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.
Эволюция мелких ДНК-содержащих вирусов
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.
