Фундаментальная основа ретровирусного генома составлена из генов, кодирующих жизненно необходимые вирусные белки – gag, pol и env. Лентивирусные геномы обладают наибольшей сложностью среди геномов всех ретровирусов и располагают наборами дополнительных генов, кодирующих белки, играющие важную роль во взаимодействии вируса с хозяином; эти гены участвуют в избегании противовирусного и иммунного ответа и в значительной степени влияют на диапазон возможных хозяев (Malim, Emerman, 2008). Подобно env, они быстро эволюционируют и, возможно, неслучайно находятся в геноме в виде единого кластера. Считается, что такое отделение облигатных и, по необходимости, консервативных генов от быстро эволюционирующих генов избегания может представлять собой эволюционное преимущество перед лицом естественного отбора. Таким способом генетическая вариабельность дополнительных и оболочечных генов может защищать вирус от иммунитета хозяина и одновременно не причиняет вреда фундаментальным механизмам репликации вируса. Это напоминает строение геномов вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК, у которых неядерные гены находятся на концах линейных структур ДНК, представляя собой некую песочницу, в которой вирус может без вреда для себя проводить разнообразные генетические опыты. ВИЧ-1 и SIVcpz обладают четырьмя дополнительными генами, названными vpu, vif, vpr и nef; у родственников этих вирусов, вызывающих иммунодефицит у африканских зеленых мартышек и имеющих с этими вирусами общего предка, отсутствует ген vpu. Вирус SIVmac, возникший, когда SIVsmm инфицировал макак, тоже утратил ген vpu, но зато приобрел ген vpx, который, как представляется, возник в результате дупликации и дивергенции гена vpr. Неизвестно, участвовал ли подобный механизм в древние эволюционные времена в создании дополнительных вариабельных генов других лентивирусных белков. Замечательное разнообразие дополнительных генов выдает их общую цель: они все отвечают за физическое связывание вирусов с клеточными белками. Эти гены не кодируют ни структурные белки, ни ферменты, а лишь вариабельные белки-лиганды, задачей которых является противодействие ограничивающим свободу вируса клеточным механизмам, а также нарушение клеточных функций, препятствующих репликации вирусных частиц. Кодирующая способность этих генов сильно ограничена, и поэтому они кодируют очень короткие белки длиной менее 150 аминокислот, но белки эти способны связывать множество разнообразных структурных клеточных белков. Эволюция функций дополнительных белков в контексте эволюции лентивирусов приматов и межвидовой передачи обеспечивает гибкое взаимодействие с клетками хозяина. Эти белки представляют собой эволюционные системы быстрого реагирования, так как быстро адаптируются к изменениям клеточных защитных механизмов. Возникает впечатление, будто эволюция создала их в соответствии с набором структурных правил, создающих белки-хамелеоны с присущей им пластичностью и способностью к перестройке под воздействием изменчивого давления отбора (McCarthy, Johnson, 2014). Эти белки в любой момент доступны вирусным квазивидам в форме меняющих свое строение белковых лигандов, способных, соответственно, менять свои цели. Неясно, однако, до какой степени это является уникальной особенностью дополнительных генов и не касается продуктов других вирусных генов; представляется, что для вируса было бы большим преимуществом, если бы это свойство было шире представлено в его геноме. Тем не менее быстрая эволюция дополнительных генов и генов некоторых участков оболочки достаточно резко отделяет их от других вирусных генов, которые находятся под сильным давлением очищающего естественного отбора и вынуждены сохранять свои хорошо отрегулированные функции в течение всего жизненного цикла вируса.

Давайте теперь рассмотрим молекулярные механизмы действия кодируемых клетками факторов ограничения вирусной активности, а также разберемся, как вирусные белки мобилизуются для обороны. Эти клеточные белки были созданы эволюцией в качестве первой линии многогранной защитной системы, охраняющей клетки от вирусных инфекций. Клетки развили сеть чувствительных к патогенам систем, которые готовят клетку к вторжению вирусов. Эти белки собирательно называют патоген-распознающими рецепторами. Некоторые из них выявляют молекулярную «подпись» инфекции, обычно по присутствию чужеродных нуклеиновых кислот; под надзором находятся все одноцепочечные и двухцепочечные РНК, а также двухцепочечные вирусные ДНК. Некоторые патоген-распознающие рецепторы находятся на плазматической мембране или в цитозоле, другие встроены в мембраны эндосом, позволяя этим последним отбирать содержимое мембранных пузырьков, в виде которых вирусы обычно проникают в клетку (Rustagi, Gale, 2014). Несмотря на то что в эту группу входят самые разнообразные белки, все они отвечают на специфические стимулы, запуская сигнальные каскады, включающие синтез интерферона и других элементов врожденных иммунных ответов. Факторами ограничения вирусной активности являются индуцируемые интерфероном типа 1 белки, которые на разных уровнях противодействуют вирусам (Altfeld, Gale, 2015; Malim, Bieniasz, 2012). Как правило, эти белки нарушают активность многих вирусов или их групп и, таким образом, могут противостоять широкому спектру вирусных инфекций. Вирусы, которые эволюционировали, адаптируясь к определенному хозяину, обычно располагают высокоспецифичными механизмами нейтрализации защитных клеточных систем. В ходе совместной эволюции вируса и хозяина большая часть генетической гонки вооружений развертывается в конфликте между клеточными генами защиты и противостоящими ей вирусными генами.

Теперь мы разберемся, как лентивирусы приматов научились противостоять клеточным защитным механизмам. Эти лентивирусы особенно интересны, потому что мы можем разделить их на вирусы, эволюционировавшие в большей или меньшей (в силу их недавнего возникновения) степени в своих отношениях с хозяевами. SIVagm в течение тысячелетий эволюционировал совместно с низшими обезьянами Старого Света, в то время как ВИЧ-1, SIVcpz и SIVmac возникли недавно в результате межвидовой передачи (Sharp, Hahn, 2010). Согласно эмпирическим лабораторным наблюдениям, ВИЧ может эффективно реплицироваться в человеческих клетках в тканевых культурах, но репликация в клетках животных других биологических видов сильно подавляется защитными факторами. Это индикатор важности автономной клеточной защиты от целого спектра вирусов. Межвидовая передача требует ликвидации этой первой линии обороны для того, чтобы вирус мог беспрепятственно реплицироваться в клетках нового хозяина, а также распространяться в другие организмы и одновременно эволюционировать. Таким образом, избегание защитных механизмов является непременным предварительным условием успешной зоонозной передачи. Весьма вероятно, что существование заранее адаптированного генетического варианта в геноме инфицирующего вируса служит тем решающим фактором, который отличает успешную передачу вируса новому хозяину от абортивной. Факторы, ограничивающие активность лентивирусов, реализуются различными механизмами, но те из них, что были изучены (а это, вероятно, лишь малая часть всего клеточного арсенала), делают это единообразно и могут, таким образом, атаковать разные вирусы.

Мы разберем три примера клеточного ограничения активности лентивирусов и эволюцию их способности нейтрализовать эти ограничения. Недавние межвидовые перескоки рассматриваемых лентивирусов сосредоточат наше внимание на отношениях лентивирусов к ограничивающим факторам, развившимся совсем недавно, но на самом деле эти факторы формировались на протяжении многих миллионов лет в ходе непрерывной гонки вооружений с различными ретровирусами и вирусами других семейств. Дополнительные белки лентивирусов обычно поражают клеточные ограничительные механизмы путем непосредственного физического связывания с белками ограничительных факторов. Это позволяет специалистам по эволюционной и молекулярной биологии точно выявить места белок-белкового взаимодействия; эти места взаимодействия находятся под непрерывными повторными атаками положительного отбора, так как происходит конкуренция с целью избежать связывания с атакующими их вирусными белками (Emerman, Malik, 2010). Это с очевидностью проявляется в очень высоком уровне несинонимических мутаций, которые накапливаются в этих положениях. Три способа ограничения активности вирусов, которые нам предстоит рассмотреть, реализуются кардинально разными путями, но все они соответствуют тактике Черной Королевы.

TRIM5α (tripartite-motif-containing 5α, трехчастный блок, содержащий 5α) является ограничительным клеточным фактором, принадлежащим большому семейству родственных белков, и располагает уникальным механизмом ограничения вирусной активности. Претерпев структурную модификацию под воздействием запуска активности интерферона, он непосредственно связывает капсидные белки ретровирусов, препятствуя распаду капсида и предупреждая обратную транскрипцию генома (Stremlau et al., 2006; Malim, Bieniasz, 2012). Домен карбоксильного конца белка характеризуется большой вариабельностью аминокислотных последовательностей у разных видов и множеством несинонимических мутаций, которые выявляются при сравнительном изучении нуклеотидных последовательностей в соответствующих клеточных генах. Эти особенности выдают быструю эволюцию данных участков белка под действием давления положительного отбора. Белок собирается в многомерные комплексы, которые поливалентно связывают капсид. Это поливалентное связывание обеспечивает высокую авидность связывания и может облегчать функцию TRIM5α, несмотря на весьма скромную аффинность мономеров к вирусному белку. Вероятно, это свойство позволяет быстро создавать альтернативные специфичности при инфицировании новым ретровирусом. Стоит особо отметить, что в то время как другие факторы ограничения вирусной активности взаимодействуют с дополнительными белками ретровируса, TRIM5α этого не делает. Восприимчивость ретровируса к воздействию TRIM5α непосредственно определяется аминокислотными последовательностями вирусного капсида. TRIM5α является мощным барьером для межвидовой передачи ретровирусов, капсиды которых связываются с этим ограничивающим фактором. Совместная эволюция вируса и хозяина обычно приводит к отбору тех белков капсида, которые избегают связывания с ограничивающим клеточным фактором, что позволяет капсиду раствориться в инфицированной клетке.

Дополнительный белок ВИЧ, vif, очень важен для роста этого вируса в человеческих CD4+T-клетках в лабораторных условиях. Было обнаружено, что его роль заключается в нейтрализации фактора ограничения, экспрессируемого в человеческих клетках (Sheehy et al., 2002). Этот фактор – APOBEC3G (аполипопротеин B фермента, корректирующего мРНК, каталитический пептидоподобный 3G), белок, который был впервые обнаружен благодаря своей способности менять цитидин на уридин при формировании мессенджер-РНК. Последовательность этого белка гомологична прокариотической дезаминазе цитидина, но при этом в ходе эволюции приобрела способность редактировать остатки цитидина в нуклеотидных полимерах. Ограничение вирусной активности осуществляется включением в вирусные частицы и связыванием с комплексом обратной транскрипции в инфицированных клетках, где он осуществляет дезаминирование остатков цитидина в негативной цепи ДНК, которая затем превращается в провирус. Окончательный результат состоит в том, что молекулы гуанозина замещаются аденозином в РНК-геноме вируса: ограничительный фактор является мутагеном и может заменить одну из десяти молекул цитидина в геноме. Белок vif нейтрализует ограничение, связываясь с белком APOBEC3G и осуществляя его протеолиз протеасомами, которые являются главным клеточным путем обмена белков и внутриклеточного гомеостаза. Один из аминокислотных субдоменов белка vif взаимодействует с APOBEC3G с видовой специфичностью. Vif вируса иммунодефицита человека нейтрализует человеческий APOBEC3G, но не может нейтрализовать гомологичный белок африканской зеленой мартышки. Наоборот, vif SIVagm может нейтрализовать обезьяний APOBEC3G, эта разница объясняется единичной заменой аминокислоты в положении 128, которая определяет связывание между vif и белком APOBEC3G (Malim, Bieniasz, 2012).

APOBEC3G, будучи цитидиновой дезаминазой, способной производить замещение гуанозина аденозином, а цитидина тимидином в молекулах ДНК, является мощным источником генетических вариантов. Накапливаются данные о том, что, несмотря на противодействие активности APOBEC3G со стороны белка vif вируса иммунодефицита человека в инфицированных человеческих клетках, мутагенное воздействие на вирусный геном сохраняется после инфицирования (Sadler et al., 2010; Kim et al., 2010). Представляется, что этот механизм ограничения вирусной активности способен ускорять адаптивную эволюцию вирусов посредством сублетального мутагенного воздействия на вирусный геном. Независимо от этих наблюдений над адаптированным к человеку ВИЧ-1, мощность ограничительной противовирусной активности APOBEC3G была исчерпывающе исследована в лаборатории доктора Джона Коффина. Ученые исследовали патогенные возможности XMRV – нового вируса, выделенного из человеческих клеток (xenotropic murine leukemia virus-related virus). Вирус исследовали во многих лабораториях, ибо его связывали с возникновением рака простаты и миалгического энцефаломиелита (синдрома хронической усталости). Эти наблюдения не подтвердились, и доброе имя вируса не пострадало. На самом деле, это была рекомбинантная вирусная линия, которая возникала в тканевых культурах, а не была природной линией. Независимо от этого прискорбного научного недоразумения, которое было детально разобрано в литературе (Delviks-Frankenberry et al., 2012), Коффин провел свои лабораторные опыты и дал биологически весьма информативные данные (Del Prete et al., 2012). Авторы вырастили вирус в тканевой культуре и ввели его свинохвостым макакам, чтобы определить его патогенный эффект. Не сумев обнаружить достаточный уровень вирусной РНК, ученые исследовали клеточно-ассоциированную ДНК в поисках провирусной ДНК XMRV. Они нашли искомый провирус, характерный для ретровирусной инфекции, но во всех фрагментах обнаружили превращение гуанозина в аденозин. APOBEC3G макаки систематически инактивировал чужеродный вирусный геном. Это было ограничение активности вируса в действии!

Таким же любопытным является и последний пример ограничительного механизма, действующего против лентивирусов приматов. Это белок, названный тетерином, который оказывает ограничительное воздействие на одетые в оболочки вирусы. Это уникально адаптированный белок, который буквально приковывает вирус к клеточной мембране, препятствуя его отделению от нее (Perez-Caballero et al., 2009). Для нас же самое интересное – это понять, как эволюционировали лентивирусы приматов для того, чтобы нейтрализовать этот механизм. Примечательно, что, живо иллюстрируя изобретательность эволюции, различные ретровирусы используют разные гены для противостояния активности тетерина. Он инактивируется прямым связыванием с вирусным белком: у африканских зеленых мартышек тетерин атакуется белком, продуктом гена nef, так же как и тетерин шимпанзе, обезьяний белок nef неспособен связывать и нейтрализовать человеческий тетерин. ВИЧ-1 располагает новым дополнительным белком, продуктом активности гена vpu, который первоначально возник в SIVcpz, и именно этот белок атакует тетерин при ВИЧ-1-инфекции (Malim, Emerman, 2008). Белок человеческого тетерина представляет собой новый структурный вызов, с которым обезьяньи лентивирусы не могут справиться, выбирая варианты гена nef вируса иммунодефицита обезьян. ВИЧ-1, в попытке справиться с этим затруднением, создал новый лиганд – vpu. Интересно отметить, что зоонозный ВИЧ-2, потомок SIVsm, поражающего дымчатых мангобеев, нашел иное решение проблемы нейтрализации человеческого тетерина. У ВИЧ-2 роль антагониста тетерина взял на себя гликопротеин вирусной оболочки (Le Tortorec, Neil, 2009; Bour, Strebel, 1996). Представляется, что обладание многими дополнительными генами и генами, обладающими способностью к быстрой эволюции и значительной структурной пластичностью, является большим преимуществом лентивирусов приматов, так как позволяет им успешно совместно эволюционировать с новыми видами хозяев, несмотря на естественную резистентность, обусловленную клеточными механизмами ограничения вирусной активности.

Наличием нашего видового барьера мы обязаны по большей части специфическим ограничительным механизмам, ключевым элементам нашего видоспецифичного иммунного ответа. Примеры, которые мы обсудили, представляют видовые барьеры на пути межвидовой передачи лентивирусов приматов. Несмотря на филогенетическое родство как вирусов, так и хозяев, ограничительные клеточные механизмы проявляют удивительную способность к дивергенции за очень короткое по эволюционным меркам время, что говорит о значительном давлении положительного естественного отбора в конфликте с генами патогенных вирусов. Ограничительные противовирусные механизмы – это наша лучшая защита против появления новых пандемических патогенных вирусов, но некоторые из них с успехом обходят это препятствие, обходят с опустошительными для нас последствиями, и, как мы увидим, легион вирусов подстерегает нас за стенами нашей крепости, мирно размножаясь в резервуарах своих естественных хозяев. Они терпеливо испытывают генетические варианты, которые в благоприятных условиях смогут создать для них средство и возможность обойти наши ограничительные клеточные механизмы и стать человеческими вирусами.