Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Риновирус человека

Основным вирусом простуды является риновирус человека. Ринос происходит от греческого слова, означающего «нос» или «носовой». Риновирус человека был выделен в пятидесятые годы как вирус, вызывающий простуду, и к сегодняшнему дню известно около ста его различных серотипов (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Все они генетически очень близки между собой, и выделяли их у больных, имевших одинаковую симптоматику. Вирус реплицируется в эпителиальных клетках, выстилающих носовые ходы. В течение десятилетий считали, что патологоанатомическая картина обусловлена локализованной репликацией вируса в носу и носоглотке. Ученые знали, что риновирус человека лучше всего реплицируется в культуре клеток при температуре между 33 и 35 °C. Это намного ниже температуры тела, и поэтому вирусологи полагали, что вирус может поражать только более холодные верхние дыхательные пути в носовых ходах. Оказалось, что это не так. У небольшой части пациентов риновирус с не меньшим успехом вызывает поражения нижних отделов дыхательных путей. Репликация вируса в нижних дыхательных путях была продемонстрирована в многочисленных исследованиях, в которых РНК вирусного генома выделяли из эпителия нижних дыхательных путей (Gern et al., 1977; Kaiser et al., 2006; Mosser et al., 2005). Ученые Кливлендского университета провели тщательное исследование температуры, преобладающей в дыхательных путях человека. Они непосредственно измерили температуру в нижних дыхательных путях и обнаружили, что она близка к 37 °C только ниже ветвления бронхов четвертого порядка, то есть глубоко в ткани легких (McFadden et al., 1985). Теперь мы принимаем как факт, что риновирус может поражать нижние дыхательные пути и там тоже можно обнаружить его репликацию. Этот аспект патогенеза риновирусной инфекции наиболее важен для особо восприимчивых пациентов. Больные, страдающие бронхиальной астмой или хронической обструктивной болезнью легких, подвержены тяжелым обострениям основных заболеваний на фоне риновирусной инфекции. Так что если мама говорила вам в детстве, что у вас «грудная простуда», то она ставила вам очень точный диагноз.

Существует сомнительное мнение, что простуда непременно возникает в холодную погоду; «ты простудишься и заболеешь» – это типичное напутствие матерей, дети которых убегают на мороз без шапки и в расстегнутой куртке. Считалось, что холод способствует распространению вируса. Какое более удачное место для исследований можно было найти, как не на станции МакМердо в Антарктиде? Группа ученых из университета штата Висконсин отправилась именно туда и в 1989 году опубликовала результаты своих исследований. Один из выводов гласил: длительное пребывание на холоде не оказывало значимого влияния на заболеваемость простудой среди ученых, перезимовавших на станции (Warshauer et al., 1989). Эти исследования развеяли еще один миф о простуде.

Итак, каков «образ жизни» риновируса? В чем секрет его генетического успеха в качестве возбудителя простуды у человека, простуды, которая посещает нас с завидной регулярностью? Давайте начнем сначала, как мы сделали это в отношении хвостатых ДНК-содержащих фагов. Риновирусы являются членами многочисленного и разнообразного семейства Picornaviridae; по размеру они сходны с хвостатыми фагами, инфицирующими прокариот, и тоже имеют икосаэдрический белковый капсид, в который упакован вирусный геном. Вместо двухцепочечной ДНК генетическая программа риновируса записана на одноцепочечной полимерной молекуле РНК длиной приблизительно в восемь тысяч пар оснований. РНК очень похожа на ДНК, и в настоящее время почти все согласны с тем, что РНК является эволюционной предшественницей ДНК в качестве носителя генетической информации. Нить РНК непосредственно представляет рибосомам клетки-хозяина информацию, кодирующую белок капсида, и на рибосоме немедленно начинается его синтез. Вирусная РНК, таким образом, транслируется в крупный белок, который расщепляется на одиннадцать белков меньшего размера, составляющих структурные элементы вирусной частицы (вирусные белки 1–4), и неструктурные белки, отвечающие за ход репликации генома. Частица риновируса является эффективным переносчиком вируса: инфицирование происходит в момент контакта вируса с эпителием носовых ходов или с эпителием конъюнктивы глаза. Вирус остается жизнеспособным в этой среде до четырех суток, а на поверхности кожи его жизнеспособность сохраняется два часа (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Обследование добровольцев показало, что у 40 % людей, страдающих простудой, вирус обнаруживается на руках (Gwaltney, Moskalski, Hendley, 1978). Перенесение вируса с рук на нос, с рук на глаза, а также прямой контакт с выделениями из носа или аэрозолем являются основными путями заражения. Вирус, попавший в носовые ходы, должен получить доступ в клетки хозяина, то есть в клетки слизистой оболочки, в которых ему предстоит реплицироваться. Этот процесс обеспечивается распознаванием и связыванием с белковым рецептором, расположенным на поверхности клетки носового эпителия. Специфичность этого физического взаимодействия исключительно высока. Форма и структура вирусного капсида точно соответствует трехмерной структуре внеклеточного домена рецептора (отношения «замок – ключ»). Таким способом подавляющее большинство риновирусов распознают молекулу межклеточной адгезии 1 (ММКА-1), белок на поверхности эпителиальной клетки. В норме эта молекула играет главную роль в адгезии лейкоцитов, иммунокомпетентных клеток, к клеткам, пораженным инфекцией или воспалением. Малая доля некоторых типов риновирусов, около 10 %, использует связывание с другим поверхностным белком – рецептором липопротеинов низкой плотности. Это связывание вирусной частицы с белком клеточной поверхности служит той же цели; в результате происходит прикрепление вируса к клетке. Независимо от природы рецептора, который распознает и связывает риновирус, комплекс белка и вируса транспортируется внутрь клетки с помощью механизма эндоцитоза. Вирус присваивает процесс, который клетка использует для обратного захвата и повторного использования белков своей собственной поверхности. Комплекс проникает в клетку в полости пузырьков, которые образуются в результате впячивания клеточной мембраны. Внутри клетки вирус отделяется от рецептора, и его частица распадается и высвобождает в цитоплазму геном – так же как фаги, геном вируса вступает в мир клетки-хозяина голым. Геном вируса немедленно распознается как шаблон для синтеза белка на клеточных рибосомах. Эти вирусные белки сразу блокируют функции клеточных белков, парализуют работу клетки и собирают комплексы репликации, которые удваивают геном РНК, готовый к упаковке и высвобождению из клетки. В отличие от фагов у риновируса нет выбора после входа в клетку. Он может вести себя только как вирулентный литический фаг; он не способен к лизогении (к которой способны умеренные фаги), и у риновируса, таким образом, нет возможности задержаться в клетке-хозяине. Это типичный гонщик на голом автомобильном шасси, кодирующий только свои генные продукты; он вынужден следовать хищнической литической тактике – хватай что можешь и беги – реплицироваться в наших клетках и одновременно в наших организмах.

К счастью, репликация риновирусов редко происходит за пределами эпителия дыхательных путей, их активность быстро подавляется усилиями иммунной системы, которая мобилизуется сразу после инфицирования клеток вирусом. Сразу после него клетки носового эпителия распознают вторгшийся вирус и запускают активацию защитной сети экспрессии генов. Эти ответы включают в себя врожденную клеточную антивирусную защиту и адаптивную реакцию иммунной системы, которая запускается в каскаде развертывающихся после инфицирования событий (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Эти реакции немедленно заставляют инфицированную клетку секретировать медиаторы воспаления, кинины и простагландины, которые вызывают повышение сосудистой проницаемости и стимулируют экзокринную секрецию. В результате первыми симптомами простуды являются зуд в носу и насморк. Первоначальное отделяемое из носа состоит из плазмы, просачивающейся из сосудов носовых ходов; только позднее жидкость начинает представлять собой нагруженный вирусами слизистый секрет. Сообщение между клетками продолжается благодаря интерлейкинам, сигнальным молекулам, таким как интерлейкин-8 и хемокины, которые выделяются в инфицированных тканях. Интерлейкин-8 является мощным хемоаттрактантом, который перемещает иммунокомпетентные клетки (нейтрофилы и моноциты) к месту инфекции для борьбы с незваными гостями. Количество интерлейкина-8 в отделяемом носовых ходов прямо пропорционально тяжести симптомов простуды.

Именно наша собственная иммунная система повинна в усугублении тяжести клинических проявлений простуды, так как она отвечает за отграничение и удаление из организма инфицированных вирусами клеток. Степень тяжести симптомов, естественно, играет важную роль в передаче вируса, который высвобождается из носовых эпителиальных клеток и покидает организм хозяина с током носового секрета. Риновирусная инфекция, не спровоцировавшая иммунного ответа, не достигает своей цели – успешной передачи вируса новым восприимчивым хозяевам. Интересно отметить, что одним из ответов инфицированных клеток является увеличение экспрессии ММКА-1. Это тот самый рецептор некоторых серотипов риновируса человека, но не всех, но усиление экспрессии ММКА-1 происходит при инфицировании всеми серотипами риновируса, что указывает на то, что это не является прямым результатом связывания вируса с рецептором. Папи и его коллеги предположили, что не поврежденные риновирусом эпителиальные клетки могут стать более восприимчивыми к последующим инфекциям в результате такого усиления экспрессии упомянутой молекулы (Johnston et al., 1998; Papi, Johnston, 1999), но вопрос так и остался открытым. В любом случае этот феномен ограничен теми риновирусами, которые используют ММКА-1 для проникновения в клетку. Но почему тогда все риновирусы, независимо от рецепторной селективности, оказывают одно и то же воздействие на инфицированную клетку? Вероятнее всего, усиление экспрессии ММКА-1 не влияет на окончательную продуктивность вирусной инфекции для каждой отдельной клетки, но феномен этот возник и сохранился для увеличения эффективности миграции лейкоцитов к инфицированным тканям. Вероятно, это самый важный биологический ответ, так как этим способом риновирус провоцирует более эффективную мобилизацию иммунокомпетентных клеток в эпителии носовых ходов, усугубляя тяжесть клинических проявлений, а значит, повышая заразительность инфекции (Papi, Johnston, 1999).

Специалисты по эволюционной биологии придерживались мнения, что длительная взаимная адаптация вируса и хозяина приводит в ходе эволюции к таким отношениям, которые минимизируют отрицательные последствия заболевания для хозяина. Логическим выводом из такого рассуждения является то, что инфекция со временем будет вызывать более легкое заболевание или вообще перестанет его вызывать. Такой исход часто очевиден при вирусных инфекциях, которые претерпели совместную эволюцию со своими хозяевами и следовали за его видовой дивергенцией в течение длительного, по меркам эволюции, времени. В результате интенсивной гонки вооружений между хозяином и вирусом такая эволюционная разрядка возможна только в том случае, если вирус сможет беспрепятственно распространяться в отсутствие симптомов заболевания. В случае риновируса, заразительность которого зависит от выраженности симптомов, естественный отбор, по необходимости, поддерживает его высокую вирулентность и способность провоцировать выраженные симптомы. В ходе своих кратковременных отношений с организмом хозяина вирусы должны создать условия, которые позволяли бы им свободно перемещаться от одного хозяина к другому. Было бы, однако, неразумно полагать, будто эволюция модулировала тяжесть заболевания, вызываемого риновирусами, оптимизируя возможность передачи и заражения. Это давление эволюции, скорее всего, ответственно за сотворение того, что мы называем простудой, заразной инфекцией, которая вызывает заметные симптомы со стороны верхних дыхательных путей. Относительно доброкачественная природа заболевания и его легкая симптоматика не снижают успешности вируса: он является надежным переносчиком вирусной генетической информации в человеческой популяции. Простуда вызывает легкие симптомы, которые практически не влияют на качество нашей обыденной жизни. Мы не прерываем общение с другими потенциальными жертвами, несмотря на то что являемся источниками этой заразы. Это настоящее преступление.

Необычное разнообразие

Болезнь, вызываемую риновирусами, можно назвать «бурей в стакане воды»; нет массивного разрушения тканей, инфицируются и погибают очень немногие клетки слизистой оболочки носовых ходов. После разрешения инфекции мы приобретаем стойкий иммунитет в отношении того риновируса, который вызвал данное заболевание. Реинфекция тем же штаммом риновируса исключена благодаря иммунологической памяти, которая позволяет организму мгновенно реагировать на вторжение знакомого пришельца и уничтожать его на корню. Реинфекция тем же штаммом риновируса, если она вообще случается, может иметь место при ослаблении иммунологической памяти, что при некоторых вирусных инфекциях происходит спустя достаточно продолжительный период времени. Успешность риновирусов, ежегодно вызывающих простуду у наших детей, не является свидетельством реинфекции тем же вирусом (под «тем же вирусом» я имею в виду тот же штамм вирусов), но говорит об инфекции другим штаммом риновируса, отличающимся генетически. Эти повторные инфекции говорят о большом числе и разнообразии типов риновирусов, которые одновременно циркулируют в нашей популяции. Убедительное подтверждение этого факта было получено в исследовании, проведенном в университете штата Висконсин. Наблюдали группу из тридцати четырех детей, страдавших бронхиальной астмой. Наблюдение вели в сентябре, когда дети только что вернулись в школу (Olenec et al., 2010). На третьей неделе месяца шестнадцать из тридцати четырех детей заболели риновирусной инфекцией; в течение месяца группа ученых выявила семнадцать различных риновирусных штаммов в этой когорте наблюдаемых. Несмотря на то что наблюдали детей, страдавших бронхиальной астмой, у которых восприимчивость к риновирусной инфекции и длительность простуды может быть больше, чем у здоровых сверстников, это наблюдение служит наглядной иллюстрацией того, что в каждый данный момент времени в человеческой популяции циркулирует множество различных штаммов риновирусов.

Для того чтобы исследовать эволюцию риновирусов, специалисты по сравнительной геномике проанализировали геномные последовательности различных изолированных популяций вирусов, чтобы найти основу их генетической вариабельности и выявить давление отбора, которое создало это генетическое разнообразие. Главным в способности риновирусов адаптироваться к среде и развиваться являются ошибки при репликации РНК. Наблюдение вариантов нуклеотидных последовательностей в разных штаммах риновирусов позволило многое узнать о силах, движущих их эволюцию. Здесь требуются некоторые пояснения: наш генетический код (а вирусы используют точно такой же) является по своей природе «вырожденным». Код должен распознавать и идентифицировать каждую из двадцати одной аминокислоты, которые в различных сочетаниях и последовательностях образуют белки; кроме того, последовательности нуклеотидов должны кодировать стоп-сигнал. Невырожденный словарь содержал бы двадцать два слова: по одному на каждую аминокислоту, и еще одно дополнительное слово для сигнала рибосоме прекратить трансляцию белка. На самом деле, в алфавите рибонуклеотидов содержатся четыре разных основания (думайте о них как о буквах): гуанидин, аденин, цитидин и урацил. Эти буквы соединяются, образуя слова или, иначе говоря, кодоны из трех букв, которые определяют, какая аминокислота будет включена в белок. Так, существует 4³ = 64 доступных слова, в то время как нужно двадцать одно слово для аминокислот и одно слово-сигнал для прекращения трансляции. На самом же деле, одна аминокислота может кодироваться более чем одним кодоном, отсюда и вырожденность, иными словами, избыточность кода. Это свойство генетического кода дает ценный инструмент в руки ученых, изучающих эволюцию. Так как слова (сиречь, кодоны) с различным написанием (различные триплетные последовательности из четырех оснований) могут обозначать одну и ту же аминокислоту, то некоторые ошибки в записи генетического кода могут не приводить к нарушению смысла, и в белок будет включена та же аминокислота. Такие изменения называют синонимичными мутациями. Если же изменение в записи кодона приводит к включению в белок другой аминокислоты, то речь идет о несинонимической мутации.

Ниже приведены примеры синонимических и несинонимических мутаций для аминокислоты лейцина:

ЦУУ (лейцин) —› ЦУЦ (лейцин) = синонимическая мутация;

ЦУУ (лейцин) —› ЦГУ (аргинин) = несинонимическая мутация.

Исследование полных геномов множества изолированных популяций риновирусов и оценка числа синонимических изменений в сравнении с числом несинонимических изменений в геноме позволило специалистам определить тип естественного отбора и природы его давления на разные участки генома. Если очищающая селекция есть преобладающая форма давления отбора, то он будет поддерживать сохранение уже существующих последовательностей аминокислот в белках. Синонимические изменения терпимы, потому что не приводят к изменениям в белковом составе вируса. Несинонимические нуклеотидные изменения будут отвергнуты, потому что они вредят полноценности вирусного генома. С другой стороны, если преобладают условия, в которых изменения белкового состава вируса благоприятны в отношении давления отбора, то в последовательностях генома будет обнаруживаться большая доля несинонимических мутаций. Такая ситуация называется положительным отбором.

Стоит особо отметить исследования, проведенные Кистлером и его коллегами в Калифорнийском университете Сан-Франциско (Kistler et al., 2007). Авторы изучали последовательности полного генома репрезентативного набора из тридцати четырех риновирусных штаммов. Ученые пришли к выводу, что большая часть генома риновирусов возникла в условиях очищающего давления естественного отбора. Большая часть генетических вариаций, обусловленных ошибками при репликации вирусной РНК, следовательно, возникли в результате вредоносных для адаптации вируса изменений. Естественный отбор вычищает геномы с мутировавшими последовательностями, которые изменяют последовательность аминокислот в белках. Отличительный признак этой очищающей селекции заключается в том, что допускаются синонимические мутации, которые, таким образом, выявляются чаще, чем несинонимические. Это совпадает с тем, чего можно ожидать от вируса, который в высшей степени, можно сказать, оптимально приспособился к своему хозяину. В этом случае давление отбора, приводящее к генетическим изменениям, прекращается. Учитывая заболеваемость простудой, мы неизбежно приходим к выводу, что риновирусы прекрасно приспособились к нам.

Другие наблюдения проливают свет на движущие силы происхождения множества серотипов риновирусов. В некоторых дискретных участках их генома ученые увидели большую, чем ожидалось, частоту несинонимических мутаций в сравнении с синонимическими: в этой части генома поработал положительный естественный отбор. Эти участки ограничиваются теми последовательностями, которые кодируют белки, образующие внешний капсид вируса, и отдельными участками, кодирующими неструктурные белки. Участки неструктурных белков, оказавшиеся под действием положительного отбора, ограничены участками РНК, которые не играют главной роли в функции вируса внутри клетки. Вероятно, что это селективное давление, ведущее к изменениям, возникло в результате воздействия на риновирусы со стороны иммунной системы. Белки вириона, то есть белки, ассоциированные с вирусными частицами, распознаются циркулирующими защитными антителами, возникающими в ответ на инфицирование вирусом. После выздоровления антитела данной специфичности делают пациента невосприимчивым к реинфекции тем же серотипом риновируса. Эти антитела распознают разные риновирусные серотипы, и их специфичность стала основой для выделения более ста серотипов риновирусов, известных к настоящему времени. Постоянное давление отбора заставляет вирусы обходить эти нейтрализующие антитела; вирусы делают это, маскируясь внутри измененного капсида, который не может быть распознан иммунной системой, отреагировавшей ранее на другие штаммы вируса простуды. Разумно предположить, что эволюция множества серотипов риновирусов позволила им сохраниться и процветать на нашей человеческой популяции, так как они получают беспрепятственный доступ к сборочному конвейеру на рибосомах восприимчивых организмов.

Причина давления положительного отбора на последовательности аминокислот в неструктурных белках риновируса (которые не подвержены нейтрализующему действию антител) не находит объяснения в литературе. Я, однако, полагаю, что эти изменения тоже вызваны давлением отбора, направленного на обход иммунного ответа. Иммунный воспалительный каскад, инициируемый в пораженной клетке, отвечает также за мобилизацию цитотоксичных клеток T-киллеров, которые начинают накапливаться в пораженной ткани. Это плечо нашей иммунной системы – в терминах клеточно-опосредованной иммунной реакции – обладает уникальной способностью распознавать и атаковать инфицированные клетки с целью их уничтожения и удаления. Инфицированные клетки распознаются иммунной системой, так как на их поверхности присутствуют мелкие сегменты белков – пептиды, – образующиеся при разрушении белков внутри каждой клетки. Многие пептиды, присутствующие на клеточной поверхности, образуются в результате распада собственных белков, и они распознаются иммунной системой как «аутоантигены». Отпечатки пальцев вируса обнаруживаются на пептидах, образовавшихся в результате распада вирусных белков и вышедших на поверхность пораженной клетки. Они выявляются и распознаются как чужеродные цитотоксическими T-клетками-киллерами, которые затем приближаются к клетке и уничтожают ее. Особые вирусные пептиды, обнаруживаемые на поверхности инфицированных клеток, таким образом, обучают нашу иммунную систему и делают инфицированные клетки восприимчивыми к действию клеточно-опосредованного иммунитета. Клетки, инфицированные измененными вирусами, то есть с измененными пептидами, не будут распознаваться цитотоксическими T-клетками естественными киллерами. Эти вирусы будут иметь селективное преимущество в том, что смогут избежать этого механизма иммунологической «чистки». Это пример положительного отбора.

Таким образом, будет разумным предполагать, что главной движущей силой диверсификации риновирусов является наш (и наших обезьяноподобных предков) иммунный ответ. Способность риновирусов к диверсификации оказалась критически важной для их успешности в роли вездесущего патогена, который существует за счет доступности восприимчивых нетронутых хозяев. Каждый из нас не раз болел простудой, и каждый раз заболевание, скорее всего, было вызвано особым, отличным от других, штаммом риновируса; наши дети особенно восприимчивы к простуде именно по этой причине – они никогда не сталкивались с большинством серотипов риновирусов. Дети – самая плодородная почва для инфекции, потому что снабжены только теми антителами, которые нейтрализуют только те риновирусы, с которыми они уже имели дело. Простуда – это движущаяся мишень для нашего иммунного ответа; вирусы не только вызывают легкое заболевание с симптомами, которые позволяют нам общаться с другими людьми и заражать их; они также способны к выраженному разнообразию, что позволяет им поражать максимальное число разных хозяев. Риновирусы не имеют возможности почивать на лаврах; распространение каждого штамма вируса зависит от повторных циклов репликации. Вымирают ли некоторые риновирусы, покидая организм очередного хозяина, сменяясь вновь возникшими серотипами? Последнее наиболее вероятно, первое едва ли возможно. Многочисленные серотипы риновирусов циркулируют в человеческих популяциях одновременно, и ни один отдельно взятый серотип не является настолько успешным, чтобы истощить пул своих хозяев и навсегда исчезнуть. Географические миграции и рождение восприимчивых детей снабжают вирусы новыми хозяевами, восприимчивыми к инфицированию любыми серотипами.