Глава 7
Механизмы эволюции ДНК-содержащих вирусов
Ленивая натура вирусов герпеса и папилломы человека типична для вирусов, эволюция которых протекала под подавляющим влиянием совместного видообразования и совместной дивергенции с организмами их животных-хозяев. Интуиция и здравый смысл подсказывают, что все они обладают ограниченной эволюционной живостью или что они ограничены тесными эволюционными рамками, потому что в высшей степени адаптировались к своим конкретным хозяевам. Номинально РНК-содержащие вирусы лучше оснащены для быстрых эволюционных изменений. Вирусная РНК-полимераза – это неутомимый генератор генетической изменчивости, создающей мутации практически во всех новых дочерних геномах. Присутствуя в каждом хозяине в форме квазивида, они могут использовать свою богатую и динамичную генетическую изменчивость как основу для быстрых адаптивных изменений. ДНК-содержащие вирусы не могут позволить себе такой роскоши. Полимераза, которую они используют, является ДНК-зависимой ДНК-полимеразой. Вирусы герпеса сами кодируют вирусную ДНК-полимеразу, в то время как вирус папилломы человека полностью полагается на клеточный фермент хозяина. Каждая из этих ДНК-полимераз обладает способностью к редактированию копий; они умеют выявлять и заменять ошибочно вставленные в цепь копии нуклеотидов до того, как они смогут закрепиться в дочерних вирусах. Таким образом, низкая скорость появления ошибок в нуклеотидных последовательностях говорит о большей надежности клеточных механизмов репликации в сравнении с механизмами репликации РНК-содержащих вирусов. Каким же образом в таком случае могут ДНК-содержащие вирусы достигать высокой скорости эволюции для того, чтобы преуспеть в гонке вооружений с организмом хозяина? Ответ на этот вопрос достаточно сложен: позвольте мне сначала убедить вас в том, что для того, чтобы успешно конкурировать в духе Черной Королевы с динамичным хозяином, паразит (в нашем случае вирус) должен обладать способностью обогнать хозяина. То есть бежать так же быстро или еще немного быстрее, чем сама Черная Королева.
Скорость эволюции, будь то многоклеточные организмы или вирусы, микробы или простейшие, управляется несколькими переменными. Это скорость, с которой ошибки или другие события создают генетические варианты, преобладающее давление отбора (очищающего или положительного), а также период генерации. ДНК-содержащие вирусы ограничены в своей свободе большей, чем у РНК-содержащих вирусов, точностью копирования, но тем не менее во время репликации они перехватывают инициативу у клетки-хозяина. ДНК-содержащие вирусы могут претерпевать бесчисленное множество репликационных циклов, создавать большие популяции вирусов и порождать множество поколений за время жизни одного поколения хозяина. Здесь я имею в виду не период времени, проходящий между двумя делениями клетки-хозяина, но время, проходящее между воспроизведениями целых организмов. Это время, необходимое организму-хозяину для того, чтобы передать свои гены потомству и испытать их на прочность естественным отбором. Только мутации, которые происходят в гаметах мужских или женских хозяев, наследуются при половом размножении организма; именно такие генетические вариации управляют эволюцией хозяев. В скорости смены поколений все вирусы намного опережают своих хозяев. Для ДНК-содержащих вирусов этого преимущества достаточно для того, чтобы обеспечить их эволюционный успех, особенно в контексте коэволюции с организмами-хозяевами. Межвидовые перекрестные передачи и результирующая смена хозяев – обычные события для эволюции и видообразования РНК-содержащих вирусов, но играют относительно скромную роль в эволюционной истории ДНК-содержащих вирусов. Везде, где такие феномены имеют место, они происходят с наибольшей вероятностью между филогенетически родственными видами (более подробно этот вопрос обсуждается в главе 10). Необходимая живость адаптации, степень которой достаточна для скачкообразных передач генетической информации, является прерогативой (хотя и не исключительной) РНК-содержащих вирусов.
Для полноты картины я должен еще подчеркнуть, что РНК-содержащие вирусы (как и ДНК-содержащие вирусы) не обладают все же абсолютно безграничной гибкостью и способностью к генетическим изменениям. Хотя РНК-содержащие вирусы со своей склонной к ошибкам репликацией обладают большой способностью к быстрому перебору генетических вариантов, все же их гибкость ограничена. Репликация на основе РНК накладывает сильные ограничения на величину генома. Чем больше РНК-геном, тем выше риск «катастрофы ошибок». Можно экспериментально показать, что геномы РНК-содержащих вирусов постоянно пребывают на грани катастрофы ошибок. Эволюция отрегулировала отношение между скоростью мутаций и длиной генома до оптимальной величины. В лабораторных условиях РНК-содержащие вирусы можно довести до вымирания, искусственно повысив скорость их мутаций. Это достигалось либо экспозицией к нуклеотидным аналогам, повышающим скорость мутаций, либо путем генетических манипуляций с РНК-полимеразой, которая делает больше ошибок при копировании (Crotty, Cameron, Andino, 2001; Crotty et al., 2000). Представляется, что частота ошибок около одной на 104 включенных последовательностей является максимальной, которую может перенести геном длиной около 10 тысяч оснований (в лаборатории ученые работали с вирусом полиомиелита). Отсюда следует, что любое изменение функциональности генома РНК-содержащих вирусов должно быть достигнуто без увеличения его размеров. Пространство мутаций, которым может пользоваться РНК-содержащий вирус, всегда должно быть соотнесено с ограниченным размером генома. Это ограничение кодирующей способности приводит к минимизации геномов, плотно упакованных информацией. Многие продукты генов ДНК-содержащих вирусов должны выполнять множество функций в течение жизненного цикла вируса и могут быть закодированы в перекрывающихся генах. Для РНК-содержащих вирусов еще более важно то, что функциональные роли играют как первичная, так и вторичная структура значительных частей генома. Первичная нуклеотидная последовательность сама по себе представляет информационное содержание и, следовательно, обладает собственной функциональностью. Такие функции «кодируются» в определенных нуклеотидных последовательностях или в складках цепи РНК, которые образуют более сложные вторичные структуры, стабилизируемые связями, образующимися между комплементарными нуклеотидами цепи. Этот «код» не является избыточным в обычном понимании, то есть синонимические мутации в этих участках невозможны. Любая замена нуклеотида приведет к изменению структуры РНК и к изменению фенотипа вируса. Таким образом, гибкость в определенной степени утрачивается, что ограничивает вариабельность РНК-содержащих вирусов. Они могут успешно развиваться, если сохраняют функциональность плотно конденсированной генетической информации, которая выполняет задачу репликации вируса, а также овладевает механизмами и структурами клетки-хозяина.
С другой стороны, надежность репликации генетического материала ДНК-содержащих вирусов устраняет ограничения, наложенные на длину генома. Многие лаборатории оценивают частоту ошибок при репликации ДНК-содержащих вирусов величиной в 1 на 108 включений нуклеотидов в новый геном (Drake, Hwang, 2005), то есть надежность репликации ДНК в десять тысяч раз превышает надежность репликации РНК-содержащих вирусов. При отсутствии других ограничительных факторов, таких как малый размер капсида, который может ограничить объем ДНК, который можно упаковать в инфекционную вирусную частицу (Chirico, Vianelli, Belshaw, 2010), ДНК-содержащие вирусы могут позволить себе массивные геномы, не подвергаясь риску катастрофы ошибок. Размер генома некоторых мелких ДНК-содержащих вирусов, таких как папилломавирусы и парвовирусы, может быть ограничен размерами их капсида. Такие вирусы располагают минимальными геномами, которыми распоряжаются с изумительной экономностью, зачастую кодируя многофункциональные белки и перекрывающиеся гены. К мелким ДНК-содержащим вирусам мы еще вернемся ниже в этой главе. Вирусы герпеса и ядерно-цитоплазматические крупные ДНК-содержащие вирусы, к которым относится вирус оспы (poxvirus), обладают намного большими геномами. Хотя у них нет способностью к генетической вариабельности, равной способности РНК-содержащих вирусов, им, с другой стороны, не нужно экономить на кодировании необходимых белков. Эти вирусы могут с большой выгодой для себя использовать роскошь расширенного генома. Для испытаний возможностей расширенного генного пространства и быстрой эволюционной адаптации вирусы герпеса используют разнообразные механизмы.
