Вирусы и информационный обмен в биосфере

Термин вирус этимологически обозначает яд. Вплоть до 60-х годов вирусы преимущественно рассматривались как болезнетворное начало. Но уже изучение взаимодействия в системе фаг — бактерия показало сложный спектр отношений с возможным внедрением фага в хромосому, переходом его в ранг плазмиды, приданием новых свойств клетке хозяина и т. д. Изучение вирусов эукариот, открытие большого сходства мобильных элементов с вирусами, а затем повсеместное распространение вирусных последовательностей в геноме каждого изученного вида млекопитающих изменило представление о вирусах. Они зачастую составляют факультативный элемент генотипа.

Представление о повсеместности вирусов в биосфере, высказанное в середине 70-х годов (Жданов, Тихоненко, 1975), в настоящее время полностью подтверждено. По образному замечанию К. Г. Уманского (1981), стоит только начать целенаправленно изучать какой-либо объект, как оказывается, что он "нафарширован самыми разнообразными вирусами... Они вездесущи. Может быть, именно поэтому их можно обнаружить при любом заболевании (у здоровых их, как правило, не ищут)". У человека только в клетках кишечника число обнаруженных в норме и при патологии вирусов больше 120. К 70-м годам в новом свете предстали респираторные заболевания. "Кажущаяся бесконечной последовательность простудных заболеваний, переносимых большинством горожан, является отражением серии малых эпидемических вспышек, каждая из которых связана с вирусом одной из групп, способных вызвать этот синдром или с каким-либо из серотипов риновирусов" (Биология вирусов животных, 1977).

Целенаправленное изучение путей распространения вирусов в природе (то, что называется "environmental virology" и лучше всего перевести как биоценотическая вирусология) вызвало в начале годов 80-х "новую эру в медицинской вирусологии" (Metcalf, et al., 1995). Такие вирусы, как вирус полиомиелита, которые из–за своего видимого патогенного эффекта считались исключительно нейротропными, оказались обнаруженными в сточных водах и, стало быть, входят в группу энтеровирусов. Сточные воды оказались источником вспышки одной из форм вирусного гепатита, детского гастроэнтерита.

Пути распространения вирусов в биоценозах и соответственно пути горизонтального межвидового переноса поразительны (Воинов, 1974). Достаточно сказать, что РНК-содержащий вирус гриппа переносится водоплавающими перелетными птицами, он обнаружен у китов и у планктонных организмов (Жданов, 1990). Исследования С. М. Гершензона и его последователей (Гершензон, Александров, Малюта, 1975) показали, что РНК вируса гриппа вызывает летальные мутации сразу в нескольких локусах хромосомы 2, причем летали именно в этих локусах чаще других распространены в природных популяциях дрозофил (Александров, Голубовский, 1983).

Эволюционные аспекты повсеместностного распространения (убиквитарности) вирусов в природе достойны обсуждения с разных сторон: Вирусы как самый мощный селективный фактор в природе и самый мощный генератор наследственного полиморфизма, возникающего в результате популяционно-генетических взаимодействий типа паразит — хозяин. Эта идея была выдвинута и всесторонне обоснована Эфроимсоном еще в 60-е годы (Эфроимсон, 1971). По предположению Р. Л. Берг, сходные векторы отбора к инфекционным вирусам могут вызывать параллелизм в составе генофондов относительно изолированных и удаленных популяций, в пользу чего были получены косвенные данные в многолетних популяционно-генетических наблюдениях на дрозофиле (Голубовский и др., 1974; Александров, Голубовский 1983).

Дальнейшее воплощение идея Эфроимсона нашла в переносе популяционно-генетических взаимоотношений типа паразит — хозяин на внутриорганизменный уровень. Рассматриваются модели коэволюции вирусных антигенов и иммунной системы защиты хозяина, одним из компонентов которой является соматическая гипермутабильность иммуноглобулиновых генов (Родин, Ржецкий, 1990).

Инфекционные вирусы как усилитель мутационного процесса.Это явление было твердо установлено к середине 60-х годов в генетике соматических клеток и при исследовании клеток крови при вирусных инфекциях. При инфекциях, вызванных вирусами кори, герпеса, частота хромосомных аберраций в инфицированных клетках достигала десятки процентов. Уже в учебнике Гершковича (1968) сообщается о 7 вирусах, индуцирующих хромосомные перестройки. Эти данные дали возможность предположить, что вирусы способны индуцировать в природе вспышки хромосомных перестроек, наблюдаемые у некоторых видов (Воронцов, 1984, 1988).

Неинфекционные чужеродные вирусы и вирусные нуклеиновые кислоты действуют как совершенно особый мутагенный фактор, вызывающий вирус-специфичные и сайт-специфичные мультилокусные повреждения хромосом и нестабильность генов. Этот феномен был открыт и тщательно исследован в многолетних исследованиях Гершензона и его коллег (Гершензон, Александров, Малют, 1975; Gershenzon, 1986). Сначала это открытие связывалось с тем, что природные биополимеры действуют на манер эписом. Такой механизм возможен, но видимо, не главный, как показали дальнейшие исследования (Gershenson, Alexandrav, 1997).

Вирусы и вирусные нуклеиновые кислоты как мощный активатор имманентных для клеток хозяина мобильных генетических элементов и как фактор, вызывающий вспышки инсерционных мутаций. В пользу этого сначала было получено множество косвенных популяционно-генетических данных на дрозофиле (Golubovsky, 1980; Голубовский, Беляева, 1985), а также на кукурузе. Затем были получены прямые молекулярно-генетические данные в опытах на дрозофиле, начатых в 80-х годах (Gazaryan, et al., 1987).

Как и предсказывали Ф. Жакоб и Э. Вольман, в природе постоянно происходит переход от инфекций к факультативному и облигатному симбиозу, когда вирус становится элементом ФК клетки (Кордюм, 1983; Маргелис, 1983; Хеши, 1984; Цилинский, 1988; Жданов, 1990).

Особая роль принадлежит ретровирусам или РНК-содержащим вирусам, которые размножаются с помощью обратной транскрипции. Сюда входят онкогенные вирусы млекопитающих, образующие три группы: саркомные, вирусы лейкоза и лимфо-лейкозные вирусы, вызывающие СПИД. Обязательная стадия в репродукции этих вирусов — образование ДНК-копий и их интеграция (как у профага лямбда у бактерий) в геном клетки хозяина. Эндогенные ретровирусы в интегрированном состоянии передаются через половые клетки.

Суммарно провирусы ДНК могут составлять до 0,03% от всей ДНК генома, и это, как полагают, верхушка большого айсберга. Сравнительно-эволюционный анализ показал, что у млекопитающих и птиц практически идентичные провирусные последовательности в составе их генома появились уже после эволюционного обособления соответствующих видов. Этот поток генов между далекими организмами является реальностью. Он доказан сходством генома самых разных животных по некоторым последовательностям ДНК, одновременно входящим в геном определенных ретровирусов. Так "породнились" между собой, например, крысы, мыши, кошки, свиньи и человек: у них масса общих рудиментов эндогенных ретровирусов". Вопрос заключается только в том, насколько часто организмы их присваивали и использовали в эволюции в качестве благоприобретенных собственных генов (Хесин, 1984).

Первый ретровирус (это стало ясно позднее) обнаружил в 1911 г. Пеутон Роус (или Раус, — Peyton Rous) в стенах Рокфеллеровского института медицинских исследований. Он показал, что вирусный агент может индуцировать опухоли мышечной и костной ткани у птиц. "Результаты Рауса были встречены таким всеобщим недоверием, что он совсем прекратил исследования ретровирусов, и застой в этой области продолжался вплоть до 50-х годов," — пишет Р. Галло (1987), выделивший первый ретровирус человека в 1978 г.

В 40-х годах Л. И. Зильбер выдвинул вирусно-генетическую теорию рака, предположив, что трансформация нормальных клеток в опухолевые вызвана включением в геном клетки генетического материала вируса. И именно поэтому его очень трудно обнаружить в опухолевых клетках (Зильбер, 1968). Эта идея была в то время очень смелой, если вспомнить, что еще не было концепции профага. Идея интеграции онкогенного вируса в геном клетки-хозяина оказалась верной. Впоследствии были открыты онковирусы, которые встраивая в свой состав один из ключевых хозяйских генов, регулирующих клеточное деление, превращают нормальную клетку в раковую. В 1966 г., спустя полвека после своего открытия, П. Раус получил Нобелевскую премию за свои работы.

Роберт Галло (1987), изучая последовательности вирусов СПИД, заключил, что вирус недавно проник в геном человека от приматов (зеленых мартышек и шимпанзе). Вспышке эпидемии СПИД способствовало массовое переливание крови, начиная с 50-х годов, миграции и либерализация половых контактов. Неожиданно выясняется, что феномен быстрого глобального распространения синдрома СПИД, обусловленного ретровирусом ВИЧ, уже как бы "промоделирован" на дрозофиле.

В природных популяциях дрозофил вида D. melanogaster, начиная с 60-х годов XX в. стали в глобальном масштабе распространяться активные Р-элементы, которые у гибридов с М-цитоплазмой вызывают целый комплекс наследственных аномалий — синдром гибридного дисгенеза.

Р-элементы не найдены у видов близнецов комплекса melanogaster, зато весьма близкие по составу Р-копии обнаружены у вида D. willistoni из другой подгруппы. Родина видов комплекса melanogaster — Африка, и этот синантропный вид, как полагают, попал в Америку около трех столетий назад с кораблями, перевозившими черных рабов из Африки (Engels W. R., 1992). И в Америке же Р-элементы из D. willistoni путем горизонтального переноса попали в геном D. melanogaster. Посредником в этом переносе могут быть виды клещей, как выяснено в исследованиях Маргарет Кидвелл (Kidwell, 1992, 1994). Глобальная экспансия активных Р-копий наблюдается с начала 60-х годов XX в. Сценарий горизонтального переноса Р-элементов и их глобального распространения совпадают с таковым для ретровирусной пандемии синдрома СПИД. Ниже указаны черты сходства в эволюционной судьбе двух разных мобильных элементов.

Таблица 5. Сходство эволюционной судьбыдвух факультативных элементов

Данные по дрозофиле (Kidwell, 1994; Engels, 1992), по ретровирусу СПИД (Галло, 1987; Галло, Монтанье, 1988; Эссекс, Канки, 1988).

Заключая этот раздел, заметим, что если бы существовала "Декларация прав клетки", то один из главных ее пунктов мог бы звучать так: "Клетка каждого вида в биосфере Земли имеет право искать, получать и распространять наследственную информацию между любыми структурными компонентами генома как своего вида, так и вне его границ". Таким образом, в отличие от жесткого информационно-видового барьера, что свойственно концепции селектогенеза, современная теория эволюции должна быть основана на демократических принципах Декларации прав клетки.