта трехмерная рельефная карта напоминает сделанные из папье-маше музейные модели, демонстрирующие в миниатюре географические и геологические страты. Каждое местоположение и его высота на модели представляют определенный генотип и его тем или иным образом приспособленный фенотип, выраженный в форме основного репродуктивного числа (R₀). Чем более приспособленным является генотип, тем больше значение R₀ и тем более успешен генотип. Наиболее приспособленные генотипы будут занимать возвышенные места, а в долинах будут находиться наименее приспособленные генотипы. Мы можем теперь представить себе контуры линий, соединяющих генотипы с одинаковой приспособленностью. Для большей простоты и наглядности я залью нашу модель водой до уровня R₀= 1. Тогда вирусы со значением репродуктивного числа, меньшим единицы, оказавшиеся под водой, не смогут поддерживать цепь передачи, а генотипы со значением, большим единицы, смогут это делать беспрепятственно. Теперь у нас получился ландшафт с горами и озерами; у некоторых гор будут крутые склоны, окруженные водой, а у некоторых вершин мы увидим перевалы, позволяющие попасть с одной горы на другую. Если представить себе каждую точку на этом ландшафте как приспособленность некоего определенного генотипа, отделенного от своих ближайших соседей единичной мутацией, то можно одновременно наглядно представить себе, как ландшафт определяет мутационную гибкость вируса и пути приспособления, которыми данный вирус может перемещаться в данном ландшафте. Ландшафт может быть представлен пологими холмами и мелкими долинами, а может и глубокими ущельями, и крутыми скалистыми утесами, и пиками. В первом случае разница между адаптивностью разных, расположенных по соседству вирусов может быть весьма скромной, а во втором случае крутизна склонов представляет резкие градиенты адаптивности, когда дискретные мутационные изменения разительно влияют на приспособляемость. Генотипы, расположенные ниже уровня воды, окажутся нежизнеспособными. Адаптивные мутации позволяют генотипу подняться вверх по склону и занять более возвышенное положение, но иногда, чтобы совершить это восхождение, генотип сначала должен спуститься в ущелье. Пройти под водой вирусный генотип не может ни при каких обстоятельствах.

Модель наглядно показывает, что в данных условиях окружающей среды могут быть жизнеспособными разные генотипы, но вирус может быть ограничен в своих возможностях находить путь к вышележащим местам. На самом деле ландшафт приспособленности очень груб и представлен крутыми утесами, допускающими очень небольшое число жизнеспособных мутаций, не сопровождающихся полной или частичной утратой приспособленности. В результате большинство вирусов, то есть большая часть их геномов, подчиняется диктату очищающего отбора. Это в особенности относится к вирусам, которые хорошо приспособились к своим хозяевам (вспомним в этой связи вирус птичьего гриппа). Большинство мутационных изменений, влияющих на аминокислотные последовательности в белках, являются вредоносными и заставляют генотипы спускаться с гор в долины. Учитывая сложности, связанные с тем, что геном РНК-содержащего вируса вынужден кодировать генетическую информацию в сложных условиях ее высокой компактности, можно легко представить себе, что даже синонимические мутации могут оказаться гибельными для генотипа. Таким образом, пространство мутаций, которые генотип может испытывать в консервной банке своего окружения, относительно мало, а пики приспособленности имеют весьма крутые склоны. Важно подчеркнуть, что при экспериментальном определении частоты мутаций в геномах РНК-содержащих вирусов получают числа между 1 × 10^–3 – 1 × 10^–4 на сайт за одно поколение, но частота нуклеотидных замен намного ниже. Нуклеотидные последовательности в геномах РНК-содержащих вирусов достаточно устойчивы в его последовательных поколениях. Квазивид вируса, образующийся во время репликации вируса в клетке-хозяине, по самой своей природе является отражением разнообразия мутационных изменений. Как следствие, он обладает большей генетической вариабельностью (и спектром приспособленности), чем та, которая может пройти сквозь сито очищающего отбора.

Теперь давайте воспользуемся этой концепцией для того, чтобы взглянуть на меняющийся ландшафт, представляющий вариабельную окружающую среду, в частности, когда вирус покидает своего естественного хозяина и инфицирует представителей иного биологического вида. Здесь нам придется наложить на наш первый ландшафт, представляющий приспособленность вирусных генотипов к естественному хозяину, ландшафт нового хозяина. Этот новый ландшафт может оказаться совсем иным; точки с определенными координатами, располагавшиеся на вершинах гор (представляя идеально приспособленные генотипы) в одном ландшафте, могут оказаться в долинах (то есть быть менее приспособленными) или вообще под водой (то есть оказаться нежизнеспособными) в другом ландшафте. Картина может стать и противоположной: генотипы, нежизнеспособные в первом ландшафте (и, стало быть, недоступные), могут оказаться приспособленными в другом ландшафте. Вирус, попадающий в клетку нового хозяина, оказывается, как правило, в новом и враждебном окружении. Его код был приспособлен к другой операционной системе; он может оказаться более восприимчивым к иммунным ответам нового хозяина и не сможет эффективно воспользоваться уникальной сетью клеточных кофакторов, в которых нуждается. Вирусу необходимо быстро эволюционировать, чтобы выбраться на возвышенности нового ландшафта и обеспечить большую приспособленность генотипу. Это жизненно важно для создания и укрепления цепи передачи. В противном случае это будет непродуктивная или тупиковая инфекция. Большинство межвидовых передач приводят именно к такому результату; адаптивный путь к R₀>1 оказывается слишком извилистым или подавляется свойствами ландшафта. Генотип не может пересечь местность с помощью мутировавших промежуточных генотипов, имеющих адекватную приспособленность, и не способен, следовательно, осуществить репликацию, достаточную для передачи новым хозяевам. Такой вирус обречен на прозябание в низине или на исчезновение в клетке нового хозяина.

В то время как топография ландшафта приспособленности для двух близкородственных видов хозяев может оказаться весьма сходной, она же может разительно отличаться у представителей не столь близкородственных видов. Расположение адаптивных пиков может оказаться совершенно иным и потребовать генетических изменений, которые не могут быть успешно осуществлены без прохождения через подводные участки отсутствия жизнеспособности. Таким образом, совершенно очевидно, что если вирус инфицирует новый (но филогенетически близкородственный) вид, то он обладает более высокой вероятностью попасть на возвышенность путем сравнительно простых мутаций и избежать низин ослабленной жизнеспособности.

Сходные виды обитают в сходных географических поясах и часто близкородственны друг другу. Эти виды могут быть результатом видообразования без географического разделения образовавшихся видов-потомков. Накапливаются данные о том, что межвидовые перескоки РНК-содержащих вирусов, особенно между близкородственными, имеющими происхождение от общего предка, видами, с легкостью не раз происходили на протяжении эволюционной истории. Была выдвинута теория (Charleston, Robertson, 2002; Bohlman et al., 2002), согласно которой межвидовые передачи могли играть значимую роль в образовании того, что мы называем разными «видами» вирусов, существующих сегодня в клетках хозяев разных биологических видов. Филогенетическая конгруэнтность многих РНК-содержащих вирусов с их хозяевами позволяет с большой уверенностью предполагать важную роль совместной дивергенции и совместного видообразования, как в случае эволюции вирусов герпеса (Holmes, Zhang, 2015; Woo et al., 2012). Чарлз Рупрехт и его коллеги опубликовали замечательную работу об эволюции вируса бешенства в организмах летучих мышей. Этот вирус, которым часто и незаслуженно пренебрегают, является неразборчивым зоонозным вирусом и одновременно одним из смертельно опасных вирусов, поражающих человека. Вирус бешенства инфицирует человека случайно в результате укусов пораженных домашних животных или летучих мышей (редко). Хотя бешенство не передается от зараженного человека другим людям, это тем не менее смертельное заболевание. Рупрехт и его сотрудники наблюдали 372 вируса бешенства у двадцати трех видов летучих мышей, обитающих в дикой природе Северной Америки, и обнаружили восемнадцать различных линий вирусов летучих мышей (Streicker et al., 2010). Авторы смогли реконструировать филогенез этих вирусных линий и соотнести их с филогенезом соответствующих видов-хозяев летучих мышей. Выяснилось, что в эволюционной истории имели место частые межвидовые передачи и возникновение отдельных вирусных линий. Для этого процесса необходима возможность, обеспечиваемая перекрыванием ареалов обитания хозяев, а также определяемая степенью филогенетического родства между ними. Межвидовые передачи оказывались успешными чаще, когда два вида летучих мышей были филогенетически наиболее родственными между собой. Очевидно, что такое близкое эволюционное родство воздвигает меньше барьеров на пути инфицирования новым вирусом бешенства, нежели при более отдаленном родстве.

Другие вирусы совершали такие перескоки неоднократно. Эти вирусы предоставляют ученым уникальную возможность идентифицировать свои отпечатки на пути адаптивных изменений. В нескольких случаях были сделаны поразительные наблюдения. Сравнение генетических изменений, происходящих при независимых межвидовых передачах, позволило выявить идентичные адаптивные изменения во всех линиях. Можно с достаточным основанием предположить, что эволюционная адаптация к новым видам неизбежно во всех случаях требует мутаций, а естественный отбор благоприятствует лишь определенному мутантному геному. Этим определяются ограничения, с которыми сталкиваются вирусы в ходе успешной адаптации к новому хозяину, и подчеркивается их изобретательность в нахождении иголок в стоге сена. Самые известные примеры такого рода – это межвидовая передача вирусов SIVcpz и SIVgor людям. Ученые достоверно обнаружили следы четырех независимых случаев передачи вирусов от шимпанзе или горилл людям, и в каждом случае реконструировали геномные последовательности вирусов до перескока и после него. В каждом случае возникающая линия ВИЧ-1 содержала одно мутационное изменение в матриксном вирусном белке, когда в положении 30 остаток аминокислоты метионина замещался остатком аргинина (Sharp, Hahn, 2010). Очень показательно, что, когда ученые ввели этот измененный вирус в организм шимпанзе, произошла обратная мутация, в ходе которой место аргинина снова занял метионин. Более того, если в обезьяньем вирусе искусственно вызывали мутацию, характерную для человеческого варианта, то он лучше рос в культурах человеческих клеток. Это две весьма убедительных демонстрации того, что это было реально адаптивное изменение, отобранное в ходе возникновения зооноза. Мало того, это убедительное подтверждение того мнения, что направление мутационных путей к адаптации сильно ограничено и может свестись всего лишь к одному возможному варианту. Успешная адаптация требует, чтобы вирус прошел по узкой дорожке через ограниченную территорию критически важных генетических изменений, чтобы осуществить удачную межвидовую передачу.

Можно задать следующий вопрос: обладал ли SIVcpz-вирус, поразивший первобытного охотника, когда он разделывал тушку убитой им больной обезьяны, указанной адаптивной мутацией, или она возникла уже после того, как вирус попал в организм этого охотника? Ответить на этот вопрос пока невозможно.

Циркулирующие в наши дни РНК-содержащие вирусы являются – почти определенно – потомками древних паразитических репликаторов, которые, как считают многие ученые, возникли и развились в эру до появления ДНК. Необычайно разнообразные РНК-содержащие вирусы инфицируют бактерий, простейших и эукариот. РНК-содержащие вирусы отличаются разнообразием способов существования, но с наибольшим успехом освоили эукариотические клетки, где они составляют самую разнообразную субпопуляцию эукариотического вирома. Геномы РНК-содержащих вирусов могут обладать отрицательной полярностью, положительной полярностью или двухцепочечными молекулами РНК; некоторые упакованы в наружный икосаэдрический капсид, другие существуют в форме одетых в оболочки вирионов, но все обладают геномом относительно небольшого размера (самый большой насчитывает около 30 тысяч оснований в длину). У этих вирусов ограничена сложность генома, потому что склонная к ошибкам природа их стратегии репликации РНК накопила бы их слишком много в геноме большего размера, что привело бы к «вымиранию» вируса. Отличие их от вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК, велико; эти последние используют свой, записанный на ДНК генетический материал для создания в высшей степени сложных геномов (как мы уже видели, многие из них превышают в длину 2 миллиона оснований). Единственное свойство объединяет все РНК-содержащие вирусы – обладание РНК-зависимой РНК-полимеразой. Секвенирование аминокислотных последовательностей этих ферментов и сравнение их пространственной структуры доказали их единое филогенетическое происхождение. Раз созданный, этот фермент породил РНК-содержащие вирусы, а ген, кодирующий его, стал единственным прототипом, от которого произошли все последующие репликазы РНК-содержащих вирусов (Koonin, Dolja, Krupovic, 2015b). Из этого прототипа образовались и обратные транскриптазы. При этом нельзя сказать, что РНК-содержащие вирусы могут быть просто размещены на расходящихся ветвях эволюционного дерева; это не так. Так же как ДНК-содержащие вирусы, такие как крупные ядерно-цитоплазматические ДНК-содержащие вирусы и вирусы герпеса, которые возникли много позже, РНК-содержащие вирусы возникли, скорее, из переплетения ветвей эволюционного дерева. В то время как простое филогенетическое дерево иллюстрирует вертикальную наследственность в ходе эволюции, ветвящаяся сеть вскрывает существенную роль множественных горизонтальных обменов генетическим материалом, которые имели место между штаммами вирусов и между вирусами и их хозяевами. Невзирая на ограничение по размеру, с которым сталкиваются РНК-содержащие вирусы, представляется разумным предположение о том, что своим эволюционным успехом они обязаны склонному к ошибкам копированию нуклеотидных последовательностей и эволюционной приспособляемости, которая идет рука об руку с постоянным созданием генетических вариантов.

Вирусы герпеса служат примером вирусов, произошедших из ДНК-содержащих бактериофагов, когда появились эукариоты, и в конце концов сформировали долговременные отношения со своими новыми хозяевами – беспозвоночными и позвоночными. Их филогенез конгруэнтен с филогенезом их хозяев по ходу совместной дивергенции с ними, совместного видообразования, что и позволило установить гармоничное и взаимоприемлемое сосуществование. Наше обсуждение межвидовой передачи вирусов и зоонозных инфекций привело к установлению того факта, что с точки зрения биологической и генетической целесообразности межвидовая передача вирусов бывает наиболее успешной в тех случаях, когда она происходит между генетически близкородственными видами хозяев. Теперь я соглашусь с тем, что все это имеет «биологический смысл», потому что после того, как устанавливаются долговременные отношения между вирусом и хозяином, совместная дивергенция вируса и его нового «естественного» хозяина является наиболее вероятным исходом в ходе эволюции и видообразования. Все это так, если отношения не нарушаются вследствие изменения в окружающей среде. РНК-содержащие вирусы зарекомендовали себя в качестве вирусов, которые наиболее успешно перескакивают от одних видов хозяев к другим. РНК-содержащие вирусы наиболее часто бывают причиной зоонозных инфекций; действительно, в нашем обсуждении очень часто упоминались такие возбудители заболеваний, как вирус кори, вирус тяжелого острого респираторного синдрома и ВИЧ-1. В каждом случае перемещение предкового гена из клеток естественного хозяина облегчалось изменениями в окружающей среде, будь то одомашнивание диких животных, попадание вирусов в скученное население крупных городов или изменение социальных условий. Эти изменения давали вирусам возможность освоить новую экологическую нишу – нового хозяина. Независимо от эволюционной подвижности РНК-содержащих вирусов, которая придает им уникальную способность к межвидовой передаче и к созданию иного вида вируса в организмах новых хозяев, исходный штамм остается неизменным в организме первого хозяина. Для обеих линий вируса это разумное решение, так как если их существующий хозяин претерпит событие видообразования, то с высокой вероятностью вирус тоже эволюционирует в новый вид вместе с соответствующим хозяином. Это может показаться эволюционным путем наименьшего сопротивления; этот путь отличается кратчайшим расстоянием до ландшафта оптимальной приспособленности.

Итак, несмотря на эмпирические свидетельства того, что РНК-содержащие вирусы склонны к видообразованию при межвидовой передаче, если мое утверждение верно, то должно быть много данных о том, что РНК-содержащие вирусы дивергируют совместно со своими естественными хозяевами, и этот путь является в эволюции преобладающим. В самом деле, похоже, что так оно и есть; специалисты по эволюционной вирусологии накопили множество примеров замечательной конгруэнтности между РНК-содержащими вирусами и генетическими линиями их хозяев. Поразительным примером такого рода служит хантавирус Нового Света из семейства коронавирусов; в случае хантавируса детальное рассмотрение филогенетического дерева его видов и их многочисленных хозяев (грызунов и летучих мышей) подтверждает существенную роль совместной дивергенции вирусов и хозяев в их филогенетических историях. В случае коронавирусов, которые к настоящему времени обнаруживаются в организмах многих птиц и млекопитающих и вызывают тяжелые зоонозные инфекции у человека (тяжелый острый респираторный синдром и ближневосточный респираторный синдром), тоже существуют достоверные указания на то, что их естественными хозяевами являются многие виды птиц и летучих мышей. Коронавирусы и их хозяева делят между собой глубокие эволюционные корни, насчитывающие много миллионов лет, а видовое распределение несет на себе отпечаток совместной дивергенции и эволюции линий вирусов и хозяев (Wertheim et al., 2013). В полном соответствии с эволюционными способностями этих вирусов получено также много данных о множественных межвидовых передачах, в результате которых возникли современные вирусные линии в своих соответствующих хозяевах (Guo et al., 2013; Holmes, Zhang, 2015). Межвидовые перескоки лучше всего удаются между филогенетически близкими симпатрическими видами, и можно ожидать высокой вероятности таких передач между многочисленными сосуществующими видами грызунов, летучих мышей или птиц, которые часто демонстрируют сходное поведение и занимают тесно примыкающие друг к другу или перекрывающиеся экологические ниши. Таковы условия, которые обеспечивают средства и возможности для межвидовой передачи вирусов, о которых шла речь в предыдущих разделах этой главы.

Представляется в связи с этим что, так же как и в случае ДНК-содержащих вирусов, совместная дивергенция и совместная эволюция играла значимую роль в эволюции РНК-содержащих вирусов. ДНК-содержащие вирусы создают дальнейшие возможности для эволюции с помощью горизонтального переноса генетической информации и приобретения новых генных функций благодаря в высшей степени гибким большим геномам. РНК-содержащие вирусы не могут позволить себе роскошь расширения своих геномов, но зато с пользой для себя эксплуатируют свою характеристическую генетическую нестабильность. Эта способность позволяет перескакивать от одних хозяев к другим, наиболее часто между хозяевами, филогенетически близкими друг другу, и поэтому такие перескоки являются важным фактором эволюции РНК-содержащих вирусов и создания их новых видов.

Принятая на сегодняшний день модель эволюции РНК-содержащих вирусов признает роль совместной филогенетической дивергенции и роль межвидовых перескоков в относительно недавнем (по меркам эволюции) возникновении некоторых видов РНК-содержащих вирусов. Тем не менее естественно считать, что так же, как в случае ДНК-содержащих вирусов, РНК-содержащие вирусы имеют очень и очень древние корни. В конце концов, в науке сейчас преобладает мнение о том, что жизнь зародилась как царство существ, содержащих РНК. Здесь, однако, возникла неувязка: учитывая то, что вирусологи знали о скорости эволюционных изменений РНК-содержащих вирусов, о которой можно судить по частоте нуклеотидных замен, они (вирусологи) попытались оценить возраст циркулирующих в настоящее время семейств РНК-содержащих вирусов. Получился парадокс: ни одно из семейств РНК-содержащих вирусов не может быть старше 50 тысяч лет. Если это так, то получается, что РНК-содержащие вирусы моложе человека разумного (Holmes, 2003).

Оценка скорости эволюции вирусов по молекулярным часам основана на частоте нуклеотидных замен, происходящих в вирусных геномах с течением времени. На эти оценки влияет множество факторов. Частота нуклеотидных замен в двухцепочечных ДНК-содержащих вирусах, таких как вирусы герпеса, достаточно низка – 3 × 10^–9 замен на один сайт в год, в то время как в геноме РНК-содержащего вируса гриппа человека мутации такого рода происходят с частотой 4 × 10^–3 на один сайт в год, то есть таких мутаций происходит на шесть порядков больше. Такая скорость не является атипичной для РНК-содержащих вирусов, но они могут мутировать и быстрее, и медленнее, в зависимости от условий. Вирус птичьего гриппа, попадая в организм нетронутых птиц, оказывается в состоянии относительного эволюционного стаза и характеризуется очень низкой частотой несинонимических мутаций. Напротив, эпидемический вирус А человеческого гриппа претерпевает намного более частые изменения, и несинонимические мутации накапливаются в нем с большей скоростью. Считается, что эта разница обусловлена сильным диверсифицирующим давлением иммунного ответа хозяина на человеческий вирус. Тем не менее синонимические нуклеотидные замены, не влияющие на структуру вирусных белков, в обоих случаях накапливаются с одинаковой скоростью. Эта скорость сравнима со скоростью накопления мутаций в других РНК-содержащих вирусах.

Обезьяний пенящий вирус – это ретровирус, инфицирующий приматов. Он инфицирует их много тысяч лет, и филогенез пенящих вирусов и их хозяев-приматов демонстрирует конгруэнтность, типичную для совместной дивергенции и совместной эволюции вируса и хозяина. Так как сроки возникновения видов этих хозяев можно точно определить по ископаемым остаткам, скорость эволюции обезьяньего пенящего вируса была оценена в 1,7 × 10^–8 нуклеотидных замен на сайт в год (Malik, 2005). Такая низкая скорость эволюции беспрецедентна для ретровирусов и других РНК-содержащих вирусов, скорость эволюции которых на несколько порядков выше. Фундаментальные механизмы ретровирусной репликации обезьяньего пенящего вируса неизменны при сравнении с другими ретровирусами, поэтому следует допустить, что и скорость мутаций на геном будет такой же. Объяснение этой нестыковки может заключаться только в особенностях способа существования: инфекции обезьяним пенящим вирусом являются чрезвычайно летаргическими, вирус длительное время пребывает в организме хозяина в латентном состоянии. При меньшем числе повторных циклов репликации в единицу времени они просто медленнее эволюционируют. Способ существования тоже оказывает значимое влияние на эволюцию вирусов. Как мы увидим ниже в этой главе, передаваемые вирусы ограничены в своей эволюционной гибкости из-за необходимости соответствовать требованиям, дающим возможность инфицировать разные организмы-хозяева. Более того, недавние исследования показали, что существует соотношение между временем генерации клетки хозяина и скорости эволюции вируса; представляется, что вирусы, инфицирующие быстро делящиеся клетки, сами начинают эволюционировать быстрее (Hicks, Duffy, 2014). Вирусы, инфицирующие, например, эпителиальные клетки, обладают способностью эволюционировать быстрее.

В наше время существует общее понимание некоторых пристрастий, присущих вольному использованию молекулярных часов для предсказания эволюционной динамики (Duchene, Holmes, Ho, 2014). Происхождение неопределенности по большей части связано с тем фактом, что ученые обязательно всегда «подталкивали» вирусы. Так как мы ограничены пробами, взятыми в недавнее (по меркам эволюции) время, то мы измеряем длину лишь концевых ветвей эволюционного дерева, а затем экстраполируем данные до самых старых внутренних ветвей. Этот процесс чреват многими неопределенностями. Оценки скорости всегда имеют тенденцию к ее увеличению, если измерения выполняют в настоящее время (на самых кончиках ветвей). Оценки, при выполнении которых принимают в расчет более длительные периоды, прошедшие со времени взятия проб, и измеряют некоторые более зрелые ветви эволюционного дерева, показывают прогрессирующее замедление эволюционных изменений. На эти пристрастия сильнее всего влияют два фактора: очищающий естественный отбор и насыщение замещения. Когда сравнивают геномы современных вирусов, скорость замен нуклеотидов – частота, с которой в популяции происходят мутации, – переоценивают. Это есть мера сочетания частоты мутаций и скорости появления замен нуклеотидов, так как некоторые вредоносные мутации не успевают за время наблюдения подвергнуться воздействию очищающего отбора. Мало того, ограничения, наложенные на минималистские РНК-геномы, отводят значимую роль очищающему отбору; действительно, может быть очень немного сайтов генома, обладающих достаточной гибкостью для того, чтобы позволить себе несинонимические изменения в то время, когда большая часть генома эволюционирует чрезвычайно медленно. Мутационное насыщение в некоторых позициях генома может стать значимым и систематическим стимулом, порождающим предвзятость в отношении кратковременных и долговременных скоростей появления мутаций. Разумно было бы ожидать, что те нуклеотидные позиции в геноме, которые обладают достаточной гибкостью для осуществления изменений, могут замещаться повторно и не один раз. Несмотря на то что эти события умещаются на небольшом отрезке измерения числа нуклеотидных замен, за долгий период, когда могут происходить повторные замены, наблюдение, как правило, выполняют только один раз.

Есть, однако, веские основания верить своим глазам, когда биологические наблюдения говорят нам, что кодивергенция и коэволюция вирусов в организмах хозяев являются скорее правилом, чем исключением. Два примера из недавно опубликованных работ подтверждают этот взгляд и показывают ограниченность метода молекулярных часов.

Ученые продолжают совершенствовать компьютерные модели для того, чтобы с большей точностью определить истинный возраст линий РНК-содержащих вирусов. Прежние оценки возраста коронавирусов с использованием расчетов по методу молекулярных часов приводили к заключению, что возраст коронавирусов не превышает десяти тысяч лет, что противоречит данным о географическом распределении разных, но эволюционно родственных коронавирусов, инфицирующих различные виды летучих мышей, обитающих во множестве регионов разных континентов. Новые методологии, учитывающие возможность субъективных ошибок наблюдателя, которые неизбежно происходят, когда современные геномные данные экстраполируют на события давней истории, показывают, что предковые коронавирусы инфицировали птиц и млекопитающих почти триста миллионов лет назад (Wertheim et al., 2013). Строгий очищающий отбор замаскировал миллионы лет эволюционной истории коронавирусов. То же самое, скорее всего, окажется верным и для других РНК-содержащих вирусов, чья эволюционная история была искусственно обрублена некорректными оценками. Представляется, что современные РНК-содержащие вирусы являются прямыми потомками их древних форм. Потенциал эволюционных изменений у них был в значительной степени обуздан естественными хозяевами, к которым эти вирусы адаптировались. Вирусы, однако, могут сорваться с цепи, если становятся объектом изменившегося давления отбора при попадании во враждебное окружение клеток новых хозяев. Коронавирусы являются поистине древними линиями, которые инфицировали птиц и летучих мышей десятки или сотни миллионов лет назад. Представляется, что обитающие по всему миру летучие мыши являются природным резервуаром коронавирусов (и многих других вирусов тоже). За это длительное время они эволюционировали в инфекционные агенты, вызывающие легкое бессимптомное заболевание, но при попадании в клетки нового хозяина те же вирусы могут начать быстро эволюционировать и вызывать истинно современные заболевания. Недавним примером такой трансформации служит эпидемия тяжелого острого респираторного синдрома, который в настоящее время представляет угрозу для здоровья мира.

Признание возникших ВИЧ-1 и ВИЧ-2 человеческими эпидемическими вирусами привело к интенсивным исследованиям лентивирусов. Очень скоро были открыты и классифицированы почти сорок лентивирусов приматов со всеми их природными хозяевами; почти все из этих вирусов являются причиной иммунодефицита у обезьян. Ученым хотелось больше узнать о ВИО, потому что эти вирусы породили зоонозные линии, вызвавшие вспышку СПИДа среди людей. Удалось приблизительно проследить, когда ВИО был передан от низших обезьян к шимпанзе, а затем к людям, вызвав вспышку инфекции ВИЧ-1, и когда ВИО был передан от дымчатых мангобеев людям в форме ВИЧ-2, но главные вопросы остались нерешенными. Ответ на эти вопросы может иметь большое значение для разработки будущих методов лечения и вакцин. Как долго лентивирусы инфицируют приматов? Почему ВИЧ-1 смертелен для азиатских обезьян, но легко протекает у их африканских сородичей? Эта разница легко объяснима: африканские низшие обезьяны адаптировались к вирусу африканского происхождения, став его естественными хозяевами. Однако механизм этой адаптации в настоящее время понятен лишь отчасти. Вирусологи считают, что для развития такого взаимного приспособления вирусов и хозяев был необходим длительный период коэволюции, продолжительностью, вероятно, в миллионы лет. Пробы, использованные для датирования проникновения ВИЧ в организм человека, были собраны в тот период, когда вирус уже в течение достаточно долгого времени эволюционировал в клетках человека. Эти пробы позволили очень точно датировать эволюционную дивергенцию ВИО и ВИЧ, так как нуклеотидные последовательности, доступные ученым, представляли практически весь период эволюционной дивергенции. Не требовалось никакой экстраполяции; ученым не пришлось гадать относительно сроков. Для того чтобы прозондировать происхождение линий ВИО, требуется большая степень экстраполяции современных данных на прошлое, чтобы установить даты возникновения этих древних линий. К сожалению, ученые не располагают ископаемыми остатками эндогенных ретровирусов; признаки лентивирусных эндогенных ретровирусов в геномах приматов не обнаружены. Лентивирусы лишь недавно были обнаружены в форме эндогенных ретровирусов в геномах отдаленных родичей приматов – кроликов (потом они были обнаружены у малагасийских лемуров и хорьков). Очевидно, лентивирусы на самом деле являются древней вирусной линией, инфицирующей и включающейся в геномы разнообразных млекопитающих, но что можно сказать об их связи с приматами?

Воробей и его коллеги (Wertheim, Worobey, 2009) были первыми, кто исследовал происхождение линий ВИО, которые затем были переданы людям от шимпанзе и дымчатых мангобеев в виде ВИЧ. Ученые попытались идентифицировать самого недавнего общего предка этих двух вирусов с помощью ретроградной экстраполяции дивергенции их нуклеотидных последовательностей с течением времени, используя современный компьютерный метод, называемый «релаксированной датировкой с помощью молекулярных часов» (relaxed molecular clock dating). Результаты оказались неожиданными. Выяснилось, что SIVcpz, вирус, превратившийся у человека в ВИЧ-1, инфицировал шимпанзе всего 500 лет назад; SIVsmm, который затем превратился в ВИЧ-2, инфицировал дымчатых мангобеев всего двести лет назад. Когда генеалогическое дерево лентивирусов приматов было исследовано в целом, то было обнаружено, что оно существует не более тысячи лет. Эти данные не соответствовали чаяниям эволюционных биологов. Они-то думали, что непатогенные штаммы ВИО должны быть результатом длительной коэволюционной адаптации вирусов и хозяев. Если самое раннее инфицирование приматов лентивирусами произошло между тысячью и двумя тысячами лет назад, то необходимо предположить, что либо их предковые вирусы не были патогенными для приматов, либо приматы с поразительной быстротой адаптировались к инфицированию патогенными лентивирусами. Эти сценарии, очевидно, не соответствуют совершенно иной патогенности, которую ВИО демонстрирует при инфицировании естественных и иных хозяев (см. главу 9).

Решение этой головоломки было найдено в следующем году, когда Воробей и его сотрудники предприняли филогеографический анализ некоторых видов ВИО и их хозяев – обезьян, что позволило установить временные опорные точки и откалибровать ход эволюционных часов ВИО (Worobey et al., 2010). Авторов вдохновляла возможность воспользоваться географическими изменениями, происшедшими на побережье экваториальной Гвинеи 10–12 тысяч лет назад. Повышение уровня моря создало изолированный водой участок суши, который в настоящее время называется островом Биоко. Ученые сообщили об обнаружении там шести разных видов низших обезьян, из которых было выделено четыре различных вида ВИО, три из которых были науке неизвестны. Четвертый вирус, SIVdrl-Bioko, инфицирующий островных мандрилов, есть результат дивергенции материкового вируса, которая происходила в изоляте на протяжении 10 тысяч лет. Было обнаружено, что материковые мандрилы являются хозяевами для отличного от островного, но родственного ему типа ВИО. Ученые смогли, таким образом, заключить, что общий предок SIVdrl-Bioko и SIVdrl (современный материковый вирус) инфицировал популяцию мандрилов до того, как в результате повышения уровня моря образовался остров Биоко. Вооружившись этим знанием, ученые заключили, что дивергенция нуклеотидных последовательностей, разделившая островные и материковые вирусы, происходила (по меньшей мере) десять тысячелетий. Были рассчитаны частоты нуклеотидных замен – 10^–6 замены на сайт в год, это на три порядка медленнее, чем было рассчитано на основании компьютерных моделей. Пересмотренные данные филогенетического анализа ВИО поместили самого недавнего общего предка в точку, отстоящую от нашего времени на 76 тысяч лет, этот результат подтверждает древность происхождения лентивирусов приматов и длительность коэволюции, необходимой для развития коадаптации вирусов и естественных хозяев (обезьян). Исследование оканчивается минорной нотой: если это верно, то надежды на то, что эволюция скоро сделает ВИЧ непатогенным для человека, являются, судя по всему, призрачными.

Теперь мы на время переместимся на территорию арбовирусов, которые переносятся от хозяина к хозяину переносчиками – членистоногими. Стоит отметить, что арбовирусы составляют 40 % всех известных патогенных вирусов (Rosenberg et al., 2013). Здесь мы обсудим примеры семейства Togaviridae и представителей рода Alphavirus. Эти вирусы отнюдь не являются новыми патогенами, но мы выберем их, потому что они встречаются на обширных территориях; за последнее время они приобрели особую важность, так как было выяснено, что этот человеческий вирус переносится комарами. В контексте нашего обсуждения принципов, направляющих коэволюцию вирусов и хозяев, особенно интересны альфа-вирусы. Это переносимые комарами РНК-содержащие вирусы с геномами длиной около 12 тысяч оснований. Способ их существования требует, чтобы они реплицировались в клетках как человека, так и комара-переносчика. Вирусы не являются простыми пассажирами. Передача болезни между животными-хозяевами требует, чтобы в крови была достаточная концентрация вируса, чтобы он был с гарантией проглочен комаром вместе с кровью жертвы. Вирус должен активно реплицироваться сначала в кишечнике, потом в гемоцеле, а затем и в слюнных железах комара. Вирус передается млекопитающему, когда комар кусает свою очередную жертву. Необходимость успешно реплицироваться в организмах комаров и млекопитающих накладывает особенно жесткие требования к вирусному геному, и способность к такой репликации является великим достижением вирусной адаптивной эволюции. Программы вируса должны быть спроектированы так, чтобы иметь возможность работать в двух сильно отличающихся друг от друга операционных системах.

Альфа-вирусы Нового Света вызывают энцефалит у людей и лошадей (мы сосредоточим наше внимание на венесуэльском вирусе лошадиного энцефалита), в то время как в Старом Свете эти вирусы вызывают заболевания, проявляющиеся сыпью, болями в суставах и лихорадкой. Для начала мы обратимся к вирусу Старого Света к вирусу чикунгунья. Первая вспышка заболевания была зафиксирована в 1952 году на плато Маконде, в южной части Танганьики (ныне Танзания). Доклад об этом заболевании был представлен в Королевском обществе тропической медицины и гигиены доктором Марион Робинсон из госпиталя Лулинди в Центральной Африке (Robinson, 1955). Эпидемия носила взрывоподобный характер, с поражением в некоторых деревнях до 60–80 % населения. Робинсон сообщила, что характерными симптомами болезни были сильнейшие боли в суставах, сыпь и высокая лихорадка. Болезнь была названа чикунгунья, что в переводе с языка макоре означает приблизительно «то, что скручивает». Болезнь особенно сильно поразила места, где обильно водились комары. Виновником оказался комар вида Aedes aegipti. В обычных условиях вирус циркулирует в организмах африканских и азиатских приматов в форме эпизоотического заболевания. Это преобладающая вирусная болезнь животных соответствующих регионов. Во время сезона дождей популяции комаров сильно размножаются, и они появляются в деревнях, где болезнь передается от человека человеку в результате комариных укусов. В прошлом, двадцатом веке вспышки чикунгуньи были редкостью, но с 2000 года болезнь перенесли 5–10 миллионов человек. Теперь вирус поражает людей не только в Африке и Юго-Восточной Азии, но также в Европе и обеих Америках. Всемирное распространение заболевания имеет своей причиной эволюционную адаптацию вируса к различным видам переносчиков рода Aedes, географический ареал обитания которого весьма обширен.

В 2004 году вспышка чикунгуньи в Киншасе дала начало эпидемии, которая распространилась вплоть до островов Тихого океана. Таким образом, возникли новые генетические варианты чикунгуньи. Точечная мутация, приведшая к замене остатка аланина на остатком валина в белке оболочки вируса, позволила ему успешно реплицироваться в новом переносчике – организме комара A. albopictus. Этот комар имеет намного более обширный ареал обитания, чем A. aegipti, и обнаруживается в более умеренном климате. В настоящее время заболевание эндемично для Африки, Ближнего Востока, Европы и обеих Америк, включая Соединенные Штаты, куда заболевание проникло с яйцами комаров в дождевой воде, скопившейся на поверхности использованных автомобильных покрышек. Средства распространения нового генетического варианта чикунгуньи, таким образом, понятны. Примечательно, что замена всего одной аминокислоты сыграла решающую роль в глобальном распространении вируса и в том, что вспышки вызванного им заболевания были зарегистрированы уже четыре раза (Tsetsarkin et al., 2011). Несмотря на кажущуюся простоту этого мутационного пути к повышению эпидемического потенциала, наблюдения показали, что у некоторых штаммов этого вируса, в особенности эндемичных азиатских штаммов, вирусы с этой мутацией никогда не вызывают эпидемии. Представляется, что это пример предела другого типа, ограничивающего эволюционную гибкость вирусов: некоторые мутации легко переносятся и даже могут быть полезными в контексте одного генотипа, но являются губительными для другого. Известно, что такие эпистатические взаимодействия оказывают сильное влияние на доступность путей адаптивной эволюции. Если мы соотнесем это с нашим воображаемым ландшафтом приспособленности, то эпистаз будет добавлять пейзажу шероховатости и некоторым генотипам будет трудно или невозможно его пересечь из-за участков нежизнеспособности генома. Другие же генотипы будут легко преодолевать ландшафт по коротким высокогорным перевалам. Сегодня тихоокеанские вирусные линии быстро эволюционируют и занимают возвышенные места нашего ландшафта. Варианты E1-A226V накапливают дополнительные мутации, что приводит к дополнительным преимуществам перед лицом естественного отбора для вируса, переносчиками которого являются комары A. albopictus, и нам следует ожидать, что в будущем такие варианты будут доминировать как эпидемические вирусы.

Наш второй альфа-вирус, кузен чикунгуньи, – это венесуэльский вирус лошадиного энцефалита. Он тоже познакомит нас с генетическими вариантами, порождающими эпидемии у человека. В обеих Америках в прошлом веке разражались взрывоподобные эпидемии этой инфекции; недавняя эпидемия 1995 года поразила 100 тысяч человек. Человеческая эпидемия возникла из-за заражения людей от лошадей, мулов и ослов. Исчезновение и спорадические возвращения этой болезни было загадкой до тех пор, пока вирусологи не обнаружили, что венесуэльский вирус лошадиного энцефалита вызывает эпизоотии, циркулируя в популяциях мелких лесных и болотных грызунов. Переносчиком вируса выступают в этом случае комары рода Culex. Вирус, циркулирующий в этом резервуаре, обычно не проявляет вирулентности в отношении непарнокопытных, но ученые обнаружили, что вспышка каждой эпидемии неизменно совпадала с возникновением той же мутации в оболочке вируса (Brault, Powers, Weaver, 2002). Эти варианты вирусов являются более вирулентными для лошадей, в большой концентрации циркулируют в их крови и поэтому часто попадают в желудки комаров, питающихся кровью лошадей. Следовательно, возрастает эффективность, с какой эта болезнь передается людям, особенно тем, кто тесно контактирует с лошадьми. Здесь зоонозную инфекцию у человека опосредует иной механизм; варианты с повышенной вирулентностью в эпизоотиях обладают селективными преимуществами, и комары-переносчики более активно переносят их от большого числа животных-хозяев к человеку.

Стоит отметить, что виновником переноса вируса от лошади к человеку является комар вида Aedes teniorhynchus. Это не тот комар, который обычно переносит вирус между естественными хозяевами – грызунами заболоченных лесов. Венесуэльский вирус лошадиного энцефалита обладает примечательной особенностью инфицировать множество млекопитающих в дополнение к некоторым насекомым. Тем не менее, так же как в случае вируса чикунгуньи, его выбор комаров-переносчиков служит важным фактором, влияющим на частоту эпидемий и эпизоотий венесуэльского вируса лошадиного энцефалита. Недавно, при выделении вируса, вызвавшего вспышку энцефалита у лошадей в Мексике, ученые столкнулись с неожиданным сюрпризом. В то время как вирус вызывал значительную виремию у лошадей, он не мог инфицировать комара Aedes teniorhynchus, единственного переносчика, способного передавать инфекцию человеку. Бролт и его коллеги (2004) попытались исследовать причину этого феномена. Авторы смогли показать, что способность вируса инфицировать A. teniorhynchus можно создать для венесуэльского вируса лошадиного энцефалита искусственно, если использовать последовательности из геномов штаммов, которые прежде вызывали эпидемии среди людей. Следовательно, можно предположить, что возникновение генетических вариантов, способных с большей эффективностью передаваться новым видам переносчиков, придает венесуэльскому вирусу способность вызывать эпидемии у людей.

Оба наших примера показывают адаптацию альфа-вирусов к новым хозяевам и повышение их вирулентности. Это происходит, несмотря на тот факт, что эти изменения должны развиваться под сильным давлением отбора, чтобы поддерживать цепь передач между беспозвоночными и позвоночными хозяевами. Наше понимание коэволюции вируса и хозяина предполагает, что смена хозяина одного вида на хозяина таксономически неблизкого вида будет вредоносной для оптимальной адаптации к каждому из этих хозяев, а следовательно, вирус в своей приспособленности будет вынужден идти на какие-то уступки. Видны ли последствия этого множественного и противоречивого давления отбора в ходе эволюции альфа-вирусов? Представляется, что ответ на этот вопрос положительный. Было показано, что РНК-содержащие вирусы, передаваемые через членистоногих, претерпевают гораздо меньше несинонимических мутаций, чем синонимических, что указывает на снижение роли положительного отбора в сравнении с РНК-содержащими вирусами, передаваемыми иными средствами (Woelk, Holmes, 2002). В изящных экспериментах, которые я называл бы «удалением посредника», ученые кафедры тропических заболеваний медицинского факультета Техасского университета и их сотрудники выполнили прямое исследование: может ли смена хозяина при передаче арбовируса ограничить его эволюционную адаптацию к каждому из этих хозяев (Coffey et al., 2008)?

Для того чтобы проверить это экспериментально, авторы выполнили серийный пассаж различных природных штаммов венесуэльского вируса либо между грызунами, либо между комарами, либо чередуя передачу от грызунов комарам или, наоборот, от комаров грызунам. Чередующийся пассаж между грызунами осуществляли прямой инокуляцией инфицированной крови одного животного другому. Как вы догадываетесь, пассаж между комарами выглядел несколько сложнее – комаров пришлось для этого кормить инфицированной кровью. Вирусу давали расти десять дней в теле комара, а затем раздавливали, смешивали с синтетической кровью и скармливали следующей партии комаров. Чередующийся пассаж между разными хозяевами осуществляли тем, что позволяли когорте подопытных комаров кусать инфицированных животных. После десяти таких пассажей выделяли все три плеча вирусов и сравнивали их вирулентность с вирулентностью исходного вируса. Результат был ясен и понятен: вирус, который пассировали от грызунов насекомым, сохранял свою прежнюю вирулентность, в то время как вирусы, которых пассировали между грызунами, становились более вирулентными, при пассаже между комарами вирулентность уменьшалась. После передачи вируса между комарами его вирулентность для грызунов уменьшалась. Несмотря на то что титры не нарастали при передаче между комарами, передача все же происходила легче (то есть комары, питавшиеся кровью, исправно инфицировались). Итак, в каждом случае чередующегося пассажа вирус становился более адаптированным к соответствующему хозяину, в то время как вирус, претерпевавший естественный цикл трансмиссивной передачи между двумя видами, степень своей адаптации не изменял.

Результаты этих опытов подкрепляют утверждение о том, что существование в форме трансмиссивного инфекционного начала стоит арбовирусам значительной потери приспособляемости. Вирусу приходится быть эволюционно всеядным, а в результате он не может оптимально приспособиться ни к одному из своих хозяев. Всего десяти переносов между одними и теми же хозяевами было достаточно для усиления вирулентности венесуэльского вируса лошадиного энцефалита, чего вирус не мог достичь в дикой природе. Эти ограничения действуют на все арбовирусы: в каждой последующей смене хозяина можно ожидать, что адаптивные генетические варианты, накопленные при размножении в предыдущем хозяине, окажутся вредоносными и станут объектом очищающего отбора. Опыт, однако, говорит нам, что как дискретные генетические изменения, так и экологические изменения могут влиять на успешность возникающих вариантов, могущих становиться опасными патогенами для человека. Такие варианты, конечно, сами по себе являются свидетельством того, что положительный отбор может играть роль в эволюции этих вирусов и самыми неожиданными путями влиять на их эволюционные траектории.

Фундаментальная основа ретровирусного генома составлена из генов, кодирующих жизненно необходимые вирусные белки – gag, pol и env. Лентивирусные геномы обладают наибольшей сложностью среди геномов всех ретровирусов и располагают наборами дополнительных генов, кодирующих белки, играющие важную роль во взаимодействии вируса с хозяином; эти гены участвуют в избегании противовирусного и иммунного ответа и в значительной степени влияют на диапазон возможных хозяев (Malim, Emerman, 2008). Подобно env, они быстро эволюционируют и, возможно, неслучайно находятся в геноме в виде единого кластера. Считается, что такое отделение облигатных и, по необходимости, консервативных генов от быстро эволюционирующих генов избегания может представлять собой эволюционное преимущество перед лицом естественного отбора. Таким способом генетическая вариабельность дополнительных и оболочечных генов может защищать вирус от иммунитета хозяина и одновременно не причиняет вреда фундаментальным механизмам репликации вируса. Это напоминает строение геномов вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК, у которых неядерные гены находятся на концах линейных структур ДНК, представляя собой некую песочницу, в которой вирус может без вреда для себя проводить разнообразные генетические опыты. ВИЧ-1 и SIVcpz обладают четырьмя дополнительными генами, названными vpu, vif, vpr и nef; у родственников этих вирусов, вызывающих иммунодефицит у африканских зеленых мартышек и имеющих с этими вирусами общего предка, отсутствует ген vpu. Вирус SIVmac, возникший, когда SIVsmm инфицировал макак, тоже утратил ген vpu, но зато приобрел ген vpx, который, как представляется, возник в результате дупликации и дивергенции гена vpr. Неизвестно, участвовал ли подобный механизм в древние эволюционные времена в создании дополнительных вариабельных генов других лентивирусных белков. Замечательное разнообразие дополнительных генов выдает их общую цель: они все отвечают за физическое связывание вирусов с клеточными белками. Эти гены не кодируют ни структурные белки, ни ферменты, а лишь вариабельные белки-лиганды, задачей которых является противодействие ограничивающим свободу вируса клеточным механизмам, а также нарушение клеточных функций, препятствующих репликации вирусных частиц. Кодирующая способность этих генов сильно ограничена, и поэтому они кодируют очень короткие белки длиной менее 150 аминокислот, но белки эти способны связывать множество разнообразных структурных клеточных белков. Эволюция функций дополнительных белков в контексте эволюции лентивирусов приматов и межвидовой передачи обеспечивает гибкое взаимодействие с клетками хозяина. Эти белки представляют собой эволюционные системы быстрого реагирования, так как быстро адаптируются к изменениям клеточных защитных механизмов. Возникает впечатление, будто эволюция создала их в соответствии с набором структурных правил, создающих белки-хамелеоны с присущей им пластичностью и способностью к перестройке под воздействием изменчивого давления отбора (McCarthy, Johnson, 2014). Эти белки в любой момент доступны вирусным квазивидам в форме меняющих свое строение белковых лигандов, способных, соответственно, менять свои цели. Неясно, однако, до какой степени это является уникальной особенностью дополнительных генов и не касается продуктов других вирусных генов; представляется, что для вируса было бы большим преимуществом, если бы это свойство было шире представлено в его геноме. Тем не менее быстрая эволюция дополнительных генов и генов некоторых участков оболочки достаточно резко отделяет их от других вирусных генов, которые находятся под сильным давлением очищающего естественного отбора и вынуждены сохранять свои хорошо отрегулированные функции в течение всего жизненного цикла вируса.

Давайте теперь рассмотрим молекулярные механизмы действия кодируемых клетками факторов ограничения вирусной активности, а также разберемся, как вирусные белки мобилизуются для обороны. Эти клеточные белки были созданы эволюцией в качестве первой линии многогранной защитной системы, охраняющей клетки от вирусных инфекций. Клетки развили сеть чувствительных к патогенам систем, которые готовят клетку к вторжению вирусов. Эти белки собирательно называют патоген-распознающими рецепторами. Некоторые из них выявляют молекулярную «подпись» инфекции, обычно по присутствию чужеродных нуклеиновых кислот; под надзором находятся все одноцепочечные и двухцепочечные РНК, а также двухцепочечные вирусные ДНК. Некоторые патоген-распознающие рецепторы находятся на плазматической мембране или в цитозоле, другие встроены в мембраны эндосом, позволяя этим последним отбирать содержимое мембранных пузырьков, в виде которых вирусы обычно проникают в клетку (Rustagi, Gale, 2014). Несмотря на то что в эту группу входят самые разнообразные белки, все они отвечают на специфические стимулы, запуская сигнальные каскады, включающие синтез интерферона и других элементов врожденных иммунных ответов. Факторами ограничения вирусной активности являются индуцируемые интерфероном типа 1 белки, которые на разных уровнях противодействуют вирусам (Altfeld, Gale, 2015; Malim, Bieniasz, 2012). Как правило, эти белки нарушают активность многих вирусов или их групп и, таким образом, могут противостоять широкому спектру вирусных инфекций. Вирусы, которые эволюционировали, адаптируясь к определенному хозяину, обычно располагают высокоспецифичными механизмами нейтрализации защитных клеточных систем. В ходе совместной эволюции вируса и хозяина большая часть генетической гонки вооружений развертывается в конфликте между клеточными генами защиты и противостоящими ей вирусными генами.

Теперь мы разберемся, как лентивирусы приматов научились противостоять клеточным защитным механизмам. Эти лентивирусы особенно интересны, потому что мы можем разделить их на вирусы, эволюционировавшие в большей или меньшей (в силу их недавнего возникновения) степени в своих отношениях с хозяевами. SIVagm в течение тысячелетий эволюционировал совместно с низшими обезьянами Старого Света, в то время как ВИЧ-1, SIVcpz и SIVmac возникли недавно в результате межвидовой передачи (Sharp, Hahn, 2010). Согласно эмпирическим лабораторным наблюдениям, ВИЧ может эффективно реплицироваться в человеческих клетках в тканевых культурах, но репликация в клетках животных других биологических видов сильно подавляется защитными факторами. Это индикатор важности автономной клеточной защиты от целого спектра вирусов. Межвидовая передача требует ликвидации этой первой линии обороны для того, чтобы вирус мог беспрепятственно реплицироваться в клетках нового хозяина, а также распространяться в другие организмы и одновременно эволюционировать. Таким образом, избегание защитных механизмов является непременным предварительным условием успешной зоонозной передачи. Весьма вероятно, что существование заранее адаптированного генетического варианта в геноме инфицирующего вируса служит тем решающим фактором, который отличает успешную передачу вируса новому хозяину от абортивной. Факторы, ограничивающие активность лентивирусов, реализуются различными механизмами, но те из них, что были изучены (а это, вероятно, лишь малая часть всего клеточного арсенала), делают это единообразно и могут, таким образом, атаковать разные вирусы.

Мы разберем три примера клеточного ограничения активности лентивирусов и эволюцию их способности нейтрализовать эти ограничения. Недавние межвидовые перескоки рассматриваемых лентивирусов сосредоточат наше внимание на отношениях лентивирусов к ограничивающим факторам, развившимся совсем недавно, но на самом деле эти факторы формировались на протяжении многих миллионов лет в ходе непрерывной гонки вооружений с различными ретровирусами и вирусами других семейств. Дополнительные белки лентивирусов обычно поражают клеточные ограничительные механизмы путем непосредственного физического связывания с белками ограничительных факторов. Это позволяет специалистам по эволюционной и молекулярной биологии точно выявить места белок-белкового взаимодействия; эти места взаимодействия находятся под непрерывными повторными атаками положительного отбора, так как происходит конкуренция с целью избежать связывания с атакующими их вирусными белками (Emerman, Malik, 2010). Это с очевидностью проявляется в очень высоком уровне несинонимических мутаций, которые накапливаются в этих положениях. Три способа ограничения активности вирусов, которые нам предстоит рассмотреть, реализуются кардинально разными путями, но все они соответствуют тактике Черной Королевы.

TRIM5α (tripartite-motif-containing 5α, трехчастный блок, содержащий 5α) является ограничительным клеточным фактором, принадлежащим большому семейству родственных белков, и располагает уникальным механизмом ограничения вирусной активности. Претерпев структурную модификацию под воздействием запуска активности интерферона, он непосредственно связывает капсидные белки ретровирусов, препятствуя распаду капсида и предупреждая обратную транскрипцию генома (Stremlau et al., 2006; Malim, Bieniasz, 2012). Домен карбоксильного конца белка характеризуется большой вариабельностью аминокислотных последовательностей у разных видов и множеством несинонимических мутаций, которые выявляются при сравнительном изучении нуклеотидных последовательностей в соответствующих клеточных генах. Эти особенности выдают быструю эволюцию данных участков белка под действием давления положительного отбора. Белок собирается в многомерные комплексы, которые поливалентно связывают капсид. Это поливалентное связывание обеспечивает высокую авидность связывания и может облегчать функцию TRIM5α, несмотря на весьма скромную аффинность мономеров к вирусному белку. Вероятно, это свойство позволяет быстро создавать альтернативные специфичности при инфицировании новым ретровирусом. Стоит особо отметить, что в то время как другие факторы ограничения вирусной активности взаимодействуют с дополнительными белками ретровируса, TRIM5α этого не делает. Восприимчивость ретровируса к воздействию TRIM5α непосредственно определяется аминокислотными последовательностями вирусного капсида. TRIM5α является мощным барьером для межвидовой передачи ретровирусов, капсиды которых связываются с этим ограничивающим фактором. Совместная эволюция вируса и хозяина обычно приводит к отбору тех белков капсида, которые избегают связывания с ограничивающим клеточным фактором, что позволяет капсиду раствориться в инфицированной клетке.

Дополнительный белок ВИЧ, vif, очень важен для роста этого вируса в человеческих CD4+T-клетках в лабораторных условиях. Было обнаружено, что его роль заключается в нейтрализации фактора ограничения, экспрессируемого в человеческих клетках (Sheehy et al., 2002). Этот фактор – APOBEC3G (аполипопротеин B фермента, корректирующего мРНК, каталитический пептидоподобный 3G), белок, который был впервые обнаружен благодаря своей способности менять цитидин на уридин при формировании мессенджер-РНК. Последовательность этого белка гомологична прокариотической дезаминазе цитидина, но при этом в ходе эволюции приобрела способность редактировать остатки цитидина в нуклеотидных полимерах. Ограничение вирусной активности осуществляется включением в вирусные частицы и связыванием с комплексом обратной транскрипции в инфицированных клетках, где он осуществляет дезаминирование остатков цитидина в негативной цепи ДНК, которая затем превращается в провирус. Окончательный результат состоит в том, что молекулы гуанозина замещаются аденозином в РНК-геноме вируса: ограничительный фактор является мутагеном и может заменить одну из десяти молекул цитидина в геноме. Белок vif нейтрализует ограничение, связываясь с белком APOBEC3G и осуществляя его протеолиз протеасомами, которые являются главным клеточным путем обмена белков и внутриклеточного гомеостаза. Один из аминокислотных субдоменов белка vif взаимодействует с APOBEC3G с видовой специфичностью. Vif вируса иммунодефицита человека нейтрализует человеческий APOBEC3G, но не может нейтрализовать гомологичный белок африканской зеленой мартышки. Наоборот, vif SIVagm может нейтрализовать обезьяний APOBEC3G, эта разница объясняется единичной заменой аминокислоты в положении 128, которая определяет связывание между vif и белком APOBEC3G (Malim, Bieniasz, 2012).

APOBEC3G, будучи цитидиновой дезаминазой, способной производить замещение гуанозина аденозином, а цитидина тимидином в молекулах ДНК, является мощным источником генетических вариантов. Накапливаются данные о том, что, несмотря на противодействие активности APOBEC3G со стороны белка vif вируса иммунодефицита человека в инфицированных человеческих клетках, мутагенное воздействие на вирусный геном сохраняется после инфицирования (Sadler et al., 2010; Kim et al., 2010). Представляется, что этот механизм ограничения вирусной активности способен ускорять адаптивную эволюцию вирусов посредством сублетального мутагенного воздействия на вирусный геном. Независимо от этих наблюдений над адаптированным к человеку ВИЧ-1, мощность ограничительной противовирусной активности APOBEC3G была исчерпывающе исследована в лаборатории доктора Джона Коффина. Ученые исследовали патогенные возможности XMRV – нового вируса, выделенного из человеческих клеток (xenotropic murine leukemia virus-related virus). Вирус исследовали во многих лабораториях, ибо его связывали с возникновением рака простаты и миалгического энцефаломиелита (синдрома хронической усталости). Эти наблюдения не подтвердились, и доброе имя вируса не пострадало. На самом деле, это была рекомбинантная вирусная линия, которая возникала в тканевых культурах, а не была природной линией. Независимо от этого прискорбного научного недоразумения, которое было детально разобрано в литературе (Delviks-Frankenberry et al., 2012), Коффин провел свои лабораторные опыты и дал биологически весьма информативные данные (Del Prete et al., 2012). Авторы вырастили вирус в тканевой культуре и ввели его свинохвостым макакам, чтобы определить его патогенный эффект. Не сумев обнаружить достаточный уровень вирусной РНК, ученые исследовали клеточно-ассоциированную ДНК в поисках провирусной ДНК XMRV. Они нашли искомый провирус, характерный для ретровирусной инфекции, но во всех фрагментах обнаружили превращение гуанозина в аденозин. APOBEC3G макаки систематически инактивировал чужеродный вирусный геном. Это было ограничение активности вируса в действии!

Таким же любопытным является и последний пример ограничительного механизма, действующего против лентивирусов приматов. Это белок, названный тетерином, который оказывает ограничительное воздействие на одетые в оболочки вирусы. Это уникально адаптированный белок, который буквально приковывает вирус к клеточной мембране, препятствуя его отделению от нее (Perez-Caballero et al., 2009). Для нас же самое интересное – это понять, как эволюционировали лентивирусы приматов для того, чтобы нейтрализовать этот механизм. Примечательно, что, живо иллюстрируя изобретательность эволюции, различные ретровирусы используют разные гены для противостояния активности тетерина. Он инактивируется прямым связыванием с вирусным белком: у африканских зеленых мартышек тетерин атакуется белком, продуктом гена nef, так же как и тетерин шимпанзе, обезьяний белок nef неспособен связывать и нейтрализовать человеческий тетерин. ВИЧ-1 располагает новым дополнительным белком, продуктом активности гена vpu, который первоначально возник в SIVcpz, и именно этот белок атакует тетерин при ВИЧ-1-инфекции (Malim, Emerman, 2008). Белок человеческого тетерина представляет собой новый структурный вызов, с которым обезьяньи лентивирусы не могут справиться, выбирая варианты гена nef вируса иммунодефицита обезьян. ВИЧ-1, в попытке справиться с этим затруднением, создал новый лиганд – vpu. Интересно отметить, что зоонозный ВИЧ-2, потомок SIVsm, поражающего дымчатых мангобеев, нашел иное решение проблемы нейтрализации человеческого тетерина. У ВИЧ-2 роль антагониста тетерина взял на себя гликопротеин вирусной оболочки (Le Tortorec, Neil, 2009; Bour, Strebel, 1996). Представляется, что обладание многими дополнительными генами и генами, обладающими способностью к быстрой эволюции и значительной структурной пластичностью, является большим преимуществом лентивирусов приматов, так как позволяет им успешно совместно эволюционировать с новыми видами хозяев, несмотря на естественную резистентность, обусловленную клеточными механизмами ограничения вирусной активности.

Наличием нашего видового барьера мы обязаны по большей части специфическим ограничительным механизмам, ключевым элементам нашего видоспецифичного иммунного ответа. Примеры, которые мы обсудили, представляют видовые барьеры на пути межвидовой передачи лентивирусов приматов. Несмотря на филогенетическое родство как вирусов, так и хозяев, ограничительные клеточные механизмы проявляют удивительную способность к дивергенции за очень короткое по эволюционным меркам время, что говорит о значительном давлении положительного естественного отбора в конфликте с генами патогенных вирусов. Ограничительные противовирусные механизмы – это наша лучшая защита против появления новых пандемических патогенных вирусов, но некоторые из них с успехом обходят это препятствие, обходят с опустошительными для нас последствиями, и, как мы увидим, легион вирусов подстерегает нас за стенами нашей крепости, мирно размножаясь в резервуарах своих естественных хозяев. Они терпеливо испытывают генетические варианты, которые в благоприятных условиях смогут создать для них средство и возможность обойти наши ограничительные клеточные механизмы и стать человеческими вирусами.

Наше исследование эволюции вирусов, по необходимости, было сосредоточено на понимании и объяснении прошлых событий. Даже оглядываясь назад, вирусолог вынужден делать определенные допущения: за исключением поддающихся датировке и морфологической интерпретации ископаемых остатков растений и животных (чего мы не имеем в отношении вирусов), существует мало пунктов эволюционной истории, на которых можно было бы строить наши гипотезы. Тем не менее нами движет желание экстраполировать приобретенные знания об эволюции вирусов, чтобы делать предсказания о будущем. Не тщетны ли наши усилия? По самому своему определению угрозы означают потенциальные будущие исходы, и мы, естественно, крайне нуждаемся в умении оценивать и понимать риски, которые могут представлять вирусы для человечества в грядущие годы. Мы полагаемся на тех, кого мы выбрали управлять нами, на ведомства государственного здравоохранения, надеясь, что они смогут определить шаги, призванные смягчить последствия новых, возникающих на наших глазах патогенов. Работа этих органов заключается в наблюдении (а значит, и в раннем выявлении) заболеваний, в перспективной разработке вакцин и лекарственных препаратов и даже в целенаправленном изменении человеческого поведения за счет распространения информации, установления полезных правил или принятия нужных законов.

На пресс-конференции в Пентагоне, проведенной в 2009 году, министр обороны Дональд Рамсфельд изложил парадигму мышления, которую, по его мнению, можно было приложить к рассуждениям о военной стратегии США на Ближнем Востоке: «Есть старые избитые истины. Это вещи, о которых мы знаем, что мы их знаем. Есть, однако, известное о неизвестном. Это вещи, о которых мы знаем, что мы их не знаем. Есть, однако, и неизвестное о неизвестном. Это вещи, о которых мы не знаем, что мы их не знаем». Я возьму на себя смелость утверждать, что известное о неизвестном в отношении вирусов и их взаимодействий с хозяевами намного перевешивает известное об известном. Более того, знакомясь все ближе с непредсказуемой эволюционной гениальностью вирусов, мы сталкиваемся с куда более удручающей концепцией – концепцией неизвестного о неизвестном. Эти факторы невозможно определить количественно, и по самой своей природе они являются неосязаемыми и непредсказуемыми, и в настоящее время мы не способны адекватно их оценивать. Недавно возникшие вирусы, эволюционирующие с непостижимой скоростью, относятся именно к этой последней категории (Jones et al., 2008; Woolhouse et al., 2008; Kuiken et al., 2003; Woolhouse, Scott, Hudson, 2012). Мы знаем лишь об их существовании, но они не влияют на нашу способность взвешивать риски.

Позвольте мне заложить основу дискуссии о будущем наших взаимоотношений с вирусами, расширив для этого проведенный нами анализ вируса гриппа. Угроза пандемии гриппа существует всегда. Наши знания о поведении вирусов подобны знаниям о землетрясениях: мы точно знаем, что они произойдут, но не можем предсказать, когда это будет и насколько разрушительными будут последствия; об этом мы можем только гадать. В течение двадцатого века пандемии гриппа случались с интервалами от двадцати до сорока лет. К категории известного об известном относятся знания о неизбежных землетрясениях и пандемиях гриппа в будущем. Форма, какую примет эта пандемия, тяжесть заболевания, которое она причинит, а также угроза, которую она будет представлять для состояния здоровья мира, – все это целиком и полностью относится к категории известного о неизвестном. Вирусы, вызывающие сезонные эпидемии, и вирусы прошлых пандемий приобретали свою антигенную идентичность из небольшого набора генетического разнообразия генов, кодирующих гемагглютинин и нейраминидазу. Только эти гены доступны для модификаций в вирусах гриппа. Существуют три подтипа ГА (H1, 2, 3) и два подтипа НА (N1, 2). Комбинации этих оболочечных белков, используемые вирусом, порождают великое разнообразие антигенных свойств. Каждый из подтипов ГА и НА сам по себе обладает значительным разнообразием, будучи производным индивидуальной и неповторимой эволюционной истории. Циркулирующие вирусы человеческого гриппа используют гены ГА и НА, приобретенные в результате перетасовки между вирусами, которые циркулировали в прошлом между людьми, дикими и домашними птицами, и часто свиньями, а следовательно, подвергались разнообразному давлению отбора. Больше того, эта горстка подтипов ГА и НА представляет собой лишь ничтожную долю генетического разнообразия подтипов ГА и НА, циркулирующих в птичьих популяциях. Очень важно не упустить из виду тот факт, что каждое конкретное сочетание восьми сегментов вирусных генов, составляющих «генную команду» вируса, определяет свойства вируса и его пандемический потенциал. Будет разумно принять, что этот потенциал метагенома вируса гриппа продолжает эволюционировать; вирусы пока не до конца исчерпали возможности изменений генома, ни за счет перетасовки генных сегментов, ни за счет эволюции в результате мутаций и естественного отбора.

В обзоре, опубликованном в журнале «Science», Ричард Уэбби и Роберт Уэбстер размышляли о событиях начала 2003 года. Вспышка тяжелого респираторного заболевания в Гонконге была вызвана инфицированием людей вирусом птичьего гриппа типа А с подтипами H5N1. Эта ситуация побудила ВОЗ немедленно объявить о готовности к пандемии. Вскоре после этого по материковому Китаю быстро распространилось напоминавшее грипп респираторное заболевание, появились опасения, что болезнь была вызвана тем же вирусом H5N1. Однако это было не так. Эта инфекция ознаменовала возникновение эпидемии тяжелого острого респираторного синдрома, вызванного вирусом, не имевшим никакого отношения к вирусу гриппа, а значит, неизвестным вирусом. Это уже была ситуация неизвестного о неизвестном. Это должно напомнить нам о том, что наиболее вероятной страшной угрозой для здоровья мира является высокопатогенный и быстро распространяющийся вирус. Более того, несмотря на то что время от времени нас непременно будут посещать новые зоонозные вирусы (например, такие как в случае тяжелого острого респираторного синдрома), главная забота всемирного здравоохранения – возможное возникновение новой пандемии гриппа. За последние два десятилетия мы выявили высокопатогенные вирусы птичьего гриппа, которые с большой вероятностью могут стать виновниками будущей пандемии. Возникший в 1997 году в китайской провинции Гуандун вирус птичьего гриппа H5N1 вызывал тяжелейшую вирусную пневмонию, от которой умерли 30 % заболевших (Xu et al., 1999). Вирус H5N1 снова появлялся в 2003 и 2004 годах, вызывая вспышки заболеваний у домашних птиц во всей Восточной Азии и поражая людей в нескольких странах. В тот момент стало ясно, что вирус распространяли мигрирующие дикие птицы и что он является эндемичным для домашних птиц этого региона (Li et al., 2004). Таким образом, вирус захватил важный плацдарм, с которого он может, приобретя соответствующие генетические изменения, потенциально угрожать человечеству пандемией. H5N1 в полной мере воспользовался своим талантом в деле формирования генной команды: этот вирус циркулирует в популяциях птиц совместно с вирусами гриппа различного генетического состава и приобрел множество внутренних генных сегментов вируса H7N9, циркулирующего в популяциях перепелов (Guan et al., 1999). Еще более тревожен тот факт, что человеческий вирус H3N2 стал эндемичным для свиней по всему Китаю; реально поднимает голову призрак смешения H5N1 с этими вирусами, если он поразит свиную популяцию. На самом деле поводов для беспокойства еще больше. Другие новые генетические комбинации вирусов гриппа – самые частые H7N9, H9N2 и H10N8 – инфицируют домашнюю птицу и свиней (а спорадически и людей) по всей Азии и в некоторых других регионах мира.

Главный путь передачи птичьего гриппа человеку – заражение от инфицированных домашних птиц. Введение определенных мер контроля и такие меры, как ежемесячные «дни чистоты» на китайских рынках живой продукции, в какой-то мере помогли снизить опасность пандемической вспышки птичьего гриппа. Тем не менее главное препятствие на пути распространения гриппа находится в области генетики.

Вирус птичьего гриппа H5N1, поразивший людей в 1997 году, не был результатом рекомбинаций между человеческим и птичьим вирусом. Это был вирус чисто птичьего происхождения, оказавшийся чрезвычайно вирулентным для человека. Значительная часть заболевших страдала от классических симптомов тяжелого гриппа, но у некоторых пациентов поражение было более системным и выходило за пределы дыхательной системы, которой обычно ограничивается место проникновения вируса гриппа (Horimoto, Kawaoka, 2001). Уже давно установлено, что вирусы птичьего гриппа проявляют неодинаковую патогенность у птиц. В самом деле, у индеек – вида, который поражается чаще других, – вирулентные вирусы вызывают птичью чуму, молниеносно развивающееся заболевание, поражающее все органы и системы. Невирулентные штаммы птичьего гриппа, однако, приводят к легко протекающей или бессимптомной инфекции, ограниченной поражением пищеварительного и дыхательного тракта. В значительном числе исследований было показано, что высокопатогенные вирусы птичьего гриппа несут различные варианты генов ГА. Эта вариабельность основана, однако, не на различиях в антигенности белков, которые могут говорить об этих вирусах как о потенциальной причине пандемии. Это функциональная разница, определяющая разный тропизм вирусов и роль ГА в способности вируса проникать в клетку хозяина.

Белки ГА синтезируются вначале в виде единственного полипептида, HA0, который в ходе посттрансляционной модификации претерпевает протеолитическое расщепление на две субъединицы, HA1 и HA2, которые, в свою очередь, подвергаются конформационным изменениям, но остаются связанными между собой. В результате расщепления освобождается концевая аминогруппа HA2, за которой следует гидрофобная цепь аминокислот, которую называют пептидом слияния. Свободный пептид слияния проникает в эндосомную мембрану, в полости которой вирус транспортируется в клетку, обеспечивая слияние вирусной оболочки с мембраной и проникновение всего вирусного нуклеокапсида в цитоплазму клетки-хозяина. Расщепление ГА протеазами клетки-хозяина является решающим фактором успешного инфицирования, и считается, что необходимые для этого протеазы находятся у человека и птиц только в клетках дыхательной системы и пищеварительного тракта. Этим объясняется тот факт, что невирулентные штаммы вируса птичьего гриппа в типичных случаях поражают именно эти ткани. Но что можно сказать о высокопатогенных вирусах, которые могут поражать другие ткани и вызывать системные поражения? Объяснение было найдено в аминокислотной последовательности фрагмента, соединяющего ГА1 и ГА2. Невирулентные штаммы вируса птичьего гриппа имеют единственный остаток основной аминокислоты в качестве концевой аминогруппы ГА2 – аргинин или лизин. Этот сайт распознается и расщепляется сериновыми протеазами, секретируемыми клетками дыхательного и пищеварительного трактов (Horimoto, Kawaoka, 2005, 2001). У высокопатогенных штаммов вирусов птичьего гриппа сайты расщепления состоят из множества основных аминокислотных остатков, и эти сайты расщепляются протеазами, которые присутствуют практически во всех клетках организма. Часто вирусы человеческого и птичьего гриппа культивируют в клетках собачьих почек. Как правило, в среду добавляют протеазу, чаще всего трипсин, для того чтобы завершить процессинг ГА и реализовать инфекционный потенциал вирусных частиц. Эти «неестественные» клетки-хозяева не продуцируют протеазу, необходимую для инфицирования. Высокопатогенные варианты вирусов птичьего гриппа с длинной цепью основных аминокислот в сайте расщепления прекрасно растут на любых клеточных средах без искусственного добавления протеаз. Белки H5 и H7 располагают сайтами расщепления, которые распознаются вездесущими протеазами, что и сообщает этим вариантам чрезвычайно высокую патогенность. Суарес и его коллеги проанализировали нуклеотидные последовательности вирусов H5N1, выделенных во время вспышки гриппа в Китае в 1997 году. Вирусы, вызывавшие спектр тяжелых респираторных и системных поражений, действительно, обладали длинной последовательностью основных аминокислот в сайте расщепления пептидов HA1-HA2, что является надежным признаком высокой патогенности вирусов птичьего гриппа (Suarez et al., 1998).

Надо особо подчеркнуть, что высокопатогенные варианты вируса птичьего гриппа, проявляющие вирулентность в отношении домашних птиц (и человека), сами по себе не считаются первыми кандидатами на роль возбудителей пандемии. Надо, кроме того, отметить, что пандемический вирус гриппа не обязательно должен обладать цепью из множества основных аминокислот в месте расщепления ГА-белка. Пандемия гриппа 1918 года представляет собой подтверждающий это положение пример: считается, что вирус этот имел птичье происхождение (глава 5), но ГА-белок обладал только одним основным аминокислотным остатком в месте расщепления на границе между ГА1 и ГА2. Несмотря на свою высокую вирулентность для человека, репликация этого вируса была ограничена клетками дыхательного тракта (Chaipan et al., 2009).

Представляется, что такие вирусы, как H5N1 и H7N9, циркулирующие в популяциях домашних птиц, передаются людям с трудом. Эти вирусы могут вызывать спорадические инфекции у людей, то есть имеют возможность, но не располагают средствами, достаточными для того, чтобы стать эпидемическими. Мнения ученых относительно возможности возникновения пандемии этими вирусами, подобной эпидемии 1918 года, расходятся. Некоторые специалисты утверждают, что если такой вирус до сих пор не возник, то едва ли он возникнет и в будущем, а другие уверяют, что нам не стоит проявлять столь безмятежное благодушие. Генетические изменения, которые должны произойти в вирусах птичьего гриппа для того, чтобы он стал по-настоящему эпидемическим для человека, неясны и требуют тщательного исследования. Эта задача отличается невероятной сложностью и поэтому породила бурю политических дебатов, которые разделяют научное сообщество и приводят к столкновению науки и политики.

Вирус птичьего гриппа H5N1 в настоящее время вызывает среди людей лишь ограниченные вспышки. Несмотря на то что эти высоковирулентные штаммы вызывают у заболевших индивидов тяжелые, а иногда и смертельные поражения нижних дыхательных путей, передача вируса другим людям происходит нечасто. Большинство инфекций заканчивается тупиком, что служит характерным признаком многих межвидовых вирусных перескоков. Дефицит в строении H5N1, который приводит к снижению передачи заболевания между людьми, имеет свое объяснение. Птичий грипп – это кишечный вирус, реплицирующийся в кишечнике птиц, где восприимчивые клетки слизистой оболочки в большом количестве экспрессируют на своей поверхности молекулярные рецепторы вирусных частиц. На поверхности клеток эпителия слизистой оболочки кишечника выявлены многочисленные олигосахариды, на концах которых расположен остаток сиаловой кислоты, связанный α-2,3-связью с галактозой (я назову эти связи α-2,3-рецепторами). Эта часть рецепторов связывается преимущественно ГА-белком птичьего вируса, что позволяет ему распознавать клетки-хозяева в кишечнике и проникать в них. Воздушно-капельный путь заражения у человека требует, чтобы инфицирующий вирус, попавший в полость ротоглотки, нашел там восприимчивые клетки с соответствующими рецепторами, способными связываться с вирусными частицами. Однако у людей реснитчатый эпителий, выстилающий верхние дыхательные пути, не располагает α-2,3-рецепторами; те особые рецепторы находятся только в нижних дыхательных путях. У людей в верхних дыхательных путях преобладают α-2,6-связи сиаловой кислоты олигосахаридов с галактозой (α-2,6-рецепторы). Представляется, что дефицит восприимчивых клеток с α-2,3-рецепторами в верхних дыхательных путях ограничивает масштабы воздушно-капельной передачи вируса у людей. Успешность передачи вируса птичьего гриппа H5N1 от человека к человеку зависит от способности вируса попасть в нижние дыхательные пути, где много восприимчивых клеток, несущих на своей поверхности α-2,3-рецепторы (Cauldwell et al., 2014). Это требует длительной и тесной экспозиции к вирусу, что случается достаточно редко. Напротив, вирус гриппа человека типа А адаптирован к распознаванию α-2,6-рецепторов, превалирующих в верхних дыхательных путях, а следовательно, этот вирус легко передается между людьми воздушно-капельным путем.

Возникает вполне резонный вопрос: почему вирус птичьего гриппа H5N1 не приобрел необходимых мутационных изменений для того, чтобы адаптироваться к людям и к передаче между ними? В чем заключается секрет ограниченного набора ГА- и НА- подтипов, которые достигли феноменальных успехов в вирусах, которые адаптировались к передаче от человека к человеку? Простого ответа нет, он ускользает от нас, это известное о неизвестном, но искать его стоит именно здесь, потому что только так можно будет оценить относительный риск пандемии, вызванной возбудителем птичьего гриппа. Многие ученые неоднократно пытались разобраться в сути этой проблемы.

Несмотря на тот факт, что вирусы птичьего гриппа H5N1 инфицируют диких и домашних птиц по всему миру, они так и не смогли создать эндемический плацдарм в человеческих популяциях и в популяциях других млекопитающих. Согласно данным Всемирной программы по гриппу ВОЗ, этот вирус в 2013 году стал причиной всего 40 случаев заболевания у человека (WHO, 2015d). Да, этот вирус с очень большим трудом передается от человека к человеку. Если бы простые мутационные изменения или перетасовка генных фрагментов могли создать легко передающийся от человека к человеку вариант вируса, то он возник бы уже давно. Представляется, что генетически вирус H5N1 весьма далек от генотипа с пандемическим потенциалом. Видимо, переход к такой способности представляет для вируса тяжелый эволюционный вызов. Учитывая, что всемирная готовность к будущей пандемической угрозе основана на наблюдениях за циркулирующими вирусными штаммами, разумно спросить, не существует ли каких-либо генетических отпечатков, которые нам стоило бы поискать. Что может сигнализировать о том, что произошло накопление опасных сочетаний генетических изменений в вирусах H5N1, достаточное для приобретения «пандемического фенотипа»? Без понимания генетических изменений, которые могут породить такой опасный фенотип, любое, самое тщательное наблюдение окажется бесполезным. В таком случае мы сможем оценить уровень угрозы только постфактум – после того, как пандемический вирус возник и поразил человечество беспощадной пандемией.

Тщательное и добросовестное изучение смертельно вирулентного пандемического вируса H1N1, вызвавшего испанку 1918 года, подтвердило, что его особый, уникальный фенотип был определен всей совокупностью его дополнительных генов (Tumpey et al., 2005). Использование нуклеотидных последовательностей вирусной РНК, извлеченной из тела жертвы эпидемии 1918 года, которая сохранилась в аляскинской вечной мерзлоте, позволило Тампи и его сотрудникам реконструировать в лаборатории вирус с таким же генотипом, который оказался таким же опасным, как и оригинал 1918 года. Ученые получили множество вирусов, комбинируя фрагменты генных последовательностей, смешивая вирусы H1N1 1918 года с генными последовательностями недавнего штамма H1N1 с низкой патогенностью для человека. Вирулентность вируса оценивали по результатам заражения мышей. Было обнаружено, что ГА вируса H1N1 1918 года и сегменты гена полимеразы сообщали более сильную вирулентность современному вирусу с генотипом H1N1 (этот результат подтвердил выводы предыдущей работы тех же авторов). Как бы то ни было, вирус со всеми восемью генными сегментами 1918 года оказался самым вирулентным из всех вирусов, с какими пришлось работать этой лаборатории. Это было экспериментальное свидетельство того, что пандемическому вирусу 1918 года удалось, на самом деле, создать настоящую «команду мечты». Для этого недостаточно было отдельных звезд; высочайшая патогенность стала результатом слаженной командной игры всех ее участников. Рекомбинация собрала генные сегменты, но нужный фенотип на основании данного генотипа сложился в ходе совместной эволюции под сильным давлением положительного отбора.

Помимо подбора генных сегментов с подходящими свойствами, главным в создании оптимально приспособленного вируса гриппа, способного, подобно H1N1 1918 года, вызвать тяжелую пандемию, было осуществление тонких адаптивных и сложных эпистатических взаимодействий между генными сегментами. Таким образом, пандемический вирус птичьего гриппа H5N1 должен приобрести способность связывать и инфицировать клетки верхних дыхательных путей человека. Несколько групп ученых исследовали потенциал генотипа H5N1 к адаптации для передачи между людьми воздушно-капельным путем. Доступность множества последовательностей генов ГА из популяций вирусов, поражающих людей и птиц, позволила исследователям точно понять, какие изменения в аминокислотной последовательности переключают ГА с аффинности к птичьим рецепторам на аффинность к рецепторам в верхних дыхательных путях человека. Вирусы птичьего гриппа, соответствующим образом модифицированные и содержащие нужные мутации, действительно меняют сродство к рецепторам и охотно связываются с α-2,6-рецепторами, экспрессируемыми на клетках верхних дыхательных путей человека. Тем не менее выяснилось, что эти вирусы плохо реплицируются и не демонстрируют облегчение передачи по сравнению с исходными вирусами (Maines et al., 2006; Maines et al., 2011). Своего рода прорыв случился в 2012 году в форме результатов, из которых следовало нечто, названное «приобретением функции». Эти работы породили множество противоречий и споров. Две независимые группы ученых попытались адаптировать вирус H5N1 для воздушно-капельной передачи между хорьками, содержащимися в рядом стоящих клетках (Herfst et al., 2012; Imai et al., 2012). Херфст и его коллеги создали вирус H5N1, содержащий несколько мутаций ГА, достаточных для переключения ее специфичности в связывании на α-2,6-рецепторы, которые преобладают в верхних дыхательных путях хорьков (и людей). Были также внесены изменения в ген вирусной полимеразы PB2, которые сообщили вирусам птичьего гриппа повышенную вирулентность в отношении клеток человека. Полученный вирус действительно вызывал заболевание у хорьков, но животные в соседних клетках не заболевали, так как вирус между ними воздушно-капельным путем не передавался. Используя классическую вирусологическую технику, ученые промывали носовые ходы больных хорьков, а затем этими смывами заражали здоровых хорьков. Эту процедуру повторяли несколько раз в ходе методики, называемой «серийным пассажем». Очень скоро вирусы приобрели способность передаваться воздушно-капельным путем между больными и здоровыми хорьками. Ученым, таким образом, удалось создать передаваемый воздушно-капельным путем вирус. Свои новые адаптивные мутации вирус приобрел во время репликации в организмах последовательно сменявшихся хозяев. Эти варианты передавались от хорьков хорькам, из клетки в клетку. Но обладал ли этот генотип пандемическим потенциалом?

Уважаемые академические учреждения разразились восторженными пресс-релизами, но международные СМИ отнеслись к этому делу иначе. Журналисты отнеслись к этой новости с суеверным ужасом; публику начали уверять в том, что ученые создавали пандемический вирус, способный убить все человечество. Очень скоро в газете «Independent» от 6 декабря 2013 года появилась статья, гласившая: «Эксперты предупреждают: исследования птичьего гриппа H5N1 могут привести к смертельной пандемии». Группа из пятидесяти шести влиятельных ученых выступили против экспериментов своих коллег, предупредив их в открытом письме, что пользы от их исследований гораздо меньше, чем вреда, что всегда существует опасность случайного выпуска на волю этого пандемического патогена. Таким образом, научный мир оказался расколотым; столкновение интересов, высокомерия, страхов и политики породило едкие газетные и журнальные заголовки. Несмотря на большую научную важность экспериментов с приобретением функции и критическую потребность в понимании сути взаимодействия организма человека с патогенами, очень многие встали на сторону пятидесяти шести ученых, которые назвали проведенные исследования слишком опасными, а результаты посчитали сомнительными. В октябре 2014 года, после серии обвинений в несоблюдении правил биологической безопасности (несоблюдение не касалось упомянутых работ) в государственных научных учреждениях, Белый Дом опубликовал политическое заявление, озаглавленное: «Постановление правительства США о совещании по поводу методики «приобретения функций» и о временной приостановке финансирования работ по «приобретению функций», касающихся вирусов гриппа, ближневосточного респираторного синдрома и тяжелого острого респираторного синдрома».

Исследования были лишены финансирования в США; дальнейшие работы, таким образом, застопорились. Но как далеко удалось продвинуться в понимании того, что может сделать H5N1 более серьезной угрозой здоровью человечества?

От внимания неистовствующей прессы, устроившей свистопляску после научной публикации, ускользнуло одно немаловажное обстоятельство: несмотря на то что удалось добиться воздушно-капельной передачи вируса, вирулентность его после серийного пассажа сильно снизилась по сравнению с вирулентностью исходного, родительского вируса. Действительно, пассированный вирус вызывал очень легкое недомогание у животных, заразившихся воздушно-капельным путем. Высокую летальность наблюдали только после искусственной инокуляции больших доз вариантного вируса в трахею хорьков, а это весьма неестественный способ заражения. Патогенные свойства вирусов были аттенуированы. «Петра ограбили, чтобы заплатить Павлу». Селекция вируса, способного к воздушно-капельной передаче, привела к совокупности генов с пониженной приспособляемостью. Вирус утратил способность вызывать тяжелую болезнь. Были надежды на то, что фенотип хорькового вируса будет напоминать таковой человеческого вируса, а это значит, что вирус не представляет серьезной опасности и для человека: на самом деле ученые создали жалкую пародию на патогенный вирус.

Абсолютно не соответствует действительности утверждение о том, что всего несколько мутаций отделяют вирус H5N1 от приобретения свойств пандемического вируса. На самом деле это далеко не так, потому что генетическая дистанция между генотипом H5N1 и вирусом с истинными пандемическими возможностями пока никому не известна. Было бы слишком самоуверенно считать, что мы можем предсказать конкретные аминокислотные замены, порядок их накопления или последовательность случайных (по определению) мутаций в геноме вируса гриппа, которые могут проложить путь к пандемическому фенотипу. Для того чтобы реализовать необходимые эволюционные изменения, может потребоваться одна (а чаще множество) мутация вместе с передачей генных сегментов от различных штаммов вируса гриппа. Короче говоря, это сложный и запутанный процесс, требующий множества малозаметных генетических изменений, вероятность которых может быть пренебрежимо мала, но ее, естественно, нельзя и игнорировать. Генотип птичьего гриппа H5N1 существенно отличается от вируса человеческого гриппа с пандемическим фенотипом. Вирусная линия подвергается межвидовой передаче и должна, соответственно, преодолеть видовой барьер между птицей и человеком. Если прибегнуть к аналогии ландшафта приспособленности, то можно представить себе генотип вируса H5N1 находящимся в отдаленной генотипической области ландшафта, на большом удалении от возвышенного места оптимальной приспособленности. Возможно, просто не существует мутационного перехода, который вел бы к вершине и адекватной приспособленности в организме человека, минуя залитую водой низину нежизнеспособности. Такой вирус будет либо плохо передаваться, либо обладать пониженной вирулентностью – и то и другое исключает способность вызывать масштабные эпидемии. С другой стороны, учитывая разнообразие метагенома вирусов птичьего гриппа, нельзя отрицать, что циркуляция H5N1 создает реальную и сиюминутную опасность возникновения пандемического штамма. Вероятность осуществления такого события попадает в категорию известного о неизвестном, но она не равна нулю.

Возникновение свиного варианта гриппа H1N1 стало причиной самой последней пандемии гриппа в 2009 году. Недавно выполненное исследование продемонстрировало высокую степень генетического родства между этим возникшим вирусом и штаммами H5N1 птичьего гриппа, которые эндемичны для популяции домашних птиц в Восточной Азии. Жизнеспособные и вирулентные вирусы возникали вследствие искусственной передачи генных сегментов между этими двумя штаммами в лабораторных условиях (Schrauwen et al., 2013). Возможно, нам стоило бы задуматься о том, что эти циркулирующие в природе естественные вирусы могут получить возможность рекомбинироваться в природе, создав новую траекторию в возникновении вариантов вируса птичьего гриппа H5N1. Но это уже относится к области неизвестного о неизвестном.

В 2014 году в тропических лесах Демократической Республики Конго возник вирус Эбола. Шестьдесят шесть человек заразились геморрагической лихорадкой; сорок девять человек умерли, смертность составила 76 %. Род Ebolavirus состоит из пяти видов вирусов: Заирский эболавирус, Бундибугио эболавирус, Суданский эболавирус, Таи лесной эболавирус и эболавирус Рестона. За исключением последнего, все они патогенны для человека. Вспышка была вызвана заирским штаммом, самым опасным и вирулентным из эболавирусов, которые могут поражать человеческую популяцию, изливаясь из природных африканских резервуаров. Заирский вирус Эбола несколько раз появлялся в Демократической Республике Конго сравнительно недавно – в 2007 и 2008 годах. Эти повторные вспышки привели ученых к мысли о том, что этот вирус является эндемическим или даже эпидемическим среди диких животных, обитающих в этом регионе. Этот вид вируса впервые вызвал заболевание у человека в 1976 году, в Ямбуку, в Заире (ныне Демократическая Республика Конго), и это была самая тяжелая из всех вспышек заболевания. Из-за полного невежества относительно природы заболевания (которое до тех пор никто никогда не видел) вирус быстро передавался от человека к человеку из-за тесных контактов и применения нестерильных игл и шприцев в местной клинике; из 318 заболевших от геморрагической лихорадки погибли 90 %. В какой-то степени мы уже приучились к периодическим вспышкам лихорадки Эбола. Уроки, извлеченные из ранних вспышек в Заире, Судане, Габоне и на Берегу Слоновой Кости, приготовили местные общины к бдительности в отношении заболевания. Если удается вовремя провести профилактические мероприятия, то масштабы вспышки, как правило, оказываются ограниченными. Несмотря на высокую контагиозность геморрагической лихорадки Эбола (вирус передается при контакте с телесными жидкостями больного с явными признаками заболевания или через зараженные предметы), каждая из вспышек, при всей тяжести страшного заболевания, не вызывала перегрузки для местных органов здравоохранения. Во время зарегистрированных вспышек зоонозные штаммы вируса Эбола никогда не получали возможности устойчиво передаваться от человека к человеку, что могло бы стимулировать адаптивную эволюцию в отношении человека. Все случаи представляли собой тупиковые инфекции, и возникшие линии вируса утрачивались, когда прекращалась вспышка. Вспышка геморрагической лихорадки Эбола в Демократической Республике Конго в 2014 году имела такую же структуру и была быстро ликвидирована. В другом месте Африки, в Гвинее, имела место другая вспышка лихорадки Эбола, но она протекала совершенно иначе. Геморрагическая лихорадка Макона вызвала разрушительную по масштабам эпидемию, напомнив человечеству о возможных глобальных последствиях возникновения зоонозных вирусных болезней даже на отдаленных континентах.

Вспышка геморрагической лихорадки Макона, какой бы трагической она ни была, дала нам уникальную возможность собрать эмпирические наблюдения, касающиеся биологии и эволюции вируса Эбола. Твердо установленные данные пришли на смену умозрительным рассуждениям. Мы начнем с самого начала и обсудим семейство Filoviridae, которое состоит из трех родов: Ebolavirus, Marburgvirus и Cuevavirus. Среди этих родов и среди пяти идентифицированных видов рода эболавирусов существует обширный спектр патогенности в отношении людей и других приматов. Знаменитый эболавирус Рестона стал известен после того, как вызвал смертоносную вспышку заболевания у обезьян, живших в одном американском виварии. Страх перед смертоносной вирусной геморрагической лихорадкой, угрожавшей разразиться в сердце США, был почти осязаемым, но малообоснованным. Вспышки, которые привлекли наше внимание в центральной Африке, были связаны с тяжелым, часто смертельным заболеванием людей и приматов. Вспышки среди людей протекали одновременно с вымиранием живших в дикой природе животных (Leroy, Rouquet et al., 2004). Эти вспышки порождают такой страх, потому что вирус реплицируется с невероятной эффективностью, не поддается лечению и приводит к сильному воспалительному ответу, вызывающему типичные симптомы для филовирусных инфекций: чрезвычайно высокая температура, кровоизлияния из мелких сосудов и нарушения свертывания крови. Ирония заключается в том, что быстрота, с которой инфекция поражает жертву, и ужасные симптомы заболевания являются теми факторами, которые препятствуют способности поддерживать устойчивую цепь передачи инфекции от человека к человеку. Вирус слишком патогенен, для того чтобы вызвать пандемию. Для передачи вируса необходим прямой контакт с телесными жидкостями инфицированного человека, поэтому сочетание эффективных карантинных мероприятий, отслеживание контактов и оснащение лечебных учреждений средствами личной профилактики, как правило, прекращает вспышку. Эти меры не были бы столь эффективными, если бы вирус распространялся воздушно-капельным путем, то есть при кашле и чихании. Таким может быть сценарий следующей пандемии гриппа или других респираторных заболеваний, таких как тяжелый атипичный респираторный синдром, которые могут передаваться воздушно-капельным путем в виде мелкодисперсных аэрозолей и распространиться по миру в считанные дни или недели.

Высокопатогенные филовирусы обязаны своим успехом (по крайней мере в том, что касается способности вызывать заболевание у человека) первоклассной системе ухода от иммунного ответа, а также способности поражать широкий спектр разнообразных клеток и тканей (Zampieri, Sullivan, Nabel, 2007). Естественные системы противовирусной защиты, которые наши организмы и составляющие их клетки используют для выявления вирусной инфекции и для ответа на нее, буквально обходятся патогенными филовирусами, которые оставляют организм беззащитным перед своим вторжением. Вирус развил у себя механизмы, которые препятствуют распознаванию патогена клеточными рецепторами, реагирующими на чужеродную вирусную рибонуклеиновую кислоту в цитоплазме. При отказе этих систем раннего внутриклеточного оповещения они теряют способность мобилизовать секрецию интерферона в ответ на вирусную инфекцию. К инфицируемым клеткам относятся также CD4⁺ и CD8⁺ лимфоциты, то есть те самые клетки, которые отвечают за продукцию антител и за клеточно-опосредованный иммунитет. Помимо этого, филовирусы обладают способностью к посттранскрипционным исправлениям в транскриптах мРНК. Эта способность имеет место и у других вирусов порядка Mononegavirales. Другими словами, информация, закодированная в мРНК, может отличаться от информации, закодированной в гене (Volchkov et al., 2001). Этот механизм позволяет вирусу синтезировать множество разных форм оболочечного гликопротеина, пользуясь всего одним геном. Одна из форм не связана с оболочкой вириона, но находится в цитоплазме свободно. Эта растворимая форма гликопротеина является отвлекающим маневром, с помощью которого вирус отводит удар антител от вириона и инфицированной клетки. Свободно плавающий белок в еще большей степени ослабляет нашу способность к подавлению инфекции; это необычный эпитоп, который направляет иммунный ответ таким образом, что ответ не оказывает действия на инфицирующую способность самого вируса. Вирус инфицирует макрофаги и дендритные клетки, которые инфильтрируют ткани и органы тела, широко разнося вирус по организму. Цитолиз дендритных клеток также препятствует осуществлению врожденного противовирусного ответа и предотвращает представление вирусных антигенов адаптивному плечу иммунной системы. Такой богатый арсенал позволяет вирусу реплицироваться с очень высокими титрами в тканях и в телесных жидкостях, и поэтому непосредственный контакт с телесными жидкостями обеспечивает эффективный перенос вируса в организм нового хозяина.

Передача вируса Эбола в виде мелкодисперсного аэрозоля представляется очень редкой, если она вообще возможна. Вероятно, оказавшиеся в воздухе частицы нестабильны, или же количество вирусов, содержащихся в мелких частицах, недостаточно для передачи инфекции новому хозяину. Альтернативно, ротоглотка и легкие могут не быть оптимальными входными воротами инфекции. Тем не менее важно отметить, что эболавирус Рестона может эффективно передаваться в эксперименте рото-носовым путем, и нельзя с полной уверенностью исключить воздушно-капельное заражение сотрудников Рестонской лаборатории (Marsh, Hanning, Robinson, 2011; WHO, 2009). Генетическое разнообразие, которое могут опробовать вирусы рода эболавирус, может быть достаточным для сохранения широкого спектра вирулентности у людей и, вероятно, различных степеней возможности к передаче воздушно-капельным путем среди прочих приматов за исключением людей (Miranda, Miranda, 2011). Генетические различия, лежащие в основе различия фенотипов, остается загадкой. Неясно, какое генетическое расстояние отделяет виды Эбола, которые могут распространяться в мелких аэрозольных частицах, от тех видов, для заражения которыми необходим тесный телесный контакт с достаточно большими количествами телесных жидкостей (можно только гадать, сохраняет ли первый тип вируса столь же высокий уровень патогенности).

Единичная фенотипическая разница, отличающая высокопатогенные типы эболавирусов (например, вирус геморрагической лихорадки Эбола) от вирусов, вызывающих доброкачественное заболевание (эболавирус Рестона), вполне понятна. Эта разница проистекает от различий на уровне взаимодействия вируса и хозяина, которое модулирует способность вируса к извращению наших врожденных и адаптивных иммунных ответов. Несмотря на дивергенцию нуклеотидных последовательностей, подлинный характер генетических различий, за счет которых кодируются разные патогенные свойства этих линий вирусов Эбола, остается загадкой, погруженной во тьму сложной и запутанной эволюционной истории. Неудивительно, что эти разнообразные вирусные визитеры, непрошено посещающие нас, обладают разной степенью вирулентности, так как они в течение длительного времени эволюционировали независимо друг от друга, возможно, в организмах разных хозяев, служивших для вирусов резервуарами.

Невзирая на успешные в целом попытки обуздать межвидовые перескоки вируса Эбола, им были инфицированы 2500 человек, из которых более тысячи пали жертвой заболевания за период с 1976 года, когда вирус впервые появился, по 2013 год. С человеческой точки зрения, это весьма внушительные цифры, но, с другой стороны, они вселяют уверенность в том, что вирус Эбола едва ли сможет стать причиной глобальной эпидемии или стать эндемическим вирусом для людей, подобно ВИЧ. Так же как зоонозный SIVcpz, который посеял пандемию ВИЧ среди людей, межвидовая передача вируса Эбола чаще всего происходит в результате прямого контакта с инфицированными приматами (или с трупами приматов). Во всяком случае, так происходило заражение во время вспышки в Демократической Республике Конго в 2014 году, которая протекала по прежнему обнадеживающему сценарию и быстро угасла. Другая вспышка, случившаяся в Гвинее, была необычной с самого начала. За исключением единственного случая, все остальные вспышки регистрировались в Центральной Африке. Тот исключительный случай имел место в Кот-д’Ивуаре, где заболевание было вызвано заражением от инфицированного шимпанзе. После этой вспышки вызвавший его вирус больше не появлялся. Открытие того факта, что вирусы Эбола циркулируют среди животных Гвинеи, удаленной от экваториального района Центральной Африки, стало весьма неприятным сюрпризом. Самым тревожным был беспрецедентный масштаб вспышки, поколебавший твердое убеждение в том, что вирусы Эбола никогда не смогут стать причиной глобальной эпидемии и эндемическими для человека вирусами.

Все началось с возникновения нераспознанного заразного заболевания в глухих районах Гвинеи, и прошло некоторое время, прежде чем вспышка привлекла внимание международных организаций в марте 2014 года; нет никаких сомнений, что вспышка началась в декабре 2013 года. Нулевым пациентом стал двухлетний ребенок, девочка по имени Гекеду из деревни Мелианду. У ребенка возникли симптомы, характерные для этой вспышки: лихорадка, кровавый понос и рвота. Исторически сложилось так, что эболавирусные инфекции получили название геморрагическая лихорадка Эбола, но недавно этот термин заменили другим – болезнь вируса Эбола, чем хотели подчеркнуть, что симптомы болезни могут различаться для разных вспышек. Наружное кровотечение (геморрагии) не наблюдали во время эпидемии лихорадки Эбола 2014 года.

Первое сообщение об этой вспышке появилось в научной литературе в октябре 2014 года (Baize et al., 2014). Штаммы обнаруженного вируса были исследованы, и ученым удалось расшифровать всю нуклеотидную последовательность его генома, что позволило выявить филогенетические отношения с вирусами, вызывавшими предыдущие вспышки. Это был самостоятельный таксон вируса Эбола, не являвшийся прямым потомком выделенных ранее вирусов. Быстрота проведения анализа ознаменовала еще одно отличие этой вспышки: ученые впервые смогли проанализировать генотипы и эволюцию эболавируса почти в режиме реального времени. Анализ изолированных групп пациентов позволил собрать необходимые эпидемиологические данные о передаче болезни, и ученым удалось ретроспективно проследить все этапы распространения вируса. Развитие эпидемии проследили до заболевания и смерти членов семьи нулевой больной, акушерки, которая ходила по деревням, плакальщиц на похоронах, которые разнесли инфекцию по своим родным деревням. Вспышка быстро распространилась вдоль шоссе, ведущего в Конакри – столицу Гвинеи и крупный город, где первые случаи заболевания были зарегистрированы к марту 2014 года. После этого эпидемия перешагнула государственную границу Гвинеи. Два штамма возбудителя были обнаружены в Сьерра-Леоне после того, как плакальщицы, присутствовавшие на похоронах в Гвинее, пронесли вирус через границу. На пике эпидемии болезнь свирепствовала в Гвинее, Сьерра-Леоне и Либерии. Вспышки в Нигерии и Мали были быстро локализованы, но инфекция тем не менее достигла Сенегала, США, Великобритании, Испании и Италии. Всемирная организация здравоохранения объявила о международном уровне опасности.

Почти через два года после заболевания ребенка в Гвинее ВОЗ сообщила о 25 575 случаях заболевания. Умерли 11 313 человек (WHO, 2015c). Неделя, закончившаяся 4 октября 2015 года, стала первой, в течение которой начиная с марта 2014 года не было зарегистрировано ни одного нового случая заболевания. 4 октября из больницы в Сьерра-Леоне был выписан последний больной. Казалось, что со вспышкой было покончено. Тем не менее в конце октября в Гвинее были зарегистрированы новые случаи. Беспрецедентный масштаб эпидемии, захватившей Сьерра-Леоне, Либерию и Гвинею, был поразительным и обескураживающим. По мере распространения эпидемии заболеваемость в Сьерра-Леоне и Гвинее стала снижаться на фоне противоэпидемических мероприятий. Самая большая опасность катастрофического развития событий исходила теперь из Либерии, где в течение некоторого времени заболеваемость росла по экспоненте, что говорило о неконтролируемом распространении болезни (Fishman, Khoo, Tuite, 2014). Помимо озабоченности по поводу гуманитарной катастрофы местного значения, возникла тревога в связи с реальной возможностью перерастания вспышки в глобальную пандемию. С точки зрения эволюционной вирусологии вирус лихорадки Эбола получил неограниченный и неконтролируемый доступ в организм человека и возможность осуществлять передачу по многочисленным и независимым цепям. Это, конечно, является движущей силой эволюции под отчетливым давлением отбора со стороны нового хозяина – человека. Был поставлен вопрос: приведет ли адаптивная эволюция к таким генотипическим изменениям вируса, которые смогут повлиять на исход эпидемии? Сможет ли эволюция трансформировать эболавирусы в такой же успешный патоген, как вирус СПИДа, появившийся на пятьдесят лет раньше?

Наихудший из возможных сценариев эпидемии болезни Эбола, к счастью, не был разыгран. Это отнюдь не означает, что такой сценарий невозможен и его не надо принимать в расчет или считать, что следующая вспышка не будет протекать по-другому и с более страшными последствиями. Вирусы Эбола обладают всеми теми свойствами РНК-содержащих вирусов, которые делают их способными легко преодолевать межвидовые генетические барьеры. Именно эта чрезвычайная адаптивная способность и эволюционная изобретательность позволяет им часто покидать экологические ниши одних хозяев и переходить в экологические ниши других хозяев. Поэтому было бы неразумным приписывать нулевую вероятность адаптации вирусов Эбола к человеку в будущем и стать его эндемическим патогеном. Давайте рассмотрим принципиальную озабоченность международного медицинского и научного сообщества по поводу этой эпидемии и подумаем, была ли эта озабоченность чрезмерной или вполне адекватной. Потом мы взглянем на нее в свете того, что нам известно об эволюции РНК-содержащих вирусов, и в свете учения, возникшего на основании анализа сотен штаммов вирусов Эбола, собранных во время рассмотренной выше эпидемии 2013–2015 годов.

Успешный зоонозный вирус должен иметь репродуктивное число, превышающее единицу, то есть R₀ > 1, указывающее на то, что на каждую первичную инфекцию приходится больше одной вторичной инфекции. Две характеристики эболавирусов (а также и других филовирусов) являются фундаментальными барьерами, мешающими этим вирусам стать успешным человеческим зоонозом. Во-первых, твердо установлено, что передача эболавирусов требует относительно тесного контакта с телесными жидкостями инфицированного человека; вирус, совершенно определенно, не передается свободно при кашле и чихании, как вирусы гриппа или риновирус, и не может распространиться в заполненном людьми помещении, как это делает вирус кори, которому присущ воздушно-капельный путь передачи. Во-вторых, заразны только больные с явными симптомами заболевания, а симптомы заболевания очень тяжелы; их болезнь очевидна для окружающих, а, кроме того, больные, в силу тяжести состояния, не способны путешествовать. Это ограничения, которые вирус Эбола должен преодолеть для того, чтобы успешно распространяться в человеческой популяции.

В марте 2015 года Майкл Остерхольм, эпидемиолог из университета штата Миннесота, опубликовал свое обоснованное мнение в журнале mBio, в статье озаглавленной цитатой из того же Дональда Рамсфельда: «Передача вирусов Эбола: что мы знаем и чего мы не знаем». Авторы статьи исследовали некоторые животрепещущие темы, относящиеся к передаче эболавирусов от больных с легкой формой инфекции или с бессимптомно протекающей инфекцией, в попытке разобраться, способен ли серийный пассаж (последовательная передача вируса от хозяина к хозяину) во время вспышек заболевания влиять на передачу вируса, и, конечно, разобраться, не существует ли возможности передачи вируса воздушно-капельным путем. Печально, что этой статье в mBio предшествовала его же статья в «New York Times» от 12 сентября 2014 года, озаглавленная «Что мы боимся сказать об Эбола». Статья была выдержана в эмоциональных и алармистских тонах и была предназначена для широкой публики, которой было заявлено: «Гиперэволюция вируса Эбола является беспрецедентной», а далее говорилось: «Если произойдут определенные мутации, то это будет означать, что для того, чтобы заразиться, будет достаточно просто подышать рядом с больным. Инфекция может быстро распространиться в любой уголок мира, как это случилось в 2009 году, когда из Мексики по всему миру распространился вирус гриппа H1N1». Первое утверждение, очевидно, неверно; это преждевременное высказывание, которое не смогло пройти проверку научными методами в результате наблюдения за эпидемией (подробно мы обсудим этот вопрос в следующей главе). Второе утверждение формально верно, но оно сделано без учета генетического расстояния, которое очень часто препятствует переходу одного фенотипа в другой. Высокий генетический барьер лишил вирус птичьего гриппа H5N1 способности освоить передачу инфекции воздушно-капельным путем среди людей. Более того, когда этого удалось добиться в лаборатории, вирус утратил свою вирулентность. Действительно, несмотря на довольно-таки успешную адаптацию к новому хозяину, изменение пути передачи и тканевого тропизма встречаются у вирусов крайне редко. Это верно даже для РНК-содержащих вирусов, известных своей эволюционной ловкостью. Да, изменения такого рода происходят, но не часто. Вот два известных примера: превращение вируса птичьего гриппа из успешно адаптированного кишечного патогена в вирулентный и контагиозный респираторный вирус человека – это первый пример. Примечательно, что изменение пути передачи и тропизма потребовали одновременных компенсаторных изменений. Успешный вирус человеческого гриппа проявляет большую патогенность в организме своего нового хозяина, что позволяет ему распространяться благодаря симптоматике (при кашле и чихании, воздушно-капельным путем). Второй необычный случай связан со свиным кишечным коронавирусом, единичная мутация в геноме которого, приводящая к изменению в белке вирусной оболочки, может превратить его в респираторный патоген – свиной респираторный коронавирус (Zhang et al., 2006). Несмотря на то что этот вирус легко распространяется между свиньями воздушно-капельным путем, он намного менее патогенен, чем предшественник, от которого он произошел. Это очень напоминает экспериментально полученные варианты вируса птичьего гриппа H5N1. Успех новой вирусной линии с измененным способом передачи является многофакторным и в типичных случаях сочетается с другими фенотипическими изменениями. Чаще всего новым вирусным разновидностям приходится поступаться своей вирулентностью!

Перед подробным разбором того, что мы эмпирически узнали об эволюции эболавирусов во время их недавнего, довольно продолжительного пребывания среди людей, нам будет полезно рассмотреть некоторые возможные сценарии адаптации вируса в человеческой популяции. Призрак повышенной вирулентности является, конечно, самым тревожным исходом адаптации (если она имеет место). Вирусы с повышенной вирулентностью способны реплицироваться до более высоких титров, а следовательно, способны к более эффективной передаче. Вирусы, выделяющиеся в более высоких титрах, имеют селективное преимущество перед своими менее вирулентными сородичами. Имея это в виду, мы все же отметим, что нарастание вирулентности часто оказывается губительным для штамма, так как приводит к снижению значения репродуктивного числа. Высокая вирулентность может приводить к быстрой гибели жертвы и укорочению инфекционного периода (в течение которого происходит выделение вируса), что ограничивает возможность передачи. Давление отбора устанавливает равновесие, и совершенно неочевидно, что отбор будет благоприятствовать повышению вирулентности. Разнообразие адаптивных изменений может привести к появлению более успешной вирусной линии и повлиять на исход эпидемии. Ослабленная вирулентность позволяет инфицированным индивидам дольше пребывать в состоянии виремии и сохранять заразительность на фоне достаточно легкой симптоматики, ибо увеличение продолжительности этого периода может повысить репродуктивное число. Этот новый вирус может стать более успешным инфекционным агентом, который сможет распространиться в более обширной популяции, чем та, которая была инфицирована эболавирусами. Если даже у небольшого процента таких больных разовьется тяжелая или смертельная болезнь, то это приведет и к большей нагрузке на органы здравоохранения. Точно так же, несмотря на то что сегодня комитет по профилактике и контролю заболеваемости ограничивает инкубационный период при инфекциях эболавирусами тремя неделями, если появится вирус, вызывающий заболевание с инкубационным периодом 100 дней, то эпидемиологическая картина сильно изменится. Вирус сможет мигрировать на большие расстояния, и проводить карантинные и прочие противоэпидемические мероприятия станет намного сложнее.

Известно, что есть индивиды, которые, будучи инфицированными вирусами Эбола, не выказывают никаких признаков болезни (Leroy et al., 2000); возможно, эти люди обладают генотипом, который позволяет сопротивляться высокой вирулентности вируса. Выглядит вполне правдоподобным, что если вирус инфицирует достаточное число людей (естественно, обладающих разнообразными генотипами), то он, возможно, инфицирует и тех индивидов, которые являются исключительно эффективными распространителями; у таких людей заболевание может протекать бессимптомно, или возможно, что организм сумеет противостоять болезненным проявлениям, но без подавления репликации вируса. Такие индивиды будут способствовать широкому распространению эпидемии, а также могут послужить источником новых вирусных штаммов, обладающих способностью к более эффективной передаче.

В целом эти рассуждения о потенциальных эволюционных траекториях эболавирусов относятся к категории известного о неизвестном. Мы можем просто отметить, что это более или менее вероятные исходы зоонозной передачи и что редкие события будут более вероятны при массовой эпидемии с большим числом передач. Даже то, что мы можем считать известным об известном в отношении биологии вирусов Эбола и в отношении вызываемых ими заболеваний, основано в конечном счете на немногих исследованиях и на наблюдении немногочисленных больных. Ведь всего за считанные месяцы 2013–2015 годов число инфицированных эболавирусами превысило суммарное число инфицированных до этого после первого появления этих вирусов в 1976 году.

В наше понимание эволюции эболавирусов во время эпидемии 2013–2015 годов внесли вклад многие группы ученых. Некоторые прежние, принятые по умолчанию допущения относительно вспышек эболавирусной инфекции были подтверждены, а также были получены новые знания по эпидемиологии на основании наблюдения генетических изменений в расходящихся в ходе филогенеза вирусных линиях. Никогда прежде у ученых не было возможности секвенировать геномные последовательности вирусов после их многочисленных передач от человека к человеку. Эболавирусы располагают геномом, состоящим из отрицательной цепи РНК, которая реплицируется с помощью РНК-полимеразы, и мы ожидаем, что ошибочное включение одного или двух нуклеотидов в дочерние геномы может создать отличную популяцию вирусов, составляющую квазивид. Этот квазивид является объектом очищения или диверсификации под действием давления положительного отбора внутри организма-хозяина и, конечно, во время передачи новому хозяину, когда вирусу приходится преодолевать узкое бутылочное горлышко. Ширина горлышка определяется минимумом инфицирующей дозы. Результаты первого анализа доступных геномных последовательностей вирусов, выделенных в Гвинее и Сьерра-Леоне, появились осенью 2014 года (Gire et al., 2014; Baize et al., 2014). Несколько наблюдений позволили охарактеризовать природу вспышки заболевания. Оно возникло в результате единичной межвидовой передачи в человеческую популяцию: все полученные штаммы имели происхождение от одного вируса, который появился в начале того года в Гвинее. Этот вирус представлял отдельный самостоятельный таксон, произошедший от линий вирусов, циркулировавших в Центральной Африке на протяжении предыдущего десятилетия. Каждая из зарегистрированных вспышек эболавирусной инфекции вызывалась независимым зоонозным событием, передачей человеку вирусов, циркулирующих в природных резервуарах. Эти наблюдения научили нас, что, по всей вероятности, эболавирусы циркулировали в природном животном резервуаре в обширных регионах Африки задолго до их первого обнаружения в 1976 году. Это противоречит более раннему предположению о том, что картина последовательных вспышек отражает фронт наступления эпидемии вновь появившихся эболавирусов, распространяющихся по Африке (Wittmann et al., 2007).

Изучение геномов эболавирусов, выделенных из клеток семидесяти восьми больных в Сьерра-Леоне (Gire et al., 2014), подтвердило, что эпидемия была вызвана двумя самостоятельными штаммами, переданными из Гвинеи. Эти же ученые обнаружили разнообразные мутации этих штаммов, некоээиторые из них были несинонимическими, а значит, могли указывать на возможность адаптивных эволюционных изменений. Более того, частота нуклеотидных замен оказалась выше во время эпидемии, чем в промежутках между вспышками. Это наблюдение и побудило Остерхольма закричать: «Волки!» и предположить, что вирус мутирует быстрее, чем в норме, а значит, существует опасность его воздушно-капельной передачи. Это станет ясно, когда я перейду к обсуждению более поздних исследований, выполненных той же и другими группами ученых, которые убедительно показали, что это не так. Чтобы быть честными по отношению к авторам, необходимо добавить, что они сопроводили свое сообщение о повышении частоты мутаций во время эпидемии соответствующими оговорками. Эту частоту можно было переоценить из-за незавершенного очищающего отбора, феномена, который позволяет некоторым губительным мутациям существовать в смешанных популяциях до того, как они будут уничтожены очищающим отбором. В этом отношении научное содержание статьи было корректным и уравновешенным, если ее внимательно читать.

Эпидемия в Сьерра-Леоне была предметом более полных последующих исследований, выполненных в основном теми же авторами (Park et al., 2015), которые теперь имели доступ к последовательностям эболавирусов, взятых более чем у 300 больных, и ученые получили возможность охарактеризовать мелкие варианты вируса, которые могли встречаться в организме одного хозяина. Теперь можно было исследовать новый слой эволюционного пазла: возникновение полиморфизма, мутантов, составляющих значимое меньшинство вирусных квазивидов, циркулирующих в организме одного пациента. Вспышка заболевания в Сьерра-Леоне, действительно, была вызвана передачей двух штаммов эболавирусов – SL1 и SL2 из Гвинеи. SL2, предположительно, развился ранее из SL1 и накопил с тех пор четыре мутационных изменения. В свою очередь, очень скоро возникла третья линия – после того, как вирус проник в Сьерра-Леоне. Вначале он был идентифицирован как минорный вариант, извлеченный из крови единственного больного, но вскоре он стал доминирующим штаммом, направлявшим эпидемию в Сьерра-Леоне. Возможность выявлять минорные варианты, различающиеся по частоте у разных больных, говорит об одном интригующем аспекте передачи эболавирусов, который может иллюстрировать главное препятствие для эволюции к повышенной трансмиссивности или к возможности воздушно-капельной передачи. Авторы отметили, что в некоторых изолированных группах больных были обнаружены полиморфизмы, варианты, отличающиеся друг от друга на один нуклеотид от доминирующего в популяции генотипа. Новому хозяину иногда совместно передавались геномы с разными последовательностями, что поддерживает идею о том, что инфекционный вирусный инокулят состоит из разнообразной популяции вирусов, представленной циркулирующими в крови вариантами хозяина-донора. Это говорит о существенной ширине бутылочного горлышка и позволяет предположить, что успешное инфицирование требует переноса в организм нового хозяина большого числа вирусных частиц. Эмпирическое наблюдение, согласно которому для успешной передачи вируса от человека к человеку требуется непосредственный контакт с инфицированными телесными жидкостями, согласуется с необходимостью крупного вирусного инокулята для успешной передачи вируса. Это может быть большим препятствием на пути эволюционирования эболавирусов к возможности передачи воздушно-капельным путем, так как в капельке содержится, как правило, недостаточно много вирусов.

Поиск мутационных изменений, указывающих на адаптивную эволюцию вирусов во время эпидемии, привел к осуществлению обширного геномного анализа несинонимических и синонимических нуклеотидных замен. Эти исследования дали большой материал, указывающий на то, что положительный отбор оказывает действие на многие генные последовательности эболавирусов, которые обогащаются несинонимическими мутациями. Как и ожидалось, наблюдаемая частота несинонимических нуклеотидных замен снижается по мере течения вспышки, что согласуется с текущим воздействием очищающего отбора, как это было предсказано Джиром и его коллегами, когда они изучали геномы более ранних штаммов (Gire et al., 2014). Положительный или диверсифицирующий отбор является менее ограниченным во время вспышки 2013–2015 годов, чем в периоды между вспышками, что говорит о том, что степень давления отбора выше тогда, когда вирус адаптируется к новому хозяину. Особенно это видно в том, что положительный отбор в домене муцина вирусного гликопротеина действует сильнее, чем в других областях генома, как во время вспышек, так и между ними. Представляется весьма вероятным, что распознавание наружных гликопротеинов вириона антителами хозяина приводит к отбору вариантов, способных ускользать от иммунного ответа; если это так, то отсюда следует, что в резервуаре природных хозяев тоже присутствуют антитела, которыми хозяева реагируют на вторжение вируса. Ученые смогли экспериментально подтвердить это подозрение. В своей работе они использовали знания об антительном иммунном ответе у человека для того, чтобы вывести, какие пептидные последовательности белков эболавирусов должны с наибольшей вероятностью распознаваться человеческими B-клетками. Эти B-клеточные эпитопы были обогащены несинонимическими мутациями, которые являются избегающими мутациями, позволяющие вирусам уходить от ударов антител. Этот феномен иммунного избегания напоминает об адаптивной эволюции ВИЧ и вируса гриппа, которые быстро осуществляют генотипические изменения в своих антигенных белках, чтобы избежать целенаправленного адаптивного иммунного ответа.

Знания о геномных вариациях во время эпидемии эболавирусов, накопленные к настоящему времени, говорят о том, что нуклеотидные замены фиксируются в популяции положительным отбором и что вариантные линии могут расходиться и эволюционировать независимо друг от друга (Gire et al., 2014; Park et al., 2015; Olabode et al., 2015; Simon-Loriere et al., 2015). Тем не менее наблюдаемые мутационные изменения не связаны ни с какими изменениями в болезнетворных свойствах или в путях передачи, а тщательное изучение изменений в аминокислотных последовательностях белков эболавирусов, возникших во время эпидемии, показало полное отсутствие изменений в их функциях (Olabode et al., 2015). Наша неспособность понять суть адаптивных фенотипических изменений в линиях эболавирусов может ввести в заблуждение. До сих пор не были проведены исследования поведения вирусов в модельных системах. Такие исследования могли бы выявить тонкие фенотипические различия и адаптивные преимущества разных вирусных генотипов. Остается неясным, является ли адаптивным изменение, которое может возникнуть во время эпидемии вируса Эбола, даже такой продолжительной, как только что нами рассмотренная, и может ли это изменение быть достаточным для того, чтобы повлиять на исход будущих эпидемий. Несомненно, что так же, как другие РНК-содержащие вирусы, эболавирусы обладают замечательной способностью к генетической пластичности и быстрым адаптивным эволюционным изменениям, которые позволяют осуществлять межвидовую передачу вирусов. Есть представители вида эболавирусов с совершенно иными фенотипами вирулентности у человека, а также, вероятно, обладающие потенциалом воздушно-капельного распространения, как респираторные вирусы. Эболавирус Рестона является сигнальным экземпляром; он беспощадно патогенен для приматов, но не вызывает явного заболевания у человека. Было также показано, что он вызывает эпидемии среди низших обезьян, и передается между обезьянами и свиньями воздушно-капельным путем. Такие наблюдение и наше невежество относительно генетических различий, которые обусловливают отличие эболавируса Рестона от вирусов лихорадки Эбола, предупреждают об опасности недооценки способности вируса Эбола удивить нас каким-нибудь сюрпризом, если он получит возможность распространяться в человеческой популяции или претерпит адаптивные изменения в таких промежуточных хозяевах, как приматы. Вероятно, самое важное – это то, что эболавирусы создали и испытали такое генетическое разнообразие, которое никогда прежде не встречалось в вирусах, поражавших человеческие популяции. Возможно, Остерхольм был неправ в своих алармистских высказываниях, но он прав, подчеркивая, что «каждая новая инфекция представляет собой несколько бросков генетических костей». При исследовании новой генетической территории мутационные изменения фиксируются в вирусных линиях, и это успешно сохраняет их приспособленность и вирулентность для человека. Тем не менее нет никаких намеков на то, что эболавирусы приобретают в результате более угрожающую патогенность. Здравый смысл подсказывает, что теперь, когда вспышка осталась позади, все разнообразие, исследованное вирусами, будет утрачено и следующая зоонозная инфекция начнется с другой вирусной линии, которая в настоящее время циркулирует среди животных, в своем природном резервуаре. Эта линия никогда прежде не имела дела с людьми. Так будет, если вирус не нашел укромное убежище в качестве персистирующей инфекции в клетках некоторых новых хозяев.

Вспышка заболевания Эбола в 2013–2015 годах сломала многие стереотипы; прежний опыт изучения зоонозных филовирусных заболеваний был ограничен всего несколькими тысячами случаев инфекции, вызванных набором генетически различных линий филовирусов. Беспрецедентное число инфицированных людей выжило в ходе это длительной вспышки. Таких людей насчитывается около 13 тысяч, и их можно считать родившимися в сорочке счастливцами, но теперь выясняется, что болезнь не прошла для них бесследно. Все они страдают от целого букета постинфекционных осложнений, включая боли в суставах и повышенную утомляемость. У многих отмечаются расстройства зрения и преходящие поражения мозговых оболочек. Возьмем для примера случай американского врача Йена Крозье. Он поправился после заболевания, которым заразился, будучи волонтером ВОЗ в Сьерра-Леоне, но через несколько месяцев после выздоровления был снова госпитализирован для лечения поражений глаз и острой глаукомы. Вирус нашел прибежище в его глазу, органе, внутренняя среда которого отчасти отделена от влияния иммунной системы; ученым удалось выделить активные эболавирусы из водянистой влаги глаза, где вирусы продолжали размножаться после выздоровления от лихорадки. Эти осложнения встречаются отнюдь не редко, и к настоящему времени накоплено достаточно данных о том, что вирус можно выделить из грудного молока и семенной жидкости пациентов, клинически выздоровевших после перенесенной лихорадки Эбола (Bausch et al., 2007; Rodriguez et al., 1999; Deen et al., 2015). Документально подтвержден по крайней мере один случай заражения эболавирусом в результате полового контакта (Mate et al., 2015). Это весьма тревожное наблюдение; подобно лесному пожару, который представляется потухшим, эпидемия продолжает тлеть в торфяном болоте, угрожая снова вспыхнуть и требуя постоянной бдительности. Чрезвычайная устойчивость вируса, его способность долго сохраняться в человеческом организме могут иметь значимые последствия для нашей способности на самом деле искоренить лихорадку Эбола. Возможно, нам удается обнаруживать «случайное» сохранение вируса только потому, что в случае последней вспышки у вируса появилась возможность инфицировать генетически разнородный контингент человеческой популяции. Возможно, это редкое явление, но оно может позволить вирусу снова поднять голову позже (и в любом месте). Не будет ли большой дерзостью с моей стороны утверждать, что вирус, вероятно, натолкнулся на механизм, допускающий, чтобы генетическое разнообразие, которое он «испробовал» во время эпидемии, могло сохраниться в организмах выздоровевших жертв? Может ли повторное появление линий эболавируса, вызвавших лихорадку Макона, обнаруживается там, где они были оставлены, и продолжить свой марш по пути адаптивной эволюции, чтобы стать эндемическими для человеческой популяции вирусами?

Среди вирусов порядка Filoviridae все виды родов эболавирусов и марбургвирусов вызывают вспышки геморрагической лихорадки либо среди людей, либо среди приматов. Несмотря на то что поражения людей встречаются относительно редко, за последние пятнадцать лет накопилось много данных о том, что эти вирусы циркулируют в крупных популяциях приматов, обитающих в обширных лесных регионах центральной Африки. Гибель большого числа высших обезьян вызывается этими вспышками, и, действительно, вирус Эбола угрожает выживанию горилл и обыкновенных шимпанзе, последним убежищем которых в экваториальной Африке являются Габон и Конго. Болезнь соперничает с разрушением ареала обитания и хищнической охотой в качестве причины катастрофического уменьшения численности популяции высших обезьян более чем на 50 % за период с 1983 по 2000 год (Walsh et al., 2003). В 2004 году ученые принялись выявлять в крови высших обезьян антитела, реагирующие на вирусы. У одной из каждых восьми обезьян были обнаружены антитела к эболавирусам, что указывало на текущую или перенесенную инфекцию и говорит о том, что вирус широко циркулирует в крупных обезьяньих популяциях (Leroy, Tefler et al., 2004). Кроме того, были обнаружены данные об инфицировании и других приматов: мандрилов, бабуинов и мартышек, а также одной особи дукера, разновидности антилопы. Более того, антитела к эболавирусам были обнаружены у приматов, обитающих на территории других африканских стран, где никогда не наблюдали вспышки среди людей. Те же авторы расширили свое исследование, предприняв анализ филогенетической идентичности линий эболавирусов в организмах диких высших обезьян (Wittmann et al., 2007; Leroy, Rouquet et al., 2004). В результате они обнаружили значительное генетическое разнообразие среди циркулирующих вирусов. Кроме того, ученые выяснили, что определенные линии вирусов эффективно распространялись в семействах обезьян, но одновременно имели место многочисленные случаи передачи вирусов из животного резервуара приматам, как мы видим это при вспышках лихорадки Эбола среди людей, когда эти вспышки вызываются генетически разными линиями. В одном, наиболее поразительном наблюдении были секвенированы геномы эболавирусов, выделенные у двух лежавших рядом трупов шимпанзе. Естественно, ученые ожидали, что обнаружат весьма родственные штаммы вирусов, принадлежащих одной цепи передачи (эти шимпанзе, скорее всего, принадлежали одному семейству или стаду). Но все оказалось по-другому: обнаружилось, что шимпанзе были инфицированы вирусами разных линий. Шимпанзе-сородичи были независимо инфицированы генетически разнородными вирусами.

Таким образом, представляется, что множественные вариантные штаммы эболавирусов циркулируют в африканских лесах совместно и на очень высоком уровне и в результате эпидемий широко распространяются в обезьяньих популяциях. В большинстве случаев филовирусы попадают в человеческие популяции вследствие передачи от инфицированных приматов, но относительно высокая смертность заболевших обезьян препятствует тому, чтобы они стали истинным резервуаром для вызывающих заболевание вирусов. Для поддержания существования устойчивого резервуара нехарактерен столь высокий уровень заболеваемости и смертности. Начались поиски другого виновника, и совсем недавно было обнаружено, что основным животным резервуаром филовирусов являются летучие мыши. В течение последних десятилетий постепенно накапливались данные, подкрепляющие эту идею: сначала это были серологические данные, свидетельство существования противовирусных антител, а затем из тканей здоровых летучих мышей были выделены вирусы, чьи геномы были секвенированы (Leroy et al., 2005; Olival, Hayman, 2014). Типичное для вирусов, циркулирующих в своем природном резервуаре, генетическое разнообразие вирусов популяции диких летучих мышей было намного больше разнообразия, наблюдаемого при исследованиях во время вспышек лихорадки Эбола. Еще более удивительным было то, что разнообразные вирусные генотипы были выделены из летучих мышей, обитавших в одном географическом ареале. Возможность является ключевым фактором возникновения зооноза, а географическая обширность ареала обитания животных резервуара дает доступ на территории, где болезнь вырывается за пределы этого резервуара. Так на самом деле и происходит в Африке, где инфицирование вирусом Эбола обнаружено у трех видов фруктовых летучих мышей Hypsignatus monstrosus, Epomops franqueti и Myonycteris torquata, которые обитают в лесах совместно с приматами в тех областях Африки, где наблюдают вспышки лихорадки Эбола (Leroy et al., 2005). Вполне вероятно, что многие виды летучих мышей (при этом нельзя исключить и других животных) могут быть носителями филовирусов, и, как можно представить себе, каждый вид характеризуется особым взаимодействием с паразитирующими на нем вирусами, что создает отличия в давлении отбора на разные циркулирующие вирусы. Этот феномен приводит к запуску процесса уравновешивающего отбора и поддержания генетического разнообразия, обеспечивающего возможность межвидовой передачи.

В большинстве случаев заражение людей происходит в результате контакта с инфицированными приматами, но есть примеры прямой передачи вируса от летучих мышей людям. В некоторых отдельных сообщениях о начале вспышки лихорадки Макона в 2013–2015 годах говорилось, что первые случаи заболевания наблюдали у детей, игравших в дупле дерева близ деревни Мелианду. В этом дупле, как рассказывали местные жители, обосновалась колония лолибело, местное наименование, которое в буквальном переводе означает: «мышь, умеющая летать» (на самом деле это насекомоядное, представитель вида Mops condyluru). Дети устроили охоту на животных, ловя их палками и поджаривая затем на шампурах. Вероятно, эта забава и привела к возникновению эпидемической вспышки беспрецедентного масштаба.

Африканские летучие мыши являются резервуаром вируса Эбола; вирус Марбург инфицирует летучих мышей в Египте. Эти популяции летучих мышей нечасто, но с достаточной регулярностью передают вирусы людям либо непосредственно, либо через промежуточных хозяев. На основании накопленных данных о том, что летучие мыши являются главным резервуаром филовирусов и источником зоонозов, ученые буквально прочесали дикие популяции летучих мышей в попытке обнаружить другие филовирусы, и исследователи не были разочарованы. Когда ученые исследовали причины необычайно высокой смертности среди популяции этих насекомоядных в Испании, был обнаружен филовирус доселе неизвестного рода (Negredo et al., 2011). Этот вирус, похожий на эболавируса был назван вирусом Льовиу. Остается неясным, несет ли именно этот вирус ответственность за высокую смертность среди летучих мышей вида Miniopterus schreibersii, но широкое распространение этого вида по всей Западной Европе дает повод для беспокойства. В организмах фруктовых летучих мышей в Бангладеш были обнаружены антитела, реагирующие с вирусами лихорадки Эбола и эболавирусом Рестона (который в природе циркулирует на Филиппинах), а китайские ученые выявили и секвенировали РНК родственных филовирусам вирусов, поражающих местных летучих мышей (Olival et al., 2013; He et al., 2015). Все выявленные признаки указывают на то, что филовирусы широко распространены в природных животных резервуарах на многих континентах, во всяком случае, совершенно определенно в Европе, Африке и материковой Азии. Тем не менее легкость, с какой эболавирусы, циркулирующие в популяциях фруктовых летучих мышей, передаются людям искючительна, во всяком случае, нет сообщений об инфицировании людей вирусом Льовиу в Европе или похожими на филовирусы вирусами в Китае. Ни там, ни там не было до сих пор зарегистрировано ни одного случая геморрагической лихорадки. Представляется вероятным, что на шансы возникновения зоонозов влияют антропогенные эпидемиологические факторы; охота на летучих мышей в Африке и употребление в пищу их мяса и тесные контакты людей с дикой природой играют, должно быть, значимую роль в эпидемиологии этого зооноза. Другим значимым фактором, который нельзя сбрасывать со счетов, является доступность многочисленных промежуточных хозяев. В лесах Африки обитают приматы Старого Света, которые служат главными переносчиками инфекции в человеческую популяцию. Лишенные таких удобных посредников филовирусы обеих Америк и Европы имеют существенно меньше возможностей для проникновения в организм человека, несмотря на их обилие в дикой природе, в популяциях летучих мышей.

Неизбежно, что антропогенные факторы будут определять вероятность возникновения будущих вирусных зоонозов. Человеческая популяция непрерывно продолжает свою экспансию, расширяет свои плацдармы в самых разных ареалах, и все это происходит на фоне беспрецедентного развития путей сообщения. Постоянно изменяется социальная структура и поведение людей, интенсивное земледелие становится нормой во множестве стран, а перевозки экзотических животных – обычной практикой. Эти факторы вкупе с неумолимыми климатическими изменениями являются плодами человеческой деятельности. Наше собственное поведение создает благоприятные условия для возникновения и распространения новых болезней. Трудно поверить в то, что за последние годы произошел скачкообразный рост числа потенциально патогенных зоонозных вирусов. Они испокон веков циркулировали в животных резервуарах. Наблюдаемое в настоящее время увеличение числа вирусных зоонозов является простым следствием человеческого поведения, которое создает больше возможностей для межвидовой передачи вирусов. Вирусы, обладающие средствами и возможностями, будут занимать все новые и новые ниши и опробовать новое генетическое пространство.

Только недавно была открыта способность филовирусов вызывать зоонозы. Указывает ли это на изменения, происшедшие в ходе недавней эволюционной истории? За последние пятьдесят лет ученые собрали образцы полных геномных последовательностей эболавирусов и марбургвирусов, различные генетические линии которых периодически вызывают эпидемические вспышки. Теперь исследователям доступен вирус Льовиу с самостоятельным геномом, представляющий третий род семейства филовирусов. Филогенетический анализ почти сотни геномов позволяет ныне определить дату появления самого последнего общего предка современных филовирусов. Этот предок появился около 10 тысяч лет назад (Carroll et al., 2013). Как уже было сказано в предыдущих главах, такие оценки, основанные на геномных последовательностях, собранных с молодых побегов эволюционного дерева – с концевых веточек, представляющих последние пятьдесят лет роста дерева, имеющего возраст в 10 000 лет, – ограничены в достоверности (вероятность их корректности весьма низка). Филовирусы, несомненно, не являются недавним достижением эволюции, а представляют собой современных потомков древних вирусов-предшественников, которые сами уже давно вымерли.

Многие другие зоонозные вирусы, заслуживающие внимания и пользующиеся дурной славой, тоже происходят из популяций летучих мышей. Летучие мыши снова и снова становятся обвиняемыми, когда речь заходит о поиске природных резервуаров человеческих зоонозных инфекций. Эти заболевания часто сопровождаются тяжелыми патологическими последствиями и могут стать глобальной угрозой. Коронавирусы тяжелого атипичного респираторного синдрома и ближневосточного респираторного синдрома вызывают в высшей степени контагиозные и тяжелые поражения дыхательных путей у человека после заражения от промежуточных хозяев, получивших вирусы от инфицированных летучих мышей. Вирулентные парамиксовирусы, такие как Nipah и Hendra, так же как вирус бешенства и родственные ему лиссавирусы – все они имеют резервуаром популяции летучих мышей. Более пятнадцати различных семейств вирусов инфицируют более двухсот разных семейств летучих мышей (O’Shea et al., 2014). Примечательно здесь не только разнообразие видов вирусов, называющих летучих мышей своими природными хозяевами, но и то обстоятельство, что у подавляющего большинства инфицированных мышей отсутствуют явные признаки какого-либо заболевания. Представляется, что летучие мыши и их вирусы долго эволюционировали совместно и достигли определенного равновесия. Отношения между летучими мышами и их вирусами имеют древние корни; с глубокой древности летучие мыши инфицированы парамиксовирусами, коронавирусами и лиссавирусами, и это далеко не полный список (Brook, Dobson, 2015). Фрагменты ДНК-последовательностей в геномах летучих мышей, напоминающих последовательности филовирусных геномов, говорят о том, что сосуществование летучих мышей и вирусов уходит корнями в глубокую эволюционную древность (Taylor, Leach, Bruenn, 2010).

Неясно, приобрели ли летучие мыши в ходе эволюции большую толерантность к вирусам, или они могут более эффективно подавлять вирусную инфекцию, чем другие млекопитающие. Несмотря на такой явный комменсализм, развившийся в отношениях между летучими мышами и вирусами, эти последние, будучи переданными человеку, часто вызывают у него клинически тяжелое заболевание. То, что летучие мыши являются источником множества зоонозов, особого удивления не вызывает: летучие мыши очень многочисленны, составляя около 20 % численности всех видов млекопитающих. Среди млекопитающих только грызуны представлены большим числом видов (хотя грызуны и уступают летучим мышам в численности особей), и именно грызуны тоже служат одним из основных источников зоонозных инфекций; тем не менее летучие мыши содержат больше вирусов на один вид, чем грызуны (Dobson, 2005). Поразительно, что симпатрия видов летучих мышей, облегчающая смену вирусами хозяев, принадлежащих к близкородственным видам и занимающих одни и те же ареалы обитания, как было показано, является значимым фактором риска для зоонозной передачи инфекции (Luis et al., 2013). Если мы расширим наши рассуждения за пределы царства вирусов и распространим их на все зоонозные человеческие патогены (вирусы составляют около половины всех человеческих зоонозных патогенов), то станет понятно, что наибольшую опасность представляют зоонозные инфекции патогенами, которые способны инфицировать множество хозяев разных биологических видов (Woolhouse, Gowtage-Sequeria, 2005).

Легкость, с которой летучие мыши принимают множество разнообразных зоонозных вирусов, и опасность инфицирования этими вирусами людей представляют собой серьезную проблему для органов общественного здравоохранения и вызывают любопытство научного сообщества. Конкретного объяснения механизмов уникальных отношений между хозяином и вирусом у летучих мышей пока нет (Calisher et al., 2006). Летучие мыши появились на Земле около 50 миллионов лет назад, что подтверждается ископаемыми остатками и эволюционной дивергенцией последовательностей консервативных генов. Парамиксовирусы и лиссавирусы, как филогенетические линии, имеют приблизительно такой же возраст, что позволяет предположить их длительную совместную эволюцию. Поэтому вполне возможно, что вирусы летучих мышей в результате эволюции приобрели способность взаимодействовать с клеточными биохимическими путями, унаследованными от общего предка млекопитающих и сохранившими в ходе эволюции. Может быть, поэтому эти вирусы столь неразборчивы в отношении выбора хозяев и легко передаются млекопитающим других видов?

Летучие мыши обладают способностью к полету, и это отличает их от всех остальных млекопитающих. Несмотря на свои малые размеры, очень высокую частоту сердечных сокращений и невероятно высокий уровень обмена веществ, необходимый для длительного полета, летучие мыши отличаются, кроме того, большой продолжительностью жизни. Днем летучие мыши спят, а зимой впадают в состояние гибернации. Некоторые виды летучих мышей отличаются невероятно большой численностью популяций; некоторые популяции достигают численности в десятки и сотни тысяч особей. Это количество достаточно для того, чтобы поддерживать устойчивое существование эпидемических патогенов, даже в тех случаях, когда они не являются устойчивыми возбудителями заболеваний в результате стойкого пожизненного иммунитета у хозяев. Вирусы кори и оспы получили возможность циркулировать в крупных городских центрах, когда численность их населения превысила 500 тысяч человек (см. работу Блэка, которую мы обсуждали в главе 6).

Все эти признаки, присущие видам летучих мышей, привлекли внимание ученых, так как эти свойства являются основой для способности принимать вирусы относительно безнаказанно. Ни одна из выдвинутых по этому поводу гипотез пока не возобладала. «Полет как лихорадка» – таково было одно, афористичное, объяснение (O’Shea et al., 2014). Эта модель предполагает, что высокая температура тела у летучих мышей во время полета имитирует благотворный эффект лихорадочного ответа на инфекцию. Лихорадка стимулирует иммунный ответ и одновременно повышает температуру тела хозяина до уровня, который не является оптимальным для репликации вирусных частиц. Такая стратегия может повысить способность летучих мышей подавлять вирусную инфекцию и облегчать тяжесть заболевания. Другие ученые придерживаются альтернативного взгляда, который тоже связывает устойчивость летучих мышей к вирусу со способностью к полету. Для объяснения эти ученые привлекают врожденные особенности сигнальных путей противовирусной защиты летучих мышей и их уникальную устойчивость к окислительному стрессу, характерному для существ с высоким уровнем метаболизма (Brook, Dobson, 2015). Затраты энергии, потребные для работы мышц, поддерживающих полет, весьма значительны, а побочным эффектом по необходимости высокого уровня метаболизма является выработка митохондриями потенциально вредоносных форм кислорода. Ученые предположили, что летучие мыши лучше адаптированы, чем наземные млекопитающие, к избеганию отрицательных эффектов вредоносных форм кислорода. Отчасти этим можно объяснить долгожительство летучих мышей, так как клеточные программы, реагирующие на вызванные вредоносными формами кислорода повреждения митохондриальной ДНК, традиционно связывают со старением. Так как врожденный противовирусный клеточный ответ приводит к высвобождению цитокинов и мобилизации иммунных клеток, которые также являются источниками вредоносных форм кислорода, ученые пришли к выводу, что летучие мыши могут справляться с неблагоприятными последствиями вирусной инфекции посредством тех же механизмов, которые были выработаны для устранения метаболического стресса, вызванного полетом. Эти ученые также отмечают, что гены млекопитающих, вовлеченные в повреждение и репарацию ДНК (гены, кодирующие функции, ослабляющие повреждение ДНК вредоносными формами кислорода), стали объектом положительного отбора, с сопутствующим появлением способности к полету. Более того, митохондрии имеют первостепенное и недооцененное значение для выработки сигналов врожденного противовирусного иммунитета. Так что, возможно, все дело в способности к полету и в митохондриях.

Уникально адаптированная физиология и приспособленная врожденная иммунная система являются, возможно, главными факторами способности летучих мышей быть идеальным животным резервуаром вирусных инфекций. Эти животные могут мобилизовать защитный противовирусный ответ, не вызывая без нужды побочные иммунопатологические повреждения тканей. Мандл и его сотрудники выполнили обзор иммунных реакций на появляющиеся зоонозные вирусы, полагая, что понимание механизмов, лежащих в основе опасной для человека патологии, может пролить свет на то, как животные природных резервуаров справляются с вирусной патологией (Mandle et al., 2015). Авторы отметили, что тяжелые проявления зоонозных вирусных инфекций у человека чаще всего сочетаются с аберрантными врожденными иммунологическими ответами. Тяжелое заболевание, вызываемое коронавирусом тяжелого острого респираторного синдрома, возникает в результате неконтролируемого и избыточного врожденного иммунного ответа. Неблагоприятные исходы ассоциировались с повышенной и длительной продукцией интерферона (Mandle et al., 2015). Прогрессирующее смертельное заболевание, вызванное ВИЧ-1 и приводящее к СПИДу, резко контрастирует с практически бессимптомно протекающей инфекцией у инфицированных ВИО обезьян. Ослабление иммунной системы человека перед лицом ВИЧ-инфекции, как теперь считают, является результатом хронической активации иммунной системы, нарушением ее функций и апоптозом популяций множества эффекторных клеток иммунной системы. Продолжительная репликация вирусов и длительная стимуляция врожденного иммунного ответа в инфицированных клетках приводит к повышенному высвобождению интерферона и других провоспалительных сигнальных молекул. Усиленный иммунный ответ чаще, чем ослабленный (или, по меньшей мере, дисрегуляторный), отвечает за разрушительный каскад, который неуклонно уничтожает иммунную систему. С другой стороны, инфицированные ВИО африканские зеленые мартышки не проявляют аберрантной иммунной активности, и у них не наблюдают дисфункцию Т-клеток или хронического повышения уровня интерферона (Mandl et al., 2008; Silvestri et al., 2003). Умеренность иммунного ответа и ослабление иммунопатологических последствий борьбы с вирусными зоонозными заболеваниями является одной из важных составляющих адаптивной эволюции, приводящей к отсутствию тяжелой вирусной патологии у естественных хозяев природных резервуаров.

Гонка вооружений между зоонозным вирусом и его новым хозяином является результатом давления отбора, действующего на каждый геном – на геном вируса и геном хозяина. На минуту отвлекитесь и представьте себе давление отбора, действующее в ходе совместной взаимной адаптации. Неадаптированный хозяин может в самом деле погибнуть от собственных защитных действий в результате развития неконтролируемых иммунопатологических последствий попыток сдержать вторжение и репликацию вируса. Тем не менее серьезные последствия может вызвать и неограниченная репликация вируса. Существует множество данных о том, что гонка вооружений между вирусом и хозяином приводит к давлению положительного отбора на гены врожденного противовирусного ответа, но, напротив, виды животных резервуаров часто демонстрируют бессимптомный ответ на вирусную инфекцию. Представляется, что в генетической гонке вооружений может возобладать механизм толерантности или механизм резистентности.

Представители популяционной генетики со всех сторон рассмотрели этот вопрос (Schneider, Ayres, 2008). Интересно отметить, что мутации в генах хозяев, которые делают их более резистентными к заболеванию, дают их геному высокое конкурентное преимущество. На ранних стадиях, после возникновения этого варианта, отмечается высокое давление отбора, направленное на сохранение этого полезного признака, который предупреждает и ослабляет вирусную инфекцию и облегчает тяжесть заболевания. Как это ни противоречит здравому смыслу, по мере того как этот полезный аллель распространяется по популяции и становится преобладающим, количество вирусов, циркулирующих в популяции, соответственно, уменьшится и мутантный аллель потеряет свое селективное преимущество. Более того, когда 80 % популяции становятся носителями данного аллеля, отвечающего за резистентность, влияние большинства приведет к стабилизации эпидемии, так как восприимчивыми останутся особи со старыми аллелями. Таким образом, польза этого нового признака будет уменьшаться по мере увеличения его доли в популяции, и в конечном счете этот аллель не удержится в популяции, если это не произойдет случайно. В противоположность этой ситуации гены, обеспечивающие толерантность к вирусной инфекции, могут быстро стать преобладающими в ней и фиксируются в популяции под давлением отбора. Экспрессия признака толерантности у индивида повысит его отягощенность вирусом и сделает более заразным; чем больше индивидов в популяции становятся толерантными к инфекции, тем сильнее будет давление отбора, и он будет продолжаться до тех пор, пока все индивиды популяции не станут толерантными.

Есть данные о том, что гены толерантности могут возникать в клетках хозяина в результате их эволюции. В одной из предыдущих глав я упоминал о нуклеотидных последовательностях, напоминающих последовательности в геномах филовирусов, которые были обнаружены в настоящее время в геномах летучих мышей. Ученые, обнаружившие этот феномен, задумались о том, могут ли эти фрагменты вирусной генетической информации, захваченные геномом хозяина, быть остатками развившегося в ходе эволюции механизма толерантности (или резистентности) в отношении вирусной инфекции (подробное изложение этих рассуждений будет представлено в главе 14). Если каждая клетка организма экспрессирует белки, которые по своим антигенным свойствам идентичны белкам паразитирующих в этих клетках вирусов то иммунная система хозяина будет распознавать белки вирусов, как свои, и у хозяина разовьется иммунологическая толерантность, и иммунный ответ будет попросту отсутствовать. Рассказал я и о том, как включение вирусных последовательностей в клеточный геном может стать фактором, ограничивающим инфицирование клетки-хозяина. Число примеров, когда возможно уверенно распознать этот феномен в последовательностях клеточных геномов, относительно невелико, но вполне вероятно, что эти стратегии были распространены, хотя, наверное, в далеком эволюционном прошлом. Значение этих включений со временем могло уменьшиться, а отсутствие их в большинстве последовательностей современных геномов вызвано их изменениями в результате мутационного дрейфа.

В попытке подчеркнуть разницу между двумя альтернативными стратегиями адаптации я постараюсь упростить возможные траектории адаптации клеток-хозяев в ответ на зоонозную вирусную инфекцию. В этом участвуют многочисленные полиморфные аллели. Более того, для людей характерны половое размножение и диплоидность, поэтому в обсуждении надо учитывать гомо- и гетерозиготные фенотипы наряду с рекомбинациями, которые смешивают генетическую информацию, поступающую из мужских и женских гамет. Толерантность, определенно, не единственный механизмом совместной эволюции вируса и хозяина, ибо в этом случае не было бы никакой гонки вооружений, отсутствовало бы давление отбора на вирус, а мы знаем, что это не так. Адаптивная эволюция вируса к новому виду хозяев является свидетельством того, что вирус находится под давлением отбора, направленным на избегание врожденного и адаптивного иммунного ответа (этот вопрос мы подробно обсуждали в предыдущих главах). Процесс, посредством которого хозяин должен выбирать варианты из своего генетического разнообразия под сложным давлением отбора, долог и тернист; этот процесс требует создания устойчивых совокупностей аллелей (эквивалента команды мечты вируса гриппа), некоторые из них остаются полиморфными и подвергаются уравновешивающему отбору в популяции. Элементы толерантности и усиления контроля (с частичным ослаблением иммунопатологических реакций) можно включить в сложное уравнение естественного отбора. Если в ходе совместной эволюции достигается разрядка напряженности, как это, например, произошло в отношениях между африканскими зелеными мартышками и SIVagm, то достигается она за чрезвычайно долгий период времени. С другой стороны, мы можем с полным основанием предположить, что иногда эволюционная подвижность вирусов (на фоне медленной одновременной эволюции хозяина) не может предотвратить вымирание хозяев, и вирусы не могут беспрепятственно инфицировать большой спектр хозяев разных биологических видов.

Итак, летучие мыши – особенные существа. Но они еще более уникальны в своей способности выступать в роли природного резервуара вирусов. Птицы, грызуны и приматы – все они удачно эволюционировали совместно с некоторыми вирусами и служат источниками поражающих человека зоонозных инфекций. Птицы являются опасным резервуаром, из которого может возникнуть пандемия гриппа, а, кроме того, из него недавно распространилась эпидемия западно-нильского вируса, поразившая США. Крысы – резервуам гантавирусов, вызывающих гантавирусные легочные синдромы, которые в последнее время возникают все чаще и чаще, а приматы стали источником самого тяжкого испытания для современного человечества – пандемии ВИЧ-инфекции. Однако летучие мыши, кажется, лучше других оснащены для того, чтобы быть неиссякаемым резервуаром для многих видов вирусов, способных стать источниками человеческих зоонозных инфекций. Некоторые ученые считают, что очень велико давление отбора, действующее на совместную эволюцию летучих мышей и вирусов. Упомянутое выше утверждение о том, что «полет есть барометр приспособленности», предполагает, что высокий уровень расхода энергии, необходимой для полета, обеспечивает и высокий уровень приспособленности летучих мышей. Другими словами, летучие мыши даже с частично ослабленной адаптивностью будут вычищены из популяции естественным отбором. Точно так же вирусы, снижающие приспособленность летучих мышей в степени, достаточной для ограничения способности к полету, будут подвергаться отрицательному естественному отбору. Те же принципы можно приложить и к птицам, у которых энергетические траты обусловлены способностью к полету (этот принцип можно распространить и на мелких грызунов, у которых очень высока скорость обмена веществ, требующая постоянной активности для обеспечения достаточного поступления пищевых калорий). Если небольшое снижение приспособленности приведет к всплеску давления отбора, то будет создан строгий селективный фильтр, который увеличит скорость, с которой будет достигнута максимальная приспособленность популяции. Отбор будет равным образом действовать и на летучую мышь, и на вирус, что лишь ускорит гонку вооружений. Гипотеза полета как барометра приспособленности представляется пока верной, но едва ли с ее помощью можно объяснить все особенности, присущие летучим мышам. Этот принцип может нормально функционировать и приводить к совершенной взаимной адаптации вируса и хозяина, если доступно достаточное генетическое пространство и если его можно беспрепятственно испытывать при жизнеспособном ландшафте приспособленности. Генетическое расстояние до взаимной адаптации генотипов должно быть более узким и более проходимым у летучих мышей и их вирусов.

Вероятно, нет необходимости привлекать концепцию ускоренной гонки вооружений между летучими мышами и их вирусами, для того чтобы объяснить, почему летучие мыши мирно уживаются со своими вирусами, с которыми они прошли совместную эволюцию. Вероятно, объяснение кроется в длительной совместной эволюции с предковыми вирусами. В конце концов, виды обезьян очень хорошо адаптировались к своим соответствующим природным лентивирусам, и даже люди в результате длительной совместной эволюции вступили в отношения комменсализма с различными вирусами нашего вирома – от вируса полиомиелита до вируса герпеса. Думаю, будет разумно предположить, что определенные характеристики возникшей в результате эволюции иммунофизиологии летучих мышей могут позволить им легко приспособиться к разнообразным вирусным патогенам. Вероятно, у летучих мышей есть необходимый инструментарий для быстрой адаптации к различным вирусам. В понятиях эволюции можно сказать, что летучие мыши легко приспосабливаются к сосуществованию со многими вирусами, потому что генетическое расстояние, которое они должны преодолеть, и генетическое пространство, которое они должны испытать для максимизации толерантности и оптимизации контроля за вирусной инфекцией, меньше, чем у других млекопитающих.

По иронии судьбы, вероятно, наша плохая приспособленность к таким патогенам, как филовирусы и коронавирусы, снижает риск того, что эти вирусы смогут когда-либо стать эндемическими для человеческой популяции. Пол Эвальд, эволюционный биолог из университета Луисвилля, – сторонник теории о том, что в ходе эволюции в результате взаимных уступок достигается некоторое равновесие между вирулентностью и устойчивостью передачи. По поводу способности эболавируса лихорадки Макона вызвать пандемию Эвальд сказал в интервью журналу «Esquire» в 2014 году: «Нет худа без добра. Чем тяжелее протекают индивидуальные случаи заболевания, тем менее вероятно, что заболевание приведет к большим проблемам для популяции в целом. Чем тяжелее болезнь для индивида, тем менее вероятна устойчивая передача вируса» (Junod, 2014). Зоонозные вирусы, отличающиеся высокой патогенностью в человеческих популяциях, плохо адаптированы к человеку, а их генотипы находятся от генотипа хозяев на слишком большом расстоянии, для того чтобы возникли успешные вирусные линии. Мы, однако, не можем утверждать, что эволюция вирусов не сумеет преодолеть эту пропасть каким-либо неожиданным способом.

Глядя в будущее, мы должны быть бдительными в предвидении непрерывного потока разнообразных вирусных генетических линий, поступающих из популяций, циркулирующих среди летучих мышей. Фруктовые и насекомоядные летучие мыши являются, таким образом, главными персонажами нашей истории. По мере сближения с популяциями летучих мышей возрастает возможность зоонозной передачи вирусов. Крупные фруктовые летучие мыши, называемые летающими лисицами, – естественные хозяева вируса Nipah, парамиксовируса, инфицировавшего свиней в Малайзии в 1999 году. Свиньи стали промежуточными хозяевами, и, когда число заболевших животных перевалило за миллион, зооноз вызвал эпидемию среди людей. 250 человек заболели вирусным энцефалитом, 100 из них умерли. ВОЗ сообщает о спорадических случаях заболевания в Бангладеш и в Индии, где более половины индийских летающих лисиц из рода Pteropus оказались серопозитивными по антителам к вирусу Nipah (Calisher et al., 2006). ВОЗ считает, что причиной может стать употребление в пищу сырых фруктов или сока финиковых пальм, зараженных вирусом (WHO, 2015a). Летучие мыши питаются возле пальм и пьют из ведер, в которые собирают пальмовый сок. Считают, что слюна летучих мышей, их моча или кал загрязняют сок, который затем продают в окрестных деревнях. Давление, оказываемое на популяции летающих лисиц, вытесняет их в более урбанизированные местности, где они живут бок о бок со скотом и фермерами. Мы снова возвращаемся к тому же принципу: ускорение зоонозной передачи новых вирусов человеку определяется антропогенными эпидемиологическими факторами. Только модификация человеческого поведения или медицинское лечение этих заболеваний поможет снизить риск будущих зоонозов для человеческих популяций.

Дарвин и Мендель ничего не знали о ДНК как таковой, но они предрекли принципы генетики, на которых был позднее основан современный синтез взглядов на теорию эволюции, созданный такими великими учеными, как Гексли, Добжанский, Холдейн, Райт и другие. Тем не менее я осмелюсь предположить, что даже эти светочи были бы сильно удивлены, узнав, что состав нашей ДНК отличается от такового ДНК шимпанзе всего на 1–2 % (Olson, Varki, 2003; CSA, 2005). В начале семидесятых блестящий вирусолог Говард Темин выдвинул провирусную гипотезу. Это была совершенно новая концепция, согласно которой обратная транскрипция ретровирусной РНК приводит к включению ДНК-копии вирусного генома, провируса, в хромосому хозяина, что является необходимым условием репликации ретровируса. В 1975 году он разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие обратной транскриптазы (ОТ), ретровирусного белка, отвечающего за синтез провирусной ДНК. Думаю, что даже он был бы удивлен тем, что 8 % нашей ДНК состоит из открытых им провирусов (Lander et al., 2001).

Ретровирусы – лишь один из многих классов обратных мобильных генетических элементов, которые кодируют обратную транскриптазу. Эти ОТ-ретроэлементы включают в себя ретровирусы и множество других мобильных генетических элементов, которые могут воспроизводиться путем обратной транскрипции интермедиатов РНК и включения продукта транскрипции в хромосому хозяина. Эти мобильные элементы широко распространены во всех клеточных организмах, а филогенетический анализ гена ОТ относит их происхождение к группе II самовырезающихся интронов бактерий и простейших (Koonin, Dolja, Krupovic, 2015a). ОТ-ретроэлементы с внеклеточной фазой включают в себя ретровирусы и обнаруживаются только в эукариотических организмах, что позволяет предполагать их происхождение от более древних и более распространенных ОТ-ретроэлементов. По тому же механизму, какой мы наблюдаем в эволюции всех вирусов, ретровирусы (и родственные им элементы, содержащие env-подобные гены) получили свои env-подобные гены и способность к внеклеточной передаче благодаря горизонтальному переносу от других вирусов (Malik, Henikoff, Eickbush, 2000). Происхождение ретровируса env неизвестно, но, вероятно, его сборка осуществляется за счет оболочек других эукариотических РНК-содержащих вирусов, с которыми он проявляет определенное структурное и функциональное родство (Koonin, Dolja, Krupovic, 2015a). Химерическая природа ретровирусов подтверждается филогенетическим анализом H геном РНКазы, древним компонентом ОТ-ретроэлементов, который в ходе недавней эволюции был замещен своим эукариотическим аналогом (Malik, Eickbush, 2001).

Родственные ретровирусам мобильные генетические элементы наших геномов включают элементы LINE (long interspersed nuclear elements – длинные вкрапленные ядерные элементы) и SINE (short interspersed nuclear elements – короткие вкрапленные ядерные элементы). Организованы они не так, как ретровирусы, и никогда не образуют внеклеточную фазу в своем цикле репликации и не осуществляют передачу от одного хозяина к другому. По этому критерию их нельзя считать вирусами. Совокупно, достоверный зоопарк мобильных генетических элементов содержит – и это поражает – около 40 % нашего генома. Ретровирусные нуклеотидные последовательности разбросаны по всем геномам позвоночных и называются эндогенными ретровирусными элементами (ЭРЭ). Эндогенные ретровирусные последовательности сами по себе так многочисленны, что занимают большее генетическое пространство, чем гены, кодирующие человеческие белки. Существование ЭРВ служит доказательством повторных волн ретровирусной инфекции и инфильтрации на протяжении всей эволюции позвоночных. Только недавно мы стали понимать то мощное влияние, какое ретровирусы оказали на эволюцию геномов позвоночных и на идентичность нашего собственного биологического вида. Ретровирусы стали катализаторами генетической нестабильности, питающей эволюционные изменения; сегодня они являются остатками их прежней самости, ископаемыми остатками вирусов, которые некогда поражали позвоночных хозяев. Эти остатки свидетельствуют о пирровых победах, одержанных во многих войнах и соперничестве между ретровирусами и хозяевами (Stoye, 2012). Большинство эндогенных ретровирусов давно умолкли под воздействием ограничительных клеточных механизмов хозяев. Не связанные ни с каким фенотипом, не находясь под давлением отбора, они стали нежизнеспособными после миллионов лет мутационного дрейфа, который привел к накоплению мутаций или делеций в кодирующих последовательностях и контролирующих элементах. Чем кончили эти вирусы в нашем наследуемом генетическом материале и как повлияли они на эволюцию позвоночных? Для того чтобы ответить на эти вопросы, мы должны вернуться к началу и к появлению первых провирусных колонистов генома позвоночных. Это будет нашим упражнением по вирусной палеонтологии; многое можно вывести из следов геномных последовательностей ископаемых позвоночных. Момент эволюционной истории, когда конкретный ретровирус стал эндогенным для определенного вида, записан на филогенетическом дереве потомков, у которых остались те же провирусы. Некоторые из них занимают те же локусы в геномах давно разошедшихся видов; сайты их включения ограничены гомологичными хромосомными последовательностями хозяина у каждого вида-потомка. Они уникальны только в своих рисунках нуклеотидных замен; после видообразования провирусы эволюционировали независимо в каждом геноме.

Все ретровирусы обладают набором одних и тех же ядерных генов (gag, pol и env) и реплицируются, копируя их РНК-геном в двойную цепь ДНК в окружении длинных повторов, которые перманентно включаются в геном клетки-хозяина. Экспрессия генов и синтез вирусного генома осуществляются в результате копирования последовательности включенного в ДНК провируса. Если говорить о современности, то, например, ВИЧ-1 является исключительно экзогенным ретровирусом. Его провирусы удерживаются в геноме в течение всей жизни инфицированной клетки. Они тем не менее не наследуются и не передаются вертикально потомкам хозяина. Причина заключается в том, что ВИЧ-1 инфицирует только соматические клетки, где и образует провирус. Для того чтобы стать эндогенным, а следовательно, получить способность наследоваться по вертикали потомству, ВИЧ-1 должен внедряться в наши половые клетки, дающие начало гаметам (сперматозоидам у мужчин и яйцеклеткам у женщин). Если ВИЧ-1 действительно инфицирует человеческие половые клетки с какой-то регулярностью, то, как представляется, он препятствует нормальному оплодотворению и образованию жизнеспособного эмбриона. Инфицирование половых клеток ретровирусом – это лотерея; инфицированная гамета должна выжить, она должна случайным образом образовать жизнеспособную зиготу и выжить до достижения взрослого состояния, чтобы воспроизвестись. Эндогенные ретровирусные элементы человеческого генома были нашими пассажирами в течение миллионов лет. Начинали они с включения единичного провируса в одну хромосому половой клетки единичного индивида. На самом деле это были редкие полиморфизмы, которые распространялись от одного индивида, а затем становились преобладающими в пределах популяции, становясь зафиксированными аллелями. Инфильтрация генома и фиксация эндогенного провируса в популяции является результатом очень редкой последовательности событий. Тем не менее более тридцати самостоятельных генетических линий эндогенных ретровирусов были обнаружены в геномах приматов, поэтому мы можем с уверенностью говорить, что такое событие произошло не менее тридцати раз.

Каждая линия ЭРЭ в геномах позвоночных существует в виде множества копий, разбросанных по геному. После инвазии начинается волна пролиферации провируса. В это время новые эндогенные провирусы активно экспрессируются и образуют новые инфекционные вирусные частицы, которые могут повторно инфицировать половые клетки. Таким образом, возникают новые включенные провирусы, что и приводит к пролиферации ЭРЭ в геноме. В некоторых случаях обычный инфекционный цикл может стать замкнутым накоротко. Инфекционные геномы, синтезированные в половых клетках, могут сразу претерпеть обратную транскрипцию и снова включиться в геном, заняв в нем другой локус. В целом это может происходить с ЭРВ очень редко или не происходить вовсе, однако такая стратегия характерна для некоторых мышиных эндогенных ретровирусов, и эти элементы остаются мобильными и в настоящее время. Например, интерцистернальная частица А утратила ген своей оболочки и приобрела механизмы сборки и созревания вирусных частиц внутри клетки. Такие эгоистические генетические элементы теперь не имеют внеклеточной фазы. Так как такая транспозиция не приводит к продукции внеклеточных вирусов и к реинфекции, то такой механизм будет более эффективным для эгоистической репликации геномного паразита внутри единичного генома.

Решающий период в отношениях вируса с хозяином наступает вследствие ретровирусной инвазии половых клеток. В это время вызывающий заболевание ретровирус продолжает циркулировать в популяции в форме инфекционного экзогенного вируса, становясь причиной новых инфекций. Вирус также будет продуцироваться из активных эндогенных провирусов в особях популяции, которые унаследовали локусы ЭРЭ в каждой клетке своего организма. В самом деле, активность этих провирусов может привести к клиническим проявлениям заболевания при репликации вируса в соматических клетках. По ходу смены поколений активность и пролиферация последовательностей ЭРЭ в линиях половых клеток может оказаться губительной для приспособленности хозяина и порождать опасные уровни геномного поражения. Эта ситуация создает сильное давление отбора, которое благоприятствует тем индивидам, чьи геномы развили необходимые защитные ответы, направленные на подавление экспрессии эндогенных вирусов, и противостоят инфекции экзогенным вирусом. На первый взгляд, представляется, что инвазия половых клеток и включение ретровируса в вертикальное наследование генома должны иметь негативные последствия для хозяина. Почему же тогда локусы ЭРЭ стали фиксированными аллелями в популяциях позвоночных? Какое преимущество получал в результате этого геном хозяина?

Мы можем легко представить себе одно вероятное преимущество, связанное с ЭРЭ, на ранних стадиях инвазии популяции эндогенным вирусным аллелем. Есть множество лабораторных наблюдений, согласно которым ретровирусная инфекция клеток в тканевых культурах приводит к резистентности в отношении суперинфекции (это явление называют также инфекционной интерференцией): инфицированная клетка становится иммунной по отношению к другим инфекциям. Гликопротеины вирусной оболочки, экспрессированные из провируса инфицированных клеток, мигрируют к клеточной мембране. Здесь они готовятся к включению в вирусные частицы, которые выпячиваются из клеточной поверхности. Эти env-белки на поверхности клетки могут также связываться с теми же молекулами клеточного рецептора, с которыми должны связываться инфицирующие вирусы для проникновения в клетку. Таким образом, инфицированные клетки, продуцирующие env на своей поверхности, становятся иммунными к экзогенной инфекции: отсутствуют доступные рецепторы для связывания экзогенных вирусных частиц. Организм хозяина с эндогенным ретровирусом, таким образом, получает защиту от экзогенного инфицирования ретровирусом. В другом примере этого феномена (он будет обсуждаться ниже в этой главе, в разделе об эндогенных вирусных элементах) хозяева-позвоночные получают пользу, используя ретровирусные гены как компоненты ограничительных мер по защите от ретровирусной инфекции. В каждом случае гены ЭРЭ становятся полезным менделевским локусом, который может быть объектом положительного отбора в популяции, подверженной инфицированию ретровирусами. Приобретение половыми клетками ретровируса имеет и другое потенциальное преимущество, заключающееся в том, что антигены ЭРЭ будут теперь распознаваться иммунной системой как «свои». Репликация ЭРЭ или инфицирование экзогенным вирусом перестанет запускать иммунный ответ и сопутствующие иммунопатологические реакции, которые так часто наблюдаются при вирусных инфекциях.

Эти факторы, возможно, всего лишь часть истории; вирусы, проникшие в половые клетки и ставшие ЭРЭ, перестают быть паразитами и не представляют больше опасности для хозяина. Тем не менее они могут оказаться весьма влиятельными на ранних стадиях ретровирусной колонизации, когда аллель ЭРЭ подвергается действию положительного отбора и пролиферирует в генном пуле хозяина. ЭРЭ-локус может проявить кратковременную пользу, его длительная экспрессия и способность опосредовать нестабильность генома могут оказаться опасными для хозяина. При отсутствии полезного фенотипа ЭРЭ геном хозяина должен гарантировать его нейтрализацию или же столкнуться с последствиями – неприемлемо высоким уровнем ретротранспозиции и нестабильностью генома.

Сегодня мы мирно сосуществуем с нашим набором ЭРЭ. Это свидетельствует о том, что геном позвоночных преуспел в отражении последовательных атак ретровирусов. Число ЭРЭ в геноме позвоночных весьма вариабельно, колеблясь от одного до тысяч провирусов, и возможно, что геном содержит еще в десять раз большее число длинных терминальных повторов данной линии отдельного ретровируса. Сегодня большая часть этих элементов не выполняет никаких функций, не соответствует никакому важному фенотипу и эволюционирует в совершенно нейтральном режиме без каких-либо последствий для приспособленности генома. В этих элементах накапливаются синонимические и несинонимические нуклеотидные замены, происходят делеции, перемещения и укорочения, что делает их всего лишь ретровирусными остатками без функций и способности к кодированию. Многие существуют просто в форме единичной последовательности длинных терминальных повторов, атолла вирусной ДНК, лишенного кодирующих последовательностей и возникшего в результате гомологичной рекомбинации между длинными терминальными повторами.

Клетка мобилизует несколько рычагов своего регуляторного аппарата для того, чтобы блокировать и заставить замолчать эндогенных ретровирусных пришельцев. Такие ограничивающие факторы хозяина, как TRIM5 и APOBEC3, используются для ограничения распространения вирусной инфекции по соматическим тканям организма-хозяина (Malim, Bieniasz, 2012). Накапливаются данные о том, что гены ограничивающих факторов являются главным оружием в гонке вооружений между вирусом и хозяином. Можно показать, что в ходе эволюции эти гены возникли одновременно с волнами нашествий ретровирусов, то отступая, то наступая в борьбе за превосходство в этих отношениях. Возникновение мутаций в естественном рецепторе вируса тоже может сделать хозяина невосприимчивым к инфекции. Самое важное заключается в том, что клетки могут использовать изощренный регуляторный аппарат, который накидывает петлю на включившиеся в геном провирусы. Этот аппарат может модифицировать фундаментальную структуру провирусной ДНК, затормозив ее экспрессию. В большинстве случаев это торможение ЭРЭ осуществляется метилированием цитозиновых остатков в ЦГ-связях в последовательностях цепей ДНК; другие ЭРЭ уничтожаются модификацией организации хроматина, который упаковывает геномный материал в ядре и контролирует способность генов и целых участков хромосом к активной экспрессии (Maksakova, Mager, Reiss, 2008).

Все эти механизмы вступают в игру в нелегкий период включения в клеточный геном ЭРЭ. Как мы увидим, введение этого генетического материала в половые клетки позвоночных аналогично включению фага в прокариотический геном. Оба эти процесса представляют собой обоюдоострый меч, катализирующий как опасную генетическую неустойчивость, так и эволюционные возможности для генома-реципиента. Установление конечного состояния, в котором ЭРЭ становятся стабильными элементами генома и перестают пролиферировать, является весьма длительным процессом. Подавляющее большинство из почти 100 тысяч ЭРЭ в нашем геноме было фиксировано в нем до того, как возникли гоминиды; каждый геном ЭРЭ можно проследить в геноме человека и наших ближайших сородичей, у приматов Старого Света. Это позволяет датировать инвазию половых клеток приматов временем появления раннего общего предка человека и шимпанзе (Stoye, 2012). Только одна группа человеческих ЭРЭ, называемых ЭРЭ-К, имеет локусы, не фиксированные в геноме. Человеческие ЭРЭ-К остаются в человеческих популяциях в виде полиморфизмов. Человеческий ЭРЭ-К был впервые включен в геном общего предка приматов Старого Света и человека более 30 миллионов лет назад. Этот ретровирусный элемент оставался активным на протяжении большей части этого периода, и в человеческом геноме присутствуют по меньшей мере двенадцать новых элементов, которые невозможно обнаружить у шимпанзе, с которыми мы разошлись около 6 миллионов лет назад (Belshaw et al., 2004). Существование полиморфных локусов в человеческих популяциях выдает их сравнительно недавнюю активность.

Белшоу и его коллеги (Belshaw et al., 2004) опубликовали свой анализ пролиферации этой группы ЭРЭ после их появления в геноме приматов. Выводы авторов рисуют сложную картину включения ретровирусов в геном и их пролиферации в нем путем многократных циклов реинфекции жизнеспособными вирусами из группы человеческих ЭРЭ-К. К их удивлению, очищающий отбор действует на эти вирусы так, что они сохранили способность генерировать новые ЭРЭ посредством циклов реинфекции генома приматов на протяжении более 30 миллионов лет. Малое меньшинство активных, не фиксированных вирусов человеческих ЭРЭ-К непрерывно рассевало динамичную растущую популяцию человеческих ЭРЭ-К. Несмотря на то что они были частью генома и их активность направлялась скоростью нуклеотидных замен, характерной для геномов позвоночных, вирус человеческого ЭРЭ-К продолжал эволюционировать независимо от генома приматов и находиться под действием отбора, направленного на сохранение репликативной жизнеспособности. Подавляющее большинство человеческих ЭРЭ-К фиксировалось в геноме и инактивировалось в результате мутаций, и, в самом деле, прототипичная последовательность человеческого генома (Lander et al., 2001) не содержит полностью интактных и функционально активных человеческих ЭРЭ-К-вирусов. Тем не менее длительный рост популяции человеческих ЭРЭ-К в человеческих субпопуляциях с различными наборами включений ЭРЭ-К в их геномы позволяет предполагать, что функционирующие вирусы существовали вплоть до сравнительно недавнего времени, и, возможно, такие вирусы еще можно обнаружить в неисследованных человеческих изолятах.

Коала, визитная карточка сумчатой фауны Австралии, имеет репутацию больного вида. В дикой природе почти один из двадцати коал умирает от лейкоза или лейкемии; считают, что в неволе смертность от этих заболеваний достигает 60–80 %. Кроме того, эти животные в значительной степени подвержены хроническому заболеванию, вызванному передающимися половым путем хламидиями. Каждое из этих наблюдений просто кричит об иммунодефиците, и к 2004 году пресса изобрела термин «синдром приобретенного иммунодефицита коал». За двадцать лет до этого ученые из Сиднейского университета нашли в крови страдавших лейкемией коал вирусные частицы, предположительно принадлежавшие ретровирусам. Впоследствии вирус был обнаружен в ДНК генома коалы Джоном Хенгером и его коллегами (2000) из Квинслендского университета, где ученые изучали злокачественные новообразования из кроветворных клеток у коал. Вирус обнаруживался как у здоровых, так и у больных животных, и авторы заключили, что речь идет об эндогенном ретровирусе. Однако ученым это показалось странным, потому что в противоположность большинству ЭРЭ хромосомный провирус функционировал. Он сохранил способность к кодированию всех своих белков, к контролю последовательностей и продуцировал вирусные частицы, когда лимфоциты крови культивировали в лаборатории. Более того, ретровирус коалы оказался генетически близок вирусу лейкемии гиббона, ретровирусу, который инфицирует эту высшую обезьяну и вызывает поражение, сходное с заболеванием коалы (Johnsen et al., 1971).

Вслед за этими открытиями ученые из Квинслендского университета во главе с Полом Янгом (Tarlinton, Meers, Young, 2006) показали, что у разных коал разное число провирусов в ДНК. Несмотря на то что некоторые провирусы встречались у разных животных, ни один ретровирус не встречался у всех животных. Авторы также обнаружили, что в отличие от здоровых коал у заболевших особей было повышено содержание вируса в крови. Все вместе это было очень похоже на синдром приобретенного иммунодефицита коал, возникающий в результате экзогенной, а не эндогенной ретровирусной инфекции. Тем не менее ученые показали, что индивидуальные провирусы следовали менделевским законам наследования. Потомок наследовал специфические локусы провируса от родителей. Тем не менее число и структура ЭРЭ коал различались у разных индивидов; они выступали в популяции как полиморфные аллели, и этот факт убедил ученых в том, что они стали свидетелями эндогенизации ретровируса коалы в режиме реального времени. Это была первая в мире возможность для ученых занять места в первом ряду партера и наблюдать инвазию ретровируса в половые клетки дикого животного. Можно ожидать, что на молекулярном и геномном уровне нам впервые удастся наблюдать интенсивную эволюционную гонку вооружений, которая разразится, вирусным и хозяйским геномами.

Динамика инвазии ретровируса коалы стала очевидной в ходе эпидемиологических исследований популяций коал, обитающих в разных географических ареалах Юго-Восточной Австралии (Simmons et al., 2012; Tarlinton, Meers, Young, 2006). Встречаемость ретровируса коалы в северных популяциях приближалась к 100 %, а среднее число провирусов в геноме коалы достигало 150, в то время как в самых южных ареалах заболеваемость была смешанной. Здесь число копий вирусных геномов в каждой клетке колебалось от 1,5 до крошечных 0,0001 ретровируса на 1 геном, что сопоставимо по величине с экзогенной ретровирусной инфекцией. Коалы, обитающие на острове Кенгуру, отделенном от юго-западного побережья Австралии, представляют собой изолированную популяцию. В начале двадцатого века остров был искусственно заселен коалами, вероятно, завезенными с французского острова в провинции Виктория. На острове не обнаружили никаких признаков заражения ретровирусом коалы; вероятно, первая популяция животных была свободна от ретровируса. Более того, в противоположность популяциям коал на юго-востоке Квинсленда, где за восемнадцать месяцев наблюдения один коала из двадцати погиб от лейкемии, у коал острова Кенгуру не наблюдали никаких признаков этого гематологического заболевания. Эпидемиология синдрома приобретенного иммунодефицита коалы, представленная заболеваемостью и наличием ЭРЭ в геномах коал, позволяет предположить, что фронт заболевания распространяется с севера на юг. Вирус постепенно распространяется по популяции коал как в виде экзогенной вирусной болезни, так и в виде менделирующего генного локуса.

После первого открытия текущей эпидемии и инвазии ретровируса в геном коалы накопилось много вопросов, на которые у нас пока нет ответов. Самые главные из них следующие: когда вирус проник в популяцию коал и каково его генетическое происхождение? Каковы будут последствия для пораженного вида коал? С первым из этих вопросов практически удалось справиться. Предположение Талинтона и его коллег о том, что ретровирус коал попал в популяцию австралийских коал в течение последних ста лет, побудило группу под руководством Алекса Гринвуда из зоологического института в Берлине поискать вирус в зоологических музеях мира. Ученые использовали специальные методики для экстракции и изучения древней ДНК (Avila-Arcos et al., 2013). Эти пробы отличались большой неустойчивостью, а количество ДНК, добытой для анализа нуклеотидных последовательностей, могло быть поистине мизерным. Тем не менее из двадцати восьми шкурок музейных коал, собранных, самое позднее, в конце девятнадцатого века, ученым удалось секвенировать последовательность митохондриальных ДНК из восемнадцати образцов. Это была контрольная работа, которая подтвердила, что методика работает. Из этих восемнадцати образцов только в трех не удалось обнаружить ретровирус коалы, и из трех два образца поступили в музей из Южной Австралии. Пятнадцать из шестнадцати образцов, содержали в своих клетках ДНК ретровируса коалы. Более ста лет назад вирус уже присутствовал у большинства представителей популяции коала. Примечательно, что распространение вируса в популяции происходило так медленно. Авторы предположили, что так произошло в результате того, что коалы преимущественно ведут одиночный образ жизни, а также из-за того, что популяции коал часто изолированы друг от друга географическими барьерами.

Выяснение происхождения ретровируса коалы оказалось более трудной задачей. Вместе вирус лейкемии гиббона и ретровирус коалы представляют самостоятельный монофилетический таксон внутри порядка гамма-ретровирусов; несомненно, что оба они произошли от одного и того же предка. Происхождение вируса лейкемии гиббона остается не вполне ясным; впервые он проявил себя как патоген, который вызвал эпидемию лейкемии и лимфомы у содержавшихся в неволе гиббонов – в Тайской колонии приматов в 1972 году. После этого в клетках азиатских грызунов был выявлен эндогенный ретровирус, по своим антигенным свойствам сходный с вирусом лейкемии гиббона, и этот ретровирус был способен инфицировать клетки приматов. Отсюда можно вывести принципиальную возможность, что эндогенный мышиный ретровирус вызвал инфекцию у гиббонов в результате межвидовой передачи (Tarlinton, Meers, Young, 2008). Очевидно, что ЭРЭ одного вида могут быть резервуаром, из которого вирусы могут инфицировать хозяев других биологических видов. Остается вопрос о том, откуда появился ретровирус коалы; коала не встречается в ареалах обитания азиатских грызунов или гиббонов. Только недавно появилась надежда на решение. Ученым Квинслендского университета удалось идентифицировать новый эндогенный ретровирус из автохтонного австралийского Melomys burtoni (Simmons et al., 2014), который мог оказаться недостающим эволюционным звеном между вирусом лейкемии гиббона и ретровирусом коалы. Возникла соблазнительная гипотеза о том, что межвидовой перескок ретровируса Melomys burtoni от полевого грызуна к коале вызвал у последних эпидемию. Но мы все равно остаемся в недоумении: азиатские грызуны не водятся в Австралии. Объединяющая теория происхождения вируса лейкемии гиббона и ретровируса коалы может дождаться открытия третьего хозяина.

Генетическое родство вируса лейкемии гиббона и ретровируса коалы не вызывает никаких сомнений: они являются самыми близкими генетическими сородичами. В некоторых лабораториях попытались проследить эволюционные изменения, которые могли происходить во время текущей эпидемии инфекции ретровируса коалы, и его прогрессирующую эндогенизацию в геном коалы. Примечательно, что, в то время как ретровирус коалы имеет относительно низкую вирулентность, его азиатский аналог, поражающий гиббонов, является чрезвычайно агрессивным возбудителем. Две мотивирующие последовательности – одна в гене gag, а другая в гене env – связаны с вирулентностью у родственных гамма-ретровирусов. В ретровирусе коалы каждый из этих мотивов мутировал (то же самое обнаружилось при исследовании музейных проб, собранных в девятнадцатом веке). Замена этих мотивов в вирусе лейкемии гиббона мотивами из генома ретровируса коалы привела к снижению вирулентности вируса (Oliveira et al., 2007). Ученые раздумывают, произошла ли эта дивергенция после того, как началась эпидемия заболевания, вызванного ретровирусом коалы, или это изменение было непременным условием способности вируса инфицировать коал. Является ли этот ослабленный фенотип ретровируса коалы секретом его способности инфицировать половые клетки коалы? Весьма возможно, что вирус лейкемии гиббона, исключительно экзогенная инфекция, слишком патогенен для того, чтобы колонизовать половые клетки примата. Подобная гипотеза была расширена для объяснения редкости эндогенных лентивирусов в геномах позвоночных (к настоящему времени таковых описано только два); патогенность этих вирусов может помешать образованию жизнеспособной зиготы.

Исход эпидемии, обусловленной ретровирусом коалы, вызывает большую озабоченность (Stoye, 2006). В разобщенных ареалах в настоящее время обитают менее 50 тысяч диких коал. Ограниченность возможностей такой маленькой популяции пережить текущую эпидемию очевидна. Вероятно, такую же озабоченность экологов вызывает тот факт, что наблюдение геномов популяций коал выявило, что они отличаются весьма ограниченным генетическим разнообразием. Популяция животных уже прошла свое бутылочное горлышко, вероятно, либо в результате инфекционной болезни, либо претерпели депопуляцию вследствие хищнической охоты. Как бы то ни было, сегодня генофонд коал относительно однороден, и этот факт говорит о большом риске вымирания в результате инфицирования ретровирусом коалы. Популяция может оказаться неспособной обеспечить генетическую вариабельность, достаточную для того, чтобы конкурировать с вирусом в развертывающейся гонке вооружений. Колонизация зародышевой линии клеток создает сильное давление отбора на геном коалы, заставляющее его создавать механизмы ограничения, способные смягчить патогенность ретровируса. Гонка вооружений уже набирает обороты, так как уже были выделены первые вариантные штаммы ретровируса коалы с измененными лигандами к клеточным рецепторам. Можно предполагать, что эти новые штаммы имеют эволюционное преимущество. Обладание эндогенным ретровирусом может обеспечить иммунитет в отношении суперинфекций диким типом вируса и смягчить течение заболевания, уменьшив виремию. Варианты вируса, способные проникать в клетку альтернативными путями, могут обойти защитные барьеры и сохранить патогенность. Экзогенный ретровирус коалы, РНК-содержащий вирус, демонстрирует эволюционную подвижность и уже адаптируется для преодоления защиты хозяина и сохранения инфекционности. Ответит ли популяция коал с такой же живостью и изобретательностью, несмотря на малочисленность и генетическое однообразие, или коал ждет вымирание?

Провирус, обосновавшийся в клетках зародышевой линии хозяина, избирает эволюционный путь независимо от своих экзогенных собратьев. Экзогенные ретровирусы живут по тем же правилам, что и другие эгоистичные генетические паразиты, которые вынуждены кочевать от хозяина к хозяину, для того чтобы продолжить свою генетическую линию. Все аспекты их эволюции направляются давлением отбора, которое влияет на относительный успех, с которым вирусы множат свои геномы и передаются от хозяина к хозяину. Эндогенный ретровирусный элемент пересекает черту; он больше не является независимо эволюционирующим эгоистичным элементом, он, пользуясь метким выражением Ричарда Докинза, становится просто эгоистичным геном. Теперь он находится на службе клеточного генома и должен конкурировать за место в пуле генов хозяина, как любой другой, наследуемый по вертикали менделирующий ген. Эндогенные ретровирусные элементы, которые губительно действуют на приспособленность хозяев, будут проигрывать нейтральным и полезным ЭРЭ. Здесь можно провести прямую аналогию с бактериями, нагруженными множеством профагов, расположенных в геноме бактерии-хозяина. По большей части эти профаги являются дефектными; со временем их репликативная способность уменьшается, а кодирующие последовательности инактивируются вследствие мутаций, потому что они не приносят пользы бактериям-хозяевам, а зачастую оказываются вредными. Устойчивые профаги бактериальных штаммов, вероятно, привнесли в клетку какие-то полезные признаки после своей конверсии или обеспечили бактерии защиту от инфицирования другими родственными фагами. Каждый из таких сценариев разыгрывается ЭРЭ позвоночных, проникающими в клетки зародышевых линий. С одной стороны, активно осуществляющие транскрипцию ЭРЭ, в частности, если они сохраняют способность к копированию и размножению в геноме хозяина, напоминают шумных разыгравшихся детишек на перемене в школьной рекреации. Учитель должен призвать их к порядку и утихомирить, если хочет, чтобы дети думали не о шалостях, а об учебе. С другой стороны, провирусные ДНК-последовательности – это клоуны, которые всегда есть в каждом классе, это дар, обеспечивающий генетическое разнообразие хозяина в клетках, и экспрессия этих генов может принести хозяину несомненную пользу. Эти гены содержат элементы генетического контроля, включение которых в область определенного гена может повлиять на все программы экспрессии клеточных генов. Последовательности, кодирующие белки ЭРЭ, могут видоизменяться в ходе эволюции без нарушения существующих функций. Мы уже обсуждали дупликацию генов и ее роль в создании новых генов как в вирусном, так и в хозяйском геноме; создание избыточной и несущественной копии гена оставляет ему свободу эволюционировать самостоятельно и принимать на себя новые функции. Множество мусорных ЭРЭ, разбросанных по геномам позвоночных, по большей части в форме дефектных и укороченных провирусов, инактивированных вследствие мутаций последовательностей, кодировавших белки и выделенные LTR, говорит о том, что подавляющее большинство эндогенных ретровирусных геномов вырождается в нефункционирующие нуклеотидные последовательности. Если клеточные регуляторные механизмы заставляют их умолкнуть или если их генные продукты не находятся под давлением очищающего или положительного отбора, то их ДНК-последовательности освобождаются от сохранения прежних функций. Со временем в этих последовательностях накапливаются случайные мутации, и последовательности дрейфуют из популяции без всякого ущерба для хозяина. То обстоятельство, что ЭРЭ по большей части становятся именно такими пустыми ДНК-последовательностями, служат предметом жарких научных споров; можно, однако, легко найти несколько примеров, иллюстрирующих, как хозяева могут извлечь пользу из своих ЭРЭ. Как и в том, что касается всех феноменов эволюции, мы обратим наше внимание на успешные эволюционные события, закрепившиеся в геномах. Эволюционные провалы, неважно, что они численно намного превосходят достижения, остаются незамеченными, не фиксируются и удаляются из геномов беспощадным очищающим отбором.

К настоящему времени накоплено великое множество данных о том, что включение ЭРЭ в определенные локусы может сильно подстегнуть эволюцию хозяина. Считается, что человеческие ЭРЭ были включены в геном от 10 до 50 миллионов лет назад, за исключением, быть может, человеческих ЭРЭ-К, и они уже давно неактивны. Мыши и другие грызуны, однако, обладают некоторыми ЭРЭ, сохраняющими способность к ретротранспозиции по сей день, а в некоторых случаях из крови грызунов можно получить экзогенные варианты ретровирусов, которые до сих пор могут инфицировать хозяев и вызывать заболевания. Один из таких примеров представлен частицами в мышином геноме. Они сохраняют способность к копированию, то есть к включению в хромосомы клеток зародышевой линии. Документально подтверждено, что такие ретротранспозиции вызывают по меньшей мере 10 % спонтанных мутаций в мышином геноме, что приводит к появлению отчетливых фенотипов (Stocking, Kozak, 2008). Если учитывать, что мутации, летальные для сперматозоидов, яйцеклеток или эмбрионов, остаются незамеченными, то вред для мышиного генома от активных ЭРЭ представляется весьма ощутимым. Хозяева могут, в какой-то степени контролировать экспрессию ЭРЭ и подавлять их мутагенный потенциал, в частности, в эмбриональных и зародышевых клетках. Тем не менее, несмотря на то что вредоносные последствия активности ЭРЭ, вероятно, возникают очень часто, существуют все же и примеры благотворного воздействия. Мы можем утверждать, что у ранних приматов одно включение ЭРЭ в локус гена панкреатической амилазы придало нашим предкам способность экспрессировать ген амилазы в слюнных железах (Samuelson, Phillips, Swanberg, 1996; Meisler, Ting, 1993). Это наследственное изменение обеспечило тканеспецифичную экспрессию определенного гена и, кроме того, сделало нас сладкоежками. В этом случае включение последовательности ДНК регуляторного гена близко к месту старта транскрипции гена амилазы позволило слюнным железам секретировать амилазу. Результирующий фенотип предоставил приматам определенные преимущества, сделав обезьян способными лучше усваивать сложные углеводы.

Известно, что гомологические последовательности в любом геноме склонны к упорядочиванию и становятся связующим звеном для гомологичных рекомбинаций между двумя фрагментами ДНК. Пролиферация ЭРЭ с идентичными или гомологичными последовательностями создала геномы, содержащие более 1000 таких последовательностей. Генетики поэтому имеют все основания считать, что эти рассеянные по геному последовательности способны к рекомбинациям, которые могут привести к перестройкам, делециям или дупликациям геномных последовательностей. В 2001 году сотрудники одной из ведущих лабораторий, занимающихся генетикой ретровирусов, принялись за поиск прямых доказательств того, что такие события являются общим правилом и могут вносить существенный вклад в эволюцию (Hughes, Coffin, 2001). Ученые сфокусировали внимание на человеческом ЭРЭ-К, так как существуют убедительные свидетельства того, что они активны в геномах приматов на протяжении последних 30 миллионов лет. Авторы проанализировали нуклеотидные последовательности ДНК и проследили филогенетическое родство тридцати пяти полноценных человеческих ЭРЭ-К-провирусов в ДНК человека и сравнили их распределение с распределением в геномах других приматов; некоторые последовательности были обнаружены у множества других приматов; иные были присущи только человеку или одновременно с ним только гориллам и шимпанзе. Это убедительное свидетельство в пользу того, что эти элементы появились в результате включений, происходивших совсем недавно по меркам эволюции. Некоторые произошли уже после возникновения рода гоминид. Эти исследования значительно расширили наши знания. Речь идет о фундаментальных основах включения в геном провируса: длинные концевые повторы, которые с обеих сторон примыкают к каждому провирусу, по своим нуклеотидным последовательностям идентичны последовательностям, существовавшим в тот момент, когда провирус включался в геном. Более того, каждая последовательность длинных концевых повторов привязана к единственному фрагменту фланкирующей клеточной ДНК, что позволяет надежно его картировать в геномной последовательности. Можно ожидать, что в эндогенных ретровирусных элементах каждый провирусный длинный концевой повтор будет накапливать нуклеотидные замены с той же медленной скоростью, что и клеточная ДНК. Длинные концевые повторы одного провируса создаются в результате единичного события включения в один момент времени и будут поэтому находиться рядом друг с другом на филогенетическом дереве. Работа Хьюза и Коффина (2001) показала, что длинные концевые повторы некоторых локусов человеческих ЭРЭ-К не создают кластеров на филогенетическом дереве, откуда был сделан вывод о том, что их фланкирующие длинные концевые повторы происходят из разных вирусов, включенных в геном в разное время. Рекомбинации между элементами имели место между двумя самостоятельными провирусами, создавшими человеческие ЭРЭ-К с «нестыкующимися» длинными концевыми повторами. В некоторых случаях получены данные о том, что отличительные фланкирующие последовательности хозяйской ДНК также не соответствовали друг другу. В целом можно считать, что один из пяти полноразмерных человеческих ЭРЭ-К подвергся рекомбинации, которая привела к существенным перестановкам или делециям в клеточных нуклеотидных последовательностях. В ходе этого анализа удалось скрупулезно рассмотреть не более тридцати пяти человеческих ЭРЭ, но наш геном содержит почти сто тысяч таких элементов. Если можно обобщить полученные данные (а почему бы и нет?), то мы поймем, что не следует недооценивать масштаб генетических инноваций, достижимых благодаря такому геномному «отягощению».

Перестройки генома, опосредованные локусами ЭРЭ, должны активно перемешивать содержимое генетического горшка, чаще, конечно, создавая геномные аномалии, которым отказано в наследовании. Каждая рекомбинация приводит к появлению двух реципрокных хромосомных продуктов. Примечательно, что отсутствуют данные о существовании таких реципрокных продуктов рекомбинаций ЧЭРЭ-К. Понятно, что толерантность в отношении большинства геномных перестановок очень мала, и они никогда не распространяются дальше, отправляясь на мусорную генетическую свалку, оставляя процветать только здоровые варианты. Несомненно, однако, что такие события благотворно сказались на нашей эволюции; локусы ЭРЭ считаются катализаторами дупликации в геномах и диверсификации локуса генов гистосовместимости, то есть помогают развитию и совершенствованию нашего адаптивного иммунитета (Kambhu, Falldorf, Lee, 1990). По мере того как в ближайшие годы будет развиваться сравнительная геномика, мы, несомненно, откроем много случаев геномных нарушений, опосредованных ЭРЭ, которые есть и будут фактором генетической вариабельности – либо вредной, либо полезной.

Физическое ремоделирование генома хозяина – одно из мощных отрицательных последствий включения последовательностей ЭРЭ. Рекомбинации, направляемые гомологией множества ЭРЭ, разбросанных по геному, являются всего лишь одним из аспектов вредоносных инноваций, которые могут повлиять на эволюцию хозяйского генома. Надо еще раз подчеркнуть, что по аналогии с отношениями между бактериофагами и их хозяевами бактериями возможность конверсии генов, при которой клетка-хозяин приобретает полезные гены у своего паразита, существует и в эукариотических клеток. Профаги часто предлагают «готовые» решения в виде полезных генных функций, которые придают клетке-хозяину (см. главы 2 и 3) селективное преимущество. То же самое можно сказать и о ретровирусных провирусах, хотя разнообразие генных функций, которыми они могут обеспечить хозяина, более ограниченно. Доказано, что ретровирусные гены env являются самыми полезными для клеток позвоночных, и функции этих генов неоднократно включались в геномы позвоночных в ходе их эволюции. То, что некоторые гены ЭРЭ благотворно влияют на эволюцию позвоночных, подтверждается их существованием в течение многих миллионов лет в качестве функциональных генов. Вместо того чтобы уничтожить их случайным мутационным дрейфом, естественный отбор со стороны хозяина оставил их кодирующие последовательности неизменными и способными экспрессировать функционально значимые белки. В этих последовательностях преобладают синонимические мутации, что указывает на очищающий отбор и сохраняет необходимую функцию. Эти элементы повышают приспособленность хозяина, обеспечивают лучшую устойчивость его генетических линий и поэтому были усвоены хозяйским геномом. Хозяин приручил вирусный ген и начал использовать его для собственных целей. Продуктом гена env является вирусный гликопротеин, главная роль которого при вирусной инфекции заключается в осуществлении проникновения вируса в клетку. Все продукты гена env являются фузогенными белками, опосредующими слияние (фузию) двух мембран – вирусной оболочки и цитоплазматической мембраны клетки. Другие функции могут варьировать, и белки env разных ретровирусов распознают разные белки разнообразных клеточных рецепторов; известно, что продукты генов env мышиных и обезьяньих ретровирусов обладают иммунодепрессивными свойствами. Все эти функции оказались полезными для позвоночных, что привело к эволюции и сохранению в их геномах многих генов, происходящих от ретровирусных генов env.

Рецепторная специфичность белков оболочки ЭРЭ оказалась полезной функцией и была усвоена и сохранена клетками. Один из примеров – мышиный ген Fv4. Он происходит от дефектного мышиного ЭРЭ, сохраняющего способность экспрессировать родственный env белок на клеточной поверхности. Мыши, обладающие активным (резистентным) аллелем Fv4, проявляют резистентность к патологическим эффектам экзогенного мышиного ретровируса, называемого френд-вирусом (Odaka et al., 1981). В популяциях диких мышей в Калифорнии тот же ген делает животных резистентными к ретровирусной лимфоме. Продукт гена Fv4 на клеточной поверхности захватывает клеточный рецептор определенных вирусных штаммов, меняет тропизм клеточного рецептора и лишает вирус способности к докированию и инициации входа в клетку. Это устранение опасности суперинфекции является селективным преимуществом, общим для клеток, включивших в свой геном ген env и получивших резистентность к инфицированию и заболеванию. Точно так же и у мышей, эволюционные изменения определенных внутриклеточных ограничительных факторов произошли вследствие использования продуктов ретровирусного гена gag. Мышиный ген Fv1 является гомологом ретровирусного гена gag. Несколько остатков Fv1 демонстрируют устойчивость в ходе положительного отбора (Yap et al., 2014), а это указывает на то, что эволюция видоизменила ретровирусный ген для нужд хозяина. Fv1 действует приблизительно так же, как TRIM5α, фактор, препятствующий инфицированию за счет связывания структур ретровирусного капсида и нарушения упорядоченного разрушения его в цитоплазме клетки-хозяина (Hilditch et al., 2011). Аллели гена Fv1 не только предотвращают инфицирование мышиным ретровирусом, они также препятствуют инфицированию другими типами ретровирусов, а это позволяет предположить, что они стали критически важными элементами механизма противовирусной защиты у мышей.

Иммунодепрессивные свойства ретровирусных белков env связаны с определенными пептидными последовательностями, с иммуносупрессивным доменом, расположенным в трансмембранной субъединице ретровирусных белков env. Их существование было впервые обнаружено в 1985 году, когда ученые принялись выяснять причину иммунодепрессивного действия ВИЧ-1. Было обнаружено, что субдомен из двадцати аминокислотных остатков, сохранившийся в белках env ретровирусов приматов и мышей, связан каким-то образом с подавлением пролиферации лимфоцитов (Ciancolo et al., 1985). Группа французских ученых под руководством Тьерри Эйдмана выполнила плодотворное исследование, в ходе которого ретровирусный белок env был искусственно экспрессирован на поверхности клеток привитой мышам аллогенной опухоли. Аллогенные трансплантированные клетки иммунологически чужды мыши, которой их пересадили. В нормальных условиях, когда аллогенную ткань пересаживают животным с сохранившейся иммунокомпетентностью, развивается реакция трансплантат против хозяина и иммунная система мыши отторгает трансплантат. Это тот же ответ, который должен быть подавлен у больных после операции трансплантации органов с неидентичным типом ткани. Если клетки пересаженной опухоли экспрессировали на своей поверхности ретровирусный белок, то происходило подавление иммунной реакции и отторжения не было (Mangeney, Heidmann, 1998). Обнаружение и идентификация белкового мотива, опосредующего иммунодепрессивные свойства env, дали ключ к разгадке его функции при ретровирусной инфекции. Группе Эйдмана удалось создать мутантные ретровирусы, у которых был выключен домен иммунодепрессивного продукта гена env. Несмотря на то что мутантный вирус инфицировал выращенные в культуре клетки с той же эффективностью, что и вирусы дикого типа, заражать им животных оказалось невозможно. Он мог успешно инфицировать мышей с подавленным рентгеновским излучением иммунитетом, но не мог инфицировать нормальных мышей (Schlecht-Louf et al., 2010). Для нормальной вирулентности ретровирусу нужна иммунодепрессивная функция оболочечного белка, которая действует как на врожденный, так и на адаптивный иммунитет хозяина.

К началу девяностых годов ученые начали расшифровку геномов ЭРЭ, которые сохранили открытые рамки считывания генов, несмотря на то что были частью человеческого генома на протяжении более тридцати миллионов лет. В 1993 году группа ученых под руководством доктора Робина Вейсса из Института противораковых исследований Честербитти сумела приоткрыть завесу. Они описали предпочтительную экспрессию эндогенного ретровируса ЭРЭ-3 на клетках синцитиотрофобласта плаценты. Были получены первые данные о том, что белки env из ЭРЭ могут играть роль в формировании плацентарного иммунопротективного барьера, состоящего из слоя слившихся клеток синцитиотрофобласта (Boyd et al., 1993). Как выяснилось, ЭРЭ-3 не может играть выдающейся роли в образовании человеческой плаценты; у одного человека из ста существует полиморфизм, делающий этот элемент нефункциональным. Тем не менее интерес был подогрет, и очень скоро ученые начали рассматривать гены env из других человеческих ЭРЭ в качестве возможных кандидатов. Были найдены env-белки из двух разных семейств ЭРЭ, HERV-W и HERV-FRD, названные, соответственно, синцитином-1 и синцитином-2. Они чрезвычайно консервативны у родственных видов, что говорит о высоком давлении очищающего естественного отбора. Оба белка экспрессируются в плаценте и связывают клеточные рецепторы, которые тоже там экспрессируются. Но мало этого, если эти белки экспрессировались в культуре клеток, они (белки) заставляли клетки сливаться с образованием крупных многоядерных синцитиальных клеток, что типично для образования синцитиотрофобласта. Эти синцитины являются ретровирусными белками, которые используются приматами для стимуляции образования плаценты.

Оболочечные гены ЭРЭ обладают уникальными свойствами, которые делают их пригодными для формирования плаценты: они являются фузогенными белками и обладают, кроме того, иммунодепрессивными свойствами. Плацентарные млекопитающие отличаются от неплацентарных способностью самок питать оплодотворенное яйцо и плод в собственном теле. Плацента – это временная ткань эмбрионального происхождения, и возникновение ее сделало излишним помещение эмбриона в механически прочное защитное яйцо, которое созревает вне материнского организма. Этот феномен служит двоякой цели: в плаценте происходит обмен дыхательных газов и питательных веществ, поступающих от матери, а кроме того, плацента обеспечивает иммунологическую толерантность. Плод состоит из чужеродной ткани, для матери это аллотрансплантат. Половину своих наследственных и антигенных свойств плод черпает у матери, а половину – у отца. Если плод созревает внутри материнского организма, он должен изолировать себя от ее иммунной системы, чтобы не быть отторгнутым в результате реакции трансплантат против хозяина. Плацента образуется очень рано после имплантации зародыша. Синцитины опосредуют образование непрерывного слившегося слоя клеток вокруг эмбриона, изолируя его от матери, но позволяя питательным веществам и газам проходить через этот барьер. Несмотря на то что наблюдения над человеческими синцитинами-1 и -2 были достаточно убедительными, ученым предстояло окончательно связать синцитины с образованием плаценты в опытах на мышах. Здесь использовали два синцитина (обозначенные литерами А и В) из мышиных ЭРЭ, и генетические эксперименты с мышами, дефектными по генам этих синцитинов, подтвердили, что их дисфункция нарушает образование плаценты. Примечательно, что гены обоих синцитинов у мышей находились не в тех же хромосомах, что у человека. Это означает, что человеческие и мышиные синцитины произошли не от одной их предковой формы; они возникли при разных событиях захвата гена ЭРЭ из разных семейств ЭРЭ у людей и мышей. Независимо от этого, все синцитины, выделенные к настоящему времени у различных видов млекопитающих, обладают фузогенными и иммунодепрессивными свойствами. То, что различные плацентарные млекопитающие используют разные синцитины, не вызывает удивления. Специалисты по биологии развития давно поняли, что плацента является одним из самых неоднородных по структуре и функции органов млекопитающих. Не ускользнуло от внимания ученых и то, что, хотя возникновение класса млекопитающих плацентарных животных можно датировать довольно точно – они появились по меньшей мере 150 миллионов лет назад возраст синцитинов, которые в настоящее время отвечают за плаценту, намного менее почтенный – им не более 50 миллионов лет (Lavaille et al., 2013). Объяснение этого несоответствия, очевидно, обусловлено тем, что плацентарные млекопитающие возникли при приручении генов env из ЭРЭ, но по мере того, как на геномы млекопитающих накатывались все новые и новые волны ретровирусов, первые синцитины, во многих случаях заменялись новыми, с новым составом белков env. В понятиях эволюции представляется, что плацентарные млекопитающие постепенно «сдавали» свои синцитины, когда появлялись их новые модели, имевшие эволюционное преимущество перед старыми. Исходные гены синцитинов, перестав подвергаться давлению отбора, совершенно предсказуемо начали разрушаться в результате мутаций, и сейчас присутствуют в наших геномах в виде остаточных ископаемых остатков.

Если обилие ретровирусной ДНК в нашем геноме было сюрпризом для ученых, то скудость подписей, оставленных другими семействами вирусов, не потрясла никого. Обязательным условием репликации ретровирусов является формирование включенного в геном хозяина провируса, с которого копируются геномы его потомков. Для того чтобы получить возможность включиться в геном хозяина, вирус всего лишь должен инфицировать клетку зародышевой линии. Однако другие классы вирусов в естественных условиях не включаются в ДНК хозяина для вступления в цикл репликации. Как вы сейчас убедитесь, способ существования вирусов отличается подлинным разнообразием. Геномы вирусов могут состоять из одно- и двухцепочечных ДНК и РНК, из одноцепочечных ДНК или РНК положительной или отрицательной полярности; некоторые для репликации используют ядро клетки, другие же не видят никакой необходимости проникать в ядро и реплицируются исключительно в цитоплазме. Поэтому никого не удивило, что нуклеотидные последовательности этих вирусов не слишком богато представлены в геномах эукариотических хозяев. Однако в последние годы осуществление секвенирования полных геномов и применение более информативных методов исследования позволили обнаружить, что эукариотические геномы обладают замечательным разнообразием включенных в них эндогенных вирусных элементов (ЭВЭ). При достаточно пристальном взгляде в геномах хозяев можно обнаружить вирусные геномы всех упомянутых категорий (Johnson, 2010). Этот результат был получен в работах нескольких научных коллективов, прочесавших горы информации о нуклеотидных последовательностях геномов (Belyi, Levine, Skalka, 2010a, b). В организмах разнообразных позвоночных, включая млекопитающих, сумчатых, птиц, миног и рыб, а также у насекомых они нашли великое множество различных вирусных по происхождению, но не ретровирусных последовательностей. В противоположность ЭРЭ, которые включались в ДНК хозяев в виде полных вирусных геномов, которые затем пролиферировали в зародышевых клетках хозяев, все происходило не так с неретровирусными ЭВЭ. В геном хозяина внедрялись от одного до нескольких небольших фрагментов вирусных последовательностей или в лучшем случае один полный ген. То, что такие редкие включения вообще происходят, является следствием случайного обратного транскрибирования вирусной матричной РНК и включения продукта транскрипции в геном с помощью ферментативных механизмов ретровирусов или ретротранспозонов. Этот процесс представляется наиболее вероятным, если в геном включается целая последовательность мРНК. Инициация обратной транскрипции LINE-элемента генома, подвергающегося ретротранспозиции, происходит на полиаденилатном конце транскрипта LINE-элемента. Представляется вполне вероятным, что большое количество транскриптов вирусной мРНК, которые тоже содержат полиаденилатные последовательности, может воспользоваться этим механизмом и включиться в геном так же, как мобилизованный LINE-элемент. Неспецифические случайные или аберрантные негомологичные рекомбинации также могут способствовать включению вирусных последовательностей в геномы хозяина.

Фрагменты вирусных ДНК, не имеющие функций, должно быть, чрезвычайно редко выживают в виде аллелей в своих новых хозяйских популяциях и еще реже чисто случайно фиксируются в популяции хозяина. Существование таких фрагментов древней, имеющей вирусное происхождение ДНК свидетельствует, что, несмотря на отсутствие полезных функций (во всяком случае, в настоящее время), некоторые такие фрагменты выжили в геноме хозяина. Эти фрагменты являются полезными генетическими маркерами для эволюционных биологов, потому что не имеющие функций нуклеотидные последовательности просто пребывают в геномах хозяев, подвергаясь нейтральному мутационному дрейфу и разрушению со скоростью, характерной для эволюционных часов генома-хозяина. В геномах позвоночных можно ожидать, что частота нуклеотидных замен в таких нейтральных ДНК будет соответствовать постоянной скорости эволюционных изменений с течением времени. Одновременно со знанием о геномах филогенетически родственных видов становится возможным определить дату, когда вирусная ДНК проникла в геном самого недавнего из общих предков. Эти данные подтверждают, что многие вирусные фрагменты в геномах хозяев происходят от весьма древних вирусных геномов. При изучении сорока восьми видов позвоночных Белый, Левин и Скалка (2010a, b) обнаружили у девятнадцати видов позвоночных восемьдесят ЭВЭ, родственных циркулирующим в настоящее время вирусам, содержащим одноцепочечную РНК с негативной полярностью. Эти геномные фрагменты датируются временем около 40 миллионов лет назад. Филогенетическое сравнение последовательностей ЭВЭ с таковыми современных вирусов показало, что древние последовательности образуют единый кластер, но, несмотря на это, не являются монофилетическим таксоном, который эволюционировал в циркулирующие в наше время вирусы. Другими словами, сегодняшние вирусы не являются прямыми потомками вирусов, циркулировавших 40 миллионов лет назад. Фрагменты вирусных геномов в ДНК позвоночных являются подлинными ископаемыми остатками давно вымерших вирусных линий, которые сравнительно недавно были заменены современными линиями.

Это действительно убедительное наблюдение, но, точно так же как лишенные функций фрагменты нуклеотидных последовательностей рассказывают нам историю древних вирусов, некоторые ЭВЭ содержат более длинные последовательности, кодирующие работающую информацию. Некоторые из этих элементов не разрушаются мутациями с той скоростью, какую можно ожидать от нейтральных последовательностей; они сохранены, как открытые рамки считывания до наших дней. Эволюция пользуется случайными событиями, но, например, в случае приручения генов ЭРЭ вероятность того, что такая последовательность сохранит свою функцию на протяжении столь длительного промежутка времени, пренебрежимо мала, если только состав последовательности не находится под постоянным и сильным давлением отбора. Эти фрагменты должны оказывать хозяину важные услуги (по меньшей мере, когда-то в прошлом и в течение длительного времени), настолько важные, чтобы определяющие их гены были сохранены очищающим естественным отбором.

Самые заметные из этих ЭВЭ геномов позвоночных происходят из одноцепочечных РНК-содержащих вирусов с РНК негативной полярности и чаще всего от вирусов двух порядков Mononegavirales: борнавирусы, а также эболавирусы и марбургвирусы. Каждый из этих вирусов может вызывать летальное заболевание у некоторых видов позвоночных. Борнавирусы не патогенны для человека, но вызывают смертельные неврологические заболевания у таких восприимчивых животных, как овцы, лошади и коровы; вирус Эбола вызывает геморрагическую лихорадку у человека, но практически безвреден для летучих мышей, которые, как считают, являются его природным резервуаром.

Происходящие из борнавирусов ЭВЭ широко распространены в геномах млекопитающих во всех регионах мира. Белый и его коллеги нашли их у животных тринадцати видов, и чаще всего эти ЭВЭ содержат последовательности, происходящие из гена вирусного нуклеокапсида. Последовательности, родственные вирусу Эбола и вирусу Марбург, были обнаружены у шести видов; они происходят из двух вирусных генов гена нуклеопротеина и кофактора полимеразного комплекса (VP35). Авторы отметили, что эти последовательности часто включаются в геном в результате множества независимых событий, происходящих на протяжении длительных периодов времени по ходу эволюции. Это, несомненно, еще одно указание на то, что включенный генетический материал предоставлял хозяину существенное конкурентное преимущество. Авторы исследования предложили правдоподобную и привлекательную гипотезу, объясняющую консервацию этих древних вирусных последовательностей в геномах позвоночных. Экспрессия этих белков на клеточной поверхности может сообщить хозяину резистентность к вирусной инфекции, аналогично ограничивающему фактору Fv1 у мышей. Тот гомолог ретровирусного гена, gag, заимствованный из вирусного генома, защищает хозяина за счет физического взаимодействия с ретровирусным капсидом, содержащим gag. Фрагменты белков, подобных белкам борнавируса, вируса Эбола и вируса Марбург, экспрессированные в клетках, образуют субдомены вирусных белков, которые выступают в виде многомерных белковых ансамблей в инфицированных клетках. Возможно, что белки, экспрессируемые ЭВЭ, будут вести себя сходным образом, но не будут идентичны гомологу, экспрессируемому инфицирующим вирусом. Эти несовпадающие белки могут нарушать функции нативных вирусных белков, что и приводит к противовирусному защитному эффекту. Если каменщику поднесут кирпичи и некоторые из них будут отличаться от остальных формой и размером, то при кладке будет нарушена конструкция стены и ее эстетика. Такими кирпичами могут стать продукты генов ЭВЭ. То, что некоторые ЭВЭ действуют как ограничивающие активность вируса белки, является привлекательным объяснением их столь длительного сохранения в геномах хозяина на протяжении многих миллионов лет. Эта концепция подкрепляется тем фактом, что ЭВЭ распространены в геномах самых разнообразных видов позвоночных. Убедительная корреляция выявляется между обладанием ЭВЭ и резистентностью к патогенам. У коров и лошадей ЭВЭ борнавирусного происхождения отсутствуют, и эти виды восприимчивы к смертельно опасным инфекциям, но в то же время инфицирующие нас борнавирусы не вызывают у нас видимых симптомов заболевания. Точно так же приматы, не обладающие родственными эндогенными последовательностями, уязвимы по отношению к вирусам Эбола и вирусам Марбург, но у резистентных летучих мышей эти последовательности в геномах есть. Не являемся ли это объяснением резистентности летучих мышей к заболеваниям, вызываемым вирусами Эбола?

Косвенное подкрепление этой концепции было найдено в недавних исследованиях эндогенных борнавирусных элементов (EBLs) в геноме тринадцатиполосного суслика (Fujino et al., 2014). Кан Фуджино и его сотрудники сосредоточились на борнавирусном элементе суслика; этот элемент транскрибируется в мРНК, которая содержит открытую рамку считывания, кодирующую белок, 77 % аминокислотной последовательности которого совпадает с нуклеопротеином современного патогенного борнавируса. Такая консервативная последовательность в эндогенном борнавирусном элементе привела авторов к мысли о том, что это на самом деле включенный в геном вирусный ген, сохранивший свою функциональность в ходе эволюции. Ученым удалось экспрессировать клонированную копию эндогенного борнавирусного элемента суслика в инфицированной борнавирусом клетке и подавить репликацию вируса. Элемент включился в комплекс вирусного рибонуклеопротеина и подавил репликацию вирусной РНК. Механизм действия, скорее всего, обусловлен гетеро-мультимеризацией с нуклеопротеином нативного патогенного борнавируса, которая инактивирует комплекс. Эндогенизация этой вирусоподобной последовательности обеспечивает защиту суслика от инфицирования родственными экзогенными вирусами. Представляется вполне правдоподобным, что эндогенные филовирусоподобные элементы летучих мышей являются консервативными факторами, защищающими летучих мышей от родственных вирусов, и делают дикую популяцию летучих мышей естественным резервуаром вирусов геморрагической лихорадки, которая периодически вспыхивает в виде локальных эпидемий среди людей и других приматов.

Так же, как мышиные ретровирусы снабдили некоторые виды генетическим материалом, позволяющим развить иммунитет к инфекциям, поступили и эти вирусы. Выработка противовирусного ответа могла быть одним из этапов гонки вооружений между вирусами и их природными хозяевами. Как мы видим и в случае других инфекций, снижение патогенности может привести к большей устойчивости и меньшей вредоносности инфекции, что в эволюционном плане выгодно обеим сторонам. В противном случае тяжелые эпидемические инфекции, вызывающие быструю гибель хозяина, могут создать высокий риск вымирания для вирусов, если его линии не могут пребывать в организме хозяина, как в природном резервуаре. Эндогенные вирусные элементы позволяют создавать такие резервуары. Древние вирусы, оставившие ЭВЭ в хозяйских геномах 50 миллионов лет назад, видимо, вымерли и не являются прямыми предками вирусов, циркулирующих в наши дни. Фактически это одна из сил, создавших вирус Эбола, вирус Марбург и линии борнавируса, циркулирующие в настоящее время.

Сегодня мы справляемся со многими эндемическими вирусными заболеваниями человека с помощью вакцин. Широкое распространение вакцинации против оспы и кампания по ее искоренению закончились в 1977 году заявлением о полной ликвидации натуральной оспы. Вакцинация детей в раннем возрасте высокоэффективной вакциной в настоящее время доступна повсеместно. В развитых странах практически покончено со свинкой, корью, краснухой и полиомиелитом с помощью соответствующих вакцин. В прежние времена эти заболевания приносили много забот родителям. В моем детстве эти вирусные заболевания были едва ли не ритуальными – ими перебаливали практически все дети. Лично я приобрел иммунитет к кори, краснухе, свинке и ветрянке через не очень легкие заболевания. Эти заботы кажутся несколько неуместными сегодня (учитывая, например, что НАСА объявило о намерении отправить на Луну людей в конце нынешнего десятилетия), но такое легкое отношение было бы невозможным без изобретения противовирусных вакцин.

Мы научились обращать вирусы против них самих и превратили их в наши инструменты. Их использование в вакцинах для борьбы с инфекционными болезнями стало рутиной. Эти инструменты можно с полным правом считать средствами биологического (вирусного) контроля. Вакцины, содержащие живые вирусы и ослабленные живые вирусы, применяют для подавления вирусных инфекций у человека и домашних животных. Увенчались успехом также попытки использования вирусов для уничтожения паразитов домашних животных. Однако я рассмотрю один пример использования вируса как биологического оружия для уничтожения вида млекопитающего животного (это был спасительный провал, как уже, я надеюсь, догадываются читатели). Это будет каноническая притча о совместной эволюции вируса и хозяина. Этот рассказ можно понять в контексте биологии вирусной эволюции, и к тому же это замечательный пример принципа Черной Королевы в действии.

В 1896 году среди европейских кроликов, доставленных в Пастеровский институт Монтевидео (Уругвай), разразилась эпидемия какой-то болезни. Это был результат межвидовой передачи вируса миксомы, поксвируса, естественным хозяином которого был тапети, разновидность южно-американского кролика. Вирус миксомы вызывал относительно доброкачественные фиброзные разрастания у тапети, но оказался в высшей степени патогенным для европейских кроликов. Вирус вызывал у них тяжелую генерализованную болезнь (миксоматоз), сопровождавшуюся почти стопроцентной летальностью. Переносчиками заболевания являются комары. За сто лет до описываемых событий сами кролики стали бедственным поветрием. Европейские переселенцы в Австралию взяли с собой кроликов на свою новую родину. Животное, служившее поначалу источником мяса и меха, а иногда и объектом спортивной охоты, в течение восемнадцатого века расплодилось по всему пятому континенту. К 1920 году в Австралии обитали не менее 10 миллиардов кроликов. Еще в 1919 году бразильский ученый Х. Борепер Арагао понял, как можно с пользой применить вирус миксомы. Он обратился к австралийскому правительству с предложением воспользоваться вирусом миксомы для искусственного заражения кроликов (Fenner, 1983). Из этой инициативы ничего не вышло, и только после окончания Второй мировой войны было принято специальное постановление Содружества о борьбе с паразитами.

Всерьез за искоренение австралийских кроликов с помощью вируса миксомы взялись только в 1950 году. На инфекцию обратил внимание доктор Фрэнк Феннер, выдающийся австралийский вирусолог и автор классического учебника «Биология вирусов животных», опубликованного в 1974 году. Нам просто повезло, что этот человек проявил интерес к тому, что оказалось настоящим экспериментом в области совместной эволюции вируса и хозяина. Тщательные эпидемиологические и лабораторные исследования полевых штаммов вируса миксомы из диких популяций кроликов пролили свет на естественную историю и эволюцию возникновения болезни у нового хозяина. Феннер документально выявил изменения в численности популяции, заболеваемость и вирулентность вирусов миксомы, выделенных из кроликов по ходу распространения эпидемии. Совсем недавно картина была завершена анализом полных геномных последовательностей тех же самых вирусов. Теперь нам известны молекулярные механизмы совместной эволюции вирусов и кроликов.

После первых введений вируса миксомы в популяции кроликов Феннер и его коллеги начали изучать динамику заболеваемости кроликов в долине Мюррея. Инокуляция вируса 100 особям и выпуск их в популяцию численностью 5000 кроликов привели к сокращению популяции до 50 животных. Смертность составила 99,8 %. Примечательно, однако, что когда к популяции присоединилось некоторое число неинфицированных кроликов из отдаленного региона и началось их смешивание с популяцией, ее численность возросла до 500 животных. Потом началась новая вспышка заболевания, сократившая численность кроликов до 60. У всех выживших животных в крови обнаруживались антитела к вирусу миксомы. Эти кролики не избежали инфицирования, они пережили болезнь. Теперь смертность составила 90 %, то есть стала в десять раз ниже, чем в предыдущий сезон (Fenner, 1983). Феннер выделил эти штаммы и заразил ими лабораторных кроликов. Было убедительно показано, что эти новые вирусы обладали меньшей вирулентностью, чем штаммы предыдущего года. Работа продолжалась тридцать лет. Феннер и его сотрудники тщательно следили за вирулентностью полевых штаммов циркулирующего вируса миксомы. Эта работа – великолепный и подробный рассказ об эволюции вирулентного фенотипа по мере адаптации вируса к новому хозяину; эта история превосходно иллюстрирует, как взаимодействие вирулентности вируса и надежности его передачи помогает достигать равновесия, оптимального для приспособления к популяции нового хозяина (Marshall, Fenner, 1960; Fenner, 1983). Штаммы вируса миксомы были классифицированы по их вирулентности от класса I (наивысшая вирулентность) до класса V (самая низкая вирулентность) на основании смертности и продолжительности заболевания после инфицирования. Самые вирулентные вирусы, отнесенные к классу I, убивали 99 % инфицированных животных в течение тринадцати дней, в то время как вирусы, отнесенные к классу V, вызывали летальность всего 50 % с выживаемостью в течение пятидесяти дней. Феннер и его коллеги собрали данные за период с 1950 до 1981 года. Вирусы извлекались из сотен инфицированных животных каждый год, и каждый выделенный штамм оценивали с точки зрения его принадлежности к определенному классу. Таким образом, ученые смогли представить частотное распределение вирулентности в циркулирующей вирусной популяции (то есть число вирусов каждого класса вирулентности). Когда вирус был введен в первый раз, 100 % всех частиц обладали вирулентностью I класса. В течение пяти лет такую высокую вирулентность сохранили только 13 % вирусов; вирусы теперь имели диапазон вирулентности от I до IV класса. В течение восьми лет вирулентность I класса сохранилась только у 1 % вирусов, а у 15 % вирулентность уменьшилась до V класса. Тем не менее, начиная с первого года, каждый год превалировали вирусы, обладавшие вирулентностью III класса; таких вирусов всегда было больше половины. Вирус перестал эволюционировать в сторону более низкой вирулентности; представляется, что было достигнуто равновесие с оптимальным фенотипом вирулентности, который и стал преобладать в популяции вирусов. Но как можно объяснить этот феномен? Думаю, что после наших рассуждений о вирусной эволюции и давлении отбора на вирусную популяцию ответ совершенно ясен. Такого исхода и следовало ожидать.

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).

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.

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.

На страницах этой книги не раз упоминался вирус оспы. Его глобальное искоренение стало настоящим, наглядным и убедительным успехом науки. Вирус натуральной оспы был доведен до вымирания; он оказался неспособным поддержать свое основное репродуктивное число на уровне больше единицы. Были использованы разумные программы и изобретательные стратегии вакцинации. Одной из эффективных стратегий стала кольцевая вакцинация угрожаемых лиц в кольце вокруг мест выявления случаев оспы. Это создает буферную зону вакцинированных, а следовательно, иммунных индивидов вокруг места вспышки, что позволяет ограничить и локализовать очаг инфекции. Вирус был в конечном счете задушен, потому что осталось слишком мало людей, восприимчивых к болезни, которых вирус мог бы инфицировать, при отсутствии природного резервуара болезни.

Эдвард Дженнер проницательно заметил, что доярки, заразившиеся коровьей оспой, не заболевали оспой натуральной; будучи сельским врачом, он ввел первую вакцину Джозефу Фиппсу в 1796 году. До этого единственным способом профилактики оспы была вариоляция – процедура, в ходе которой кожу царапали инфицированной иглой. Этот метод был известен в Азии с десятого века, где заметили, что люди, переболевшие оспой, никогда больше не заболевали ею. Сегодня мы знаем этот феномен под названием защитного иммунитета. Леди Монтегю, которая видела, как делают вариоляцию ее сыну в Константинополе (ныне Стамбул), привезла эту практику в Британию, где она была испытана на ее дочери в 1721 году. Если процедуру выполняли правильно, то в подавляющем большинстве случаев заболевание протекало легко. Считают, что необычный путь введения ставит вирус в невыгодное положение, в результате чего патология протекает мягче, вероятно, при этом еще и усиливается иммунный ответ хозяина. Тем не менее результаты были непредсказуемы, и 2–3 человека из ста перенесших вариоляцию умирали от оспы. Учитывая, что смертность от натуральной оспы часто превышала 30 %, это был риск, на который люди шли вполне осознанно. Появление вакцины Дженнера быстро положило конец вариоляции.

Вирус натуральной оспы и вирус коровьей оспы принадлежат роду Orthopoxvirus, но, в то время как диапазон хозяев вируса натуральной оспы ограничен человеком, для которого вирус особенно вирулентен, вирус коровьей оспы может инфицировать самых разнообразных млекопитающих, включая (и не только) людей, крыс, хищников, коров и даже слонов, – это очень широкий диапазон возможных хозяев. Как правило, он не так вирулентен, как вирус натуральной оспы, и вызывает очень легкое заболевание у человека. Узость диапазона хозяев вируса натуральной оспы обусловлена отсутствием генов, необходимых поксвирусам для инфицирования большого диапазона хозяев. Вследствие этой ограниченности у вируса натуральной оспы нет естественного природного резервуара. Как вы увидите, вирусы, против которых велись самые успешные кампании, были строго человеческими вирусами. Было бы невозможно искоренить натуральную оспу, если бы у нее был резервуар в дикой природе.

Дженнер начал делать прививки против оспы вирусом коровьей оспы, полученным из оспенных поражений на коже быков (вспомним, что Туорт получал материал из язв, когда открыл бактериофаги стафилококков, которые загрязняли его пробы), но сегодня используются различные штаммы вакцинных вирусов. Это штаммы ортопоксвируса, близкородственного филогенетически вирусу натуральной и вирусу коровьей оспы. У этого вируса широкий диапазон хозяев и вызывает сравнительно легкое заболевание. Все геномы ортопоксвирусов отличаются близким родством, что обусловливает перекрестную антигенную реактивность между вирусами этого рода. Наш иммунитет против оспы, возникающий после вакцинации, является результатом такого перекрестного защитного действия, направленного изначально против антигенов вакцинного вируса. Пригодными для вакцинации эти вирусы делает низкая патогенность в отношении широкого спектра хозяев. Вакцинация приводит к развитию иммунитета против всех ортопоксвирусов. Сегодня вирус оспы считается вымершим, и поэтому вакцинацию отменили. Только небольшая группа людей – ученые, работающие с ортопоксвирусами, – рутинно получают вакцину во избежание случайного заражения. В США поголовная вакцинация была прекращена в 1972 году, а в 1979 году ВОЗ рекомендовала прекратить вакцинацию во всех странах. Когда последнее поколение вакцинированных состарится и умрет, ему на смену придут люди, не привитые против ортопоксвирусов. Было высказано предположение о том, что в отсутствие иммунитета население станет восприимчивым к зоонозному заражению вирулентными поксвирусами (Shchelkunov, 2013). Некоторые поксвирусы, инфицирующие широкий спектр хозяев, обладают более богатым набором генов, чем вирулентный вирус натуральной оспы, что порождает рассуждения о том, что мутации, потери генов или рекомбинация могут воссоздать новый вирулентный зоонозный поксвирус. Возвратный зооноз обезьяньей оспы является тревожным сигналом. Природными хозяевами вируса служат африканские грызуны, и после прекращения вакцинации в Республике Конго заболеваемость людей обезьяньей оспой возросла в тридцать раз (Rimoin et al., 2010). Это весьма удручающая статистика. Мы должны сохранять бдительность, потому что ортопоксвирусы определенно обладают потенциалом вызывать вспышки серьезных заболеваний, учитывая возможность соответствующих генетических изменений и антропогенных изменений эпидемиологической обстановки.

Таким образом, многократный пассаж вируса в чужих клетках in vitro ослабляет давление отбора со стороны хозяина, который поддерживает его патогенный потенциал in vivo. Это давление замещается давлением отбора со стороны клеток нового хозяина. В результате вирус воспроизводимо теряет свой патогенный потенциал в отношении нативного хозяина; для вируса начинается, если можно так выразиться, процесс видообразования, но он при этом адаптируется к росту в клетках нового вида и не способен вызывать заболевание этих клеток. Процесс аттенуирования вируса – это процесс генетической дивергенции от канонического дикого типа. Из пяти различных вакцин против кори, для которых было проведено секвенирование геномов, у всех была обнаружена одна и та же совокупность нуклеотидных замен, в то время как другие мутации были ограничены одним или частью вирусных вакцинных штаммов. Благоприятными оказались общие пути ослабления, а число этапов мутаций, ведущих к ослаблению, оказалось удивительно небольшим. Ни один из пяти вакцинных штаммов не отличался от штамма дикого типа, Эдмондстонского штамма вируса кори, более чем на 0,3 % и содержал не более двадцати пяти несинонимических мутации (Parks et al., 2001).

Такой режим ослабления был с успехом использован и у других вирусов, в частности вирусов свинки, краснухи и полиомиелита. Все они являются РНК-содержащими вирусами, которые в ходе репликации с большой скоростью создают генетическое разнообразие, и поэтому они легко подвергаются измененному давлению отбора, который быстро сохраняет новые мутации в вирусных линиях, преобладающих в искусственных системах in vitro. Использование этих штаммов в качестве вакцин чрезвычайно эффективно. Никаких признаков болезни после инфицирования не возникает, но ограниченная репликация ослабленного вируса в клетках человека вызывает мощный иммунный ответ, который обеспечивает защиту от циркулирующих патогенных штаммов дикого типа. В итоге производители вакцин создали вирус, который уже не приспособлен для инфицирования и поражения человеческого организма; он может вызывать лишь тупиковую инфекцию. Инокуляция вируса приводит лишь к абортивному заболеванию, которое стимулирует иммунный ответ и уничтожение введенного вируса, как это происходит и при естественной инфекции.

Вакцинацию живым ослабленным вирусом можно сравнить с межвидовой передачей вирусов, вызывающих зоонозную инфекцию. Если вакцинный штамм является РНК-содержащим вирусом, то можно ожидать, что введение вакцины приведет к появлению популяции генотипов, представляющих квазивиды, возникающие во время репликации и амплификации вируса в клетках хозяина. Больше того, репликация вируса в реципиенте вакцины создает генетическое разнообразие, обеспечивая возможность для реверсии ослабленного генотипа. Это реальное, но редко проявляющееся осложнение вакцинации живыми ослабленными вирусами.

Разработанная Альбертом Сэбином для приема внутрь вакцина, приготовленная из ослабленного живого вируса полиомиелита и введенная в клиническую практику в пятидесятые годы, является главным оружием в кампании глобального искоренения полиомиелита. Можно надеяться, что это будет второй (после натуральной оспы) вирус, который будет уничтожен благодаря технологии производства вакцин. Заболеваемость полиомиелитом в мире сократилась на 99 %, но вирус остается эндемичным в некоторых странах, где охват населения вакцинацией остается низким (WHO, 2015b). Вакцина высокоэффективна, потому что вирус инфицирует клетки нашего кишечника и реплицируется там до высоких титров. Он не вызывает заболевание, но приводит к мощному и пожизненному иммунному ответу на вирус. Но эта репликация, однако, с необходимостью влечет за собой появление генотипических вариантов с потенциально высокой патогенностью и, самое главное, вирулентностью в отношении нервных клеток. В местах с недостаточным охватом населения вакцинацией эволюция таких производных от вакцин вирусов полиомиелита привела к вспышкам этого заболевания, которые угрожают успеху программы искоренения полиомиелита (Burns et al., 2014). Неспособность полиовирусной РНК-полимеразы без ошибок редактировать свой продукт приводит к неверному включению нуклеотидов во время каждого цикла репликации генома. Вакцинный штамм Сэбин-1 серотипа 1 вируса полиомиелита отличается от родительского вирулентного дикого вируса P1/Mahoney 56 отдельными мутациями, рассеянными среди 7600 нуклеотидов РНК-генома (Christodoulou et al., 1990). Тем не менее некоторые из этих мутаций оказывают большее влияние на ослабленный фенотип, чем другие, и во время репликации в клетках кишок реверсия всего одной или нескольких из этих ослабляющих мутаций может породить вирулентные штаммы, способные вызвать заболевание полиомиелитом (Burns et al., 2014).

Так как вакцинация от полиомиелита призвана защитить от инфекции всеми тремя циркулирующими серотипами вируса полиомиелита, вакцина включает в себя три различных ослабленных штамма (Сэбин1–3), и каждый из них характеризуется уникальным распределением ослабляющих мутаций. Следовательно, существует возможность генетического обмена или рекомбинации между различными вакцинными штаммами, если они инфицируют одновременно одну клетку кишечника. В некоторых местностях в популяции циркулируют близкородственные энтеровирусы, не вызывающие полиомиелит, и возникающие межвидовые рекомбинанты могут приводить к появлению патогенных штаммов (Arita et al., 2005; Joffret et al., 2012). Несмотря на то что вирусы, производные от вакцин против полиомиелита, могут вызывать вспышки полиомиелитной инфекции в местностях, где выполняют мало вакцинаций, они не приводят к столь тяжелым последствиям там, где вакцинация находится на должном уровне. Несмотря на появление реверсивных вирусов у отдельных реципиентов вакцины, риск того, что такие вирусы смогут вызвать явное поражение нервной системы, не превышает одного случая на полмиллиона. Тем не менее возвращение к применению инактивированной вакцины может оказаться необходимым в местностях, где охват населения вакцинацией низок, несмотря на кампанию всеобщей вакцинации (Grassly, 2013).

Легкость, с какой может быть достигнута в результате последовательного пассажа в модифицированной среде аттенуация РНК-содержащих вирусов, подчеркивает тот факт, что, несмотря на склонный к ошибкам процесс репликации, эти вирусы имеют геномные последовательности, которые превосходно настроены на приспособленность и совершенствуются под действием давления очищающего отбора. Оптимизированные и приспособленные их генотипы балансируют на острие ножа. Фенотип вируса, очевидно, зависит от аминокислотных последовательностей его белков; поэтому на эти последовательности сильно влияют последовательности нуклеотидов в РНК. Некоторые последовательности РНК функционируют в качестве контрольных элементов сами по себе или свертываются в сложные структуры, характеризующиеся своей особой функциональностью. Для того чтобы понять и оценить этот пункт нам стоит лишь исследовать природу ослабляющих мутаций в вирусе полиомиелита Сэбин-1. Одна из наиболее важных мутаций, ведущих к ослаблению вируса, располагается на 5’-конце некодирующей области генома и приводит к дестабилизации комплементарного спаривания оснований, которое важно для поддержания вторичной структуры генома (Minor et al., 1993). Другие ограничения, накладываемые на геномные последовательности, также очевидны; они были обнаружены учеными Университета Стони Брука, а также работниками Центров по контролю и профилактике заболеваний (Burns et al., 2006; Coleman et al., 2008; Mueller, Papamichail, Coleman, 2006). Это ограничение заключается в кодонной неслучайности, которая поддерживается давлением отбора на вирусные геномы. Наш собственный геном и геномы различных бактерий проявляют кодонную неслучайность так же, как и геномы вирусные. Заметив, что 300 аминокислотных последовательностей в белках можно закодировать 10¹⁵¹ комбинациями 300 кодонов, выбранных в вырожденном генетическом коде, зададим себе вопрос: действительно ли данная работающая последовательность является оптимальной для приспособленности (Coleman et al., 2008)? На самом деле является; дело не только в том, что кодируют вирусные гены, но и в том, как они это кодируют, и именно в этом кроется оптимальная приспособленность генома. Ученые прибегли к компьютерным инструментам, которые позволили перекодировать капсидный белок полиовируса P1, изменив кодонную неслучайность, но сохранив способность цепи РНК сложиться в такую же вторичную структуру, что и родительский дикий тип.

Результаты проложили путь к исследованию живых ослабленных вакцин – к созданию синтетических ослабленных вирусов (synthetic attenuated virus engineering, SAVE). Был создан вирус с 631 синонимической мутацией в кодирующей последовательности P1, причем закономерным было использование кодонов, которые редко используются в клетках человека. В результате получился резко ослабленный вирус, который не вызывал заболевания у подопытных животных и, подобно живому ослабленному полиовирусу, созданному Сэбином, стал высокоэффективной вакциной. Однако, в отличие от штаммов Сэбина, множественность генетических изменений, определяющих ослабление, соответствует фенотипу, более устойчивому к реверсии in vivo. Эта технология чрезвычайно полезна для разработки безопасных и устойчивых ослабленных вирусов, которые вызывают иммунный ответ такой же силы, что и естественный инфекционный возбудитель. В настоящее время есть много примеров искусственного создания синтетических ослабленных вакцин; самое примечательное, что этот метод был применен для создания живой ослабленной вакцины против гриппа, то есть вируса, который мы, в отличие от вирусов оспы и полиомиелита, не сможем искоренить и для которого вакцинация остается единственным способом держать болезнь под контролем.

Сегодня мы интуитивно чувствуем, что сами вирусы можно адаптировать и использовать как инструменты создания иммунитета к тем болезням, которые эти вирусы вызывают. Очевидно, также, что вирусы можно использовать для контроля численности популяций организмов-хозяев, восприимчивых к их патогенным эффектам. Этот подход потерпел неудачу в Австралии, где уничтожение расплодившихся кроликов с помощью поксвируса не удалось из-за быстрой совместной эволюции вируса и хозяина. Удивительно и, как представляется автору этих строк, вопреки здравому смыслу, этот метод продолжают активно исследовать и пытаются воплотить в жизнь. В Австралии был создан кальцивирус, который используют в этой стране как часть долгосрочного проекта по ограничению размножения кроликов и предупреждению опустошений, которые причиняют кролики по всему континенту (CSIRO, 2015). Интуитивно менее ясно, что новые, относящиеся к вирусам технологии могут в будущем стать неоценимыми инструментами лечения многих, не связанных с вирусными инфекциями заболеваний, начиная с редких наследственных генетических расстройств и кончая злокачественными новообразованиями. Не будет ли это оправданием вирусов?

Создание полезных для медицины вирусов – относительно новое направление, которым в лабораториях и клиниках занимаются всего несколько десятилетий. Вспомнив о трансдукции генов между прокариотами посредством бактериофагов, можно представить себе, что геномы эукариотических вирусов можно модифицировать, включив в них лечебные гены, а затем ввести их в клетки, инфицировав их вирусами – носителями генов. Для этой цели было исследовано множество вирусов на их способность с пользой внедряться в человеческие клетки. Этот прогресс не обходится, однако, без неудач. В ранних работах использовали модифицированный вирус мышиной лейкемии Молони. Целью было восстановление иммунитета у детей с генетическим нарушением, которое вызывает сцепленный с X-хромосомой тяжелый сочетанный иммунодефицит. Ученые заменили ген оболочечного гликопротеина вируса геном рецептора фактора роста, который дефектен при этом иммунодефиците. Инфицирование клеток костного мозга больных сконструированным вирусом привела к трансдукции гена. Когда эти клетки переливали больным, у них действительно восстанавливался иммунитет. Печально, однако, что у одного из четырех получивших такое лечение больных развился острый Т-лимфобластный лейкоз (Hacein-Bey-Abina et al., 2008). У этих больных мышиный ретровирус с его полезной генетической нагрузкой включился в клеточный геном в непосредственной близости от клеточных онкогенов, повышение активности которых приводит к развитию злокачественной опухоли. Злокачественное перерождение T-клеток стало грозным напоминанием о канцерогенном потенциале этого вируса, который вызывает лейкемию и у мышей. Дальнейшие исследования позволили несколько смягчить опасность при сохранении прежней эффективности. Ученые смогли инактивировать элементы энхансеров транскрипции, что сделало их неспособными активировать клеточный онкогенез (Hacein-Bey-Abina et al., 2014). В конечном счете ретровирусы дали нам в руки полезный инструмент лечения болезней, вызванных дефектностью генов в иммунокомпетентных клетках (Naldini, 2015; Jacobson et al., 2012).

В другой многообещающей работе используют генно-инженерно модифицированный аденовирус – парвовирус – в качестве невключаемого носителя лечебного гена, что исключает риск активации онкогенов. Терапия такого типа была использована для устранения генного дефицита при врожденной слепоте Лебера (вызываемой дефектом гена RPE65 в глазу), дефицита липопротеинлипазы (тяжелого расстройства жирового обмена) и дефицита декарбоксилазы ароматических аминокислот (заболевания, приводящего к тяжелым расстройствам развития нервной системы), и это далеко не полный список (Jacobson et al., 2012; Hwu et al., 2012; Gaudet et al., 2013). Лечение проводят локально, вводя вирус – носитель гена в ткани с патологическим фенотипом, например в ткани глаза (при дефиците RPE65) или в ткань головного мозга (при дефиците декарбоксилазы ароматических аминокислот). В случае дефицита липопротеинлипазы ген вводят в мышечные клетки, которые действуют как фабрики по производству недостающего белка.

Несмотря на то что многие такие подходы представляются многообещающими, пока эффективность их довольно низка, и только некоторые из них были одобрены для клинического применения. Тем не менее опыт применения вирусов в генной терапии пока очень мал, и рано делать какие-то предсказания о том воздействии, которое такая терапия может оказать на упомянутые и другие заболевания.

В последние годы начало стремительно развиваться направление, названное онколитической виротерапией. В ноябре 2014 года Управление по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных средств лицензировало talimogene laherparepvec (Т-век), первый онколитический вирус – генетически модифицированный вирус простого герпеса, предназначенный для лечения меланомы. Вирусы, о которых мы привыкли думать как о болезнетворных патогенах, теперь исследуют на возможность их терапевтического применения. Генетически модифицированные варианты вирусов создаются в лабораториях на основании наших добрых старых знакомых: вируса кори, вируса болезни Ньюкасла, рабдовируса, вируса герпеса, аденовируса, поксвирусов и других. Примечательно, что эти РНК- и ДНК-содержащие вирусы представляют многие разнообразные семейства. С тех пор как рак был впервые выявлен и описан в девятнадцатом веке, врачи молчаливо соглашались с тем, что у многих больных наступало улучшение после заражения некоторыми инфекционными заболеваниями. В частности, было замечено, что у больных с гематологическими заболеваниями наступало улучшение после перенесенного гриппа (Kelly, Russell, 2007).

Необычные возможности виролитической терапии при раке были впервые продемонстрированы только в девяностые годы двадцатого века, в то же время, когда испытывали генную терапию в лечении сцепленного с X-хромосомой тяжелого сочетанного иммунодефицита. Ученые, работавшие в лаборатории доктора Дона Коэна в Гарвардском университете, исследовали уникальное свойство определенных мутантных вирусов простого герпеса типа 1. Вирусы с мутацией в гене тимидинкиназы нормально росли в быстро делящихся клетках, но их рост замедлялся в медленно делящихся клетках, а в покоящихся клетках этот вирус не реплицировался вовсе. Ген тимидинкиназы в норме нужен для того, чтобы синтезировать предшественники нуклеотидов для быстрого синтеза ДНК, необходимого для ускоренной репликации в клетке-хозяине, которая активно не делится. Клетки, которые делятся с высокой скоростью, например раковые клетки, метаболически очень активны и могут продуцировать множество предшественников ДНК и при отсутствии вирусной тимидинкиназы. Коэн и его сотрудники предположили, что ТК-негативный вирус простого герпеса может играть роль избирательного противоракового агента и выборочно убивать раковые клетки, щадя при этом нормальные ткани. В убедительных экспериментах, результаты которых были опубликованы в 1991 году, ученые реализовали такую возможность, инфицировав и вылечив мышей, которым были перевиты клетки опухоли человека (Martuza et al., 1991). Началась эра виролитической терапии, основанной на научном расчете и на принципах доказательной медицины.

Основа виролитической терапии зиждется на исключительной избирательности, которую вирусы проявляют при инфицировании и уничтожении раковых клеток. Сама природа раковых клеток делает их чрезвычайно чувствительными к вирусной инфекции: раковые клетки бесконтрольно делятся и отличаются чрезвычайно высокой метаболической активностью, демонстрируя, таким образом, снижение способности к апоптозу и к врожденному иммунному ответу на вирусную инфекцию. В то время как нормальные клетки снижают метаболическую активность, активируют сигнальные пути апоптоза и блокируют клеточный цикл в ответ на вирусную инфекцию, раковые клетки свое поведение не меняют, не замечая инфицирования (Pikor, Bell, Diallo, 2015). Это идеальные условия для роста вирусов, особенно ослабленных для роста в нормальных клетках. Следовательно, онколитические вирусы являются специфическими реагентами, атакующими раковые клетки и распространяющимися в опухоли от одной клетки к другой. Стало ясно, что прямое литическое воздействие вирусов на раковые клетки – это всего лишь одна составляющая их терапевтического эффекта; цитолиз инфицированной клетки высвобождает вирусные и клеточные антигены, которые могут стимулировать противоопухолевый иммунный ответ, некоторые противораковые вирусы модифицируют так, чтобы в них присутствовали дополнительные гены, например активаторы иммунитета, которые усиливают эти эффекты (Lichty et al., 2014).

Давайте для примера возьмем Т-век. Он, как и вирус Мартузы, имеет своим прототипом вирус простого герпеса типа 1, но был ослаблен не мутацией гена ТК, а делецией в гене нейровирулентности, который кодирует белок γ34.5. Мутантный вирус не вызывает заболевания у подопытных животных или вызывает ее в очень легкой форме и не переходит в латентное состояние в клетках нервной системы, то есть лишен свойства, необходимого для заболевания простым герпесом. Таким образом, лица, получившие лечение таким вирусом, не подвергаются опасности, и им не грозит реактивация вируса герпеса после лечения. Т-век был усовершенствован: во-первых, был удален ген, отвечавший за избегание иммунного ответа, и был введен человеческий ген, кодирующий GM-CSF (колониестимулирующий фактор гранулоцитов-макрофагов), цитокин, стимулирующий иммунный ответ. Обе эти модификации повысили иммуностимулирующие свойства вируса. В опытах на животных инокуляция вируса в опухоли приводила к их эрадикации (Liu et al., 2003). Инъецированная опухоль инфицируется вирусом, который распространяется по опухолевым клеткам, последовательно убивая их, что приводит к сморщиванию опухоли и часто к ее регрессу. Удивительно, но сморщиванию подвергаются и удаленные части опухоли, в которые инъекции не делали. Это происходило в ответ на стимуляцию иммунных реакций, направленных против опухолевых клеток. Таким образом, противоопухолевое лечение сочетает лизис инфицированных вирусом опухолевых клеток и стимуляцию противоопухолевого иммунитета.

Множество доступных для такого применения вирусов открывают массу возможностей для онколитической терапии опухолей. Вирус миксомы, поксвирус Южной Америки (эндемичный теперь для кроликов), не поражает нормальные человеческие клетки из-за межвидового барьера, но он реплицируется в клетках опухолей человека и лизирует их, если эти клетки неспособны на адекватный противовирусный ответ. Вероятно, еще более многообещающий результат был получен при работе с эдмондстонским штаммом вируса кори (MV-Edm), вирусом, используемым при противокоревой вакцинации. Несмотря на ослабление, этот вирус демонстрирует достаточную эффективность и высокую специфичность при уничтожении опухолей на доклинической стадии у некоторых животных, которым перевивали клетки человеческих опухолей (Bell, 2014), а ученые клиники Мэйо впервые в истории провели клинические испытания модифицированного MV-Edm для лечения миеломной болезни (Russell et al., 2014). Это одна из наиболее распространенных злокачественных гематологических опухолей с пятилетней выживаемостью 40 % больных. Диссеминация опухолевых клеток в костном мозге и очаговые поражения раковыми клетками костной ткани – главные клинические признаки миеломной болезни. Рассел и его коллеги лечили двух пациентов большими дозами модифицированных вирусов в форме внутривенных вливаний; ответ на лечение оказался благоприятным, причем в одном случае наступила полная ремиссия. Ученые очень изящно показали, что лечебный вирус проявил высокую избирательность, поражая только опухолевые клетки. Геном лечебного вируса был создан так, чтобы он включался в человеческий ген, кодирующий белок симпорта йодида натрия. Инфицированные клетки экспрессируют этот белок и активно аккумулируют йод. На томограммах инфицированные клетки выявляют, используя радиоактивную метку – йод-123. Только клетки плазмоцитомы накапливали радиоактивный изотоп йода, что указывает на то, что вирус атакует исключительно опухолевые клетки. В будущем ученые смогут вводить больным виролитический вирус в сочетании с изотопом йода-131. Таким способом удастся усилить эффект лечения, присоединив к нему лучевую терапию, так как ¹³¹I является мощным источником бета-излучения.

Конечно, сейчас мы переживаем самый ранний период онколитической виротерапии, период ее зарождения. Использование человеческих вирусов, таких как MV-Edm, сочетается с некоторыми недостатками, среди которых большую роль играет тот факт, что большинство из нас были вакцинированы против вируса. Таким образом, эффективность лечения будет ограничена только теми больными, у которых имеется поражение иммунитета. Тем не менее открытие того факта, что вирусы, которые считаются серьезными патогенами для людей, могут, благодаря человеческому гению и изобретательности, стать прекрасными инструментами, способными излечивать рак, перевернуло наше к ним отношение. Остается подождать, до какой степени эти новые средства смогут заменить скальпель хирурга, облучение и лекарственную химиотерапию. Понимание того, что вирусное лечение может непосредственно убивать опухолевые клетки, а также косвенно осуществлять иммунотерапию, открывает перед нами невиданные ранее возможности. Новые иммунологические методы лечения злокачественных новообразований обещают революцию в онкологии, и, несомненно, есть возможность воспользоваться синергизмом этого лечения и онколитической вирусной терапии (Ascierto, Marincola, Atkins, 2015).

Мы рассмотрели многочисленные примеры того, как вирусы «служат» своим хозяевам. Ни в одном случае, будь то наличие генов токсина у патогенного холерного вибриона или синцитинов, способствующих развитию плаценты у млекопитающих, нельзя выявить какую-то цель. Все эти гены и белки являются результатом естественного отбора, действующего на фенотип, определяемый набором случайных генетических вариантов; эволюция пользуется случайными редкими событиями – у нее нет намерений и перспективных планов. Применение вирусов в качестве лечебных средств, с другой стороны, является запланированным и осознанным действием. Это самоочевидно, но при ближайшем рассмотрении этот факт лишь подчеркивает уникальность отношений людей и вирусов.

Люди поменяли правила игры: принцип Черной Королевы работает для нас по-другому. Мы не позволяем эволюции определять наши отношения с вирусами. Люди не полагаются на генотипические изменения и на отбор самых приспособленных в гонке вооружений с вирусными патогенами. Разработка антиретровирусных лекарств для борьбы с ВИЧ-1 (глава 9) стала одним из примеров. Как красноречиво говорит об этом Джозеф Генрих в своей, вышедшей в 2015 году книге, «секрет нашего успеха» заложен в человеческом интеллекте, в наших когнитивных способностях и в нашей развитой человеческой культуре. Мы общаемся, сотрудничаем и накапливаем знания, которые затем передаем из поколения в поколение. Это продукты культурной эволюции, которые отличают нас от всех других видов, включая высших обезьян, наших двоюродных братьев. Отношения вируса и хозяина определяются взаимодействием вируса с клетками и популяциями индивидуальных хозяев. Вирусы, инфицирующие людей, вынуждены бороться с производным коллектива человеческих индивидов, с человеческой культурой, а это очень неприятный вызов. Когда зоонозный вирус обрушивается на человеческую популяцию, он не только инфицирует нас – человека за человеком, он инфицирует и наше общество. Если линия вируса успешно инфицирует человеческую популяцию, ей приходится сталкиваться не только с врожденной и адаптивной иммунной защитой, но и с негенетической адаптацией, которую призывает себе на помощь наша сложная и многогранная человеческая культура.

Человечество ответило на вызов, брошенный ВИЧ, который привел к пандемии, негенетическими адаптивными изменениями. Эта наша способность сама есть продукт естественного отбора наших предков. Коалы и гориллы вынуждены полагаться на эволюционные изменения для того, чтобы противостоять ретровирусной эпидемии, которую они в настоящее время переживают. Без вмешательства человека ретровирус коалы и вирус Эбола могли бы привести к исчезновению этих видов. Для того чтобы выжить, животные должны совместно эволюционировать со своими вирусными паразитами, но этот процесс занимает тысячелетия (глава 10). В настоящее время люди переживают пандемию зооноза, вызванного ВИЧ-1. Возможно, пока рано трубить о победе в этой особой войне, которая при любом исходе оставит неизгладимые рубцы на населении стран третьего мира и в экваториальной Африке. Тем не менее гонку вооружений вели и ведут обе стороны (глава 9); некоторые битвы нам удалось выиграть, но война еще не окончена; эпидемия продолжается. Очень хочется думать об адаптивном ответе на ВИЧ-инфекцию, в ходе которого мы в течение одного поколения сумеем приобрести фенотип, устойчивый к ВИЧ, в понятиях Ламарка. Но это не так. Адаптивный ответ коренится в дарвиновском отборе, который благоприятствовал тем генетическим изменениям в родословной человека, которые привели к культурной эволюции и к приобретению уникальных навыков выживания.

Вирусы играют неотъемлемую роль в эволюции всей жизни. Сами по себе вирусы не являются формой жизни; это факт, с которым трудно примириться, имея в виду сложность и витальность событий, запускаемых вирусами в клетках-хозяевах. Подобно вторгнувшейся армии, вирусы зависят от своих живых хозяев, так как нуждаются в материалах для репликации своего генома. Фундаментальной потребностью вирусов является потребность в энергии. Клетка служит источником богатых энергией соединений и структур, которыми вирус должен воспользоваться для своего размножения и распространения. Гений вирусов заключается в их умении использовать энергию живых систем для построения своих богатых энергией и «упорядоченных» вирусных частиц, создавая в клетке «беспорядок». Закодированная в вирусах информация пролиферирует и развивается в энергетическом потоке и за счет живого организма. Вирусы могут быть лишь сложными реагентами в этом реакционном коктейле, подчиняясь законам термодинамики, но их эволюция направляется теми же законами дарвиновской эволюции, которая управляет живым миром.

Вирусный метагеном – это величайшее хранилище существующей генетической информации в биосфере. Создание этого генетического разнообразия – это подвиг, равного которому не было суждено свершиться ни в одном из трех живых царств, и большая часть этих генетических сокровищ остается темной материей. Вследствие своей всеобщности и продолжающейся диверсификации масса вирусов будет и дальше оставаться главным источником генетических инноваций в биосфере. Известные нам вирусы составляют ничтожное меньшинство всех вирусов; океанический виром, виромы грызунов, летучих мышей и приматов, как и наши собственные виромы, определенно являются более сложными, чем то, что мы видим, и неизбежно именно вирусы будут вечным источником эволюционных новшеств. Вирусный геном будет продолжать снабжать горючим эволюцию, особенно в ответ на изменения. Изменения, если понимать их в широком смысле, будут катализаторами, которые раскрепостят эволюционную изобретательность вирусного метагенома и способность вирусов к быстрым и оппортунистическим эволюционным изменениям.

Ускоряющийся темп, с которым появляются патогенные для человека вирусы, поражает воображение (Jones et al., 2008), но не поставило ли нас стремительное восхождение человеческой культуры выше этой угрозы? Отгорожены ли мы, по крайней мере как вид, от риска вымирания или значительного сокращения численности нашей популяции в результате пандемии какой-нибудь вирусной болезни? Можно в этой связи принять в расчет возможность будущей пандемии гриппа. Это наверняка будет глобальный кризис здравоохранения, но, несмотря на глобализацию сообщений, последствия едва ли будут сравнимы с результатами пандемии гриппа 1918 года, когда грипп за два года убил более сорока миллионов человек. Всемирные организации здравоохранения применят самые современные профилактические стратегии, противовирусные лекарства и эффективные антибиотики; больным будут проводить поддерживающее симптоматическое лечение, и будет быстро создана действующая вакцина. Все эти факторы делают кошмарный сценарий маловероятным. Тем не менее, как индивиды, мы не можем игнорировать серьезную возможность такой пандемии или возникновения иных неожиданных вирусных инфекций. Тяжелые эпидемии локального масштаба, но с возможными глобальными последствиями могут возникать (и к ним надо готовиться) вследствие неодинаковой доступности качественной медицинской помощи в разных по своему географическому и экономическому положению странах.

Снова и снова будут испытывать нас на прочность новые вирусные заболевания, возникающие de novo из своих резервуаров, или заболевания, становящиеся либо более распространенными, либо более вирулентными. Эти вызовы человечеству катализируются социальными и экономическими эпидемиологическими факторами и, конечно же, изменениями мирового климата. Несмотря на то что новые зоонозы наверняка станут более частыми, все же они остаются в области известного о неизвестном. С другой стороны, неумолимое распространение по миру насекомых или клещей, носителей разнообразных вирусов, которое происходит благодаря климатическим изменениям, мировая торговля и массовые путешествия являются факторами, относящимися к категории известного об известном. В последние годы мы стали свидетелями ужасных последствий ВИЧ, а затем вируса Эбола для благополучия, здоровья и экономического положения населения Африки. Нет средств быстрой ликвидации уязвимости человечества по отношению к возникающим вирусным болезням; единственное, что мы можем, это готовиться к худшему.

В 2015 году ВОЗ в рамках Программы готовности к чрезвычайным ситуациям определила приоритетные вирусные заболевания, требующие первоочередного изучения: геморрагическая лихорадка Крым-Конго, болезни, вызванные вирусами Эбола и Марбург, лихорадка Ласса, ближневосточный респираторный синдром, тяжелый острый респираторный синдром, оба вызываемые коронавирусами, Нипах и лихорадка Рифт-Валли (WHO, 2016). Это лишь короткий список, и в примечании было сказано, что чикунгунья, среди других вирусных заболеваний, тоже должна считаться угрозой, требующей пристального внимания. Конечно, ВОЗ не может предсказать или определить непреложный приоритет вирусов, которые могут появиться в будущем; ближневосточный респираторный синдром не мог попасть в этот список в 2013 году, потому что тогда он был неизвестным о неизвестном. Что попадет в этот открытый и все время пополняющийся список в будущем? На высоте пандемии ВИЧ-1 Энтони Фаучи, ученый и глава Национального института аллергии и инфекционных заболеваний, отметил в одном интервью, что «в 1918 году, когда грипп выкосил от двадцати до пятидесяти миллионов человек во всем мире, а в США – сотни тысяч, люди, жившие в то время, как мне думается, хорошо понимали, что может натворить возникший, словно ниоткуда, микроб. Но прошли десятилетия, и люди забыли об этом. И вот мы имеем СПИД, но люди не думают о том, что это может повториться. Мы до сих пор не покончили с новой эпидемией даже наполовину». Он напомнил нам, что мы не имеем права безмятежно и хладнокровно относиться к угрозе появления следующего пандемического вируса. В будущем мы можем столкнуться с кризисом глобальных масштабов, пока мы боремся за предупреждение и укрощение вирусных заболеваний. Возможно, наш вид не находится под непосредственной смертельной угрозой, но под такой угрозой находится качество нашей жизни.

Наше глобализованное человеческое общество никогда не встречалось с таким риском, но и никогда не было человечество лучше оснащено для встречи с такими вызовами, когда они появятся. Мы должны надеяться, что медицинская наука будет продолжать осваивать новые головокружительные технологии. Мы полагаемся на социальные структуры, человеческую изобретательность и научные знания нашего вида, надеясь, что они смогут быстро отреагировать и изобрести методы лечения (как, например, были изобретены антиретровирусные лекарства) или надежной вакцинации. Но зависимость рода человеческого от сложных и переплетенных социальных структур является, с другой стороны, нашим самым уязвимым местом. Разрушение социальных структур, социальные возмущения и перевороты могут приводить к резкому росту заболеваемости вирусными инфекциями; «война и инфекционные болезни – это смертоносная парочка» (Connolly, Heymann, 2002). Вирусы – величайшие эволюционные оппортунисты, и неустойчивость и изменчивость нашей реальности требуют нашего прилежания и уважительного отношения к вирусам, если мы не хотим, чтобы они стали непомерным болезненным бременем на плечах человечества. В нашем новом мире мы должны сознавать потенциальные глобальные последствия локальных социальных изменений и политических смут в самых отдаленных частях земного шара. Мы не можем оставаться равнодушными к возникающим зоонозам и новым маскам вирусных заболеваний на отдаленных континентах; сегодня все континенты являются задним двором объединенного человечества.

Объективные тренды говорят нам неумолимую правду. Будущему нашего общества будет брошен вызов зоонозных вирусов, и это вполне естественное предсказание, естественное не в последнюю очередь потому, что само человечество производит перемены, являющиеся необходимым топливом эволюции. Несмотря на эти утверждения, я все же начал писать эту главу с намерением внушить читателю более широкое понимание природы вирусов – это не просто возбудители болезней. Они непременные спутники жизни и громадная природная сила нашей планеты. Когда вы любуетесь океаном, освещенным закатным солнцем, вспомните о великом множестве вирусных частиц в каждом миллилитре морской воды; пролетая над девственными лесами, подумайте о виромах их живых обитателей. Поразительная численность и невероятное разнообразие вирусов в окружающей нас среде должно внушить нам священный трепет от сознания, что мы находимся в относительной безопасности в столь многочисленном окружении, а не от страха, что вирусы могут причинить нам вред.

Персонализированная медицина скоро станет реальностью, и врачи станут рутинно определять и оценивать нуклеотидные последовательности геномов своих больных. Потом, через относительно небольшой промежуток времени, эти данные будут объединены с вирусными и бактериальными метагеномами пациента; вся совокупная генетическая идентичность человека будет распечатываться на одном бланке. Несомненно, мы обнаружим, что некоторые пассажиры могут навредить нашему здоровью, но зато другие могут защитить нас от множества бед. Понимание природы вирусов, почерпнутое, как я надеюсь, вами из этой книги, не является упражнением в бухгалтерии. Попытка уравновесить пользу и вред вирусов – абсолютно бесплодная задача. Вирусный метагеном всегда будет содержать новые генные функциональности, полезные для биологии и медицины; вирусы могут стать чрезвычайно полезными биомедицинскими инструментами, а фаги продолжат оздоровление наших океанов, обеспечивая первичное воспроизводство его биомассы. Вирусы могут также ускорить развитие резистентности к антибиотикам в постантибиотическую эру, а вновь возникающие вирусы могут угрожать нашей самоуспокоенности и бросить вызов экономическому и социальному порядку нашего общества. Простое противопоставление этих «за» и «против» несправедливо к вирусам и не оставляет места признанию их права на место в природе.

Мы должны смиренно признать, что мы и вирусы суть одно и то же – все мы продукты дарвиновской эволюции. Джонатан Свифт, ирландский писатель и поэт (1667–1745), весьма скептически относившийся к эволюции природы, писал: «Пусть даже вселенная возникла из случайного столкновения атомов, но я никогда больше не поверю, что случайные скачки букв алфавита могут сложиться в гениальный философский трактат». Вирусы и жизнь как раз и являются тем «философским трактатом», что родился от случайных событий, будучи сохраненным согласно универсальным законам термодинамики и естественного отбора.

Жизнь и вирусы неразделимы. Вирусы – это дополнение жизни, иногда опасное, но всегда прекрасное по замыслу. Все автономные самоподдерживающиеся репликативные системы, которые сами генерируют энергию, будут всегда питать паразитов. Вирусы являются неизбежным побочным продуктом успеха жизни на нашей планете. Нашей эволюцией мы тоже обязаны вирусам; ископаемые остатки многих вирусов распознаются в виде эндогенных ретровирусных и вирусных элементов, которые некогда оказали мощное влияние на эволюцию наших предков. Подобно вирусам и прокариотам, мы тоже представляем собой мозаику генов, приобретенных как наследственной передачей, так и горизонтальным переносом генов в ходе эволюции от первичных РНК-содержащих форм первобытного мира.

Народная мудрость гласит, что красота – в глазах созерцающего. Это естественный ответ на зрительный стимул: заход солнца, ткань дизайнерского платья, рисунок на шелковом галстуке, но красота может заключаться в стихотворной строчке, кухонной утвари и даже в беспощадной эффективности огнестрельного оружия. Последние примеры типичны для человека, поскольку только он сознает красоту по собственному замыслу. Именно человечность позволяет нам видеть красоту в строении вирусов. Они – уникальные продукты эволюции, неизбежное следствие жизни, эгоистическая инфекционная генетическая информация, которая вторгается в жизнь и законы природы, чтобы приводить в действие изобретения эволюции.