Группа ученых из Исследовательского института технологического карилиона Вирджинии, Колледжа ветеринарной медицины Вирджинии и Мэриленда, Национального института здоровья и Йельского университета изучают, как именно происходит вирусная эволюция и как эти знания могут помочь предотвратить болезни.Они опубликовали свои выводы в журнале Nature Reviews Microbiology.Исследователи проанализировали многочисленные исследования трех хорошо известных и разнообразных вирусных семейств, все из которых имеют геномы, состоящие из сегментов генетического материала, называемого РНК.
РНК-вирусы распространены в природе повсеместно, заражая большинство животных, включая людей, растения и бактерии.У вирусов большие популяции и быстрые циклы репликации, поэтому они представляют собой идеальные модели для изучения эволюции.
Изменения появляются быстро. В течение нескольких недель исследователи могут проверить, становится ли мутация или конкретная генетическая комбинация желательной для потомства вируса в контролируемых лабораторных условиях.«Генетическое разнообразие — это глина, которую формирует давление отбора в процессе эволюции», — сказала Сара Макдональд, доцент Исследовательского института карилиона в Вирджинии и автор статьи. «Мы изучаем, как вирусы на молекулярном уровне регулируют свое генетическое разнообразие, и как различные факторы отбора позволяют одним штаммам преобладать над другими».Вирусы с сегментированной РНК могут реплицироваться с одной родительской линией, но они также могут перетасовать свои сегменты с другим вирусом, чтобы создать гибридный вирус в процессе, называемом реассортировкой.
«Концептуально реассортация имеет некоторые общие черты с половым размножением у более сложных организмов», — сказал Макдональд, который также является доцентом Колледжа ветеринарной медицины Вирджинии-Мэриленда. «Два родительских вируса заражают одну клетку-хозяина и обмениваются генетическим материалом, в результате чего получается генетически различный вирус-потомок».Независимо от того, идет ли речь о людях или вирусах, существует очевидное эволюционное преимущество наличия двух отдельных генофондов: увеличение генетического разнообразия.
У потомства есть потенциал, чтобы содержать правильное сочетание черт своих родителей, чтобы лучше адаптироваться к их текущей среде. Однако есть вероятность, что потомство будет хуже, чем их родители.«Потомок вируса должен быть по крайней мере таким же, если не более приспособленным, чем его родители», — сказал Макдональд.
Внутренняя способность к репликации, а также то, насколько хорошо вирус может противостоять иммунной системе хозяина, — это только два фактора давления, которые могут решить, станет ли новый вирус пандемией или просто вымрет.В своем обзоре исследователи отметили, что у РНК-вирусов из разных генетических семейств не наблюдается повторной сортировки, даже когда они заражают одну и ту же клетку-хозяин. Это было бы похоже на скрещивание домашнего растения с рыбой. Есть физические ограничения, но, что более важно, гены несовместимы.
Тем не менее, даже в отношении генетически похожих вирусов ограничения ограничивают появление новых штаммов. При гриппе А, например, повторно сортированные сегменты РНК, кодированные для определенной функции, упаковываются вместе.
Все три разных сегмента играют роль в том, как вирус упаковывает свой реплицированный генетический материал, поэтому, если один из сегментов включен в новый вирус, то же самое и с двумя другими сегментами.
Это ограничивает возможные генетические варианты, поскольку невозможно, чтобы один сегмент присоединился к двум новым сегментам, чтобы образовать полностью оригинальную комбинацию.«Вероятно, что молекулярные сбои на уровне сегментного ассортимента и упаковки являются одной из основных причин более низкой, чем ожидалось, частоты повторных сортировок в лабораторных условиях», — сказал Макдональд. «Незначительные различия в том, как взаимодействует РНК, могут привести к успешной перегруппировке, которая приведет к гибридному потомству».Исследователи связали тенденции по трем вирусным семействам и работают над пониманием того, как вирусы увеличивают свое генетическое разнообразие и как давление отбора влияет на это разнообразие, чтобы способствовать или сдерживать появление новых, возможно, более смертоносных вирусных вариантов в природе.
«Некоторые ключевые нерешенные вопросы остаются без ответа, но мы можем найти ответы в рамках текущих исследований», — сказал Макдональд. «С этими ответами мы не только проинформируем стратегии профилактики и контроля заболеваний, но также сможем пролить свет на наше базовое понимание эволюции организма».