Робин Вайс, вирусолог, работавший в то время в Университете Вашингтона, задался вопросом, могло ли случиться так, что вирус стал неотъемлемой и при этом безопасной частью ДНК курицы. Он и его коллеги подвергали клетки здоровых кур воздействию химических веществ, вызывающих мутацию, и радиации, чтобы выяснить, можно ли таким образом высвободить вирусы из их укрытия. Как они и ожидали, мутировавшие клетки начали воспроизводить вирусы птичьего лейкоза. Другими словами, эти здоровые куры не просто несли вирусы в некоторых своих клетках; генетическая инструкция по производству вирусов была вживлена во все их клетки, а потом передана ими по наследству своим потомкам.
Эти скрытые вирусы не ограничивались одной отдельно взятой породой кур. Вайс и другие ученые обнаружили вирус птичьего лейкоза (ВПЛ) у многих пород, что увеличивало шансы на то, что вирус является древним компонентом птичьей ДНК. Чтобы выяснить, как давно ВПЛ инфицировал предков современных кур, Вайс вместе со своими коллегами отправился в джунгли Малайзии. Там они поймали банкивскую джунглевую курицу (red jungle fowl), ближайшего дикого родственника домашней. Банкивская джунглевая курица несла в себе тот же ВПЛ, обнаруженный Вайсом. В последующие экспедиции он обнаружил, что у других видов джунглевых кур не было этого вируса.
Из этого исследования родилась гипотеза о том, как ВПЛ слился воедино с курами. Тысячи лет назад вирус поражал предков современных домашних кур, вызывая опухоли. Но по меньшей мере с одной из птиц случилось что-то иное. Вместо того чтобы наградить птицу раком, вирус был подавлен иммунной системой птицы. Не причиняя ей вреда, вирус распространялся по ее организму, пока не достиг половых органов. Когда инфицированная птица спаривалась, ее яйца тоже несли в себе вирусную ДНК.
По мере того как инфицированный эмбрион рос, все его клетки при делении также приобретали ДНК вируса. Когда цыпленок вылуплялся, он был уже инфицирован. А так как ВПЛ теперь был частью его генома, то он передавал его и своим потомкам. Вирус оставался тихим пассажиром от поколения к поколению в течение тысяч лет. Но при определенных условиях вирус мог возобновить свою активность, вновь формировать опухоли и начать распространяться среди птиц. Ученые поняли, что этот новый вирус является единственным в своем классе. Они назвали его эндогенным ретровирусом; эндогенный - значит производимый внутри. Вскоре им удалось обнаружить эндогенные ретровирусы в геномах и млекопитающих. На самом деле вирусы населяют геном практически всех групп позвоночных - от рыб и рептилий до млекопитающих.
Некоторые из обнаруженных ретровирусов вызывают рак, но далеко не все. Некоторые, кажется, плотно взяты под контроль своими носителями. Определенные эндогенные ретровирусы, носителями которых являются мыши, не могут поражать клетки мышей, но с успехом распространяются среди крыс.
Другие эндогенные ретровирусы оказались неполноценными, подвергшись мутации, которая лишила их возможности переходить в обычную форму. Они все еще были способны копировать свой генетический материал, который вновь включался в геном носителя. Ученые также обнаружили вирусы, настолько измененные мутациями, что они неспособны делать вообще ничего. Все, что им осталось, - это служить балластом в геноме своего носителя.
Эндогенные ретровирусы могут "засиживаться" у своих хозяев на протяжении миллионов лет. В 2009 году Арис Кацуракис (Aris Katzourakis), биолог-эволюционист из Оксфордского университета, обнаружил сотни эндогенных ретровирусов в геноме трехпалого ленивца. Их гены очень напоминали гены ФОАМИ вирусов - свободноживущих вирусов, инфицирующих приматов и других млекопитающих. Кацуракис заключил, что ФОАМИ вирусы паразитировали на общих предках приматов и трехпалых ленивцев, обитавших на Земле 100 миллионов лет назад. В случае с приматами они сохранили свободу перемещения. По линии ленивцев же они оказались заключенными в ДНК и остаются там до сих пор.
Обнаруживая эндогенные ретровирусы в других биологических видах, ученые не могли не поискать их в нашей ДНК. В конце концов, мы страдаем от многих заболеваний, вызываемых ретровирусами. Вирусологи предпринимали безуспешные попытки выделения ретровирусов из человеческих клеток. Однако во время сканирования человеческого генома им удалось обнаружить неопровержимые доказательства их присутствия в некоторых сегментах. Многие из сегментов, несущих в себе гены ретровирусов, напоминали сходные сегменты у обезьян, что наводило на мысли, что ретровирусы инфицировали наших предков тридцать миллионов лет назад, а может быть, и раньше. Но некоторые сегменты ДНК человека, несущие в себе напоминание о ретровирусах, не имеют аналогов у других видов. Возможно, что они образовались около миллиона лет назад путем внедрения ДНК ретровирусов в геном наших предков.
Чтобы проверить это, Тьерри Хайдман (Thierry Heidmann), исследователь из Института Густава Руси (Gustave Roussy Institute) в Вильжуиве, Франция, попытался вернуть к жизни человеческий эндогенный ретровирус. Исследовав геномы разных людей, он нашел слегка отличающиеся версии ретровирусного сегмента ДНК. Предположительно, эти различия появились в тот момент, когда ретровирус был заключен в генах древних людей. У их потомков череда мутаций поразила различные части ДНК вируса.
Хайдман вместе со своими коллегами сравнил различные варианты вирусоподобной последовательности генов. Они напоминали четыре копии творения Шекспира, каждая из которых была переписана не слишком усердным писарем. Каждый из них сделал свои ошибки в написании. В каждой копии могли содержаться неверно написанные варианты одного и того же слова - например "почету", "рочему", "печому", "чемупо". Сравнивая все четыре версии, историк может выявить, что исходным словом было "почему".
С помощью этого метода Хайдману удалось использовать мутировавшие последовательности генов, находящихся в геноме современных людей, чтобы определить, как выглядела изначальная версия ДНК ретровируса. Затем он синтезировал фрагмент ДНК согласно полученной генетической последовательности. Внедрив ее в человеческую клетку, Хайдману удалось попасть в стихотворный размер. Клетки, зараженные этим сконструированным вирусом, производили новые вирусы, способные находить себе носителей. Другими словами, оригинальная генетическая последовательность принадлежала живому и функциональному вирусу. В 2006 году Хайдман назвал его Феникс, в честь мифической птицы, возродившейся из пепла.
Ретровирусы представляют большую опасность для нашего здоровья, находясь в свободном состоянии, но даже являясь эндогенными, они остаются опасны. Мутации способны вернуть им возможность отделяться от вашей ДНК и формировать вирусы, вызывая новые эпидемии, и даже становиться причиной возникновения рака. Эндогенные ретровирусы, способные воспроизводить себя лишь в рамках нашей ДНК, также представляют опасность, так как они могут "включать" гены, которым следует находиться в выключенном состоянии, в самый неподходящий момент. Угроза ретровирусов настолько велика, что наши предки в процессе эволюции выработали механизмы, предназначенные исключительно для остановки их распространения.
Пол Биенац (Paul Bieniasz), вирусолог из Университета Рокфеллера, смог обнаружить два таких механизма в 2007 году, "воскресив" эндогенный ретровирус таким же образом, как Хайдман сделал это с Фениксом годом ранее. Биенац окрестил свой вирус НЕRV-К[con]. Заразив им человеческие клетки, он обнаружил, что клетки борются с ним при помощи двух белков, называемых АРОВЕСЗ. Эксперименты Биенаца дали повод полагать, что эти белки нацелены на саботирование процесса воспроизводства ретровируса, который пытается вновь внедриться в человеческую ДНК. Белки подрывают процесс копирования генов, вызывая у новых вирусов множество мутаций. Новые мутации подобны граду пуль. Некоторые из них просвистят мимо, не причинив вреда, но если хотя бы одна из них заденет жизненно важный участок ДНК, то она может нанести непоправимый ущерб и сделать вирус неспособным к дальнейшему воспроизводству.
Белки, такие как АРОВЕСЗ, эффективно борются с ретровирусами, но не могут искоренить их полностью. За миллионы лет в нашем геноме накопилась масса генетического материала, оставшегося в наследство от мертвых ныне вирусов. В каждом из нас есть почти 100 тысяч фрагментов ДНК эндогенных ретровирусов, что составляет около 8% от общего числа генов. Чтобы представить себе их количество, нужно вспомнить, что все 20 тысяч генов, формирующих белки, из которых состоит весь наш организм, составляют лишь 1,2%. Ученые также нашли миллионы мелких фрагментов "прыгающей ДНК" в человеческом геноме. Вероятно, многие из этих фрагментов также принадлежат ДНК ретровирусов, разорванные на мельчайшие части многими мутациями и способные лишь к самокопированию.
Эндогенные ретровирусы могут быть опасными паразитами, но ученые нашли несколько приносящих нам пользу. Когда оплодотворенная яйцеклетка формирует плод, часть его клеток становятся плацентой, которая предназначена для передачи зародышу питательных веществ. Клетки внешнего слоя плаценты сплавляются воедино, разделяя ДНК и другие молекулы. Хайдман и другие исследователи обнаружили, что эндогенные ретровирусы человека играют в этом процессе решающую роль. Клетки верхнего слоя плаценты используют ген для формирования белковой оболочки, связывающей их вместе. В один из самых интимных моментов, когда новая жизнь начинается путем слияния двух других, вирусы обеспечивают наше выживание. Нет деления на нас и них - есть только всеобъемлющее непрекращающееся смешение генов.
ВИРУСНОЕ БУДУЩЕЕ
Молодая чума
Вирус иммунодефицита человека
Каждую неделю Центр по контролю и предотвращению заболеваний (США) выпускает брошюру, называемую "Еженедельный отчет о заболеваемости и смертности населения". Выпуск, пришедшийся на 4 июля 1981 года, был обыкновенным для такого издания чередованием обыденности и загадочности. Загадочным являлся отчет из Лос-Анджелеса, где врачи заметили странное совпадение. Между октябрем 1980-го и маем 1981-го пятеро мужчин поступили в больницы города с одним и тем же редким заболеванием, известным как пневмоцистоз.
Пневмоцистоз вызывается известным грибком Pneumocystis jiroveci. Споры этого грибка настолько распространены, что большинство людей вдыхают их еще в детстве. Наша иммунная система вскоре уничтожает споры и вырабатывает антитела, защищающие нас от последующего заражения. Однако, попав в организм человека со слабым иммунитетом, P. Jiroveci начинает свирепствовать. Легкие наполняются жидкостью и покрываются рубцами. Жертвам заболевания буквально приходится бороться за каждый вдох, чтобы не умереть. Пятеро мужчин из Лос-Анджелеса не походили на обычных жертв пневмоцистоза. Они были молоды и могли похвастаться отменным здоровьем, прежде чем заболели. Комментируя данные "Еженедельного отчета о заболеваемости и смертности населения", редактора обсуждали странные симптомы пяти пациентов и "предположили наличие у них некой клеточно-иммунной дисфункции".
Они и не подозревали, что в отчете они опубликовали первые данные о начале величайшей эпидемии в современной истории. Пятеро мужчин из Лос-Анджелеса в самом деле страдали клеточноиммунной дисфункцией, как позже выяснилось, вызываемой вирусом, названным вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). Вирус, по данным проведенных исследований, инфицировал людей на протяжении пятидесяти лет. В 80-х годах XX века он наконец проявил себя, и с этого момента им заразилось около 60 миллионов человек. Около половины впоследствии умерли.
Смертельная дань, собираемая ВИЧ, становится еще более пугающей, так как его не так уж просто получить. Вы не заразитесь ВИЧ, если инфицированный человек чихнет рядом с вами или пожмет вашу руку. ВИЧ передается через жидкости тела, такие как кровь и сперма. Вирус может передаваться во время незащищенного секса. Зараженные доноры могут инфицировать других людей при переливании крови. Инфицированные матери могут передать ВИЧ своим еще не родившимся детям. Люди, употребляющие героин и другие наркотики, могут заразиться ВИЧ, пользуясь одной иглой с его носителем.
Попав в организм человека, ВИЧ атакует саму иммунную систему. Он закрепляется на определенном типе иммунных клеток, называемых Т-хэлперами, и их мембраны начинают лопаться, как мыльная пена. Подобно другим ретровирусам, он вводит свой генетический материал в геном самой клетки. Гены и белки ВИЧ берут клетку под свой контроль, заставляя ее делиться, производя новые вирусы ВИЧ, которые впоследствии заражают другие клетки.
Вначале популяция ВИЧ в организме человека растет с угрожающей скоростью. Как только иммунная система распознает зараженные клетки, она начинает убивать их, сводя количество вирусов к минимуму. Для больного эта схватка имеет симптомы легкой простуды. Иммунная система уничтожает большую часть вирусов, но малому их количеству удается затаиться и выжить. Т-хэлперы, служащие им укрытием, продолжают расти и размножаться. Время от времени зараженный Т-хэлпер активизируется и выстреливает скопление вирусов, заражающих соседние клетки. Иммунная система отражает эти новые волны, но со временем у нее заканчивается ресурс, и она разрушается.
Нарушение иммунной системы может произойти через год или через двадцать. Но, независимо от того, сколько потребуется времени, исход будет один - организм становится не в силах защитить себя от инфекций, которые здоровый человек даже не заметил бы. В начале 1980-х в больницы начали обращаться толпы ВИЧ-инфицированных, больных странными болезнями, вроде пневмоцистоза.
Врачи обнаружили симптомы ВИЧ задолго до того, как узнали о существовании самого вируса, назвав заболевание синдромом приобретенного иммунодефицита, или СПИД. В 1983 году, через два года после первых зарегистрированных случаев заболевания СПИДом, французским ученым впервые удалось выделить ВИЧ из организма больного. Дальнейшие исследования подтвердили предположение о том, что именно ВИЧ является причиной СПИДа. В это же время были зарегистрированы случаи заболевания СПИДом как в США, так и в других странах мира. Другие великие эпидемии, такие как малярия и туберкулез, являются нашими старыми врагами, убивающими людей тысячи лет. ВИЧ же за несколько лет продвинулся от статуса никому не известного заболевания в 1980-х до глобальной чумы. В этом заключалась главная загадка для эпидемиологов.
Чтобы разгадать ее, ученые начали изучать гены ВИЧ, полученные от разных пациентов. Они исследовали больных не только из США, но и из других стран мира, где были зарегистрированы случаи заболевания. Они построили дерево эволюции, где каждый штамм ВИЧ соединялся со своим предком. Исследователям удалось выяснить, что существует не один ВИЧ, а два. Подавляющее большинство случаев заражения ВИЧ вызываются штаммом, названным ВИЧ-1, а все остальные отличной от него формой вируса ВИЧ-2. Два типа ВИЧ отличаются друг от друга по многим параметрам, включая их симптомы: воздействие ВИЧ-2 намного мягче, чем ВИЧ-1.
Как выяснили ученые, ВИЧ принадлежит к большой группе медленно развивающихся ретровирусов, называемых лентивирусами. Лентивирусы инфицируют многих млекопитающих: кошек, лошадей, коров и обезьян. В 1991 году Престон Маркс (Preston Marx) из Нью-Йоркского университета обнаружил, что ВИЧ-2 является родственным лентивирусам, поражающим обитающих в Африке обезьян, дымчатых мангабеев. Они заключили, что ВИЧ-2 ведет свое происхождение от лентивирусов мангабеев. В Западной Африке, где ВИЧ-2 наиболее распространен, некоторые люди содержат обезьян как домашних животных, а некоторые даже употребляют в пищу. Возможно, зараженные мангабеи передали вирус человеку при укусе.
Гораздо труднее было выявить происхождение ВИЧ-1, являющегося причиной большинства случаев заболевания СПИДом. Это объясняется тем, что животных, которые являются носителями наиболее сходного по структуре с ВИЧ-1 вируса, гораздо труднее изучать. Эти животные - шимпанзе. Относительно немногие шимпанзе живут в неволе, а взятие крови на анализ у шимпанзе, живущих в диких условиях, чертовски сложная задача. Они легко возбудимые, очень сильные и не особо приветствуют людей с иглами. Ученым пришлось изобретать новые способы проверки шимпанзе на ВИЧ, в частности, поиск вирусов в их кале. Постепенно ученые собрали подборку лентивирусов, напоминающих ВИЧ-1 у шимпанзе. Сравнивая эти вирусы друг с другом, они обнаружили, что некоторые штаммы ВИЧ-1 ближе к вирусам шимпанзе, чем к другим штаммам ВИЧ-1. Структура древа вирусной эволюции позволяет предположить, что ВИЧ-1 эволюционировал из вирусов шимпанзе несколько раз.
Но когда произошел этот переход? Некоторые ученые надеялись найти ответ на данный вопрос, изучая дела больных, умерших при странных обстоятельствах до открытия ВИЧ. В 1988 году, например, исследователи обнаружили ВИЧ у норвежского моряка Арвида Ноэ (Arvid Noe), погибшего в 1976-м. Проникнуть глубже в историю ВИЧ не представлялось возможным, так как большинство заразившихся им людей жили в бедных странах и умирали без проведения медицинских тестов, которые могли бы обнаружить такие необычные заболевания, как пневмоцистоз.
Оказалось, что размножающиеся в организме человека вирусы могут дать ключ к происхождению ВИЧ. В 1990-х ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса собрали базу данных генетического материала ВИЧ, полученного от тысяч пациентов. При помощи специального оборудования, они проанализировали собранный материал, что позволило им выявить мутации, которые претерпели вирусы с момента их происхождения от общего предка. Собрав воедино полученные результаты, ученые установили, что ВИЧ претерпевает мутации примерно через равные промежутки времени. Другими словами, изменения генетической последовательности вируса накапливаются как песчинки в нижней чаше песочных часов. Измерив высоту горки песка, можно узнать, сколько прошло времени. Было установлено, что общий предок ВИЧ-1 появился в 1933 году.
Эту оценку подтвердило выдающееся открытие, сделанное в Киншасе, столице Демократической Республики Конго, где в хранящихся в госпиталях тканях был обнаружен вирус. В 1988 году Дэвид Хо и его коллеги из Университета Рокфеллера сообщили о том, что ими был обнаружен ВИЧ, находящийся в образце крови, взятом у пациента в Киншасе в 1959 году.
В 2008 году Майкл Уоробей (Michael Worobey) и его коллеги из Университета Аризоны обнаружили ВИЧ во втором образце ткани из Киншасы, датированном 1960 годом. Эти два открытия дают ученым право заявлять о существовании ВИЧ в начале XX века.
Молекулярные часы, созданные исследователями из Лос-Аламоса, обладали достаточной точностью, для того чтобы определить возраст вирусов из Киншасы, основываясь лишь на их генетической последовательности. Однако наличие двух различных вирусов дает представление о распространенности ВИЧ в Киншасе в 1960-х годах. Уоробей обнаружил, что старые вирусы не были родственны друг другу. Напротив, они были близки каждый своей разновидности существующего сегодня ВИЧ-1. Изучив дальнее родство этих двух вирусов, Уоробей заключил, что "предки" сегодняшнего ВИЧ-1 уже существовали в 1960-е. Более того, все они, скорее всего, циркулировали вокруг Киншасы.