Эволюция вирусов

Эволюция и генетическая изменчивость вирусов. Лекарственная устойчивость ВИЧ. Рекомбинация вирусов гриппа.

Ключевые моменты:

• Вирусы подвергаются эволюции и естественному отбору, также, как и клеточные формы жизни, и большинство вирусов быстро эволюционируют.
• Когда два вируса заражают клетку одновременно, они могут обмениваться генетическим материалом с образованием новых, «смешанных» вирусов с уникальными свойствами. Например, таким образом могут возникать новые штаммы гриппа.
• РНК-вирусы имеют высокую частоту мутаций, которая обеспечивает особенно быструю эволюцию. Примером является эволюция лекарственной устойчивости у ВИЧ.

Введение

Задумывались ли вы, почему каждый год появляется новый штамм вируса гриппа? Или как ВИЧ, вирус, вызывающий СПИД, может стать лекарственно устойчивым?

Краткий ответ на эти вопросы заключается в том, что вирусы эволюционируют. То есть «генофонд» вирусной популяции может со временем меняться. В некоторых случаях вирусы в популяциях, таких как, вирусы гриппа в определенном географическом регионе или популяция вирусов ВИЧ в организме пациента, могут эволюционировать путем естественного отбора. Наследуемые признаки, которые помогают размножаться вирусу (такие, как высокая инфекционность, при гриппе, или лекарственная устойчивость к ВИЧ), будут иметь тенденцию становиться все более и более распространенными в популяции вирусов с течением времени.

Что такое эволюция?

Эволюция - это изменение генофонда и / или наследственных признаков популяции с течением времени.

Естественный отбор - это механизм эволюции, при котором наследуемые признаки, которые помогают организмам выживать и размножаться (в нынешних условиях), с течением времени становятся все более распространенными среди популяции. Естественный отбор может позволить популяции адаптироваться или стать более приспособленной к окружающей среде.

Вирусы эволюционируют (посредством естественного отбора и других механизмов) так же, как и клеточные организмы. Посетите тему эволюции, чтобы узнать больше об эволюции и естественном отборе.

Мало того, что вирусы эволюционируют, но они также и имеют тенденцию эволюционировать быстрее, чем их хозяева, например, быстрее чем люди. Это делает эволюцию вируса важной темой - не только для биологов, изучающих вирусы, но также для врачей, медсестер и работников здравоохранения, а также для всех, кто может быть подвержен воздействию вируса. (Подсказка: для всех нас!)

Изменчивость у вирусов

Естественный отбор начинает работать только тогда, когда у него есть правильный исходный материал: генетическая изменчивость. Понятие генетической изменчивости означает появление некоторых генетических (наследственных) различий в популяции. У вирусов есть два основных источника изменчивости [1]:

• Рекомбинация: вирусы обмениваются кусками генетического материала (ДНК или РНК).
• Случайные мутации: происходит изменение в последовательности ДНК или РНК вируса.

Что такое ДНК и РНК?

Отличный вопрос! ДНК – это сокращение обозначающее дезоксирибонуклеиновую кислоту, а РНК обозначает рибонуклеиновую кислоту.

ДНК и РНК принадлежат к классу молекул, называемых нуклеиновыми кислотами, которые представляют собой длинные цепочки молекулярных «букв», связанных вместе.

ДНК - это генетический материал для человека и всех других форм жизни, состоящих из клеток. Вирусы могут иметь в качестве генетического материала, как ДНК, так и РНК. «Генетический материал» – означает молекулу, которая несет план или инструкции для организма и передается от родителя к ребенку.

Вы можете узнать больше о ДНК и РНК в нашем курсе о нуклеиновых кислотах.

Мы можем видеть изменения и эволюцию вирусов вокруг нас, если мы знаем, где искать, например, в новых штаммах гриппа, которые появляются каждый год.

Смешивание: рекомбинация

Прежде чем мы рассмотрим конкретно вирус гриппа, давайте рассмотрим, как вирусы обмениваются ДНК и РНК в процессе, называемом рекомбинацией.

Обычно рекомбинация происходит, когда два вируса заражают одну и ту же клетку одновременно. Поскольку оба вируса используют клетку для производства большего количества вирусных частиц, внутри неё плавает множество частей еще не собранных вирусов, включая вновь созданные геномы.

В этих условиях рекомбинация может происходить двумя различными способами. Во-первых, сходные участки вирусных геномов могут соединяться и обмениваться фрагментами, физически разрушая и повторно соединяя ДНК или РНК. Во-вторых, вирусы с разными сегментами (вроде крошечных хромосом) могут обмениваться некоторыми из этих сегментов, процесс, называемый реассортиментом [2,3].

Рекомбинация у вирусов гриппа

Вирусы гриппа являются мастерами реассортимента. Вирусы гриппа имеют восемь сегментов РНК, каждый из которых несет один или несколько генов [4].

Когда два вируса гриппа инфицируют одну и ту же клетку одновременно, некоторые из новых вирусов, продуцируемых внутри клетки, могут содержать комбинацию сегментов (например, сегменты 1-4 от штамма A и сегменты 5-8 от штамма B).

В частности, свиньи являются хорошо известными «сосудами для смешивания» вирусов гриппа [5].

Клетки свиньи могут быть распознаны и, таким образом, инфицированы, как вирусами человеческого, так и птичьего гриппа (а также вирусами свиней) [6]. Если клетка свиньи заражена двумя типами вирусов одновременно, она может выделять новые вирусы, которые содержат смесь генетического материала вирусов человека и птицы.

Этот вид обмена распространен для вирусов гриппа в природе. Вы наверняка, помните штамм гриппа H1N1 («свиной грипп»), который вызвал пандемию в 2009 году. Штамм H1N1 содержал сегмент РНК вирусов человека и птиц, а также вирусы свиней из Северной Америки и Азии. Такая комбинация указывает на серию повторных смешиваний, которые происходили шаг за шагом в течение многих лет для получения этого штамма H1N1 [5,7].

Мутации у вирусов

Мы видели, как рекомбинация может влиять на эволюцию вируса, но как быть с мутациями? Мутации – это постоянные изменения генетического материала (ДНК или РНК) вируса. Мутация может произойти в результате ошибок при копировании ДНК или РНК вируса.

Некоторые вирусы имеют очень высокую частоту мутаций, но это не всегда так. В целом, РНК-вирусы, как правило, имеют более высокую частоту мутаций, в то время как ДНК-вирусы, как правило, имеют более низкую частоту мутаций [8].

Как объясняется эта разница в скорости мутации? Ключевое отличие заключается в способе копирования генома. Большинство ДНК-вирусов копируют свой генетический материал, используя ферменты из клетки-хозяина, называемые ДНК-полимеразами, которые «корректируют» (ловят и исправляют ошибки по мере их появления). РНК-вирусы вместо этого используют ферменты, называемые РНК-полимеразами, которые не обладают способностью к корректировке, и таким образом, делают намного больше ошибок [9].

Исследование случаев лекарственной устойчивости ВИЧ

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) – это вирус, вызывающий синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). ВИЧ является быстро эволюционирующим РНК-вирусом с высокой частотой мутаций, что способствует появлению устойчивых к лекарствам штаммов.

Высокий уровень мутаций ВИЧ

Поскольку РНК-вирусы, такие как ВИЧ, имеют высокую частоту мутаций, то среди популяции вирусов ВИЧ, находящихся в организме пациента будет много вирусов, имеющих генетические мутации. Многие из мутаций будут вредными, и мутантные вирусы просто «умрут» (не смогут размножаться). Однако некоторые мутации могут оказаться полезными и помогать вирусам размножаться при определенных условиях. Например, мутация может обеспечить устойчивость к лекарству [10]

Развитие лекарственной устойчивости при ВИЧ

Некоторые лекарства могут блокировать репликацию ВИЧ путем ингибирования ключевых вирусных ферментов. Приём подобных препаратов в первую очередь снижает вирусную нагрузку. Однако через некоторое время вирусы ВИЧ обычно «приходят в норму» и вирусная нагрузка возвращается к высокому уровню, даже если прием лекарства все еще продолжается. Другими словами, появляется лекарственно устойчивая форма вируса [10].

Чтобы понять, как это происходит, давайте рассмотрим пример конкретного противовирусного препарата – ингибитора обратной транскриптазы. Ингибиторы обратной транскриптазы, такие как молекула невирапина, показанная на диаграмме ниже, связываются с вирусным ферментом, называемым обратной транскриптазой (красно-коричневая структура). Препарат не позволяет ферменту создавать из РНК-генома ВИЧ последовательность ДНК. Если этот фермент неактивен, то вирус ВИЧ теряет способность инфицировать клетку [11].

Невирапин останавливает большинство вирусов ВИЧ. Однако очень малая доля вирусов в популяции ВИЧ (по случайности) может иметь мутацию в гене обратной транскриптазы, что делает их устойчивыми к лекарству. Например, у них может быть генетическое изменение, которое изменяет сайт связывания лекарственного средства с ферментом, так что лекарственное средство больше не может фиксироваться и ингибировать активность фермента.

Вирусы с этой резистентной мутацией будут размножаться, несмотря на присутствие препарата, и через несколько поколений уровень вирусной нагрузки, присутствующий до введения препарата, может восстановиться. И не только, теперь вся популяция вирусов будет устойчива к лекарству!

ВААРТ лекарственная устойчивость

Но если ВИЧ может эволюционировать под действием лекарств, то как остановить этот вирус? По всей видимости, лучше всего работает комбинированный подход с одновременным приемом трех или более препаратов. Такой подход к лечению называется высокоактивной антиретровирусной терапией, или сокращенно ВААРТ. Препараты, вводимые в «коктейль» ВААРТ, обычно нацелены на разные части жизненного цикла ВИЧ [12,13].

Подход ВААРТ работает, потому намного меньше вероятности, что какой-либо вирус ВИЧ в популяции будет иметь сразу три мутации, которые обеспечивают устойчивость ко всем трем препаратам одновременно. Хотя формы вируса с множественной лекарственной устойчивостью в конечном итоге могут развиться, комбинации с несколькими лекарственными средствами значительно замедляют развитие резистентности.

Подбробнее о ВИЧ, в нашем видео:

Почему вирусы эволюционируют так быстро?

Как правило вирусы эволюционируют быстрее, чем люди, в чем причина этого?

Как мы видели в случае ВИЧ, некоторые вирусы имеют высокую частоту мутаций, которые являются источником различных вариаций в качестве исходного материала, что помогает вирусам быстро эволюционировать. Двумя другими факторами, способствующими быстрой эволюции вирусов, являются большой размер популяции и быстрый жизненный цикл [14].

Чем больше размер популяции, тем выше вероятность того, что у в ней будет вирус с определенной случайной мутацией (например, обеспечивающей лекарственную устойчивость или высокую инфекционность), на которую может действовать естественный отбор. Кроме того, вирусы очень быстро размножаются, поэтому их популяции развиваются в более короткие сроки, чем их хозяева. Например, вирус ВИЧ проходит свой жизненный цикл всего за 52 часа, по сравнению с примерно 20 годами для жизненного цикла человека [15]!

Какие инструменты существуют для борьбы с быстро эволюционирующими вирусами? Принятие мер по предотвращению передачи, поиск новых лекарств для лечения, разработка и использование вакцин — все это важные стратегии.

Друзья, если вам понравился этот курс, и вы хотели бы видеть еще больше качественных, образовательных материалов, то пожалуйста ?, поддержите наш проект, поделившись ? этой статьей с друзьями и подписавшись на нас:

• ВКонтакте: https://vk.com/khanacademyrussianofficial

• Facebook https://www.facebook.com/KhanAcademyRussianOfficial/

• Youtube https://www.youtube.com/user/KhanAcademyRussian

Эта статья распространяется по лицензии CC BY-NC-SA 4.0.

Цитируемые работы:

1. Fleischmann, W. R. (1996). Viral genetics. In S. Baron (Ed.), Medical microbiology (4th ed., Ch. 43). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8439/#_A2323_.

2. Swiss Institute of Bioinformatics. (n.d.). Viral genome evolution. In ViralZone. Retrieved from http://viralzone.expasy.org/all_by_species/4136.html.

3. Fleischmann, W. R. (1996). Viral genetics. In S. Baron (Ed.), Medical microbiology (4th ed., Ch. 43). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8439/#_A2330_.

4. Swiss Institute of Bioinformatics. (n.d.). Influenzavirus A. In ViralZone. Retrieved from http://viralzone.expasy.org/viralzone/all_by_species/6.html.

5. Centers for Disease Control and Prevention. (2009, November 25). Origin of 2009 H1N1 flu (swine flu): Questions and answers. In H1N1 flu. Retrieved from http://www.cdc.gov/h1n1flu/information_h1n1_virus_qa.htm.

6. Neumann, G. and Kawaoka, Y. (2006). Host range restriction and pathogenicity in the context of influenza pandemic. Emerg. Infect. Dis., 12(6). http://dx.doi.org/10.3201/eid1206.051336.

7. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Emerging viruses. In Campbell biology (10th ed., p. 403). San Francisco, CA: Pearson.

8. Sanju?n, R., Nebot, M. R., Chirico, N., Mansky, L. M., and Belshaw, R. (2010). Viral mutation rates. Journal of Virology, 84(19), 9733-9748. http://dx.doi.org/10.1128/JVI.00694-10.

9. Fleischmann, W. R. (1996). Viral genetics. In S. Baron (Ed.), Medical microbiology (4th ed., Ch. 43). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8439/#_A2324_.

10. HIV: The ultimate evolver. (n.d.) In Understanding evolution. Retrieved from http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/medicine_04.

11. Goodsell, David. (2002). HIV reverse transcriptase. In RCSB PDB Molecule of the month. Retrieved November 6, 2016 from http://pdb101.rcsb.org/motm/33.

12. OpenStax College, Biology. (2016, March 23). Prevention and treatment of viral infections. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.8:4KffAR5W@3/Prevention-and-Treatment-of-Vi.

13. Management of HIV/AIDS. (2016, April 17). Retrieved May 12, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Management_of_HIV/AIDS.

14. Roosien, B. (n.d.). Virus evolution. Retrieved from http://public.wsu.edu/~broosien/VirusEvolution.html.

Murray, J. M., Kelleher, A. D., and Cooper, D. A. (2011). Timing of the components of the HIV life cycle in productively infected CD4+ T cells in a population of HIV-infected individuals. Journal of Virology, 85(20), 10798-10805. http://dx.doi.org/10.1128/JVI.05095-11.

Источник: m.vk.com

Комментарии: