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

Белшоу и его коллеги (Belshaw et al., 2004) опубликовали свой анализ пролиферации этой группы ЭРЭ после их появления в геноме приматов. Выводы авторов рисуют сложную картину включения ретровирусов в геном и их пролиферации в нем путем многократных циклов реинфекции жизнеспособными вирусами из группы человеческих ЭРЭ-К. К их удивлению, очищающий отбор действует на эти вирусы так, что они сохранили способность генерировать новые ЭРЭ посредством циклов реинфекции генома приматов на протяжении более 30 миллионов лет. Малое меньшинство активных, не фиксированных вирусов человеческих ЭРЭ-К непрерывно рассевало динамичную растущую популяцию человеческих ЭРЭ-К. Несмотря на то что они были частью генома и их активность направлялась скоростью нуклеотидных замен, характерной для геномов позвоночных, вирус человеческого ЭРЭ-К продолжал эволюционировать независимо от генома приматов и находиться под действием отбора, направленного на сохранение репликативной жизнеспособности. Подавляющее большинство человеческих ЭРЭ-К фиксировалось в геноме и инактивировалось в результате мутаций, и, в самом деле, прототипичная последовательность человеческого генома (Lander et al., 2001) не содержит полностью интактных и функционально активных человеческих ЭРЭ-К-вирусов. Тем не менее длительный рост популяции человеческих ЭРЭ-К в человеческих субпопуляциях с различными наборами включений ЭРЭ-К в их геномы позволяет предполагать, что функционирующие вирусы существовали вплоть до сравнительно недавнего времени, и, возможно, такие вирусы еще можно обнаружить в неисследованных человеческих изолятах.

Коала, визитная карточка сумчатой фауны Австралии, имеет репутацию больного вида. В дикой природе почти один из двадцати коал умирает от лейкоза или лейкемии; считают, что в неволе смертность от этих заболеваний достигает 60–80 %. Кроме того, эти животные в значительной степени подвержены хроническому заболеванию, вызванному передающимися половым путем хламидиями. Каждое из этих наблюдений просто кричит об иммунодефиците, и к 2004 году пресса изобрела термин «синдром приобретенного иммунодефицита коал». За двадцать лет до этого ученые из Сиднейского университета нашли в крови страдавших лейкемией коал вирусные частицы, предположительно принадлежавшие ретровирусам. Впоследствии вирус был обнаружен в ДНК генома коалы Джоном Хенгером и его коллегами (2000) из Квинслендского университета, где ученые изучали злокачественные новообразования из кроветворных клеток у коал. Вирус обнаруживался как у здоровых, так и у больных животных, и авторы заключили, что речь идет об эндогенном ретровирусе. Однако ученым это показалось странным, потому что в противоположность большинству ЭРЭ хромосомный провирус функционировал. Он сохранил способность к кодированию всех своих белков, к контролю последовательностей и продуцировал вирусные частицы, когда лимфоциты крови культивировали в лаборатории. Более того, ретровирус коалы оказался генетически близок вирусу лейкемии гиббона, ретровирусу, который инфицирует эту высшую обезьяну и вызывает поражение, сходное с заболеванием коалы (Johnsen et al., 1971).

Вслед за этими открытиями ученые из Квинслендского университета во главе с Полом Янгом (Tarlinton, Meers, Young, 2006) показали, что у разных коал разное число провирусов в ДНК. Несмотря на то что некоторые провирусы встречались у разных животных, ни один ретровирус не встречался у всех животных. Авторы также обнаружили, что в отличие от здоровых коал у заболевших особей было повышено содержание вируса в крови. Все вместе это было очень похоже на синдром приобретенного иммунодефицита коал, возникающий в результате экзогенной, а не эндогенной ретровирусной инфекции. Тем не менее ученые показали, что индивидуальные провирусы следовали менделевским законам наследования. Потомок наследовал специфические локусы провируса от родителей. Тем не менее число и структура ЭРЭ коал различались у разных индивидов; они выступали в популяции как полиморфные аллели, и этот факт убедил ученых в том, что они стали свидетелями эндогенизации ретровируса коалы в режиме реального времени. Это была первая в мире возможность для ученых занять места в первом ряду партера и наблюдать инвазию ретровируса в половые клетки дикого животного. Можно ожидать, что на молекулярном и геномном уровне нам впервые удастся наблюдать интенсивную эволюционную гонку вооружений, которая разразится, вирусным и хозяйским геномами.

Динамика инвазии ретровируса коалы стала очевидной в ходе эпидемиологических исследований популяций коал, обитающих в разных географических ареалах Юго-Восточной Австралии (Simmons et al., 2012; Tarlinton, Meers, Young, 2006). Встречаемость ретровируса коалы в северных популяциях приближалась к 100 %, а среднее число провирусов в геноме коалы достигало 150, в то время как в самых южных ареалах заболеваемость была смешанной. Здесь число копий вирусных геномов в каждой клетке колебалось от 1,5 до крошечных 0,0001 ретровируса на 1 геном, что сопоставимо по величине с экзогенной ретровирусной инфекцией. Коалы, обитающие на острове Кенгуру, отделенном от юго-западного побережья Австралии, представляют собой изолированную популяцию. В начале двадцатого века остров был искусственно заселен коалами, вероятно, завезенными с французского острова в провинции Виктория. На острове не обнаружили никаких признаков заражения ретровирусом коалы; вероятно, первая популяция животных была свободна от ретровируса. Более того, в противоположность популяциям коал на юго-востоке Квинсленда, где за восемнадцать месяцев наблюдения один коала из двадцати погиб от лейкемии, у коал острова Кенгуру не наблюдали никаких признаков этого гематологического заболевания. Эпидемиология синдрома приобретенного иммунодефицита коалы, представленная заболеваемостью и наличием ЭРЭ в геномах коал, позволяет предположить, что фронт заболевания распространяется с севера на юг. Вирус постепенно распространяется по популяции коал как в виде экзогенной вирусной болезни, так и в виде менделирующего генного локуса.

После первого открытия текущей эпидемии и инвазии ретровируса в геном коалы накопилось много вопросов, на которые у нас пока нет ответов. Самые главные из них следующие: когда вирус проник в популяцию коал и каково его генетическое происхождение? Каковы будут последствия для пораженного вида коал? С первым из этих вопросов практически удалось справиться. Предположение Талинтона и его коллег о том, что ретровирус коал попал в популяцию австралийских коал в течение последних ста лет, побудило группу под руководством Алекса Гринвуда из зоологического института в Берлине поискать вирус в зоологических музеях мира. Ученые использовали специальные методики для экстракции и изучения древней ДНК (Avila-Arcos et al., 2013). Эти пробы отличались большой неустойчивостью, а количество ДНК, добытой для анализа нуклеотидных последовательностей, могло быть поистине мизерным. Тем не менее из двадцати восьми шкурок музейных коал, собранных, самое позднее, в конце девятнадцатого века, ученым удалось секвенировать последовательность митохондриальных ДНК из восемнадцати образцов. Это была контрольная работа, которая подтвердила, что методика работает. Из этих восемнадцати образцов только в трех не удалось обнаружить ретровирус коалы, и из трех два образца поступили в музей из Южной Австралии. Пятнадцать из шестнадцати образцов, содержали в своих клетках ДНК ретровируса коалы. Более ста лет назад вирус уже присутствовал у большинства представителей популяции коала. Примечательно, что распространение вируса в популяции происходило так медленно. Авторы предположили, что так произошло в результате того, что коалы преимущественно ведут одиночный образ жизни, а также из-за того, что популяции коал часто изолированы друг от друга географическими барьерами.