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.
Глава 7
Механизмы эволюции ДНК-содержащих вирусов
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.
