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.
Фокусы поксвируса
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!
