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

Представители популяционной генетики со всех сторон рассмотрели этот вопрос (Schneider, Ayres, 2008). Интересно отметить, что мутации в генах хозяев, которые делают их более резистентными к заболеванию, дают их геному высокое конкурентное преимущество. На ранних стадиях, после возникновения этого варианта, отмечается высокое давление отбора, направленное на сохранение этого полезного признака, который предупреждает и ослабляет вирусную инфекцию и облегчает тяжесть заболевания. Как это ни противоречит здравому смыслу, по мере того как этот полезный аллель распространяется по популяции и становится преобладающим, количество вирусов, циркулирующих в популяции, соответственно, уменьшится и мутантный аллель потеряет свое селективное преимущество. Более того, когда 80 % популяции становятся носителями данного аллеля, отвечающего за резистентность, влияние большинства приведет к стабилизации эпидемии, так как восприимчивыми останутся особи со старыми аллелями. Таким образом, польза этого нового признака будет уменьшаться по мере увеличения его доли в популяции, и в конечном счете этот аллель не удержится в популяции, если это не произойдет случайно. В противоположность этой ситуации гены, обеспечивающие толерантность к вирусной инфекции, могут быстро стать преобладающими в ней и фиксируются в популяции под давлением отбора. Экспрессия признака толерантности у индивида повысит его отягощенность вирусом и сделает более заразным; чем больше индивидов в популяции становятся толерантными к инфекции, тем сильнее будет давление отбора, и он будет продолжаться до тех пор, пока все индивиды популяции не станут толерантными.

Есть данные о том, что гены толерантности могут возникать в клетках хозяина в результате их эволюции. В одной из предыдущих глав я упоминал о нуклеотидных последовательностях, напоминающих последовательности в геномах филовирусов, которые были обнаружены в настоящее время в геномах летучих мышей. Ученые, обнаружившие этот феномен, задумались о том, могут ли эти фрагменты вирусной генетической информации, захваченные геномом хозяина, быть остатками развившегося в ходе эволюции механизма толерантности (или резистентности) в отношении вирусной инфекции (подробное изложение этих рассуждений будет представлено в главе 14). Если каждая клетка организма экспрессирует белки, которые по своим антигенным свойствам идентичны белкам паразитирующих в этих клетках вирусов то иммунная система хозяина будет распознавать белки вирусов, как свои, и у хозяина разовьется иммунологическая толерантность, и иммунный ответ будет попросту отсутствовать. Рассказал я и о том, как включение вирусных последовательностей в клеточный геном может стать фактором, ограничивающим инфицирование клетки-хозяина. Число примеров, когда возможно уверенно распознать этот феномен в последовательностях клеточных геномов, относительно невелико, но вполне вероятно, что эти стратегии были распространены, хотя, наверное, в далеком эволюционном прошлом. Значение этих включений со временем могло уменьшиться, а отсутствие их в большинстве последовательностей современных геномов вызвано их изменениями в результате мутационного дрейфа.

В попытке подчеркнуть разницу между двумя альтернативными стратегиями адаптации я постараюсь упростить возможные траектории адаптации клеток-хозяев в ответ на зоонозную вирусную инфекцию. В этом участвуют многочисленные полиморфные аллели. Более того, для людей характерны половое размножение и диплоидность, поэтому в обсуждении надо учитывать гомо- и гетерозиготные фенотипы наряду с рекомбинациями, которые смешивают генетическую информацию, поступающую из мужских и женских гамет. Толерантность, определенно, не единственный механизмом совместной эволюции вируса и хозяина, ибо в этом случае не было бы никакой гонки вооружений, отсутствовало бы давление отбора на вирус, а мы знаем, что это не так. Адаптивная эволюция вируса к новому виду хозяев является свидетельством того, что вирус находится под давлением отбора, направленным на избегание врожденного и адаптивного иммунного ответа (этот вопрос мы подробно обсуждали в предыдущих главах). Процесс, посредством которого хозяин должен выбирать варианты из своего генетического разнообразия под сложным давлением отбора, долог и тернист; этот процесс требует создания устойчивых совокупностей аллелей (эквивалента команды мечты вируса гриппа), некоторые из них остаются полиморфными и подвергаются уравновешивающему отбору в популяции. Элементы толерантности и усиления контроля (с частичным ослаблением иммунопатологических реакций) можно включить в сложное уравнение естественного отбора. Если в ходе совместной эволюции достигается разрядка напряженности, как это, например, произошло в отношениях между африканскими зелеными мартышками и SIVagm, то достигается она за чрезвычайно долгий период времени. С другой стороны, мы можем с полным основанием предположить, что иногда эволюционная подвижность вирусов (на фоне медленной одновременной эволюции хозяина) не может предотвратить вымирание хозяев, и вирусы не могут беспрепятственно инфицировать большой спектр хозяев разных биологических видов.

Итак, летучие мыши – особенные существа. Но они еще более уникальны в своей способности выступать в роли природного резервуара вирусов. Птицы, грызуны и приматы – все они удачно эволюционировали совместно с некоторыми вирусами и служат источниками поражающих человека зоонозных инфекций. Птицы являются опасным резервуаром, из которого может возникнуть пандемия гриппа, а, кроме того, из него недавно распространилась эпидемия западно-нильского вируса, поразившая США. Крысы – резервуам гантавирусов, вызывающих гантавирусные легочные синдромы, которые в последнее время возникают все чаще и чаще, а приматы стали источником самого тяжкого испытания для современного человечества – пандемии ВИЧ-инфекции. Однако летучие мыши, кажется, лучше других оснащены для того, чтобы быть неиссякаемым резервуаром для многих видов вирусов, способных стать источниками человеческих зоонозных инфекций. Некоторые ученые считают, что очень велико давление отбора, действующее на совместную эволюцию летучих мышей и вирусов. Упомянутое выше утверждение о том, что «полет есть барометр приспособленности», предполагает, что высокий уровень расхода энергии, необходимой для полета, обеспечивает и высокий уровень приспособленности летучих мышей. Другими словами, летучие мыши даже с частично ослабленной адаптивностью будут вычищены из популяции естественным отбором. Точно так же вирусы, снижающие приспособленность летучих мышей в степени, достаточной для ограничения способности к полету, будут подвергаться отрицательному естественному отбору. Те же принципы можно приложить и к птицам, у которых энергетические траты обусловлены способностью к полету (этот принцип можно распространить и на мелких грызунов, у которых очень высока скорость обмена веществ, требующая постоянной активности для обеспечения достаточного поступления пищевых калорий). Если небольшое снижение приспособленности приведет к всплеску давления отбора, то будет создан строгий селективный фильтр, который увеличит скорость, с которой будет достигнута максимальная приспособленность популяции. Отбор будет равным образом действовать и на летучую мышь, и на вирус, что лишь ускорит гонку вооружений. Гипотеза полета как барометра приспособленности представляется пока верной, но едва ли с ее помощью можно объяснить все особенности, присущие летучим мышам. Этот принцип может нормально функционировать и приводить к совершенной взаимной адаптации вируса и хозяина, если доступно достаточное генетическое пространство и если его можно беспрепятственно испытывать при жизнеспособном ландшафте приспособленности. Генетическое расстояние до взаимной адаптации генотипов должно быть более узким и более проходимым у летучих мышей и их вирусов.