Текст книги "Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?"

Зарождение сезонных эпидемий

Восточную и Юго-Восточную Азию считают «кузницей» вируса гриппа человека и эпицентром возникновения эпидемий гриппа. Точная природа событий, приводящих к распространению ежегодных эпидемий гриппа на местности с умеренным климатом в Северном и Южном полушариях, оставалась не вполне ясной. Зарождаются ли сезонные эпидемии локально, запуская следующую эпидемию, или ежегодные эпидемии возникают в субтропической Азии, а затем оттуда распространяются на другие географические ареалы? Недавно на этот вопрос был получен ответ, во всяком случае для вируса H3N2. Ученые предприняли антигенный и генетический анализ 13000 подтипов вируса A (H3N2) с шести континентов за пятилетний период между 2002 и 2007 годами (Russell et al., 2008). Полученные данные показали, что грипп циркулирует в Восточной и Юго-Восточной Азии в течение всего года в виде перекрывающихся по времени эпидемий. Это ведьмино варево сеет ежегодные эпидемии гриппа во всех остальных регионах мира. Это имеет большое значение для наших взглядов на эволюцию вируса гриппа. Если ежегодные эпидемии всякий раз зарождаются в Восточной или Юго-Восточной Азии, то отсюда следует, что эволюция вируса гриппа за пределами своей азиатской колыбели во время эпидемий не окажет влияния на долгосрочную эволюцию этого вируса. Все генетические инновации, имеющие долгосрочные последствия для линий вируса, ограничены эпидемиями в восточном регионе. Остается неясным, в какой степени обе – генетическая и антигенная – эволюции гриппозного генома внутри региональной сезонной эпидемии могут иметь значение для патогенеза заболевания. Возможно ли, что в некоторых условиях сезонная эпидемия может возникнуть из предыдущей и локально? Представляется, однако, что в типичных случаях механизм возникновения ежегодных эпидемий H3N2 возвращает нас к источнику вируса в Юго-Восточной Азии. Это напоминает о важности постоянного наблюдения за вирусами гриппа, циркулирующими в этом регионе, потому что тогда мы сможем с определенной степенью уверенности предсказывать, насколько скоро они посетят наши родные пределы.

Эти знания об эволюции гриппа и дрейфе антигенов имеют большое значение для нашей способности интерпретировать ежегодные эпидемиологические данные о вспышках и предугадывать возможную филодинамическую траекторию циркуляции подтипов вируса гриппа. Наша уверенность в способности экспертов ВОЗ предсказывать штаммы, которые могут вызвать эпидемию следующего года, никогда не была столь высокой; вакцины, изготовленные для наступающих гриппозных сезонов, обычно вполне соответствуют циркулирующим штаммам (если не считать ошибки, сделанной в 2014 году). Риск антигенного сдвига, однако, всегда присутствует, и этот сдвиг может угрожать кризисом общественного здравоохранения до того момента, когда будет изготовлена адекватная вакцина. Грипп не только чрезвычайно изобретателен в генетическом отношении, он пользуется также и техническими и общественными достижениями своих хозяев. Новым пандемическим штаммам не нужны посадочные талоны, в наше время они могут беспрепятственно путешествовать самолетами, распространяясь с небывалой скоростью, способны в течение нескольких недель, а то и дней, посеять региональную эпидемию в любом густонаселенном городе или транспортном узле (Lemey et al., 2014).

Пандемический грипп: голый император

Ни одно суждение о человеческом вирусе гриппа A не будет полным без учета пандемических вирусов, которые возникают с завидной периодичностью и наполняют гриппозный пул свежими генами. Непредсказуемость определяется самой их природой; они возникают не в результате постепенного эволюционного процесса, но в виде стохастических событий, в результате массивной перетасовки генов между вирусами разных линий. Вирусы гриппа – это изощренные экспериментаторы, объединяющие и модифицирующие генетические ресурсы, в данном случае целые генные сегменты в повторяющихся циклах бета-тестирования. Пользуясь покерной терминологией, мы можем сравнить это со сбросом множества карт в надежде набрать выигрышный расклад. Такая тактика редко приводит к успеху. Больше всего мы озабочены пандемическими вирусами, которые обладают новыми комбинациями подтипов гемагглютинина и нейраминидазы. Это именно те вирусы, которые обладают наибольшим пандемическим потенциалом, потому что иммунная система хозяев никогда прежде их не видела, и в популяции отсутствует иммунитет к новым штаммам. Это команда мечты генов вируса гриппа, редкое сочетание талантов, которое может без особых предварительных тренировок стать глобально доминирующим эпидемическим вирусом. Перетасовка генов между вирусами может происходить чаще, чем мы думаем. Вирусы с внутритиповыми перемещениями генов обычно обнаруживаются в составе вирусных групп, циркулирующих в популяции во время сезонных эпидемий. Успешный вирусный геном, однако, должен быть хорошо смазанной машиной для того, чтобы принять эпидемическую форму. Даже генетические перемещения между близкородственными штаммами, циркулирующими при сезонных эпидемиях, приводят к значительной диверсификации перед лицом давления отбора. Отбор оказывает это давление на весь геном, а сам отбор и его давление обусловлены относительной несовместимостью новых ансамблей вирусных генов (Neverov et al., 2014). По определению вирусы с пандемическим потенциалом являются продуктами перемещения генов между радикально отличающимися друг от друга вирусами. Вероятно, что создание жизнеспособной и успешной команды генных сегментов при внутритиповом их перемещении происходит очень редко. Эпидемический потенциал новых пандемических штаммов определяется не только рекомбинацией антигенных ГА и НА; на него также влияет возникновение других генных сегментов. Детерминанты вирулентности и патогенности вируса гриппа являются сложными, и их трудно распределить по определенным генным сегментам новых пандемических типов.

Для наглядности давайте займемся пандемическим вирусом 2009 года H1N1. Когда этот вирус возник, генетики-вирусологи и эпидемиологи имели в своем распоряжении знания и данные, не доступные в прежние времена. Предыдущая пандемия гриппа разразилась в 1968 году, виновником ее был штамм H3N2; то было время, когда не существовало большей части наших современных молекулярных технологий. Понимание природы вируса, вызвавшего пандемию 2009 года, интересно и само по себе, а кроме того, позволяет извлечь замечательное знание об эволюции других эпидемических и пандемических штаммов вируса гриппа за истекшие 100 лет.

Пандемия гриппа H1N1 2009 года началась в марте: весьма поверхностный абзац в «Еженедельном докладе о заболеваемости и смертности» Центров по контролю заболеваемости гласил: «Есть сообщения о появлении похожего на грипп заболевания в Вера-Крусе, Мексика». 17 апреля был зарегистрирован случай атипичной пневмонии в штате Квахака, а двое детей в двух разных графствах Южной Калифорнии заболели тяжелым гриппом. К 23 апреля власти сообщили, что случаи заболеваний в Мексике были обусловлены свиным гриппом A (H1N1) – штаммом S-OIV. Заболевания свиным гриппом, особенно среди людей, работающих на свинофермах, встречаются нередко. Каждый год центры по контролю заболеваемости сообщают об одном-двух случаях (множество других, вероятно, протекают незамеченными), но заболевание редко передается другим людям. Калифорнийские дети не имели контактов со свиньями, поэтому они, вероятнее всего, заразились от контакта с людьми. Передача этого вируса от человека к человеку тоже имела место: вскоре появилось сообщение, что в геноме вируса наблюдается перемещение с уникальным сочетанием генных сегментов – это были классические признаки появления пандемического вируса. 29 апреля «Нью-Йорк Таймс» сообщила, что ВОЗ повысила уровень готовности к пандемии гриппа до пятого уровня, оставался всего один шаг до объявления тревоги. Возникла реальная вероятность пандемии. В Мексике к тому времени было зарегистрировано уже 166 смертей, тревога была так велика, что 176 футбольных матчей в разных городах проходили на пустых стадионах. Были также случаи заболевания в других графствах Калифорнии и в Техасе, грипп поразил учеников и учителей одной школы в Нью-Йорке и вызвал несколько случаев заболевания в Канаде. Сцена для пандемии была готова, хотя власти медлили с быстрым выделением штамма и срочным изготовлением вакцины для ограничения скорости распространения гриппа. Госпитали Нью-Йорка были переполнены больными, считавшими, что у них свиной грипп (хотя у большинства его не было). К началу мая была поражена двадцать одна страна в Северной и Южной Америке, Европе, на Среднем Востоке и в Азии. В более чем 80 % случаев заражение можно было проследить от путешественников, возвращавшихся из Мексики. Вирус буквально облетел мир всего за один месяц. 6 июля 2009 года ВОЗ объявила о пандемии гриппа. К середине октября гриппом H1N1 переболели 22 миллиона американцев, из которых сто тысяч были госпитализированы. От гриппа умерли четыре тысячи человек. Пандемия продолжалась до 10 сентября 2010 года, когда ВОЗ объявила о постпандемической фазе. Всего в мире от свиного гриппа умерли 200 тысяч человек, а от осложнений умерли еще 200 тысяч.

Эта хронология иллюстрирует быстрые и разрушительные последствия, какие может вызвать чрезвычайно заразительный пандемический вирус гриппа, даже в таких развитых и передовых в медицинском отношении обществах, как наше. Пандемические вирусы имеют селективное преимущество благодаря уникальному сочетанию генных сегментов, которое быстро появилось у глобально доминирующего штамма гриппа. Это преимущество заключается в новой комбинации антигенных белков ГА и НА, с которыми никогда прежде не сталкивалась человеческая популяция. Но вы можете спросить, почему нас не защитил прежний контакт с человеческим вирусом гриппа А типа H1N1, который был главным циркулирующим штаммом в течение последних нескольких десятилетий. Ответ сложен, и для того, чтобы добраться до него, нам надо сначала понять генетическое происхождение штамма S-OIV 2009 года (Smith et al., 2009; Garten et al., 2009). Эта история начинается в 1918 году, с эпидемии испанки. Пандемия гриппа, вызванная вирусом H1N1, стала подлинной эпидемической бурей, поразившей 40 % населения земного шара и вызвавшей 40–50 миллионов смертей. Были, кроме того, созданы идеальные условия для эпидемического распространения болезни: началась демобилизация армий после Первой мировой войны, и население было готово подцепить эту агрессивную и в высшей степени заразную болезнь. Более того, «сотрудничество» вируса гриппа с бактериями, вызывающими пневмонию вслед за гриппом, стало основной причиной высокой смертности в пандемии 1918 года, которая разразилась до внедрения антибиотиков в клиническую практику.

В настоящее время интенсивно изучается генетическое происхождение пандемического вируса 1918 года, вируса H1N1 (Shanta, Donald, 2009; Taubenberger, Morens, 2006). Гены этого вируса произошли от генов вируса птичьего гриппа, и большинство ученых считают, что вирус этот попал к людям непосредственно от птиц. Шоуп, выдающийся вирусолог того времени, заключил, что вирус этот затем перешел от людей к свиньям (1936). Свиной грипп был распознан после первой волны эпидемии среди людей весной 1918 года. По большей части первые жертвы пандемии заражались непосредственно от птиц (или свиней), и в течение этой первой волны вирус интенсивно адаптировался к новым хозяевам. Вирус появляется вновь через месяцы или, иногда, годы после первой эпидемии, вооруженный повышенной приспособленностью к людям, между которыми и начинает интенсивно циркулировать (Miller et al., 2009). Можно предположить, что это результат эволюционной адаптации посредством мутаций и, возможно, даже внутритипового перемещения генов между возникшими таксонами. Сегодня мы понимаем, что огромный запас генетического материала вирусов птичьего гриппа свободно перемешивается в дикой популяции птиц. Эти птицы являются его естественными хозяевами, и они часто инфицируются множеством подтипов одновременно. Вслед за птицами идут свиньи, которые, как считают, являются сосудом для перемешивания вирусов гриппа. Свиньи в высокой степени восприимчивы к инфекции, молекулы их клеточных рецепторов позволяют поддерживать инфицирование как птичьим, так и человеческим вирусом гриппа. Следовательно, свиньи являются кондукторами, посредством которых вирус гриппа может проникнуть в человеческую популяцию. Таким образом, есть своеобразная ирония в том, что та единственная пандемия 1918 года, вызванная вирусом H1N1 птичьего происхождения, стала основательницей того, что мы сейчас называем «классическим» свиным гриппом. Вирус H1N1 продолжал циркулировать в человеческих популяциях в течение почти сорока лет, после чего его сменил вирус H2N2, вирус с перемешанным геномом, вызвавший пандемию 1957 года (Kilbourne, 2006; Morens, Taubenberger, Fauci, 2009). В свою очередь H2N2 уступил место гонконгскому гриппу, вирусу H3N2, который вызвал последнюю пандемию двадцатого века, пандемию 1968 года (Kilbourne, 2006; Morens, Taubenberger, Fauci, 2009). Как я уже упоминал выше, вирус H3N2 был объектом интенсивного изучения с тех пор, как он появился более сорока пяти лет назад, и он до сих пор остается одним из вирусов, вызывающих сезонные локальные эпидемии.

В 2009 году, когда выступил со своим дебютом вирус S-OIV H1N1, мир был захвачен врасплох. Штаммы, выбранные для изготовления вакцины, нацеленной на штаммы гриппа A, преобладали в 2008 году, и ожидалось, что они будут циркулировать и в следующем году: штаммы H3N2 и H1N1. Здесь наша история делает небольшой поворот. После того как пандемический штамм H2N2 в 1957 году сменил штамм H1N1, этот последний вообще исчез из сезонных эпидемий. Примечательно, что он появился еще раз только в 1977 году (Kilbourne, 2006). К удивлению вирусологов, вновь появившийся вирус H1N1 был генетически неотличим от вируса, который скрылся из виду в 1957 году (Nakajima, Desselberger, Palese, 1978; Scholtissek, von Hoyningen, Rott, 1978). Если бы этот вирус все время своего отсутствия циркулировал бы в резервуаре такого вида, как свинья, то в его геноме накопились бы мутации. Отсутствие генетической дивергенции может породить только одну гипотезу: в течение прошедших двадцати лет вирус был «заморожен». Сегодня считают, что вирус мог попасть в человеческую популяцию случайно незадолго до 1977 года в результате ошибки при клинических испытаниях вакцины (Rozo, Gronvall, 2015). Его повторное появления в 1977 году привело к эпидемии, поразившей в основном детей и молодых взрослых. Люди более старшего возраста в большинстве случаев сталкивались в прошлом с вирусом штамма H1N1, те же, кто родился после исчезновения этого вируса, оказались восприимчивыми к инфекции.

Вирус H1N1, прямой потомок вируса испанки 1918 года, продолжал циркулировать и после этого, сосуществуя с вирусом H3N1, с теми или иными штаммами, доминировавшими в сезонных эпидемиях вплоть до 2008 года. Конечно, этот современный H1N1 находился в непрерывной циркуляции в течение семидесяти лет (между 1918–1957 годами и 1977–2008 годами). Учитывая давление отбора со стороны иммунной системы человека, поверхностные белки весьма существенно изменились благодаря антигенному дрейфу. Здесь действовали те же самые молекулярные механизмы, которые мы детально обсуждали в разделе об эволюции антигенов H3N2 за 45 лет, в течение которых H3N2 циркулировал в популяции, вызывая сезонные эпидемические вспышки.

Вспомним, что в 1918 году свиньи были заражены вирусом испанки H1N1. Если, действительно, люди получили вирус непосредственно от птиц, то кто в таком случае заразил свиней. Это был очень важный этап. (Я говорю «если», потому что трудно исключить возможность, что вирус сначала был передан от птиц свиньям, а уже от них – людям). О таком же феномене сообщили в 1977 году, когда штаммы человеческого гонконгского вируса H3N2 были обнаружены в популяциях свиней в Азии (Shortridge et al., 1977). Несомненно, эти штаммы некоторое время циркулировали среди свиней, так как они были весьма схожи с вирусами H3N2, которые к тому моменту уже перестали циркулировать в человеческой популяции. Это было свидетельством не только того, что свиньи могут играть роль тигля и передавать вирусы людям, но и того, что вирус может передаваться от человека свинье. Выше я уже упоминал, что вычисленная скорость эволюции вируса птичьего гриппа в птичьих популяциях очень небольшая; этот феномен приписывают длительной взаимной эволюционной адаптации вируса и хозяина, что и наложило отпечаток на поведение вируса птичьего гриппа. Скорость эволюции вируса гриппа в свиной популяции ниже, чем в популяции человеческой. Следовательно, вирус, циркулирующий среди свиней, может играть роль архива альтернативно развивавшегося генетического материала, что достигалось перемещениями и включениями в геном материала либо человеческого, либо птичьего гриппа, которые могли одновременно инфицировать свиней. Это может создать феномен, известный под названием «тройное перемещение вирусов»: вырисовывается фантастическая картина соединения различных генных компонентов из смеси циркулирующих свиных, птичьих и человеческих вирусов. Такие составные вирусы действительно циркулировали в американских и китайских свиных популяциях и часто передавались людям, контактировавшим с зараженными свиньями (Smith et al., 2009; Yin, Yin, Xie, Zhang, Qi, 2014).

Вскоре после того, как в 2009 году начал циркулировать вирус S-OIV, специалисты по молекулярной вирусологии принялись исследовать свойства нового вируса, стараясь выяснить его происхождение. Откуда и как он возник? Выяснилось, что вирус имеет очень сложную генеалогию (Smith et al., 2009; Zimmer, Burke, 2009). Из восьми генных сегментов шесть были унаследованы от вирусов с тройным перемещением, которые сами произошли от человеческого вируса H3N2, птичьего вируса и классического свиного вируса H1N1. Оставшиеся два сегмента могли происходить из свиного вируса H1N1 птичьего происхождения, который был обнаружен на просторах Евразии в 1979 году. Интересно, что вирус испанки продолжает свое существование в этой же пандемической линии в форме трех генных сегментов: гемагглютинина (ГА), неструктурных белков и нуклеокапсида, каждый из которых был передан путем тройного перемещения генного материала. Эти два вируса свиного гриппа H1N1 подверглись смешиванию в клетках свиней с формированием S-OIV незадолго до того, как были переданы человеку и вызвали пандемию. Это вполне очевидный факт, потому что генетическое расстояние между их генами и генами родительских вирусов указывают на степень дивергенции, которая была бы возможна только при условии циркуляции – в течение некоторого времени – в свиной популяции. Представляется весьма вероятным, что «перетасованный» вирус, появившийся во время пандемии 2009 года в виде штамма H1N1, некоторое время вызревал, необнаруженный, в мексиканской свиной популяции, прежде чем инфицировать первого пациента (Smith et al., 2009). Эти события перемещения генетического материала привели к соединению подтипа 1 ГА и подтипа 1 НА, то есть тех же подтипов, которые циркулировали в 2008 году. Оба подтипа происходят от вируса испанки 1918 года, но генетически от него отличаются: подтип 1 НА происходит от птичьего вируса, а также от вируса евразийского свиного гриппа, а подтип ГА 1 происходит от штамма классического свиного гриппа H1N1. Несмотря на то что ген гемагглютинина происходит от гена предкового вируса 1918 года H1N1, он сильно изменился в своем развитии за девяноста лет адаптации к хозяевам различных биологических видов. Подтип гемагглютинина, обнаруженный в человеческом вирусе H1N1, который продолжает циркулировать и в наши дни (а в 2009 году был использован для изготовления вакцины), совершил большой эволюционный путь, и сегодня сильно отличается от своего предка – вируса свиного гриппа. К 2009 году человеческая популяция уже не имела иммунологической памяти ни для одного поверхностного антигена группы S-OIV.

Независимые эволюционные траектории генов антигенов в организмах разных хозяев являются мощным источником генетического разнообразия вируса гриппа. Подтипы гемагглютинина или нейраминидазы, которые, соединяясь, приводят к образованию нового пандемического вируса, не являются равноправными; они могут иметь разную эволюционную историю и играть важную роль в возникновении успешных генетических линий вируса гриппа. Вместе с внутривидовым перемещением генных сегментов эти эволюционные процессы могут создавать антигенную анонимность возникающего вируса и определенно являются основными факторами эволюции пандемического штамма. С другой стороны, Холмс и его коллеги (2005) изучали группы вируса H3N2 и пришли к выводу, что внутритиповые перемещения между совместно циркулирующими таксонами тоже вносят существенный вклад в генетическое разнообразие вируса. В ходе сходного анализа ученые изучили полные исторические последовательности геномов человеческого вируса H1N1, прямого потомка вируса испанки 1918 года, за период с 1918 по 2006 год для того, чтобы во всех деталях прояснить ход независимой эволюции (и, следовательно, филогенетическую историю) каждого генного сегмента (Nelson et al., 2008). Авторы построили филогенетическое дерево на основании дивергенции нуклеотидных и аминокислотных последовательностей каждого из вирусных генов. Так же как в случае H3N2, наблюдали перемещения между генетически разошедшимися таксонами вируса H1N1. Это было очевидно, потому что генетические деревья, построенные для каждого из различных генных сегментов, различались между собой. Эти деревья не были конгруэнтны, но составляли обширную разветвленную сеть. В течение шестидесяти восьми лет разделенных географически и во времени сезонных эпидемий гриппа штаммы вируса H1N1 постоянно подвергались перемещению в непрерывных циклах эволюционной оптимизации, а не постепенным изменениям, которые шаг за шагом приводили к созданию «команды мечты», чья тактика значительно отличается от тактики соперников.

Эта работа проливает свет на потенциал генетических изменений, происходящих между пандемиями, помимо антигенных сдвигов, и приводящих к необычным перемещениям, вызывающим изменения патогенности вируса. Одно из таких внутритиповых перемещений в геноме вируса H1N1 произошло в 1947 году: созданная в том году вакцина оказалась неэффективной, но вирусные подтипы остались неизменными; последовала тяжелая эпидемия вируса H1N1 (Kilbourne, 2006). Анализ нового штамма позволил выявить, что значительно изменился сегмент гена гемагглютинина. Последующих антигенных изменений оказалось достаточно для того, чтобы дать вирусу гриппа значительные преимущества. Другие тяжелые эпидемии, случавшиеся между пандемиями, такие, например, как эпидемии 1950–51 года, также были, возможно, связаны с внутритиповыми перемещениями генных сегментов. Геном вируса гриппа представляет собой сумму восьми генных сегментов, а не просто набор гликопротеинов оболочки. Эта команда генов должна быть очень сыгранной для того, чтобы конечный исход оказался оптимальным для вирусного генома. Это утверждение можно проиллюстрировать проведенными лабораторными экспериментами по реконструкции вирулентного вируса испанки 1918 года (см. главу 11). Только вирусы, реконструированные из всех восьми исходных генных сегментов вируса, при соединении формировали вирус с ожидаемой вирулентностью предкового вируса; ни одна другая комбинация восьми генных сегментов не позволяла этого добиться. Таким образом, команду мечты может создать уникальное сочетание генов; основа такой оптимальной комбинации остается для нас неясной. Мы не знаем доподлинно, что вирусы гриппа изменяют свои генные линии для оптимизации игры своей команды. Случайные события, мутационные изменения и хаотичные обмены генных сегментов создают условия, при которых грипп может – с беспрецедентным успехом – эмпирически проверить все возможные комбинации каждого игрока команды. Наиболее успешные генетические линии возникают в результате деятельности замечательного эволюционного поисковика, встроенного в генетическую программу вируса гриппа.