13.4.1. Генетические взаимодействия между вирусами

Множественная реактивация

При заражении клетки в нее могут проникнуть несколько вирусных частиц с поврежденными геномами. Каждый из этих вирионов не смог бы реплицироваться, однако вполне возможна ситуация, когда недостающий продукт гена, поврежденного у одного вириона, восполняет соответствующий неповрежденный ген другого вириона. При этом в зараженной клетке вирус успешно реплицируется, образуя полноценные неповрежденные вирионы.

Это явление вначале было обнаружено у бактериофагов и получило название множественной реактивации. В основе множественной реактивации лежит кооперативный процесс, при котором вирионы с поврежденными геномами дополняют друг друга путем генетической рекомбинации, в результате чего возникает неповрежденный вирусный геном. Эффективность множественной реактивации зависит от многих причин: степени повреждения генома вирионов, числа проникших в клетку геномов и др.

Рекомбинация

Генетической рекомбинацией называют обмен генетическим материалом между родительскими вирусами. Рекомбинация возможна в виде обмена целыми генами (межгенная рекомбинация) или участками одного и того же гена (внутригенная рекомбинация).

Пересортировка генов

Пересортировка генов является вариантом рекомбинации между вирусами, имеющими сегментированный геном. Образующиеся при пересортировке генов формы вирусов называют реассортантами. Например, с 1950-х годов получают реассортанты вируса гриппа, в частности для получения вакцины. Могут ли быть реассортанты причиной пандемий, остается дискуссионным вопросом.

Перекрестная реактивация

Перекрестная реактивация, или кросс-реактивация, происходит в случае заражения клетки двумя вариантами вирусов, при этом один вариант имеет поврежденный геном, а другой нет. При смешанной инфекции между вирусами возможна рекомбинация неповрежденных участков генома вируса с поврежденным геномом и полноценного вируса. В результате появляются штаммы вирусов со свойствами обоих родителей.

Гетерозиготность

При совместном культивировании вирусов могжет происходить формирование вирионов, содержащих в своем составе два разных генома или по крайней мере часть второго генома. Это явление названо гетерозиготностью. Впервые это было найдено у бактериофагов. Однако такое событие часто наблюдается у вирусов животных; более того, у вирусов животных, которые размножаются почкованием, в одной оболочке часто оказываются несколько нуклеокапсидов. Такой вирус можно назвать полиплоидным, а если геномы нуклеокапсидов происходят от разных родителей, то это можно назвать гетероплоидией. Следует отметить, что возможность гетероплоидии может значительно затрудняет генетический анализ вирусов, поскольку ее результат практически невозможно отличить от рекомбинации.

13.4.2. Негенетические взаимодействия между вирусами

Комплементация

Комплементация, или дополнение, является видом негенетического взаимодействия между вирусами, при котором при совместном заражении клетки двумя вирусами стимулируется репродукция одного или обоих партнеров. Генотипы вирусов при этом не изменяются, то есть не происходит никаких рекомбинаций. Суть комплементации состоит в том, что один вирус снабжает партнера недостающими компонентами, обычно структурными или неструктурными белками.

Комплементация может быть двусторонней и односторонней. При двусторонней комплементации каждый из партнеров не способен к самостоятельной репликации, и только вместе они успешно реплицируются. При односторонней комплементации один из партнеров обеспечивает другого недостающим продуктом. Комплементация наблюдается как между родственными вирусами, так и между неродственными вирусами. Примером односторонней комплементации с участием неродственных вирусов является репликация вирусов-сателлитов в присутствии вируса-помощника.

Фенотипическое смешивание

При совместном культивировании двух вирусов может наблюдаться феномен фенотипического смешивания, когда потомство приобретает фенотипические признаки обоих родителей, хотя генотип при этом не изменяется. Обычно фенотипическое смешивание может происходить между вирусами, имеющие некоторые общие черты, например структуру капсида, или которые почкуются на одной и той же мембране хозяина. При этом, например, геном одного вируса может оказаться заключен в капсид, частично или полностью состоящий из белков другого вируса.

Интерференция вирусов

Интерференция вирусов – это тип негенетического взаимодействия между вирусами, при котором наблюдается репродукция одного вируса другим в клетках, зараженных двумя вирусами. Проявляется интерференция на разных стадиях вирусной инфекции и может быть обусловлена конкуренцией за клеточные рецепторы, за участки репликации нуклеиновой кислоты и трансляции, истощением метаболитов в клетке, индукцией интерферона и другими причинами.

79. Как вирусы могут приобрести гены хозяина? Ассоциации вирус-хозяин, которые существуют в течение длительного времени, вероятно развиваются в сторону таких взаимоотношений, при которых вирус наносит хозяина слабый вред, или не приносит вреда вообще. Примерами таких вирусов являются депендовирусы и некоторые реовирусы, которые не ассоциированы ни с каким заболеванием. Вероятно, члены этих групп вирусов, которые заражают Homo sapiens, сопутствуют людям с момента выделения человека в отдельный вид.

Когда вирус начинает заражать нового хозяина, он часто становится намного более вирулентным для нового хозяина, чем был для старого. Примерами являются вирус иммунодефицита шимпанзе и вирус иммунодефицита темно-коричневых мангобеев, которые авирулентны для своих хозяев, но при переходе на человека и преобразовании в ВИЧ-1 и ВИЧ-2 они оказались летальными для нового хозяина.

Вирулентный вирус может влиять на эволюцию своего хозяина, исчезновение генов, которые обусловливают восприимчивость к вирусной инфекции, пока отбор будет благоприятствовать генам устойчивости. ВИЧ-1 в настоящее время оказывает давление отбора в пользу делеции размером 35 нуклеотидов в гене CCR5, который поддерживает восприимчивость к заражению.

Завершение коэволюции вируса и его хозяина происходит тогда, когда геном вируса встраивается в геном хозяина. Вероятно, это произошло, когда по крайней мере некоторые последовательности эндогенных ретровирусов/ретротранспозонов появились в геномах эукариот.

Геномы прокариот также содержат последовательности, которые являются результатом интеграции вирусных геномов в процессе лизогении. Последовательности фагов (профаги) обнаружены в большинстве геномов бактерий, которые были секвенированы. Некоторые из этих профагов являются индуцируемыми, то есть они могут активироваться, вирус начинает реплицироваться и клетка хозяина лизируется. Другие профаги являются дефектными, и их репликацию индуцировать нельзя. Гены, связанные с рядом особенностей бактерий кодируются последовательностями профагов, например синтез холерного токсина у Vibrio cholera.

77. Какую роль играют мутации в эволюции вирусов? При копировании геномов вирусов полимеразой происходят некоторые ошибки. Если эти ошибки происходят в последовательности, кодирующей белок, и если ошибка приводит к замене аминокислоты в белке, то ошибка приводит к мутации. Естественный отбор сохраняет те мутации, которые обеспечивают вирусу лучшую приспособленность.

Есть много видов давления естественного отбора на вирусы. Один из таких видов включает иммунный ответ хозяина; например, новый вариант антигена вируса животного, с которым иммунная система хозяина ранее не встречалась, будет иметь преимущество при сравнении с типом антигена, против которого у хозяина имеется приобретенная устойчивость. Таким образом, имеется сильно давление отбора на вирусные белки, например белок gp120 ВИЧ-1, которые являются мишенями иммунного ответа хозяина. Такие белки вируса часто являются наименее консервативными, наиболее вариабельным является участок белка, являющийся мишенью для антитела. У эволюционного процесса, однако, есть ограничения. Белки прикрепления вируса должны сохранять конфигурацию, которая позволяет им связываться с рецептором, а ферменты, типа обратной транскриптазы, должны сохранять свои каталитические свойства. Для некоторых вирусов имеются дополнительные ограничения. Например, такие вирусы как вирус желтой карликовости картофеля, которые должны реплицироваться как в растение-хозяина, так и в насекомом-хозяине, могут претерпевать только такие мутации, которые повышают их способность к репликации в одном хозяине и как минимум не снижают их способность реплицироваться в дром хозяине.

При репликации ДНК-геномов вирусов количество ошибок намного меньше, че при репликации РНК-геномов. Это связано с тем, что ДНК-зависимая ДНК-полимераза имеет механизм исправления ошибок спаривания комплементарных оснований, тогда как РНК-полимераза и обратная транскриптаза такого механизма не имеют. В результате этого ДНК-содержащие вирусы эволюционируют гораздо медленнее, чем РНК-содержащие вирусы.

Большое число ошибок при репликации РНК и обратной транскрипции означает, что РНК-содержащие вирусы не имеют какой-то фиксированной последовательности оснований в геноме. Вместо этого, вирусные геномы представлены большим количеством вариантов; для описания группы вариантов, которые в совокупности представляют геном РНК-содержащего вируса, предложен термин «квазивид». У многих ваиантов наблюдается только скоротечное существование, тогда как лучше всего приспособленные к конкретной нише начинают в этой нише доминировать.

Первым шагом в репликации геномов ВИЧ является обратная транскрипция, при которой происходи примерно одна ошибка на 10⁴ добавленных нуклеотидов. Поскольку геном ВИЧ содержит около 10⁴ оснований, это означает, что в среднем происходит одна ошибка при обратной транскрипции одного генома. Имеются доказательства, что вирусы иммунодефицита человека перешли на людей с шимпанзе и обезьян семейства мартышковых. После перехода на новый вид, вирусы быстро эволюционировали на многие субтипы и суб-субтипы.

Быструю эволюцию ВИЧ можно наблюдать в теле зараженного человека, в котором каждый день продуцируется от 10¹⁰ до 10¹² новых вирионов. Таким образом, происходит постоянное создание огромного количества новых генетических вариантов вируса. Благодаря этому, вирус быстро эволюционирует в ответ на давление отбора, такое как присутствие антивирусных лекарств.

Высокое разнообразие также выявлено в геномах других РНК-вирусов, таких как вирус гепатита С, у которого изоляты, выделенные у одного пациента, имеют до пяти процентов различий в нуклеотидной последовательности.

Способность к быстрой эволюции РНК-вирусов создает практические проблемы в развитие и поддержании некоторых программ по вакцинации. Так, при вакцинации ослабленным вирусом полиомиелита вакцина, представленная одним или более штаммами, вводится в кишечник, и инфекция в норме остается в теле 1–2 месяца. Однако у некоторых вакцинированных людей с иммунодефицитом инфекция остается в течение гораздо более длительного времени, и в течение этого времени вирус всегда эволюционирует. Поскольку между штаммами вируса полиомиелита, вирулентными для нервных клеток, и штаммами вакцины имеется различие только в несколько оснований, реверсия к нейровирулентному типу является общим явлением, и у таких людей может разиться паралитический полиомиелит, также они становятся источником инфекции вируса паралитического полиомиелита для окружающих.

Вирус гепатита В является ДНК-содержащим вирусом, однако поскольку репликация его генома включает обратную транскрипцию, частота ошибок при репликации является такой же высокой, как и у РНК-содержащих вирусов. Хотя геном данного вируса сложный и многие мутации не позволяют вирусу реплицироваться, вариабельность генома этого вируса намного выше, чем у ДНК-содержащих вирусов, геном которых реплицируется только при использовании ДНК-зависимой ДНК-полимеразы.

78. Каким образом у вирусов перебегают рекомбинации и пересортування генов? Какую роль играют эти процессы в эволюции вирусов? Рекомбинация является процессом, результатом которого является образование нового генома, имеющего происхождение от двух родительских геномов. У вирусов рекомбинация может происходить, когда клетка заражена двумя родственными вирусами. Рекомбинация может происходить в у ДНК-, и у РНК-содержащих вирусов. При рекомбинации ДНК-содержащих вирусов происходит разрезание родительских ДНК с последующим сшиванием рекомбинантов (слайд).

Геномы РНК-содержащих вирусов могут претерпевать рекомбинацию аналогичным способом.

Для вирусов, содержащих одноцепочечную РНК, полагают, что рекомбинация может происходить с помощью механизма переключения матрицы. При этом РНК полимераза транскрибирует одну молекулу РНК, далее она перемещается на другую молекулу РНК и продолжает синтез с использованием новой матрицы (слайд).

Рекомбинация также является обычным событием у ретровирусов и гепадновирусов (параретровирусов). Вероятно она происходит в процессе обратной транскрипции посредством механизма переключения матрицы. У ретровирусов матрицы РНК находятся в вирионе, и РНК разных штаммов могут оказаться в одном вирионе при совместном заражении клетки двумя штаммами вируса и последующей сборке вирионов. У параертровирусов матрицы РНК разных штаммов находятся в цитоплазме клетки.

Рекомбинации у вирусов постоянно происходят в природе; их также индуцируют в лаборатории например для получения штаммов вирусных векторов, несущих необходимые гены.

82. Какие методы используют ради идентификации вирусов и их геномов? 15.5. Изучение генетики вирусов

15.5.1. Последовательности геномов

Использование методов анализа последовательности геномной нуклеиновой кислоты позволяет получить много информации о вирусах. С использованием компьютерных специальных программ, в геномах вирусов обнаруживаются открытые рамки считывания и предсказываются свойства кодируемых ими белков, например являются ли белки ассоциированными с мембранами и/или какой ферментативной активностью они обладают. Идентифицируются регулирующие последовательности, например промоторы и энхансеры. На основании последовательности нуклеотидов для определенных групп вирусов строятся филогенетические отношения. В случае вспышек заболевания, анализ последовательности может позволить выявить важную эпидемиологическую информацию, например происхождение штамма, вызвавшего заболевание.

15.5.2. Манипуляции с геномами вирусов

Для манипуляций с нуклеиновыми кислотами вирусов, особенно ДНК, доступен довольно широкий круг методов. Эти методы позволяют выделить специфический фрагмент генома, клонировать этот фрагмент в бактериальной плазмиде и ввести сайт-специфические мутации в вирусный геном. Естественный процесс рекомбинации или пересортировки вирусных геномов может быть воспроизведен в лаборатории для получения новых генотипов вирусов.

15.5.3. Исследования функции и экспрессии генов

Функции гена могут быть выяснены, если его экспрессия блокирована. В многочисленных исследованиях были использованы вирусы с мутантными генами. В течение более или менее длительного времени были разработаны и используются методы работы в этом аспекте с ДНК-содержащими вирусами. Относительно недавно были разработаны соответствующие методы для РНК-содержащих вирусов. Эти методы называют обратной генетикой, и они включают обратную транскрипцию, то есть синтез ДНК на геномной РНК, внедрение мутации в ДНК, и затем транскрипция с получением геномной РНК, несущей нужную мутацию.

Помимо мутаций, для блокирования экспрессии генов используется глушение РНК, то есть защитный механизм хозяина. Для глушения генов используют короткие последовательности двухцепочечной РНК, комплементарные генам, которые требуется заглушить.

Экспрессию генов вируса и клетки хозяина изучают с использованием ДНК-микрочипа (слайд).