Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание

«Чтобы выжить, мы должны быть разными и помогать друг другу». Так сказал бы о себе полиовирус, умей он говорить (фото с сайта bilbo.bio.purdue.edu)

Уникальный вирус с резко пониженной скоростью мутагенеза помог ученым подтвердить сразу две важные гипотезы: о необходимости интенсивного мутирования для выживания вирусных популяций и о возможности кооперации между разнообразными вирусами-мутантами.

Большинство вирусов, вызывающих болезни человека, — РНК-содержащие. Их наследственный материал хранится в форме РНК (а не ДНК, как у всех высших форм жизни). Среди немногочисленных белков, закодированных в геноме таких вирусов, присутствует фермент РНК-полимераза, синтезирующий новые копии вирусной РНК.

Популяции РНК-содержащих вирусов неоднородны: они состоят из целого набора генетически различающихся линий. Такие полиморфные популяции называют «квазивидами» — по аналогии с видами настоящих живых организмов, которые тоже всегда полиморфны. Процесс удвоения (репликации) вирусной РНК происходит с большим числом ошибок (мутаций), благодаря чему могут быстро возникать новые варианты вируса. У полиовируса на каждый акт репликации приходится в среднем 1,9 мутаций. При этом, конечно, появляется много нежизнеспособных вариантов, однако предполагается, что эти потери оправданы, поскольку высокая скорость мутирования помогает вирусам приспосабливаться к меняющимся условиям, в том числе к деятельности иммунной системы хозяина, новым лекарствам, переходам от одного хозяина к другому и из ткани в ткань.

Марко Виньюцци (Marco Vignuzzi) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (США) и его коллеги, изучающие РНК-содержащих полиовирусов (возбудителей полиомиелита), предположили, что дело здесь не ограничивается поиском оптимального для данной ситуации варианта генома методом «случайного тыка». Возможно, возникающие в пределах квазивида вариации могут помогать друг другу за счет разделения функций. Например, в одной линии может возникнуть мутация, повышающая скорость репликации вирусной РНК, в другой линии — другая мутация, повышающая, например, эффективность самосборки белковых молекул в вирусную оболочку — капсид. Поскольку обе линии живут и размножаются в одной и той же хозяйской клетке, они могут пользоваться «достижениями» друг друга: эффективная РНК-полимераза первой линии будет размножать и геномы второй, а более эффективные капсидные белки второй линии будут «упаковывать» и РНК первой. Не исключено, кстати, что совместить обе эти мутации в одном и том же геноме просто невозможно. Вирусный геном очень мал, и у него не так уж много степеней свободы (вариантов мутаций, совместимых с жизнью). Бывает даже, что вирусные гены перекрываются (у двух разных генов может быть общий кусок), так что изменения в одном белке неизбежно приводят к изменениям в другом.

Возможность экспериментальной проверки гипотезы о взаимопомощи среди вирусов появилась благодаря тому, что Виньюцци и его коллегам удалось обнаружить и выделить мутантную форму полиовируса со «сверхточной» РНК-полимеразой, совершающей очень мало ошибок при копировании РНК. Эта мутация (состоящая в замене глицина серином в 64-ой позиции РНК-полимеразы и получившая название G64S) возникла и закрепилась в ходе адаптации вируса к препарату рибавирину, резко повышающему (за пределы допустимого) скорость мутирования вирусов. В отсутствии рибавирина такие вирусы мутируют с аномально низкой частотой (0,3 мутации на геном вместо положенных 1,9).

Первым делом ученые проверили, действительно ли скорость мутирования важна для приспособляемости вирусов. Это подтвердилось: вирусы G64S приспосабливались к неблагоприятным условиям (лекарствам, ингибиторам) гораздо медленнее своих «диких» собратьев. Кроме того, вирусы G64S оказались неспособны проникать в спинной и головной мозг зараженных мышей, как это делают нормальные полиовирусы с высокой скоростью мутирования. Однако искусственное увеличение темпа мутагенеза (при помощи вышеупомянутого рибавирина) привело к тому, что вирусы G64S стали проникать в мозг и размножаться там. При этом полиморфизм вирусной популяции вырос, но мутация G64S сохранилась у всех линий.

Исследователи провели целую серию остроумных экспериментов, показывающих, что общая «эффективность» популяции вирусов зависит не от наличия в ней какой-то одной особо удачной линии, а от кооперативного взаимодействия нескольких разных линий, помогающих друг другу. Например, при помощи особых генетических меток — нейтральных мутаций, внедряемых в вирусный геном и позволяющих проследить судьбу отдельно взятой линии, — удалось показать, что вирусы G64S, сами по себе не способные проникать в мозг, успешно проникают туда в компании с другими вирусными популяциями — как «дикими», так и другими G64S, предварительно подвергавшимися действию искусственных стимуляторов мутагенеза. Следовательно, одни линии вирусов помогают другим преодолеть гематоэнцефалический барьер.

Этот и другие эксперименты блестяще подтвердили гипотезу о взаимовыгодной кооперации между разнообразными мутантами, составляющими вирусную популяцию — квазивид. Это означает, что эволюционирующей единицей является не отдельная линия и тем более не особь, а весь квазивид в целом, причем внутреннее разнообразие — залог успеха. Одна линия, даже самая совершенная, всегда будет проигрывать полиморфному квазивиду, включающему несколько взаимодополняющих линий.

Источник: Vignuzzi et al. Quasispecies diversity determines pathogenesis through cooperative interactions in a viral population // Nature. Advanced Online Publication. doi:10.1038/nature04388.

См. также:
Когда вредных мутаций много, они не так вредны (о том, как бактерии за счет ускоренного мутирования выживают в критических условиях, используя для этого специальную часто ошибающуюся ДНК-полимеразу) — «Элементы», 06.12.2005.
В. М. Жданов. Эволюция вирусов.
В. И. Агол. Помехоустойчивость вирусов.
Классификация вирусов.

Александр Марков

Последние новости: Генетика, Александр Марков

24 мая Слуховая кора избирательно слышит то, к чему мы прислушиваемся

22 мая Ген, улучшающий память, заодно повышает и риск посттравматического стрессового растройства

19 мая Эволюция видов в сообществе идет не так, как в монокультуре

17 мая Самки рыб-чистильщиков ведут себя вежливее с незнакомцами, чем с давними приятелями

15 мая Обилие редких мутаций в генофонде человечества существенно превышает современные оценки

26 апреля Сегменты у насекомых развиваются по часам

25 апреля Злокачественные опухоли и их метастазы не только растут, но и активно изменяются независимо друг от друга

24 апреля Личинки губок видят нетрадиционным способом

23 апреля Искусственные полимеры могут хранить генетическую информацию

18 апреля Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):