Все инфекции, будь то скарлатина, холера, дифтерия, синдром токсического шока, некротический фасциит или недавно обнаруженная инфекция устойчивыми к метициллину золотистыми стафилококками, являются закулисными кукловодами для мобильной генетической информации и опосредованных фагами биологических событий. Клинические руководства и органы общественного здравоохранения должны учитывать роль фагов и горизонтальной передачи генов в быстром возникновении и распространении устойчивых к антибиотикам высоковирулентных микроорганизмов. Мы проявим благоразумие, если усилим бдительность в отношении вирусов и разработаем такие лечебные схемы, которые позволят избежать стимуляции механизмов адаптивной эволюции возбудителей болезней, с которыми мы боремся.
Глава 4Вирусы и высшие организмы
Теперь мы обратим внимание на наши собственные вирусы, на вирусы, составляющие человеческий виром. Мы находимся в разных отношениях с разными вирусами, сформированных различной длительностью совместной эволюции. Вирусная инфекция может быть преходящей и безвредной, а может и угрожать жизни. Вирусы могут вызывать хроническую инфекцию, при которой болезнь прогрессирует или протекает латентно с рецидивами. Многие вирусные инфекции протекают бессимптомно. Установлено, что каждый из нас постоянно инфицирован 812 вирусами (Virgin, 2014). Это число меняется с возрастом, с условиями окружающей нас среды, нашим финансовым положением и, самое главное, нашим геномом, а в особенности теми генами, которые управляют нашим иммунитетом. Эти оценки, несомненно, занижены, так как в расчет принимаются только вирусы нашего микробиома (главы 2 и 3); при этом невозможно учесть еще не выявленные вирусы.
Вирусы, клетки, организмы и популяции
Вирусы примитивных прокариот вступают в весьма развитые и богатые нюансами отношения со своими одноклеточными микробными хозяевами. Наше восприятие их как «примитивных» вводит в заблуждение: они эволюционировали вместе со своими хозяевами до появления третьего царства жизниэукариот. Мы можем сколько угодно думать, будто наш видовой успех измеряется нашей биологической сложностью и культурной изощренностьюнашим разумом, развитием языка и культурными достижениями, но наш геном (и, если уж на то пошло, каждый наш ген) мало задумывается о таких вещах. Если бы он вообще умел думать, то считал бы успехом лишь возможность своего размножения и распространения. В этом отношении фаги и их геномы весьма и весьма успешны, так как сумели провести стадо своих генов через перипетии эволюции от времен зарождения жизни до нашего времени. Тем не менее сейчас мы ступим на территорию вирусов, инфицирующих нас с вамипозвоночных животных, многоклеточные организмы, представителей царства эукариот. Независимо от понимания успеха на генетическом уровне, этим микроскопическим машинам пришлось проложить очень сложный маршрут и проделать тернистый путь для того, чтобы сохранить и приумножить свои гены в эукариотических клетках.
В то время как вид Homo sapiens появился не более двухсот тысяч лет назад, многие инфицирующие нас вирусы, вероятно, были постоянными спутниками предков, от которых произошел человек разумный. Вирусы развивались, эволюционировали и следовали за ветвящимися и вновь образующимися видами по пути, ведущему от крупных обезьян до человека. Другие, не менее древние вирусы недавно нашли в человеке подходящую нишу и подарили ему новые заболевания. Точно так же, как мы, думающие о себе как о венце эволюции, вирусы выработали сложный стиль жизни, позволивший им с гарантией распространять их генетические линии, сохраняя идентичность на протяжении сотен тысяч и миллионов лет. Тот срез вирусов, который мы сейчас наблюдаем в нашем вироме, фиксирует лишь успешные линии вирусной информации, то есть те вирусы, которые обрели информационное содержание, позволяющее существовать им как видам. Особенность (и мы еще вернемся к ней позже) заключается в том, что в отличие от живых организмов вирусы не оставили после себя никаких ископаемых остатков, которые можно было бы соотнести с геологической хронологией. Все наши знания об эволюции вирусов основаны на ретроспективных суждениях, выведенных из генетического состава существующих в настоящее время вирусов. Исчезнувшие вирусы и их генетическая информация совершенно недоступны исследованию. Будучи эгоистичными генетическими паразитами, эти вирусы, если бы они обладали движущими мотивами своих действий, ничем бы не отличались в этом отношении от фагов, инфицирующих бактерии: их мотивподдержание репликации. Параметры, которые влияют на успешность эукариотических вирусов, тоже не отличаются особой оригинальностью. Мы увидим, что и на таком высоком уровне факторы, направляющие эволюцию человеческих вирусов, работают так же, как и на уровне простейших фагов.
Однако с самого начала надо отметить одну значительную разницу. Она заключается в огромной сложности хозяина: это организм, кооперативное сообщество клеток. Когда мы обсуждали литические фаги, вирусы, инфицирующие бактерии и простейших, мы принимали в расчет только индивидуальные инфицированные бактериальные клетки. Успешное инфицирование фагом популяции бактериальных клеток начинается с проникновения в единичную клетку и реализуется после высвобождения дочерних фаговых частиц во внешнюю среду, где эти частицы могут беспрепятственно инфицировать других индивидовдругие бактериальные клетки. Эти частицы являются носителями генетической информации фага, отвечающими за передачу информации другим хозяевам. Отдельные, генетически идентичные клетки-хозяева, входящие в популяцию, инфицируются в ходе последовательных, разрастающихся по экспоненциальному закону циклов вирусной репликации до тех пор, пока сохраняется популяция клеток-хозяев. Успешные переходы из клетки в клетку являются важнейшим условием для репликации и распространения вирусов в популяции клеток-хозяев. Фаги бактериальных клеток приняли на вооружение разнообразные стратегии, обеспечивающие успешное размножение штаммов. Вирулентная литическая инфекция приводит к немедленной амплификации генома, в то время как лизогения отсрочивает продуктивную репликацию до более поздней реактивации профага. В каждом случаея сейчас придерживаюсь данного мною определения вирусанеобходимо, чтобы вирус был независимо развивающейся эгоистичной генетической единицей. Квинтэссенция «вирусности» заключается в передаче и инфицировании новых клеток-хозяев. Перед вирусами, инфицирующими многоклеточные организмы, стоит, в принципе, та же нелегкая фундаментальная задача обеспечения выживанияпередача в новые клетки. Они должны инфицировать организм, реплицироваться и покинуть клетку с тем, чтобы проникнуть в новые клетки-хозяева. Это грандиозная и уникальная задача: вирусы должны отыскать доступ и сориентироваться в массиве из приблизительно 50 триллионов клеток, которые в сумме составляют наши ткани и органы. Вирусы должны отыскать именно те клетки, в которых могут реплицироваться, а также суметь уцелеть, несмотря на множество линий обороны организма. Позвоночные, например, обладают высокоразвитыми врожденными и адаптивными иммунными системами, призванными защищать организм от проникновения чужеродной генетической информации. И, наконец, вирусы должны иметь способ высвобождения дочерних вирусных частиц для их последующей передачи в другие клетки.
Даже для таких животных, как мы с вами, вирусную инфекцию и заболевания, вызываемые ею, можно свести к фундаментальным единицам, к инфицированию одной, отдельно взятой клетки. Тем не менее вирусы животных должны сделать многое сверх репликации и распространения внутри гетерогенной популяции клеток, составляющих ткани и органы нашего тела. Мало того, вирусы должны репродуцироваться и распространяться внутри популяции организмов, которые удалены друг от друга в пространстве. Различие в проявлениях разных вирусных инфекций представляют собой окно, через которое мы можем наблюдать механизмы и процессы, помогающие вирусам справляться с этими вызовами и успешно преодолевать давление естественного отбора, сохраняя свои штаммы на протяжении веков. Виромы животных состоят из совокупности более или менее патогенных вирусов, которые выработали разнообразные и порой удивительные стратегии в своих взаимоотношениях с хозяином. Отношения вирусов животных и их хозяев столь же разнообразны, как отношения фагов и прокариот, и представляют собой континуум, простирающийся от чистого паразитизма до взаимовыгодного симбиоза. Эти отношения вируса с хозяином являются результатом реципрокного хода эволюции хозяина и патогенного возбудителя, где, как в гонке вооружений, каждая сторона старается наилучшим образом оснастить себя ради выживания. Эволюционная адаптация вирусов дыхательных путей человека дает нам наглядную иллюстрацию развивающегося патогенетического процесса. Вирусы сумели развить у себя способность к успешной репликации и эффективному распространению, что вызывает эпидемические вспышки респираторных инфекций.