Майкл Кордингли - Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

После первых введений вируса миксомы в популяции кроликов Феннер и его коллеги начали изучать динамику заболеваемости кроликов в долине Мюррея. Инокуляция вируса 100 особям и выпуск их в популяцию численностью 5000 кроликов привели к сокращению популяции до 50 животных. Смертность составила 99,8 %. Примечательно, однако, что когда к популяции присоединилось некоторое число неинфицированных кроликов из отдаленного региона и началось их смешивание с популяцией, ее численность возросла до 500 животных. Потом началась новая вспышка заболевания, сократившая численность кроликов до 60. У всех выживших животных в крови обнаруживались антитела к вирусу миксомы. Эти кролики не избежали инфицирования, они пережили болезнь. Теперь смертность составила 90 %, то есть стала в десять раз ниже, чем в предыдущий сезон (Fenner, 1983). Феннер выделил эти штаммы и заразил ими лабораторных кроликов. Было убедительно показано, что эти новые вирусы обладали меньшей вирулентностью, чем штаммы предыдущего года. Работа продолжалась тридцать лет. Феннер и его сотрудники тщательно следили за вирулентностью полевых штаммов циркулирующего вируса миксомы. Эта работа – великолепный и подробный рассказ об эволюции вирулентного фенотипа по мере адаптации вируса к новому хозяину; эта история превосходно иллюстрирует, как взаимодействие вирулентности вируса и надежности его передачи помогает достигать равновесия, оптимального для приспособления к популяции нового хозяина (Marshall, Fenner, 1960; Fenner, 1983). Штаммы вируса миксомы были классифицированы по их вирулентности от класса I (наивысшая вирулентность) до класса V (самая низкая вирулентность) на основании смертности и продолжительности заболевания после инфицирования. Самые вирулентные вирусы, отнесенные к классу I, убивали 99 % инфицированных животных в течение тринадцати дней, в то время как вирусы, отнесенные к классу V, вызывали летальность всего 50 % с выживаемостью в течение пятидесяти дней. Феннер и его коллеги собрали данные за период с 1950 до 1981 года. Вирусы извлекались из сотен инфицированных животных каждый год, и каждый выделенный штамм оценивали с точки зрения его принадлежности к определенному классу. Таким образом, ученые смогли представить частотное распределение вирулентности в циркулирующей вирусной популяции (то есть число вирусов каждого класса вирулентности). Когда вирус был введен в первый раз, 100 % всех частиц обладали вирулентностью I класса. В течение пяти лет такую высокую вирулентность сохранили только 13 % вирусов; вирусы теперь имели диапазон вирулентности от I до IV класса. В течение восьми лет вирулентность I класса сохранилась только у 1 % вирусов, а у 15 % вирулентность уменьшилась до V класса. Тем не менее, начиная с первого года, каждый год превалировали вирусы, обладавшие вирулентностью III класса; таких вирусов всегда было больше половины. Вирус перестал эволюционировать в сторону более низкой вирулентности; представляется, что было достигнуто равновесие с оптимальным фенотипом вирулентности, который и стал преобладать в популяции вирусов. Но как можно объяснить этот феномен? Думаю, что после наших рассуждений о вирусной эволюции и давлении отбора на вирусную популяцию ответ совершенно ясен. Такого исхода и следовало ожидать.

Успешность вирусной линии всегда основана на параметрах вирулентности и передачи; кусающие комары передают миксоматоз, и для такой механической передачи в организмах кроликов, в которых циркулирует вирус, должен быть достигнут достаточный титр вирусных частиц. Инфекционным периодом называют время, в течение которого в крови кролика поддерживается титр вирусных частиц, достаточный для дальнейшей передачи. У кролика с очень высоким титром вируса в крови смерть наступит быстро, а, значит, инфекционный период окажется укороченным. Следовательно, менее вирулентный вирус будет располагать более длительным инфекционным периодом. С другой стороны, вирусы со снижающейся вирулентностью будут иметь в крови низкие титры, хозяин будет быстро освобождаться от них, и, таким образом, инфекционный период тоже сильно укоротится. «Штаммы с вирулентностью III класса отличались высокой инфекционностью как для кроликов, которые погибали, так и для кроликов, которые переживали инфекцию», – говорил Феннер в лекции, прочитанной в Королевском обществе в 1983 году (Fenner, 1983).

Но что при этом происходило с кроликами? Они тоже эволюционировали? И конечно, ответ будет утвердительным! В тщательно продуманных экспериментах авторы изучали выживших кроликов после последовательных эпизоотий (вспышек) миксоматоза. Ученые выделили животных с отсутствием антител к вирусу миксомы, а это значит, что эти кролики избежали инфицирования. Животным из популяций, подвергавшихся повторным инфекциям, вводили идентичные вирусы III класса вирулентности. Сразу стало очевидно, что популяции, которые неоднократно переживали эпизоотии вируса миксомы, стали более резистентными к патогенному вирусу. Инфицированные кролики из популяций, переживших семь эпизоотий, демонстрировали после заражения летальность 30 %, в то время как первоначальная летальность составляла 90 %. Эти результаты были дополнены экспериментами со скрещиванием (Sobey, 1969), в которых было продемонстрировано, что те же уровни резистентности к вирусу с вирулентностью класса III могут быть достигнуты в течение шести поколений скрещивания животных, переживших инфекцию. Оба эти результата являются окончательными в отношении эволюции фенотипа, и скорость изменения фенотипа хозяина просто поражает. Эти изменения могут происходить быстро под действием естественного отбора, но за счет высокой смертности. Очевидно, что между европейскими кроликами и вирусом миксомы развертывалась гонка вооружений. Так же как у вируса уменьшилась вирулентность, найдя оптимум на уровне III класса, у хозяина тоже развилась определенная степень резистентности к вирусу. Феннер задался вопросом: не взаимодействуют ли два фенотипа? Если возрастет резистентность хозяина, то не будет ли естественный отбор благоприятствовать более вирулентным вирусам по мере развертывания гонки вооружений? Ответ был утвердительным: по мере того, как популяция кроликов становилась более резистентной к вирусу, начала увеличиваться доля высоковирулентных штаммов в популяции вирусов миксомы.

В конце концов, план истребить австралийских кроликов с помощью вируса миксомы провалился, пав жертвой принципа Черной Королевы. Тем не менее эта неудача дала нам наглядный пример процесса эволюции вируса и позвоночного животного в течение поразительно короткого промежутка времени. Этот эксперимент не уникален, он был воспроизведен. Один французский землевладелец, раздосадованный засильем кроликов в своем поместье, решил уничтожить их, заразив миксоматозом. Через три года эпидемия миксоматоза среди кроликов перекинулась на всю Европу и проникла в Британию, где вымерли 90 % всех кроликов. Сегодня численность популяции кроликов восстановилась; эволюция ослабления вируса и восстановление популяции в точности повторила картину, которую Феннер наблюдал в Австралии (Kerr et al., 2012).