Меняющийся ландшафт приспособленности
Теперь давайте воспользуемся этой концепцией для того, чтобы взглянуть на меняющийся ландшафт, представляющий вариабельную окружающую среду, в частности, когда вирус покидает своего естественного хозяина и инфицирует представителей иного биологического вида. Здесь нам придется наложить на наш первый ландшафт, представляющий приспособленность вирусных генотипов к естественному хозяину, ландшафт нового хозяина. Этот новый ландшафт может оказаться совсем иным; точки с определенными координатами, располагавшиеся на вершинах гор (представляя идеально приспособленные генотипы) в одном ландшафте, могут оказаться в долинах (то есть быть менее приспособленными) или вообще под водой (то есть оказаться нежизнеспособными) в другом ландшафте. Картина может стать и противоположной: генотипы, нежизнеспособные в первом ландшафте (и, стало быть, недоступные), могут оказаться приспособленными в другом ландшафте. Вирус, попадающий в клетку нового хозяина, оказывается, как правило, в новом и враждебном окружении. Его код был приспособлен к другой операционной системе; он может оказаться более восприимчивым к иммунным ответам нового хозяина и не сможет эффективно воспользоваться уникальной сетью клеточных кофакторов, в которых нуждается. Вирусу необходимо быстро эволюционировать, чтобы выбраться на возвышенности нового ландшафта и обеспечить большую приспособленность генотипу. Это жизненно важно для создания и укрепления цепи передачи. В противном случае это будет непродуктивная или тупиковая инфекция. Большинство межвидовых передач приводят именно к такому результату; адаптивный путь к R0>1 оказывается слишком извилистым или подавляется свойствами ландшафта. Генотип не может пересечь местность с помощью мутировавших промежуточных генотипов, имеющих адекватную приспособленность, и не способен, следовательно, осуществить репликацию, достаточную для передачи новым хозяевам. Такой вирус обречен на прозябание в низине или на исчезновение в клетке нового хозяина.
В то время как топография ландшафта приспособленности для двух близкородственных видов хозяев может оказаться весьма сходной, она же может разительно отличаться у представителей не столь близкородственных видов. Расположение адаптивных пиков может оказаться совершенно иным и потребовать генетических изменений, которые не могут быть успешно осуществлены без прохождения через подводные участки отсутствия жизнеспособности. Таким образом, совершенно очевидно, что если вирус инфицирует новый (но филогенетически близкородственный) вид, то он обладает более высокой вероятностью попасть на возвышенность путем сравнительно простых мутаций и избежать низин ослабленной жизнеспособности.
Сходные виды обитают в сходных географических поясах и часто близкородственны друг другу. Эти виды могут быть результатом видообразования без географического разделения образовавшихся видов-потомков. Накапливаются данные о том, что межвидовые перескоки РНК-содержащих вирусов, особенно между близкородственными, имеющими происхождение от общего предка, видами, с легкостью не раз происходили на протяжении эволюционной истории. Была выдвинута теория (Charleston, Robertson, 2002; Bohlman et al., 2002), согласно которой межвидовые передачи могли играть значимую роль в образовании того, что мы называем разными «видами» вирусов, существующих сегодня в клетках хозяев разных биологических видов. Филогенетическая конгруэнтность многих РНК-содержащих вирусов с их хозяевами позволяет с большой уверенностью предполагать важную роль совместной дивергенции и совместного видообразования, как в случае эволюции вирусов герпеса (Holmes, Zhang, 2015; Woo et al., 2012). Чарлз Рупрехт и его коллеги опубликовали замечательную работу об эволюции вируса бешенства в организмах летучих мышей. Этот вирус, которым часто и незаслуженно пренебрегают, является неразборчивым зоонозным вирусом и одновременно одним из смертельно опасных вирусов, поражающих человека. Вирус бешенства инфицирует человека случайно в результате укусов пораженных домашних животных или летучих мышей (редко). Хотя бешенство не передается от зараженного человека другим людям, это тем не менее смертельное заболевание. Рупрехт и его сотрудники наблюдали 372 вируса бешенства у двадцати трех видов летучих мышей, обитающих в дикой природе Северной Америки, и обнаружили восемнадцать различных линий вирусов летучих мышей (Streicker et al., 2010). Авторы смогли реконструировать филогенез этих вирусных линий и соотнести их с филогенезом соответствующих видов-хозяев летучих мышей. Выяснилось, что в эволюционной истории имели место частые межвидовые передачи и возникновение отдельных вирусных линий. Для этого процесса необходима возможность, обеспечиваемая перекрыванием ареалов обитания хозяев, а также определяемая степенью филогенетического родства между ними. Межвидовые передачи оказывались успешными чаще, когда два вида летучих мышей были филогенетически наиболее родственными между собой. Очевидно, что такое близкое эволюционное родство воздвигает меньше барьеров на пути инфицирования новым вирусом бешенства, нежели при более отдаленном родстве.
Другие вирусы совершали такие перескоки неоднократно. Эти вирусы предоставляют ученым уникальную возможность идентифицировать свои отпечатки на пути адаптивных изменений. В нескольких случаях были сделаны поразительные наблюдения. Сравнение генетических изменений, происходящих при независимых межвидовых передачах, позволило выявить идентичные адаптивные изменения во всех линиях. Можно с достаточным основанием предположить, что эволюционная адаптация к новым видам неизбежно во всех случаях требует мутаций, а естественный отбор благоприятствует лишь определенному мутантному геному. Этим определяются ограничения, с которыми сталкиваются вирусы в ходе успешной адаптации к новому хозяину, и подчеркивается их изобретательность в нахождении иголок в стоге сена. Самые известные примеры такого рода – это межвидовая передача вирусов SIVcpz и SIVgor людям. Ученые достоверно обнаружили следы четырех независимых случаев передачи вирусов от шимпанзе или горилл людям, и в каждом случае реконструировали геномные последовательности вирусов до перескока и после него. В каждом случае возникающая линия ВИЧ-1 содержала одно мутационное изменение в матриксном вирусном белке, когда в положении 30 остаток аминокислоты метионина замещался остатком аргинина (Sharp, Hahn, 2010). Очень показательно, что, когда ученые ввели этот измененный вирус в организм шимпанзе, произошла обратная мутация, в ходе которой место аргинина снова занял метионин. Более того, если в обезьяньем вирусе искусственно вызывали мутацию, характерную для человеческого варианта, то он лучше рос в культурах человеческих клеток. Это две весьма убедительных демонстрации того, что это было реально адаптивное изменение, отобранное в ходе возникновения зооноза. Мало того, это убедительное подтверждение того мнения, что направление мутационных путей к адаптации сильно ограничено и может свестись всего лишь к одному возможному варианту. Успешная адаптация требует, чтобы вирус прошел по узкой дорожке через ограниченную территорию критически важных генетических изменений, чтобы осуществить удачную межвидовую передачу.
Можно задать следующий вопрос: обладал ли SIVcpz-вирус, поразивший первобытного охотника, когда он разделывал тушку убитой им больной обезьяны, указанной адаптивной мутацией, или она возникла уже после того, как вирус попал в организм этого охотника? Ответить на этот вопрос пока невозможно.
