В паразитологии и эпидемиологии смена хозяина (или смена хозяина ) — это эволюционное изменение специфичности хозяина паразита или возбудителя . Например, вирус иммунодефицита человека раньше заражал и циркулировал среди приматов в Западной и Центральной Африке, но в начале 20 века перешел на людей. [1] [2]
Все симбиотические виды, такие как паразиты, патогены и мутуалисты , демонстрируют определенную степень специфичности хозяина. Это означает, что патогены хорошо адаптированы для заражения конкретного хозяина - с точки зрения, помимо прочего, связывания с рецепторами, контрмер для факторов ограничения хозяина и методов передачи. Они встречаются в организме (или на поверхности тела) одного вида-хозяина или, что чаще, у ограниченного набора видов-хозяев. В последнем случае подходящие виды-хозяева, как правило, таксономически родственны, имеют схожую морфологию и физиологию. [3]
Видообразование — это создание нового и отдельного вида в ходе эволюции , поэтому между всей жизнью на Земле существуют уникальные различия. Само собой разумеется, что собаки и птицы — это очень разные классы животных: например, у собак есть шуба, а у птиц — перья и крылья. Таким образом, мы знаем, что их фундаментальная биологическая структура так же различна, как и их внешний вид, он варьируется от их внутренних клеточных механизмов до их реакции на инфекцию, и поэтому видоспецифичные патогены должны преодолевать многочисленные барьеры диапазона хозяев, чтобы их новый хозяин мог поддерживать свою жизнь. инфекционное заболевание.
Недавние исследования предложили различать два разных типа эволюционных изменений специфичности хозяина. [5] [6]
Согласно этой точке зрения, смена хозяина может представлять собой внезапную и случайную колонизацию нового вида хозяина несколькими особями паразита, способными создать там новую и жизнеспособную популяцию. После переключения такого типа новая популяция более или менее изолирована от популяции вида-донора-хозяина. Новая популяция не влияет на дальнейшую судьбу видовых паразитов на хозяине-доноре и может в конечном итоге привести к видообразованию паразита. Этот тип переключения, скорее всего, будет нацелен на растущую популяцию хозяев, которая содержит относительно бедную фауну паразитов/патогенов, например, первые популяции инвазивных видов. Переключение ВИЧ на человека-хозяина относится к этому типу.
Альтернативно, в случае паразита с несколькими хозяевами смена хозяина может происходить как постепенное изменение относительной роли одного вида хозяина, который становится основным, а не вторичным хозяином. Бывший основной хост постепенно становится вторичным хостом или даже может быть полностью заброшен. Этот процесс более медленный и более предсказуемый и не увеличивает разнообразие паразитов. Обычно это происходит в условиях сокращения популяции хозяина, содержащей фауну паразитов/патогенов, которая относительно богата для размера популяции хозяина.
Все болезни имеют происхождение. Некоторые заболевания циркулируют в человеческих популяциях и уже известны эпидемиологам, но эволюция заболевания может привести к появлению нового штамма этого заболевания, который сделает его более сильным - например, туберкулез с множественной лекарственной устойчивостью . В других случаях могут быть обнаружены заболевания, которые ранее не наблюдались и не изучались. Они могут возникнуть в результате событий смены хозяина, позволяющих патогену развиваться и адаптироваться к человеку, и обнаруживаются только в результате вспышки инфекции.
Патоген, меняющий хозяина, возникает как новая форма вируса, способная циркулировать в новой популяции. Болезни, возникающие в этом смысле, могут чаще возникать в результате чрезмерного воздействия человека на дикую природу. Это может произойти в результате урбанизации , вырубки лесов , разрушения среды обитания диких животных и изменений в сельскохозяйственной практике. Чем больше люди подвергаются воздействию дикой природы, тем больше происходит побочных инфекций и патогены подвергаются специфичному для человека давлению отбора . Таким образом, патоген склонен к специфической адаптации и с большей вероятностью получит необходимые мутации, чтобы преодолеть видовой барьер и стать заразным для человека.
Проблема с болезнями, возникающими у новых видов, заключается в том, что популяция-хозяин будет иммунологически наивна. Это означает, что хозяин никогда ранее не подвергался воздействию возбудителя и не имеет ранее существовавших антител или защиты от инфекции. Это делает смену хоста опасной и может привести к более патогенным инфекциям. Возбудитель не адаптирован к выживанию в новом хозяине, и этот дисбаланс коэволюционной истории может привести к агрессивным инфекциям. Однако этот баланс необходимо взять под контроль, чтобы патоген мог поддерживать инфекцию в новом хозяине и не сжигать популяцию.
Патоген, претерпевающий смену хозяина, подвергается давлению отбора, направленному на приобретение необходимых изменений, обеспечивающих выживание и передачу новому виду хозяина. Согласно Обзору микробиологии и молекулярной биологии 2008 года [7] этот процесс переключения хозяина можно определить тремя этапами:
Воздействие новой окружающей среды и видов-хозяев — это то, что позволяет патогенам развиваться. Ранние изолированные случаи заражения подвергают возбудитель давлению отбора, направленному на выживание в том новом виде, к которому некоторые в конечном итоге адаптируются. Это приводит к появлению патогенов с первичными адаптациями, позволяющими проводить меньшие вспышки внутри этого потенциального нового хозяина, увеличивая воздействие и стимулируя дальнейшую эволюцию. Это приводит к полной адаптации хозяина и способности к более крупной эпидемии, а патоген может устойчиво выживать в своем новом хозяине, то есть при смене хозяина. Достаточно адаптированные патогены могут также достичь пандемического статуса, что означает, что болезнь заразила всю страну или распространилась по всему миру.
Зооноз — особый вид межвидовой инфекции, при которой заболевания передаются от позвоночных животных к человеку . Важной особенностью зоонозных заболеваний является то, что они происходят из животных-резервуаров, которые необходимы для выживания зоонозных патогенов. [8] Они естественным образом существуют в популяциях животных бессимптомно или вызывают легкое заболевание, что затрудняет поиск естественного хозяина ( резервуара болезни ) и делает невозможным искоренение, поскольку вирус всегда будет продолжать жить в диких животных.
Те зоонозные патогены, которые постоянно переходят от позвоночных животных к человеческой популяции, совершили смену хозяина и, таким образом, могут продолжать выживать, поскольку они адаптируются к передаче в человеческих популяциях. Однако не все зоонозные инфекции завершают смену хозяина и существуют лишь в виде небольших изолированных событий. Они известны как побочные эффекты . Это означает, что люди могут заразиться животным патогеном, но он не обязательно приживется и станет заболеванием, передающимся от человека и циркулирующим в человеческой популяции. Это связано с тем, что адаптации к смене хозяина, необходимой для того, чтобы сделать патоген устойчивым и передаваться новому хозяину, не происходит.
Некоторые события межвидовой передачи важны, поскольку они могут показать, что патоген приближается к эпидемическому/пандемическому потенциалу. Небольшие эпидемии показывают, что возбудитель становится более приспособленным к передаче человеку и приобретает устойчивость для существования в человеческой популяции. Однако существуют некоторые патогены, которые не обладают такой способностью распространяться между людьми. Это касается таких побочных явлений, как бешенство . Люди, заразившиеся в результате укуса бешеных животных, не склонны передавать болезнь и поэтому классифицируются как тупиковые хозяева. [9]
Обширный список зоонозных инфекций можно найти на сайте Zoonosis .
Следующие патогены являются примерами болезней, которые преодолели видовой барьер и проникли в человеческую популяцию, и подчеркивают сложность перехода.
Грипп , также известный как грипп, является одним из самых известных вирусов, который продолжает создавать огромное бремя для сегодняшних систем здравоохранения и является наиболее распространенной причиной респираторных инфекций у человека . [10] Грипп является примером того, как вирус может непрерывно преодолевать видовой барьер в нескольких изолированных случаях с течением времени, создавая различные штаммы, заражающие человека, циркулирующие в наших популяциях, например, H1N1 , H5N1 и H7N9 . Эти события смены хозяина создают пандемические штаммы , которые в конечном итоге переходят в сезонный грипп , который ежегодно циркулирует среди населения в холодные месяцы.
Вирусы гриппа А (IAV) классифицируются по двум определяющим белкам. Эти белки присутствуют во всех штаммах вируса гриппа, но небольшие различия позволяют дифференцировать новые штаммы. Эти идентификаторы:
IAV естественным образом существуют у диких птиц, не вызывая заболеваний или симптомов. Эти птицы, особенно водоплавающие и прибрежные птицы, являются резервуарным хозяином большинства IAV с белковыми антигенами HA и NA . [11] От этих животных вирус передается другим видам (например, свиньям, людям, собакам [10] ), вызывая инфекции меньшего масштаба, пока вирус не приобретет значительные мутации для распространения и поддержания себя в других видах. Фермент РНК -полимераза гриппа имеет низкий уровень точности из-за отсутствия механизма корректуры и, следовательно, имеет высокий уровень ошибок с точки зрения генетической репликации . [10] Из-за этого грипп обладает способностью часто мутировать в зависимости от текущего давления отбора и имеет способность адаптироваться к выживанию в различных видах хозяев.
Сравнивая IAV у птиц и людей, можно сказать, что одним из основных препятствий на пути смены хозяина является тип клеток, с которыми вирус может распознавать и связываться (клеточный тропизм ), чтобы инициировать инфекцию и репликацию вируса. Вирус птичьего гриппа адаптирован к связыванию с желудочно-кишечным трактом птиц. [11] В популяциях птиц вирус выделяется из выделительной системы в воду и попадает в организм других птиц, колонизируя их кишечник. У людей это не так, поскольку грипп у этого вида вызывает респираторную инфекцию. Здесь вирус связывается с дыхательными тканями и передается через дыхание, разговор и кашель, поэтому вирусу приходится адаптироваться, чтобы переключиться на человека-хозяина из птичьих популяций. Кроме того, дыхательные пути умеренно кислые, поэтому вирусу также необходимо мутировать, чтобы преодолеть эти условия и успешно колонизировать легкие и дыхательные пути млекопитающих. Кислые условия являются пусковым механизмом для снятия покрытия с вируса, поскольку обычно это признак проникновения вируса в клетку, однако преждевременное снятие покрытия приведет к воздействию вируса на иммунную систему , что приведет к его гибели. [12]
IAV связывается с клетками-хозяевами с помощью белка HA. Эти белки распознают сиаловую кислоту , которая находится на концевых участках внешних гликопротеинов на мембранах клеток-хозяев. Однако белки HA обладают различной специфичностью к изомерам сиаловой кислоты в зависимости от того, для каких видов адаптирован IAV. IAV, адаптированные для птиц, распознают изомеры сиаловой кислоты α2-3, тогда как адаптированные для человека HA IAV связываются с изомерами α2-6. [10] Это изомеры сиаловой кислоты, которые в основном присутствуют в тех областях хозяина, которые инфицируются каждым IAV соответственно, то есть в желудочно-кишечном тракте птиц и дыхательных путях человека. Следовательно, чтобы совершить смену хозяина, специфичность HA должна мутировать в соответствии с рецепторами субстрата нового хозяина.
На заключительных стадиях инфекции белки НА расщепляются для активации вируса. [10] Определенные подтипы гемагглютининов (H5 и H7) способны вызывать дополнительные мутации. Они существуют в сайте расщепления активации HA, что изменяет специфичность HA. Это приводит к расширению спектра ферментов протеаз, которые могут связываться с вирусом и активировать его. Следовательно, это делает вирус более патогенным и может сделать инфекцию IAV более агрессивной. [10]
Успешное связывание с различными тканями хозяина - не единственное требование смены хозяина для гриппа А. Геном гриппа реплицируется с использованием вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы , но для своего функционирования он должен адаптироваться к использованию специфических кофакторов хозяина. [13] Полиэрмаза представляет собой гетеротримерный комплекс и состоит из 3 основных доменов: PB1, PB2 и PA. Каждый из них играет свою собственную роль в репликации вирусного генома, но PB2 является важным фактором в барьере хозяина, поскольку он взаимодействует с кэп-белками хозяина . [10] В частности, показано, что остаток 627 единицы PB2 играет определяющую роль в переключении хозяина с птичьего на адаптированные к человеку штаммы гриппа. У IAV остаток в положении 627 представляет собой глутаминовую кислоту (E), тогда как у млекопитающих, заражающих грипп, этот остаток мутирован на лизин (K). [13] [14] Таким образом, вирус должен подвергнуться мутации E627K, чтобы осуществить смену хозяина у млекопитающих. Эта область, окружающая остаток 627, образует кластер, выступающий из ядра фермента. С лизином эта область поверхности PB2 может образовывать основной участок, обеспечивающий взаимодействие кофактора хозяина, тогда как остаток глутаминовой кислоты, обнаруженный в IAV, нарушает эту основную область и последующие взаимодействия. [13]
Было показано, что клеточный белок ANP32A отвечает за разные уровни эффективности взаимодействия птичьего гриппа с разными видами хозяев. [13] [15] Ключевое различие между ANP32A заключается в том, что птичья форма содержит дополнительные 33 аминокислоты , чем форма млекопитающих. [15] Когда клетки млекопитающих заражаются птичьими IAV, эффективность фермента полимеразы неоптимальна, поскольку птичий вирус не адаптирован к выживанию в клетках млекопитающих. Однако когда эта клетка млекопитающего содержит птичий белок ANP32A, репликация вируса в основном восстанавливается, [15] показывая, что ANP32A, вероятно, будет положительно взаимодействовать и оптимизировать действие полимеразы. Мутации в PB2, делающие вирус гриппа адаптированным к млекопитающим, позволяют взаимодействовать между вирусной полимеразой и белком ANP32A млекопитающих и, следовательно, необходимы для смены хозяина.
Существует множество факторов, определяющих успешную смену хозяина гриппа с птиц на млекопитающих:
Каждый фактор играет свою роль, поэтому вирус должен овладеть ими всеми, чтобы осуществить смену хозяина. Это сложный процесс, требующий времени, чтобы вирус в достаточной степени адаптировался и мутировал. Как только каждая мутация будет достигнута, вирус может заразить человеческую популяцию и потенциально может достичь пандемического уровня. Однако это зависит от вирулентности и скорости передачи, а смена хозяина изменит эти параметры вирусной инфекции.
ВИЧ — это вирус иммунодефицита человека , который поражает клетки иммунной системы, истощая защиту организма от поступающих патогенов. В частности, ВИЧ поражает CD4 + Т-хелперные лимфоциты — клетку, участвующую в организации и координации иммунного ответа. Это означает, что организм может распознавать поступающие патогены, но не может активировать защиту против них. [16] Когда ВИЧ в значительной степени ослабляет иммунную систему, это вызывает состояние, известное как синдром приобретенного иммунодефицита или СПИД, характеризующееся резкой потерей веса, лихорадкой, увеличением лимфатических узлов и восприимчивостью к другим тяжелым инфекциям [17].
ВИЧ — это тип лентивируса , два типа которого, как известно, вызывают СПИД: ВИЧ-1 и ВИЧ-2 , [16] [18] оба из которых проникли в человеческую популяцию в результате многочисленных случаев межвидовой передачи через эквивалентное заболевание в приматов, известный как вирус иммунодефицита обезьян (SIV) . Вирусные инфекции встречаются у многих различных видов приматов, включая шимпанзе и мандрилов, обитающих в Африке к югу от Сахары, и по большей части в основном непатогенны [18]. ВИЧ-1 и ВИЧ-2 имеют сходные характеристики, но различаются антигенно и поэтому классифицируются как как разные типы ВИЧ. [18] В большинстве случаев передача не приводит к смене хозяина, однако в контексте ВИЧ-1 возникли четыре отдельные формы, отнесенные к группам M, N, O и P, из которых группа M связана с пандемией ВИЧ-1 и составляет большинство глобальных случаев. Предполагается, что каждый тип возник в результате охоты на мясо диких животных и воздействия телесных жидкостей инфицированных приматов [18] , включая кровь.
Давление отбора, специфичное для хозяина, приведет к изменению вирусного протеома ВИЧ в соответствии с новым хозяином, и поэтому эти регионы не будут консервативными по сравнению с SIV. Посредством этих вирусных протеомных сравнений было идентифицировано, что белок вирусного матрикса Gag-30 имеет разные аминокислоты в положении 30. Эта аминокислота консервативна в виде метионина у SIV, но мутирована в аргинин или лизин в группах M, N и ВИЧ-1. О, [18] [19] предполагает сильное давление отбора на нового хозяина. Это наблюдение было подтверждено другими данными, включая тот факт, что эта мутация была обращена вспять, когда ВИЧ-1 использовался для заражения приматов, а это означает, что аргинин или лизин превращались обратно в метионин, первоначально наблюдавшийся у SIV. [19] Это подтверждает идею сильного, противостоящего давления отбора, специфичного для хозяина, между людьми и приматами. Кроме того, было обнаружено, что вирусы, содержащие метионин, более эффективно реплицируются у приматов, а вирусы, содержащие аргинин/лизин, у людей. [19] Это свидетельствует о причине мутации (оптимальные уровни репликации в CD4 + Т-лимфоцитах хозяина), однако точная функция и действие аминокислоты в положении 30 неизвестны.
Тетерин — это защитный белок врожденного иммунного ответа , продукция которого активируется интерфероном . Тетерин специфически подавляет инфекционные способности ВИЧ-1, блокируя его высвобождение из клеток, которые он заражает. [20] Это предотвращает выход вируса для заражения большего количества клеток и останавливает прогрессирование инфекции, давая иммунной системе хозяина время уничтожить инфицированные вирусом клетки. Адаптированные вирусы, как правило, имеют контрмеры для защиты от тетерина, обычно путем деградации через определенные области белка. Эти методы анти-тетерина различаются у SIV и ВИЧ-1, показывая, что взаимодействие тетерина представляет собой ограничение диапазона хозяев, которое необходимо преодолеть, чтобы обеспечить возможность переключения хозяина-примата на человека. ВИО используют белок Nef для удаления тетерина из клеточной мембраны, тогда как ВИЧ-1 использует белок Vpu, разрушающий защитный белок. [18]
Тетерин является консервативным механизмом защиты от вирусов у разных видов, но его точная последовательность и структура имеют некоторые различия. Области, составляющие тетерин, включают цитоплазматическую область, трансмембранную область, спирально-спиральный внеклеточный домен и якорь GPI ; [18] однако человеческий тетерин отличается от других приматов наличием делеции в цитоплазматической области. [21] Этот неполный цитоплазматический домен делает белки Nef, обнаруженные в SIV, неэффективными в качестве антитетериновой реакции у людей, и поэтому, чтобы переключиться с приматов, не являющихся человеком, на человека-хозяина, SIV должен активировать белок Vpu, который вместо этого блокирует тетерин через взаимодействие с консервативной трансмембранной областью. [21]
Двумя факторами, которые участвуют в барьере диапазона хозяев для ВИО и вирусов ВИЧ, являются:
Только вирус SIV, содержащий как мутации белка Gag-30, так и приобретение белка антитетерина Vpu, сможет подвергнуться смене хозяина с приматов на человека и стать ВИЧ. Эта эволюционная адаптация позволяет вирусу приобрести оптимальные уровни полимеразного действия в инфицированных клетках человека и способность предотвращать разрушение вируса тетерином.