Квазивиды, кластеры последовательностей и пристрастия кодонов
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.
