Для того чтобы описать этот эксперимент на языке, понятном читателю, я предпошлю описанию краткое введение. Вирус, который был выбран лабораторией Малика для изучения этого феномена, называется вирус вакциния. Этот вид ортопоксвируса, широко используемый в лабораториях и являющийся близким родственником вируса обезьяньей и коровьей оспы (последним заражались скотницы, и этот вирус был использован Дженнером для приготовления первой противооспенной вакцины), обладает двумя особыми генными продуктами, E3L и K3L, роль которых заключается в противостоянии антивирусной защите клетки-хозяина. Вирус вакциния может заражать клетки множества разных биологических видов, и некоторое время назад стало известно, что эти два генных продукта влияют на диапазон различных хозяев вируса (Langland, Jacobs, 2002). Стоит заметить, что для эффективного инфицирования человеческих клеток вирусу необходим E3L; напротив, K3L требуется для репликации в клетках хомячков. Каждый из этих генных продуктов нейтрализует ключевой компонент клеточной антивирусной защиты. Этот компонент представляет собой протеинкиназу R – часто встречающийся побочный продукт многих вирусных инфекций, включая инфекции, вызываемые поксвирусами. Двойная цепь РНК непосредственно активирует эту протеинкиназу, что приводит в действие каскад, замыкающий синтез белка в инфицированной клетке, а это приводит к подавлению репликации вируса и гибели клетки. E3L и K3L обычно блокируют этот антивирусный ответ. Однако протеинкиназы R разных видов животных (например, человека и хомячка) отличаются друг от друга, как отличаются E3L и K3L своей способностью к нейтрализации активности протеинкиназы. Группа Малика рассудила, что если создать вирус вакцинию, лишенный гена E3L, и инфицировать клетки человека, то удастся эффективно воссоздать генетический конфликт, имитирующий генетический конфликт, возникающий при межвидовом заражении клеток человека поксвирусом хомячка. Остающийся ген поксвируса K3L не слишком эффективно нейтрализует протеинкиназу R человека, и новый E3L-негативный вирус будет очень слабо реплицироваться в клетках человека. Эксперимент был задуман для того, чтобы «попросить» вирус изменить свою структуру так, чтобы начать интенсивно реплицироваться в клетках человека; вирусу оставили выбор – размножаться или погибнуть!
Ученые пассировали вирусы в клеточной культуре в рамках обычной вирусологической методики, включающей рост вируса в культуре клеток хозяина, после чего собирали дочерние вирусы и инокулировали их в новую культуру клеток. Этот подход особенно полезен для выявления эволюционных изменений, происходящих в вирусной популяции по ходу адаптации вируса к новым культуральным условиям. Результат, однако, оказался неожиданным. Так же как в любом добросовестном эксперименте, были проведены контрольные опыты, но во всех были получены одинаковые результаты. После нескольких пассажей вирус адаптировался к человеческим клеткам и стал расти более энергично. Тщательный анализ вирусной популяции позволил показать, что в каждом из трех независимых экспериментов произошла амплификация в локусе гена K3L; вирусы получили от двух до пятнадцати копий гена. Более того, в двух из трех экспериментов некоторые вирусы также стали обладателями копий гена K3L, содержащих одну и ту же уникальную замещающую мутацию с заменой единственной аминокислоты. Вирусы с амплификацией последовательностей гена K3L и вирусы с единственной копией мутировавшего гена K3L демонстрировали повышение репликационной активности в инфицированных клетках человека. В этих экспериментах поксвирус использовал два различных механизма для преодоления антивирусного ответа клетки-хозяина. Поразительно, но эти результаты подтвердили идею о том, что дупликация гена K3L обычно предшествует приобретению адаптивного мутационного изменения. Амплификация гена эффективно повышала вероятность приобретения мутационных изменений в гене K3L. Частота возникновения мутаций в каком-либо фрагменте ДНК обычно прямо пропорциональна его длине. Отсюда следует, что вирус с десятью копиями гена K3L будет подвержен мутациям в десять раз чаще, чем одна копия гена. Далее, избыток нуклеотидных последовательностей обеспечивает страховку от негативных последствий вредных мутаций, которые могут преобладать в случае единственной копии интересующего нас гена. Группа Малика пришла к выводу, что амплификация генома ускоряет приобретение адаптивных изменений вирусом вакцинией. Возможно, что это обычный механизм, используемый поксвирусами, что позволяет им обойти ограничения, накладываемые низкой частотой мутаций. Таким способом поксвирусы могут облегчать эволюционную адаптацию в условиях давления отбора быстрее, чем мы могли предполагать. Насколько развит этот механизм? Обладает ли репликационный механизм поксвируса свойством порождать умножение генетического материала, или это просто следствие событий рекомбинации, происходящих при репликации генома поксвируса? На мой взгляд, этот феномен надо поместить в ту же категорию, что и склонность к ошибкам при работе РНК-полимеразы вируса полиомиелита, эволюция которого в направлении большей надежности тормозится силами естественного отбора. Эти наблюдения вдохновляюще действуют на мыслителей-эволюционистов, так как они представляют собой новый элемент мозаики, которая может показать, как именно эти крупные ДНК-содержащие вирусы столь быстро адаптируются к новым хозяевам и не проигрывают вечную гонку вооружений. Малик назвал расширение генома, которое наблюдали он и его коллеги, «геномным аккордеоном» по аналогии с растягиванием и сжатием мехов этого музыкального инструмента. В данном случае авторы, вероятно, имели в виду музыку эволюции.
