Халявщики и партнеры
Новые исследования обнаруживают социальную жизнь вирусов, полную обманов, сотрудничества и других интриг, и предполагают, что вирусы имеют смысл только как члены сообщества.
С тех пор как в конце 19-го века были обнаружены вирусы, ученые стали выделять их ото всюду. Вирусы были намного меньше клеток, а внутри их белковых оболочек находились лишь гены. Они не могли расти, копировать собственные гены и вообще делать что-либо. Исследователи предполагали, что каждый вирус - это одинокая частица, дрейфующая в одиночестве по миру и способная к репликации только в том случае, если она случайно натыкается на нужную клетку, которая может ее принять. По словам Марко Виньюцци, вирусолога из Лаборатории инфекционных заболеваний Сингапурского агентства по науке, исследованиям и технологиям, именно эта простота и привлекала многих ученых в вирусах. "Мы пытались быть редукционистами".
Этот редукционизм принес свои плоды. Исследования вирусов сыграли решающую роль в зарождении современной биологии. Не обладая сложностью клеток, вирусы открыли фундаментальные правила работы генов. Но за вирусный редукционизм пришлось заплатить, говорит Виньюцци: полагая, что вирусы просты, вы закрываете глаза на возможность того, что они могут быть сложными, о чем вы пока не знаете.
Например, если рассматривать вирусы как изолированные пакеты генов, было бы абсурдно представить, что у них есть социальная жизнь. Но Виньюцци и новая школа единомышленников-вирусологов вовсе не считают это абсурдом. В последние десятилетия они обнаружили некоторые странные особенности вирусов, которые не имеют смысла, если вирусы - одинокие частицы. Вместо этого они открывают удивительно сложный социальный мир вирусов. Эти социовирусологи, как иногда называют себя исследователи, считают, что вирусы имеют смысл только как члены сообщества.
Конечно, социальная жизнь вирусов не совсем похожа на жизнь других видов. Вирусы не выкладывают селфи в социальные сети, не работают волонтерами и не занимаются кражей личных данных, как это делают люди. Они не сражаются с союзниками, чтобы доминировать в стае, как бабуины, не собирают нектар, чтобы прокормить свою королеву, как медоносные пчелы, и даже не слипаются в биопленки, как некоторые бактерии. Тем не менее социовирусологи считают, что вирусы обманывают своих собратьев, сотрудничают с ними и взаимодействуют другими способами.
Область социовирусологии еще молода и малочисленна. Первая конференция, посвященная социальной жизни вирусов, состоялась в 2022 году, а вторая пройдет в июне этого года. В ней примут участие в общей сложности 50 человек. Тем не менее социовирусологи утверждают, что влияние их новой области может быть огромным. Такие заболевания, как грипп, не имеют смысла, если рассматривать вирусы в отрыве друг от друга. И если мы сможем расшифровать социальную жизнь вирусов, то, возможно, сможем использовать ее для борьбы с заболеваниями, которые некоторые из них вызывают.
У нас под носом
Некоторые из самых важных доказательств социальной жизни вирусов лежали на виду почти столетие. После открытия вируса гриппа в начале 1930-х годов ученые придумали, как культивировать вирусы в куриных яйцах, а затем использовать для заражения лабораторных животных для исследований или вводить их в новые яйца, чтобы продолжать выращивать.
В конце 1940-х годов датский вирусолог Пребен фон Магнус занимался культивированием вирусов, когда заметил нечто странное. Многие вирусы, полученные из одного яйца, не могли реплицироваться, когда он вводил их в другое. К третьему циклу передачи только один из 10 000 вирусов все еще мог реплицироваться. Но в последующих циклах дефектные вирусы встречались все реже, а реплицирующиеся возвращались обратно. Фон Магнус предположил, что вирусы, которые не могли реплицироваться, не закончили свое развитие, и назвал их "неполноценными".
Впоследствии вирусологи назвали рост и спад неполноценных вирусов "эффектом фон Магнуса". Для них это было важно - но только как задача, которую нужно было решить. Поскольку никто не видел неполноценных вирусов за пределами лабораторных культур, вирусологи решили, что от них надо избавиться. "Вы должны исключить их из своих лабораторных культур, потому что не хотите, чтобы они мешали вашим экспериментам", - говорит Сэм Диас-Муньос, вирусолог из Калифорнийского университета, вспоминая общепринятую точку зрения в этой области. Потому что это не "естественно".
Исследователи в 1960-х годах заметили, что геномы неполноценных вирусов короче, чем геномы типичных вирусов. Эта находка укрепила мнение многих вирусологов, что неполноценные вирусы - это дефектные особи, у которых отсутствуют гены, необходимые для репликации. Но в 2010-х годах недорогие и мощные технологии секвенирования генов позволили понять, что неполноценные вирусы на самом деле в изобилии присутствуют в нашем собственном организме.
В одном из исследований, опубликованном в 2013 году, ученые из Питтсбургского университета взяли мазки из носа и рта людей, заболевших гриппом. Они извлекли генетический материал вирусов гриппа из образцов и обнаружили, что некоторым вирусам не хватает генов. Эти неполноценные вирусы появлялись, когда инфицированные клетки неправильно копировали геном функционального вируса, случайно пропуская участки генов.
Другие исследования подтвердили это открытие. Они также выявили другие способы образования неполноценных вирусов. Например, некоторые виды вирусов имеют беспорядочные геномы. В этих случаях инфицированная клетка начинает копировать вирусный геном, но на полпути сдает назад и затем копирует геном в обратном направлении. Другие неполноценные вирусы образуются, когда мутации нарушают последовательность генов так, что они больше не могут производить функциональный белок. Эти исследования опровергли старое предположение о том, что неполноценные вирусы фон Магнуса были лишь артефактом лабораторных экспериментов. "Они являются естественной частью биологии вирусов", - утверждает Диас-Муньос.
Обнаружение неполноценных вирусов в нашем собственном организме вызвало новый всплеск научного интереса к ним". Грипп не уникален: многие вирусы существуют в неполных формах. Они составляют большинство вирусов, обнаруженных у людей, больных такими инфекциями, как респираторно-синцитиальный вирус (RSV) и корь. Ученые также придумали новые названия для неполноценных вирусов фон Магнуса. Одни называют их "дефектными интерферирующими частицами". Другие называют их "нестандартными вирусными геномами".
Диас-Муньос и его коллеги придумали для них еще одно название: мошенники.
Вирусы-мошенники
Неполноценные вирусы обычно могут проникать в клетки, но, попав внутрь, они не могут самостоятельно реплицироваться. У них отсутствуют некоторые гены, необходимые для захвата белковых механизмов хозяина, например, гены фермента, копирующего гены, известного как полимераза. Для того чтобы размножаться, им приходится жульничать. Они должны воспользоваться преимуществами своих вирусных собратьев.
К счастью для мошенников, клетки часто инфицируются более чем одним вирусным геномом. Если в клетке мошенника появляется функциональный вирус, он производит полимеразу. Тогда мошенник может позаимствовать полимеразы другого вируса, чтобы скопировать свои гены. В такой клетке два вируса соревнуются в создании наибольшего количества копий своего генома. У вируса-обманщика есть огромное преимущество: у него меньше генетического материала для репликации. Поэтому полимераза быстрее копирует неполный геном, чем полный.
Их преимущество становится еще больше в ходе инфекции, поскольку неполные и функциональные вирусы перемещаются от клетки к клетке. "Если вы в два раза длиннее, это не значит, что вы получаете двукратное преимущество", - говорит Ашер Ликс, изучающий социальную эволюцию вирусов в Йельском университете. "Это может означать, что вы получите тысячекратное преимущество или даже больше".
Другие вирусы-обманщики имеют работающие полимеразы, но у них отсутствуют гены для создания белковых оболочек, в которые заключен их генетический материал. Они реплицируются, выжидая, пока появится функциональный вирус, а затем проносят свой геном в его оболочку. Некоторые исследования показывают, что геномы мошенников могут проникать внутрь оболочек быстрее, чем функциональные. Какую бы стратегию ни использовал неполноценный вирус для репликации, результат будет одинаковым. Эти вирусы не платят за сотрудничество, даже если они используют сотрудничество других вирусов.
"Обманщик плохо работает сам по себе, он лучше работает в связке с другим вирусом, а если обманщиков много, то эксплуатировать их некому",
- говорит Диас-Муньос. "С эволюционной точки зрения это все, что нужно для обозначения мошенничества". Последняя часть этого утверждения представляет собой загадку. Если мошенники так удивительно успешны - а они действительно успешны, - то они должны приводить вирусы к вымиранию. По мере того как поколения вирусов вырываются из старых клеток и заражают новые, мошенники должны встречаться все чаще и чаще. Они должны продолжать реплицироваться до тех пор, пока не исчезнут функциональные вирусы. Если функциональных вирусов не останется, мошенники не смогут реплицироваться самостоятельно. Вся популяция вирусов должна кануть в Лету.
Конечно, такие вирусы, как грипп, явно избежали такого быстрого вымирания, так что в их социальной жизни должно быть что-то большее, чем просто жульничество. Каролина Лопес, вирусолог из Медицинской школы Вашингтонского университета, считает, что некоторые вирусы, которые выглядят как мошенники, на самом деле могут играть более благотворную 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 важную роль".
Профилактика вымирания
Приобщение Лопес к миру социовирусологии началось в начале 2000-х годов, когда она изучала вирус Сендай. Исследователи уже давно знали, что два штамма вируса Сендай ведут себя по-разному. Один из них, названный SeV-52, умел ускользать от внимания иммунной системы, что позволяло вирусу вызывать массовые инфекции. Но мыши, зараженные другим штаммом, SeV-Cantell, демонстрировали быструю и мощную защиту, которая помогала им быстро выздоравливать. Лопес и ее коллеги обнаружили разницу в том, что SeV-Cantell производил много неполноценных вирусов.
Каким образом неполноценные вирусы вызывали иммунную реакцию у мышей? Проведя серию экспериментов, Лопес и ее коллеги установили, что неполноценные вирусы заставляют клетки-хозяева активировать систему тревоги. Клетки вырабатывают интерферон, который сообщает соседним клеткам о появлении захватчика. Эти клетки могут подготовить защитные механизмы против вирусов и предотвратить распространение инфекции по окружающим тканям.
Этот феномен не был причудой ни вируса Сендай, ни иммунной системы мышей. Когда Лопес и ее коллеги обратили внимание на вирус RSV, которым ежегодно болеют миллионы и от которого умирают тысячи людей, они обнаружили, что неполноценные вирусы, образующиеся при естественных инфекциях, также вызывают сильный иммунный ответ со стороны инфицированных клеток. Этот эффект озадачил Лопес. Если бы неполноценные вирусы были мошенниками, им не было бы смысла провоцировать хозяина на прерывание инфекции. Как только иммунная система уничтожит функциональные вирусы, мошенники останутся без жертв.
Лопес обнаружила, что ее результаты имеют смысл, если взглянуть на вирусы по-новому. Вместо того чтобы сосредоточиться на идее, что неполноценные вирусы обманывают, Лопес начала думать о том, что они и функциональные вирусы работают вместе, стремясь к общей цели - долгосрочному выживанию. Она поняла, что если функциональные вирусы будут бесконтрольно реплицироваться, то они могут перегрузить и убить своего текущего хозяина, прежде чем произойдет передача новому хозяину. Это было бы самоубийством.
"Им нужен определенный уровень иммунного ответа, чтобы просто поддерживать жизнь хозяина достаточно долго, чтобы они могли инфицировать дальше", - говорит Лопес.
По ее словам, именно в этом случае на помощь приходят неполноценные вирусы. Они могут поддерживать инфекцию, чтобы у хозяина был шанс передать вирусы следующему хозяину. Таким образом, функциональные и неполноценные вирусы могут сотрудничать. Функциональные вирусы производят молекулярный механизм для создания новых вирусов. В то же время неполноценные вирусы замедляют работу функциональных вирусов, чтобы не уничтожить своего хозяина, что привело бы к прекращению инфекционной деятельности всего сообщества.
В последние годы Лопес и ее коллеги обнаружили, что неполноценные вирусы могут сдерживать инфекции различными способами. Например, они могут заставить клетки реагировать так, как будто они находятся в состоянии стресса от жары или холода. Часть стрессовой реакции клетки отключает фабрики по производству белков, чтобы сэкономить энергию. При этом она также останавливает производство новых вирусов.
Кристофер Брук, вирусолог из Университета Иллинойса, согласен с Лопес в том, что вирусы существуют в сообществах. Более того, он подозревает, что у неполноценных вирусов есть и другая работа в клетках, которую ему и его коллегам еще предстоит выяснить. Брук ищет доказательства такой работы в вирусах гриппа. Полный вирус гриппа состоит из восьми генных сегментов, которые обычно производят 12 или более белков. Но когда инфицированные клетки производят неполноценные вирусы, они иногда пропускают середину гена и вшивают начало с концом. Несмотря на такое радикальное изменение, 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, инфицированных гриппом. Поскольку эти белки являются новыми для науки, исследователи пытаются выяснить, что они делают. Эксперименты с одним из них предполагают, что он цепляется за белки полимеразы, созданные неповрежденными вирусами, и блокирует их от копирования новых вирусных геномов.
Однако пока ученым неизвестно, чего добиваются неполноценные вирусы, производя столько странных белков. "Мое ограниченное воображение не способно охватить и малой доли того, что возможно", - говорит Брук. "Это сырье для вируса, с которым он может играть". Но он сомневается, что неполноценные вирусы, производящие все эти странные белки, являются мошенниками. "Если бы они действительно действовали как чистые мошенники, я бы предсказал, что существовало бы сильное селективное давление, чтобы свести их производство к минимуму", - говорит Брук. "И все же мы видим их постоянно".
Размытые границы
Сейчас социовирусологи пытаются выяснить, насколько велики масштабы мошенничества и сотрудничества в вирусном мире. Ученые, изучающие поведение животных, знают, насколько это сложно. Человек может обманывать в одних ситуациях и сотрудничать в других. Кроме того, поведение, похожее на сотрудничество, может развиваться за счет эгоистичного мошенничества.
Ликс согласен с тем, что неполноценные вирусы могут быть продуктивной частью вирусного сообщества. Но он считает, что всегда важно учитывать возможность того, что даже когда они выглядят как сотрудничающие, на самом деле они жульничают. Эволюционная теория предсказывает, что мошенничество часто возникает у вирусов, благодаря их крошечным геномам. "В вирусах конфликт доминирует, - говорит Ликс.
На самом деле, обман может приводить к адаптации, которая выглядит как сотрудничество. Один из любимых примеров такого скрытого конфликта - нановирус, который заражает такие растения, как петрушка и фасоль. Нановирусы реплицируются удивительным образом. Всего у них восемь генов, но каждая вирусная частица имеет только один из восьми генов. Только когда все частицы нановируса, каждая из которых несет один из восьми различных генов, одновременно заражают одно и то же растение, они могут реплицироваться. Растительные клетки производят белки из всех восьми генов, а также новые копии своих генов, которые затем упаковываются в новые оболочки.
Глядя на нановирусы, вы можете увидеть хрестоматийный пример сотрудничества. В конце концов, вирусы должны работать вместе, чтобы у каждого из них был шанс на репликацию. Такая организация напоминает разделение труда в пчелином улье, где насекомые делят между собой работу по сбору нектара, уходу за личинками и поиску новых мест для переезда улья. Но Ликс и его коллеги проследили, как нановирусы - и другие так называемые многокомпонентные вирусы - могли развиваться путем обмана. Под фасадом сотрудничества скрывалось вирусное жульничество.
Представьте себе, что предок нановирусов начал с того, что все восемь генов были упакованы в один вирусный геном. Затем вирус случайно произвел неполноценных мошенников, у которых был только один из генов. Этот обманщик будет процветать, поскольку полнофункциональные вирусы копируют его ген. А если появится второй обманщик, несущий другой ген, он получит те же преимущества от использования неповрежденных вирусов.
Когда Ликс и его коллеги построили математическую модель для этого эволюционного сценария, они обнаружили, что вирусы могут легко распадаться на большее количество жуликов. Они будут продолжать распадаться до тех пор, пока не останется ни одного исходного вируса, способного реплицироваться самостоятельно. Теперь нановирусы могут зависеть друг от друга в плане выживания, но только потому, что их предки наживались друг на друге.
Чтобы разобраться в природе вирусных сообществ, потребуются годы исследований. Но разгадка этой тайны может принести огромную выгоду. Когда ученые поймут социальное поведение вирусов, они, возможно, смогут направить их против друг друга.
Переворачивая основы
В 1990-х годах эволюционные биологи смогли помочь в разработке противовирусных препаратов. Когда люди с ВИЧ принимали один противовирусный препарат, вирус быстро развивал способность уклоняться от него. Но когда вместо этого врачи назначали препараты, сочетающие три противовирусных средства, вирусам становилось гораздо сложнее избежать их всех. Вероятность того, что вирус получит мутации, способные противостоять всем трем препаратам, была астрономически мала. В результате лекарственные коктейли против ВИЧ остаются эффективными и сегодня.
Сейчас социовирусологи изучают, может ли эволюционная биология снова помочь в борьбе с вирусами. Они ищут уязвимые места в способах мошенничества и сотрудничества вирусов, которые можно использовать, чтобы остановить инфекцию. "Мы считаем, что это перевернет представление о вирусах", - утверждает Виньюцци. Виньюцци и его коллеги проверили эту идею на мышах с вирусом Зика. Они создали неполноценные вирусы Зика, которые могли безжалостно эксплуатировать функциональные вирусы. Когда они вводили этих обманщиков зараженным мышам, популяция функциональных вирусов внутри животных быстро сокращалась. Французская компания Meletios Therapeutics получила лицензию на вирусы-обманщики Виньюцци и разрабатывает их в качестве потенциального противовирусного препарата для различных вирусов.
В Нью-Йоркском университете Бен ТенОвер и его коллеги разрабатывают, возможно, еще более эффективного обманщика вирусов гриппа. Они используют причуду биологии вирусов: время от времени генетический материал двух вирусов, заражающих одну и ту же клетку, оказывается упакованным в один новый вирус. Им стало интересно, удастся ли создать вирус-мошенник, который сможет легко вторгнуться в геном функционального вируса гриппа. Ученые собрали неполноценные вирусы из клеток, зараженных гриппом. Из этой партии они выделили супермошенника, который удивительно хорошо умел внедрять свои гены в полнофункциональные вирусы гриппа. Получившийся гибридный вирус плохо реплицировался, благодаря работе мошенника.
Чтобы проверить, как этот супермошенник будет действовать в качестве противовирусного средства, ТенОвер и его коллеги поместили его в назальный спрей. Они заразили мышей смертельным штаммом гриппа, а затем впрыснули супермошенника в нос животным. Вирус супермошенник настолько хорошо справлялся с функциональными вирусами и замедлял их репликацию, что мыши выздоравливали от гриппа в течение пары недель. Без помощи супермошенников животные погибали. Исследователи получили еще лучшие результаты, когда распылили супермошенников в нос мышам до того, как они заразились. Супермошенники затаились внутри мышей и атаковали функциональные вирусы гриппа, как только те появлялись.
Затем ТенОвер и его коллеги перешли к экспериментам с хорьками. У хорьков гриппозные инфекции протекают примерно так же, как у людей: в частности, в отличие от мышей, вирусы гриппа легко передаются от больного хорька к здоровому, находящемуся в соседней клетке. Ученые обнаружили, что назальный спрей быстро снижает количество вирусов гриппа в организме инфицированных хорьков, как и в случае с мышами. Однако при изучении вирусов, которые зараженные хорьки передавали здоровым животным, ученых ждал сюрприз. Они передавали не только обычные вирусы, но и супермошенников, спрятанных внутри их белковых оболочек.
Это открытие дает заманчивую возможность того, что супермошенники могут останавливать распространение нового штамма гриппа. Если люди будут получать спреи с вирусами-супермошенниками, они смогут быстро восстанавливаться после инфекций. А если бы они передали новый штамм вируса другим людям, те также передали бы им супермошенников, чтобы остановить его распространение.
"Это нейтрализатор пандемии", - уверен Тен Овер.
По крайней мере, концептуально это верно. ТенОверу необходимо провести клинические испытания на людях, чтобы проверить, будет ли он работать так же, как на животных. Однако, по его словам, регулирующие органы не одобрят такой эксперимент, поскольку в этом случае люди не просто получат средство, которое будет действовать на вирусы в их собственных телах, но и сможет распространяться среди других людей, независимо от того, дадут они на это согласие или нет.
Диас-Муньос полагает, что правильно проявлять осторожность в использовании социовирусологии, когда нам еще так много предстоит узнать о ней. Одно дело - создавать лекарства из инертных молекул. Совсем другое - использовать социальную жизнь вирусов. "Это живая, развивающаяся вещь", - считает он.
