Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Майкл Кордингли

Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Введение

Сразу после открытия вирусов в конце девятнадцатого столетия наука и общество сосредоточились на связи вирусов и болезней. Эта тенденция сохраняется до сих пор, что мы видим по содержанию статей в прессе и научно-популярных книг, в которых вирусы практически всегда рассматриваются как болезнетворные агенты. Надо сказать, что это совершенно адекватный подход, потому что с вирусными заболеваниями мы ежедневно сталкиваемся в обыденной жизни, и содержание новостей служит отражением этого мощного воздействия царства вирусов на наш личный опыт. Тем не менее многие люди не замечают влияния, которое вирусы оказывают на все экосистемы нашей планеты. Вирусы являются облигатными паразитами живых клеток; все живые организмы биосферы страдают от вирусного паразитизма, и геном каждого живого существа несет на себе отпечаток вирусной инфекции. В данной книге вирусы будут представлены как движущая сила эволюционного развития. Вирусы – замечательные специалисты по генной инженерии, так как именно они производят многочисленные генетические вариации, которые стимулируют эволюционные изменения в клетках организма хозяина, т. е. направляют нашу адаптивную эволюцию.

Это очень сложный предмет. Невозможно отделить эволюцию вирусов от эволюции их хозяев; каждый клеточный хозяин вступает в эволюционные конфликты всегда вместе с вирусами. Этот конфликт будет становиться все более очевидным по мере того, как мы проследим историю научных исследований, благодаря которым стало возможным понимание природы вирусов и их места в нашем мире, в наших болезнях и даже в эволюции нашего собственного биологического вида. Наше путешествие, в силу необходимости, будет пролегать по извилистой тропе, петляющей по множеству разнообразных ландшафтов. На каждом остановочном пункте мы будем рассматривать один из аспектов эволюционной изобретательности вирусов. Естественно, начать необходимо с открытия вирусов и описания их физической структуры. Мы узнаем, что сегодня вирусы можно считать эгоистической инфекционной генетической информацией, которая воспроизводится и развертывается в живых системах. Успешность деятельности вирусов регистрируется в новой генетической информации, которую эти вирусы создают, – в вирусном метагеноме – громадном объеме разнообразия, намного большем, чем вся прочая генетическая информация биосферы.

В отдельных главах мы исследуем часто недооцениваемые аспекты биологии вирусов, сосредоточившись на причинах и эволюционных принципах, определяющих эти аспекты. В первых главах мы поговорим о вирусах, поражающих микробов, роли вирусов в формировании глобальных экосистем и в стимуляции эволюции и разнообразия микробов. После этого мы обратимся к тому, как вирусы утяжеляют многие страшные для нас бактериальные заболевания, влияют на патогенность бактерий и устойчивость их к антибиотикам. Затем дойдет очередь и до вирусов, поражающих высшие организмы, мы узнаем, как современные вирусы стали успешными, и познакомимся с механизмами их собственной эволюции. Мы не будем отвлекаться на опасные вирусные заболевания, и основное внимание будет уделено патофизиологии и эволюционному давлению, играющим выдающуюся роль в возникновении эпидемий и эпизоотий, а также эволюции вирусов, вызывающих пандемии.

Заключительные главы посвящены взаимоотношениям вирусов с людьми. Наш уникальный культурный биологический вид способен приобретать знания и проявлять изобретательность в борьбе с вирусными заболеваниями. В этом отношении род человеческий является привилегированным представителем животного царства. Мы достигли такого уровня науки, когда стало возможным использовать вирусы в качестве части медицинского арсенала – для предупреждения вирусных болезней и лечения множества других заболеваний. Тем не менее время от времени появляются новые вирусы, бросающие нам очередной вызов. Эволюционная изобретательность вирусов в нашей изменчивой глобальной реальности ставит на повестку дня необходимость проявить старание и осмотрительность, для того чтобы не дать вирусам стать непреодолимым отягощающим фактором для грядущих поколений.

Осуществляя этот амбициозный проект, я опирался на работы многих замечательных специалистов, а также на многочисленные публикации, касающиеся разнообразных биологических и медицинских дисциплин. По необходимости мне пришлось взобраться на плечи этих гигантов, чтобы позаимствовать их знания и составить связное повествование на эту увлекательную тему. В этой книге я утверждаю, что вирусы суть материя с голым информационным содержанием, не подпадающая под определение живого организма. То, что вирусы могут запускать и регулировать сложные каскады молекулярных реакций, сравнимых с реакциями в организме человека, – это факт, но, строго говоря, у вирусов нет ни мотивов, ни потребностей, ни стратегии. Проникновение в живые клетки сообщает им жизнь, которой сами они лишены. Тем не менее иногда мне приходится выходить на эту опасную антропоморфную стезю. Я делаю это сознательно, считая, что так смогу более понятно изложить сложные и запутанные нюансы и контекст, не теряя нити повествования. И, наконец, мое изложение не является всеобъемлющим руководством, каковым его и не следует считать. Есть множество великолепных учебников, служащих «золотым стандартом» в вирусологии, которые я рекомендую для чтения (это книги Knipe, Howley, 2013; Flint et al., 2015). Я выбрал всего лишь несколько направлений, которые наилучшим образом демонстрируют роль вирусов в эволюции живого. Важные концепции, освещенные в этой книге, можно легко распространить на другие вирусы, что даст читателю возможность свободно читать и другие источники. В конце нашего путешествия у читателя должно сложиться представление о вирусах как о величайшем атрибуте жизни и как о самых страшных из существующих хищников.

Глава 1

Облигатные паразиты клеток

История вирусов начиналась в 1879 году на экспериментальной сельскохозяйственной станции в голландском Вагенингене. В середине девятнадцатого века посевы табака были поражены неизвестной ранее болезнью. В некоторых местностях эта болезнь распространилась так широко, что крестьянам «пришлось полностью отказаться от выращивания табака» (Zaitlin, 1998). Адольф Майер окрестил эту болезнь табачной мозаикой, так как на листьях пораженных растений появлялись темные полиморфные пятна. Он искал причину болезни, когда обнаружил, что сок, выдавленный из листьев пораженных растений, мог передавать заболевание здоровым растениям. Майер справедливо предположил, что за возникновение болезни несет ответственность какой-то заразный инфекционный агент, и проведенные исследования, действительно, позволяли предположить, что табачная мозаика вызывается каким-то неизвестным микробом.

В 1892 году русский ученый Дмитрий Ивановский показал, что возбудитель табачной мозаики свободно проходит через фарфоровый фильтр. Этот фильтр, сконструированный Луи Пастером и Чарльзом Чемберлендом, имел поры, которые задерживали бактерии, но пропускали частицы, меньшие 0,5–1,0 микрона. Опыты Ивановского позволили исключить бактерии из числа возможных возбудителей табачной мозаики. Сам Ивановский заключил, что болезнь вызывается каким-то побочным продуктом жизнедеятельности бактерий или каким-то неизвестным ядом (токсином). Несколько лет спустя голландский ученый Мартинус Виллем Бейеринк уточнил концепцию инфекционного заболевания. Определенно, возбудителем табачной мозаики была не бактерия. Этот возбудитель не удавалось вырастить на питательных средах, на которых беспрепятственно росли другие бактерии. Бейеринк предположил, что этот инфекционный агент нуждался в тесном взаимодействии с метаболизмом живого растения для своего размножения и распространения. Это инфекционное начало, очевидно, зависело от нормального функционирования живой системы. Прозрачный фильтрат, вызывавший болезнь, Бейеринк назвал “Contagium vivum fluidum” – «заразная живая жидкость».

На рубеже двадцатого столетия у ученых не было подходящих инструментов для того, чтобы описать физическую природу вирусов, если не считать фильтра Чемберленда. Все понимали, что возбудителями были мельчайшие организмы, способные проходить сквозь крошечные поры фарфорового фильтра. То есть определенно говорить можно было только о размерах частиц. Потребовалось еще сорок лет для того, чтобы выделить сами частицы вируса табачной мозаики, получившие название «ферментоподобного белка». Затем, после уточнения состава, их назвали нуклеопротеинами – частицами, состоящими из белка и нуклеиновых кислот.

Приблизительно через двадцать лет после идентификации вируса табака, в результате совместных усилий многих ученых были, наконец, открыты вирусы, поражающие прокариотические клетки. Английский врач Фредерик Туорт изучал бактерию из семейства стафилококков, так как она часто загрязняла пузыри коровьей оспы, из которых Туорт собирал материал для изготовления противооспенной вакцины. Исследуя бактериальные культуры, он заметил отчетливые пятна на поверхности мелких бактериальных колоний, растущих на питательной среде. Туорт совершенно правильно интерпретировал эти изменения как результат разрушения бактериальных клеток, то есть заболевания микроорганизма. Туорт обнаружил, что эту «болезнь» можно переносить из колонии в колонию и что инфекционный агент легко проникал через фарфоровый фильтр, так же как возбудитель табачной мозаики в опытах Бейеринка. Сам Туорт считал, что вызывающим болезнь началом был, вероятно, фермент или токсин, это начало соответствовало всем признакам вирусов (Twort, 1915).

Возможно, что Туорт и сам не вполне осознал значение своего открытия, но зато его осознал Феликс д’Эрелль, канадский ученый, работавший в Пастеровском институте в Париже. Д’Эрелль сумел продвинуться еще на шаг вперед в исследовании вирусов, поражающих бактерии. Он наблюдал фильтруемый «антагонистический микроб», который убивал возбудителя дизентерии шигеллу, делая прозрачными бульонные культуры этого микроорганизма. Д’Эрелль писал: «Исчезновение дизентерийных бацилл совпадает с введением невидимого микроба… являющегося облигатным бактериофагом» (D’Hérelle, 1917). Это было первое употребление термина «бактериофаг» в научной литературе (бактериофаг в переводе с греческого означает «пожирающий бактерии»). Д’Эрелль открыл то, что, как мы теперь знаем, является многочисленной группой вирусов. Эти вирусы являются паразитами прокариот – организмов, составлявших большинство форм жизни в архейскую эпоху.

Ивановский, Бейеринк и Туорт ничего не знали об истинной природе инфекционного агента – был ли он бактерией, ферментом или токсином, – но сегодня, в результате многочисленных биохимических, физических и молекулярных исследований было получено подробное описание вирусов. В словарях вирусы определяются так: «Инфекционный агент, который в типичных случаях состоит из молекулы нуклеиновой кислоты в белковой оболочке, невидимый в световом микроскопе вследствие своей малости и способный размножаться только в живых клетках организма-хозяина». Это, в принципе, верное определение, тем не менее оно не лишено недостатков. Использование оборота «в типичных случаях» оказалось пророческим. Действительно, в большинстве случаев вирусы соответствуют такому определению, но есть и достаточно заметные исключения. Некоторые вирусы превосходно обходятся без белковой оболочки, другие размерами превосходят иные бактерии (см. главу 8). Для того чтобы сформулировать признаки фундаментальной природы вирусов, надо исследовать более исчерпывающее их определение.

Виросфера и ее метагеном

Виросфера – это совокупность всех вирусов во всех экосистемах и во всех организмах-хозяевах биосферы. В принципе, когда мы произносим слово «вирус», мы думаем о вирусной частице и содержащейся в ней нуклеиновой кислоте. Программа создания вирусной частицы содержится в ней в виде нуклеиновых кислот – рибонуклеиновой или дезоксирибонуклеиновой, которые являются полимерами либо рибонуклеотидов, либо дезоксирибонуклеотидов. Генетический код вируса, представленный этими нуклеиновыми кислотами, содержит информационный фундамент уникальной идентичности каждого вируса. Так же как различные виды живых организмов имеют различные генетические программы («чертежи»), закодированные в последовательности нуклеотидов, имеют их и вирусы. В наше время визуализировать вирусы можно с помощью электронного микроскопа. Таким способом часто выявляются разные вирусы, имеющие настолько схожие размеры и форму, что их невозможно различить по этим признакам. Уникальная идентичность каждой частицы заложена в ее геноме, а геномы у разных частиц могут отличаться друг от друга, причем иногда весьма сильно. Истинное разнообразие царства вирусов можно оценить, только составив каталог их генетического содержимого – их штрих-кодов – и сравнив его между собой. По этой причине виросферу стоит понимать не только как совокупность различных видов вирусов, но как совокупность их генетического информационного содержания – как вирусный метагеном.

Метагеном сводит в один каталог все совокупные геномы всех организмов, которые можно получить в пробе окружающей среды. «Проба окружающей среды» может представлять собой один грамм почвы, миллилитр морской воды или какой-то организм, и каждая из этих проб является отдельной экосистемой. В наиболее общей форме термин «метагеном» включает в себя геномы биосферы, т. е. геномную информацию обо всех живых организмах и их вирусах. Человеческий метагеном включает в себя геномы, с ним связанные, то есть не только собственные геномные последовательности, но и таковые всех организмов, составляющих микробиомы человека. К ним относятся симбиотические бактериальные клетки и клетки простейших, занимающие все наши наружные поверхности: кожу, слизистую оболочку кишечника, носовую и ротовую полость и половые тракты. Человеческий виром – это совокупность вирусов, инфицирующих клетки нашего тела и клетки наших микробных спутников. Все гены этих структур считаются их метагеномом.

Исследование метагеномов стало возможным благодаря технологическому прогрессу в молекулярной биологии. Такие исследования зиждутся на нашей способности читать и интерпретировать нуклеотидные последовательности генетического материала организмов и вирусов в каждой данной пробе. До наступления эры технологического прогресса распознавание и идентификация микроорганизмов и вирусов в каждой данной пробе были ограничены теми микроорганизмами и вирусами, которые можно было вырастить в культуре или рассмотреть под микроскопом. Сегодня выявление нуклеотидных последовательностей даже в крошечных пробах окружающей среды или биологического материала можно использовать как отпечатки пальцев, для надежной идентификации микробов и вирусов.

В течение последнего десятилетия ученые использовали эти инструменты для исследования возможной связи между составом человеческого микробиома, состоянием здоровья и определенными заболеваниями. Было установлено, что сообщество микроорганизмов состоит из 75–200 триллионов микробов – это число вполне сопоставимо с 100 триллионами клеток человеческого организма. Таким же поразительным является тот факт, что на каждый триллион микробных клеток приходится в десять раз больше вирусов! Эта популяция вирусов – в большинстве своем бактериофаги (для краткости мы в дальнейшем будем именовать их фагами) – является главной частью человеческого вирома. Остальные представители вирома – это вирусы, инфицирующие клетки нашего собственного организма. Исследования показывают, что от взаимодействия этих трех частей – человеческого организма, микробиома и вирома – главным образом зависит состояние нашего здоровья и восприимчивость к заболеваниям, хотя детали этого взаимодействия пока малопонятны.

Ключевыми методами в стремительно развивающейся отрасли метагеномики являются новейшие методы секвенирования ДНК и создание компьютерных моделей. Ученые могут определить последовательность нуклеотидов в следовых количествах ДНК множества организмов в единственной пробе. Теперь нет необходимости раздельно культивировать микроорганизмы и выделять ДНК из каждого из них. Параллельное секвенирование позволяет определять последовательности нуклеотидов в разных ДНК одновременно. Применяя сложные биоинформационные алгоритмы, можно определять различные последовательности ДНК и их относительный избыток в пробе. С тех пор как отпала необходимость культивироватяь организмы для того, чтобы охарактеризовать и классифицировать их геномную последовательность, был преодолен главный барьер на пути исследования биологических свойств нашего микробиома. Действительно, несмотря на то что подавляющее большинство микробных видов не могут быть в наше время культивированы вне организма человека, параллельное секвенирование позволяет идентифицировать присутствие микроорганизмов в нашем теле и их относительное количество или относительный избыток в микробиоме кишечника. Облегчает этот анализ то, что всем без исключения клеточным формам, содержащим хромосомы, в которых закодирована генетическая программа генов, необходимы особые структуры – рибосомы. Рибосомы – это биологические машины, отвечающие за интерпретацию генетических последовательностей мРНК (мессенджер-РНК), по шаблонам которых из аминокислот синтезируются белки. Гены рибосомной РНК (присутствующие в 16S субъединице рибосомы) – рРНК, содержащиеся в рибосомах прокариот, являются весьма консервативными структурами, сохранившимися в ходе эволюции. Небольшие вариации последовательностей в этих весьма консервативных генах позволяют точно проследить филогенетические взаимоотношения между разными видами бактерий. Сравнивая эти уникальные «отпечатки пальцев» последовательностей рРНК с последовательностями ДНК, хранящимися в геномных базах данных, ученые быстро идентифицируют виды бактерий или простейших, обнаруженных в данной пробе. Отношение частоты определенной последовательности нуклеотидов в генах рРНК к ее частоте в генах ДНК указывает на относительный избыток этой последовательности в пробе.

К сожалению, пока не существует такой же эффективной методики для выявления вирусного метагенома. Его исследование отстает от исследования метагенома микробного. Мы не можем классифицировать вирусы, присутствующие в данной пробе, с помощью метода, пригодного для идентификации генома прокариот. В вирусном геноме отсутствуют гены рРНК, потому что вирусы не кодируют аппарат для синтеза своих собственных белков. Более того, вирусные геномы демонстрируют невероятное разнообразие генов и нуклеотидных последовательностей в них. В самом деле, нет ни одного единичного гена или потомка единичного гена, который можно было бы обнаружить во всех вирусных геномах; для выявления присутствия в пробе определенных вирусных генов и определения их филогенетического родства отсутствуют уникальные вирусные отпечатки пальцев.

Однако семейства родственных вирусов располагают сходными стратегиями репликации, а следовательно, обладают определенными общими типами ферментов или структурных белков, необходимых для их размножения в различных условиях. У генов, кодирующих эти белки, есть сходство в последовательностях нуклеотидов, что позволяет вывести родословную вирусов. Белки интегразы являются примером вирусных ферментов, присутствующих в вирусных частицах разнообразного происхождения. Несмотря на то что эти белки могут быть разными и обладать различными аминокислотными последовательностями, их можно найти у большинства вирусов – эти белки позволяют интегрировать геном вируса в хромосомы клетки-хозяина. Несмотря на генетическую гетерогенность царства вирусов, у всех них наблюдают всего три структурных шаблона капсида. Представляется, что существует ограниченное количество жизнеспособных решений «проблемы» конструкции вирусного капсида. Инкапсулированные вирусы обладают капсидными белками, упакованными в соответствии с одним из трех трехмерных шаблонов. Именно последовательности аминокислот в этих белках вместе с мощными компьютерными инструментами служат опорой для ученых в их суждении о происхождении и родстве вирусных частиц в пробах. Это отнюдь не точное знание, и положение осложняется тем, что только небольшая часть вирусных последовательностей была каталогизирована и сохранена в геномных базах данных. Мало того, вирусные гены склонны к быстрой эволюции, а, кроме того, вирусы очень охотно меняются генетической информацией, которая может прибавляться к геному или, наоборот, безвозвратно теряться в процессе обмена. Будет честнее сказать, что любая оценка сложности вирусного метагенома является в высшей степени приблизительной. Вычислительные методы позволяют обнаруживать сходство между нуклеотидными последовательностями пробы и последовательностями, хранящимися в базах данных. Новые последовательности, или те, что только что возникли, могут и не иметь такого сходства, а следовательно, не могут быть приписаны вирусам определенного вида.

В наше время ученые исследуют вирусные метагеномы в разнообразных экосистемах. Подсчитать количество вирусов в водной среде в настоящее время несложно. Количественная оценка нуклеиновых кислот вирусных частиц, выделенных из проб океанской воды, пропущенной через фильтр с порами диаметром 0,5 микрон, позволила выявить поразительный факт: в каждом миллилитре океанической воды содержится около 1 миллиона микробных тел и от 10 до 100 миллионов вирусов (Bergh et al., 1989). Прибрежные воды океанов являются, по сути, концентрированными растворами вирусных частиц. По самым скромным подсчетам можно предположить, что виросфера состоит из 1011 индивидуальных вирусов, и именно они являются самыми многочисленными биологическими объектами на Земле, превосходя численностью бактерии и простейшие на порядок (Brüssow, Hendrix, 2002; Suttle, 2007; Breitbart, Rohwer, 2005). Для инопланетянина, снабженного органами чувств, регистрирующими микроскопические и макроскопические объекты, мы и другие представители царства эукариот потеряемся в толпе других биологических сущностей – мы представляем ничтожное меньшинство в планетарном биологическом сообществе.

Сложность и «темная материя»

Разнообразие вирусной генетической информации, выявленное во взятых в окружающей природе пробах, поражает воображение. Область морских вирусных метагеномов открылась взору, когда ученым удалось методом параллельного секвенирования ДНК идентифицировать вирусы в морской воде. По прошествии первого десятилетия двадцать первого века эта область продолжает стремительно расти. Профессор Форест Ровер, специалист по морской экологии из университета Сан-Диего в Калифорнии, является одним из первопроходцев в этой сфере. Он и его сотрудники стали первыми учеными, применившими современные технологии для анализа вирусных метагеномов. В 2006 году они опубликовали одно из самых полных исследований на эту тему (Angly et al., 2006; Suttle, 2007). Они собрали и проанализировали пробы из шестидесяти мест в четырех океанах, выполнив секвенирование ДНК в пробах из Мексиканского залива, прибрежных вод западной части Канады, Северного Ледовитого океана и Саргассова моря. Эти исследования позволили приоткрыть дверь в необозримое царство морских вирусных популяций и их экологии. Вместе с данными других экспедиций их работа позволяет нарисовать относительно связную картину, которая показывает, что вирусная популяция океанов является в высшей мере разнообразной (Suttle, 2007). Среди триллионов вирусных частиц, обнаруженных в 100 литрах морской воды, присутствуют многие тысячи разных видов вирусов, каждый из которых обладает уникальной генетической программой, или, иными словами, генотипом. В одном килограмме отложений морского дна обнаруживается более миллиона различных генотипов. Большинство фагов распространены в мире очень широко – они находятся всюду, – но их количество в разных местах сильно варьирует. Вероятно, различные условия окружающей среды оказывают сильное влияние на преобладание тех или иных вирусов и классов вирусов в разных местах (Angly et al., 2006; Breitbart, Rohwer, 2005).

Несмотря на то что наиболее интенсивно в настоящее время исследуют океанический виром, многие ученые изучают виром других экологических ниш. Проводятся исследования метагеномов галофильных или термофильных бактерий и простейших, обитающих в соляных озерах и горячих источниках. Гиполитические микробные сообщества на нижней поверхности прозрачных камней в Намибийской пустыне, отличающейся крайней сухостью, дают такую возможность (Adriaenssens et al., 2014). Вирусы этих собирательных экосистем численно превосходят все остальные компоненты виросферы. Преимущественно они поражают бактерии и простейших, но делают это множеством способов. Для инфицирования эти вирусы используют разнообразные стратегии, у которых есть только одно общее: единственная цель такого инфицирования – репликация и передача генетической информации. Их геномы, кодирующие всю необходимую генетическую информацию, могут состоять из РНК или ДНК и принимать множество разных форм: одноцепочечную или двухцепочечную, линейную или кольцевую, или даже сегментированную. В некоторых редких случаях вирусы способны делиться генетической информацией (когда генетической информации в каком-то геноме недостаточно, и недостающие гены берутся из генома вируса-помощника). Вирусы могут быстро эволюционировать. Это становится возможным благодаря ряду факторов, включая огромную сложность вирусных популяций и короткое время генерации, что приводит к быстро протекающим циклам репликации. Генетическая сложность, о которой я здесь говорю, служит отражением не только большого числа индивидуальных вирусов, но и большого разнообразия в содержании генетической информации. Другим важным катализатором скорости эволюционного развития вирусов является неограниченный обмен информацией и эффективность, с какой вирусы ею обмениваются, как друг с другом, так и с клеткой-хозяином. И, наконец, склонность к ошибкам в репликации, характерная для репликации вирусных нуклеиновых кислот, тоже приводит к генетическому разнообразию в популяции. Вирусы оседлали быстрые эволюционные потоки, подстегивая собственную эволюцию и адаптивную эволюцию своих хозяев. Вирусный метагеном – настоящий шведский стол полезной генетической функциональности. Этот стол позволяет успешно эволюционировать вирусному геному, но если мутации усваиваются хозяином, то они могут послужить и на благо его выживаемости в изменяющемся и враждебном мире.