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

Так как вакцинация от полиомиелита призвана защитить от инфекции всеми тремя циркулирующими серотипами вируса полиомиелита, вакцина включает в себя три различных ослабленных штамма (Сэбин1–3), и каждый из них характеризуется уникальным распределением ослабляющих мутаций. Следовательно, существует возможность генетического обмена или рекомбинации между различными вакцинными штаммами, если они инфицируют одновременно одну клетку кишечника. В некоторых местностях в популяции циркулируют близкородственные энтеровирусы, не вызывающие полиомиелит, и возникающие межвидовые рекомбинанты могут приводить к появлению патогенных штаммов (Arita et al., 2005; Joffret et al., 2012). Несмотря на то что вирусы, производные от вакцин против полиомиелита, могут вызывать вспышки полиомиелитной инфекции в местностях, где выполняют мало вакцинаций, они не приводят к столь тяжелым последствиям там, где вакцинация находится на должном уровне. Несмотря на появление реверсивных вирусов у отдельных реципиентов вакцины, риск того, что такие вирусы смогут вызвать явное поражение нервной системы, не превышает одного случая на полмиллиона. Тем не менее возвращение к применению инактивированной вакцины может оказаться необходимым в местностях, где охват населения вакцинацией низок, несмотря на кампанию всеобщей вакцинации (Grassly, 2013).

Легкость, с какой может быть достигнута в результате последовательного пассажа в модифицированной среде аттенуация РНК-содержащих вирусов, подчеркивает тот факт, что, несмотря на склонный к ошибкам процесс репликации, эти вирусы имеют геномные последовательности, которые превосходно настроены на приспособленность и совершенствуются под действием давления очищающего отбора. Оптимизированные и приспособленные их генотипы балансируют на острие ножа. Фенотип вируса, очевидно, зависит от аминокислотных последовательностей его белков; поэтому на эти последовательности сильно влияют последовательности нуклеотидов в РНК. Некоторые последовательности РНК функционируют в качестве контрольных элементов сами по себе или свертываются в сложные структуры, характеризующиеся своей особой функциональностью. Для того чтобы понять и оценить этот пункт нам стоит лишь исследовать природу ослабляющих мутаций в вирусе полиомиелита Сэбин-1. Одна из наиболее важных мутаций, ведущих к ослаблению вируса, располагается на 5’-конце некодирующей области генома и приводит к дестабилизации комплементарного спаривания оснований, которое важно для поддержания вторичной структуры генома (Minor et al., 1993). Другие ограничения, накладываемые на геномные последовательности, также очевидны; они были обнаружены учеными Университета Стони Брука, а также работниками Центров по контролю и профилактике заболеваний (Burns et al., 2006; Coleman et al., 2008; Mueller, Papamichail, Coleman, 2006). Это ограничение заключается в кодонной неслучайности, которая поддерживается давлением отбора на вирусные геномы. Наш собственный геном и геномы различных бактерий проявляют кодонную неслучайность так же, как и геномы вирусные. Заметив, что 300 аминокислотных последовательностей в белках можно закодировать 10 151 комбинациями 300 кодонов, выбранных в вырожденном генетическом коде, зададим себе вопрос: действительно ли данная работающая последовательность является оптимальной для приспособленности (Coleman et al., 2008)? На самом деле является; дело не только в том, что кодируют вирусные гены, но и в том, как они это кодируют, и именно в этом кроется оптимальная приспособленность генома. Ученые прибегли к компьютерным инструментам, которые позволили перекодировать капсидный белок полиовируса P1, изменив кодонную неслучайность, но сохранив способность цепи РНК сложиться в такую же вторичную структуру, что и родительский дикий тип.

Результаты проложили путь к исследованию живых ослабленных вакцин – к созданию синтетических ослабленных вирусов (synthetic attenuated virus engineering, SAVE). Был создан вирус с 631 синонимической мутацией в кодирующей последовательности P1, причем закономерным было использование кодонов, которые редко используются в клетках человека. В результате получился резко ослабленный вирус, который не вызывал заболевания у подопытных животных и, подобно живому ослабленному полиовирусу, созданному Сэбином, стал высокоэффективной вакциной. Однако, в отличие от штаммов Сэбина, множественность генетических изменений, определяющих ослабление, соответствует фенотипу, более устойчивому к реверсии in vivo . Эта технология чрезвычайно полезна для разработки безопасных и устойчивых ослабленных вирусов, которые вызывают иммунный ответ такой же силы, что и естественный инфекционный возбудитель. В настоящее время есть много примеров искусственного создания синтетических ослабленных вакцин; самое примечательное, что этот метод был применен для создания живой ослабленной вакцины против гриппа, то есть вируса, который мы, в отличие от вирусов оспы и полиомиелита, не сможем искоренить и для которого вакцинация остается единственным способом держать болезнь под контролем.

Сегодня мы интуитивно чувствуем, что сами вирусы можно адаптировать и использовать как инструменты создания иммунитета к тем болезням, которые эти вирусы вызывают. Очевидно, также, что вирусы можно использовать для контроля численности популяций организмов-хозяев, восприимчивых к их патогенным эффектам. Этот подход потерпел неудачу в Австралии, где уничтожение расплодившихся кроликов с помощью поксвируса не удалось из-за быстрой совместной эволюции вируса и хозяина. Удивительно и, как представляется автору этих строк, вопреки здравому смыслу, этот метод продолжают активно исследовать и пытаются воплотить в жизнь. В Австралии был создан кальцивирус, который используют в этой стране как часть долгосрочного проекта по ограничению размножения кроликов и предупреждению опустошений, которые причиняют кролики по всему континенту (CSIRO, 2015). Интуитивно менее ясно, что новые, относящиеся к вирусам технологии могут в будущем стать неоценимыми инструментами лечения многих, не связанных с вирусными инфекциями заболеваний, начиная с редких наследственных генетических расстройств и кончая злокачественными новообразованиями. Не будет ли это оправданием вирусов?

Создание полезных для медицины вирусов – относительно новое направление, которым в лабораториях и клиниках занимаются всего несколько десятилетий. Вспомнив о трансдукции генов между прокариотами посредством бактериофагов, можно представить себе, что геномы эукариотических вирусов можно модифицировать, включив в них лечебные гены, а затем ввести их в клетки, инфицировав их вирусами – носителями генов. Для этой цели было исследовано множество вирусов на их способность с пользой внедряться в человеческие клетки. Этот прогресс не обходится, однако, без неудач. В ранних работах использовали модифицированный вирус мышиной лейкемии Молони. Целью было восстановление иммунитета у детей с генетическим нарушением, которое вызывает сцепленный с X-хромосомой тяжелый сочетанный иммунодефицит. Ученые заменили ген оболочечного гликопротеина вируса геном рецептора фактора роста, который дефектен при этом иммунодефиците. Инфицирование клеток костного мозга больных сконструированным вирусом привела к трансдукции гена. Когда эти клетки переливали больным, у них действительно восстанавливался иммунитет. Печально, однако, что у одного из четырех получивших такое лечение больных развился острый Т-лимфобластный лейкоз (Hacein-Bey-Abina et al., 2008). У этих больных мышиный ретровирус с его полезной генетической нагрузкой включился в клеточный геном в непосредственной близости от клеточных онкогенов , повышение активности которых приводит к развитию злокачественной опухоли. Злокачественное перерождение T-клеток стало грозным напоминанием о канцерогенном потенциале этого вируса, который вызывает лейкемию и у мышей. Дальнейшие исследования позволили несколько смягчить опасность при сохранении прежней эффективности. Ученые смогли инактивировать элементы энхансеров транскрипции, что сделало их неспособными активировать клеточный онкогенез (Hacein-Bey-Abina et al., 2014). В конечном счете ретровирусы дали нам в руки полезный инструмент лечения болезней, вызванных дефектностью генов в иммунокомпетентных клетках (Naldini, 2015; Jacobson et al., 2012).