Глава 9
ВИЧ-1: самая молодая пандемия
Многие наши древние болезни, настигшие нас задолго до того, как возник наш современный вид, развивались одновременно с людьми, и их эволюция отличалась строгим параллелизмом с нашей эволюционной историей. Наши «современные» вирусные заболевания являются результатом сравнительно недавней атаки вирусами наших клеток. Вирусы, вызывающие эти болезни, в тот или иной момент времени преодолели эволюционный барьер, отделявший нас от их естественных хозяев. Говоря о естественных хозяевах какого-либо вируса, мы подразумеваем вид хозяина, к которому вирус в наибольшей степени адаптировался в ходе эволюции. Коэволюция вируса и хозяина подвергается реципрокным силам давления отбора. Давайте разберемся в этом феномене. Естественный отбор, действующий на вирус, определяет адаптацию вируса в смысле успешного инфицирования клеток хозяина и способности передачи внутри популяции организмов хозяина. Вирус, успешно утвердившийся в организмах других видов (после межвидовой передачи), должен иметь базовое репродуктивное число, обозначаемое R0, превышающее единицу, то есть каждый инфицированный хозяин является источником более чем одного нового заражения. Вирусы, неспособные соответствовать этому условию, не выживут среди новых хозяев: часто такие инфекции называют «тупиковыми», подразумевая, что не устанавливается цепь передачи вирусов от организма к организму. Генетические варианты, повышающие шансы на успех, являются адаптивными мутациями, и именно они будут преобладать в геномах успешно инфицирующих линий вируса. Такие мутации возникают в резервуаре организма хозяина, а затем при благоприятных условиях передаются другим организмам того же вида, преодолев бутылочное горлышко естественного отбора, давая начало новой вирусной линии. Альтернативно эти новые виды вируса могут возникнуть опять-таки случайно, в ходе первых затрудненных циклов инфицирования клеток нового хозяина. Теперь, если мы посмотрим на вирусную инфекцию с точки зрения нового хозяина, то отметим, что естественный отбор должен благоприятствовать тем особям, которые могут выживать, продолжая воспроизводить себя. Те индивиды, которые успешно воспроизводятся, несмотря на вирусную инфекцию, передадут свои гены в пул будущих поколений, обогатив генофонд вида признаками, благоприятствующими выживанию. В долгосрочной перспективе это селективное преимущество приводит к закреплению таких генетических вариантов в популяции. Таковы реципрокные силы, действующие в ходе эволюционной гонки вооружений, о которой мы уже говорили, называя принципом Черной Королевы. Каждый ген (и вариант гена) в вирусе и хозяине конкурирует для того, чтобы возобладать в своих командах победивших генов – в успешных геномах вируса и хозяина. Динамику отношений между вирусом и хозяином во многих случаях определяет эта гонка вооружений. Таковы взаимоотношения, выработанные нами в ходе коэволюции в течение длительных периодов времени, по завершении которых мы достигаем равновесия, когда скорость эволюции снижается. Это очень удобные отношения, в которых остается мало места для усовершенствований. Примерами таких адаптированных вирусов являются вирусы герпеса, вирусы папилломы человека, вирусы полиомиелита или вирусы гриппа диких птиц. Даже вирус кори, относительно современный вирус, достиг очевидного эволюционного равновесия с человеком. Для каждого из этих вирусов преобладающим является действие очищающего естественного отбора, потому что большая часть мутаций, изменяющих структуру их белков, губительна для приспособленности генома. Таким образом достигается квазистационарное состояние приостановки эволюции.
Те вирусы, которые перепрыгнули из организмов одного, привычного, хозяина в организм нового, сталкиваются с эволюционным вызовом; они должны адаптироваться к новому хозяину или погибнуть, оставшись лишь в безопасной среде популяции своих естественных хозяев. Там давление коэволюции создало тонкие и многогранные отношения между вирусом, клеткой-хозяином и целым организмом. Вирус, попадающий на поверхность клетки-хозяина, мгновенно отпирает ее надежным ключом, парирует воздействие иммунных ответов и активность антивирусной защиты с помощью механизмов обхода иммунных реакций организма-хозяина и овладевает к своей пользе сигнальными путями клетки. Этот тщательно отработанный танец не может быть надежно воссоздан, когда вирус, привыкший к определенному окружению, случайно попадает в клетку другого хозяина.
Клетку-хозяина можно рассматривать как операционную систему компьютера, созданную для обеспечения инфраструктуры, которая поддерживает надлежащее исполнение компьютерных программ, записанных на определенном языке. Программы составляются под определенную операционную систему. Программы, написанные для компьютеров, поддерживающих операционную систему «Линукс», не могут исполняться в операционной системе «Эппл». Точно так же вирусы являются программами, разработанными под определенную операционную систему – систему их естественного хозяина; код должен быть переписан, если вирус рассчитывает на успех в клетках нового хозяина, которые поддерживают иную операционную систему. Для того чтобы развить дальше эту аналогию, можно сказать, что, например, мой компьютер, работающий в «ворде», скорее всего, будет работать в родственной, возможно, более поздней версии OS X. Постепенно модернизируемые версии операционной системы, скорее всего, будут совместимы с моим старым программным обеспечением. Отсюда следует, что вирусы с большим успехом могут перескакивать между филогенетически близкими видами, которые располагают схожими операционными системами. Например, представим себе межвидовую передачу вируса от приматов грызунам. Следуя здравому смыслу, мы имеем полное право предполагать, что перескок через более широкий эволюционный водораздел, отделяющий беспозвоночных и человека, является для вируса куда большим препятствием. Язык человеческой операционной системы намного ближе к таковому других приматов, млекопитающих и вообще позвоночных, чем к языкам операционных систем беспозвоночных. Близость позвоночных на филогенетическом древе делает их менее удаленными в эволюционном плане; потребуется вносить меньше исправлений в компьютерный код. Эволюционная адаптация к новому хозяину произойдет легче и быстрее.
Как уже было сказано в главе 7, пандемия собачьего парвовируса разразилась после простой мутации капсидного гена кошачьего вируса, что позволило ему легко отпереть клетки собачьего организма и вызвать заражение домашних собак. Несмотря на то что дальнейшее изменение кода кошачьего вируса происходило в период, предшествовавший пандемии, вирус с легкостью адаптировался к кошкам, потому что эти два вида хищников обладают сходными операционными системами, разными, но похожими в достаточной степени для того, чтобы их можно было считать версиями одной и той же операционной системы. Оба фактора вымостили широкий путь для успешной межвидовой передачи вируса.
Такие перескоки «чужих» вирусов в организм человека называют зоонозами. Определенно, что такие события не являются редкостью, но эволюционный провал между видами гарантирует, что лишь очень немногие перекрестные инфекции приводят к настоящим эпидемиям и к возникновению устойчивого эндемического вируса человека. Большинство вирусов, плохо оснащенных для преодоления межвидового барьера при перескоке от естественного хозяина к человеку, вызывают тупиковые инфекции, и эпидемии не возникают. Другими словами, R0 остается меньше единицы и цепь передачи не возникает. Существует дихотомия между теми вирусами, которые не могут поддерживать продуктивную инфекцию новых хозяев, и теми, которые просто оказываются слишком патогенными. В обоих случаях мы имеем дело с плохой взаимной адаптацией вируса и хозяина. В одном случае вирус не может закрепиться в организме хозяина, потому что не может воспользоваться его операционной системой или иммунная система хозяина оказывается достаточной прочной для того, чтобы противостоять вирусу. В другом случае хозяин быстро падает жертвой вируса и не выполняется условие успешной передачи вируса в следующий организм. Надо помнить, что это две крайние точки континуума, на протяжении которого вирусные генетические варианты и генетические особенности индивида-хозяина драматически влияют на исход их встречи. Для наглядности возьмем обезьяний вирус герпеса B, который до недавнего времени был настоящим бичом для фирм, торгующих лабораторными животными. Этот вирус вызывает скоротечное, практически всегда смертельное заболевание, и передача его человеку практически никогда не наблюдалась. При отсутствии адекватных, законченных циклов инфицирования, репликации и передачи между хозяевами, обеспечивающих основу адаптивной эволюции, ни один вирус не может приспособиться к хозяевам нового биологического вида.
Теперь мы рассмотрим эволюционные изменения, обусловленные успешными зоонозами, когда вирусы благополучно совершают межвидовой перескок от естественных хозяев к человеку; в результате у человека возникает новая эндемичная вирусная болезнь. Корь и натуральная оспа считаются «современными болезнями», происшедшими из зоонозов. Мы выяснили, что успех этих зоонозных эпидемических заболеваний зависел от экологической переменной – существования достаточно больших и концентрированных человеческих популяций в первых крупных населенных пунктах. Болезнь, оставлявшая неизгладимые отметины – натуральная оспа – начала циркулировать среди людей в эпоху Древнего Египта, и некоторые ученые связывают ее возникновение с упадком великих цивилизаций в долине Инда в семнадцатом веке до новой эры (Shchelkunov, 2009). Корь, как представляется, является результатом успешной межвидовой передачи человеку вируса бычьей чумы, предположительно, это произошло в то же время или немного позже. Тем не менее пути генетической адаптации вирусов к хозяевам и наоборот, скрыты во тьме веков. Вирусы не оставляют окаменелостей, трупов, не оставляют они и физических следов, по которым можно было бы составить их достоверную генеалогию. Поэтому мы рассмотрим намного более свежий вирусный зооноз, чтобы проиллюстрировать условия, которые способствуют межвидовой передаче и возникающим вследствие этого эволюционным конфликтам. Первым кандидатом является вирус иммунодефицита человека 1-го типа (ВИЧ-1), вирус, вызвавший самую беспощадную пандемию двадцатого века. За первые двадцать пять лет ВИЧ-1 инфицировал более 65 миллионов человек, и эпидемия продолжается по сей день. От этой болезни уже умерли более 30 миллионов человек, и теперь вирус стал эндемичным для человеческой популяции.
