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.
Мутация, генетическое разнообразие и квазивиды
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.
