Не следует игнорировать мутационные замещения нуклеотидов как источник генетической вариабельности вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК, и, действительно, частота их мутаций на порядок выше, чем у клеток-хозяев (Li, 1997). Тем не менее для поддержания генетической вариабельности, необходимой для адаптивной эволюции, вирусы герпеса используют гибкость своих ДНК-геномов двумя дополнительными способами. Для поддержания гибкости генома вирусы герпеса прибегают к дупликации генов, а кроме того, умело используют захват гена (gene capture). Эти способности становятся очевидными при тщательном исследовании вирусов герпеса, особенно если принять во внимание их весьма разнообразные наборы неядерных генов (которые, вероятно, следует обозначать более удачным термином «адаптивные гены»). Концептуально будет полезным считать их дополнениями к базовой модели, которая способна обходиться исключительно ядерными генами; при этом каждый отдельный вирус герпеса получает гены, которые наилучшим образом приспосабливают его к конкретным клеткам-хозяевам. Чаще всего адаптивные гены возникают в качестве контрмеры в отношении действия защитных систем против вирусной инфекции. Эти защитные системы делятся на две части: врожденный иммунитет и клеточно-автономный иммунитет – первую линию клеточной защиты против вирусов и адаптивный иммунный ответ организма хозяина. Кроме того, должна быть обеспечена способность управлять метаболизмом клетки-хозяина для возможности репликации и поддержания вирулентности. Эти совокупности генов должны быть доступными для осуществления репликации вирусной ДНК, а это может потребовать от клетки активации определенных регуляторных систем, которые в норме используются для репликации клеточной ДНК и деления клеток. По определению, эти функции должны полностью соответствовать структуре и функции клетки-хозяина. Структуры, отвечающие за репликацию и деление, являются главным полем битвы между вирусом и хозяином, и именно здесь наиболее сильно давление отбора, приводящее к адаптивным изменениям вируса.

Эволюция геномов всех царств жизни использует дупликацию генов. Это очень мощный механизм развития новых функций у уже имеющихся генов. К настоящему времени накоплено множество данных о том, что рекомбинации приводят к дупликации генетического материала у всех вирусов герпеса (Davison, 2002; McGeoch, Rixon, Davison, 2006). Преимущества, возникающие благодаря дупликации генов, очевидны: создается вторая, избыточная копия гена. Эта копия может претерпевать адаптивную эволюцию, так как нет необходимости консервативного сохранения прежней функциональности исходного гена, кодировавшего какой-либо важный белок. Оставшийся неизменным ген продолжает кодировать продукты, необходимые для поддержания жизнеспособности линии вируса. Захват гена – это второй способ приобретения новой адаптивной функциональности геномами вирусов герпеса. Это горизонтальный перенос генов, с которым мы познакомились при обсуждении фагов и их хозяев – микробных клеток. Вирусы герпеса захватывают гены из хромосом клетки хозяина и включают эти гены в собственный геном. Точный механизм генного захвата пока неясен, но фрагменты ДНК клеток хозяина должны соединиться с геномной ДНК вируса, чтобы создать геном, содержащий новую генетическую информацию. Этот новый генетический материал часто передает вирусу полезные фенотипические признаки. Этот ген больше не подвергается давлению, оказываемому естественным отбором на организм хозяина, но развивается независимо и может изменяться, чтобы лучше выполнять новые функции вследствие случайных мутаций и под давлением отбора, действующего на вирусный геном.

Из результатов исследования геномов герпетических вирусов становится совершенно очевидным, что ядерные гены, унаследованные от последнего общего предка семейства вирусов герпеса, имеют тенденцию к расположению в середине вирусной хромосомы. Дуплицированные и захваченные гены располагаются ближе к концам хромосомы. Таким образом, можно предположить, что рекомбинации между молекулами ДНК, будь то рекомбинации самой вирусной ДНК или включение фрагментов клеточной ДНК в вирусную хромосому, происходят без ненужного риска поражения центральной области генома. Естественно, рекомбинации происходят в случайном порядке по всему геному, но рекомбинации, затрагивающие область ядерных генов, приведут к нарушению жизнеспособности рекомбинантных вирусов и их исключению из популяции. Если бы ядерные гены были равномерно распределены по всему геному, то большая доля случайных рекомбинаций пришлась бы на ядерные гены. Таким образом, естественный отбор благоприятствовал вирусам, чьи ядерные гены были сконцентрированы в центральном участке генома. Гены, осуществляющие жизненно важные для вируса метаболические функции, были помещены в безопасное место. В предыдущих главах мы обсуждали ДНК-содержащие бактериофаги, которые абсолютно случайным образом «сканируют» и обменивают модули генетической информации в ходе своей эволюции. Ясно, что этот механизм продолжает играть существенную роль и в эволюции крупных вирусов, содержащих двойную спираль ДНК, что позволяет им наилучшим образом приспосабливаться к многоклеточным хозяевам, проникать в их клетки и овладевать их метаболизмом.

Если мы внимательно присмотримся к далекому эволюционному прошлому, то, возможно, сумеем распознать эпизоды захвата генов, который и стал источником происхождения ядерных генов, которые были уже представлены у самого позднего общего предка этих вирусов. Была выявлена схожесть между генами вируса герпеса и генами аденовируса, другого ДНК-содержащего вируса. ДНК-полимеразы крупных вирусов сохраняют структурное и функциональное сходство с одним из семейств ДНК-полимераз, кодируемых геномами клеток-хозяев. Таким образом, представляется весьма вероятным, что крупные ДНК-содержащие вирусы собрали свои репликационные механизмы, подбирая гены клетки-хозяина и адаптируя их к своим нуждам. Тем не менее это предположение все же остается спорным: в нашем распоряжении слишком мало данных, и остается формальная возможность, что гены полимераз эукариотических клеток были позаимствованы из вирусных геномов, а не наоборот (Shackleton, Holmes, 2004). Захваты генов преобладают в ходе эволюции вирусов герпеса. Эти крупные ДНК-содержащие вирусы являются подлинной амальгамой генетического материала. Новые функции вируса создаются после дупликации гена или его захвата из другой вирусной частицы или хромосомы клетки-хозяина, после чего новоприобретенный ген может быть приспособлен к нуждам вируса. Этот процесс очевиден в генах, которые теперь являются общими для всех вирусов герпеса, но впервые появились у их одного общего предка. Эти же процессы лежат в основе появления генов, уникальных в пределах одного вида герпетических вирусов, а следовательно, были приобретены после последнего видообразования линии, которое произошло в недавнем эволюционном прошлом.

Фермент 2’-дезоксиуридин-5’-трифосфат-пирофосфатаза обнаруживается у представителей всех трех царств жизни и является необходимым элементом гидролиза 2’-дезоксиуридинтрифосфата, в результате которого образуются молекулы-предшественники, необходимые для синтеза ДНК. Крупные ДНК-содержащие вирусы, все вирусы герпеса (а также поксвирусы) располагают одним или более аналогом этого фермента в своем геноме (Baldo, McClure, 1999; McGeoch, 1990). Они захватили эти гены из хромосом клеток-хозяев; более чем вероятно, что такие события захвата происходили на протяжении эволюции неоднократно. Примечательно, что некоторые вирусы герпеса располагают единственной копией этого гена, весьма схожей с клеточным геном; в лабораторных экспериментах было установлено, что этот ген играет важную роль в поддержании вирулентности, необходимой для успешного инфицирования животных. У других вирусов есть дубликаты этого гена, и дополнительные копии значительно изменены или, наоборот, более точно подогнаны для осуществления исходной функции. Исследование их аминокислотных последовательностей выявило, что они уже не обладают протеиновой структурой, необходимой для осуществления гидролиза дезоксиуридинтрифосфата. Представляется, что это примеры эволюции новых функций de novo в генах, захваченных из хромосом клеток-хозяев. В результате удивительного хода событий некоторые вирусы герпеса обладают множественными аналогами гена клеточной дезоксиуридинтрифосфатазы, но ни один из этих аналогов не имеет исходный ферментативный функций. Это родственные дезоксиуридинфосфатазы из обширного семейства генов многочисленного отряда герпетических вирусов. Один только цитомегаловирус располагает четырьмя такими родственными генами, которые обладают независимыми и разными, хотя и не вполне понятными функциями. В ходе анализа было выявлено, что сходство этих генов заключается в консервативности тех участков гена дезоксиуридинтрифосфатазы, которые отвечают за трехмерную конфигурацию белка (Davison, Stow, 2005). Авторы полагают, что вирусы герпеса позаимствовали кодирующие белок последовательности, которые в наибольшей степени поддаются изменениям, способствующим появлению новых функций, и использовали эти гены в своих целях путем дупликации и нового использования для создания совершенно нового генного вирусного продукта.

Цитомегаловирус – это человеческий герпетический вирус, располагающий самым крупным набором дополнительных генов: этот вирус со всей полнотой использует преимущества каждого из этих способов эволюции для приобретения адаптивных функций, позволяющих выгодно управлять работой клеток и систем организма-хозяина. Большую часть продуктов этих вирусных генов представляют белки, которые модулируют иммунный ответ хозяина и позволяют вирусу избегать подавления репликации и удаления из организма как при острой, так и при хронической вирусной инфекции. Цитомегаловирус широко распространен в большинстве человеческих популяций и заражает нас после острого первичного инфицирования. Он никогда не удаляется из организма, несмотря на весьма активный пожизненный иммунитет. Другие гены цитомегаловируса управляют его патогенностью; например, во время активного инфицирования пораженная клетка секретирует вирусный белок, генетически гомологичный человеческому хемокину. Этот белок связывается с хемокиновыми рецепторами, чем опосредуется приток нейтрофилов к месту воспаления (Penhold et al., 1999). Было показано, что инфицирование нейтрофилов является центральным звеном патогенеза цитомегаловирусной инфекции; это весьма изящный механизм привлечения восприимчивых клеток к продуцирующим вирус клеткам, что ускоряет диссеминацию вируса по организму хозяина. Эту стратегию то и дело обнаруживают при исследовании патогенеза инфекционных болезней, в особенности тех, которые поражают иммунокомпетентные клетки. Эти клетки в изобилии привлекаются к месту поражения и могут затем использоваться как переносчики при амплификации и для распространения вируса или иного инфекционного агента из одних тканей хозяина в другие.

Дополнительные части генома, привлекающие наибольшее внимание ученых, – это гены, приобретенные и модифицированные для смягчения иммунной реакции организма-хозяина и затруднения распознавания и удаления вирусных частиц иммунокомпетентными клетками. Цитомегаловирус снабжен целым арсеналом таких генов, которые также могут обнаруживаться в геномах и других герпетических вирусов, как и прочих крупных ДНК-содержащих вирусов. Эти гены, происходящие из хромосом клеток-хозяев в результате генного захвата различными генетическими линиями вирусов, говорят об общем пути эволюционного развития вирусов герпеса. Как часть присвоенных вирусных геномов, они затем развиваются, обеспечивая адаптивность и успешность репликации вирусных частиц, так как приспосабливаются к нуждам каждого конкретного вируса. В арсенале белков, помогающих цитомегаловирусам избегать воздействия со стороны иммунной системы хозяина, присутствуют белки, подавляющие способность вирусных частиц экспрессировать антигены на их поверхности. Происходит также рекрутирование цитокинов хозяина, которые в норме подавляют иммунную активность в ответ на вирусную инфекцию. Таковым, например, является интерлейкин-10, примечательный, в частности, тем, что его ген был присвоен несколькими вирусами герпеса (и по крайней мере одним поксвирусом) в ходе отдельных, независимых друг от друга эволюционных событий. Эволюция вирусных аналогов протекает независимо в их геномах так, что они сохраняют различные наборы функций, осуществляемых нормальными продуктами человеческих генов (Spencer et al., 2002).

Белки главного комплекса гистосовместимости класса I, экспрессируемые на поверхности клеток организма-хозяина, отвечают за активацию цитотоксических T-клеток, оповещая их о том, что какая-то клетка продуцирует чужеродные антигены а следовательно, должна быть атакована и уничтожена. Подавление экспрессии белков главного комплекса гистосовместимости класса I и его сигнальной функции осуществляется по меньшей мере двумя генами цитомегаловируса. Их функцию можно скорее уподобить маскировке инфицированных клеток, нежели бомбардировщику-невидимке, который уничтожает сам радар. Такое подавление распознающей активности главного комплекса гистосовместимости постоянно обнаруживают как функцию многих вирусов, и это подавление является одним из основных признаков, присущих инфицированным клеткам. В самом деле, иммунная система хозяина распознает комплексы гистосовместимости как таковые, а клетки, лишенные белков главного комплекса гистосовместимости, распознаются и становятся мишенями для клеток – естественных киллеров. Цитомегаловирус, однако, является подлинным виртуозом этого жанра – иммунного обмана. Мало того, цитомегаловирус сделал еще один шаг вперед в этом искусстве; он не только подавляет экспрессию главного комплекса гистосовместимости (эту стратегию хозяин способен обнаружить), он также заставляет клетку экспрессировать на своей поверхности нефункциональный гомолог комплекса гистосовместимости. Эта тактика позволяет обмануть естественные киллеры; они принимают этот комплекс за настоящий, и инфицированная клетка остается нетронутой.

Тенденция усваивать гены клеток-хозяев и кроить их в соответствии со своими нуждами наблюдается у всех представителей семейства вирусов герпеса и крупных ДНК-содержащих вирусов, но цитомегаловирус является в этом отношении эталоном. Его геном содержит пятнадцать семейств генов, каждое из которых возникло благодаря дупликации генов и представлено 2–14 копиями. Это создало возможность диверсификации функций генов в параллельно возникших копиях исходного гена. Эти дупликации чаще всего вовлекают гены, захваченные в хромосомах хозяина, а подавляющее большинство их кодируют белки, позволяющие избегать воздействия иммунной системы хозяина. Эти функции обеспечивают успешную острую инфекцию, а затем поддерживают устойчивое существование вируса в клетках, несмотря на иммунологическую защиту хозяина. Представляется, что, несмотря на гораздо меньшую частоту мутаций, чем у РНК-содержащих вирусов, эти крупные ДНК-содержащие вирусы выказывают незаурядную эволюционную живость и склонность к инновациям.

Действительно, адаптивные изменения в РНК-содержащих вирусах поддерживаются высокой частотой мутаций (на фоне быстрых циклов репликации и при достаточно большой численности популяции хозяев), но вирусы, содержащие двойную спираль ДНК, выбирают иную тактику. Как мы уже видели, они пользуются многими другими механизмами для осуществления эволюционных изменений, необходимых для ведения беспощадной гонки вооружений со своими хозяевами. При этом вирусы пользуются преимуществами, находящимися в их распоряжении; в отличие от РНК-содержащих вирусов они содержат в своих геномах большое число генов. В то время как РНК-содержащие вирусы с высокой скоростью мутируют на нуклеотидном уровне, крупные вирусы бегут, стоя на месте, пользуясь выражением Черной Королевы; вирусы герпеса склонны к ошибкам при поддержании цельности своего геномного хозяйства. Это допускает осуществление неупорядоченных дупликаций и обменов генетическим материалом с хромосомами клеток-хозяев. В самом деле, если снова прибегнуть к аналогии Черной Королевы, они большую часть времени идут, но иногда совершают гигантские скачки, позволяющие им хотя бы на один шаг опередить в гонке организм хозяина. Такие события могут происходить относительно редко или часто; предсказать это точно невозможно, так как мы являемся свидетелями только тех событий, что происходили с предками современных линий вирусов герпеса. Более того, в геномах линий отражены только успешные генетические изменения. В любом случае эти рекомбинации обеспечивают вирусы герпеса основой для выраженной генетической вариабельности, которая может быть затем окончательно отрегулирована дальнейшими мутационными изменениями. Все эти механизмы вместе обеспечивают высокоточную адаптивную эволюцию, которая отчетливо видна во взаимоотношениях вирусов герпеса и их сегодняшних природных хозяев.