Майкл Кордингли
Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?
Убить победителя
В водных экосистемах наши хвостатые вирусы выступают основными игроками; у большинства из них мелкие геномы, и сами они являются вирулентными литическими фагами, которые инфицируют и тут же лизируют пораженную клетку. Созданные на голом каркасе небольшого генома, эти фаги несут лишь ту информацию, которая важна для проникновения в клетку и овладения ею, для дупликации своего генетического материала и уничтожения клетки-хозяина. Этот убийственный цикл происходит в наших океанах повсеместно, днем и ночью. Гибель клеток-хозяев приводит к высвобождению питательных веществ обратно в окружающую среду и делает их снова доступными у основания или на нижних звеньях пищевой цепи, включая и сами клетки-хозяева фага. Было подсчитано, что инфекция литическими фагами убивает практически столько же прокариот, что и питающиеся ими реснитчатые и жгутиковые простейшие; каждый день фаги уничтожают до 20 % микробной биомассы мирового океана (Rohwer, 2009; Suttle, 2007). Таким образом, фаги являются чрезвычайно важным компонентом сохранения равновесия морских экосистем, перерабатывая питательные вещества, предохраняя органические вещества от исключения из пищевой цепи и делая их вновь доступными для низших форм жизни.
Инфицирование фагами оказывает сильное влияние на численность популяций прокариот в этих природных ареалах. Высокая смертность в популяциях клеток-хозяев часто сочетается с массированным инфицированием их фагами. Здоровые растущие популяции прокариот представляют собой самую плодородную почву для хищников-фагов. Высокая плотность интенсивно делящихся клеток-хозяев благоприятствует быстрому повторению циклов литической репликации фагов. Такая стратегия фагов была названа: «Убить победителя» (Short, 2012). Эпидемическое уничтожение доминирующих видов прокариот приводит к катастрофическому сокращению численности популяции, что освобождает место для конкурирующих одноклеточных организмов, которые начинают размножаться вместо погибших бактерий. В свою очередь, эта популяция тоже падет жертвой вирусных хищников. Таким образом, устанавливается цикл экспансии бактериальных популяций, сменяющейся их уничтожением вирусами. Эти циклы позволяют множеству конкурирующих видов прокариот сосуществовать в одном ареале обитания и поддерживать разнообразие видов, что очень важно для сохранения целостности глобальных экосистем.
Экологические последствия эпидемии убийства победителей вирусами могут быть очень далеко идущими, и пример этого мы видим в Восточно-Африканской зоне разломов; эта, расположенная в Кении область отличается невероятной красотой. Вулканы, многие из которых до сих пор действуют, возвышаются над плодородными равнинами, где водятся черные носороги, львы, жирафы, куду и другие виды экзотических животных. В долине жизнь поддерживается цепью из более чем пятидесяти озер. Два озера – Богория и Накуру – являются домом для 75 % всех существующих в мире карликовых фламинго, вида, который находится под угрозой исчезновения и внесен в Красную книгу Международного союза охраны природы. Сотни тысяч розовых фламинго, обитающих в этих озерах, представляют собой незабываемое зрелище. Богорию и Накуру называют «натриевыми озерами» из-за высокого содержания соли в их воде. Вода лишена стока и поэтому имеет щелочную реакцию. Вода этих озер окрашена в сине-зеленый цвет из-за большой концентрации цианобактерий, большая часть которых принадлежит виду Arthrospira fusiformis. Этот фотосинтезирующий пикопланктон является основным источником корма для карликовых фламинго. За прошедшие сорок лет численность прилетающих на озеро птиц радикально уменьшилось вследствие их таинственной гибели. Такие причины, как загрязнение воды тяжелыми металлами и пестицидами или отравление цианобактериями и инфекционные заболевания, могли усугубиться недостатком пищи. Повышение частоты гибели птиц на протяжении последних двух десятилетий сопровождается колебаниями их численности – от одной тысячи в некоторые годы до полумиллиона особей в другие. Изучение биомассы планктона в трех соленых озерах, включая Богорию и Накуру, позволило заподозрить возможную причину, так как были выявлены пятидесятикратные колебания биомассы, причем надиры величин совпадали с уменьшением численности фламинго. Интересно, что популяции A. fusiformis расцветали, размножались и доминировали, а затем наступал момент, когда численность этих цианобактерий резко сокращалась, и они уступали место бактериям вида Anabaenopsis или конкурирующему пикопланктонному хлорофиту Piocystis salinarum (Lothar, Kiplagat, 2010). Основная идея заключалась в том, что отсутствие питательных микроорганизмов делало популяцию более чувствительной к загрязняющим веществам или патогенным микроорганизмам и что в данном случае речь шла о происходивших в озере качественных и экологических изменениях. Тем не менее оставалась неясной причина колебаний численности пикопланктона.
В 2013 году группа ученых под руководством Михаэля Шагерля из Венского университета опубликовала результаты своих исследований, в которых к проблеме подошли с другой стороны (Peduzzi et al., 2014). Ученые понимали, что вирусы, скорее всего, являются преобладающими биологическими сущностями в озерах Восточно-Африканской зоны разломов и, так же как в других водных экосистемах, могут быть важной причиной смертности в популяциях цианобактерий. Ученые решили отследить количество и объем видов цианобактерий, служащих главным источником питания для карликовых фламинго, а также оценить количество поражающих цианобактерии цианофагов. Примечательно, что ученым удалось зафиксировать число вирусов, рекордное для всех исследованных до этого экосистем: величина оказалась просто невиданной – 7 × 109 вирусов на 1 миллилитр озерной воды. Когда ученые измерили плотность популяции цианобактерий A. fusiformis в озерной воде в разные моменты времени, им удалось связать уменьшение плотности популяций планктона с микроскопически видимыми признаками поражения цианофагами. Неудивительно, что такие периоды характеризовались уменьшением численности популяций фламинго. Стало ясно, что эти периодически повторявшиеся уничтожения A. fusiformis были обусловлены литическими цианофагами, убивавшими победителей. Это позволяло объяснить и ранее сделанные наблюдения, согласно которым в отдельные периоды в водах озера увеличивалась численность других планктонных видов, что говорило о повторении циклов уничтожения победителей, которые помогали сохранять разнообразие микробных популяций.
Экосистема соленых озер Восточно-Африканской зоны разломов дает первый документально подтвержденный пример того, что инфицирование фагами оказывает сильное влияние на всю пищевую цепь. Простота экосистемы, в которой вирусная инфекция непосредственно влияет на главный источник пищи для карликовых фламинго, находящихся на высших ступенях пищевой цепи, делает этот эффект особенно драматическим. Остается еще одна проблема: почему экология озер так сильно изменилась именно за последние пять десятилетий? Не объясняется ли этот феномен простым улучшением качества наблюдений? Более вероятно, что к уменьшению микробного разнообразия в озерах привели изменения в окружающей среде и стохастические факторы. Упрощенная пищевая сеть стала опасно восприимчивой к значимым флуктуациям биомассы благодаря хищническому поведению фага. В последние годы численность популяции карликовых фламинго на озере Накуру колебалась от сотни особей до миллиона, демонстрируя то мощное влияние, какое может оказывать на наши экосистемы вызванное активностью фагов повышение смертности микроорганизмов.
Генные брокеры
Сокровищница уникальных генов и метаболических функций, метагеном фагов, является ценной валютой адаптивной эволюции в мире микробов. Сейчас мы поймем, что фаги действуют, как биржевые брокеры, облегчая передвижение и обмен генетической валюты, вдыхающей жизнь в экономику эволюции. Генетическая экономика приводится в движение эгоистичностью генома фагов, которые берут за это свою комиссию. Геномы фагов приобретают конкурентные преимущества, которые благоприятствуют успешной репликации их собственных генотипов. Фаги – мощные катализаторы генетического обновления и эволюционной адаптации их микробных хозяев (Casjens, 2003; Penades et al., 2015; Ochman, Lawrence, Groisman, 2000). В предыдущем разделе я познакомил вас с альтернативными моделями поведения фагов, включая модель взаимодействия с индивидуальными клетками-хозяевами и с популяциями клеток, приводящего к изменениям в целых экосистемах. Теперь мы попробуем разобраться в том, как эти взаимодействия влияют на собственную эволюцию вирусов и на эволюцию микробных клеток в пределах таких экосистем.
Термином «рекомбинация» обозначают обмен генетической информацией внутри генома и между геномами. Рекомбинация может происходить между геномами различных фагов, инфицирующих одну и ту же клетку-хозяина, что приводит к переносу генов фага между штаммами. Очень важно, что фаги часто смещают и мобилизуют последовательности нуклеотидов в генах клетки-хозяина. Последовательности ДНК микробной клетки, особенно те, что находятся на краях места внедрения ДНК профага, могут по ошибке включаться в хромосому фага и становиться фрагментом инфекционной вирусной частицы. Таким образом, фаги могут опосредовать перенос и включение генетической информации внутри прокариотической клетки способом, отличным от традиционного способа передачи наследственной информации. Этот процесс горизонтальной передачи генов делает фаг незаменимым инструментом увеличения микробного генного пула и при этом обеспечивает ускорение адаптивной микробной эволюции.
В некоторых экосистемах, например в экосистемах прибрежных морских акваторий, на каждую микробную клетку приходится десять и более инфицирующих ее фагов. По этой причине инфицирование одной клетки бактериофагами двух различных типов встречается, вероятно, достаточно часто. Гены в хромосомах бактериофагов, кодирующие белки, обладающие сходными метаболическими функциями, обычно объединяются в кластеры. Мозаика генных кластеров на хромосоме создает возможность для работы целых генетических модулей, которые могут перемещаться между геномами разных видов бактериофагов (Weinbauer, Rassoulzadegan, 2003). Такой опосредуемый рекомбинацией обмен создает химерические фаговые геномы, а эти геномы, в свою очередь, являются основой для приобретения новых адаптивных способностей. Новообразованный фаг может получить доступ к клеткам других видов, что позволит фагу инфицировать ранее недоступные ему бактерии. Таким образом, путем рекомбинации, совместно с генерализованной трансдукцией генетической информации клеток-хозяев между разными микробными хозяевами, фаги активно способствуют передаче генов между разными видами клеток-хозяев. Когда фаги завершают литическую инфекцию клетки-хозяина, в окружающую среду высвобождается свободная ДНК мертвой клетки. Бактерии легко поглощают такую ДНК и встраивают ее в свои геномы в процессе, называемом трансформацией. Новый геном бактериофага, нагруженный бактериальными генами, может обладать, благодаря обновлению генетической информации, преимуществами и формировать основу для образования нового штамма. Новая генетическая информация может быть перенесена в новую клетку-хозяина другого вида бактерий. Перенесенные фрагменты клеточной ДНК часто кодируют гены или генные кластеры, которых не было в родительской клетке. Эти изменения могут приводить к образованию нового генотипа хозяина и к возникновению конкурентного преимущества, которое позволяет занять доминирующее положение в популяции или колонизировать ранее недоступную среду обитания. В конечном счете это может послужить основой для возникновения нового вида или новых штаммов прокариот.
Трансдукция ДНК – явление весьма распространенное в густо заселенных бактериями прибрежных водах, где свободных фагов так много, что каждая бактериальная клетка является хозяином по меньшей мере двух профагов. Роль фагов и горизонтальной передачи генов в эволюции клеточных микроорганизмов и в возникновении новых видов не ограничивается только этими экосистемами – она важна также и в других экологических нишах. Например, ученые из университета Питтсбурга (Lawrence, Ochman, 1998) изучали бактерию – кишечную палочку Escherichia coli (E. coli) и кишечную сальмонеллу, которые произошли от одного вида и разошлись около ста миллионов лет назад. Ученые воспользовались знанием о том, что гены разного эволюционного происхождения можно распознать по содержанию в них особых последовательностей ДНК. В различных видах бактерий возникли гены разного нуклеотидного состава, и эту разницу можно оценить, сравнивая процентное содержание гуанин-цитидиновых пар оснований и разницу в составе кодонов аминокислот. Анализ полного генома кишечной палочки позволил выявить 755 генов, которые значительно отличаются от других в этих отношениях. У бактерий других видов эти гены имеют иное эволюционное происхождение. В наше время эти гены составляют около 20 % хромосомы кишечной палочки. Они были приобретены в ходе более 200 событий независимого горизонтального переноса генов. После этого ученые исследовали положение горизонтально перенесенных генов в хромосоме. Были получены весьма красноречивые данные: они часто расположены в непосредственной близости от перенесенных генов, закодированных в РНК. Это позволяет утверждать, что в горизонтальной передаче принимали участие лизогенные фаги, так как известно, что многие из них включаются в хромосому, предпочтительно вблизи от этих генов. Работа авторов показывает большие возможности фагов и горизонтальной передачи генов в эволюции бактерий и образовании их новых видов. Приобретение новой генетической информации, несомненно, снабдило кишечную палочку адаптивными возможностями, которые позволили ей занять экологическую нишу, недоступную ее предкам.
Эгоизм – движущая сила адаптивной эволюции
Плотная популяция микробов и фагов в морских водах предлагает природе плодородное поле для обмена генетической информацией и экспериментов. Цианобактерии, одна из самых разнообразных бактериальных групп, успешно размножаются как на суше, так и в воде. Они уникальны, так как это единственные бактерии, способные к фотосинтезу. Подобно высшим растениям они продуцируют энергию и органические строительные блоки, используя свет и двуокись углерода, высвобождая при этом кислород. Имея диаметр всего 0,5 микрометра, бактерия Prochlorococcus является одним из самых мелких организмов, обладающих способностью к фотосинтезу. Эта бактерия ускользала от внимания исследователей до восьмидесятых годов прошлого века, когда океанографические научные суда были оснащены флоуцитометрами, которые и позволили обнаружить прохлорококк. Прохлорококк – это самый многочисленный фотосинтезирующий организм мирового океана и, вероятно, вообще нашей планеты. Прохлорококк и его ближайший сородич синехококк являются доминирующими фотосинтезирующими видами пикопланктона в поверхностных слоях океана, где достаточно света для поддержания процесса фотосинтеза. Вместе эти два вида осуществляют 25 % всего фотосинтеза на Земле (Partensky, Hess, Vaulot, 1999; Field et al., 1998). Фотосинтезирующие механизмы этих бактерий подобны механизму фотосинтеза растений, растущих в наших садах. В самом деле, вполне вероятно, что цианобактерии произошли от предшественников хлоропластов, органелл, находящихся в эукариотических клетках высших растений.
Фотосинтезирующий аппарат хлоропласта состоит из двух фотосистем: фотосистемы I и фотосистемы II (ФСI и ФСII), которые представляют собой улавливающие свет белковые комплексы и светочувствительные пигменты, соединенные между собой цепями переноса электронов. Энергия, высвобождаемая при движении электрона между этими двумя фотосистемами, используется для перемещения через мембраны протонов (ионов водорода). Эта протонная помпа продуцирует АТФ, источник энергии клетки, и дает энергию для протекания цикла Кальвина, в результате которого синтезируется глицеральдегид-3-фосфат, главный строительный блок для всех структур клетки. Главные действующие лица фотосинтеза – светочувствительные пигменты ФСI и ФСII, причем эти пигменты проявляют различную чувствительность к свету в зависимости от его интенсивности и длины волны. Разные штаммы прохлорококка имеют разные фотосистемы, которые адаптированы к функционированию на разных глубинах моря (Moore, Rocap, Chisholm, 1998). Водоросли, обитающие на больших глубинах, используют длины волн света, который способен проникать наиболее глубоко, а водоросли, обитающие в поверхностных слоях, используют длину волны, которая не способна проникать на большую глубину. Химические структуры фотосинтезирующих систем могут повреждаться случайно попадающим на них светом. Все прохлорококки, особенно те, которые находятся в поверхностных слоях воды, подвержены опасности экспозиции к слишком сильному свету, которая приводит к подавлению фотосинтеза. Активный центр ФСII состоит из белкового димера – двух белковых молекул, D1 и D2, которые содержат светочувствительный пигмент, необходимый для протекания фотохимических реакций. Белок D1 особенно чувствителен к световым повреждениям, что требует постоянной замены белка, для того чтобы клетка оставалась здоровой и продолжала осуществлять фотосинтез. Если клетка оказывается неспособной восполнять D1 в ФСII, то происходит подавление фотосинтеза и снижается продукция энергии клеткой.
Цианобактерии являются хозяевами для множества фагов, преимущественно для цианофагов. Существует множество типов, которые инфицируют как прохлорококк, так и синехококк. Для всех вирусов самое главное свойство инфицируемой клетки – это метаболическая жизнеспособность, продуцирование достаточного количества энергии и материалов для поддержания репликации вируса. Фаг S-PM2, член семейства Myoviridae, который инфицирует синехококк, в высшей степени адаптирован к инфицированию именно этого фотосинтезирующего хозяина. Ученые, исследовавшие инфекционный цикл S-PM2, обнаружили, что адсорбция на поверхности синехококка в значительной степени зависит от освещенности. Оказалось, что так же, как сами цианобактерии наиболее активно растут и делятся в дневное время суток, фаги начинают свои атаки на рассвете, а вирусные частицы освобождаются из погибших микробов в сумерки (Clokie, Mann, 2006). Таким образом, вирус синхронизирует максимум инфицирования популяции клеток-хозяев с тем временем дня, когда хозяин метаболически наиболее активен и может выделить достаточно энергии для репликации хищника. Когда ученые секвенировали геном S-PM2, стало ясно, что это не простой литический фаг, а фаг сложный, содержащий в двухцепочечной спирали ДНК 193 тысячи пар оснований. Более того, ученые были удивлены, открыв, что геном содержал фотосинтезирующие гены, напоминавшие гены, кодирующие светочувствительные белки бактерий-хозяев (Mann et al., 2003). Последовательности, кодирующие D1- и D2-компоненты ФСII, были обнаружены в отрезке из четырех тысяч пар оснований в геноме фага. Эти гены оказались в высшей степени гомологичными, соответствующими генам синехококка, что подтверждает их бактериальное происхождение. Это пример горизонтального переноса генетической информации. Детальный анализ позволяет предполагать, что фаг приобрел эти два гена в ходе независимых переносов, что подтверждает преобладание такого механизма в эволюции фагов и их хозяев (Lindell et al., 2004; Sullivan et al., 2006). Весьма вероятно, что фаг получает выгоду от включения этих фотосинтетических генов бактерии-хозяина в свой геном. Примечательно, что были приобретены также и гены, кодирующие большую часть фоточувствительных белков. На поздних стадиях инфицирования функции поддержания клеточного метаболизма клетки прекращаются. Все ресурсы клетки направляются на поддержание репликации фага и синтез вирусных белков. Следовательно, для вируса критически важна способность поддержать синтез необходимого для фотосинтеза белка ФСII. Эти гены фага стимулируют производство энергии фотосинтеза инфицированной клеткой как можно дольше, что дает возможность вирусу завершить инфекционный цикл до гибели клетки.
В попытке определить, не отражают ли эти наблюдения редкое явление, характерное только для S-PM2 и индивидуального штамма синехококка, ученые исследовали вирусы порядка Myoviridae и Podoviridae, которые инфицируют близкородственный вид Prochlorococcus. В самом деле, все три фага прохлорококка, выбранные для секвенирования, имели общие гены, кодирующие бактериальные белки D1 и D2 комплекса ФСII, а также ген hli, кодирующий индуцируемый коротковолновым светом белок (Sullivan et al., 2006). В определенных штаммах ученые обнаружили дополнительные бактериальные фотосинтезирующие гены. В то время как все эти гены, несомненно, имели цианобактериальное происхождение, что подтверждается сходством их последовательностей, представляется, что эти гены происходят из разных, хотя и близкородственных видов цианобактерий. Примечательно, что ген hli во множестве копий присутствует в бактериальной хромосоме. Ученые полагают, что горизонтальный перенос гена в геном фага, а затем обратный перенос его из ДНК фага могли сыграть решающую роль в избыточности гена в локусе hli бактериальной хромосомы. Возникает картина переноса бактериальных фотосинтезирующих генов от фага в бактериальный геном и обратно. Очевидна выгода от способности фага кодировать эти дополнительные белки. С другой стороны, можно предположить, что такой обмен генами наглядно демонстрирует процесс генетической диверсификации бактерий, что создает преимущества уже для клетки-хозяина. Этот процесс обеспечивает резервуар генетического разнообразия, приобретенного микробной клеткой, что облегчает быструю адаптивную эволюцию. Такая вариабельность может оказаться выгодной в меняющейся окружающей среде, где постоянно возникают новые виды давления отбора. Приспособление к новым условиям является залогом успешности генома. Конечно, этот процесс не ограничивается генами, отвечающими за фотосинтез, и его можно представить себе и в приложении к генам, которые обеспечивают и другие метаболические функции и способны влиять на то, какие экологические ниши может занимать микроб-реципиент. Можно рассматривать фаги определенного хозяина как расширенный пул генов, потенциальный источник генов для инновационных генетических экспериментов. Представьте себе какой-либо ген, позаимствованный в ходе трансдукции и вступивший в пул генов фага, где этот ген будет подвергаться иному давлению отбора, нежели в исходной клетке-хозяине. Ген претерпит воздействие независимого естественного отбора, когда часть быстро реплицирующегося метагенома бактериофагов будет позднее приобретена тем же или другим микробом-хозяином. Ген сохранится, если докажет свое конкурентное преимущество.
О метагеноме фагов надо думать как о корпоративной программе развития, разработанной «отделом кадров» природы для воспитания генетических талантов. В корпоративной Америке талантливые работники в разное время работают в разных окружениях, в разных географических условиях и выполняют различные профессиональные обязанности, набираются разнообразного опыта и навыков, необходимых для успеха. Такие программы полезны для работника (гена) и приносят пользу компании (организму). Ценность разнообразия в команде признается всеми, и ее активно добиваются американские компании. Разнообразие стимулирует творчество и эффективное решение сложных проблем. Представляется, что такие же принципы работают на биологическом уровне, а носителями этих принципов являются вирусы. Конечно, в моем примере из корпоративного бизнеса сотрудников назначают на должности, последив за их работой, а коллективы (надо надеяться!) тщательно комплектуются отделами кадров и руководством. В природном мире такой предварительной селекции не существует. Мы должны полагать, что отбираются все гены, но остаются только те, которые улучшают функциональность принимающего генома. Это в высшей степени неэффективный процесс, но он может успешно работать в течение того времени, когда число проб адекватно низкой вероятности благоприятного исхода.
Умеренные фаги делают гены расширенного пула доступными для клетки-хозяина благодаря трансдукции фагов. Это особенно важно в условиях изменчивой и потенциально опасной окружающей среды. Зная об этом, ученые стараются наблюдать морские и океанические фаги непосредственно над гидротермальными источниками океанического дна, сравнивая эти фаги с вирусами, обитающими в поверхностных слоях морских вод (Williamson, Cary et al., 2008). Ученые обнаружили свободные частицы фагов над отверстиями горячих вод, там, где смешивается горячая и холодная вода. Исследователи пришли к выводу, что в меняющихся условиях профаги индуцируются с большей частотой, чем в окружающей воде со стабильной температурой. Более того, четверть ДНК-последовательностей в этих частицах принадлежала «темной материи» – эти последовательности начисто отсутствуют в базах данных. Виды бактерий и фагов в этих суровых глубоководных условиях должны быть, судя по всему, хранилищем новой адаптивной генетической информации, которая приводится в действие изменчивыми условиями окружающей среды.