Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?
Шрифт:
Когда английский врач Томас Сайденгем в 1675 году впервые описал скарлатину, он охарактеризовал ее как «болезнь, поражающую всю семью сразу, а в особенности детей. Больные ощущают судороги и озноб, как и при других лихорадках. Симптомы, однако, выражены довольно умеренно; но очень скоро вся кожа покрывается мелкими красными пятнами, более плотными, чем при кори, а также более широкими, более красными и менее единообразными. Сыпь держится три-пять дней, а потом исчезает. Поверхностный слой кожи отшелушивается, и отрубевидные чешуйки остаются лежать на поверхности, как овсяные хлопья».
Это описание характерно для легкого течения болезни; это наблюдение не соответствует опустошительным эпидемиям скарлатины, которые бушевали в Европе в девятнадцатом веке. По тяжести это заболевание уместно сравнивали с тифом и чумой – смертельными инфекциями. Эта трансформация заболевания, его превращение в убийцу, сменявшееся периодическими вспышками более мягкой формы, некоторое время мешало эпидемиологическому пониманию скарлатины. Однако сегодня, вооруженные знанием о молекулярно-генетических механизмах, лежащих в основе приобретенной патогенности стрептококковых штаммов, ученые могут дать связное объяснение вариабельности течения ежегодных эпидемий скарлатины. Теперь мы понимаем, как различные штаммы одного и того же
Очарование больших трудностей
Новое поколение техники секвенирования ДНК, которая позволила ученым исследовать метагеномы фагов окружающей среды, является также основой сравнительной геномики. Исследование последовательностей ДНК родственных геномов позволяет изучить филогенетические отношения организмов на уровне последовательностей ДНК в их геномах. Сравнительную геномику можно использовать для исследования геномов близкородственных патогенных штаммов и соотношения геномных последовательностей и фенотипа, например таких фенотипических признаков, как устойчивость к лекарствам или способность вызывать разные типы одного заболевания. Массер и его коллеги (Banks, Beres, Musser, 2002) использовали сравнительный геномный анализ для исследования причин гетерогенности заболеваний, вызываемых различными серотипами стрептококков группы A. Авторы выбрали для исследования три близкородственных штамма бактерии Streptococcus pyogenes: один из них ассоциируется с эпидемиями и заразными инфекциями, второй штамм обладает свойством вызывать синдром токсического шока или некротизирующий фасциит, а третий связан со вспышками острого ревматизма. Ученые обнаружили, что широкий спектр вызываемых этими бактериями заболеваний можно объяснить присутствием разных профагов в их геномах. Более одной десятой генома некоторых штаммов была представлена ДНК фагов, и разный состав профагов играл решающую роль в генетическом разнообразии. Полилизогения различными фагами определяет гетерогенность штаммов стрептококков группы A и в конечном счете их патогенный потенциал (Banks, Beres, Musser, 2002).
Геном патогенной бактерии – это, действительно, ведьмино варево, которое становится вирулентным в результате сочетания его активных ингредиентов. Множество разных профагов, обнаруженных в стрептококках, привносят в эту похлебку разные гены, изменяя силу снадобья и его эффекты. Профаги передают своим хозяевам гены с функциями, которые повышают успешность репликации и передачи в условиях человеческого организма, являющегося хозяином для бактерии. В свою очередь, фаг, как паразит, получает преимущество от успешности своего хозяина, так как этот успех позволяет вирусному геному беспрепятственно размножаться в составе бактериального генома. Обсуждаемые гены усугубляют вызываемые стрептококками заболевания; они включают в бактериальный геном гены, кодирующие экзотоксины, которые вызывают катастрофические изменения в иммунной системе больного, становясь причиной лихорадки, шока и других тяжелых симптомов, так же как гены, повышающие шансы бактерий на выживание в организме больного перед лицом его иммунного ответа. Естественный отбор действует на стрептококки и вирусные (фаговые) гены, которые включены в ДНК бактерии. Действие естественного отбора приводит к появлению у разных штаммов различных фенотипов и способности вызывать заболевания разной степени тяжести. Важно отметить, что в организме одного и того же больного присутствуют стрептококки, обладающие высокой и низкой патогенностью. Иногда эти бактерии становятся причиной эпидемий. В девятнадцатом веке, как и сегодня, очевидна изменчивость природы и тяжести заболеваний, вызываемых стрептококками группы A. Природа каждой эпидемии зависит от преобладания того или иного штамма бактерии; и не всегда самым успешным оказывается наиболее патогенный штамм. Как вид мы должны быть благодарны природе за то, что естественный отбор действует на патогенные популяции без оглядки на их патогенность как таковую. Естественный отбор способствует выживанию генов, кодирующих признаки, которые могут наследоваться с наибольшей вероятностью. Эти гены могут ассоциироваться с приобретением повышенной вирулентности, но так происходит далеко не всегда. Вирусы и микробы, с которыми мы сосуществуем и совместно развиваемся, не всегда развиваются в направлении максимальной вирулентности, но они не отказываются от нее, если вирулентность обещает высокий успех репликации и более эффективную передачу новым хозяевам. В этих случаях у микробов и вирусов одна цель, и они получают от своих отношений одну и ту же награду.
Токсичные помощники
В течение многих столетий одно только упоминание о холере вызывало у людей страх. В наши дни эпидемии, вызываемые холерным вибрионом, остаются самыми распространенными в мире и часто возникают на фоне природных катастроф. Холерой заражаются при употреблении внутрь зараженной еды или воды, в результате чего возникает тяжелый и длительный понос, сопровождающийся тяжелым обезвоживанием. Если больного не лечить, возмещая потери воды и электролитов, болезнь быстро становится опасной для жизни, особенно если пациент молод или ослаблен. Тяжелый водянистый понос, вызываемый патогенным возбудителем холеры, – центральное событие для понимания успешности этого кишечного микроба (Faruque, Albert, Mekelanos, 1998). Этот симптом является средством, с помощью которого она передается от одного хозяина к другому, и основой эпидемии, когда отсутствует элементарная санитария и гигиена.
Холера в той или иной форме преследует человечество на протяжении многих веков. Родина холеры находится в Азии, в дельте Ганга, где эта бактерия процветает в солоноватой теплой воде устья великой реки. Именно отсюда распространилась эта болезнь в 1817 году, вызвав первую в мире документально зафиксированную пандемию холеры. Она быстро распространилась через континентальную Азию на весь остальной мир, и процесс этот ускорился благодаря британской торговой практике. Вся торговля с Индией находилась в руках Ост-Индской компании. Эта компания начала свою деятельность с поставок пряностей из Южной Азии, а затем обеспечила британскую монополию на все торговые отношения с Индостанским субконтинентом. На торговых путях господствовали британские парусные суда, трюмные воды которых были загрязнены зараженной водой Бенгальской бухты, и эту воду затем сливали в эстуариях родных портов. Первая эпидемия холеры разразилась в Лондоне в 1832 году и унесла тысячи жизней,
К середине девятнадцатого века стало понятно, что источником заражения является питьевая вода. В 1883 году Роберт Кох, выдающийся немецкий бактериолог, лауреат Нобелевской премии, возглавил Германскую комиссию по холере, направленную на изучение вспышки холеры в Египте. Там Кох первым выделил, идентифицировал и вырастил в культуре бактерию V. Cholerae – холерный вибрион. Существует множество штаммов вибриона, но только два серотипа – 01 и 02 вызывают заболевание. На поверхности клеток этих патогенных штаммов экспрессируются белки фимбрий (вырабатывающих токсин фимбрий), которые образуют выросты на клеточной поверхности, позволяющие вибриону заселять тонкий кишечник. Кроме того, холерные вибрионы обладают генами, которые кодируют чрезвычайно мощный экзотоксин, известный под названием холерного токсина. Этот экзотоксин секретируется в просвет тонкого кишечника и проникает в клетки кишечной стенки. Оказавшись внутри клеток, токсин нарушает их гомеостаз, что приводит к массированному выходу из клеток ионов неорганических солей. Это, в свою очередь, создает градиент концентрации соли, который вызывает выход воды из организма в просвет кишечника, где создается высокое осмотическое давление, и развивается сильнейший понос, при котором из кишечника выделяется водянистый кал, напоминающий «рисовый отвар». Сегодня мы знаем, что патогенность холерного вибриона, безвредного морского микроба, обитающего в эстуариях рек и в прибрежных водах, обусловлена горизонтальной передачей генов в ходе конверсии фагов.
Первым действующим лицом этого превращения является сегмент ДНК длиной в 41 тысячу нуклеотидных оснований, содержащий генный кластер, кодирующий белки для содержащих токсин фимбрий. Второе действующее лицо – умеренный фаг CTXФ, снабженный одноцепочечной ДНК, в которой расположены гены, кодирующие холерный токсин – CtxAB (Waldor, Mekalanos, 1996). Фимбрии (бахромки) на поверхности бактерии не только помогают ей прикрепиться к стенке тонкой кишки, но и являются клеточными рецепторами к CTXФ. Клетки вибриона, обладающие фимбриями, распознаются и инфицируются фагом CTXФ. Представляется, что предковая форма холерного вибриона вначале приобрела генный кластер, кодирующий фимбрии, что открыло путь инфицированию и конверсии фага CTXФ (Davis, Waldor. 2003). Профаг CTXФ и его гены, отвечающие за синтез токсина, являются частью генома клетки-хозяина и наследуются дочерними клетками вибриона. После первоначального инфицирования клетка-хозяин и ее CTXФ претерпели выраженную адаптивную совместную эволюцию. Имеет место тонкое взаимодействие между геномами профага и клетки-хозяина, и это взаимодействие наиболее очевидным образом проявляется в регуляции активности генов токсина в профаге. Экспрессия их преимущественно направляется не самим фагом, но белками, кодируемыми генами бактерии. Этот мутуализм в форме кооперативной регуляции активности генов создает оптимальные условия для вирулентности и пенетрантности бактерии (Davis, Waldor, 2003; McLeod et al., 2005). Нитчатые фаги сильно отличаются от образцовых фагов, с которыми мы познакомились в главе 2, от хвостатого фага. Эффективное инфицирование нитчатыми фагами не приводит к лизису и смерти клетки-хозяина. Напротив, после репликации и сборки дочерних вирусных частиц они секретируются из клетки через кодируемый бактериальной клеткой поровый белковый комплекс. В отличие от литических фагов CTXФ может активно реплицироваться внутри холерного вибриона и продуцировать дочерние фаги, не убивая клетку-хозяина (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Процесс индукции фага CTXФ также отличается особенностями: она происходит без вырезания профага из хромосомы клетки-хозяина. Следовательно, лизоген CTXФ может индуцироваться, вступать в репликативный цикл и высвобождать дочерние частицы фага, сохраняя одновременно и клетку-хозяина и профаг. Таким образом, CTXФ может осуществлять лизогению и реплицироваться как часть бактериального генома, а также одновременно инфицировать и другие клетки, высвобождая из клетки-хозяина новые вирусные частицы. Таким образом, генетическая информация может распространяться как вертикально, так и горизонтально между клетками-хозяевами. Фаги такого типа могут съесть пирог и одновременно сохранить его.
В этой драме есть и мощный помощник. Это тоже фаг, близкий сородич CTXФ, называемый RS1, который часто обнаруживают включенным в ДНК клетки-хозяина рядом с профагом CTXФ (Faruque et al., 2002; Davis, Waldor, 2003). Правда, RS1, в отличие от CTXФ, является дефектным фагом и не имеет полного набора генов, необходимых для осуществления его репликации и сборки новой вирусной частицы. Действительно, RS1 не кодирует структурные вирусные белки. Вместо этого он – для упаковки своего генома – использует вирусные частицы, синтезированные фагом CTXФ. Это добавочный фаг, который паразитирует на CTXФ. Фаг RS1 так часто обнаруживают вместе с CTXФ в патогенных холерных вибрионах, что ученые предположили, что присутствие его дает лизогену какое-то конкурентное преимущество, и оказались правы. Белок, продуцируемый RS1, а не фагом CTXФ, может регулировать экспрессию генов, кодирующих холерный токсин в профаге CTXФ. RS1 полезен для лизогена CTXФ, потому что его гены способствуют успешной передаче бактериального патогена новым хозяевам. Естественный отбор, действующий на геном CTXФ, благоприятствует сохранению паразитизма RS1, так как гены CTXФ реплицируются более успешно в условиях более массивного распространения вибрионов во время эпидемий.
Приобретение лизогенных фагов и последовательностей чужеродной ДНК холерным вибрионом исключительно важно для его патогенности и эпидемического потенциала. Находящийся во внешней среде холерный вибрион не обладает токсическими генами и не вызывает заболевания, и это позволяет предположить, что сама по себе способность секретировать токсин не дает бактерии никаких эволюционных преимуществ в ее обычной, морской среде обитания (Faruque, Albert, Mekalanos, 1998). Однако лизогены холерного вибриона, обладающие генами, кодирующими токсин, имеют конкурентные преимущества, позволяющие им колонизировать новую нишу – кишечник человека. Гены холерного токсина опосредованно вызывают сильный понос, то есть способствуют более успешной передаче возбудителей холеры от одного хозяина другому. Более того, поскольку нитчатые фаги не вызывают лизиса клеток-хозяев, постольку эти клетки не погибают во время репликации фага и продукции частиц фага. Для бактерии здесь вообще отсутствует «неприятная изнанка». Фаги получают преимущества при сохранении жизнеспособности клеток-хозяев и при усилении вирулентности и заразительности. Генетическая информация фага, распространяющаяся во время эпидемий холеры, имеет больше возможности для размножения, освоения новых хозяев и достижения своих эгоистичных целей.