Стоит отметить, что виновником переноса вируса от лошади к человеку является комар вида Aedes teniorhynchus. Это не тот комар, который обычно переносит вирус между естественными хозяевами – грызунами заболоченных лесов. Венесуэльский вирус лошадиного энцефалита обладает примечательной особенностью инфицировать множество млекопитающих в дополнение к некоторым насекомым. Тем не менее, так же как в случае вируса чикунгуньи, его выбор комаров-переносчиков служит важным фактором, влияющим на частоту эпидемий и эпизоотий венесуэльского вируса лошадиного энцефалита. Недавно, при выделении вируса, вызвавшего вспышку энцефалита у лошадей в Мексике, ученые столкнулись с неожиданным сюрпризом. В то время как вирус вызывал значительную виремию у лошадей, он не мог инфицировать комара Aedes teniorhynchus, единственного переносчика, способного передавать инфекцию человеку. Бролт и его коллеги (2004) попытались исследовать причину этого феномена. Авторы смогли показать, что способность вируса инфицировать A. teniorhynchus можно создать для венесуэльского вируса лошадиного энцефалита искусственно, если использовать последовательности из геномов штаммов, которые прежде вызывали эпидемии среди людей. Следовательно, можно предположить, что возникновение генетических вариантов, способных с большей эффективностью передаваться новым видам переносчиков, придает венесуэльскому вирусу способность вызывать эпидемии у людей.
Эволюционный компромисс
Оба наших примера показывают адаптацию альфа-вирусов к новым хозяевам и повышение их вирулентности. Это происходит, несмотря на тот факт, что эти изменения должны развиваться под сильным давлением отбора, чтобы поддерживать цепь передач между беспозвоночными и позвоночными хозяевами. Наше понимание коэволюции вируса и хозяина предполагает, что смена хозяина одного вида на хозяина таксономически неблизкого вида будет вредоносной для оптимальной адаптации к каждому из этих хозяев, а следовательно, вирус в своей приспособленности будет вынужден идти на какие-то уступки. Видны ли последствия этого множественного и противоречивого давления отбора в ходе эволюции альфа-вирусов? Представляется, что ответ на этот вопрос положительный. Было показано, что РНК-содержащие вирусы, передаваемые через членистоногих, претерпевают гораздо меньше несинонимических мутаций, чем синонимических, что указывает на снижение роли положительного отбора в сравнении с РНК-содержащими вирусами, передаваемыми иными средствами (Woelk, Holmes, 2002). В изящных экспериментах, которые я называл бы «удалением посредника», ученые кафедры тропических заболеваний медицинского факультета Техасского университета и их сотрудники выполнили прямое исследование: может ли смена хозяина при передаче арбовируса ограничить его эволюционную адаптацию к каждому из этих хозяев (Coffey et al., 2008)?
Для того чтобы проверить это экспериментально, авторы выполнили серийный пассаж различных природных штаммов венесуэльского вируса либо между грызунами, либо между комарами, либо чередуя передачу от грызунов комарам или, наоборот, от комаров грызунам. Чередующийся пассаж между грызунами осуществляли прямой инокуляцией инфицированной крови одного животного другому. Как вы догадываетесь, пассаж между комарами выглядел несколько сложнее – комаров пришлось для этого кормить инфицированной кровью. Вирусу давали расти десять дней в теле комара, а затем раздавливали, смешивали с синтетической кровью и скармливали следующей партии комаров. Чередующийся пассаж между разными хозяевами осуществляли тем, что позволяли когорте подопытных комаров кусать инфицированных животных. После десяти таких пассажей выделяли все три плеча вирусов и сравнивали их вирулентность с вирулентностью исходного вируса. Результат был ясен и понятен: вирус, который пассировали от грызунов насекомым, сохранял свою прежнюю вирулентность, в то время как вирусы, которых пассировали между грызунами, становились более вирулентными, при пассаже между комарами вирулентность уменьшалась. После передачи вируса между комарами его вирулентность для грызунов уменьшалась. Несмотря на то что титры не нарастали при передаче между комарами, передача все же происходила легче (то есть комары, питавшиеся кровью, исправно инфицировались). Итак, в каждом случае чередующегося пассажа вирус становился более адаптированным к соответствующему хозяину, в то время как вирус, претерпевавший естественный цикл трансмиссивной передачи между двумя видами, степень своей адаптации не изменял.
Результаты этих опытов подкрепляют утверждение о том, что существование в форме трансмиссивного инфекционного начала стоит арбовирусам значительной потери приспособляемости. Вирусу приходится быть эволюционно всеядным, а в результате он не может оптимально приспособиться ни к одному из своих хозяев. Всего десяти переносов между одними и теми же хозяевами было достаточно для усиления вирулентности венесуэльского вируса лошадиного энцефалита, чего вирус не мог достичь в дикой природе. Эти ограничения действуют на все арбовирусы: в каждой последующей смене хозяина можно ожидать, что адаптивные генетические варианты, накопленные при размножении в предыдущем хозяине, окажутся вредоносными и станут объектом очищающего отбора. Опыт, однако, говорит нам, что как дискретные генетические изменения, так и экологические изменения могут влиять на успешность возникающих вариантов, могущих становиться опасными патогенами для человека. Такие варианты, конечно, сами по себе являются свидетельством того, что положительный отбор может играть роль в эволюции этих вирусов и самыми неожиданными путями влиять на их эволюционные траектории.
Ограничения со стороны хозяина
Фундаментальная основа ретровирусного генома составлена из генов, кодирующих жизненно необходимые вирусные белки – gag, pol и env. Лентивирусные геномы обладают наибольшей сложностью среди геномов всех ретровирусов и располагают наборами дополнительных генов, кодирующих белки, играющие важную роль во взаимодействии вируса с хозяином; эти гены участвуют в избегании противовирусного и иммунного ответа и в значительной степени влияют на диапазон возможных хозяев (Malim, Emerman, 2008). Подобно env, они быстро эволюционируют и, возможно, неслучайно находятся в геноме в виде единого кластера. Считается, что такое отделение облигатных и, по необходимости, консервативных генов от быстро эволюционирующих генов избегания может представлять собой эволюционное преимущество перед лицом естественного отбора. Таким способом генетическая вариабельность дополнительных и оболочечных генов может защищать вирус от иммунитета хозяина и одновременно не причиняет вреда фундаментальным механизмам репликации вируса. Это напоминает строение геномов вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК, у которых неядерные гены находятся на концах линейных структур ДНК, представляя собой некую песочницу, в которой вирус может без вреда для себя проводить разнообразные генетические опыты. ВИЧ-1 и SIVcpz обладают четырьмя дополнительными генами, названными vpu, vif, vpr и nef; у родственников этих вирусов, вызывающих иммунодефицит у африканских зеленых мартышек и имеющих с этими вирусами общего предка, отсутствует ген vpu. Вирус SIVmac, возникший, когда SIVsmm инфицировал макак, тоже утратил ген vpu, но зато приобрел ген vpx, который, как представляется, возник в результате дупликации и дивергенции гена vpr. Неизвестно, участвовал ли подобный механизм в древние эволюционные времена в создании дополнительных вариабельных генов других лентивирусных белков. Замечательное разнообразие дополнительных генов выдает их общую цель: они все отвечают за физическое связывание вирусов с клеточными белками. Эти гены не кодируют ни структурные белки, ни ферменты, а лишь вариабельные белки-лиганды, задачей которых является противодействие ограничивающим свободу вируса клеточным механизмам, а также нарушение клеточных функций, препятствующих репликации вирусных частиц. Кодирующая способность этих генов сильно ограничена, и поэтому они кодируют очень короткие белки длиной менее 150 аминокислот, но белки эти способны связывать множество разнообразных структурных клеточных белков. Эволюция функций дополнительных белков в контексте эволюции лентивирусов приматов и межвидовой передачи обеспечивает гибкое взаимодействие с клетками хозяина. Эти белки представляют собой эволюционные системы быстрого реагирования, так как быстро адаптируются к изменениям клеточных защитных механизмов. Возникает впечатление, будто эволюция создала их в соответствии с набором структурных правил, создающих белки-хамелеоны с присущей им пластичностью и способностью к перестройке под воздействием изменчивого давления отбора (McCarthy, Johnson, 2014). Эти белки в любой момент доступны вирусным квазивидам в форме меняющих свое строение белковых лигандов, способных, соответственно, менять свои цели. Неясно, однако, до какой степени это является уникальной особенностью дополнительных генов и не касается продуктов других вирусных генов; представляется, что для вируса было бы большим преимуществом, если бы это свойство было шире представлено в его геноме. Тем не менее быстрая эволюция дополнительных генов и генов некоторых участков оболочки достаточно резко отделяет их от других вирусных генов, которые находятся под сильным давлением очищающего естественного отбора и вынуждены сохранять свои хорошо отрегулированные функции в течение всего жизненного цикла вируса.
