CC BY
30
УДК 616-022.6: 577.4
A.B. Дубов
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ГОМЕОРЕЗ СИСТЕМЫ МАКРООРГАНИЗМ-ВИРУСЫ КОМПЛЕКСА КЛЕЩЕВОГО ЭНЦЕФАЛИТА КАК СТУПЕНЬ МИКРОЭВОЛЮЦИИ
ГУ НИИ медицинских проблем Севера СО РАМН, Красноярск
Полигостальный характер очагов клещевого энцефалита с существенно опережающим в сис теме макроорганизм-микроорганизм воспроизводством вируса, с широкой и постоянно сме няющейся составной частью системы (макроорганизм) приводит к формированию функцио нально-динамического экологического гомеореза, то есть вступления в соответствие i экологическими факторами систем гомеостаза на популяционном, видовом и межвидовол уровнях. Циркуляция вируса клещевого энцефалита в биоценозе обеспечивается микроэво люцией как обоих компонентов системы в результате адаптации, естественного отбора, гено и фенотипических модификаций, так и системы в целом.
Ключевые слова: клещевой энцефалит, микроэволюция, популяция, экологический гомео рез
Гениальным предвидением Ч. Дарвина были вскрыты принципиальные закономерности эволюционного процесса — естественный отбор, действующий на основе множества существующих в природе наследственных различий.
Как это обычно бывает в науке, с каждым новым крупным открытием в области эволюционной теории выявляются и все большие глубины нашего незнания. Так наблюдалось после того, как в 20-х годах XX века было показано, что элементарной эволюционирующей единицей является популяция. Так было в конце 30-х годов после формулировки основных положений современного учения о микроэволюции. Очередные ступени незнания открываются в 60-е годы прошлого столетия в связи с развитием генетических основ эволюции [1]. Генетики-популяционисты, начав с рассуждений об эволюции отдельных аллелей (генов) и убедившись в недостаточности этих подходов, пришли к необходимости рассматривать эволюцию целых генных систем [2]. И, наконец, в начале XXI века нами впервые сформулирован принцип микроэволюции, в основе которого лежит экологический гомеорез как вступление в соответствие с экологическими факторами систем гомеостаза на популяционном, видовом и межвидовом уровнях [3].
В основу разработки положен системный подход, при котором система рассматривается как совокупность каких-либо элементов, связанных между собой в единое целое [4]. Система макроорганизм-вирус является адаптивной, то есть автоматически изменяющей алгоритмы своего функционирования и (или) структуру для достижения
оптимального состояния при изменении внешни? условий. В данном случае как макроорганизм, та> и вирус (микроорганизм) могут рассматриваться как компоненты адаптивной системы.
С естественно-научных философских позицит система макроорганизм-вирус представляет единое целое, а ее элементы — противоположности Функционирование системы в биоценозе обеспечивается механизмом распространения вирусе как в популяции одного вида макроорганизма так и на межвидовых уровнях. Действие элементов системы проявляется как единство и борьба противоположностей, в результате которой или гибнет вся система, или выживают, трансформируясь, ее компоненты, или эволюционирует адаптация компонентов системы (например, селекция естественно-невосприимчивых популяций макроорганизма или естественно-ослабленных популяций возбудителя). Такое состояние следует рассматривать как ступень микроэволюции компонентов системы или системы в целом с формированием экологического гомеореза в системе макроорганизм-вирус [5].
Пусковым механизмом формирования экологического гомеореза является экологический стресс [6]. Сюда можно отнести воздействие естественно-природных и искусственных катаклизмов, переселение в экстремальные зоны популяций макроорганизма, интрадукция микроорганизма, внедрение в биоценоз новых видов из органического мира, формирование и заполнение экологических ниш.
При эволюции системы макроорганизм-вирус вирусные гены, имея сходство с генами хозяина,
облегчают репродукцию вируса или завершение его жизненного цикла (вирусная мимикрия). Установлено, что гены ряда вирусов кодируют белки, используемые вирусами для противодействия иммунным реакциям организма. Геномное картирование этих вирусов и установление гомологичных последовательностей с клеточными белками хозяина позволяют считать, что эти гены были захвачены вирусами при формировании экологического гомеореза в процессе эволюции системы макроорганизм-микроорганизм и модифицированы в пользу вируса. Такими генами могут быть гены цитокинов, рецепторов, ростовых факторов, иммунных белков, например, МНС класса I. Многие из этих вирусных генов похожи на клеточные гены макроорганизма, другие при значительной доле гомологии, тем не менее, имеют функциональное сходство [3, 7].
С помощью набора моноклональных антител к белку Е вируса клещевого энцефалита (КЭ) в иммуноферментном анализе и реакции имму-нопреципитации вирусных белков показано, что адаптация вируса КЭ к клещам и млекопитающим может приводить к существенному изменению антигенной структуры белка Е, затрагивающему различные антигенные домены, в том числе нейтрализующий эпитоп, который предположительно принимает участие в начальных этапах взаимодействия вирионов с клеточной мембраной [8]. Выявленные изменения антигенной структуры вируса можно объяснить формированием экологического гомеореза, в основе которого лежат гено- и фенотипические модификации в системе макроорганизм-вирус КЭ.
Вирус КЭ в 0,5-20% случаев вызывает у человека органические поражения головного и спинного мозга преимущественно после укуса инфицированного иксодового клеща [9, 10]. Циркуляция вируса КЭ в естественных условиях осуществляется за счет попеременного размножения его в клещах и млекопитающих, при этом он может длительное время циркулировать только в клещах за счет трансовариальной и трансфазной передачи. Показано, что в результате пассажей на клещах существенно снижается вирулентность вируса, вводимого экспериментальным животным экстраневрально, оставаясь высокой при заражении в головной мозг [10]. При пассажах штаммов вируса КЭ, адаптированных к клещам, через головной мозг мышей наблюдалась реверсия вирулентных свойств [И, 12], которая скорее всего происходила в результате селекции из смешанной популяции штамма, состоящего из множества более или менее вирулентных вирионов при искусственном введении в головной мозг мышей [13, 14]. Однако такой реверсии не
установлено при частых многократных пассажах при экстраневральном введении мышам штаммов вируса, выделенных от иксодовых клещей на культуре клеток. В качестве вируссодержащего материала использовали суспензии лимфатических узлов мышей, получаемые через 24-48 часов после заражения животных. В этом случае мы пытались исключить в пассажах вирионы, способные пройти через гематоэнцефалический барьер и репродуцироваться в тканях ЦНС. Более того, многократные частые пассажи вирулентных штаммов приводили к селекции вариантов, обладающих пониженной периферической нейрови-рулентностью.
Установлено, что популяции многих видов в сообществах мелких и крупных млекопитающих, обеспечивающих циркуляцию вирусов комплекса КЭ, в том числе и омской геморрагической лихорадки (ОГЛ), включая водяную крысу, при естественных способах заражения, как правило, не болеют указанными инфекциями. У животных развивается достаточно высокая вирусемия, обеспечивающая поддержание эпизоотической цепи. Вирусы не проникают через гематоэнцефалический барьер в органы-мишени, то есть головной и спинной мозг. Если же проникают, то репродукция их крайне ограничена и недостаточна для развития заболевания и гибели животных. Следовательно, в эпизоотической цепи обеспечивается репродукция вируса и сохранение его как вида.
Пришлым животным в Сибири явилась ондатра, завезенная из США в 30-х годах XX века и включившаяся в биоценоз Сибири как новый экологический компонент. На территории прежнего проживания ондатры вирус ОГЛ не циркулировал. Животное оказалось эволюционно не подготовленным к встрече с возбудителем ОГЛ. Эпизоотии ондатры в 50-е годы привели к гибели 92-95% их популяции. Из органов и тканей, в том числе из головного и спинного мозга, выделялся вирулентный вирус. В 60-е годы наблюдалась гибель уже около 50% популяции, а в 70-е годы в период эпизоотии, подтвержденной нами вирусологически, зарегистрирована гибель всего 4-6% популяции ондатры. У незаболевших ондатр вирус удалось выделить из крови и внутренних органов (преимущественно из лимфатических узлов). Из головного мозга этих ондатр вирус или не выделялся, или были обнаружены очень низкие концентрации его. У 87% здоровых ондатр выявлялись специфические антигемаг-глютинирующие и/или вируснейтрализующие антитела. При экстраневральном (подкожном, внутрибрюшинном, через рот и нос) заражении ондатр, не содержащих антител против вируса
ОГЛ и КЭ, штаммами вируса ОГЛ, выделенными в 50-е годы, у животных развивался тяжелый па-нэнцефалит. Ондатры заболевали и гибли на 1-3 дня позже, чем при внутримозговом заражении. При экстраневральном заражении ондатр штаммами вируса ОГЛ, выделенными в 60-е годы, исходы были разные. Отдельные штаммы вызывали развитие энцефалита с параличами конечностей и гибелью животных, при заражении другими — у ондатр наблюдалась лишь вялость, в некоторых случаях легкие судороги. Многие ондатры выздоравливали. При экстраневральном заражении ондатр штаммами вируса, выделенного от здоровых ондатр в 70-е годы, заболеваний и гибели животных, как правило, не наблюдалось.
За 70-летний период изучения КЭ произошли незначительные изменения его клиники в сторону более легкого течения. Вряд ли это можно объяснить наличием только субъективных моментов в связи с улучшением диагностики заболевания. В некоторых районах Дальнего Востока до настоящего времени остается высокая летальность от КЭ, существенно преобладают тяжелые паралитические формы заболевания [14]. Тяжелое течение КЭ с высокой летальностью регистрируется преимущественно в таежных малоосвоенных человеком ландшафтах Западной Сибири. Так, в таежной зоне Кемеровской, Новосибирской, Тюменской, Свердловской и Пермской областей паралитические формы КЭ превышают 10-15% в группе заболевших. В Ханты-Мансийском автономном округе летальность от КЭ в отдельные годы достигала 40%. Однако в лесостепной зоне России заболевание КЭ протекает более легко с преобладанием непаралитических, довольно часто субклинических форм (например, в Октябрьском районе Пермской области) или же контакт с вирусофорным клещом заканчивается естественной иммунизацией. Так, в лесостепном Исетском районе Тюменской области в течение многих лет не было зарегистрировано ни одного больного КЭ. Вирусофорность клещей регистрировалась от 17,6 до 30%. Иммунная прослойка местного населения к возбудителю КЭ выявлялась в 80-95%. Из крови здоровых людей, снявших с себя за 3-10 дней напитавшихся клещей, в 3,6% при пассажах в культуре ткани фибробластов куриного эмбриона выделен вирус КЭ. Все изолированные штаммы обладали низкой вирулентностью для белых мышей при подкожном введении вируса. При длительном наблюдении (4-13 лет) за людьми в Исетском районе Тюменской области, подвергшимися нападению клещей и содержащих в сыворотке крови специфические антитела, ни в одном случае не было установлено развитие хронического КЭ.
Различные по тяжести и исходам клиниче< кие проявления КЭ в разных ландшафтных зс нах (таежная, лесостепная) можно объяснит изменением компонентов биосистемы макрс организм-вирус КЭ. По мере интенсификаци хозяйственной деятельности человека таежны ландшафты трансформируются в лесные, а зате в лесостепные. Изменяется спектр прокормив лей иксодовых клещей. Постепенно вытесняют ся дикие животные и включаются в циркуляци] возбудителя домашние животные (коровы, коз! собаки и др.).
В опытах на обезьянах Macacus rhesus, зар; женных в головной мозг, были установлены сj щественные различия клинического течения экс периментального КЭ в зависимости от изоляци вируса в различных типах очагов (таежный ил лесостепной) [15]. Вирусы, выделенные из кров больных людей и иксодовых клещей из таежны районов Дальнего Востока, Западной Сибир и Урала вызывали у обезьян почти в 100% гл} бокие парезы и параличи с летальным исходо: на 4-12 день после начала заболевания. В отлг чие от восточного клинического варианта нам впервые дифференцирован западно-сибирскс зауральский вариант. При этом возбудитель бы изолирован из крови людей, подвергшихся наш дению иксодовых клещей или из клещей Ixodt persulcatus и Dermacentorpictus в лесостепной зон Западной Сибири (Кемеровская, Новосибирска; Тюменская области) или Зауралья (Свердловска область). При внутримозговом заражении обе зьян западно-сибирско-зауральскими штаммам вируса КЭ у животных преобладали мозжечковы нарушения. Погибали от 16,7 до 44,0% заражег ных обезьян. При заражении обезьян восточным штаммами наиболее интенсивные морфологичес кие изменения выявлены в коре головного мозг; а при заражении западно-сибирско-зауральскг ми штаммами — в коре мозжечка. При заражени восточным вариантом вируса концентрация вг рионов была наибольшей в коре головного мозг; при западно-сибирско-зауральском — в коре мог жечка.
В естественных условиях при взаимодействи популяций макроорганизма (иксодовые клещ и их прокормители) и микроорганизма (вир} сы комплекса КЭ) определенные преимуществ в процессе адаптации, отбора и формировани экологического гомеореза, как ступени микроэвс люции, имеет микроорганизм, так как его воспрс изводство в единицу времени существенно опере жает воспроизводство макроорганизма.
Вирусы комплекса КЭ тесно связаны с раг личными видами иксодовых клещей, обитающи в ареале их циркуляции. Наиболее вероятно, чт
Буракова C.B. Семейные аспекты ги Дубов A.B. Экологический гомеорез системы макроорганизм-вирусы комплекса клещевого энцефалита как ступень микроэволюции/с. 66-70 перхолестеринемий у подростков/с. 135-140
природные очаги предка вирусов комплекса КЭ сформировались еще до миоценового периода, когда уже существовали ландшафты, свойственные этим очагам, а основные хозяева возбудителей занимали те же экологические ниши, что и их современные потомки. Сложившиеся первичные биоценозы, вероятно, существовали еще до разобщения материков, то есть к началу палеоцена. В первый период мезозоя началось расселение семейства 1хо(Шае из первоначального центра его обитания в области евро-канадского щита. После разобщения материков произошло разделение как семейства 1хоЖс1ае, так и первичных его про-кормителей (пресмыкающихся, насекомоядных, грызунов). Лишь позднее осуществилась самостоятельная эволюция биоценозов. Их расчленение могло способствовать формированию антигенных и генетических вариантов вируса КЭ [10]. В связи с длительным разделением до плеоцена водных бассейнов Европы и Сибири создались условия для изолированного развития западного и восточного вариантов вируса КЭ. Интенсивное освоение человеком таежных территорий, постепенное вытеснение из циркуляции возбудителя диких животных с интродукцией домашних привело к трансформации природных очагов КЭ с постепенным формированием переходных и антропургических. Причем, наиболее обжитыми явились западные территории европейского, а затем и азиатского материков. Полигостальный характер очагов вирусов КЭ обеспечивается всеми видами теплокровных животных и иксодовых клещей, обитающих на территории этих очагов. При этом наблюдается тенденция к развитию бессимптомной инфекции у большинства животных, составляющих экосистемы и участвующих в циркуляции вирусов комплекса КЭ, что приводит к микроэволюции экологического гомеореза на основе адаптации и естественного отбора в экологической системе макроорганизм-вирус.
К сожалению, экспериментальное изучение микроэволюции вируса стало возможным только 70 лет тому назад после установления этиологии КЭ. Состояние научно-технического оснащения лабораторных исследований позволило впервые провести изучение структуры организации генома вируса КЭ лишь в конце 80-х годов XX века. Установлена полная нуклеотидная последовательность генома вируса КЭ, который включает 10487 нуклеотидов. Показано, что гены белков вируса КЭ расположены в следующем порядке: С-преМ(М)-Е-К81-Ы52А-К82В-М53-К84А-МБ4В-К85 [16, 17]. К настоящему времени дифференцировано три основных генетических варианта вируса КЭ: дальневосточный, европейский и сибирский — субтипы 1, 2, 3 [18, 19].
Анализ клинических наблюдений в различных регионах Евразийского материка и результаты экспериментальных исследований на обезьянах Macacus rhesus штаммов вируса КЭ, выделенных в Европе и Сибири, на Урале и Дальнем Востоке, впервые позволили дифференцировать в рамках единой нозологической единицы дальневосточный, западный, западно-сибирско-зауральский КЭ и двухволновый менингоэнцефалит [10]. Клинические особенности КЭ в разных регионах и ландшафтно-географических зонах при различной степени влияния на формирование и функционирование очагов КЭ хозяйственной деятельности человека в значительной мере согласуются с данными молекулярной эпидемиологии [10, 18]. Однако пока остается не выясненным, в какой степени геновариант гетерогенной вирусной популяции однороден с различными по вирулентности вирионами в изолируемых штаммах вируса КЭ. Нельзя исключить адаптацию и естественный отбор различных популяций при циркуляции вируса в системе клещ-теплокровное животное, а также смешивание популяций, образование субгенотипов при фено- и генотипи-ческих модификациях. При совместной циркуляции на одной территории популяций нескольких субтипов вируса КЭ и сходных с ним заболеваний не исключена возможность рекомбинаций между вирионами различных субтипов [10, 14, 18, 20].
ECOLOGICAL HOMEORHESIS
IN THE SYSTEM OF MACROORGANISM-
VIRUSES OF TICK-BORNE ENCEPHALITIS
COMPLEX AS THE STAGE OF MICROEVO-
LUTION
A.V. Dubov
Polygustal character of tick-borne encephalitis hotbeds with the substantially leading virus reproduction in the system of microorganism-microorgan-ism, with wide constantly rotating component part of the system (microorganism), leads to the formation of functional dynamical ecological homeorhesis, that is to match to conformity to ecological factors of the systems of homeostasis on population, species and interspecific levels. Tick-borne encephalitis virus circulation in biocenosis is provided by microevolu-tion of both components of the system as a result of adaptation, natural selection, gene- and phenotypic modifications as well as the system as a whole.
Литература
1. Шмальгаузен, И.И. Пути и закономерности эволюционного процесса/ И.И. Шмальгаузен. — М., 1983. -317 с.
2. Lewontin, R.C. The genetic basis of evolutionary change/ R.C. Lewontin. — New York — London, 1974. -351 p.
3. Дубов, A.B. Экологический гомеорез как основа эволюции /А.В.Дубов // Фундаментальные исследования. - 2005. - №10. - С. 77-78.
4. Анохин, П.К. Узловые вопросы теории функциональных систем / П.К.Анохин. — М., 1980. — 248 с.
5. Дубов, A.B. Дизрегуляционные процессы в механизме формирования экологического гомеореза/ А.В.Дубов// Вопр. сохранения и развития здоровья населения Сибири и Севера. — Красноярск, 2005. — Вып.4. - С. 10-12.
6. Дубов, A.B. Стресс и адаптация как основные звенья формирования экологического гомеореза / A.B. Дубов // Дизрегуляционная патология органов и систем. - М„ 2004. - С. 151.
7. Носик, H.H. Цитокины при вирусных инфекциях / H.H. Носик // Вопр. вирусол. — 2000. — №1 — С. 4-10.
8. Изучение антигенной структуры поверхностного гликопротеина Е вируса клещевого энцефалита при его адаптации к клещам и млекопитающим/ Л.Ю. Романова, Л.В. Гмыль, В.Б. Локтев и др. // Вопр. вирусол. -2006. - №6.-С. 31-34.
9. Злобин, В.И. Клещевой энцефалит в Российской Федерации / В.И. Злобин // Вопр. вирусол. — 2005. - №3. - С. 26-32.
10. Смородшцев, A.A. Клещевой энцефалит и его вакцинопрофилактика / A.A. Смородинцев, A.B. Дубов. - Л.,1986. - 231 с.
11. Изменение зависимости от хозяина характеристик вируса клещевого энцефалита при его адаптации к клещам и переадаптации к белым мышам / Т.И. Джи-ванян, М.Б. Королев, Г.Г. Карганова и др. //Вопр. вирусол. - 1988. - №5. - С. 589-595.
12. Rewerted virulence of attenuated tick-borne encephalitis virus mutant is not accompanied with the changes in deduced viral envelope protein amino acid
seguence / M. Kuluzova, E. Eleckova, E. Zuffova et al. /j Acta virol. - 1994. - Vol. 38. - P. 140-144.
13. Козлов, Л.Б. Электрофоретическое фракционирование вирусных популяций: Автореф. дис. ... канд мед.наук / Л.Б.Козлов. — Томск, 1989. — 24 с.
14. Леонова, Г.Н. Клещевой энцефалит в Приморском крае / Г.Н. Леонова. — Владивосток, 1997. — 189 с.
15. Дубов, A.B. Патогенетические механизмы иммунопрофилактики клещевого энцефалита в опыта? на обезьянах Macacus rhesus, зараженных западно-си-бирско-зауральским и восточным вариантами вирусг / A.B. Дубов // Современная ситуация и перспективь: борьбы с клещевыми инфекциями в XXI веке. — Томск 2006. - С. 45-46.
16. Плетнев, А.Г. Структура, организация и детекция генома вируса клещевого энцефалита: Автореф.дис. .. д-ра хим. наук / А.Г. Плетнев. — М., 1990. — 29 с.
17. Genome seguence of tick-borne encephalitis virus (western subtype) and comparative analysis ol nonstructural proteins with other flaviviruses / Ch. Mandl, F.X. Heinz, E. Stocke, Ch. Kunz // Virology. - 1989. -Vol. 173. — №1. — P. 291-301.
18. Злобин, В.И. Эпидемиологическая обстановка и проблемы борьбы с клещевым энцефалитом в Российской Федерации / В.И. Злобин // Бюл. Сиб. мед.
- 2006. - Т. 5, Приложение 1. - С. 16-23.
19. Эволюция клещевого энцефалита и проблема эволюции возбудителя / В.В. Погодина, Л.С. Карань, Н.Г. Бочкова и др. // Современная ситуация и перспективы борьбы с клещевыми инфекциями в XXI веке.
- Томск, 2006. - С. 101-103.
20. Генетические различия восточно-европейской и азиатской популяций вируса клещевого энцефалита сибирского подтипа / A.C. Карань, В.В. Погодина, Т.В. Фролова и др. // Бюл. Сиб. мед. — 2006. — Т. 5, Приложение 1. — С. 24-27.
