Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

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).

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.

Коэволюция вирусов возникает из генетического конфликта между вирусом и хозяином и является процессом, в результате которого линия вируса и клетка-хозяин претерпевают адаптивную эволюцию, которая оптимизирует их перспективы. Часто клетка-хозяин адаптируется таким образом, что приобретает способность устранять повреждения, причиненные вирусным паразитом, и, наоборот, в результате взаимодействия может возникнуть менее вирулентный вирус. Этот исход не является результатом стремления к взаимной гармонии; у каждого партнера свои, эгоистичные мотивы. Вирус и хозяин должны достичь эволюционного успеха независимо друг от друга. Это, на самом деле, гонка вооружений, и во многих случаях она на срезах эволюции может заканчиваться вничью. В других случаях, особенно когда речь идет о новых патогенных для человека штаммах, мы не достигаем даже подобия стабильного равновесия в своих отношениях с вирусом. Как уже было сказано выше, вполне вероятно, что некоторые штаммы вирусов сводят своего хозяина в могилу, и тем самым генетическая информация утрачивается для дальнейшей эволюции.

Здесь я, как вы заметили, несколько раз употребил определение «эгоистичный», которое позаимствовал из определения вирусного царства Кунина (Koonin, Dolja, 2014). Просвещенные множеством блестящих сочинений ученого и писателя Ричарда Докинза, и более всего его вышедшей сорок лет назад книгой «Эгоистичный ген» (Dawkins, 1976), мы теперь понимаем, что самые малые единицы, на которых работает естественный отбор, являются по сути своей эгоистичными. Для того чтобы придать остроту дискуссии, Докинз выбрал самой малой единицей наследственности ген, но с равным успехом это мог быть локус, полиморфизм внутри гена или находящаяся вне гена последовательность, функция которой может стать объектом давления естественного отбора. Если следовать логике аргументации Докинза, то каждый ген внутри вирусного генома сам по себе является эгоистичным. С этим трудно спорить; варианты вирусных генов конкурируют друг с другом за выживание, и победившая форма преобладает в данном локусе генома какой-либо определенной вирусной популяции. Очищение вирусного генома от вредных вариантов и их вытеснение более успешными генами – это весьма эффективный механизм, действующий в вирусных популяциях. Каждый новый вирусный прототип – это путь, который независимо тестируется, когда каждая отдельная вирусная частица инфицирует новую клетку-хозяина. Самый приспособленный вариант быстро вытесняет своих менее приспособленных братьев и начинает доминировать в популяции.

Несмотря на то что вирусные гены, конкурирующие между собой в популяции, можно сравнивать с эгоистичным геном Докинза, я использую термин «эгоистичный» в ином контексте, описывая независимо возникающие элементы, и здесь надо сделать существенную оговорку. В то время как эгоистичные гены клетки-хозяина развиваются исключительно к пользе для организма – «машины, способствующей выживанию генов» (по выражению Докинза), вирусные гены развиваются в конфликте и независимо от своей машины, нацеленной на выживание. Давление отбора, действующее на вирусные гены и определяющее приспособленность вируса, и давление отбора, действующее на клеточные гены и определяющее приспособленность хозяина, действуют независимо. Вирусы и их гены развиваются независимо от развития организма хозяина и его клеточного генома. Успешность клеточного гена неизменно связана с успешностью клетки организма хозяина, в то время как вирусные гены не знают такого ограничения. Вирусы являются облигатными клеточными паразитами, но действуют эгоистично, не оглядываясь на успешность генома своего хозяина: они суть эгоистичная, независимо возникающая и развивающаяся инфекционная информация. Этот эгоизм вирусов поддерживает генетический конфликт, который лежит в основе эволюции вирусов и их хозяев. В следующих главах вы познакомитесь с судьбой вирусных генов, которые становятся интегральной частью хромосом клеток-хозяев, теряя способность к репликации и переходу в другие клетки организма хозяина. С момента включения в хромосому эти гены превращаются в обычные эгоистичные гены Докинза, и их успешность отныне неразрывно связана с успешностью машины выживания генов хозяина.

Большинство из нас понимает и признает, что естественный отбор – это главная сила, направляющая эволюцию жизни на Земле. Равным образом, хотя и не вполне соответствуя классическим критериям определения живых организмов, вирусы развивались по тем же законам естественного отбора, постулированным Чарльзом Дарвином в 1859 году в книге «Происхождение видов» и развитым в двадцатом веке Гексли, Фишером, Холдейном, Добжанским и другими учеными. Почему вирусы не считаются живыми организмами? Ключевое отличие живого от неживого состоит в том, что живые организмы способны автономно извлекать энергию из солнечного света (в случае фотосинтезирующих организмов) или из сложных, богатых энергией соединений, добываемых из окружающей среды. Еще одно отличие – самоподдерживающийся клеточный метаболизм. Вирусы являются облигатными паразитами жизненных форм и зависят от их энергии, инфраструктуры и сырья. Определение вируса как эгоистичной, независимо развивающейся инфекционной информации само по себе не требует, чтобы вирус был живой формой существования материи. Может ли естественный отбор влиять на неживые сущности, если мы примем, что вирусы именно таковы? Ответ на этот вопрос положителен. Эти природные законы действуют, если выполняются следующие критерии: 1) элемент, на который действует естественный отбор, должен обладать способностью к репликации; 2) варианты элементов должны обладать способностью к изменчивости; 3) должна существовать конкурентная среда, в которой лучшие репликаторы добиваются успеха и размножаются быстрее, чем их менее удачливые сородичи. В случае вирусов, однако, линии наследования смазаны, и эти критерии выполняются только в том случае, если вирус овладевает клеточными механизмами, работу которых он использует для своей репликации. Динамизм вирусной репликации в клетке-хозяине поразителен; некоторые ученые утверждают, что инфицированная вирусом клетка сама по себе должна считаться независимой живой сущностью, ассоциированной с вирусом, и назвали такую клетку «вироцелем» (Forterre, 2013). Это очень интересная идея – считать вирусы биологическими сущностями, которые занимают промежуточное место между косной материей и голой информацией, с одной стороны, и автономными формами жизни – с другой. Мы имеем право признать, что именно план, в нашем случае – вирусный геном, является объектом приложения естественного отбора, который посредством изменения плана влияет на способность к репликации и передаче от клетки к клетке. Невозможно, однако, спорить с тем, что в отсутствие живой клетки может каким-то образом проявиться фенотип вируса. Узел затянут туго: рассматриваемые сущности – вирусы определенно не являются автономными и живыми, но существует мощная связь между информационным содержанием и упорядоченными, богатыми энергией, вирусными частицами. Потенциал репликации высвобождается при контакте вируса с живой клеткой-хозяином, и именно в этот момент проявляется жизнеспособность вируса.

Можно спорить о том, насколько плодотворным является термин «вироцель» для углубленного понимания сути вируса и надо ли считать вироцель самостоятельной биологической сущностью. Мне эта идея представляется сомнительной. Концепция вироцеля была развита некоторыми учеными для обоснования возможности того, что некоторые вирусы (это обсуждается в главе 8) могли произойти от ныне вымершего четвертого живого царства. Эти гипотезы надо тихо похоронить. Самое лучшее – это признать, что заложенная в вирусе информация реализует свой потенциал и ближе всего подходит к живому состоянию, когда она использует метаболические функции клетки-хозяина. Тем не менее передающаяся от клетки к клетке эгоистичная и независимо развивающаяся генетическая информация – это и есть то, что составляет суть вируса.