Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Кордингли Майкл

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 (Br"ussow, 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).