Классификация штаммов вируса гриппа основана прежде всего на том, какие именно варианты гемагглютинина и нейраминидазы входят в его состав. Широко известные комбинации букв H и N в сочетании с порядковыми номерами (например, H3N2) как раз и обозначают подтип вируса: гемагглютинин 3, нейраминидаза 2. Таких подтипов десятки, однако человека заражают лишь немногие — обычно те, у которых не слишком большие номера N и H. Наиболее давние хозяева вируса гриппа — птицы, от которых новые штаммы время от времени передаются домашнему скоту и, прямо или опосредованно, людям [10]. Чем более долгий период коэволюции провели вместе патоген и хозяин, тем менее болезненным становится их совместное существование. Птичьи штаммы вируса зачастую оказываются очень опасными после передачи новым хозяевам [11].
Известно, что именно реассортации сегментов РНК привели к возникновению штаммов, которые вызвали пандемии азиатского и гонконгского гриппа в 1957 и 1968 гг., унесшие около 2,5 млн жизней [12]. Возможно, что и испанский грипп начала прошлого века, число жертв которого шло на десятки миллионов, тоже появился в результате такой эволюционной схемы [13].
Сам процесс и последствия реассортаций изучены в настоящее время недостаточно полно. В частности, не совсем ясно, как такое резкое изменение генетического материала сказывается на дальнейшей эволюции вируса. Дело в том, что белкам, кодируемым разными сегментами вирусного генома, надо взаимодействовать между собой. Например, это важно при сборке вирусной частицы. В ходе этого процесса на поверхности зараженной клетки концентрируются вирусные белки, интегрированные в липидную оболочку. К ним относятся гемагглютинин, нейраминидаза и М2. Поверхностные белки вируса должны взаимодействовать с матриксом, который в это время формируется под клеточной мембраной. С другой стороны, М1 должен связаться с сегментами генома, чтобы они оказались упакованы в новую частицу. Да и сами сегменты должны собраться вместе таким образом, чтобы составить полный функциональный геном. Все эти ключевые для жизненного цикла вируса молекулярные взаимодействия могут быть затруднены, если белки синтезированы фрагментами геномов разных штаммов, которые еще не «притерлись» друг к другу в ходе совместной эволюции. Возможно, именно из-за этого успешные реассортации происходят сравнительно редко. Однако, коль скоро реассортация случилась, разным кускам генома, оказавшимся в одном новом штамме, надо приспособиться друг к другу.
Можно предположить, что после успешных реассортаций в геноме новой линии вируса должны закрепляться дополнительные точечные мутации, обеспечивающие такую «притирку». Эту гипотезу можно проверить биоинформатическими методами — с помощью компьютерного анализа тысяч прочитанных («отсеквенированных») геномов различных штаммов вируса, содержащихся в открытых базах данных в Интернете.
Для этого, прежде всего, необходимо узнать, что в ходе эволюции данной линии вируса гриппа произошла реассортация. Здесь на помощь приходят методы восстановления эволюционных деревьев. С помощью компьютерных программ можно сравнить ряд последовательностей одного и того же гена, взятых из большого числа особей (например, отдельных штаммов вируса), и понять, эволюционное дерево какой формы наиболее вероятно описывает историю этих штаммов. На таком дереве более похожие последовательности будут «сидеть» на близких ветках. Обычно все гены в геноме имеют одну и ту же эволюционную историю и, соответственно, описываются одним и тем же эволюционным деревом. Но из-за реассортации может оказаться, что история разных генов, попавших в один геном, различается, поскольку вирусные частицы-«родители» имеют разное происхождение. Тогда, например, может оказаться, что сегмент HA сидит на одной ветке, а сегмент NA, взятый из того же генома — совсем на другой ветке дерева. Существуют компьютерные программы, которые ищут реассортации как раз по таким несоответствиям между эволюционными деревьями разных генов. Одна из таких программ называется Graphincompatibility-based Reassortment Finder (GiRaF) [14]. Принцип ее работы заключается в построении для некой выборки секвенированных вирусов отдельных филогенетических деревьев по каждому из восьми сегментов генома. Последующее сравнение этих деревьев позволяет обнаружить ветви, в которых построенные деревья не совпадают друг с другом. Такие ветви указывают на то, что в данный период эволюции вируса произошла реассортация, поскольку иначе деревья бы совпали.
Подобное исследование можно провести с использованием геномов вируса гриппа, опубликованных в свободном доступе. Избрав в качестве объекта штаммы H3N2, можно составить выборку из 1376 сегментированных геномов, а затем сравнить между собой филогенетические деревья для этих вирусов, построенные в отдельности по каждому из геномных сегментов [15].
В результате такого сравнения оказалось, что число реассортаций примерно сопоставимо для разных сегментов: в ходе эволюции гриппа в популяции человека каждая пара сегментов в недавнем прошлом реассортировала около 50 раз
Эволюционные деревья (а), построенные по разным генам (дерево слева — по гену гемагглютинина, справа — по гену нейраминидазы) одного и того же набора штаммов вируса гриппа [15]. Сравнение деревьев позволяет обнаруживать реассортации — моменты эволюционной истории, когда геномы разных штаммов «перемешивались». Без реассортаций два дерева были бы одинаковыми; из-за реассортаций кажется, что некоторые ветки на одном дереве «отрезали и перепривили», чтобы получилось другое дерево. Соответствующие друг другу «листья» на «перепривитых» ветках соединены линиями разных цветов. На увеличенном фрагменте дерева (б) красным кружком обозначен момент реассортации, зелеными прямоугольниками — следовавшие за ним изменения аминокислотной последовательности. На масштабных линейках указана доля изменившихся нуклеотидов