Вирусы предпочитают перебираться на новых хозяев, а не эволюционировать вместе со старыми

Когда формируются новые виды, откуда берутся их вирусы? Вирусы, являющиеся не более чем стадом свободно пасущегося генетического материала, отчаянно нуждаются в клеточных структурах своих хозяев и в ресурсах, чтобы снова и снова воспроизводиться. Вирус без хозяина — это ничто.

В силу такой зависимости некоторые вирусы сохраняют верность своим хозяевам на всем протяжении эволюции, мутируя и немного изменяясь всякий раз, когда хозяин превращается в новый вид. Этот процесс называется содивергенция. Люди и шимпанзе, например, имеют немного отличающиеся друг от друга вирусы гепатита В, причем оба они, скорее всего, мутировали из той версии, которая более четырех миллионов лет назад заразила общего предка человека и обезьяны.

Другой вариант, носящий название межвидовой переход, случается тогда, когда вирус переселяется на хозяина совершенно нового типа, который никак не связан с предыдущим. Такой вид вирусной эволюции связан с новыми тяжелыми болезнями, как то птичий грипп, ВИЧ, лихорадка Эбола и атипичная пневмония. А поскольку такие болезни исключительно опасны, нам повезло, что межвидовой переход это довольно редкое явление.

Однако недавно, когда ученые из Австралии провели первое исследование долговременной эволюции тысяч различных вирусов, они пришли к поразительному заключению: межвидовой переход намного важнее и происходит намного чаще, чем мы себе представляли. Смена видов является движущей силой большинства крупных эволюционных новообразований в вирусах. Между тем, содивергенция распространена меньше, чем мы предполагали, и вызывает она главным образом постепенные изменения.

«Они весьма убедительно показали, что содивергенция является скорее исключением, чем правилом», — сказала эволюционный биолог Плуни Пеннингс (Pleuni Pennings), работающая доцентом в университете Сан-Франциско и не участвовавшая в исследовании австралийцев.

Эти выводы отнюдь не означают, что новые болезни, возникающие от межвидового перехода, являются более серьезной и неминуемой угрозой, чем предполагала медицина. Однако они показывают, что динамика эволюции вирусов может быть неожиданно сложной. Если ученые недооценивали частоту перехода вирусов к новым хозяевам, то в таком случае очень важным приоритетом становится изучение того, какие вирусы больше всего к этому предрасположены.

Есть множество причин, по которым межвидовые скачки вряд ли могут оказывать существенное влияние на эволюцию вирусов. Препятствия, мешающие вирусу успешно перейти к хозяину из другого вида, весьма серьезные и труднопреодолимые. Если вирус не в состоянии манипулировать генетическим материалом хозяина и воспроизводиться, то это тупик, конец ветви. Вирусу может понадобиться множество попыток инфицировать нового хозяина, которые он предпринимает на протяжении десятилетий или даже больше, аккумулируя в это время соответствующие мутации. Делает он это до тех пор, пока не самоутвердится и не начнет размножаться и распространяться.

Прошлой весной, например, группа биологов и исследователей из области биомедицины во главе со Сьюзан Вандевуд (Susan VandeWoude), работающей профессором компаративной медицины в университете штата Колорадо, привела пример того, что можно назвать неполным межвидовым переходом. Вандевуд исследует лентивирусы. Это такой тип ретровируса, к которому относится ВИЧ. Его носителями являются пумы и рыжие североамериканские рыси. Профессор вместе со своим исследовательским коллективом постоянно находила определенный лентивирус рыжей рыси у пумы в Калифорнии и Флориде. Но всякий раз генетические данные указывали на то, что вирус этот появился в результате контакта пумы с инфицированной рысью, скажем, когда пума съедала рысь, а не от другой инфицированной пумы, которая распространяла его. Концентрация вируса у пум тоже была невелика, а это указывает на то, что вирусу трудно воспроизводиться.

Короче говоря, вирус попадал к новому кошачьему хозяину, однако организм этого хозяина не очень подходил для паразита, и он не мог обосноваться на нем должным образом. «Во многих случаях перехода не было никаких данных, указывающих на то, что новый вирус в пумах размножался», — отмечает Вандевуд. (И напротив, команда Вандевуд выяснила, что определенная форма рысьего вируса перекочевала на флоридских пантер, которые передавали адаптировавшийся у них вариант.) Поскольку переход лентивируса с одного вида кошачьих на другой происходит столь часто, со временем он может достаточно сильно мутировать, после чего пума станет для него подходящей средой обитания. Но пока этого не произошло, хотя таких возможностей было предостаточно.

Более того, когда вирусы успешно перескакивают с одного вида на другой, они могут стать жертвой собственного успеха. Это прежде всего относится к небольшим изолированным популяциям (именно так зарождались многие новые виды). Опасные вирусы могут очень быстро уничтожить доступных хозяев, после чего исчезнут сами.

По этой причине вирусологи могут с большой долей уверенности говорить о том, что даже если межвидовые скачки в широких временных рамках происходят часто, содивергенция вирусов и их хозяев может являться нормой. Но экспериментальных данных, подтверждающих это предположение, довольно мало. «Идеальная содивергенция это одно из тех явлений, о котором можно узнать. Но если попытаться найти хорошие примеры такой содивергенции, то окажется, что они очень и очень редки», — говорит Пеннингс.

Профессор биологии Сиднейского университета Эдвард Холмс (Edward Holmes) и его австралийские коллеги решили разгадать эту загадку. С помощью данных о вирусном геноме они реконструировали историю эволюции 19 основных вирусных семейств, каждое из которых содержит от 23 до 142 вирусов, обитающих в разных хозяевах, начиная с млекопитающих и заканчивая рыбами и растениями. Они создали филогенетические (эволюционные) схемы для семейств вирусов и для видов их хозяев, после чего сравнили их. Ученые рассуждали следующим образом: если вирус в основном содивергирует со своим хозяином, эволюционируя вместе с ним, то в этом случае филогенетическая схема вируса должна быть схожа со схемой его хозяина, поскольку предки вируса должны были инфицировать предков хозяина. Но если вирус скачет от хозяина к хозяину, эволюционные схемы хозяев и вирусов будут выглядеть по-разному. Насколько по-разному? Это зависит от количества межвидовых переходов.

В своей работе, опубликованной в журнале PLOS Pathogens, они сообщили о том, что во всех 19 семействах вирусов межвидовые переходы были широко распространены. По словам Холмса, для него не стало неожиданностью то, что каждое изученное ими вирусное семейство выглядело так, будто оно совершало межвидовые скачки. Но он был удивлен тем, как часто они совершали такие скачки на протяжении своей истории. «Они все это делают, — сказал Холмс. — И это нечто из ряда вон выходящее».

Касаясь вопроса о том, почему ученые раньше не осознали, насколько важны для эволюции вируса межвидовые переходы, Холмс объяснил, что в прошлом авторы филогенетических исследований зачастую слишком узко рассматривали проблему, изучая довольно небольшое количество видов хозяев и вирусов, и делая это в небольших временных рамках. За 10 или 20 лет можно и не получить межвидовой скачок. «А за миллион лет такое определенно происходит», — сказал Холмс.

Его новаторский подход «дает возможность взглянуть на долговременные связи между хозяевами и вирусами», сказал по поводу проведенного исследования доцент биологии Куинз-колледжа Джон Деннехи (John Denn).

Пониманию того, как и почему происходят межвидовые переходы, помогло наблюдение Холмса и его коллег за вирусами РНК (которые используют РНК в качестве генетического материала). Они пришли к выводу, что такие вирусы совершают межвидовые переходы намного чаще, чем вирусы ДНК (которые используют ДНК). «Наверное, это вызвано тем, что у них выше частота мутаций», — сказала Вандевуд. При сочетании меньшего генома и более высокой частоты мутаций у вируса РНК больше шансов на адаптацию к среде нового хозяина.

Кроме того, Холмс объясняет данную тенденцию разными жизненными циклами вирусов РНК и ДНК. Инфекции с участием вирусов РНК зачастую проходят тяжело, но они кратковременны, то есть, болезнь приходит и уходит довольно быстро, как это бывает с гриппом или обычной простудой. Такая быстротечность приводит к тому, что вирус может упустить возможность стать частью формирующегося хозяйского вида. «У опасного вируса поражающий эффект длится несколько дней или недель, — говорит Холмс. — И в среднем содивергенция в таких случаях происходит редко. Просто вирус довольно быстро исчезает».

А вот инфекции с участием вируса ДНК часто бывают хроническими. Когда часть популяции хозяина отклоняется от типичной формы, чтобы создать новый вид, у нее больше шансов забрать с собой вирус, так как инфицировано гораздо больше хозяев. Таким образом, вероятность содивергенции вируса и его нового хозяина повышается.

Образ жизни хозяина также играет определенную роль в переходе вирусов и в содивергенции при таких межвидовых скачках. «Мы знаем, что размер популяции хозяина и плотность очень важны, и этот фактор определяет количество носимых ими вирусов», — говорит Холмс. В качестве примера он приводит летучих мышей. Летучие мыши имеют обыкновение переносить большое количество разных вирусов, но отчасти это объясняется тем, что «летучих мышей огромное количество». Такие крупные популяции имеют больше шансов подцепить вирус. «Существует очень простое правило экологии: чем больше хозяев, тем больше опасных вирусов они могут переносить, — отмечает Холмс. — Просто у вируса больше шансов найти уязвимого хозяина».

В 1975 году Фрэнсис Блэк (Francis L. Black) из Йельского университета написал научную работу, давшую углубленное представление о том, как динамика популяции хозяев влияет на человеческие болезни. Изучив довольно изолированные и маленькие общины аборигенов Амазонки, ученые обнаружили, что хронические вирусные инфекции у этих людей случаются довольно часто, а вот острые инфекции в основном отсутствуют. Изоляция защищает эти племена от новых вирусов. Те немногочисленные опасные вирусы, которые все же попадали в туземные общины, в скором времени вымирали. Хозяев для выживания у них было немного, и поэтому вирусы исчезали довольно быстро.

Открытие, свидетельствующее о том, что межвидовые переходы происходят часто, может вызвать немалую тревогу, поскольку они связаны с новыми опасными болезнями. В прошлом скачков было много, и происходили они часто. Так что приготовило нам будущее — то же самое, но в больших количествах?

Необязательно. «Статистика межвидовых переходов из прошлого не всегда точно предсказывает будущее, особенно когда речь идет о людях», — говорит Пеннингс. Наш сегодняшний образ жизни тоже отличается от того, как жили люди всего несколько столетий тому назад, а поэтому и риск заболевания новыми болезнями у нас видимо тоже иной.

Человек также является носителем большого количества вирусов. У нас тоже слишком большие популяции, и мы невероятно мобильны, а значит, мы довольно легко и просто передаем вирусы новым восприимчивым хозяевам. «Мы совершаем множество действий, которые повышают шансы передачи вирусов. Мы любим совать свой нос в такие места, где нам не следует появляться, мы слишком часто рискуем, мы питаемся тем, чем не должны питаться, — говорит Вандевуд. — Наверное, мы самые злостные нарушители правил, а поэтому чаще всего становимся объектами межвидовых скачков — просто из-за того, что порой совершаем безумные поступки».

Такие безумные поступки часто приводят к столкновениям с другими видами. Чем чаще мы это делаем, тем больше подвергаемся воздействию новых вирусов. Наибольшей опасности нас подвергают те виды, с которыми мы контактируем чаще всего. «У нас больше шансов заразиться чем-нибудь от мышей, нежели от тигров», — говорит Пеннингс.

Однако дальнейшие исследования в области истории эволюции вирусов помогут ученым понять, есть ли такие виды, которым мы должны уделять больше внимания как источникам новых инфекций. (Эпидемиологи уже тщательно следят за вирусами, передающимися от домашней птицы человеку, поскольку опасаются птичьего гриппа.) Возможно, вирусы с растений, рыбы и млекопитающих не менее опасны для человека. В равной степени возможно, что в ходе исследований с целью прогнозирования следующей эпидемии ученые сузят сферу своего внимания, ограничив ее несколькими группами повышенного риска.

У Холмса иная точка зрения. «Не думаю, что прогнозы в данном случае могут быть результативны, — говорит он. — Я понимаю, зачем это делается, но количество новых вирусов, которые мы обнаруживаем, огромно, а поэтому прогнозы в данном случае просто непригодны».

К счастью, проводить такого рода анализ стало легче с появлением и развитием метагеномики, как называют раздел геномики, изучающий не геном отдельного организма, а совокупность геномной информации, получаемой из окружающей среды. В рамках таких исследований Холмс с коллегами отбирает геномные последовательности из целого ряда доступных баз данных. Им не нужны физические образцы вирусов, и это само по себе новшество в данной области исследований. «Вирусология переходит на новый этап, когда при помощи метагеномики можно делать массовую выборку, чтобы посмотреть, что там имеется», — говорит Холмс.

Он также отмечает, что новая информация о вирусах сегодня более доступна, а поэтому созданные им и его коллегами филогенетические схемы в ближайшем будущем будут претерпевать серьезные изменения. «Года через три эти схемы будут намного полнее, потому что мы найдем очень много новых образцов этих вирусов», — обещает Холмс.