Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Кордингли Майкл

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.

Ученые подсчитали, что каждый второй фаг из 10²⁵ частиц, начинающих инфицирование клетки-хозяина, распадается на составные части до того, как генетическая программа направит процесс в сторону синтеза копий исходной вирусной частицы. Физику этот процесс сразу напомнит о втором начале термодинамики, учитывая общую массу фагов, а также высвобождение и расход энергии вслед за началом инфицирования. Расщепление организованной структуры фага на неупорядоченные частицы приводит к выделению энергии и увеличению беспорядка. Воссоздание большего числа вирусных частиц требует более значительного притока энергии, которую вирусам приходится извлекать из работы энергетических систем клетки-хозяина. Биолог, с другой стороны, задумается о вовлеченной в процесс биомассе и о воздействии циклов инфицирования на различные экосистемы, что влияет на поток и доступность питательных веществ в пищевой цепи. Генетик, исследующий систему, отметит, что при одновременной репликации 10²¹ фагов будут возникать практически бесчисленные мутанты. Эти варианты копий возникают, когда геномы фагов копируются с ошибками и когда фрагменты генетической информации теряются или обмениваются с фрагментами наследственной информации, одновременно вносимой в клетку другими фагами. Иногда генетическая информация клетки-хозяина добавляется в геном фага, а затем становится его неотъемлемой частью, служащей целям вируса.

Эта «комбинаторная биология» практикуется в природе в очень широких масштабах. Начало ей было положено три миллиарда лет назад; она является плотью и кровью естественного отбора, который основан на невообразимом разнообразии генетической информации в вирусном метагеноме. Эта комбинаторная биология создала и до сих пор поддерживает мир вирусов, который использует разнообразные стратегии репликации во взаимодействии с клетками-хозяевами и популяциями таких клеток. Почти бесконечное число генетических вариантов в виросфере может быть превращено в «прототипы», и по проторенной таким образом дорожке вирусы могут занимать и обживать завоеванное «эволюционное пространство». Вирусы можно уподобить игрокам в лото с неисчерпаемыми ресурсами; эти игроки могут покупать любые билеты; если в наборе существует выигрышный билет, то они непременно его получат. Все, что требуется, – это наличие выигрышного билета, который становится прототипом, дающим эволюционные преимущества. Здесь кроется невероятная способность вирусов быстро адаптироваться к изменениям в клетках-хозяевах и успех, который сопутствует вирусам во всех их попытках занять любую экологическую нишу.

Генетическая информация, закодированная в геномах фагов, составляет большую часть вирусной генетической информации в виросфере. Если мы учтем все гены, идентифицированные к настоящему времени во всех биологических объектах, то фаговые гены составят подавляющее большинство. В 2003 году ученые использовали вычислительный алгоритм Chao1 для того, чтобы собрать в банке генов все ДНК-последовательности всех идентифицированных фагов. Выводы оказались просто поразительными. Ученые смогли высчитать, что предстоит открыть еще около двух миллиардов фаговых генов (Rohwer, 2003). Если учесть число фаговых генов и их нуклеотидных последовательностей, находящихся в генном банке в настоящее время, то это означает, что предстоит обнаружить 99,9998 % всех фаговых генов (Rohwer, 2003). Действительно, во многих океанографических наблюдениях, касающихся метагенома морских фагов, большой процент (около 75 %) собранных последовательностей отсутствует в любой из существующих баз данных и не может быть идентифицирован – эти последовательности ДНК были названы «темной материей» (Breitbart et al., 2002; Pedulla et al., 2003). Никто не знает, какие генные сокровища будут найдены в этом море генетической информации, но ясно одно: эта информация непременно будет использована в процессе эволюции. Эти новые гены могут способствовать возникновению новых штаммов фагов или сообщить вирусам дополнительную вирулентность. Возможно, и люди смогут извлечь из этого какую-то пользу, так как новые гены могут помочь в создании новых биотехнологических инструментов и новых лекарств.

Вирусы являются облигатными паразитами, которые реплицируются только внутри живых клеток организма-хозяина. Естественный отбор может влиять только на исход инфекционного поражения и на успех размножения вируса. Отношение вируса с клеткой-хозяином – это двустороннее отношение, и естественный отбор точно так же работает и на организме хозяина. Выживание клетки-хозяина является мерой успешности клеточного генома. Эта симметрия влияния естественного отбора на генетическую информацию как вируса, так и клетки-хозяина создает феномен, посредством которого вирусы и клетки вырабатывают в конце концов способы взаимоприемлемой активности. Слово «взаимоприемлемый» в данном контексте выглядит не вполне уместно, потому что геномы обоих организмов в этой ситуации вступают в конфликт, и каждый из них преследует свои собственные эгоистические цели для сохранения собственной репликации. Обычно этот процесс называют «гонкой вооружений» или «эффектом Черной Королевы» между жертвой и хищником, хозяином и вторгнувшимся в него врагом (Van Valen, 1973; Dawkins, Krebs, 1979). Отсылка к Льюису Кэрроллу объясняется словами Королевы, сказанными Алисе: «Смотри, тебе приходится бежать изо всех сил, чтобы оставаться на месте» (Carroll, 1871).

И вирус, и хозяин должны непрерывно развиваться; каждый раз, когда у одного из партнеров появляется новый генетический вариант, он приобретает преимущество, разрушительное для другого партнера, и второй партнер должен сильно постараться, чтобы восстановить равновесие, избрав адекватную контрмеру. Отпарировать удар противника и нанести ему свой. Так возникают чрезвычайно сложные отношения между вирусом и хозяином. Эволюция вирусов, таким образом, неотделима от эволюции их хозяев. При том, что вирусов так много и что они вездесущи в природе, при том, что вирусный метагеном содержит массу генетической информации, движущей эволюцию, мы можем представить себе то огромное влияние, какое вирусы оказывают на экосистемы.

Эгоистичная информация и смысл понятия «вирусный»

Выше я ссылался на определение вирусов, основанное на их природе, а не на их составе или размерах. В 2008 году Рауль и Фортер предложили разделить все биологические объекты на «две группы организмов: организмы, кодирующие рибосомы, куда относятся эукариоты, простейшие и бактерии, и организмы, кодирующие капсиды, куда относятся вирусы». Три царства клеточной жизни: эукариоты, простейшие и бактерии – все обладают способностью синтезировать белки и осуществлять собственный метаболизм. Как уже было сказано выше, молекулярные механизмы всех живых клеток, ответственные за сборку белков из аминокислот, осуществляют свою деятельность на рибосомах. У вирусов такой механизм отсутствует, и они опираются на жизненные формы, кодирующие рибосомы для синтеза собственных, вирусных, белков. С другой стороны, клеточным формам не нужны капсиды, и их геномы поэтому не кодируют самособирающиеся капсиды. Это определение делает далеко идущее различение вирусов и других живых организмов, основанное на содержании их генов. Однако при всей его точности я не могу признать его адекватным, потому что в нем не отражена квинтэссенция вирусов. Кроме того, это определение игнорирует существование многих биологических объектов, у которых присутствуют основные признаки вирусов, но отсутствует способность к сборке капсида. В некоторых случаях эволюционно эти объекты восходят к предковым формам, которые обладали способностью образовывать капсиды.

К таким исключениям относятся вирусы, которые усвоили необычный образ существования. Некоторые из таких вирусов являются простыми генетическими репликаторами – эволюционными реликтами – примитивными репликонами, называемыми вироидами. Вероятно, эти формы возникли очень рано и сохранились за время эволюции (в главе 8 будут обсуждаться данные относительно возможного происхождения вироидов). Другие вирусы представляют собой подвижные генетические элементы, способные реплицироваться. Эти частицы попадают в клетки разнообразными способами. В некоторых случаях эти подвижные генетические элементы обнаруживаются в геноме других вирусов, что позволяет предположить, что в качестве промежуточной станции пересадки эти фрагменты использовали хромосомы клеточных форм жизни. В других случаях эти элементы путешествуют только между клетками-хозяевами внутри вирусного капсида, но при содействии «вируса-помощника», инфицирующего ту же самую клетку. В целом можно сказать, что отсутствие кодируемого вирусным геномом капсида не препятствует репликации вирусного генома и даже его перемещению из клетки в клетку.

Определение, основанное на различении рибосомных организмов и объектов, продуцирующих капсиды, является верным лишь отчасти, потому что не учитывает некоторые биологические сущности, которые ведут себя подобно вирусам. Нужна более полезная дефиниция, учитывающая происхождение и эволюцию вирусов, а также их природу. По моему мнению, более адекватным является определение, данное выдающимся специалистом по биоинформатике Юджином Куниным, который много писал, среди прочего, об эволюции и филогенетических взаимоотношениях вирусов. Кунин описывает мир вирусов как состоящий из «собственно вирусов и лишенных капсидов эгоистичных элементов» (Koonin, Dolja, 2014). Это определение охватывает мир вирусов во всей его полноте. Кроме того, оно является более объемлющим, нежели предыдущее определение, противопоставляющее организмы, кодирующие рибосомы, и объекты, кодирующие капсиды. Однако мне думается, что нет смысла отдельно рассматривать «лишенные капсидов эгоистичные элементы». Я утверждаю, что вирусы сами по себе являются, по сути, эгоистичными элементами, паразитирующей генетической информацией, независимо от того, кодирует ли их геном капсид или нет. Вирус – это чистая информация, которая становится вирусом только в тех случаях, когда она может самостоятельно перемещаться между клетками-хозяевами.

Как минимум, этой генетической информации достаточно для того, чтобы направлять свою собственную репликацию в клетке-хозяине, а затем перемещаться в другую клетку. Многие вирусоподобные элементы находятся в хромосомах прокариотических и эукариотических клеток и способны мобилизовать свои нуклеиновые кислоты внутри клетки, размножаясь внутри клеточных хромосом. Точно так же плазмиды прокариотических клеток являются генетическими элементами, которые реплицируются в бактериальных клетках, а затем передаются клеткам-потомкам при делении клеток, а также передаются в другие бактериальные клетки в ходе конъюгации. Ни один из этих классов самопроизвольно реплицирующихся элементов не может поступать в другие клетки путем передачи в них внеклеточного инфекционного агента. По такому определению, эти элементы не могут считаться вирусами в полном смысле этого термина. Несомненно, вирусы являются эгоистичными генетическими элементами, но они также должны быть самостоятельными инфицирующими объектами: естественный отбор вирусных штаммов действует на генетическую информацию, которая передается от клетки к клетке. При инфицировании опробуются различные генетические варианты. Вирусы определяются информацией, которую они переносят, – вирусным генотипом.

Подумайте о полезном определении, описывающем «эгоистичные» генетические элементы. Основанием такого элемента, который реплицируется внутри клетки, является то обстоятельство, что он претерпевает генетическую трансформацию и может развиваться. Естественный отбор, действующий на него, независим от сил естественного отбора, действующего на геном клетки-хозяина. У каждого из этих геномов свое на уме. Они развиваются независимо и часто вступают в конфликт, но всегда под значимым давлением естественного отбора. От нашего внимания не должно ускользнуть то, что без доступной клетки-хозяина вирус лишен инфекционного потенциала и что эгоистичный генетический элемент, который убивает всех своих потенциальных хозяев, тоже потерян для эволюции. Парадоксальный факт: успех паразитических штаммов неразрывно связан с выживанием линий клеток хозяина. Но у эволюции нет плана; некоторые линии эгоистичной генетической информации (включая и вирусные) должны исчезнуть в результате этого эволюционного конфликта. Вирус – это субъединица эгоистичной генетической информации, которая независимо развивается и независимо инфицирует клетки.