Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Самым важным полем битвы вируса с хозяином является то место, где защитные механизмы хозяина сталкиваются с вирусными механизмами избегания иммунного ответа. Этот интерфейс часто проявляется чисто физическими взаимодействиями между вирусными белками и белками клеточными, взаимодействиями, находящимися под сильным давлением естественного отбора. Это очевидно при положительном давлении естественного отбора на вирусные гены, как, например, иммунологическое давление на экспрессию эпитопов ГА вирусов гриппа, а также на гены клеток-хозяев. В этом состязании клеточные гены, отвечающие за подавление вирусной инфекции, и соответствующие вирусные гены, управляющие избеганием иммунного ответа, стремятся взять верх. Исследование конфликта Черной Королевы, стимулирующего генетическое обновление и адаптивную эволюцию вирусов и хозяев, дает специалистам по эволюционной биологии прекрасную возможность наблюдать эволюционную гонку вооружений между хозяевами и патогенами. Никакие вирусы не подходят лучше для научного исследования в этой сфере эволюции, чем поксвирусы. Они захватили и нужным образом развили наборы дополнительных генов, играющих роль во взаимодействии вируса с хозяином. Многие поксвирусы менее привередливы в своем выборе хозяина и проявляют изумительную способность инфицировать клетки организмов множества биологических видов. Каждый из этих видов представляет свой особый интерфейс для вируса, и, таким образом, каждая новая встреча является вызовом для инфицирующих клетки поксвирусов. Более того, исследование филогенетики поксвирусов приводит нас к относительно однозначному выводу о том, что они пересекли межвидовые барьеры и быстро адаптировались, приобретя способность эффективно вызывать заболевания у новых хозяев. Для эволюционного биолога эти выводы представляют собой настоящую головоломку. Их можно легко совместить с РНК-содержащими вирусами, которые существуют в форме квазивидов, реплицируются с высокой скоростью и частотой, рискуя катастрофой ошибок. Однако в отношении поксвирусов не вполне ясно, каким образом они могут достигать необходимой скорости эволюционной адаптации для того, чтобы выиграть гонку вооружений с хозяевами, а при необходимости применять у разных хозяев разное оружие.

Один из ведущих специалистов в этой области научных исследований – Хармит Малик, чья лаборатория находится в Сиэтле в Научном противораковом центре Фреда Хатчинсона. Большая часть его исследований посвящена изучению эволюционных конфликтов, включая конфликты между вирусными геномами и геномами клеток-хозяев, признаками которых является быстрая модификация генов в результате действия положительного отбора. Исследования такого рода могут пролить свет на существование древних и ныне исчезнувших вирусов, оставивших свои отпечатки в эволюции последовательностей нуклеотидов в геноме хозяев. Выше мы уже обсуждали, как можно отследить положительный отбор вирусных генов на основании изучения их кодирующих последовательностей. В 2012 году доктор Малик и его коллеги описали новый, неизвестный ранее механизм, используемый поксвирусами для успешного ведения войны с геномами клеток-хозяев (Elde et al., 2012). Многое из того, что нам известно об эволюции вирусов под действием положительного отбора, было выяснено в лабораторных экспериментах, проведенных с вирусами, которые лучше всего подходили для этой цели. Это вирусы, которые быстро реплицируются в культурах, создают многочисленные популяции и отличаются высокой частотой мутаций. Эти условия идеальны для поддержания генетического разнообразия, которое служит основой для любого естественного отбора. Вирусы, отвечающие этим критериям, подходят для изучения естественного отбора вирусов и эволюции в режиме реального времени в лабораторных условиях при заданном давлении отбора. Сюда входит способность вируса развивать резистентность в отношении противовирусных лекарств и способность адаптироваться к репликации в условиях клеток новых хозяев. Такие эволюционные эксперименты помогают испытать способность вирусов адаптироваться к изменениям окружающей среды. В одном случае новая окружающая среда содержит молекулу лекарства, подавляющего репликацию вируса. В другом случае изменение касается самой клетки-хозяина, располагающей новыми механизмами противовирусной защиты, которую вирус должен обойти, чтобы успешно реплицироваться. Эти феномены могут быть отражением гонки вооружений между вирусом и хозяином, которая усиливается по мере эволюционных изменений в организмах-хозяевах; это также может быть отражением нового давления отбора, которое начинает действовать на вирус, когда он вторгается в клетки организмов нового биологического вида. На эти вопросы, касающиеся поксвирусов, ответов не было, и Малик со своими коллегами попытался выявить систему, в которой можно было бы воспроизвести эволюционный ответ поксвирусов на изменение давления отбора, оказываемого клеткой-хозяином.