Эволюция вирусов

Эволюция и генетическая изменчивость вирусов. Лекарственная устойчивость ВИЧ. Рекомбинация вирусов гриппа.

Ключевые моменты:

• Вирусы подвергаются эволюции и естественному отбору, также, как и клеточные формы жизни, и большинство вирусов быстро эволюционируют.
• Когда два вируса заражают клетку одновременно, они могут обмениваться генетическим материалом с образованием новых, «смешанных» вирусов с уникальными свойствами. Например, таким образом могут возникать новые штаммы гриппа.
• РНК-вирусы имеют высокую частоту мутаций, которая обеспечивает особенно быструю эволюцию. Примером является эволюция лекарственной устойчивости у ВИЧ.

Введение

Задумывались ли вы, почему каждый год появляется новый штамм вируса гриппа? Или как ВИЧ, вирус, вызывающий СПИД, может стать лекарственно устойчивым?

Краткий ответ на эти вопросы заключается в том, что вирусы эволюционируют. То есть «генофонд» вирусной популяции может со временем меняться. В некоторых случаях вирусы в популяциях, таких как, вирусы гриппа в определенном географическом регионе или популяция вирусов ВИЧ в организме пациента, могут эволюционировать путем естественного отбора. Наследуемые признаки, которые помогают размножаться вирусу (такие, как высокая инфекционность, при гриппе, или лекарственная устойчивость к ВИЧ), будут иметь тенденцию становиться все более и более распространенными в популяции вирусов с течением времени.

Что такое эволюция?

Эволюция - это изменение генофонда и / или наследственных признаков популяции с течением времени.

Естественный отбор - это механизм эволюции, при котором наследуемые признаки, которые помогают организмам выживать и размножаться (в нынешних условиях), с течением времени становятся все более распространенными среди популяции. Естественный отбор может позволить популяции адаптироваться или стать более приспособленной к окружающей среде.

Вирусы эволюционируют (посредством естественного отбора и других механизмов) так же, как и клеточные организмы. Посетите тему эволюции, чтобы узнать больше об эволюции и естественном отборе.

Мало того, что вирусы эволюционируют, но они также и имеют тенденцию эволюционировать быстрее, чем их хозяева, например, быстрее чем люди. Это делает эволюцию вируса важной темой - не только для биологов, изучающих вирусы, но также для врачей, медсестер и работников здравоохранения, а также для всех, кто может быть подвержен воздействию вируса. (Подсказка: для всех нас!)

Изменчивость у вирусов

Естественный отбор начинает работать только тогда, когда у него есть правильный исходный материал: генетическая изменчивость. Понятие генетической изменчивости означает появление некоторых генетических (наследственных) различий в популяции. У вирусов есть два основных источника изменчивости [1]:

• Рекомбинация: вирусы обмениваются кусками генетического материала (ДНК или РНК).
• Случайные мутации: происходит изменение в последовательности ДНК или РНК вируса.

Что такое ДНК и РНК?

Отличный вопрос! ДНК – это сокращение обозначающее дезоксирибонуклеиновую кислоту, а РНК обозначает рибонуклеиновую кислоту.

ДНК и РНК принадлежат к классу молекул, называемых нуклеиновыми кислотами, которые представляют собой длинные цепочки молекулярных «букв», связанных вместе.

ДНК - это генетический материал для человека и всех других форм жизни, состоящих из клеток. Вирусы могут иметь в качестве генетического материала, как ДНК, так и РНК. «Генетический материал» – означает молекулу, которая несет план или инструкции для организма и передается от родителя к ребенку.

Вы можете узнать больше о ДНК и РНК в нашем курсе о нуклеиновых кислотах.

Мы можем видеть изменения и эволюцию вирусов вокруг нас, если мы знаем, где искать, например, в новых штаммах гриппа, которые появляются каждый год.

Смешивание: рекомбинация

Прежде чем мы рассмотрим конкретно вирус гриппа, давайте рассмотрим, как вирусы обмениваются ДНК и РНК в процессе, называемом рекомбинацией.

Обычно рекомбинация происходит, когда два вируса заражают одну и ту же клетку одновременно. Поскольку оба вируса используют клетку для производства большего количества вирусных частиц, внутри неё плавает множество частей еще не собранных вирусов, включая вновь созданные геномы.

В этих условиях рекомбинация может происходить двумя различными способами. Во-первых, сходные участки вирусных геномов могут соединяться и обмениваться фрагментами, физически разрушая и повторно соединяя ДНК или РНК. Во-вторых, вирусы с разными сегментами (вроде крошечных хромосом) могут обмениваться некоторыми из этих сегментов, процесс, называемый реассортиментом [2,3].

Рекомбинация у вирусов гриппа

Вирусы гриппа являются мастерами реассортимента. Вирусы гриппа имеют восемь сегментов РНК, каждый из которых несет один или несколько генов [4].

Когда два вируса гриппа инфицируют одну и ту же клетку одновременно, некоторые из новых вирусов, продуцируемых внутри клетки, могут содержать комбинацию сегментов (например, сегменты 1-4 от штамма A и сегменты 5-8 от штамма B).

В частности, свиньи являются хорошо известными «сосудами для смешивания» вирусов гриппа [5].

Клетки свиньи могут быть распознаны и, таким образом, инфицированы, как вирусами человеческого, так и птичьего гриппа (а также вирусами свиней) [6]. Если клетка свиньи заражена двумя типами вирусов одновременно, она может выделять новые вирусы, которые содержат смесь генетического материала вирусов человека и птицы.

Этот вид обмена распространен для вирусов гриппа в природе. Вы наверняка, помните штамм гриппа H1N1 («свиной грипп»), который вызвал пандемию в 2009 году. Штамм H1N1 содержал сегмент РНК вирусов человека и птиц, а также вирусы свиней из Северной Америки и Азии. Такая комбинация указывает на серию повторных смешиваний, которые происходили шаг за шагом в течение многих лет для получения этого штамма H1N1 [5,7].

Мутации у вирусов

Мы видели, как рекомбинация может влиять на эволюцию вируса, но как быть с мутациями? Мутации – это постоянные изменения генетического материала (ДНК или РНК) вируса. Мутация может произойти в результате ошибок при копировании ДНК или РНК вируса.

Некоторые вирусы имеют очень высокую частоту мутаций, но это не всегда так. В целом, РНК-вирусы, как правило, имеют более высокую частоту мутаций, в то время как ДНК-вирусы, как правило, имеют более низкую частоту мутаций [8].

Как объясняется эта разница в скорости мутации? Ключевое отличие заключается в способе копирования генома. Большинство ДНК-вирусов копируют свой генетический материал, используя ферменты из клетки-хозяина, называемые ДНК-полимеразами, которые «корректируют» (ловят и исправляют ошибки по мере их появления). РНК-вирусы вместо этого используют ферменты, называемые РНК-полимеразами, которые не обладают способностью к корректировке, и таким образом, делают намного больше ошибок [9].

Исследование случаев лекарственной устойчивости ВИЧ

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) – это вирус, вызывающий синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). ВИЧ является быстро эволюционирующим РНК-вирусом с высокой частотой мутаций, что способствует появлению устойчивых к лекарствам штаммов.

Высокий уровень мутаций ВИЧ

Поскольку РНК-вирусы, такие как ВИЧ, имеют высокую частоту мутаций, то среди популяции вирусов ВИЧ, находящихся в организме пациента будет много вирусов, имеющих генетические мутации. Многие из мутаций будут вредными, и мутантные вирусы просто «умрут» (не смогут размножаться). Однако некоторые мутации могут оказаться полезными и помогать вирусам размножаться при определенных условиях. Например, мутация может обеспечить устойчивость к лекарству [10]

Развитие лекарственной устойчивости при ВИЧ

Некоторые лекарства могут блокировать репликацию ВИЧ путем ингибирования ключевых вирусных ферментов. Приём подобных препаратов в первую очередь снижает вирусную нагрузку. Однако через некоторое время вирусы ВИЧ обычно «приходят в норму» и вирусная нагрузка возвращается к высокому уровню, даже если прием лекарства все еще продолжается. Другими словами, появляется лекарственно устойчивая форма вируса [10].

Чтобы понять, как это происходит, давайте рассмотрим пример конкретного противовирусного препарата – ингибитора обратной транскриптазы. Ингибиторы обратной транскриптазы, такие как молекула невирапина, показанная на диаграмме ниже, связываются с вирусным ферментом, называемым обратной транскриптазой (красно-коричневая структура). Препарат не позволяет ферменту создавать из РНК-генома ВИЧ последовательность ДНК. Если этот фермент неактивен, то вирус ВИЧ теряет способность инфицировать клетку [11].

Невирапин останавливает большинство вирусов ВИЧ. Однако очень малая доля вирусов в популяции ВИЧ (по случайности) может иметь мутацию в гене обратной транскриптазы, что делает их устойчивыми к лекарству. Например, у них может быть генетическое изменение, которое изменяет сайт связывания лекарственного средства с ферментом, так что лекарственное средство больше не может фиксироваться и ингибировать активность фермента.

Вирусы с этой резистентной мутацией будут размножаться, несмотря на присутствие препарата, и через несколько поколений уровень вирусной нагрузки, присутствующий до введения препарата, может восстановиться. И не только, теперь вся популяция вирусов будет устойчива к лекарству!

ВААРТ лекарственная устойчивость

Но если ВИЧ может эволюционировать под действием лекарств, то как остановить этот вирус? По всей видимости, лучше всего работает комбинированный подход с одновременным приемом трех или более препаратов. Такой подход к лечению называется высокоактивной антиретровирусной терапией, или сокращенно ВААРТ. Препараты, вводимые в «коктейль» ВААРТ, обычно нацелены на разные части жизненного цикла ВИЧ [12,13].

Подход ВААРТ работает, потому намного меньше вероятности, что какой-либо вирус ВИЧ в популяции будет иметь сразу три мутации, которые обеспечивают устойчивость ко всем трем препаратам одновременно. Хотя формы вируса с множественной лекарственной устойчивостью в конечном итоге могут развиться, комбинации с несколькими лекарственными средствами значительно замедляют развитие резистентности.

Подбробнее о ВИЧ, в нашем видео:

Почему вирусы эволюционируют так быстро?

Как правило вирусы эволюционируют быстрее, чем люди, в чем причина этого?

Как мы видели в случае ВИЧ, некоторые вирусы имеют высокую частоту мутаций, которые являются источником различных вариаций в качестве исходного материала, что помогает вирусам быстро эволюционировать. Двумя другими факторами, способствующими быстрой эволюции вирусов, являются большой размер популяции и быстрый жизненный цикл [14].

Чем больше размер популяции, тем выше вероятность того, что у в ней будет вирус с определенной случайной мутацией (например, обеспечивающей лекарственную устойчивость или высокую инфекционность), на которую может действовать естественный отбор. Кроме того, вирусы очень быстро размножаются, поэтому их популяции развиваются в более короткие сроки, чем их хозяева. Например, вирус ВИЧ проходит свой жизненный цикл всего за 52 часа, по сравнению с примерно 20 годами для жизненного цикла человека [15]!

Какие инструменты существуют для борьбы с быстро эволюционирующими вирусами? Принятие мер по предотвращению передачи, поиск новых лекарств для лечения, разработка и использование вакцин — все это важные стратегии.