Эволюция вирусов: метод проб и ошибок между угасанием и пандемией
Вирусы эволюционируют быстро. Небольшое изменение в генетической структуре в основном мягкого штамма гриппа может породить следующую пандемию. Столь же малое изменение того же штамма в другой среде может привести его к забвению. Нужный признак в нужное время — это всё.
Учёные из Института исследований Карилиона Виргинского политехнического университета, Виргинско-Мэрилендского колледжа ветеринарной медицины, Национальных институтов здоровья (NIH) и Йельского университета изучают, как именно происходит вирусная эволюция и как эти знания могут помочь предотвратить болезни.
Свои выводы они опубликовали в журнале Nature Reviews Microbiology.
Исследователи проанализировали множество работ по трём известным и разнообразным семействам вирусов, геномы которых состоят из сегментов генетического материала — РНК. РНК-вирусы широко распространены в природе, заражая большинство животных, включая людей, растения и бактерии.
Вирусы имеют большие популяции и быстрые циклы репликации, что делает их идеальными моделями для изучения эволюции. Изменения появляются быстро. За несколько недель в контролируемых лабораторных условиях можно проверить, станет ли мутация или определённая генетическая комбинация желательной для вируса-потомка.
«Генетическое разнообразие — это глина, которую давление отбора формирует в процессе эволюции, — сказала Сара Макдональд, доцент Института исследований Карилиона и соавтор статьи. — Мы изучаем, как вирусы молекулярно регулируют своё генетическое разнообразие и как различные давления отбора позволяют появляться одним штаммам, а не другим».
Сегментированные РНК-вирусы могут реплицироваться с одной родительской линией, но также могут перетасовывать свои сегменты с другим вирусом, создавая гибридный вирус в процессе, называемом реассортацией.
«Концептуально реассортация имеет некоторые общие черты с половым размножением у более сложных организмов, — отметила Макдональд, которая также является доцентом Виргинско-Мэрилендского колледжа ветеринарной медицины. — Два родительских вируса заражают одну клетку-хозяина и обмениваются генетическим материалом, в результате чего появляется генетически отличный вирус-потомок».
Как для людей, так и для вирусов очевидное эволюционное преимущество объединения двух отдельных генофондов — увеличение генетического разнообразия. Потомки могут получить правильную комбинацию признаков родителей, чтобы лучше адаптироваться к текущей среде. Однако есть и вероятность, что потомки справятся хуже своих родителей.
«Вирус-потомок должен быть как минимум таким же приспособленным, если не более, чем его родители», — сказала Макдональд.
Внутренняя способность к репликации, а также то, насколько хорошо вирус может противостоять иммунной системе хозяина, — лишь два из давлений, которые могут решить, станет ли новый вирус пандемией или просто исчезнет.
В своём обзоре исследователи отметили, что РНК-вирусы из разных генетических семейств не наблюдались в процессе реассортации, даже когда они заражают одну и ту же клетку-хозяина. Это было бы похоже на скрещивание комнатного растения с рыбой. Существуют физические ограничения, но, что более важно, гены несовместимы.
Однако даже у генетически схожих вирусов существуют ограничения, сдерживающие появление новых штаммов. Например, в вирусе гриппа A реассортированные сегменты РНК, кодирующие определённую функцию, упаковываются вместе.
Три разных сегмента играют роль в том, как вирус упаковывает свой реплицированный генетический материал, поэтому, если один из сегментов включён в новый вирус, два других сегмента также включаются. Это ограничивает возможные генетические варианты, поскольку один сегмент не может присоединить два новых сегмента для создания полностью оригинальной комбинации.
«Вероятно, молекулярные сбои на уровне подбора и упаковки сегментов являются одной из основных причин более низкой, чем ожидалось, частоты реассортаций в лабораторных условиях, — сказала Макдональд. — Слабые различия в том, как взаимодействует РНК, могут привести к успешным реассортациям, в результате которых появляются гибридные потомки».
Исследователи связали тенденции в трёх вирусных семействах и работают над пониманием того, как вирусы увеличивают своё генетическое разнообразие и как давление отбора воздействует на это разнообразие, способствуя или сдерживая появление в природе новых, возможно, более смертоносных вирусных вариантов.
«Некоторые ключевые нерешённые вопросы остаются без ответа, но мы можем обнаружить ответы в рамках текущих исследований, — сказала Макдональд. — С этими ответами мы не только проинформируем стратегии профилактики и контроля заболеваний, но и сможем пролить свет на наше базовое понимание эволюции организмов».