Происхождение и эволюция ВИЧ

БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА
Происхождение и эволюция ВИЧ
П
ЯВ
ИЯ
ЦИ
ЮЦ
ЛЮ
ОЛ
ВО
ЭВ
ИЭ
ЕИ
ИЕ
НИ
ЕН
ДЕ
ЖД
ОЖ
ХО
СХ
ИС
ОИ
ПРРО
ВИ
ИЧ
Ч
А.Ф. Бобков
Алексей Филиппович Бобков, доктор биологических наук, руководитель лаборатории
Научно-исследовательского института вирусологии им .Д.И. Ивановского РАМН. Эксперт
ВОЗ. Руководитель проекта 99-04-48149.
Первую публикацию см.: Медицинский курьер. 2000. №1—2 (16). С.17—20.
Первые публикации о возбудителе нового заболевания, связанного с тяжелым расстройством иммунной системы человека, появились в мае 1983 г. Специалисты из лабораторий
Люка Монтанье из Института Пастера в Париже и Роберта Галло из Национального института
рака в США под двумя разными названиями описали один и тот же вирус, вызывающий синдром приобретенного иммунодефицита — СПИД. В течение последующих двух лет в США,
Великобритании, Японии выделили еще несколько вирусов СПИДа, а в 1986 г. решили использовать для обозначения этого вируса аббревиатуры «ВИЧ» — вирус иммунодефицита человека. В 1985 г. на территории Западной Африки удалось выделить другой тип вируса —
ВИЧ-2, оказавшийся менее патогенным. Он не получил в мире столь широкого распространения. Пандемия ВИЧ связана, прежде всего, с вирусом первого типа.
Различные виды приобретенных иммунодефицитов, развивающиеся, в частности, в результате неблагоприятных воздействий окружающей среды или после перенесенных заболеваний (в некоторых случаях — инфекционных), были хорошо известны еще до открытия
ВИЧ, однако не приводили с такой неотвратимостью к летальному исходу. Никогда открытие
вируса (ни до, ни после обнаружения ВИЧ) не вызывало столь широкого общественного резонанса. Прямым следствием стало небывало высокое финансирование разработок методов
диагностики, профилактики, лечения ВИЧ-инфицированных, а также фундаментальных исследований. В середине 80-х годов и выдающиеся ученые с мировым именем, и молодые специалисты многих стран стали заниматься СПИДом. В результате очень скоро о ВИЧ стало известно значительно больше, чем о некоторых других давно описанных вирусных инфекциях.
Например, база данных Национальной медицинской библиотеки США на 4 июля 2001 г. содержала информацию о 55 876 публикациях, касающихся ВИЧ (о вирусе гриппа — в два раза
меньше).
Под электронным микроскопом вирионы ВИЧ выглядят как округлые частицы диаметром 100—120 нм. Геном вируса представлен двумя молекулами РНК по 9,2 тыс. нуклеотидов
и кодирует как структурные (входящие в состав вириона), так и регуляторные белки. Выходя
в окружающую среду, вирус как бы отпочковывается от клетки, поэтому вирионы ВИЧ окружены оболочкой, состоящей из мембраны клетки-хозяина, пронизанной собственными гликопротеинами вируса. Специфическое связывание вируса с клеткой обусловлено наличием на ее
поверхности рецептора CD4, но для проникновения вируса необходимо также присутствие
хотя бы одного из так называемых вторичных рецепторов (CCR5, CXCR4). Фермент вируса,
РНК-зависимая ДНК-полимераза, или ревертаза, переписывает информацию с вирионной
РНК в форму ДНК, которая после встраивания в геном клетки-хозяина и обеспечивает репродукцию вируса. Однако некоторые клетки достаточно долго могут оставаться в состоянии покоя, т.е. не продуцировать вирусные частицы. В таких латентно инфицированных клетках
ВИЧ как бы прячется и от иммунной системы хозяина, и от лекарственных препаратов. Изучение ВИЧ позволило сделать множество открытий, причем не только в вирусологии, но и в
смежных дисциплинах — в иммунологии, эпидемиологии, молекулярной биологии. Тем не
1
БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА
Происхождение и эволюция ВИЧ
менее, до сих пор нет препаратов, способных полностью вылечить зараженных ВИЧ, а возможности вакцинопрофилактики по-прежнему остаются предметом жарких дебатов.
Существуют и другие открытые вопросы. Один из таких — когда и как появился вирус
иммунодефицита человека. Не имея достоверных данных об этом и путях эволюции ВИЧ,
трудно рассчитывать на создание эффективных мер защиты. Кроме того, велик риск заполнения белых пятен недостоверными фактами, которые, тем не менее, в силу сенсационности, с
легкостью перекочевывают в средства массовой информации и вводят в заблуждение широкие слои населения. Именно недостатком знаний о происхождении ВИЧ можно объяснить появление публикаций, будто ВИЧ/СПИД — новое биологическое оружие, созданное американцами (русскими), или что ВИЧ давно существует в мире, но никак не связан с развитием
СПИДа. Для решения вопроса о происхождении ВИЧ (как и любого другого вируса) необходимо знать, какие вирусы этого типа циркулируют в человеческой популяции, какие механизмы лежат в основе их изменчивости, есть ли аналоги возбудителю СПИДа в живот ном
мире.
Почти сразу после первых сообщений о ВИЧ появилась информация о его чрезвычайно
высокой изменчивости. Скорость генерации ошибок у ревертазы ВИЧ настолько высока, что в
природе, видимо, нет двух абсолютно идентичных вирусов. Более того, изменчивость в самой
вариабельной части генома, кодирующей гликопротеин оболочки вирусной частицы, даже у
одного больного часто составляет 15%, а различия между вирусами, выделенными в разных
странах, достигают подчас 40—50%. Очевидно, что столь высокие различия между вирусами
не могут не сказаться на стратегии разработки вакцины.
Сегодня в международной базе данных есть информация о геномах более чем 40 тыс.
вариантов ВИЧ-1, обнаруженных в разных регионах земного шара. Их сравнение позволяет
выделить три группы вирусов: «М» (от английского «major», больший) включает подавляющее большинство известных ныне изолятов ВИЧ-1; «N» и «O» объединяют пока относительно небольшое число вариантов ВИЧ-1, выявленных в основном в Западной Африке. Вирусы
группы «М» в свою очередь можно подразделить на десять подтипов, обозначаемых буквами
английского алфавита. Чрезвычайный интерес представляет тот факт, что в разных странах
мира доминируют разные подтипы. Все подтипы ВИЧ-1 можно обнаружить в странах Центральной и Западной Африки, где, однако, доминируют вирусы подтипов А и С, в настоящее
время самые распространенные в мире. В странах Западной Европы и Северной и Южной
Америки, а также в Австралии и Японии доминируют вирусы подтипа В. В Африке, наоборот, они встречаются относительно редко, и их появление там связано со вторичным заносом
этих вирусов уже из Европы или других стран, где они распространены широко. Несмотря на
крайне высокую изменчивость вируса (до 1% изменений в геноме за год), ни один из вариантов ВИЧ не переходит границ своего подтипа. Иными словами, если пациент был инфицирован вирусом подтипа А, то, как бы не изменялся геном этого вируса в дальнейшем, он никогда
не станет вирусом подтипа В. Более того, если этот вирус затем окажется в другом хозяине
или вызовет инфекцию у большой группы лиц, все инфицированные, объединенные в одну
эпидемическую цепочку, будут заражены вирусом одного и того же подтипа (в нашем примере, вирусом подтипа А). Очевидно, это отражает определенные закономерности эволюции
ВИЧ.
Предполагают, что у всех вирусов группы «М» был один общий предшественник, который дивергировал, дав начало известным сегодня подтипам. Генетическая изменчивость
ВИЧ-1 связана с мутациями двух видов: синонимичных (так называемых молчащих) и несинонимичных. Последние меняют свойства вирусных белков, помогая вирусу выжить в конкретном организме, ускользнуть от иммунной атаки. Число вероятных несинонимичных изменений достаточно ограничено. Некоторые из них просто невозможны (с ними вирус не
жизнеспособен). Кроме того, под давлением отбора возможны и обратные мутации — изменившийся участок генома возвращается к исходному виду. Таким образом, несинонимичная
2
БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА
Происхождение и эволюция ВИЧ
изменчивость вируса подобна маятнику, колебания которого не выходят за границу определенного пространства, и одних несинонимичных мутаций не достаточно для того, чтобы вирус смог изменить свой подтип.
Молчащие мутации, не меняющие сам вирус, значительно консервативнее. Возникая
(как и любые мутации) случайно, они не подвержены влиянию отбора (например, действию
иммунной системы человека) и потому способны достаточно долго сохраняться в популяции.
Именно они и оказываются решающими в поддержании различий между подтипами. Вероятность направленных изменений столь значительной части генома (чтобы вирус подтипа, к
примеру А, превратился в В) практически равна нулю — «забор», отделяющий вирусы одного
подтипа, слишком высок. Однако нельзя исключить, что крайний, сильно отличающийся от
большинства вирусов своего подтипа вариант, найдет в таком «заборе» лазейку и, проникнув
в новую популяцию, даст начало новому подтипу. Значит, направление эволюции ВИЧ-1 в
значительной мере зависит от того, какой конкретно вирус-маргинал вызвал эпидемию. Так,
видимо, произошло с вирусами подтипа В, преобладающими сейчас в большинстве стран Западной Европы и Америке. Можно предположить, что его родоначальником был существенно
видоизмененный вариант распространенного в Африке подтипа D, который начал осваивать
новые территории. Именно этим, вероятно, объясняется тот факт, что до сих пор все вирусы
подтипа В, выявляемые в африканских странах, оказывались пришельцами, — старожилов
(подтипа В) там просто нет и никогда не было. Модель эволюции ВИЧ, согласно которой
один из вариантов «пролезает в дырку в заборе» и дает начало новой популяции, а иногда и
новому подтипу вируса, получила наименование эффекта основателя или, более образно, горлышка бутылки.
Сейчас уже известно, что определенные подтипы преобладают в некоторых группах
риска. Например, вирусы подтипа В распространяются преимущественно среди гомосексуалистов, а также среди людей, употребляющих наркотики внутривенно, в Западной Европе и
США. Это связано с эффектом основателя: «кто смел (первым попал в новую популяцию), тот
и съел» (инфицировал большинство ее членов). Выявление таких закономерностей стимулировало попытки доказать связь между подтипом ВИЧ-1 и степенью патогенности вируса или
путем передачи. Это, однако, не находило экспериментального подтверждения. Можно утверждать, что между подтипами ВИЧ-1 нет каких-либо различий ни в «агрессивности», ни в
используемых путях передачи.
Изучение закономерностей изменчивости генома ВИЧ и распространения его подтипов
ВИЧ-1 в разных странах и группах риска имеет фундаментальное значение, расширяя наши
представления о механизмах, лежащих в основе эволюции вирусов. С другой стороны, эти исследования полезны для практической медицины, позволяя выявлять варианты ВИЧ, доминирующие на конкретной территории, что важно для разработки будущих вакцин, а также прогнозирования эпидемии. Наконец, молекулярно-эпидемиологические методы могут помочь в
проведении эпидемических расследований. Приведу такой пример. У молодой женщины,
употреблявшей наркотики, диагностировали ВИЧ-инфекцию, вызванную вариантом вируса
подтипа В. Сразу возникло предположение о пути передачи вируса в процессе совместного
введения наркотических препаратов. Среди ее друзей, действительно, были инфицированные,
но вирусами подтипа А. Как оказалось, женщину заразил половой партнер, даже не подозревавший, что он — носитель ВИЧ. Вирусы, циркулирующие среди российских наркоманов,
существенно отличаются от вариантов ВИЧ-1, выявляемых в этой группе риска в других
странах. Обнаружив российский вариант ВИЧ-1 у наркомана, скажем, в Германии или Израиле, можно однозначно говорить о его связи с эпидемией в нашей стране.
Кстати, на территории России мы выявили восемь подтипов ВИЧ-1 группы «М» (от A до
H). Представители групп «N» и «О» пока не обнаружены. Разные подтипы по-разному представлены в различных группах риска. Например, у людей, заразившихся в результате гетеросексуальных контактов, встречаются все восемь подтипов, а у мужчин-гомосексуалистов, ин3
БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА
Происхождение и эволюция ВИЧ
фицировавшихся в результате половых контактов с мужчинами, доминирует подтип В. Однако закономерности эти никак не связаны с особенностями подтипов, а скорее отражают географию эпидемических связей. Наши ВИЧ-инфицированные сограждане вступали в гетеросексуальные контакты с жителями многих стран мира, поэтому мы и наблюдаем такое разнообразие вирусов в этой группе риска. С другой стороны, мужчины, заразившиеся в результате
половых контактов с мужчинами, в основном, имели интимные отношения с жителями Европы и Америки, где уже доминировал подтип В. Известен случай, когда мужчина с нетрадиционной сексуальной ориентацией заразился в Центральной Африке, а затем стал источником
ВИЧ для своих половых партнеров — граждан России. Все они оказались инфицированными
вирусом подтипа А.
Сегодня в России подавляющее большинство случаев ВИЧ-инфекции регистрируется,
как известно, у наркоманов. Мы установили, что на территории нашей страны в этой группе
риска циркулируют три варианта ВИЧ-1. Доминирует вирус подтипа А. По нашим оценкам,
на него приходится не менее 90% всех случаев инфицирования. До начала нашей эпидемии
вирусы этого подтипа нигде в мире у наркоманов не выявлялись. Эти данные указывают на
путь их проникновения в популяцию наркоманов — гетеросексуальные контакты. Наиболее
вероятно, первый случай заражения произошел где-то на юге Украины (эпидемия там началась двумя-тремя годами раньше), затем вирусы распространились в Белоруссии, Молдавии,
России. Позднее их уже обнаруживали у наркоманов в Казахстане, республиках Прибалтики,
в Германии и даже на Ближнем Востоке. Второй вариант вируса, поражающий российских
наркоманов, относится к подтипу В, обычному для этой группы риска. Однако наш вирус существенно отличается от западноевропейских. Родственные ему представители подтипа В
выявлены пока только у наркоманов на Украине и в Польше. Наконец, третий вариант ВИЧ-1
имеет так называемую мозаичную структуру генома и возник в результате рекомбинации между первыми двумя.
Вирусы с мозаичным геномом, состоящим из фрагментов, принадлежащих к разным
подтипам, обнаружили шесть лет назад. Они составляют достаточно большую часть (до 15%)
от всех вариантов ВИЧ-1 и особенно характерны для Центральной Африки, где наблюдается
наибольшее разнообразие подтипов ВИЧ-1. Более того, подтипы ВИЧ-1, первоначально названные как E и I, на самом деле — рекомбинантные, и правильнее обозначать их A/E и A/G/I
(по под типам, составляющим мозаику.) Большинство исследователей всегда считало, что вирусы с мозаичным геномом образуются, когда в одну клетку попадают два возбудителя разных подтипов, обмениваются генами или их фрагментами. Поскольку никому не удавалось
обнаружить сразу оба родительских вируса, высказывались и другие точки зрения. Например,
феномен мозаичности пытались объяснить разной скоростью накопления изменений в различных участках генома ВИЧ. Выявить обоих родителей удалось, изучая российский А/Врекомбинант, обнаруженный нами в 1997 г. на территории Калининградской обл. Эти данные
представляются особо важными — фактически впервые в мире появилось прямое доказательство существования рекомбинации между различными подтипами ВИЧ-1 непосредственно в
очаге инфекции.
Откуда и как попал ВИЧ в человеческую популяцию? Чтобы попытаться ответить на
этот вопрос, необходимо вспомним о других лентивирусах приматов, о ВИЧ-2 и многочисленных вирусах иммунодефицита обезьян (ВИО). Небезынтересно, что ВИО не вызывают
СПИД у природных хозяев. Зеленые мартышки, например, сами не болеют, однако, будучи
инфицированными, могут заражать обезьян других видов, в частности, при совместном содержании в зоопарках. Так, у японских макак, никогда не сталкивавшихся с ВИО, развивается
инфекция с симптомами СПИДа, заканчивающаяся летальным исходом. Оказалось, что второй человеческий вирус, ВИЧ-2, близок к одному из обезьяньих вирусов, который выделяется
в Африке, в природных популяциях дымчатых мангобеев. Описано несколько случаев заражения людей, причем у инфицированных появлялись все симптомы инфекции ВИЧ-2. И на4
БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА
Происхождение и эволюция ВИЧ
против, экспериментальное заражение ВИЧ-2 дымчатых мангобеев вызывало развитие хронической инфекции без каких-либо симптомов СПИДа. Можно сделать такой вывод: инфекция,
вызываемая ВИЧ-2, — это типичный зооноз, и его природный резервуар находится в популяциях дымчатых мангобеев (Cercocebus atys) в Западной Африке. Более того, есть доказательства, что появление подтипов ВИЧ-2, а все его варианты тоже делятся на подтипы (от A до Е),
вероятнее всего это связано с независимыми заносами ВИО в человеческую популяцию.
С ВИЧ-1 вопрос пока открыт, хотя по аналогии можно предположить: вирус попал к
людям от каких-то обезьян, а развитие симптомов СПИДа связано с тем, что человек не является его природным хозяином. Известны уже четыре случая выявления вирусов, напоминающих ВИЧ-1, у шимпанзе. Три вируса выделили от шимпанзе в Западной Африке, а один обнаружили в одном из зоопарков США. Анализ их геномов позволил сделать вывод: природным
резервуаром ВИЧ-1 может быть один из подвидов шимпанзе Pan troglodytes troglodytes, обитающий на территории тех стран Западной Африки, где одновременно встречаются и представители всех групп ВИЧ-1. При этом полагают, что вирус как минимум трижды «перепрыгивал» межвидовой барьер, давая начало группам «М», «N» и «O».
Интересно, что самый ранний образец крови, содержащий ВИЧ-1 (группы «М»), обнаруженный в г. Киншаса (ныне столица Демократической Республики Конго), датирован 1959
г. Недавно американские специалисты, изучив генетические различия между вирусом в образце крови сорокалетней давности и со временными представителями группы «М», высказали такое мнение: общий предшественник всех подтипов этой группы мог попасть в человеческую популяцию от шимпанзе где-то около 1940 г. Однако многие специалисты совершенно
справедливо, на мой взгляд, полагают: скорость эволюции ВИЧ зависит от большого числа
различных факторов, которые не были учтены. Следовательно, хотя происхождение ВИЧ-1 от
обезьяньих родственников не вызывает сомнений, предлагаемая дата (1940 год) не окончательна и может отодвинуться на много лет назад.
Отсутствие более старых образцов крови, инфицированных ВИЧ, легко объяснить: вирус в тот период циркулировал в африканских деревнях, отдаленных от медицинских центров. Неясно также, почему до сих пор найдено всего лишь четыре инфицированных шимпанзе. Ведь по аналогии с ВИЧ-2 обнаружение вируса в природном резервуаре не должно быть
сколько-нибудь серьезной проблемой. Наконец, остается открытым вопрос, как именно вирус
попадал от обезьян к человеку. В случае с ВИЧ-2 все достаточно понятно. В африканских деревнях многие мангобеи играют роль российских дворняжек: прирученные обезьяны постоянно общаются с людьми, играют с детьми… Более того, в некоторых районах Западной Африки этих обезьян употребляют в пищу. Шимпанзе же достаточно редки, а их габариты и нрав
не располагают к дружескому общению. Приходится констатировать: либо те шимпанзе —
носители вируса еще не пойманы, либо вирус, напоминающий ВИЧ-1, попал к ним и человеку
от каких-то других африканских обезьян (возможно, уже вымерших!). Интересно, что по одной из гипотез, объясняющих перенос вируса от шимпанзе к человеку, заражение произошло
в результате переливания людям обезьяньей крови. Такие эксперименты действительно проводились в Африке, когда, например, пытались найти вакцину от малярии (обезьяны ей не болеют).
Естественно задаться и таким вопросом: «Что же будет дальше?» Можно ожидать открытий новых подтипов или даже групп ВИЧ-1. Обнаружить их, вероятно, удастся путем анализа большего числа образцов крови, в первую очередь с Африканского континента (пять
подтипов ВИЧ-1, открытых в 1994—1999 гг., выделили именно там). Нельзя исключить и того, что крайние (сильно отличающиеся) варианты уже известных подтипов, попадая в новые
группы риска, дадут начало другим подтипам ВИЧ-1. Без сомнения, важный вклад в эволюцию вируса будут по-прежнему вносить и рекомбинационные процессы. Наконец, возможно
даже появление новых групп ВИЧ-1, если вирус в очередной раз преодолеет межвидовой
барьер.
5
БИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА
Происхождение и эволюция ВИЧ
С другой стороны, рискну предположить: распространение ВИЧ будет продолжаться
достаточно высокими темпами до тех пор, пока он не инфицирует всех или практически всех
людей, образ жизни которых связан с повышенной опасностью заражения. В первую очередь,
это те, кто практикует внутривенное введение психоактивных веществ без соблюдения мер
предосторожности; мужчины и женщины, ведущие беспорядочную половую жизнь и игнорирующие меры безопасного секса. Безусловно, с развитием новых методов терапии продолжительность жизни инфицированных будет возрастать. Сейчас достаточно проблематично появление универсальной вакцины, однако создание профилактических препаратов, способных
повышать устойчивость человека к заражению ВИЧ, не так уж безнадежно. Кстати, пока неясно, как развитие методов терапии, специфической профилактики повлияет на эволюцию
вируса. Вполне вероятна массовая селекция новых вариантов с повышенной устойчивостью к
лекарственным препаратам, последствия которой не до конца понятны. Как бы то ни было,
основной мерой защиты против ВИЧ остается правильный образ жизни. Он важен и потому,
что пока вы читаете эту статью, где-то в африканской саванне (джунглях Амазонки, сибирской тайге) может размножаться инфекционный агент, которому суждено стать «чумой» уже
XXI века.
6