Представляется вполне вероятным, что механизм эволюции полиомавирусов очень похож на таковой вируса папилломы. Очень хочется думать, что все мелкие ДНК-содержащие вирусы, которые реплицируются с использованием аппарата репликации человеческой ДНК, будут отличаться сходной скоростью эволюции. Однако это не так. Парвовирус (parvus означает по-латински «малый») значительно отличается от рассмотренных выше консервативных в эволюционном плане вирусов, как способом существования, так и способностью к эволюционным изменениям. Это крошечный вирус, геном которого содержит всего пять тысяч пар оснований. Геном парвовируса не кодирует никаких адаптивных функций в отличие от вируса папилломы: парвовирусы – абсолютные и законченные минималисты. Парвовирусы кодируют всего только один белок, который помогает овладеть клеточными механизмами репликации ДНК, и два структурных белка, которые осуществляют сборку вирусного капсида. После проникновения в клетку парвовирус должен пассивно дожидаться вступления клетки в фазу деления, чтобы начать реплицировать свой вирусный геном. Наиболее знакомый нам всем парвовирус – это человеческий эритровирус B19. Он широко распространен в человеческой популяции, а вызываемая им инфекция получила почетное наименование пятой детской болезни. Моя мама называла ее “the slaps” из-за розовой кружевной сыпи, которая часто появляется на щечках заболевших младенцев. Это преходящая, легко протекающая инфекция, передающаяся воздушно-капельным путем. Эту болезнь почти половина всех детей переносят до достижения подросткового возраста.
Я заболел ею, будучи уже взрослым, и у меня болезнь вызвала артропатию, которая часто возникает в такой ситуации; иммунные комплексы накапливаются в суставах, что приводит к их отеку и хромоте, которые могут продолжаться довольно длительное время. Этот вирус, действительно, сильно отличается от вирусов папилломы и полиомавирусов. Он не вызывает устойчивой хронической инфекции, придерживаясь тактики «бей и беги», напоминая такие эпидемические вирусы, как вирусы гриппа, кори или простуды, и оставляя после заболевания стойкий пожизненный иммунитет. Другим отличием от прочих мелких ДНК-содержащих вирусов является скорость его эволюции. Вызывает удивление, что последовательность нуклеотидов в геноме B19, собранная в течение более тридцати лет, показала, что частота нуклеотидных замен равна приблизительно 10-4 замены на один сайт за один год (Shackelton, Holmes, 2006). Этот темп эволюции сравним с темпом эволюции РНК-содержащих вирусов, но сильно отличается от скорости эволюции, типичной для ДНК-содержащих вирусов. Эта скорость свидетельствует о способности к быстрой эволюционной адаптации и о высоком потенциале к перекрестному инфицированию представителей разных биологических видов.
Нетрудно найти этому доказательства. В 1978 году среди домашних собак разразилась пандемия новой вирусной болезни, распространившаяся по всему миру. Собачий парвовирус возник после межвидовой передачи специфичного для кошек парвовируса собакам. Сообщения о регистрации случаев заболевания указывали на то, что основой пандемии послужила небольшая локальная эпидемия среди собак в Европе. Представляется вероятным, что генетические варианты кошачьего парвовируса в результате мутаций гена, кодирующего капсид, приобрели способность прикрепляться к клеткам организма собак, и именно эти варианты первыми «перепрыгнули» на домашних собак. В течение всего нескольких лет, прошедших до 1978 года, видимо, имела место быстрая адаптивная эволюция, в результате которой появился пандемический штамм, распространившийся по миру с быстротой лесного пожара. Подобно эритровирусу B19, парвовирус демонстрировал очень высокий темп эволюции, столь характерный для РНК-содержащих вирусов. Другие исследования парвовирусов показали, что описанный феномен присущ всем парвовирусам, и есть указания на то, что высокий уровень генетической вариабельности может иметь место и в других линиях вирусов с одноцепочечными ДНК, например цирковирусов. Остается загадкой, почему вирусы, использующие клеточный аппарат репликации ДНК для копирования своих геномов, могут обладать столь высокой скоростью вирусной эволюции, которая позволяет им преодолевать межвидовые барьеры и существовать предположительно в форме квазивидов в организме каждого нового хозяина. Возможно ли, что механизмы контроля ошибок, присущие клеточной ДНК-полимеразе, не полностью восстанавливаются во время репликации одноцепочечного ДНК-генома парвовируса? Не отказывают ли и другие механизмы защиты от ошибок, работающие во время репликации клеточной ДНК, после инфицирования клеток парвовирусом? Пока все суждения основаны на умозрительных спекуляциях. Точный механизм генетической изменчивости парвовирусов покрыт завесой тайны, оставаясь поистине цирковым трюком, которым в совершенстве овладели эти очаровательные, обманчиво простые, маленькие ДНК-содержащие вирусы.
Глава 8
Вироиды и мегавирусы: крайности
Выше я писал, что лучше всего понять идентичность и эволюцию вируса можно, если считать вирусы независимо развивающейся, эгоистичной и передающейся из клетки в клетку генетической информацией. Первым примером стал вирус табачной мозаики, маленький растительный вирус. Позже я обратил ваше внимание на простоту РНК-содержащего бактериофага Qβ с его крошечным одноцепочечным геномом, способным кодировать всего четыре гена. На другом краю спектра мы наблюдали вирусы герпеса и поксвирусы – крупные вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК. Они инфицируют и поражают заболеваниями позвоночных и беспозвоночных, и некоторые из этих вирусов экспрессируют сотни генных продуктов, призванных наилучшим образом адаптировать способ существования вирусов к особенностям клеток-хозяев. Все они соответствуют критериям, постулированным первыми вирусологами: они представляют собой фильтрующиеся через фарфоровые фильтры и передающиеся из клетки в клетку инфекционные агенты, состоящие из нуклеиновой кислоты, заключенной в белковую оболочку, то есть обладают свойствами, соответствующими их физическим характеристикам и их способности передаваться от хозяина к хозяину, будь это отдельные клетки или многоклеточные организмы, состоящие из огромных клеточных конгломератов. Передача – главный отличительный признак любого вируса. Хотя мобильные генетические элементы описываются как эгоистичная ДНК, эти элементы, определенно, не являются инфекционными агентами. По этой причине я пока не стал их описывать (см. главу 14, где мы обсудим эндогенные ретровирусы). Однако есть и другие классы агентов, которые невозможно обойти вниманием. В этой главе мы обсудим самые мелкие и самые крупные вирусы. Они соответствуют критериям, позволяющим включить их в наше обсуждение, но делают это несколько иным способом; они выпадают за границы приведенного простого определения вирусов, и для понимания их особенностей нам придется напрячь наше воображение.
Вироиды: мельчайшие из мелких
В 1967 году Динер и Реймер, ученые, работавшие в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США в Белтсвилле (штат Мэриленд), опубликовали статью, озаглавленную: «Веретенообразный вирус картофельного клубня: вирус растения со свойствами свободной нуклеиновой кислоты». Через семьдесят лет после того, как был описан первый вирус, у вирусологов появилось новое поле для исследования. За эти семьдесят лет во многих исследованиях вирусы были в достаточной степени охарактеризованы как важная причина заболеваний у людей, а также у экономически важных животных и растений. Все эти вирусы состоят из нуклеиновых кислот, упакованных в капсид, иногда одетый в липидную оболочку. Вирус веретеновидности картофельных клубней поражает рост стебля и листьев картофеля, а в 1923 году было показано, что это заболевание вызывается фильтрующимся инфекционным агентом – вирусом. Патологические эффекты вируса веретеновидности картофельных клубней часто варьируют, и их трудно выявить, но после того, как был подобран подходящий суррогатный хозяин, начались серьезные исследования вируса веретеновидности картофельных клубней. За пять лет до этого Реймер открыл, что этот вирус может расти на томатах; еще важнее было то, что он вызывал отчетливые и воспроизводимые признаки заболевания. Теперь в распоряжении исследователей было индикаторное растение, которое позволяло количественно оценивать заразительность препаратов вируса. Теперь появилась возможность биохимического выделения и характеристики вируса. В 1967 году вышла одна из статей в серии работ, в которых была выяснена истинная природа инфекционного агента вируса веретеновидности картофельных клубней. Ученые использовали разнообразные физические и биохимические методы для определения природы инфекционных частиц, выделенных из листьев пораженного картофеля. Результаты исследований оказались беспрецедентными; инфицирующая способность для растений томата ассоциировалась с частицами, которые при центрифугировании в градиенте плотности сахарозы оказались намного менее плотными, чем все другие, исследованные до тех пор вирусы. Более того, инфицирующая способность препаратов оказалась резистентной к воздействию фенола (вещества, используемого для денатурации и экстракции белков из вирусных частиц), а при обработке нуклеазами была устойчива в отношении дезоксирибонуклеазы и поддавалась действию рибонуклеазы только при низкой концентрации солей. Ученые были осторожны в своих выводах: «Независимо от химической природы вируса веретеновидности картофельных клубней, наш опыт демонстрирует, что он является весьма необычным патогеном. Если учесть нуклеиново-кислотные свойства вируса веретеновидности картофельных клубней, легкость, с какой он передается, его удивительная устойчивость и высокоспецифичная инфекционность просто поражают» (Diener, Raymer, 1967). Еще более любопытным оказался тот факт, что высокотоксичные экстракты практически не поглощали свет в ультрафиолетовом спектре. Вирус было невозможно выявить с помощью той самой методики, которую применяют для обнаружения и количественного определения нуклеиновых кислот. Более того, экстракты можно было разводить в миллион раз, но они, несмотря на это, продолжали заражать растения томата. Если инфекционным агентом действительно была нуклеиновая кислота, то она присутствовала в экстракте в ничтожно малых концентрациях, но обладала большой силой. Инфицирующей единицей, как было установлено позже, оказалась крошечная, замкнутая в кольцо одноцепочечная нить РНК, которая в физиологических условиях существует в форме компактной, плотно упакованной и свернутой структуры. Вскоре эта структура была визуализирована под электронным микроскопом. При наложении ее на изображение ДНК-содержащего бактериофага T7 она выглядела как крохотное пятнышко на фоне переплетенных нитей генома бактериофага. Этот класс инфекционных агентов, которые посчитали субвирусными, получил наименование вироидов. В 1978 году вирус веретеновидности картофельных клубней стал первым патогеном эукариот, у которого была расшифрована полная последовательность генома. Открытие вироидов стало научным водоразделом, открывшим эру геномики.
