Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Фаги и микробиом

Океанические экосистемы, о которых мы говорили выше, являются домом для миллионов микробов на один миллилитр воды и для в десять раз большего числа вирусов, но наш толстый кишечник еще более густонаселен экосистемой. В этой экосистеме обитают разнообразные и многочисленные микробы, которые в совокупности называют кишечным микробиомом. Один миллилитр человеческих каловых масс в среднем содержит 10¹³ микробных клеток. После выполнения необходимых расчетов несложно понять, что количество бактериальных клеток в нашем кишечнике, наш микробиом, равно или даже превышает численность клеток нашего собственного организма. В то время как в одном миллилитре морской воды в большинстве морских экосистем содержится в десять раз больше вирусов, чем бактерий, для нашего кишечника эта закономерность не соблюдается. В одном миллилитре каловых масс взрослого человека содержится от 100 миллионов до одного триллиона вирусов. Тем не менее догмат о том, что популяции фагов процветают там, где процветают бактерии, сохраняет свою силу и в кишечнике. Несмотря на относительную малочисленность свободных вирусных частиц в сравнении с численностью бактериальных клеток, умеренные фаги, включенные в результате лизогении в ДНК бактерий, обильно представлены в микробиоме и являются доминирующей формой существования вирусов, инфицирующих бактерии нашего кишечника (De Paepe et al., 2014).

Вирулентные фаги, осуществляющие литическую репликацию в бактериальных клетках, составляют большую часть вирусных частиц, содержащихся в пробах морской воды. Такие фаги наиболее приспособлены к пребыванию в относительно стабильных условиях окружающей среды при неограниченном доступе к крупным, относительно гомогенным популяциям здоровых и быстро размножающихся организмов-жертв. Такие условия существуют в большинстве океанических экосистем. Лизис бактерий и быстрая репликация вирусных частиц не является выигрышной стратегией в кишечнике, где популяции бактерий, обитающих в своем подавляющем большинстве в толстом кишечнике, находятся в состоянии жестокой конкуренции за ограниченные источники питания и часто оказываются недоступными для атаки частицами фага. Поэтому неудивительно, что в кишечнике преобладают умеренные фаги (De Paepe et al., 2014). Врожденная способность этих фагов улавливать физиологический статус своих клеток-хозяев и должным образом на него реагировать позволяет им выбирать не литический, а лизогенный способ существования. Такими их сделал естественный отбор и успех выбранной стратегии, которая и стала доминирующей в кишечнике. Генетические линии, обладающие этой особенностью, стали наиболее успешными в таком микробиоме. Фаги кишечника используют лизогению, потому что этот способ наилучшим образом позволяет сохранить и передать потомкам свой геном в данной капризной экосистеме. Взаимоотношения этой популяции вирусов, часть которых существует в литической форме, а часть пребывает в хромосомных локусах клеток бактерий-хозяев, определенно, оказывают сильное влияние на состав бактериальных популяций кишечника. Нарастающий объем знаний о микробиомах кишечника у здоровых и больных людей указывает на то, что в кишках здорового человека эти микробиомы существуют в состоянии неустойчивого равновесия.

В состав микробной популяции здорового кишечника входят различные классы симбионтов. Некоторые существуют в состоянии симбиотического мутуализма, когда каждый партнер пары получает выгоды от взаимодействия, а другие являются комменсалами, то есть находятся во взаимодействии, когда одна сторона получает выгоду, а другая не получает ощутимого вреда. Есть также микроорганизмы-патобионты, которые вначале могут быть как симбионтами, так и комменсалами, но становятся патогенными, когда нарушается баланс кишечной экосистемы. За последнее десятилетие стало ясно, что нарушение баланса в бактериальной популяции кишечника – феномен, известный под названием дисбактериоза, – часто сочетается с болезнью (Clemente et al., 2012; Kaser, Zeissig, Blumberg, 2010). Пока не вполне понятно, какова специфическая роль фагов в поддержании здорового микробиома или в развитии дисбактериоза, но совершенно очевидно, что, по аналогии с их воздействием на морские экосистемы, они могут сильно влиять на численность и состав кишечного микробиома. Эпидемические обострения и лизогения с конверсией фагов, а также высокая вероятность индукции фагов – все может играть важную роль. Лизогенные фаги могут влиять на бактериальный фенотип и эволюцию бактерий, в то время как индукция фагов (либо как стохастическое событие, либо как ответ на изменение окружающей среды, порождаемое бактериями с лизогенными вирусами) приводит к высвобождению инфекционных частиц и мобилизации генетического материала. Фаги могут также влиять на нашу иммунную систему, которая играет очень активную роль в защите этой нашей самой протяженной «государственной границы». Фаги препятствуют проникновению в кишечник потенциально опасных бактерий, уничтожая их в его просвете (Barr, Youle, Rohwer, 2013). Влияние фагов микробиома не ограничивается их хозяевами, но распространяется также и на хозяина их хозяев.

Мы видели, что динамика отношений хозяин – фаг в морских экосистемах подчиняется поведению вирулентных фагов, которые ведут себя так, как предусматривает модель отношений хищник – жертва. Эта стратегия в случае фагов и бактерий называется «убить победителя». В такой экосистеме фаги реплицируются литически в здоровых популяциях бактерий до тех пор, пока не происходит истощение популяций, которые теряют способность поддерживать цепь передачи фагов из клетки в клетку. Эпидемия утихает и прекращается. На месте старых микробов начинают размножаться другие, которые, в свою очередь, тоже подвергаются атаке литических фагов. Такие циклы размножения и подавления поддерживают равновесие в микробных экосистемах. Относительная малочисленность свободных частиц фагов в кишечнике в сравнении с числом бактерий говорит о том, что стратегия «убить победителя» здесь неэффективна (во всяком случае, она не является доминирующей модальностью инфицирования бактерий фагами). Нижние отделы толстого кишечника плотно заселены, что создает дефицит питательных веществ для бактерий; бактериальные колонии размножаются медленно и распределены по разным экологическим нишам, которые не всегда доступны для инфицирующих частиц. Бактерии могут быть даже защищены от инфицирования фагами близким соседством кишечной стенки и других структур кишечника или микроскопической пленкой, непроницаемой для фагов. Таким образом, в кишечнике правит бал лизогения, и преобладают умеренные лизогенные фаги.

Недружественная конкуренция

Определенно, фагам кишечной экосистемы выгодно существовать в хромосомах своих хозяев в виде профагов. Бактерии, постоянно обитающие в кишечнике, располагают различными механизмами прикрепления к кишечной стенке, что предотвращает их удаление с калом. Получается, что это выгодно и профагам. Но что можно сказать об их лизогене? Наблюдение за бактериальными геномами и выявление последовательностей оснований, характерных для профагов, приобретаемых в результате горизонтального переноса, говорят о том, что если активность профага не дает никаких селективных преимуществ хозяину, то естественный отбор способствует инактивации профагов (Ochman, Lawrence, Groisman, 2000; Lawrence, Ochman, 1998; Nicholson et al., 2012). Так как крупные популяции лизогенов в микробиомах кишечника имеют профаги в своих геномах, разумно было бы предположить, что бактерии получают какие-то преимущества от присутствия в их геноме профагов. Должно быть, это преимущество перевешивает опасность «ядовитой пилюли», связанную с возможной индукцией фага и смертью клетки-хозяина. Профаги могут быть источником геномного обновления и стимуляции бактериальной эволюции: конверсия фага часто позволяет обеспечивать полезные метаболические функции, которые делают бактерию более конкурентоспособной в ее экологической нише. Лизогения приводит к включению в бактериальную хромосому новой генетической информации путем горизонтального генного переноса, а успешные линии фагов часто переносят гены, обладающие полезными для клетки-хозяина свойствами. Другие фаги отвечают за генерализованную трансдукцию, при которой фрагменты бактериальной хромосомной ДНК включаются в геном фага. Следующий хозяин, становящийся лизогеном под действием такого модифицированного фага, получит не только генетическую информацию фага, но и информацию другой бактерии – возможно, другого вида и с новыми метаболическими возможностями. Профаги, которые могут составлять значительную часть идентичности данного вида бактерий (то есть ее уникальность и отличие от родственных штаммов), являются, несомненно, мощными катализаторами приспособительной эволюции и могут стать опорными пунктами генома, служащими посадочной площадкой для новой генетической информации.

Лизогения также обеспечивает клетку-хозяина и все ее дочерние клетки, имеющие тот же генетический материал, иммунитетом против инфицирования (и потенциального лизиса) близкородственными штаммами фагов. Бактерии разных генетических линий – не важно, представители они разных видов или сестринские, не являющиеся лизогенами, – не обладают таким иммунитетом. Такие бактерии могут быть непосредственными конкурентами в борьбе за одну и ту же экологическую нишу в кишечнике. В этой ситуации спонтанная индукция фагов в лизогенной популяции может вызвать эпидемию в штамме не имеющей иммунитета бактерии (De Paepe et al., 2014). Здесь фаг действует как эффективное биологическое оружие, поражающее микробы, соперничающие за обладание одной экологической нишей. Лизогенная популяция имеет в этой ситуации несомненное преимущество. «Смерть от индукции» одной бактерии может быть благом для популяции как целого и обусловить успех репликации ее уникального генетического материала.

Химическая война

Носоглотка человека – это еще одна экологическая ниша, где сосуществуют и борются за преобладание бактерии-комменсалы. Обычно носоглотку колонизируют такие бактерии, как Streptococcus pneumoniae и Staphylococcus aureus, при этом носоглотка может служить источником передачи этих бактерий в другие анатомические структуры или другим людям. Много лет назад было установлено, что стрептококки пневмонии и золотистые стафилококки конкурируют за носоглотку. Эпидемиологи, бравшие мазки из зева здоровых детей, обнаруживали, что если высевался стрептококк пневмонии, то снижались шансы высеять золотистый стафилококк. С другой стороны, золотистый стафилококк часто обнаруживается у детей, у которых в носоглотке мало стрептококка пневмонии (Regev-Yochai et al., 2004; Bogaert et al., 2004). Вскоре было показано, что стрептококк пневмонии использует химическое оружие, для того чтобы победить конкурента (Park, Nizet, Liu, 2008; Regev-Yochai, Trzcinski, Thompson, 2006). Стрептококк высвобождает в среду химическое соединение – перекись водорода, хорошо известное дезинфицирующее вещество. Оставалось загадкой, почему данный уровень перекиси водорода не приносит вреда самому стрептококку, но убивает конкурирующих с ним стафилококков. Однако в 2009 году ученым из Нью-Йоркского и одного испанского университета удалось найти ответ на этот таинственный вопрос (Selva et al., 2009). Перекись водорода и опасные продукты ее реакций вызывают повреждение ДНК и порождают стрессовый SOS-ответ бактериальной клетки (этот ответ мы обсуждали выше в данной главе). Стрептококк пневмонии выработал механизмы, позволяющие выдерживать воздействие данной концентрации перекиси водорода, и, несмотря на повреждение ДНК, SOS-реакция у стрептококка не запускается. Напротив, у стафилококков, подвергшихся воздействию перекиси водорода, происходит повреждение ДНК и запускается SOS-реакция. Следствием является активация механизмов репарации ДНК. Эти изменения улавливаются резидентными профагами стафилококков, которые запрограммированы на индукцию и вступают в литический репликативный цикл. В результате происходит лизис стафилококковых клеток вследствие индукции профагов, что, в свою очередь, приводит к гибели стафилококков, прекращению конкурентной борьбы со стрептококками и победе последних (Selva et al., 2009).

Известно, что стафилококки содержат множество индуцибельных профагов, и индукция этих профагов является ядовитой пилюлей не только для индивидуальной клетки, но и для всей популяции. Эти выводы были подтверждены изящными экспериментами Сельвы и его коллег. С помощью генетических манипуляций они создали нелизогенные штаммы золотистого стафилококка, в хромосомах которых не было профагов, готовых к индукции по сигналу стресса. Эти бактериальные клетки оказались устойчивыми к перекиси водорода в концентрациях, которые убивали лизогенные штаммы, а значит, они были устойчивы и к химическому оружию стрептококков пневмонии. Конечно, в природе у подавляющего большинства золотистых стафилококков в хромосомах есть профаги, которые дают своим хозяевам какие-то конкурентные преимущества в отношении тех же стрептококков пневмонии. Такой удаленный контроль индукции профагов может быть широко распространенным феноменом, определяющим состав сложных бактериальных сообществ, которые сосуществуют с многоклеточными организмами и обитают в окружающей среде.

Эти работы только начинают проливать свет на то глубокое влияние, какое фаги оказывают на живые клетки, организмы и целые экосистемы. Резервуар генетической информации в пуле генов фагов, или в метагеноме, – это источник генетического разнообразия микробов и адаптивной эволюции. Легкость, с которой гены перемещаются между фагами и между бактериями, по большей части путем трансдукции, проливает свет на филогенетическую классификацию не только вирусов, но и их хозяев. Я вырос на доктрине о древе жизни с расходящимися, независимо развивающимися ветвями. Вероятно, это верное отражение эволюции высших форм жизни. Для царств бактерий и простейших, а также для вирусов наибольшую роль в эволюции и видообразовании сыграли боковые горизонтальные перемещения генетической информации. Некоторые ученые предполагают, что идея «вида» в мире микроорганизмов лишена смысла, если ее прикладывать к популяциям бактерий и вирусов, изучаемых методами сравнительной геномики. Разнообразие видов и штаммов бактерий объясняют неравномерным приобретением независимо развившейся генетической информации. Фаги играли главную роль в создании этого генетического плавильного котла. Фаги облегчают осуществление гигантского эволюционного потенциала микробного метагенома, и именно за их счет эволюция может проявлять свою невероятную изобретательность.

Глава 3
Усугубление бактериальных болезней фагами

Фаги играют центральную роль в наших глобальных экосистемах, влияя на движение биомассы в пищевых цепях и стимулируя разнообразие и эволюционное развитие своих многочисленных микробных хозяев. Однако фаги инфицируют также и бактерии, обитающие в многоклеточных организмах. В 1930 году Феликс д’Эрелль писал, что «действие и противодействие осуществляется не только между этими двумя существами, человеком и бактерией, ибо в столкновение вмешивается и бактериофаг, третье живое существо, и поэтому в уравнение надо ввести третью переменную» (D’Herelle, Smith, 1930). Здесь я познакомлю вас с тем, как фаги, инфицирующие микробы, ускользнули от внимания ученых, будучи, на самом деле, активными действующими лицами в драме инфекционных заболеваний.

Если вы зайдете на английское церковное кладбище, посмотрите надписи на могилах, относящихся к началу или середине девятнадцатого века, как современный человек, вы удивитесь множеству детских могил. Под теми камнями похоронены дети, ставшие жертвами инфекционных заболеваний. Детская смертность в те времена была необычайно высока, а эпидемии инфекционных болезней, несомненно, провоцировались недостаточным питанием и плохими жилищными условиями. Помимо чумы, тифа и холеры, скарлатина зачастую уносила жизни всех детей в семье. Д’Эрелль, когда говорил о треугольнике взаимодействия человека, бактерии и бактериофага, имел в виду двух из этих убийц – холеру и скарлатину. Эти болезни суть порождения микробных вирусов. Д’Эрелль писал вышеприведенные слова в 1930 году, всего через несколько лет после того, как Фробишер и Браун (1927) сообщили о выделении фильтрующегося агента из скарлатинозных штаммов гемолитического стрептококка, бактерии – возбудителя скарлатины. Действующее начало, которое они выделили, могло передавать способность к продукции эритрогенного токсина, которая является отличительным признаком болезнетворной бактерии, штаммам стрептококка, которые сами по себе не вызывали скарлатину. Это свойство сохранялось у потомков обработанных выделенным агентом клеток. Авторы, сами того не зная, описали феномен генной трансдукции и конверсии умеренного фага. Инфицирование фагом и лизогенизация превращает невинный стрептококк в патогенную бактерию. Другими словами, штаммы стрептококков, вызывавшие скарлатину, делали это, потому что были инфицированы фагом-лизогеном. Профаг становился частью наследуемого бактериального генома – происходила конверсия фага.

Когда английский врач Томас Сайденгем в 1675 году впервые описал скарлатину, он охарактеризовал ее как «болезнь, поражающую всю семью сразу, а в особенности детей. Больные ощущают судороги и озноб, как и при других лихорадках. Симптомы, однако, выражены довольно умеренно; но очень скоро вся кожа покрывается мелкими красными пятнами, более плотными, чем при кори, а также более широкими, более красными и менее единообразными. Сыпь держится три-пять дней, а потом исчезает. Поверхностный слой кожи отшелушивается, и отрубевидные чешуйки остаются лежать на поверхности, как овсяные хлопья».

Это описание характерно для легкого течения болезни; это наблюдение не соответствует опустошительным эпидемиям скарлатины, которые бушевали в Европе в девятнадцатом веке. По тяжести это заболевание уместно сравнивали с тифом и чумой – смертельными инфекциями. Эта трансформация заболевания, его превращение в убийцу, сменявшееся периодическими вспышками более мягкой формы, некоторое время мешало эпидемиологическому пониманию скарлатины. Однако сегодня, вооруженные знанием о молекулярно-генетических механизмах, лежащих в основе приобретенной патогенности стрептококковых штаммов, ученые могут дать связное объяснение вариабельности течения ежегодных эпидемий скарлатины. Теперь мы понимаем, как различные штаммы одного и того же вида бактерии могут вызывать целый спектр заболеваний, начиная с тонзиллита или легкого поражения кожи до синдрома, напоминающего токсический шок с омертвением фасций. Патогенез скарлатины – это иллюстрация того, как фаги могут служить катализаторами патогенности бактерий.

Очарование больших трудностей

Новое поколение техники секвенирования ДНК, которая позволила ученым исследовать метагеномы фагов окружающей среды, является также основой сравнительной геномики. Исследование последовательностей ДНК родственных геномов позволяет изучить филогенетические отношения организмов на уровне последовательностей ДНК в их геномах. Сравнительную геномику можно использовать для исследования геномов близкородственных патогенных штаммов и соотношения геномных последовательностей и фенотипа, например таких фенотипических признаков, как устойчивость к лекарствам или способность вызывать разные типы одного заболевания. Массер и его коллеги (Banks, Beres, Musser, 2002) использовали сравнительный геномный анализ для исследования причин гетерогенности заболеваний, вызываемых различными серотипами стрептококков группы A. Авторы выбрали для исследования три близкородственных штамма бактерии Streptococcus pyogenes: один из них ассоциируется с эпидемиями и заразными инфекциями, второй штамм обладает свойством вызывать синдром токсического шока или некротизирующий фасциит, а третий связан со вспышками острого ревматизма. Ученые обнаружили, что широкий спектр вызываемых этими бактериями заболеваний можно объяснить присутствием разных профагов в их геномах. Более одной десятой генома некоторых штаммов была представлена ДНК фагов, и разный состав профагов играл решающую роль в генетическом разнообразии. Полилизогения различными фагами определяет гетерогенность штаммов стрептококков группы A и в конечном счете их патогенный потенциал (Banks, Beres, Musser, 2002).

Геном патогенной бактерии – это, действительно, ведьмино варево, которое становится вирулентным в результате сочетания его активных ингредиентов. Множество разных профагов, обнаруженных в стрептококках, привносят в эту похлебку разные гены, изменяя силу снадобья и его эффекты. Профаги передают своим хозяевам гены с функциями, которые повышают успешность репликации и передачи в условиях человеческого организма, являющегося хозяином для бактерии. В свою очередь, фаг, как паразит, получает преимущество от успешности своего хозяина, так как этот успех позволяет вирусному геному беспрепятственно размножаться в составе бактериального генома. Обсуждаемые гены усугубляют вызываемые стрептококками заболевания; они включают в бактериальный геном гены, кодирующие экзотоксины, которые вызывают катастрофические изменения в иммунной системе больного, становясь причиной лихорадки, шока и других тяжелых симптомов, так же как гены, повышающие шансы бактерий на выживание в организме больного перед лицом его иммунного ответа. Естественный отбор действует на стрептококки и вирусные (фаговые) гены, которые включены в ДНК бактерии. Действие естественного отбора приводит к появлению у разных штаммов различных фенотипов и способности вызывать заболевания разной степени тяжести. Важно отметить, что в организме одного и того же больного присутствуют стрептококки, обладающие высокой и низкой патогенностью. Иногда эти бактерии становятся причиной эпидемий. В девятнадцатом веке, как и сегодня, очевидна изменчивость природы и тяжести заболеваний, вызываемых стрептококками группы A. Природа каждой эпидемии зависит от преобладания того или иного штамма бактерии; и не всегда самым успешным оказывается наиболее патогенный штамм. Как вид мы должны быть благодарны природе за то, что естественный отбор действует на патогенные популяции без оглядки на их патогенность как таковую. Естественный отбор способствует выживанию генов, кодирующих признаки, которые могут наследоваться с наибольшей вероятностью. Эти гены могут ассоциироваться с приобретением повышенной вирулентности, но так происходит далеко не всегда. Вирусы и микробы, с которыми мы сосуществуем и совместно развиваемся, не всегда развиваются в направлении максимальной вирулентности, но они не отказываются от нее, если вирулентность обещает высокий успех репликации и более эффективную передачу новым хозяевам. В этих случаях у микробов и вирусов одна цель, и они получают от своих отношений одну и ту же награду.