Самым важным полем битвы вируса с хозяином является то место, где защитные механизмы хозяина сталкиваются с вирусными механизмами избегания иммунного ответа. Этот интерфейс часто проявляется чисто физическими взаимодействиями между вирусными белками и белками клеточными, взаимодействиями, находящимися под сильным давлением естественного отбора. Это очевидно при положительном давлении естественного отбора на вирусные гены, как, например, иммунологическое давление на экспрессию эпитопов ГА вирусов гриппа, а также на гены клеток-хозяев. В этом состязании клеточные гены, отвечающие за подавление вирусной инфекции, и соответствующие вирусные гены, управляющие избеганием иммунного ответа, стремятся взять верх. Исследование конфликта Черной Королевы, стимулирующего генетическое обновление и адаптивную эволюцию вирусов и хозяев, дает специалистам по эволюционной биологии прекрасную возможность наблюдать эволюционную гонку вооружений между хозяевами и патогенами. Никакие вирусы не подходят лучше для научного исследования в этой сфере эволюции, чем поксвирусы. Они захватили и нужным образом развили наборы дополнительных генов, играющих роль во взаимодействии вируса с хозяином. Многие поксвирусы менее привередливы в своем выборе хозяина и проявляют изумительную способность инфицировать клетки организмов множества биологических видов. Каждый из этих видов представляет свой особый интерфейс для вируса, и, таким образом, каждая новая встреча является вызовом для инфицирующих клетки поксвирусов. Более того, исследование филогенетики поксвирусов приводит нас к относительно однозначному выводу о том, что они пересекли межвидовые барьеры и быстро адаптировались, приобретя способность эффективно вызывать заболевания у новых хозяев. Для эволюционного биолога эти выводы представляют собой настоящую головоломку. Их можно легко совместить с РНК-содержащими вирусами, которые существуют в форме квазивидов, реплицируются с высокой скоростью и частотой, рискуя катастрофой ошибок. Однако в отношении поксвирусов не вполне ясно, каким образом они могут достигать необходимой скорости эволюционной адаптации для того, чтобы выиграть гонку вооружений с хозяевами, а при необходимости применять у разных хозяев разное оружие.

Один из ведущих специалистов в этой области научных исследований – Хармит Малик, чья лаборатория находится в Сиэтле в Научном противораковом центре Фреда Хатчинсона. Большая часть его исследований посвящена изучению эволюционных конфликтов, включая конфликты между вирусными геномами и геномами клеток-хозяев, признаками которых является быстрая модификация генов в результате действия положительного отбора. Исследования такого рода могут пролить свет на существование древних и ныне исчезнувших вирусов, оставивших свои отпечатки в эволюции последовательностей нуклеотидов в геноме хозяев. Выше мы уже обсуждали, как можно отследить положительный отбор вирусных генов на основании изучения их кодирующих последовательностей. В 2012 году доктор Малик и его коллеги описали новый, неизвестный ранее механизм, используемый поксвирусами для успешного ведения войны с геномами клеток-хозяев (Elde et al., 2012). Многое из того, что нам известно об эволюции вирусов под действием положительного отбора, было выяснено в лабораторных экспериментах, проведенных с вирусами, которые лучше всего подходили для этой цели. Это вирусы, которые быстро реплицируются в культурах, создают многочисленные популяции и отличаются высокой частотой мутаций. Эти условия идеальны для поддержания генетического разнообразия, которое служит основой для любого естественного отбора. Вирусы, отвечающие этим критериям, подходят для изучения естественного отбора вирусов и эволюции в режиме реального времени в лабораторных условиях при заданном давлении отбора. Сюда входит способность вируса развивать резистентность в отношении противовирусных лекарств и способность адаптироваться к репликации в условиях клеток новых хозяев. Такие эволюционные эксперименты помогают испытать способность вирусов адаптироваться к изменениям окружающей среды. В одном случае новая окружающая среда содержит молекулу лекарства, подавляющего репликацию вируса. В другом случае изменение касается самой клетки-хозяина, располагающей новыми механизмами противовирусной защиты, которую вирус должен обойти, чтобы успешно реплицироваться. Эти феномены могут быть отражением гонки вооружений между вирусом и хозяином, которая усиливается по мере эволюционных изменений в организмах-хозяевах; это также может быть отражением нового давления отбора, которое начинает действовать на вирус, когда он вторгается в клетки организмов нового биологического вида. На эти вопросы, касающиеся поксвирусов, ответов не было, и Малик со своими коллегами попытался выявить систему, в которой можно было бы воспроизвести эволюционный ответ поксвирусов на изменение давления отбора, оказываемого клеткой-хозяином.

Для того чтобы описать этот эксперимент на языке, понятном читателю, я предпошлю описанию краткое введение. Вирус, который был выбран лабораторией Малика для изучения этого феномена, называется вирус вакциния. Этот вид ортопоксвируса, широко используемый в лабораториях и являющийся близким родственником вируса обезьяньей и коровьей оспы (последним заражались скотницы, и этот вирус был использован Дженнером для приготовления первой противооспенной вакцины), обладает двумя особыми генными продуктами, E3L и K3L, роль которых заключается в противостоянии антивирусной защите клетки-хозяина. Вирус вакциния может заражать клетки множества разных биологических видов, и некоторое время назад стало известно, что эти два генных продукта влияют на диапазон различных хозяев вируса (Langland, Jacobs, 2002). Стоит заметить, что для эффективного инфицирования человеческих клеток вирусу необходим E3L; напротив, K3L требуется для репликации в клетках хомячков. Каждый из этих генных продуктов нейтрализует ключевой компонент клеточной антивирусной защиты. Этот компонент представляет собой протеинкиназу R – часто встречающийся побочный продукт многих вирусных инфекций, включая инфекции, вызываемые поксвирусами. Двойная цепь РНК непосредственно активирует эту протеинкиназу, что приводит в действие каскад, замыкающий синтез белка в инфицированной клетке, а это приводит к подавлению репликации вируса и гибели клетки. E3L и K3L обычно блокируют этот антивирусный ответ. Однако протеинкиназы R разных видов животных (например, человека и хомячка) отличаются друг от друга, как отличаются E3L и K3L своей способностью к нейтрализации активности протеинкиназы. Группа Малика рассудила, что если создать вирус вакцинию, лишенный гена E3L, и инфицировать клетки человека, то удастся эффективно воссоздать генетический конфликт, имитирующий генетический конфликт, возникающий при межвидовом заражении клеток человека поксвирусом хомячка. Остающийся ген поксвируса K3L не слишком эффективно нейтрализует протеинкиназу R человека, и новый E3L-негативный вирус будет очень слабо реплицироваться в клетках человека. Эксперимент был задуман для того, чтобы «попросить» вирус изменить свою структуру так, чтобы начать интенсивно реплицироваться в клетках человека; вирусу оставили выбор – размножаться или погибнуть!

Ученые пассировали вирусы в клеточной культуре в рамках обычной вирусологической методики, включающей рост вируса в культуре клеток хозяина, после чего собирали дочерние вирусы и инокулировали их в новую культуру клеток. Этот подход особенно полезен для выявления эволюционных изменений, происходящих в вирусной популяции по ходу адаптации вируса к новым культуральным условиям. Результат, однако, оказался неожиданным. Так же как в любом добросовестном эксперименте, были проведены контрольные опыты, но во всех были получены одинаковые результаты. После нескольких пассажей вирус адаптировался к человеческим клеткам и стал расти более энергично. Тщательный анализ вирусной популяции позволил показать, что в каждом из трех независимых экспериментов произошла амплификация в локусе гена K3L; вирусы получили от двух до пятнадцати копий гена. Более того, в двух из трех экспериментов некоторые вирусы также стали обладателями копий гена K3L, содержащих одну и ту же уникальную замещающую мутацию с заменой единственной аминокислоты. Вирусы с амплификацией последовательностей гена K3L и вирусы с единственной копией мутировавшего гена K3L демонстрировали повышение репликационной активности в инфицированных клетках человека. В этих экспериментах поксвирус использовал два различных механизма для преодоления антивирусного ответа клетки-хозяина. Поразительно, но эти результаты подтвердили идею о том, что дупликация гена K3L обычно предшествует приобретению адаптивного мутационного изменения. Амплификация гена эффективно повышала вероятность приобретения мутационных изменений в гене K3L. Частота возникновения мутаций в каком-либо фрагменте ДНК обычно прямо пропорциональна его длине. Отсюда следует, что вирус с десятью копиями гена K3L будет подвержен мутациям в десять раз чаще, чем одна копия гена. Далее, избыток нуклеотидных последовательностей обеспечивает страховку от негативных последствий вредных мутаций, которые могут преобладать в случае единственной копии интересующего нас гена. Группа Малика пришла к выводу, что амплификация генома ускоряет приобретение адаптивных изменений вирусом вакцинией. Возможно, что это обычный механизм, используемый поксвирусами, что позволяет им обойти ограничения, накладываемые низкой частотой мутаций. Таким способом поксвирусы могут облегчать эволюционную адаптацию в условиях давления отбора быстрее, чем мы могли предполагать. Насколько развит этот механизм? Обладает ли репликационный механизм поксвируса свойством порождать умножение генетического материала, или это просто следствие событий рекомбинации, происходящих при репликации генома поксвируса? На мой взгляд, этот феномен надо поместить в ту же категорию, что и склонность к ошибкам при работе РНК-полимеразы вируса полиомиелита, эволюция которого в направлении большей надежности тормозится силами естественного отбора. Эти наблюдения вдохновляюще действуют на мыслителей-эволюционистов, так как они представляют собой новый элемент мозаики, которая может показать, как именно эти крупные ДНК-содержащие вирусы столь быстро адаптируются к новым хозяевам и не проигрывают вечную гонку вооружений. Малик назвал расширение генома, которое наблюдали он и его коллеги, «геномным аккордеоном» по аналогии с растягиванием и сжатием мехов этого музыкального инструмента. В данном случае авторы, вероятно, имели в виду музыку эволюции.

Примечательно, что одна из главных движущих сил эволюции вируса герпеса – приобретение дополнительных генов и их модификация – действует и на поксвирусы. Геномы этого семейства крупных ДНК-содержащих вирусов напоминают модульную геномную мозаику, составленную из ядерных генов, переданных последним общим предком, дополненных различными присоединенными генами, определяющими новые аспекты функциональности. Почему это представляется странным? Потому что поксвирусы, хотя они и являются крупными вирусами, содержащими двухцепочечную ДНК, подобно вирусам герпеса, полностью завершают свою репликацию в цитоплазме клеток хозяина. С другой стороны, вирусы герпеса завершают свою репликацию в ядре, в непосредственной близости от ДНК клетки-хозяина. Интуитивно легче представить себе ситуацию, в которой случайные рекомбинационные события (в ходе которых две молекулы ДНК сходятся для того, чтобы создать новый непрерывный фрагмент ДНК) могут происходить между нитями ДНК клеточного генома хозяина и нитями ДНК реплицируемых геномов вирусов герпеса. Не вполне очевидно, каким образом вирус, жизненный цикл которого ограничен цитоплазмой, может вообще захватывать ядерный генетический материал. Больше того, представляется, что это происходит с завидной регулярностью, по крайней мере в том временном масштабе, в котором может развертываться адаптивная эволюция поксвирусов. Тем не менее есть подсказки, позволяющие ответить на этот вопрос: ни один из генов поксвирусов, захваченных из генома клетки-хозяина, не содержит интроны, последовательности ДНК, удаляемые в ходе сплайсинга первичного РНК-транскрипта. Гены поксвирусов похожи на матричную РНК, а не на гены. Это позволяет предположить, что место их происхождения находится на цитоплазматической мРНК, которая под действием обратной транскриптазы транскрибируется в двухцепочечную ДНК. Эти фрагменты ДНК затем становятся доступными рекомбинации с ДНК генома поксвируса. Это событие, вероятно, не является таким редким, как думали раньше; в клетках человека существует достаточное количество предназначенных для этой цели ферментов. Я вернусь к этой концепции в главе 14, где мы попробуем разобраться в том, насколько важны вирусы для эволюции наших собственных геномов.