Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Для полноты картины я должен еще подчеркнуть, что РНК-содержащие вирусы (как и ДНК-содержащие вирусы) не обладают все же абсолютно безграничной гибкостью и способностью к генетическим изменениям. Хотя РНК-содержащие вирусы со своей склонной к ошибкам репликацией обладают большой способностью к быстрому перебору генетических вариантов, все же их гибкость ограничена. Репликация на основе РНК накладывает сильные ограничения на величину генома. Чем больше РНК-геном, тем выше риск «катастрофы ошибок». Можно экспериментально показать, что геномы РНК-содержащих вирусов постоянно пребывают на грани катастрофы ошибок. Эволюция отрегулировала отношение между скоростью мутаций и длиной генома до оптимальной величины. В лабораторных условиях РНК-содержащие вирусы можно довести до вымирания, искусственно повысив скорость их мутаций. Это достигалось либо экспозицией к нуклеотидным аналогам, повышающим скорость мутаций, либо путем генетических манипуляций с РНК-полимеразой, которая делает больше ошибок при копировании (Crotty, Cameron, Andino, 2001; Crotty et al., 2000). Представляется, что частота ошибок около одной на 10⁴ включенных последовательностей является максимальной, которую может перенести геном длиной около 10 тысяч оснований (в лаборатории ученые работали с вирусом полиомиелита). Отсюда следует, что любое изменение функциональности генома РНК-содержащих вирусов должно быть достигнуто без увеличения его размеров. Пространство мутаций, которым может пользоваться РНК-содержащий вирус, всегда должно быть соотнесено с ограниченным размером генома. Это ограничение кодирующей способности приводит к минимизации геномов, плотно упакованных информацией. Многие продукты генов ДНК-содержащих вирусов должны выполнять множество функций в течение жизненного цикла вируса и могут быть закодированы в перекрывающихся генах. Для РНК-содержащих вирусов еще более важно то, что функциональные роли играют как первичная, так и вторичная структура значительных частей генома. Первичная нуклеотидная последовательность сама по себе представляет информационное содержание и, следовательно, обладает собственной функциональностью. Такие функции «кодируются» в определенных нуклеотидных последовательностях или в складках цепи РНК, которые образуют более сложные вторичные структуры, стабилизируемые связями, образующимися между комплементарными нуклеотидами цепи. Этот «код» не является избыточным в обычном понимании, то есть синонимические мутации в этих участках невозможны. Любая замена нуклеотида приведет к изменению структуры РНК и к изменению фенотипа вируса. Таким образом, гибкость в определенной степени утрачивается, что ограничивает вариабельность РНК-содержащих вирусов. Они могут успешно развиваться, если сохраняют функциональность плотно конденсированной генетической информации, которая выполняет задачу репликации вируса, а также овладевает механизмами и структурами клетки-хозяина.

С другой стороны, надежность репликации генетического материала ДНК-содержащих вирусов устраняет ограничения, наложенные на длину генома. Многие лаборатории оценивают частоту ошибок при репликации ДНК-содержащих вирусов величиной в 1 на 10⁸ включений нуклеотидов в новый геном (Drake, Hwang, 2005), то есть надежность репликации ДНК в десять тысяч раз превышает надежность репликации РНК-содержащих вирусов. При отсутствии других ограничительных факторов, таких как малый размер капсида, который может ограничить объем ДНК, который можно упаковать в инфекционную вирусную частицу (Chirico, Vianelli, Belshaw, 2010), ДНК-содержащие вирусы могут позволить себе массивные геномы, не подвергаясь риску катастрофы ошибок. Размер генома некоторых мелких ДНК-содержащих вирусов, таких как папилломавирусы и парвовирусы, может быть ограничен размерами их капсида. Такие вирусы располагают минимальными геномами, которыми распоряжаются с изумительной экономностью, зачастую кодируя многофункциональные белки и перекрывающиеся гены. К мелким ДНК-содержащим вирусам мы еще вернемся ниже в этой главе. Вирусы герпеса и ядерно-цитоплазматические крупные ДНК-содержащие вирусы, к которым относится вирус оспы (poxvirus), обладают намного большими геномами. Хотя у них нет способностью к генетической вариабельности, равной способности РНК-содержащих вирусов, им, с другой стороны, не нужно экономить на кодировании необходимых белков. Эти вирусы могут с большой выгодой для себя использовать роскошь расширенного генома. Для испытаний возможностей расширенного генного пространства и быстрой эволюционной адаптации вирусы герпеса используют разнообразные механизмы.

Дупликация и захват гена