До того как медицинской науке удалось создать арсенал направленных против ретровируса лекарств, диагноз ВИЧ-инфекции означал смертный приговор для ее жертвы. У некоторых больных прогрессирование от носительства до развернутой картины СПИДа протекало быстрее, чем у других, и только немногим счастливчикам удавалось долгое время держать инфекцию в узде (Yue et al., 2015). Есть убедительные доказательства того, что на исход инфекции влияют генетические особенности не только вируса, но и инфицированного человека, а также человека, передавшего вирус, – донора вируса (Alizon et al., 2010). Другими словами, не все инфицирующие нас вирусы устроены одинаково, и сами мы не равны в нашей способности противостоять инфекции. Главный конфликт между вирусом и его хозяином происходит на уровне клеточной антивирусной защиты и адаптивного иммунного ответа. При инфицировании вирусом гриппа битва между нашим адаптивным иммунным ответом и вирусом проявляется на уровне популяции возникновением новых эпидемических штаммов. Штаммы вируса гриппа, способные избегать иммунного ответа на свои антигены, получают селективные преимущества в своей способности инфицировать новых хозяев и порождать новые эпидемии. ВИЧ-1, напротив, столкнувшись с энергичным иммунным ответом, вызывает хроническую инфекцию, поддерживая одновременно высокий уровень репликации своего генома. Результирующее давление отбора на популяцию реплицирующихся вирусов требует, чтобы эволюция самого вируса в клетках хозяина играла ключевую роль в естественной истории инфекции у каждого отдельно взятого индивида. Эволюция антигенного состава вируса внутри хозяина, в ходе которой вирус всегда поворачивается к иммунитету измененным антигенным лицом, является главным способом ухода ВИЧ-1 от иммунного ответа. Эти мутанты имеют селективное преимущество, потому что мутации меняют иммуногенные эпитопы, малые фрагменты вирусных белков, которые распознаются и атакуются иммунной системой в попытке подавить вирусную инфекцию. Вирусы с изменчивыми эпитопами возникают часто, что позволяет им избегать воздействия специфических, уже существующих антител, хелперных Т-клеток или цитотоксических Т-лимфоцитов, этих бойцов адаптивного иммунитета. Белок вирусной оболочки ВИЧ-1, env, является истинным Протеем. Это не единственный вирусный белок, чья эволюция защищает вирус от иммунного ответа хозяина, но, определенно, он находится на передовой этого сражения. Этот белок служит главной мишенью нейтрализующих антител, а также мишенью клеточно-опосредованного иммунитета. В лонгитудинальном исследовании ВИЧ-инфицированных больных скорость прогрессирования болезни (измеряемая по уменьшению числа CD4-клеток) сравнивали с числом адаптивных мутаций белка env (Williamson, 2003). Стало ясно, что число CD4-клеток у больных с большей частотой мутаций избегания иммунного ответа в гене env снижается медленнее. Способность этих больных поддерживать высокий уровень антител, а значит, оказывать мощное селективное иммунологическое давление на вирус замедляла прогрессирование болезни.

Остов белка env составлен из консервативных участков и четырех гипервариабельных участков, один из которых, V3, является доминирующим антигенным эпитопом. Как мы уже видели, функционально значимые части env – части механизма проникновения в клетку – консервативны и по большей части инвариантны, но они скрыты от недремлющего ока иммунной системы. С другой стороны, вариабельные участки подставлены под удар иммунной системы и находятся под сильным положительным давлением отбора. Это подтверждается большой величиной отношения несинонимических и синонимических мутаций. Мутации эпитопов, являющихся мишенью иммунного ответа, быстро фиксируются в вирусной популяции метлой отбора, которая быстро заменяет последовательности-мишени последовательностями, не распознаваемыми иммунной системой хозяина. Было подсчитано, что одна новая адаптивная мутация фиксируется в белке env ВИЧ каждый 3,3 месяца (Williamson, 2003; Bar et al., 2012). Многие исследовательские группы внесли свой вклад в понимание механизмов избегания белком env иммунного ответа у больных в разные промежутки времени после инфицирования. Наблюдают последовательные изменения вируса, за которыми следуют изменения в иммунном ответе: за избеганием следует цикл подавления инфекции.

В одном недавно проведенном исследовании Бар с коллегами (2012) опубликовали подробный анализ трех ВИЧ-инфицированных пациентов, у которых произошло изменение серологических показателей. Чувствительная методика секвенирования позволила авторам исследовать последовательности индивидуального генома самого первого вируса, которым был инфицирован каждый больной; опираясь на эти данные, авторы смогли вывести последовательность вирусного генома, который передавался между этими пациентами. Имея на руках эту информацию, авторы секвенировали индивидуальные вирусные геномы возникающих квазивидов, находящихся под давлением иммунологического отбора. В течение двух недель с момента изменения серологических показателей у пациентов были обнаружены нейтрализующие антитела. Это был относительно слабый первичный антительный ответ, но эти антитела быстро отреагировали на появление избегающих мутаций в гене env. Детальная характеристика избегающих мутантных геномов у каждого больного показала, что существует целый набор различных путей ухода от иммунного ответа в последовательностях env. У одного больного иммунное избегание возникло вследствие мутаций в иммунодоминантной петле V3; у второго пациента наблюдали множественные мутации в домене V2, многие из которых касались гликозилирования белка; мутации у третьего больного происходили в наружном домене белка env. Ученые особо отметили очень быструю эволюцию мутаций иммунного избегания, несмотря на слабость давления первичного иммунного ответа. Это служит иллюстрацией того, что большая численность популяции, быстрота цикла репликации вирусов и оборот популяции вирусов могут использовать даже слабое давление отбора для оптимизации генома ВИЧ.

Имеет определенный смысл, что ВИЧ-1 использует тот же набор эволюционных инструментов для избегания иммунного ответа хозяина, что и вирус гриппа. Кодирующие последовательности иммунодоминантных, гипервариабельных участков env демонстрируют предпочтение к летучему использованию кодонов в сравнении с другими участками белка; чаще всего подвергаются несинонимическим мутациям кодоны мелких гидрофобных аминокислотных остатков (Stephens, Waelbroeck, 1999). Геном ВИЧ-1 не сегментирован, и поэтому перетасовка генов этим вирусом не используется, но нередко наблюдаются рекомбинации между вирусными геномами разных квазивидов, реплицирующихся в клетках-хозяевах при ВИЧ-1 (Zhuang et al., 2002). Это разительный контраст по сравнению с вирусами гриппа, у которых рекомбинация происходит крайне редко (если вообще происходит), вероятно, потому что способ репликации их геномов дает меньше возможности для генетического обмена такого типа. Рекомбинантные линии подтипов ВИЧ-1 очень часто встречаются при пандемии, и они могут играть значимую роль в патогенезе заболевания у каждого конкретного пациента. Представляется, что рекомбинация, в частности когда у больных наблюдают очень высокую виремию, может быть важным источником генетической новизны, повышающей устойчивость вируса (Levy et al., 2004; Wei et al., 2003). Есть и дополнительная стратегия ВИЧ-1, которая не была (возможно, пока) зарегистрирована у других вирусов: ранние исследования, в которых изучали нейтрализацию вирусных антигенов и избегание иммунного ответа, показали, что вирус использует для избегания быстро образующийся «гликановый щит» (Wei et al., 2003). Сама по себе это отнюдь не уникальная стратегия иммунного избегания: патогены часто меняют паттерны гликозилирования своих поверхностных гликопротеинов для того, чтобы избежать ударов иммунной системы. Ученые из Лозанны (Швейцария) недавно опубликовали данные анализа, который позволил выявить мотивы повторяющихся нуклеотидных триплетов в гипервариабельных участках белка env (De Crignis et al., 2012). Эти повторы обладают способностью порождать генетическое разнообразие и изменять состав гликанового щита вируса. Таинственный тринуклеотид RNY, где R – пурин, Y – пиримидин, а N – произвольное основание, был обнаружен в вариабельных участках гена env, в большом количестве, исключающем случайность; были также обнаружены длинные отрезки, состоящие из повторов этого тринуклеотида, причем эти повторы укладываются в рамку считывания аминокислот. Швейцарская группа до этого обнаружила, что вариабельный участок 4 в вирусах, взятых у одного больного, часто накапливает варианты с вставками или делециями из трех или многих троек нуклеотидов. В этом исследовании такие вариации повторов RNY были обнаружены в четырех из пяти вариабельных участков гена env. Аминокислотами, кодируемыми измененными триплетными повторами, чаще всего оказываются аспарагин, аминокислотный остаток белков, которые чаще всего являются объектом N-гликозилирования. Представляется вероятным, что эти особенности в последовательностях обеспечивают работу механизма, посредством которого вирус меняет гликановый щит оболочки, создавая барьер между белковыми эпитопами и антителами хозяина. То, что естественный отбор может поддерживать существование этих таинственных нуклеотидных повторов в гене env, объясняет предпочтительность и перспективность гипервариабельных последовательностей, подверженных ошибкам при репликации. Что же касается отбора волатильных кодонов, можно сказать, что отбор гипермутабельных последовательностей должен зависеть от истории уравновешивающего отбора в этих сайтах белка. «Прямые» и «обратные» мутации посредством дупликации или делеции являются самыми вероятными полезными мутационными событиями в этих последовательностях. Так же как дупликация при частом ее протекании обеспечивает адаптивное преимущество под давлением селективного иммунологического отбора, так и сочетание дупликации с делецией тоже происходит часто в том же месте и является полезным при изменении давления отбора. Эти делеции или мутационные события обычно меняют рисунок аспарагин-гликановых модификаций, которые часто оказываются полезными для иммунного избегания. Итак, здесь мы имеем дело не с причинностью и не с эволюционной предусмотрительностью; этот механизм вариаций в нуклеотидных последовательностях возникает вследствие общепризнанного процесса естественного отбора (который, конечно, действует на имеющиеся фенотипы и в данный момент времени).

Определенные эпитопы, на которые нацелен иммунный ответ у одного инфицированного больного, могут отличаться от эпитопов другого благодаря генетическим различиям в структуре иммунитета. Так происходит в результате отбора, улучшающего адаптацию вируса к конкретному индивиду-хозяину, но это не гарантирует, что новоприобретенный генотип будет обладать селективным преимуществом в организме следующего хозяина. Генетическая информация инфицирующего вируса несет на себе несмываемый отпечаток воздействия иммунной системы предыдущего хозяина. Наиболее влиятельными генетическими факторами хозяина (по меньшей мере при нашем современном понимании), действующими в гонке вооружений между вирусом и иммунной системой, являются аллели HLA класса I. Это определяет способность иммунной системы распознавать вирусные эпитопы посредством цитотоксических Т-клеток. Образованные из вирусного белка пептиды дифференциально представляются как цели для Т-клеток в зависимости от HLA-аллелей хозяина. Обладание избранными HLA-гаплотипами, как выяснилось, полезно для некоторых индивидов, так как позволяет им более эффективно подавлять репликацию вирусных частиц, в то время как другие индивиды такими гаплотипами не обладают. Пептиды CTL-эпитопов главного структурного белка Gag ВИЧ-1 служат основными мишенями для клеточно-опосредованного иммунитета, а значит, являются объектами мощного давления отбора посредством мутаций. Этот белок в высшей степени консервативен и имеет несколько важных структурных и функциональных доменов. Считается, что CTL-распознавание пептидов внутри критически важных структур этого белка является преимуществом для хозяина. Мутации для избегания иммунного ответа, которые изменяют эти эпитопы, должны снижать адаптивность вируса и в результате подавлять способность к репликации. В самом деле, это представляется весьма вероятным; индивиды, демонстрирующие эффективный и обширный CTL-ответ на Gag CTL-эпитопы, отличаются меньшим содержанием вирусов в тканях организма (Edwards et al., 2002; Ramduth et al., 2005). Эти реакции особенно эффективны у больных с благоприятными аллелями HLA-I в HLA-B.

Многие исследования, особенно проведенные под руководством доктора Эрика Хантера в Университете Эмори в Джорджии, имели цель открыть наиболее значимые факторы, управляющие интенсивностью первоначальной виремии, которая возникает при инфицировании нового хозяина. Интенсивность первоначальной виремии может быть показателем вирулентности инфекции и является прогностически важной в определении скорости прогрессирования заболевания на его ранней стадии (вспомним, что ранние стадии инфекций могут играть решающую роль в разрушении иммунной системы хозяина), а также уровня передачи. Эта работа включает в себя детальное изучение когорт пар, участвовавших в передаче вируса, где необходимо выделение вируса из организма донора и из организма реципиента и известны HLA-гаплотипы обоих хозяев. Приспособленность (способность к репликации) соответствующих штаммов вируса можно определить в лаборатории, наряду с анализом мутаций избегания иммунного ответа, происшедших в организме донора. Эти параметры можно сравнить с вирусной нагрузкой донора и инфицированного им партнера. При этом возникают несколько тем (Prince et al., 2012): существует значимая конкордантность между вирусной нагрузкой донора и реципиента независимо от их HLA-гаплотипов. Это согласуется с важным влиянием природной вирулентности вируса. Более того, первоначальный подтип инфицирующего вируса с множеством мутаций избегания иммунного ответа часто обладает сниженной способностью к репликации и реплицируется на низком уровне на ранней стадии инфекции. Наконец, уровень ранней репликации вируса производит устойчивый эффект на прогрессирование заболевания в долгосрочной перспективе. Эти результаты согласуются с гипотезой о том, что вирусы, накопившие множество мутаций избегания иммунного ответа, обладают сниженной вирулентностью в организме нового хозяина, а на исход заболевания сильное влияние оказывает ранняя стадия инфекции. Статус HLA-I донора определяет, какие варианты избегания CTL выбраны вирусным геномом. Определенные благоприятные HLA-аллели сочетаются с более медленным прогрессированием заболевания, так как они отбирают варианты с пониженной вирулентностью. Следовательно, особый интерес представляет выяснение исходов после передачи таких вирусов индивидам с несовпадающими HLA-I-гаплотипами (Chopera et al., 2008). В этом фокусном исследовании индивиды, инфицированные от больных с благоприятными типами HLA-I-аллелей (а следовательно, с ослаблением мутаций избегания ответа), лучше справлялись с заболеванием. Более того, как и ожидалось, мутации избегания, сочетающиеся со снижением приспособленности вируса, претерпевали реверсию в ходе эволюции внутри организма хозяина. Тем не менее эти больные сохраняли преимущество, так как были инфицированы вирусами с ослабленной вирулентностью, и заболевание у них протекало медленнее, несмотря на отсутствие благоприятного HLA-гаплотипа. Таким образом, исход игры с ВИЧ-1 определяется уже в первом периоде матча.