Основное содержание

Course: Биология > Модуль 20

Урок 1: Вирусы

Эволюция вирусов

Генетическая изменчивость вирусов и их эволюция. Устойчивость ВИЧ к лекарственным препаратам. Реассортация вируса гриппа

Основные моменты:

Вирусы эволюционируют и подвергаются естественному отбору, так же как и клеточные формы жизни, и большинство из них эволюционируют очень быстро.
Когда два вируса заражают клетку одновременно, они могут обменяться генетическим материалом с образованием новых, «смешанных» вирусов с уникальными свойствами. Так, к примеру, появляются новые штаммы вируса гриппа.
РНК-вирусы имеют высокую частоту мутаций, которая обеспечивает особенно быструю эволюцию. Примером является эволюция лекарственной устойчивости ВИЧ.

Введение

Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему каждый год появляются новые штаммы вируса гриппа? Или как ВИЧ (вирус, вызывающий СПИД) смог развить устойчивость к лекарственным препаратам?

На эти вопросы можно дать краткий ответ: вирусы эволюционируют. Это означает, что генофонд всей популяции вирусов меняется с течением времени. Иногда вирусы одной популяции (например, вирусы гриппа в отдельном регионе или ВИЧ в организме пациента) эволюционируют путем естественного отбора. Наследственные признаки, помогающие вирусам размножаться (высокая инфекционная активность в случае вируса гриппа или лекарственная устойчивость ВИЧ), со временем станут всё более распространёнными в вирусной популяции.

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

Естественный отбор - это эволюционный механизм, в процессе которого наследуемые признаки, помогающие организмам выживать и размножаться в данной конкретной среде, становятся со временем всё более и более распространёнными в популяции. Естественный отбор помогает популяции адаптироваться, то есть лучше приспосабливаться к среде обитания.

Вирусы эволюционируют (путем естественного отбора и других факторов) так же, как и клеточные организмы. Ознакомьтесь с темой эволюции, чтобы узнать больше об эволюции и естественном отборе.

Вирусы имеют тенденцию эволюционировать быстрее, чем клетки-хозяина, например, человека. Это делает эволюцию вируса важной темой - не только для биологов-вирусологов, но и для врачей, медсестер, работников здравоохранения, а вместе с ними и для всех людей, которые могут быть заражены (то есть для всех нас!).

Изменчивость вирусов

Естественный отбор происходит только тогда, когда имеется необходимый исходный материал: наследственная изменчивость. Наследственная изменчивость означает, что в популяции имеются некоторые генетические (наследственные) различия. В вирусах изменчивость осуществляется двумя основными путями

^{1}

Рекомбинация: вирусы обмениваются между собой фрагментами генетического материала (ДНК или РНК).
Отличный вопрос! ДНК - это дезоксирибонуклеиновая кислота, а РНК - рибонуклеиновая кислота.
Молекулы ДНК и РНК относятся к классу нуклеиновых кислот, они представляют собой длинные цепочки, составленные из молекулярных «букв».
ДНК - это генетический материал человека и всех других клеточных форм жизни. Вирусы имеют в качестве генетического материала ДНК или РНК. «Генетический материал» это молекула, несущая план или инструкции для организма и передающаяся от родителя к ребенку.
Вы можете узнать больше о ДНК и РНК в разделе нуклеиновые кислоты.
Случайная мутация: когда изменение последовательности ДНК или РНК происходит внутри вируса.

Изменчивость и эволюцию вирусов можно даже заметить, если знать, где смотреть. Например, каждый год появляются всё новые и новые штаммы вируса гриппа.

Рекомбинация

Прежде чем перейти к рассмотрению вируса гриппа, давайте узнаем, как вирусы обмениваются фрагментами ДНК и РНК — этот процесс называется рекомбинацией.

Рекомбинация обычно происходит, когда два вируса инфицируют одну и ту же клетку в одно и то же время. Так как оба вируса используют клетку для синтеза новых вирусных частиц, то в ней одновременно окажется множество частиц вируса, включая новые образованные геномы.

Оригинал изображения взят из: "Реассортация," by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.

В этих условиях рекомбинация может проходить двумя различными способами. Во-первых, схожие участки вирусных геномов могут соединяться и обмениваться фрагментами, физически разрывая и восстанавливая связи ДНК или РНК. Во-вторых, вирусы с различными сегментами, похожими на крошечные хромосомы, могут обмениваться некоторыми из них. Этот процесс называется реассортацией.

^{2, 3}

Рекомбинация и вирус гриппа

Вирусы гриппа - настоящие мастера реассортации. У них восемь сегментов РНК, каждый из которых несет один или несколько генов.

^{4}

Когда два близкородственных вируса гриппа заражают одновременно одну клетку, некоторые из новых вирусов, произведенных внутри клетки, могут иметь смешанные сегменты (например, сегменты 1-4 от штамма A и сегменты 5-8 от штамма B).

В частности, хорошо известными «организмами для смешивания» вирусов гриппа являются свиньи.

^{5}

Клетки свиньи могут распознаваться и, следовательно, заражаться вирусами человеческого и птичьего (помимо свиного) гриппа.

^{6}

Если клетка свиньи одновременно заразится двумя типами вирусов, в ней может зародиться новый вирус, содержащий фрагменты генетического материала, например, человеческого и птичьего гриппа.

Такой обмен часто встречается в природе у вирусов гриппа. Помните штамм гриппа H1N1 («свиной грипп»), вызвавший пандемию в 2009 году? H1N1 содержал сегмент РНК вирусов человека и птиц, а также вируса свиней из Северной Америки и Азии. Эта комбинация отражает серию реассортаций, которая происходила шаг за шагом в течение многих лет, и в итоге привела к образованию штамма H1N1.

^{5, 7}

Вирусные мутации

Мы рассмотрели, как рекомбинация может влиять на эволюцию вируса, ну, а к чему тогда приводят мутации? Мутация - это необратимое изменение генетического материала (ДНК или РНК) вируса. Если копирование ДНК или РНК вируса происходит с ошибкой, возникает мутация.

Некоторые вирусы имеют очень высокую частоту мутаций, но это не касается всех вирусов. Как правило, РНК-вирусы, имеют высокую частоту мутаций, в то время как ДНК-вирусы – более низкую.

^{8}

Почему так происходит? Всё дело в разном механизме копирования. Большинство ДНК-вирусов копируют свой генетический материал, используя фермент клетки-хозяина ДНК-полимеразу, который «корректирует» ошибки — обнаруживает их и исправляет. В то время как РНК-вирусы используют фермент РНК-полимеразу, который ничего не корректирует и, соответственно, делает больше ошибок.

^{9}

Тематическое исследование: лекарственная устойчивость ВИЧ

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) - это вирус вызывающий синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). ВИЧ является РНК-вирусом с высокой частотой мутаций и очень быстрой эволюцией, что приводит к появлению устойчивых к лекарственным препаратам штаммов.

Высокая частота мутаций ВИЧ

Поскольку РНК-вирусы, такие как ВИЧ, мутируют чаще, в организме одного пациента может встречаться множество различных вариантов одного и того же вируса. Многие из этих мутаций будут для вируса «вредными», вирусы с такими мутациям не смогут размножаться и «умрут». Однако некоторые мутации помогают вирусам размножаться при определенных условиях. Например, мутация может обеспечить устойчивость к лекарственным препаратам.

^{10}

Эволюция лекарственной устойчивости ВИЧ

Некоторые лекарства блокируют репликацию ВИЧ путем ингибирования ключевых вирусных ферментов. Прием одного из этих препаратов по началу уменьшает концентрацию вируса в крови пациента. Однако через некоторое время вирус «приходит в норму», и его концентрация вновь возрастает, несмотря на присутствие препарата. Другими словами, появляется лекарственно устойчивая форма вируса.

^{10}

Чтобы понять, почему это происходит, рассмотрим пример конкретного противовирусного препарата, ингибитора обратной транскриптазы. Ингибитор обратной транскриптазы, такой как невирапин, показанный на рисунке ниже, связывается с вирусным ферментом обратной транскриптазой (красно-коричневая структура). Препарат не позволяет ферменту копировать РНК-геном ВИЧ в ДНК. Если этот фермент неактивен, вирус перестаёт постоянно заражать клетку.

^{11}

Большинство вариантов ВИЧ лечится невирапином. Однако, в популяции ВИЧ существует небольшая доля вирусных частиц, имеющая случайную мутацию в гене обратной транскриптазы, что приводит к лекарственной устойчивости. Например, у них может появиться генетическое изменение, которое изменяет участок связывания лекарственного вещества с ферментом, в результате чего связи препарата с ферментом не возникает, и лекарство не подавляет активность вирусных частиц.

Вирусы с такой устойчивостью к лекарствам, вызванной мутациями, будут размножаться, несмотря на присутствие лекарства. Через несколько поколений они восстановят численность популяции до изначального уровня, который был до начала применения препарата. Мало того, теперь вся вирусная популяция будет устойчива к данному лекарству!

Высокоактивная антиретровирусная терапия (ВААРТ) и лекарственная устойчивость к ней

Если ВИЧ может развиваться в присутствии лекарственного вещества, то как его можно остановить? Для этого используется комбинированный подход, когда одновременно принимаются три или более препаратов. Такой вид лечения называется высокоактивной антиретровирусной терапией, или сокращённо ВААРТ. Препараты, входящие в «коктейль» ВААРТ, как правило, направлены на подавление различных этапов жизненного цикла ВИЧ.

^{12, 13}

Эффективность ВААРТ основывается на малой вероятности появления в популяции ВИЧ такой мутации, которая сможет противостоять всем трём препаратам одновременно. Несмотря на то, что иногда появляются формы вируса, устойчивые к нескольким лекарствам, однако комбинация из нескольких препаратов значительно замедляет скорость распространения такой устойчивости.

^{10}

Чтобы узнать больше о биологии ВИЧ, см. статью о жизненных циклах вирусов. Чтобы узнать больше о симптомах, лечении и профилактике ВИЧ и СПИДа, см.раздел «Здоровье и медицина» ВИЧ и СПИД.

Почему вирусы эволюционируют так быстро?

Вирусы эволюционируют быстрее людей. Почему так?

Как мы видим на примере ВИЧ, некоторые вирусы обладают высокой мутагенностью, что помогает им быстрее эволюционировать, предоставляя больше вариаций для исходного материала. Двумя другими факторами, способствующими стремительной эволюции вирусов, являются огромный размер популяции и короткий жизненный цикл.

^{14}

Чем больше популяция, тем выше вероятность того, что в ней найдется вирус с определенной случайной мутацией (например, мутацией лекарственной устойчивости или мутацией, приводящей к высокой инфекционной активности), после чего в дело вступает естественный отбор. Кроме того, вирусы размножаются быстро, поэтому их популяции эволюционируют стремительнее, чем популяции их хозяев. Например, ВИЧ проходит свой жизненный цикл всего за

52

часа — сравните с человеком, жизненный цикл которого примерно равен

20

годам!

^{15}

Какие инструменты у нас есть для борьбы с быстро размножающимися вирусами? Принятие мер по предотвращению инфицирования, разработка новых лекарств, а также поиск и применение вакцин - все это важные стратегии.

Статья опубликована под лицензией CC BY-NC-SA 4,0

Использованные материалы:

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_.
Swiss Institute of Bioinformatics. (n.d.). Viral genome evolution. In ViralZone. Retrieved from http://viralzone.expasy.org/all_by_species/4136.html.
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_.
Swiss Institute of Bioinformatics. (n.d.). Influenzavirus A. In ViralZone. Retrieved from http://viralzone.expasy.org/viralzone/all_by_species/6.html.
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.
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.
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.
Sanjuán, 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.
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_.
HIV: The ultimate evolver. (n.d.) In Understanding evolution. Retrieved from http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/medicine_04.
Goodsell, David. (2002). HIV reverse transcriptase. In RCSB PDB Molecule of the month. Retrieved November 6, 2016 from http://pdb101.rcsb.org/motm/33.
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.
Высокоактивная антиретровирусная терапия (17 Апрель 2016). Источник: Wikipedia, 12 Май 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Management_of_HIV/AIDS.
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.

Дополнительные материалы:

1918 pandemic and avian flu. (2008, January 26). In CH 105 - Chemistry and society. http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/Chem%20and%20Society/Influenza/1918%20Pandemic.htm.

Barclay, E. (2011). Why does a virus jump from one species to another? In Shots: Health news from NPR. Retrieved from http://www.npr.org/sections/health-shots/2011/09/26/140810584/why-does-a-virus-jump-from-one-species-to-another.

Baylor College of Medicine. (2016). Influenza virus (flu). In Emerging infections and biodefense. Retrieved from https://www.bcm.edu/departments/molecular-virology-and-microbiology/emerging-infections-and-biodefense/influenza-virus-flu.

Centers for Disease Control and Prevention. (2014, August 19). How the flu virus can change: "Drift" and "shift." In Influenza viruses. Retrieved from http://www.cdc.gov/flu/about/viruses/change.htm.

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.

Choi, K. H. (2012). Viral polymerases. Adv. Exp. Med. Biol., 726, 267-304. http://dx.doi.org/10,1007/978-1-4614-0980-9_12.

Condit, R. C. (2007). Mutation. In D. M. Knipe and P. M. Howley (Eds.), Fields' virology (5th ed., vol. 1, pp. 45-46). Philadelphia, PA: Lippincott Williams & Wilkins.

Duffy, S., Shackelton, L. A., and Holmes, E. C. (2008). Rates of evolutionary change in viruses: Patterns and determinants. Nature Reviews Genetics, 9, 267-276. http://dx.doi.org/10,1038/nrg2323.

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.

Flu.gov. (n.d.). How the flu virus changes. In About the flu. Retrieved from http://www.flu.gov/about_the_flu/virus_changes/.

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

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

Humphries, J. (2014, May 12). The jelly roll of life. In Small things considered. Retrieved from http://schaechter.asmblog.org/schaechter/2014/05/the-jelly-roll-of-life.html.

Influenza virus types, subtypes, and strains. (2006). In PA pandemic influenza preparedness planning summit 2006. Retrieved from http://www.clintoncountypa.com/Pandemic%20Information/Influenzavirustypes.pdf.

Jhung, M. A. and Nelson, D. I. (2015). Outbreaks of avian influenza A (H5N2), (H5N8), and (H5N1) among birds — United States, December 2014–January 2015. Morbidity and Mortality Weekly Report, 64(4), 111. Retrieved from http://www.cdc.gov/mmwr/preview/mmwrhtml/mm6404a9.htm?s_cid=mm6404a9_w.

Высокоактивная антиретровирусная терапия (17 Апрель 2016). Источник: Wikipedia, 12 Май 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Management_of_HIV/AIDS.

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.

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.

Paoli, J. (2013, October 6). HIV resistant mutation. In Viruses 101: What's multiplying in you? Retrieved from http://www.nature.com/scitable/blog/viruses101/hiv_resistant_mutation.

Perelson, Alan. (2002). Modeling viral and immune system dynamics. Nature Reviews Immunology, 2, 28-36. http://dx.doi.org/10,1038/nri700. Retrieved from https://pdfs.semanticscholar.org/3d87/d57cad970967f56b81e7123bfeac84fd84e8.pdf.

Racaniello, V. (2009, June 29). Reassortment of the influenza virus genome. In Virology blog. Retrieved from http://www.virology.ws/2009/06/29/reassortment-of-the-influenza-virus-genome/.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). The flu is caused by influenza viruses. In Biology (10th ed., AP ed., p. 534). New York, NY: McGraw-Hill.

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., pp. 402-404). San Francisco, CA: Pearson.

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

Smith, G. D., Vijaykrishna, D., Bahl, J., Lycett, S. J., Worobey, M., Pybus, O. G., Ma, S. K., Cheung, C. L., Raghwani, J., Bhatt, S., Malik Peiris, J. S., Guan, Y., and Rambaut, A. (2009). Origins and evolutionary genomics of the 2009 swine-origin H1N1 influenza A epidemic. Nature, 459, 1122-1125. http://dx.doi.org/10,1038/nature08182.

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

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

The College of Physicians of Philadelphia. (2016). Viruses and evolution. In Vaccine science. Retrieved from http://www.historyofvaccines.org/content/articles/viruses-and-evolution.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Войти

Сортировать по:

Пока нет ни одной записи.

Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.