В 1960-х годах исследователи обнаружили, что неполные вирусные геномы были короче, чем у типичных вирусов. Это укрепило мнение многих вирусологов о том, что неполные вирусы являются дефектными аномалиями, которым не хватает генов для репликации. Однако в 2010-х годах недорогие и мощные технологии секвенирования генов показали, что неполные вирусы на самом деле широко распространены внутри наших тел.
В одном исследовании, опубликованном в 2013 году, ученые из Питтсбургского университета взяли мазки из носа и рта людей, больных гриппом. Они извлекли генетический материал из вирусов гриппа в образцах и обнаружили, что некоторые вирусы не имели всех генов. Эти укороченные вирусы возникли, когда инфицированные клетки неправильно скопировали геном функционального вируса, случайно пропустив участки генов.
Другие исследования подтвердили это открытие. Они также выявили другие способы образования неполных вирусов. Некоторые вирусы, например, несут искаженные геномы. В этих случаях инфицированная клетка начинала копировать вирусный геном, но затем частично отменила процесс и скопировала геном в обратном направлении к исходной точке. Другие неполные вирусы образуются, когда мутации нарушают последовательность гена, так что он больше не может создавать функциональный белок.
Открытие неполных вирусов в наших телах вызвало новый всплеск научного интереса к ним. Грипп не уникален: многие вирусы приходят в неполных формах. Они составляют большинство вирусов, обнаруженных у людей с такими инфекциями, как респираторно-синцитиальный вирус (РСВ) и корь.
Ученые также придумали новые названия для неполных вирусов. Некоторые называют их "дефектными интерферирующими частицами". Другие называют их "нестандартными вирусными геномами".
Родригес и его коллеги называют их "мошенниками".
Вирусное мошенничество
Неполные вирусы обычно могут попадать в клетки, но внутри они не могут реплицироваться самостоятельно. Им не хватает некоторых необходимых генов для захвата белок-синтезирующей машинерии клетки-хозяина, таких как ген для фермента-полимеразы, копирующего гены. Чтобы реплицироваться, они должны жульничать и использовать жизнеспособный вирус.
К счастью для мошенников, клетки часто инфицируются более чем одним вирусным геномом. Если функциональный вирус появляется в клетке с мошенником, он будет производить полимеразы. Мошенник затем может занять полимеразы другого вируса для копирования своих генов.
В такой клетке два вируса соревнуются в производстве максимального количества копий собственного генома. Мошенник имеет огромное преимущество: у него меньше генетического материала для репликации. Поэтому полимераза копирует неполный геном быстрее, чем полный.
Это преимущество растет с каждым поколением инфекции, когда неполные и функциональные вирусы переходят из клетки в клетку. "Если вы в два раза короче, это не означает, что вы получаете двукратное преимущество, - говорит Эшер Ликс, изучающий социальную эволюцию вирусов в Йельском университете.
- Это может означать тысячекратное преимущество или больше".
Другие вирусы-мошенники имеют рабочие полимеразы, но у них нет генов для создания белковых оболочек, заключающих их генетический материал. Они реплицируются, дожидаясь функционального вируса, затем контрабандой переправляют свой геном в производимые им оболочки. Некоторые исследования предполагают, что геномы мошенников могут быстрее проникать в оболочки, чем функциональные геномы.
Какую бы стратегию ни использовал неполный вирус для репликации, результат одинаков. Эти вирусы не платят цену за сотрудничество, даже когда эксплуатируют сотрудничество других вирусов. "Мошенник плохо справляется в одиночку, но лучше, если рядом другой вирус, а если мошенников много, то эксплуатировать некого, - поясняет Родригес. - С эволюционной точки зрения этого достаточно для определения мошенничества".
Последняя часть этого определения создает загадку. Если мошенники настолько удивительно успешны - а они действительно таковы, - они должны были бы довести вирусы до вымирания.
По мере того как новые поколения вирусов вырываются из старых клеток и заражают новые, мошенников должно становиться все больше и больше. Они должны продолжать реплицироваться, пока функциональные вирусы не исчезнут. Без остающихся функциональных вирусов мошенники не смогут размножаться сами. Вся популяция вирусов должна быть обречена на неминуемое вымирание.
Однако такие вирусы, как грипп, явно избегают этого быстрого вымирания, значит, должно быть что-то еще в их социальной жизни, помимо смертельной спирали мошенничества. Каролина Лопес, вирусолог из Вашингтонского университета, считает, что некоторые вирусы, похожие на мошенников, на самом деле могут играть более безвредную роль в вирусных сообществах. Вместо того чтобы эксплуатировать своих собратьев, они сотрудничают, помогая им процветать.
"Мы думаем о них как о части сообщества, - говорит Лопес, - где каждый играет критически важную роль".
Предотвращение истощения
Исследования Лопес начались в начале 2000-х, когда она изучала вирус Сендай, патоген, инфицирующий мышей. Исследователи давно знали, что два штамма этого вируса ведут себя по-разному. Один, SeV-52, хорошо ускользал от иммунной системы, позволяя вирусу вызывать массивную инфекцию. Но мыши, инфицированные другим штаммом, SeV-Cantell, вырабатывали быстрый и мощный иммунный ответ, помогавший им быстро выздоравливать. Разницу, как обнаружили Лопес и ее коллеги, составляло то, что SeV-Cantell производил много неполных вирусов.
Каким образом неполные вирусы активировали иммунные системы мышей? После серии экспериментов Лопес и ее команда установили, что неполные вирусы заставляют клетки-хозяева активировать систему тревоги. Клетки производят сигнал, называемый интерфероном, который предупреждает соседние клетки о прибытии захватчика. Эти клетки могут подготовить защиту от вирусов и предотвратить распространение инфекции по окружающей ткани.
Этот феномен не был особенностью вируса Сендай или иммунной системы мышей. Когда Лопес и ее коллеги обратили внимание на респираторно-синцитиальный вирус (РСВ), который ежегодно поражает более 2 миллионов человек в США и вызывает тысячи смертей, они обнаружили, что неполные вирусы, образующиеся при естественных инфекциях, также вызывали сильный иммунный ответ инфицированных клеток.
Этот эффект озадачил Лопес. Если неполные вирусы были мошенниками, не имело смысла, чтобы они провоцировали хозяина обрывать инфекцию на корню. Как только иммунная система уничтожала функциональные вирусы, мошенникам не оставалось бы жертв для эксплуатации.
Лопес обнаружила, что ее результаты имеют смысл, если взглянуть на вирусы по-новому. Вместо того чтобы сосредоточиться на идее мошенничества неполных вирусов, Лопес начала рассматривать их и функциональные вирусы как работающих вместе для достижения общей цели долгосрочного выживания. Она поняла, что если функциональные вирусы будут неконтролируемо реплицироваться, они могут исчерпать и убить текущего хозяина прежде, чем произойдет передача новому хозяину. Это было бы самоубийственно.
"Вам нужен определенный уровень иммунного ответа, чтобы просто сохранить хозяина в живых достаточно долго для того, чтобы вы могли перейти дальше", - говорит Лопес.
Здесь и появляются неполные вирусы, считает она. Возможно, они сдерживают инфекцию, чтобы хозяин имел шанс передать вирусы следующему. Таким образом, функциональные и неполные вирусы могут сотрудничать. Функциональные вирусы производят молекулярную машинерию для создания новых вирусов. В то же время неполные вирусы замедляют функциональные вирусы, чтобы избежать истощения хозяина, что положило бы конец всей инфекции.
В последние годы Лопес и ее коллеги обнаружили, что неполные вирусы могут сдерживать инфекции разными способами. Например, они могут заставить клетки реагировать так, как если бы они испытывали стресс от жары или холода. Часть клеточного ответа на стресс - это отключение белок-синтезирующих фабрик для экономии энергии. В процессе это также останавливает производство новых вирусов.
Кристофер Брук из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне согласен с Лопес, что вирусы существуют в сообществах. Более того, он подозревает, что неполные вирусы выполняют и другие функции в клетках, которые ученые пока не разгадали.
Брук ищет доказательства этих функций у вирусов гриппа. Полный вирус гриппа имеет восемь генных сегментов, которые обычно кодируют 12 или более белков. Но когда инфицированные клетки производят неполные вирусы, они иногда пропускают середину гена и сращивают начало с концом. Несмотря на это радикальное изменение, эти измененные гены все равно производят белки - но новые белки, которые могут иметь новые функции. В исследовании, опубликованном в феврале, Брук и его коллеги обнаружили сотни таких новых белков в клетках, зараженных гриппом.
Поскольку эти белки новы для науки, исследователи пытаются выяснить, что они делают. Эксперименты с одним из них предполагают, что он присоединяется к белкам полимеразы, производимым интактными вирусами, и блокирует их от копирования новых вирусных геномов.
На данный момент, однако, ученые в большой степени не знают, что делают неполные вирусы, производя столько странных белков. "Моего ограниченного воображения не хватит, чтобы охватить и малую долю возможностей, - говорит Брук. - Это сырой материал, с которым может экспериментировать вирус". Но он сомневается, что неполные вирусы, производящие все эти странные белки, ведут себя как чистые мошенники.
"Если бы они действительно вели себя как чистые мошенники, я бы предположил, что будет значительное селективное давление для минимизации их производства. А мы видим их постоянно".
Размытые границы
Социовирусологи теперь пытаются выяснить, сколько мошенничества и сотрудничества происходит в вирусном мире. Ученые, изучающие поведение животных, знают, насколько это может быть сложно. Индивид может жульничать в одних ситуациях и сотрудничать в других. И также возможно, что поведение, выглядящее как сотрудничество, эволюционировало из эгоистического мошенничества.
Ликс соглашается, что неполные вирусы могут быть продуктивной частью вирусного сообщества. Но он считает, что всегда важно рассматривать возможность того, что даже когда они выглядят сотрудничающими, они на самом деле все еще мошенничают. Эволюционная теория предсказывает, что мошенничество часто возникает у вирусов из-за их крошечных геномов. "У вирусов доминирует конфликт", - говорит Ликс.
Одним из любимых примеров Ликса скрытого конфликта, приводящего к адаптациям, выглядящим как сотрудничество, является нановирус, инфицирующий растения, такие как петрушка и бобы. Нановирусы размножаются потрясающим образом. У них всего восемь генов, но каждая вирусная частица несет только один из восьми генов. Только когда все восемь различных видов нановирусов одновременно инфицируют одно растение, они могут реплицироваться. Клетки растений производят белки от всех восьми генов, а также новые копии их генов, которые затем упаковываются в новые оболочки.
Можно было бы посмотреть на нановирусы и увидеть классический пример сотрудничества. В конце концов, вирусы должны работать вместе, чтобы у любого из них был шанс на репликацию. Эта договоренность напоминает разделение труда в пчелином улье, где насекомые распределяют работу по сбору нектара, выхаживанию личинок и разведке новых мест для переезда улья.
Но Ликс и его коллеги проследили, как нановирусы и другие так называемые мультипартитные вирусы могли эволюционировать из мошенничества.
Представьте, что предок нановирусов первоначально имел все восемь генов, упакованных в один вирусный геном. Затем вирус случайно произвел неполных мошенников, у которых был только один из генов. Этот мошенник будет процветать, так как полностью функциональные вирусы будут копировать его ген. И если эволюционирует второй мошенник с другим геном, он получит такую же выгоду от эксплуатации интактных вирусов.
Когда Ликс и его коллеги построили математическую модель этого эволюционного сценария, они обнаружили, что вирусы легко могут распадаться на новых мошенников. Они будут продолжать распадаться, пока не останется ни одного исходного вируса, способного реплицироваться самостоятельно. Нановирусы теперь могут зависеть друг от друга для выживания, но только потому, что их предки паразитировали друг на друге. Под видимостью сотрудничества скрывается вирусное мошенничество.
Распутывание природы вирусных сообществ займет годы исследований. Но решение этой загадки может принести огромную пользу. Однажды поняв социальное поведение вирусов, ученые смогут натравить их друг на друга.
Переворачивая ситуацию
В 1990-х годах эволюционные биологи смогли помочь в разработке противовирусных препаратов. Когда люди с ВИЧ принимали одно антивирусное лекарство, вирус быстро эволюционировал, чтобы его обойти. Но когда врачи вместо этого стали назначать комбинации из трех антивирусных препаратов, для вирусов стало гораздо сложнее их все преодолеть. Шансы, что вирус приобретет мутации для устойчивости ко всем трем лекарствам, были астрономически малы. В результате коктейли из лекарств против ВИЧ остаются эффективными по сей день.
Теперь социовирусологи исследуют, сможет ли эволюционная биология снова помочь в борьбе с вирусами.
Они ищут уязвимости в том, как вирусы мошенничают и сотрудничают, которые можно эксплуатировать для прекращения инфекций. "Мы рассматриваем это как переворачивание ситуации против вируса", - говорит Виньюцци.
Виньюцци и его коллеги протестировали эту идею на мышах с вирусом Зика. Они сконструировали неполные вирусы Зика, которые могли безжалостно эксплуатировать функциональные. Когда они ввели этих мошенников инфицированным мышам, популяция функциональных вирусов внутри животных быстро рухнула. Французская компания Meletios Therapeutics лицензировала вирусы-мошенники Виньюцци и разрабатывает их как потенциальное противовирусное лекарство для различных вирусов.
В Нью-Йоркском университете Бен тенОувер и его коллеги конструируют то, что может стать еще более эффективным мошенником из вирусов гриппа. Они используют особенность биологии вирусов: время от времени генетический материал от двух вирусов, инфицирующих одну клетку, оказывается упакованным в один новый вирус. Они задались вопросом, смогут ли создать вирус-мошенника, способный легко проникать в геном функционального вируса гриппа.
Команда НЙУ собрала неполные вирусы из клеток, зараженных гриппом. Из этой партии они выявили супер-мошенника, который был поразительно хорош в том, чтобы вставлять свои гены в полностью функциональные вирусы гриппа. Полученный гибридный вирус плохо реплицировался из-за нарушений, вызванных мошенником.
Чтобы увидеть, как этот супер-мошенник будет работать в качестве противовирусного средства, тенОувер и его коллеги упаковали его в назальный спрей. Они инфицировали мышей летальным штаммом гриппа, а затем распылили супер-мошенника в их носы. Супер-мошенник был настолько хорош в эксплуатации функциональных вирусов и замедлении их репликации, что мыши смогли выздороветь от гриппа через пару недель. Без помощи супер-мошенников животные погибали.
Ученые получили еще лучшие результаты, когда распылили супер-мошенников в носы мышей до их инфицирования. Супер-мошенники ждали внутри мышей и атаковали функциональные вирусы гриппа, как только те появлялись.
Затем тенОувер и его коллеги перешли к экспериментам на хорьках. У хорьков инфекции гриппа протекают более похоже на человеческие: в частности, в отличие от мышей, вирусы гриппа легко передаются от больного хорька здоровому в соседней клетке. Ученые обнаружили, что назальный спрей быстро снижал количество вирусов гриппа в инфицированных хорьках, как и у мышей. Однако исследователи были удивлены, когда увидели, что вирусы, которые инфицированные хорьки передавали здоровым животным, включали не только нормальные вирусы, но также супер-мошенников, спрятанных внутри их белковых оболочек.
Это открытие поднимает заманчивую возможность того, что супер-мошенники могут остановить распространение нового штамма гриппа. Если люди получат спреи с супер-мошенниками, они смогут быстро вылечиться от инфекции. И если они все же передадут новый штамм другим, они также передадут супер-мошенника, чтобы его остановить. "Это нейтрализатор пандемии", - говорит тенОувер.
По крайней мере, концептуально это так. ТенОуверу нужно провести клиническое испытание на людях, чтобы увидеть, сработает ли это так же, как на животных. Однако регулирующие органы высказывали возражения против одобрения такого эксперимента, сказал он, так как это означало бы не просто давать людям лекарство, которое будет работать с вирусами в их собственных телах, но и такое, которое могло бы распространиться на других, независимо от их согласия или несогласия. "Это кажется смертным приговором", - говорит тенОувер о его надеждах использовать науку о социальных вирусах в медицине.
Родригес считает, что осторожность в отношении использования социовирусологии оправдана, пока мы так мало о ней знаем. Одно дело создавать лекарства из инертных молекул. Совсем другое - развертывать социальную жизнь вирусов. "Это живая, развивающаяся материя", - говорит он.
Крайне поучительно узнать о новейших исследованиях в области вирусологии и эволюции. Особенно интригующей выглядит концепция использования "вирусов-мошенников" в качестве потенциальных терапевтических средств против опасных вирусных инфекций. Хотя эта идея пока что и вызывает опасения у регулирующих органов из-за возможности неконтролируемого распространения таких вирусов, сам подход кажется многообещающим. Также очень увлекательно наблюдать, как теории эволюционной биологии и концепции кооперации/конкуренции применяются к миру вирусов на клеточном уровне. Это открывает совершенно новые перспективы в понимании взаимодействий между патогенами и их хозяевами. В целом, этот обзор продемонстрировал, что вирусология - очень динамичная и захватывающая область исследований на стыке биологии, эволюции и медицины.
Можно выдвинуть некоторые гипотезы о возможных ролях "мошеннических" белков, синтезируемых неполными вирусами:
Подавление репликации функциональных вирусов: Как упоминалось в обзоре, один из таких белков, по-видимому, связывается с полимеразами полноценных вирусов и блокирует их способность копировать вирусные геномы. Возможно, другие мошеннические белки также могут взаимодействовать с ферментами и белками, необходимыми для сборки и репликации вирусов, тем самым замедляя размножение функциональных вирусных частиц.
Модуляция иммунного ответа хозяина: Некоторые неполные вирусы, как было показано, активируют иммунную систему хозяина, что может помочь ограничить распространение инфекции. Мошеннические белки могут играть роль в этой активации, взаимодействуя с рецепторами врожденного иммунитета или запуская сигнальные каскады для продукции интерферонов и других противовирусных факторов.
Изменение внутриклеточной среды: Мошеннические белки могут влиять на различные клеточные процессы, изменяя метаболизм, экспрессию генов или структуры внутри инфицированных клеток. Это может создавать условия, неблагоприятные для репликации полноценных вирусов, но выгодные для неполных вирусных геномов.
Межвирусная конкуренция: Возможно, некоторые мошеннические белки позволяют неполным вирусам напрямую конкурировать с другими вирусными инфекциями. Они могут связываться с другими вирусными частицами, блокировать их проникновение в клетки или иным образом мешать их жизненному циклу.
Стимуляция клеточных процессов: В то время как некоторые мошеннические белки могут подавлять клеточные функции, другие гипотетически могут активировать определенные клеточные процессы, такие как синтез РНК/ДНК или белков хозяина. Это может быть выгодно для размножения самих неполных вирусов.