53. Происхождение и эволюция вирусов

Происхождение вирусов — вопрос, который на протяжении многих лет составлял предмет дискуссий. Было выдвинуто три гипотезы происхождения вирусов:

1. Вирусы — потомки бактерий и других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную (регрессивную) эволюцию.

2. Вирусы — потомки древних доклеточных форм жизни, перешедших к паразитическому способу существования.

3. Вирусы — дериваты (производные) клеточных генетических структур, ставших относительно автономными, но сохранивших зависимость от клеток.

Идея регрессивной эволюции вирусов впервые была высказана французским ученым Николлем, развита американцем Грином и модернизирована Барнетом в 1943 г. Основанием для выдвижения этой гипотезы явилось существование крупных сложноустроенных ДНК-содержащих вирусов, имеющих сотни генов и обладающих относительной автономностью систем репликации/транскрипции. Примером могут служить поксвирусы (вирусы оспы). Согласно идее регрессивной эволюции, вирусы оспы находятся последними в ряду облигатных внутриклеточных паразитов — потомков бактерий:

Бактерии -> микоплазмы и риккетсии -> хламидии -> вирусы оспы

В свете современных данных о вирусах, эта гипотеза не находит сторонников, так как мир вирусов слишком велик, чтобы признать возможность столь глубокой дегенеративной эволюции. Наиболее веским аргументом против теории регрессивного происхождения вирусов является неклеточная организация вирусов.

Вторая гипотеза – происхождение вирусов из доклеточных форм жизни — базируется на многообразии видов генетического материала у вирусов, которое «исчерпывает» все возможные формы — однонитевые и двухнитевые ДНК и РНК, их линейные, кольцевые, сегментированные формы. Природа как бы испробовала на вирусах возможные варианты нуклеиновых кислот. В настоящее время известны генетические паразиты, не кодирующие белков и обладающие рибозимазной активностью (вироиды), которые, по всей вероятности, являются прародителями отдельной эволюционной линии РНК-геномных вирусов. Вирусные геномы обладают кодом, который реализуется с использованием клеточных механизмов репликации/транскрипции, что делает маловероятной возможность возникновения вирусов до появления клеточных форм жизни.

Третья гипотеза была сформулирована около 30 лет назад и получила название гипотезы «взбесившихся генов». Она предполагает, что вирусы являются видоизмененным генетическим материалом клеток.

Вирусы — автономные генетические элементы, которые во многом сходны с другими видами переносимых генетических элементов: R- и F-факторами бактерий, плазмидами, вироидами, транспозонами. Их функционирование не может происходить без взаимодействия с клеткой. В связи с этим, истоки происхождения вирусов целесообразно рассматривать в контексте происхождения жизни на земле.

Согласно современным представлениям, биологической эволюции предшествовала химическая эволюция, которая длилась около 1 млрд. лет. Именно на этапе «первичного бульона», обладавшего большим химическим многообразием, произошло образование полинуклеотидных цепей из пуриновых и пиримидиновых оснований, одним из свойств которых явилась комплементарность. Эволюция нуклеиновых кислот протекала за счет аутокаталитической активности. В настоящее время мы уже знаем, что ряд автономных кольцевых РНК (вироидов) обладают аутокаталитической (рибозимазной) активностью. Следующим этапом молекулярной эволюции было появление матричного синтеза полипептидов, которое стало возможно с появлением тРНК. Появление тРНК означало появление генетического кода. Полагают, что генетический код стал универсальным 2,5 млрд. лет назад. С появлением матричного синтеза начинает действовать естественный отбор — то есть размножаются и сохраняются наиболее приспособленные формы.

Предполагается, что первичные формы жизни содержали в качестве генетического материала РНК. ДНК появилась позже и с ее появлением произошло разделение функций между ДНК и РНК. ДНК — хранитель генетической информации, РНК — кодопереводчик. Возникшая протоклетка (прогенот), содержащая как ДНК, так и РНК, далее развивалась своим чередом, дав начало прокариотическим клеткам.

Наиболее вероятно, что основой для возникновения альтернативной генетической формы жизни — вирусов, явились сформировавшиеся первичные генетические системы репликации/транскрипции, которые по простоте и поведению соответствовали вирусным системам. При этом вирусы могли возникнуть на этой стадии первично или обособиться от клеточных генов, о чем свидетельствует наличие сходных нуклеотидных последовательностей у вирусов и подвижных генетических элементов клеток.

Особенностью РНК-геномных вирусов является наличие РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая также имеется у растений. По-видимому, именно растительные клетки явились источником происхождения многих РНК-содержащих вирусов. В этом контексте представляет интерес существование семейств вирусов, представители которых поражают растения, животных и насекомых — рабдо-, рео- и буньявирусы. Наиболее древними из них являются рабдовирусы.

Другая эволюционно обособленная группа вирусов — ретроидные вирусы. Сравнительная таксономия указывает на очень древнюю связь ретровирусов и ретроидных элементов гепаднавирусов и каулимовирусов с транспозонами и другими подвижными генетическими элементами клетки. Ретроидные элементы найдены во всех типах клеточных организмов. Это придает правдоподобность предположению, что ретроидные вирусы являются очень древними и могли образоваться одновременно или после возникновения обратной транскрипции, которая была вовлечена в самую раннюю стадию жизни на земле, когда ДНК геномы развились на основе РНК. Однако интересным и удивительным является тот факт, что ни один из классов ретротранспозонов не имеет прокариотических партнеров. Ретротраспозоны по структуре, особенностям транскрипции и механизму транспозиции ведут себя как ретровирусные провирусы. Ретротраспозоны кодируют несколько белков, одним из них является обратная транскриптаза, другие белки вместе с транскриптами образуют внутриклеточные рибонуклеклеопротеиновые частицы.

На основании структурно-функционального сходства и гомологии генома в настоящее время выделены две филогенетические линии вирусов.

Многие вирусы — папиломавирусы, герпесвирусы, вирусы дрожжей — персистируют в организме хозяина в виде эписом (кольцевые молекулы ДНК, способные интегрировать в ДНК хозяина), что делает их похожими на внехромосомные элементы наследственности бактерий — плазмиды. Плазмиды могут иметь клеточное происхождение или быть дериватами бактериофагов. Можно предположить, что в основе происхождения эписомных форм вирусов и плазмид лежат одни и те же механизмы, а именно механизмы образования транспозирующих элементов.

В происхождении другой группы ДНК-содержащих вирусов — бактериофагов, исследователи не сомневаются. Фаги, по крайней мере умеренные (способные интегрировать в бактериальную хромосому и существовать в виде профага), являются фрагментами бактериального генома, которые приобрели способность к независимой репликации и к построению вирионов.

Можно предположить, что в прокариотических клетках возникли всевозможные формы переносимых генетических элементов, из которых одни имели больший, другие — меньший успех в эволюции. В результате перехода в клетку нового хозяина они могли стать паразитами и эволюционировать своим путем.

Таким образом, совершенно очевидно, что нельзя говорить о каком-то общем происхождении вирусов. Кажется бесспорным, что РНК-содержащие вирусы — более древние, ДНК-геномные — более молодые. Эти группы вирусов произошли разными путями: от разных предковых последовательностей нуклеиновых кислот и в разное время — на разных этапах эволюции. При этом разные группы вирусов (ДНК-содержащие, РНК-содержащие, ретроидные вирусы) имеют филогенетическое родство с различными клеточными элементами, то есть имеют полифилетическое происхождение — происхождение из разных источников. Возникнув разными способами на разных этапах эволюции .клеток-хозяев, вирусы эволюционировали своим путем, в определенной степени зависимым от эволюции организмов, в которых они репродуцируются.

Эволюция вирусов

Биологическая эволюция — это процесс накопления изменений в организме и увеличение их разнообразия во времени.

Вирусы — это не организмы, это неклеточные формы жизни, основой которой является функционально активный геном. На генетическом уровне эволюция представляет собой накопление изменений в генетической структуре популяций и включает два этапа: первоначально происходит возникновение изменений в результате известных молекулярных механизмов изменчивости, затем их накопление и закрепление в популяции под действием естественного отбора.

Вирусы, являясь генетическими паразитами и представляя собой несовершенную форму жизни, подчиняются законам эволюции органического мира и обладают необходимыми атрибутами жизни — наследственностью и изменчивостью, а также подвержены естественному отбору. Изменчивость вирусов затрагивает различные биологические свойства — морфологию, антигенную структуру, иммуногенность, тканевой тропизм, патогенность, круг восприимчивых хозяев, биохимические свойства, устойчивость к физическим и химическим воздействиям. Основу наследственной изменчивости вирусов составляют изменения их генетического материала.

Молекулярные механизмы изменчивости вирусов

Вирусы имеют полифилетическое происхождение. В связи с этим, 20% вирусов несут в качестве генетического материала ДНК, 80% — РНК. Как генетический материал ДНК и РНК обладают разным эволюционными возможностями, так как с разной эффективностью реализуют внутренние источники наследственной изменчивости. Внутренними источниками изменений являются спонтанные генные мутации и рекомбинационные процессы, включающие интеграционные взаимодействия с геномом хозяина.

Мутации (точковые и множественные) представляют собой изменение генетического кода в результате замены (транзиции, трансверсии), выпадения (делеции) или вставки (инсерции) одного или нескольких нуклеотидов в геномной последовательности. Большинство мутаций носит нейтральный характер. К изменению фенотипа ведут только мутации, затрагивающие функционально активные последовательности белковой молекулы.

В естественных условиях размножения движущей силой изменчивости вирусов являются спонтанные мутации, частота которых существенно варьирует внутри различных генетических групп вирусов. Скорость спонтанных мутаций в ДНК-геномах чрезвычайно мала и составляет 10^-8-10^-11 на цикл репликации независимо от размера генома, в РНК-геномах эта величина составляет 10^-3-10^-4. Относительно низкая мутабельность ДНК-геномных вирусов компенсируется высокой численностью вирусных популяций (10⁸-10⁹ вирионов в мл тканевой суспензии), где имеет значение не столько частота возникновения мутаций, сколько их абсолютное количество.

Сами по себе мутации, изменяющие генетические признаки отдельных вирусных частиц не могут привести к изменению наследственных свойств вирусной популяции в целом. Для этого необходим второй фактор — селекция, или направленный отбор мутантов, обладающих преимуществами для размножения в измененных условиях. Классическим примером выживания вируса за счет присутствия в популяции мутантов является выработка устойчивости к противовирусным препаратам. Другим широко известным проявлением естественной изменчивости вирусов является изменение антигенной структуры вируса гриппа A. В этом случае основной причиной изменчивости являются мутации в гене гемагглютинина, и как следствие — антигенный дрейф, который используется вирусом как механизм ухода из-под иммунологического надзора.

Рекомбинация — физическое взаимодействие между вирусными геномами в смешанно-зараженной клетке, при котором потомство, называемое рекомбинантами, содержит последовательности нуклеотидов, происходящие от обоих родителей.

У ДНК-содержащих вирусов внутримолекулярная рекомбинация является основной причиной эволюционных изменений и происходит обычным образом по механизму разрыв-воссоединение. Кроме этого, источником наследственной изменчивости вирусов может служить включение в вирусный геном генетического материала хозяина, которое наблюдается при интегративной вирусной инфекции.

У РНК-геномных вирусов в основе внутримолекулярной рекомбинации лежит механизм смены матрицы путем так называемого «прыжка» РНК-полимеразы на гомологичную область нуклеотидной последовательности. Рекомбинационные взаимоотношения могут наблюдаться на уровне одного вируса, между разными серотипами вируса и между разными вирусами.

Реассортация — перераспределение фрагментов сегментированного генома, является разновидностью рекомбинации. При реассортации вирусы с сегментированным геномом обмениваются сегментами, в результате у потомства, называемого реассортантами, в геном входят гены каждого из родителей. У вирусов с сегментированным геномом при реассортации сегменты перемешиваются случайным образом. Наиболее вероятно, что обмен происходит на стадии морфогенеза при условии двойного инфицирования клетки разными штаммами вируса. Явление реассортации в естественных условиях широко распространено у реовирусов, ротавирусов, бирнавирусов, вирусов гриппа. В том случае, если в результате реассортации произошла замена гена, определяющего антигенные характеристики вируса, и образовавшееся потомство приобретает новые антигенные свойства, речь идет об антигенном шифте.

Реассортация генов при смешанном инфицировании клеток вирусами разной видовой специфичности может служить причиной возникновения реассортантов не только с новыми антигенными свойствами, но и с новым эпидемическим потенциалом, дающим возможность реассортантам преодолевать межвидовые барьеры (межвидовая трансмиссия, переход от одного вида хозяина к другому). В общебиологическом смысле межвидовая трансмиссия — процесс смешения популяций, приводящий к нарушению их изоляции, влекущий за собой одно-, или двусторонний обмен генами и приводящий к увеличению запасов наследственной изменчивости популяций за счет поступления генов из генофонда другой популяции. Явление межвидовой трансмиссии широко распространено в природе у вируса гриппа и ротавирусов.

Для вируса гриппа преодоление межвидового барьера является одним из источников формирования пандемичных штаммов. Известные в .настоящее время пандемичные штаммы вируса гриппа A возникли в результате реассортации генов вируса гриппа человека и вируса гриппа птиц при смешанной инфекции в организме свиней. Для ротавирусов человека показано появление новых штаммов, связанных с трансмиссией от кошек, свиней, собак, овец, крупного рогатого скота. Реассортанты, несущие гены ротавирусов животных, привнесли в популяции ротавирусов человека новые серотип-определяющие гены.

Эволюционные процессы

Эволюция вирусов базируется на тех же принципах, что и эволюция живых организмов, где выделяют микроэволюцию, видообразование и макроэволюцию.

Микроэволюция — эволюционные процессы внутри популяции и вида, которые базируются на принципе нейтральности молекулярной эволюции. Суть этой теории, применительно к вирусам, заключается в том, что изменения генетического материала, возникающие на протяжении значительного числа поколений, не влияют на функциональные свойства вируса, изменяются лишь частные признаки, не влияющие на стратегию вирусного генома. Возникновение нейтральных и псевдонейтральных мутаций, происходящее в периоды так называемого относительного покоя, может приводить к вспышкам эволюционной активности — микроскачкам. В процессе микроскачков происходит образование селективно ценных мутантов и рекомбинантов, которые обеспечивают дальнейшее процветание и распространение вируса среди хозяев. Примером эволюционно ценной мутации может быть одна точковая мутация в гене гемагглютинина вируса гриппа птиц, заменившая участок гликозилирования. Такая единственная точковая мутация привела к увеличению вирулентности вируса, что вызвало развитие эпизоотии среди домашних птиц на Американском континенте в 1982 г.

Видообразование. Постепенное накопление в геноме нейтральных мутаций и рекомбинационные процессы, обусловленные естественными механизмами изменчивости, приводят к увеличению эволюционного потенциала вируса и создают условия для качественного перехода или «большого скачка». В общей теории эволюции процесс внезапного образования организмов с новыми свойствами называется квантовым видообразованием. «Большой скачок» у вирусов проявляется внезапным появлением стабильного мутанта или рекомбинанта с новыми свойствами, способного быстро распространиться среди неиммунных хозяев, вызвать эпидемии неизвестных болезней.

Примером появления нового вируса является вирус гриппа свиней. Его образование проявилось внезапной вспышкой заболевания у свиней, зафиксированного после пандемии гриппа 1918 г. Существует достаточно доказательств, что вирус гриппа свиней — это результат или реассортации с участием пандемических штаммов вируса гриппа человека или адаптации человеческого вируса к свиньям.

Достоверными случаями внезапного видообразования являются возникновение энтеровируса 70 и парвовируса, вызывающего диарею и миокардит у щенков. Энтеровирус 70 (Picornaviridae, Enterovirus) появился внезапно в 1968 г. в Гане (Марокко) и был связан с новым заболеванием — острым геморрагическим коньюктивитом. Из-за полного отсутствия иммунитета у населения заболевание получило эпидемическое распространение. В 1969 г. энтеровирус 70 вызвал пандемию заболевания в Африке и распространился на Азию, Америку, Австралию и Новую Зеландию. В 1979 г. наблюдалась вторая пандемия, захватившая преимущественно Юго-Восточную Азию. Энтеровирус 70 отличается от других энтеровирусов антигенными свойствами, спектром патогенности и тканевым тропизмом. Основным местом его репликации служит конъюнктива, в кишечнике вирус не обнаруживается. Источник происхождения энтеровируса 70 неясен.

В 1977 г. в штате Техас (США) впервые было зарегистрировано заболевание диареи и миокардита щенков, вызванное неизвестным ранее парвовирусом (Parvoviridae, Parvovirus). У молодых щенков этот вирус вызывал миокардит, а в более старшем возрасте — диарею, так как обладал сродством к рецепторам некоторых активно делящихся клеток. У новорожденных щенков вирус обладал тропизмом к клеткам миокарда, а у взрослых собак — к клеткам эпителия кишечника. Происхождение нового парвовируса неизвестно. Предполагают, что он ведет свое начало от парвовируса кошек.

Примером нового вируса, возникшего как результат «удачной» мутации, позволившей преодолеть межвидовой барьер между обезьяной и человеком, является ВИЧ-1. Первые случаи СПИД зарегистрированы в США в 1981 г., вирус обнаружен в 1983 г. Получены убедительные данные, сидетельствующие о взаимосвязях ВИЧ-1 с вирусом иммунодефицита африканских зеленых мартышек.

Приведенные выше примеры появления новых видов вирусов не являются примерами образования новых форм. По структурной организации, организации генома, способу репродукции и другим фундаментальным свойствам вирус гриппа свиней является типичным вирусом гриппа. Этиологические агенты геморрагического конъюнктивита, миокардита и диареи щенков, СПИДа, несмотря на своеобразие, относятся к известным семействам — пикорнавирусам, парвовирусам и ретровирусам, соответственно. Это свидетельствует о том, что возникновение данных вирусов явилось результатом микроэволюционных процессов.

Вымирание вирусов. Благодаря высокой мутабельности генетического материала эволюция РНК-геномных вирусов идет чрезвычайно быстро, что может привести к разрушению генетической структуры вируса под влиянием избыточности мутаций и служить внутренней причиной вымирания вирусов. Нейтральный характер молекулярной эволюции замедляет этот процесс и служит защитой РНК-геномных вирусов от форсированной эволюции. Однако барьер, установленный нейтральностью мутаций, может быть преодолен за счет их избыточности и накопления псевдонейтральных мутаций. Также, как и в случае квантового видообразования, накопление вредных изменений может привести к скачку, сопровождающемуся резкой перестройкой генома и внезапными функциональными нарушениями в жизненно важных белках. Жизнеспособность вируса снижается, создаются предпосылки для исчезновения вируса.

Подтверждением существования таких процессов служит внезапное прекращение эпидемий и исчезновение эпидемических штаммов вируса гриппа A при наличии восприимчивого населения. Внезапное прекращение циркуляции доминировавших штаммов вируса нельзя объяснить только давлением коллективного иммунитета. Предполагается, что шифтовые штаммы вируса гриппа заходят в эволюционный тупик. Молекулярная эволюция таких вирусов проходит неблагоприятно (сказывается груз подспудно накопленных вредных мутаций), что накладывает ограничения на продолжительность жизни вируса. Шифтовые варианты вируса гриппа способны пройти лишь ограниченное число генераций, не могут бесконечно передаваться от хозяина к хозяину, что приводит к их вымиранию.

Остается неясным, распространяется ли процесс вымирания, которому подвержены отдельные штаммы РНК-геномных вирусов, на популяции в целом и вид вируса. Нельзя исключить, что время существования известных на сегодня РНК-содержащих вирусов ограничено. Теоретически перед ними открываются два пути — погибнуть или измениться. Вирусы подвергаются дивергентной эволюции, итогом которой являются изменения в нуклеотидном составе, которые могут привести к снижению жизнеспособности вида.

Важное значение для эволюции вирусов имеет деятельность человека, направленная на прекращение их циркуляции среди населения. Это достигается за счет повышения уровня коллективного иммунитета под влиянием массовой иммунизации. В частности это касается возбудителей таких заболеваний, как полиомиелит и корь, вакцинопрофилактика которых носит крупномасштабный и постоянный характер. Высокий уровень коллективного иммунитета является для вирусов полиомиелита и кори неблагоприятным фактором внешней среды, который заставляет вирусы приспосабливаться и уходить из-под иммунологического прессинга. Подсчитано, что циркуляция вируса кори прекратится, если величина иммунной прослойки достигнет 96% и будет поддерживаться на этом уровне длительное время. Однако в реальных условиях достигнуть таких результатов трудно и среди населения продолжается ограниченная циркуляция возбудителя, при которой постоянное иммунное давление создает селективный фон для отбора антигенно измененных вариантов. Считается, что вирусы кори и полиомиелита не подвержены антигенному дрейфу. Однако известно, что такая способность вырабатывается эволюционно. Массовая вакцинация против кори и полиомиелита может создать условия, способствующие приобретению этими вирусами способности к антигенному дрейфу. Подтверждением этому служит эпидемия полиомиелита в Финляндии в 1986 г., где полиомиелит не регистрировался 20 лет. Эпидемия была вызвана измененным в антигенном отношении вирусом полиомиелита типа III.

Макроэволюция — эволюция на уровне более высоких, чем вид, систематических категорий. Этот процесс у вирусов приводит к образованию родов, семейств, порядков.

На уровне макроэволюции вирусов реализуется еще один из законов, управляющих ходом эволюционных процессов, а именно — консервация блоков наследственной информации. Эти блоки перемещаются от таксона к таксону и в настоящее время функционируют в отдаленных хозяевах. Так у РНК-геномных вирусов растений, относящихся к разным семействам, и у ряда вирусов позвоночных наблюдается высокая степень сходства белков полимеразного комплекса (ВТМ и вирус Синдбис; вирус коровьего гороха и вирусы ящура и полиомиелита). Комплекс обратной транскрипции встречается у вирусов животных и растений — ретровирусов, гепаднавирусов, каулимовирусов. Сходные по строению РНК-хеликазы также встречаются как у вирусов растений, так и у вирусов животных.

Консервация генов и многократное использование блоков наследственной информации связано с тем, что эволюция нашла оптимальный способ решения проблемы. Наличие таких общих генов у групп вирусов, по всей вероятности, отражает прошлые биологические взаимоотношения этих вирусов с клеточными организмами.