Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

У большинства из нас в организме постоянно присутствуют один или больше этих вирусов, причем с самого юного возраста. Обычно эти мелкие вирусы вызывают малозаметные инфекции или относительно доброкачественные заболевания. Обычно эти вирусы вызывают обширные и затяжные инфекции. Для репликации генов и экспрессии белков эти вирусы практически полностью полагаются на клеточные механизмы репликации и трансляции. По мере чтения вы заметите, что не существует единого типа эволюции, которого бы придерживались все мелкие ДНК-содержащие вирусы. Сначала мы обратим внимание на папилломавирусы и полиомавирусы, а затем займемся парвовирусом, вирусом, содержащим одноцепочечную ДНК, который процветает, несмотря на то что отличается особым способом существования. Папилломавирус и полиомавирус имеют в своем генетическом арсенале мелкие кольцевидные геномы, состоящие из двухцепочечной ДНК и кодирующие менее чем 10 генов, а также сигналы, управляющие транскрипцией, и точку инициации репликации ДНК. Этот геном упакован в простую икосаэдрическую вирусную частицу, состоящую из двух структурных белков. Весьма ограниченный набор генов, которые они могут кодировать, требует опоры на клетку-хозяина для осуществления репликативной функции. Эти вирусы не кодируют аппарат репликации своей собственной ДНК, а просто кодируют два белка, используя для этого ДНК-полимеразы клетки и сопутствующие факторы из вирусной хромосомы. В строении этих вирусов преобладает минимализм и высокая специфичность в отношении выбора хозяина, при почти полном отсутствии адаптивных, неядерных генов, способных манипулировать внутриклеточной окружающей средой (DeCaprio, Garcea, 2013; Krumbholz et al., 2009; Van Doorslaer, 2013).

Полиомавирусы вызывают стойкую бессимптомную пожизненную инфекцию у своих хозяев; инфекции, вызванные папилломавирусом человека, подавляются иммунной системой, но в зависимости от возраста и состояния иммунитета они могут длительно протекать в виде продуктивного субклинического заболевания. Подобно риновирусам, вирус папилломы человека существует в виде множества подтипов, и реинфекции родственными, но различными генотипами вируса встречаются весьма часто. Эти свойства поддерживают высокую заболеваемость и обеспечивают надежную передачу вирусов от хозяина к хозяину.

Возьмем для примера вирус JC, впервые описанный в 1971 году. Этим вирусом инфицированы от 70 до 90 % населения Земли. Вирус поражает клетки почечных канальцев, и 80 % из нас до конца своих дней выделяют в окружающую среду вирус с мочой. Успех этих вирусов коренится в их способности удерживаться в организме больного, совершая сменяющие друг друга циклы репликации. Эти вирусы сохраняют способность удерживаться в организме и одновременно реплицироваться перед лицом нашего иммунного ответа. Этим обеспечивается непрерывность цепи передачи вируса от индивида к индивиду. Персистирующий вирус часто передается от родителей детям в течение длительного сосуществования. Более того, число генетических вариантов, возникающих при репликации вирусных частиц, находится в прямо пропорциональной зависимости от числа синтезированных геномных реплик. Это, несомненно, преимущество для эволюционной адаптации, так как эти варианты непрерывно тестируются и проверяются на пригодность давлением естественного отбора. Эта быстрая смена поколений способствует быстрому темпу эволюции, характерному для полиомавируса JC в сравнении с папилломавирусами (Shackelton et al., 2006; Loy et al., 2012).

Можно предположить, что частота мутаций у этих вирусов, а следовательно, генетическое пространство, которое они могут опробовать в ходе эволюции, будет ограничено высокой надежностью репликационных механизмов соматической клетки. В принципе, скорость их эволюции легко может превысить скорость эволюции хозяина, так как у них относительно короткое время существования поколения. Следовательно, они постоянно создают копии своего генома и выбрасывают во внешнюю среду свои частицы в течение длительных периодов времени, пока существуют в организме единственного хозяина. Это таит в себе возможность создавать генетические варианты, порождая крупные популяции дочерних вирусных частиц. Тем не мене не следует недооценивать вызовы, брошенные эволюцией вирусам, адаптированным к единственному хозяину. Вирусы герпеса могут дополнять свои геномы обширным и разнообразным генетическим материалом, содержащим сотни генов. Но мелкие ДНК-содержащие вирусы должны завершать репликацию в клетке-хозяине, используя по большей части весьма ограниченный набор «адаптивных» генных функций.