Что мы знаем о вирусах? Процветающие и развивающиеся на протяжении миллиардов лет эти крошечные организмы способны заражать животных, растения и даже бактерий. Вирусы славятся своей агрессивной и инфекционной природой. Большинство из них вызывают разнообразные заболевания, от легкой простуды, до тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС) — более известного как атипичная пневмония.
Как работают вирусы
Чтобы выжить, вирусу необходим хозяин — живой организм, способный дать вирусу все необходимое для продолжения существования. Когда вирус попадает в клетки хозяина, он захватывает ее клеточные механизмы, высвобождая новые вирусные частицы. Эти частицы впоследствии заражают все большее количество клеток и в результате вызывают болезнь.
Но не все вирусы плохие. Некоторые способны фактически убивать бактерии, в то время как другие борются с более опасными вирусами. А в организме человека, как известно, живут защитные бактерии — пробиотики.
Кто нас защищает
Бактериофаги (или «фаги») — это вирусы, которые заражают и уничтожают определенные бактерии. Они обнаружены в слизистой оболочке пищеварительного, дыхательного и репродуктивного трактов.
Слизь — это густой, похожий на желе материал. Основная задача слизи — сделать так, чтобы вредоносные бактерии не попадали внутрь и защитить клетки организма от заражения. Согласно данным недавних исследований, присутствующие в слизи фаги являются частью естественной иммунной системы человека. Они защищают организм от вторжения бактерий.
Сегодня ученые научились генно-модифицировать фаги. Отдельные штаммы фагов тестируются против вредоносных бактерий. Благодаря генно-модифицированным фагам в будущем появятся препараты для лечения разнообразных бактериальных заболеваний. Их можно будет безопасно вводить перорально или наносить непосредственно на раны.
Отметим, что клинические испытания внутривенного введения фагов продолжаются. Кстати, недавно эту тему жарко обсуждали в нашем Telegram-чате.
Хорошие инфекции
Некоторые вирусы, с которыми мы сталкиваемся, защищают нас от заражения опасными патогенами. Например, латентные (скрытые) вирусы герпеса могут помочь естественным клеткам-киллерам человека (особый тип белых кровяных клеток) идентифицировать раковые клетки и клетки, инфицированные другими патогенами.
Есть еще один интересный пример — известно, что норовирусы (например, кишечный грипп) защищают кишечник мышей, когда тем дают антибиотики. Защитные кишечные бактерии, убитые антибиотиками, сделали мышей восприимчивыми к кишечным инфекциям. Но в отсутствие хороших бактерий эти норовирусы смогли защитить своих хозяев.
Благодаря развитию технологий, мы смогли лучше понять как устроен сложный мир микробов. Ученые выяснили, что помимо полезных бактерий в кишечнике, коже и даже крови присутствуют полезные вирусы. Помимо прочего, существует вероятность, что в будущем подобные модифицированные версии вирусов окажутся эффективными в борьбе с раковыми клетками.
Несмотря на то, что микробы являются частью человеческого организма, наше понимание этих удивительных компонентов невероятно мало. В отличие от потенциала для понимания вирусных инфекций и способов борьбы с ними — он огромен: исследования вирусов способны пролить свет на эволюцию человеческого генома, генетические заболевания и развитие генной терапии.
О чем вы думаете, когда слышите слово «вирус»? «Надо защититься. Срочно бежать в аптеку за масками и витаминами». А всегда ли вирус так страшен и опасен, как мы о нем думаем? Может ли он быть полезен для человека?
Вирусы – неклеточные формы жизни. Почему неклеточные? Да потому что воспроизводиться и функционировать они могут исключительно внутри клеток. Без этой среды они принимают кристаллическую форму и перестают быть активными. Они могут поражать все живые организмы, включая растения и бактерии. Самостоятельно увидеть их невозможно, только через микроскоп. Вирусы, в сущности, нуклепротеиды, которые состоят из ДНК или РНК. Более сложные формы могут обладать оболочкой из липопротеина. Кроме обычных существуют вирусы-сателлиты – агенты, которым для существования нужно подспорье другого вируса. Такая своеобразная вирусная иерархия.
Давайте разберемся, как действует вирус. Проникая в организм, он поселяется в клетке. Поскольку вирус включает в себя нуклеиновые кислоты, он способен размножаться. Он вносит в клетку свою генетическую информацию. Это запускает процесс воспроизведения подобных агентов.
Простыми словами внутри клетки вырастает целая армия одинаковых вирусов, которые начинают разрушать ее изнутри. Белки вируса подавляют активность и жизненные функции клетки, она погибает. Все, что было в ней, расходится по организму. Инфекционные агенты заражают соседние клетки, в них все повторяется вновь. Иногда защитным механизмам организма удается удержать вирус внутри одной клетки. Там он как бы консервируется, дожидаясь своего часа.
Такие «консервные банки» – причина хронических заболеваний. Благодаря своему быстрому распространению вирусы становятся устойчивы к лекарствам, они развиваются, появляются новые штаммы заболеваний.
Как вирус попадает в организм?
Чаще всего вирусы передаются воздушно-капельным путем. Это вовсе не означает, что вирусы просто так существуют в воздухе, ведь мы с вами уже знаем, что им нужна определенная среда обитания. Однако если зараженный человек чихнет на вас или кашленет, то риск подхватить инфекционные агенты резко возрастает.
Существует путь с малоприятным названием «фекально-оральный». В этом случае вирус передается через зараженную еду или воду. Обычно так передается ротавирусная инфекция. Агенты обитают в желудочно-кишечном тракте и с радостью его покидают. Лучше не пить из одной кружки с больным человеком, сначала продезинфицируйте ее.
Еще один способ распространения вируса – через кровь. Мало какими заболеваниями можно заразиться через маленькую ранку, но вот через переливание крови – очень даже. Хорошо, что современные технологии и достижения медицины позволяют достаточно тщательно проверять донорскую кровь.
Последний, но один из самых частых, половой путь. Ежедневно более одного миллиона человек заражаются ЗППП (заболевания, передающиеся половым путем). Большинство из них протекают совершенно бессимптомно. Сюда относится хламидиоз, гонорея, сифилис, трихомониаз, герпес, вирус папиломы человека, ВИЧ, гепатит В и С и еще перечень заболеваний. В защите от ЗППП презервативы – лучшие друзья человека.
И что, все вирусы опасны?
Нет! Некоторые вирусы могут не просто соседствовать с человеком, но быть защитниками.
Бактериофаги поражают бактериальные клетки очень избирательно. Они живут на слизистых в пишеварительном, дыхательном и репродуктивном тракте. Фаги помогают имунной системе. Нередко их применяют для лечения золотистого стафилококка и сальмонеллеза. Иногда фаги способны подавить инфекцию, устойчивую даже к антибиотикам.
Полиднавирусы вирусы способны встраиваться в ДНК, поселяясь там навсегда. Они передаются потомкам, но уже не распространяются. В этот момент они перестают быть вредителями. Они несут в себе деффективные вирусные белки. Если в организм попадает схожий вирус, то эти самые белки мешают ему размножаться.
Вирусы Коксаки недавно ученые выяснили, что и этот вирус может принести пользу человеку. Эти вирусы передаются как через воду и еду, так и воздушно-капельным путем. Чаще всего болеют дети, взрослые более устойчивы к этим вирусам. Специалистам удалось вылечить рак мочевого пузыря. Эксперементальная группа состояла из 15 человек. Всех их намеренно заразили вирусом. У одного из пациентов агенты полностью уничтожили опухоль.
Все чаще вирусы применяют в медицине. Многие вакцины построены на агентах, которые утратили болезнетворные свойства, но все еще могут размножаться. Они создают «подушку безопасности», строя барьер между своим носителем и такими же, но вредоносными, вирусами.
Об этом доцент кафедры микробиологии и вирусологии СибГМУ Матвей Коровин рассказал РИА «Новости». Вирусы – кусочки свободного генетического кода – способны, оказывается, не только портить нам жизнь и угрожать цивилизации. Почти 100% всех существующих вирусов незаметно трудятся вместе с нами и внутри нас на протяжении всей эволюции. Подсчитать точное количество вирусов в организме среднестатистического здорового человека ученые пока не могут, но примерные оценки говорят о 400 триллионах вирусных частиц на один организм. Это примерно в десять раз больше, чем число бактерий, населяющих нас.
Все бактерии, живущие в человеке, наука достаточно четко идентифицирует, но с вирусами все сложно – регулярно находятся новые и новые формы. Причем изучением непатогенных вирусов до недавних пор ученые почти не занимались.
«Хотя количество вирусов огромно, действительно опасна для человека лишь небольшая их часть, — отметил Коровин. — Статистически она вообще стремится к нулю. Поскольку неопасные вирусы мы просто не замечаем, нам кажется, что мир вирусов — это какой-то мир смерти и разложения».
Вирусы – главные хищники в мире микробов, так что без них человечеству пришлось бы непросто. Бактериофаги, то есть вирусы бактерий, это главный регулятор численности микроорганизмов во всех экосистемах планеты, в том числе и в нашем организме. Если бы вирусы вдруг исчезли, некоторые популяции бактерий и других микробов разрослись бы взрывным образом, полностью подавив другие. Для океана это стало бы критической проблемой, поскольку более 90% живой массы в нем составляют бактерии. И именно они производят около половины всего кислорода на планете – понятно, почему постоянство их численности важно. Вирусы-бактериофаги способны помочь также при возникновении у микробов устойчивости к антибиотикам, а инфицирование человека определенными безвредными вирусами помогает отпугнуть некоторые опасные патогены.
Хотя количество вирусов огромно, действительно опасна для человека лишь небольшая их часть
Так, распространенный человеческий непатогенный вирус GB типа C связывают с замедлением развития СПИДа у ВИЧ-инфицированных. Также ученые обнаружили, что люди с вирусом GB типа C имеют больше шансов выжить, если заражены вирусом Эбола. Сходный механизм обнаружен и у животных: зараженные герпесом мыши менее подвержены ряду бактериальных инфекций, в том числе бубонной чуме и листериозу. Некоторые из «наших» вирусов встроены в клетки напрямую, другие же сохраняют автономность, постоянно стимулируя иммунную систему. Как отмечают ученые, эта естественная генетическая модификация происходит постоянно на протяжении всей эволюции. Некоторые вирусы успели приспособиться к работе в совершенно несхожих организмах. Такие «родственники» среди вирусов, заражающие разные виды, называются дивергентными. Использование именно этого феномена лежит в основе вакцинации: не приспособленные к человеку вирусы опасных болезней слабо действуют на иммунную систему, позволяя ей «познакомиться» с патогеном, выработав антитела.
Задумывались ли вы о том, что вирусы могут быть полезными? Принято считать, что они приносят нам одни неприятности. Но в действительности большинство вирусов не представляют опасности, а многие из них даже полезны. Вирусы можно встретить где угодно: в воздухе, у растений и животных, на поверхности нашей кожи и даже внутри нас. Вирусы — часть нашего генома! Они помогли нам стать теми, кто мы есть.
Вначале была курица
Вирусы являются частью генетического кода огромного количества живых существ. А выяснить это человеку помогли куры.
В 1960-х по куриным фермам быстро распространялся птичий вирус лейкоза (ПВЛ), который вызывал рак и угрожал всему птицеводству. Выдающийся британский вирусолог Робин Уайсс, в то время работавший в Университете Вашингтона (США), решил проверить, а не мог ли вирус быть частью ДНК курицы, но при этом не приносить никакого вреда в обычных условиях.
Уайсс с коллегами воздействовали на клетки здоровых кур с помощью радиоактивного излучения и химикатов, чтобы вызвать мутацию и выяснить, можно ли таким образом вытащить вирус из его укрытия. Как и рассчитывали ученые, мутировавшие клетки стали воспроизводить ВПЛ. Иными словами, вирус не просто был заключен в некоторых клетках совершенно здоровых кур — генетическая инструкция по его воспроизводству была встроена в каждую клетку их организмов и передавалась от поколения к поколению.
Этот вирус получил название эндогенный ретровирус (эндогенный — значит воспроизводимый внутри организма). Позже исследователям удалось обнаружить такие вирусы в геномах многих других животных. Как выяснилось, вирусы населяют геном практически всех групп позвоночных — от рыб и рептилий до млекопитающих.
Вирус — двигатель эволюции
Исследования показывают, что вирусы стимулируют эволюционные изменения в организме, формируют глобальные экосистемы и влияют на каждую область жизни. В дикой природе вирусы — основной агент межвидового обмена генами, одного из важных двигателей эволюции.
В ходе изучения вирусов ученые выдвинули вирусологическую теорию эволюции, в соответствии с которой главным фактором наследственной изменчивости является вирусная инфекция, изменяющая наследственность зараженного организма. Вирус способен переносить значительное число генетического материала и вызывать резкое, скачкообразное изменение сразу многих признаков того или иного вида. На сегодняшний день достоверно подтверждено наличие у вирусов мигрирующих генов, которые могут самовоспроизводиться в геноме и являются вездесущими компонентами ДНК.
Коронавирусы сделали из обезьяны человека?
Птичий грипп, ближневосточная лихорадка, лихорадка Зика — все эти эпидемии вызываются коронавирусами, которые садятся на протеиновые молекулы клеточной оболочки. Ученые Стэнфордского университета выяснили, что треть изменений (замен аминокислот) этой оболочки, случившихся за время разделения эволюционных путей человека и шимпанзе, связана с защитой от коронавирусов.
Проще говоря, наши общие с шимпанзе предки стали, в числе прочего, вырабатывать разные механизмы борьбы с коронавирусами. В итоге одна эволюционная линия привела к появлению шимпанзе, а другая — к возникновению человека.
Использование вирусов в сельском хозяйстве
Вы удивитесь, но многие сорта цветов, обладающих пестрой окраской, были получены с помощью вирусов. Оказывается, эта особенность — результат вирусной инфекции, передающейся из поколения в поколение. Развитие пестрых лепестков у тюльпанов вызвано вирусом, который переносит тля.
Также в ходе исследований было установлено, что джут дает более обильный урожай, будучи пораженным вирусным заболеванием — некротической мозаикой риса.
Вирусы, паразитирующие на насекомых, в сельском хозяйстве успешно используют в борьбе против вредителей. Для этого готовят водную суспензию вируса с примесью клейкого вещества и разбрызгивают ее на поврежденные насаждения. Вирусные частицы прилипают к растениям. Вредители, поедая зараженные вирусом растения, быстро погибают.
Бактериофаг — друг человека
В первые десятилетия XX века бактериальные инфекции лечили с помощью вирусов бактерий (бактериофагов, или просто фагов). К сегодняшнему дню фаги по большей части вытеснены антибиотиками, но в свое время они помогли спасти множество жизней.
Первооткрывателем бактериофагов был французский и канадский микробиолог Феликс Д’Эрелль (1873-1949). После Первой мировой войны он изучал бактерии, вызывающие дизентерию, и обнаружил инфекционный агент, вызвавший их растворение, то есть лизис. Д’Эрэллю удалось настроить размножение агента: бактерии, зараженные им, погибали, а количество самого агента росло. Ученый предложил для него название «бактериофаг» — пожиратель бактерий.
Предложение использовать бактериофаги для лечения бактериальных инфекций также было выдвинуто Д’Эрэллем. Первые пациенты успешно прошли лечение фагами в 1919 году. В то время антибиотики еще не были открыты (во всяком случае, не были изучены и не имели широкого применения в официальной медицине), так что любое лекарство от бактерий имело огромное значение. С этого времени начался настоящий бум фаговой терапии.
Вирусы-диагносты
Сегодня бактериофаги широко используются в ветеринарии и для защиты растений, но основной сферой их применения является диагностика заболеваний. Подобный метод обязан своим существованием одному крайне важному свойству фагов — каждый их вид избирательно разрушает только «свои» бактерии.
Взятые из организма пациента бактерии выращивают в питательной среде, а после этого колонии заражают различными бактериофагами (тифозными, дизентерийными, холерными и т. п.). Спустя сутки контейнеры с колониями просматривают на свету и выясняют, какой фаг вызвал уничтожение бактерий. Если это сделали дизентерийные фаги, значит, из организма больного выделили бактерии дизентерии, если брюшнотифозный — бактерии брюшного тифа и т. д. Метод диагностики заболеваний с помощью бактериофагов отличается высокой точностью.
Вирус против вирусов
К полезным вирусам также можно отнести любую живую вакцину против вирусного заболевания, например, от кори или полиомиелита. Основу такой вакцины составляет вирус, утративший болезнетворность, но сохранивший антигенные свойства и способный к размножению.
Некоторые из вирусов, воздействию которых мы подвергаемся, защищают нас от заражения опасными патогенами. К примеру, латентные (скрытые) вирусы герпеса могут помочь естественным клеткам-киллерам человека (особому типу лимфоцитов, участвующему в функционировании врожденного иммунитета) распознавать раковые клетки и клетки, инфицированные другими патогенами.
В наши дни ученые научились преобразовывать бактериофаги. Отдельные штаммы фагов тестируются против вредоносных бактерий. Благодаря генно-модифицированным фагам в будущем должны появиться препараты для лечения разнообразных бактериальных заболеваний. Их можно будет наносить непосредственно на раны или принимать внутрь. В биоинженерии конструкции на основе вирусов приспособили для того, чтобы доставлять в клетки нужные гены.
Кроме этого, вирусные инфекции в юном возрасте жизненно необходимы для правильного развития и функционирования иммунной системы человека. Иммунная система постоянно стимулируется небольшими количествами вирусов извне, что повышает устойчивость организма к другим инфекциям.
Вирусы и человек. Противостояние длиной в тысячелетия
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Каждый год, с завидной регулярностью, человечество сталкивается с большой и малоизученной опасностью. Непонятно откуда и по каким причинам вдруг появляются новые, неизвестные ранее виды вирусов, которые угрожают всем нам эпидемиями и гибелью большого количества людей. Так, появившийся весной 2015 года в Южной Корее ближневосточный респираторный коронавирусный синдром (коронавирус MERS) застал врасплох южнокорейские власти и заставил их принимать срочные эпидемиологические меры. Смертность от MERS составила более 35%, и, как сказано в бюллетене ВОЗ, «в настоящее время не существует ни конкретного лечения, ни вакцины от этой болезни». Поэтому интерес исследователей к вирусам вполне объясним и имеет жизненно важное значение.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «Лучшая статья по иммунологии» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Эволюция и происхождение вирусов
Как теперь известно ученым, вирусы окружают нас повсюду в живой природе. И каждая клетка каждого живого организма несет в себе следы прошлых встреч с ними. Генетическое разнообразие вирусов, их умение меняться и приспосабливаться, а также их огромное количество в природе — поражают. Предполагается, что общее число вирусных частиц на порядок выше количества всех клеток всех организмов на Земле [1]. Миллионы лет назад ретроэлементы и ретровирусы участвовали в эволюции, выступая в качестве генетического резервуара для создания новых генов и усложнения видов. Этот вопрос подробно исследовали и нашли массу подтверждающих фактов российские генетики из Института биоорганической химии РАН (академик Е.Д. Свердлов, А.А. Буздин и их коллеги) [2, 3]. И сейчас вирусы могут выступать одним из «орудий» эволюции, регулируя численность и жизнеспособность популяций*.
* — О том, как вирусы могли участвовать в эволюции живых организмов, рассказывают статьи «Вирусные геномы в системе эволюции» и «Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?» [4, 5].
Когда именно на Земле появились первые вирусы, наука точно сказать не может. Сегодня существует несколько гипотез происхождения вирусов. Один из самых авторитетных ученых-вирусологов, академик РАМН В.М. Жданов, особо выделяет три из них. Согласно первой, вирусы могут быть потомками бактерий или других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную эволюцию. То есть бактерии или одноклеточные по каким-то причинам вместо обычного развития в сторону усложнения, потеряли часть структур и «упростились» до вирусов. Согласно второй гипотезе, вирусы появились еще до образования первых живых клеток и являются потомками древних доклеточных форм жизни. Возможно, поначалу они обладали автономностью, но затем перешли к паразитическому способу жизни, используя для своего размножения другие формы. Согласно третьей гипотезе, вирусы произошли от клеточных генетических структур — ретротранспозонов, — способных передвигаться в геномах [6].
В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.
Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.
Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?
Новосибирские микробиологи Игорь Бабкин и Ирина Бабкина из Института химической биологии и фундаментальной медицины РАН (ИХБФМ СО РАН), исходя из результатов геномного анализа называют более близкую к нам дату возникновения вируса натуральной оспы — 3000–4000 лет назад [8]. Место возникновения — восточная Африка. Но, так или иначе, вырвавшись с африканского континента около двух тысяч лет назад, вирус оспы начал свое «черное» шествие по миру, уложив в могилу огромное количество людей на всех континентах, и просуществовал до 1980 года, когда человечество объединенными усилиями его победило. Сегодня вирус натуральной оспы под строгим контролем сохраняется в двух лабораториях: в Центре по контролю заболеваний (CDC, Атланта, США) и в Научном центре вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Кольцово, Россия) *.
* — Это официальные хранилища, а по поводу неофициальных спекулируют и обыватели, и авторитетные вирусологи, работающие под шефством ФБР. Так нужно ли уничтожать «легальные» образцы вирусов оспы? Почему ответ на этот вопрос неоднозначен, пытается разобраться американский журналист Ричард Престон в своей документальной книге «Демон в морозильной камере» [10]. Делает он это частично через призму событий, сопутствующих знаменитой рассылке писем со спорами сибиреязвенных бактерий в 2001 году («биомолекула» в одной из врезок затрагивала эту тему). Как реагировали всевозможные государственные структуры, как шаг за шагом продвигалось расследование ФБР, что творилось в недрах главного защитника населения США от биотеррористов — USAMRIID (Форт Детрик). Автор описывает вирусы оспы и случаи, связанные с их «оживлением» и экспериментальным заражением животных, шпионские скандалы, последние вспышки натуральной оспы и историю глобальной победы над ней в конце 70-х. Однако Престон (как и некоторые компетентные герои его расследования) не страдает избытком оптимизма, небезосновательно считая, что мечта о тотальном избавлении от оспы не сбылась: хотя нам удалось истребить инфекцию в природе, «мы не смогли вырвать вирус из человеческого сердца». Основанием для этой мысли, помимо прочего, послужили сведения, подкрепляющие потенциальную возможность искусственного создания супервирусов оспы, а также. детская рука с типичными оспенными поражениями, найденная в 1999 году.
Страхи-страхами, а престонские демоны волей-неволей и на благо науки работают — по крайней мере, у нас. В конце 90-х в микробиологических кулуарах ходила байка о том, что кое-какие — не известные широкой общественности — биологические институты выжили благодаря содержимому своих холодильников: чиновников удалось «разжалобить» только страшилкой об апокалиптических последствиях отключения электроэнергии в институте. Ведь из размороженных холодильников всенепременно выскочат бациллы сибирской язвы! — Ред.
Строение вирусов и иммунный ответ организма
В поле зрения ученых вирусы попали в начале XVIII века. Тогда европейские врачи заинтересовались феноменом непроизвольной вакцинации: люди, зараженные легкой формой оспы — коровьей, — были не подвержены оспе натуральной, то есть человеческой. Прорыв в этом вопросе произошел в 1796 году, когда английский врач и ученый Эдвард Дженнер (рис. 1, справа) публично произвел первое «цивилизованное» и безопасное оспопрививание [11]. После этого прошло без малого двести лет, когда в 1892 году впервые был описан вирус. Звание первооткрывателя вирусов по праву принадлежит российскому микробиологу Дмитрию Иосифовичу Ивановскому (рис. 1, слева), который в конце XIX века сумел описать вирус, вызывающий мозаичную болезнь растения табака. И вслед за этим открытием началось лавинообразное изучение вирусов, которые не перестают нас удивлять и преподносить неожиданные сюрпризы.
Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).
После детального изучения вирусов, которые получили свое название от латинского слова virus (яд), стало известно, как именно они устроены. Полноценная вирусная частица — вирион — состоит из белковой оболочки (капсида) и внутреннего содержимого: нуклеиновой кислоты, «хранящей» вирусные гены (рис. 2, 3). У некоторых вирусов капсид покрыт дополнительными слоями из белков и липидов. По тому, какая именно нуклеиновая кислота содержится в вирусе, их делят на два больших вида: ДНК- и РНК-вирусы*.
Рисунок 2. Строение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Диаметр частицы ВИЧ составляет примерно 100–120 нм. gp120 — поверхностный белок, молекулы которого формируют «шляпку гриба». Именно этот белок взаимодействует с антителами и рецептором клетки-мишени (gp — гликопротеин, 120 — масса белка в дальтонах). gp41 — белок, формирующий «ножку гриба», встроенную в липидную мембрану вируса. р24 — внутренний белок, две тысячи молекул которого составляют капсид вируса (кор), имеющий форму усеченного конуса. р17 — матриксный белок, образующий слой толщиной 5–7 нм между внешней оболочкой и капсидом. Интеграза, ревертаза и протеаза — ферменты, необходимые для жизненного цикла вируса. РНК (2 копии) — хранилище генетической информации (ВИЧ — ретровирус). Генетический аппарат ВИЧ-1, связанный с нуклеокапсидным белком p7, имеет длину около 10 тыс. нуклеотидов и содержит девять генов. Рисунок с сайтов visual-science.com и «Википедии».
Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].
Рисунок 3. Генетическая организация вируса ВИЧ-1. (+)РНК-геном вируса содержит гены, ответственные за синтез белков, выполняющих структурные, ферментативные и регуляторные функции. Это гены gag, env и pol, имеющиеся у всех известных ретровирусов и кодирующие структурные белки оболочки вируса (gag, env), а также ферменты: ревертазу, интегразу и протеазу (ген pol). Оставшиеся шесть генов — vpr, vpu, vif, tat, rev, nef — так или иначе участвуют в жизненном цикле ВИЧ-1, кодируя регуляторные белки и подавляя активность иммунных клеток. Два вида вируса иммунодефицита человека (ВИЧ-1 и ВИЧ-2) различны по составу генов: у ВИЧ-2 нет гена vpu, зато есть ген vpx. Рисунок с сайта www.zdrav.kz.
Что происходит после того, как вирус попадает внутрь организма? Уже в слизистой оболочке иммунные клетки (макрофаги) поглощают часть вирионов. Вслед за этим, когда вирус проникает в кровь, другие иммунные клетки — Т-хелперы — дают стимулирующий сигнал «убийцам» вирусов: B-лимфоцитам и Т-киллерам. Операция по уничтожению вируса переходит в следующую фазу. Активированные B-лимфоциты образуют антитела, которые находят свободные антигены вирусов и связываются с ними. Такой тандем (вирусный антиген — антитело) захватывается и уничтожается макрофагами. Те вирусы, которые сумели ускользнуть от антител и макрофагов и внедриться в клетки, уничтожаются вместе с пораженными клетками Т-киллерами. И завершающий этап иммунной реакции: клетки Т-супрессоры гасят активность иммунного ответа, прекращая агрессивные действия Т-киллеров и B-лимфоцитов, чтобы те, разбушевавшись, не уничтожили и здоровые клетки.
Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).
В 2008 году американские исследователи из Университета Рокфеллера открыли еще один интерферон-зависимый антивирусный механизм. Выяснилось, что интерферон стимулирует синтез белка BST-2 (тетерина), блокирующего выход вирионов из клетки [16]. Но некоторые вирусы научились обходить действие интерферона. Так, вирус Эбола (рис. 4) с помощью своего белка eVP24 не дает ядерному фактору PY-STAT1 проникнуть в ядро и запустить действие интерферона [17]. У этого вируса есть еще несколько механизмов, делающих его неуязвимым для иммунитета. Так, внутреннее содержимое вируса окружено «чехлом» из полисахаридов, благодаря чему вирус плохо распознается иммунной системой*.
* — О борьбе с вирусом Эбола с помощью моноклональных антител рассказывает статья «Вирус Эбола и макак-резус: получено новое эффективное лекарство» [18].
Рисунок 4. Схема строения, 3D-модель и фото вируса Эбола.Рисунки с сайтов www.visual-science.com и ebolaviruspictures.blogspot.com.
Как мы видим, в идеале у здорового организма существует довольно надежная многоуровневая система защиты от проникновения всевозможных «чужаков». И действительно, все мы знаем, что встречаются люди, в силу своего крепкого здоровья устойчивые ко всяким сезонным инфекциям вроде ОРВИ или гриппа. Такой опасный агент, как вирус натуральной оспы, не убивал всех без исключения заразившихся, и большая часть заболевших выздоравливала своими силами. Среди них был и будущий глава СССР, И. Сталин, переболевший в детстве оспой. Даже лихорадка Эбола, наводящая сегодня ужас в Африке, оставляет в живых десятую часть заразившихся. И лишь по отношению к одной единственной инфекции эта система защиты оказывается бессильной в 100% случаев заражения. Ни один человек из 36,9 миллионов, инфицированных ВИЧ (данные ВОЗ на начало 2015 г.), не сможет избавиться от вируса, а заболевший СПИДом — полностью выздороветь [19].
Причины поражений в борьбе с ВИЧ
Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.
Почему же человечество со всем своим огромным научным и техническим потенциалом ничего не может противопоставить этой смертоносной инфекции? Проблема борьбы с ВИЧ многоуровневая и включает в себя несколько факторов. Так, неизвестно почему, но иммунная система человека вместо того, чтобы бороться с вирусом, иногда помогает ему. Этот феномен, получивший название антителозависимое усиление инфекции (ADE), был описан применительно к ВИЧ в конце 80-х годов американскими биологами из университетов Калифорнии и Вандербильта — В. Робинсоном и его коллегами [22]. Было обнаружено, что антитела, которые вырабатываются в организме в ответ на вирусную атаку, облегчают проникновение вируса в клетку (рис. 5, 6). Посредством специфического участка — Fc-области — они присоединяются к клеткам-фагоцитам и «проводят» вирус в них. Это похоже на то, как поводырь проводит плохо видящего человека в нужное место: антитело «берет за руку» вирус и заводит его в макрофаг.
Рисунок 5. Схема развития феномена ADE при вирусных инфекциях.а — Взаимодействие между антителом и рецептором FcR на поверхности макрофага. б — Фрагмент С3 комплемента (компонент комплемента, после присоединения которого весь этот комплекс приобретает способность прилипать к различным частицам и клеткам) и рецептор комплемента (complement receptor, CR) способствуют присоединению вируса к клетке. в — Белки комплемента С1q и С1qR способствуют присоединению вируса к клетке (в составе молекулы C1q имеется рецептор для связывания с Fc-фрагментом молекулы антитела). г — Антитела взаимодействуют с рецептор-связывающим сайтом вирусного белка и индуцируют его конформационные изменения, облегчающие слияние вируса с мембраной. д — Вирусы, получившие возможность реплицироваться в данной клетке посредством ADE, супрессируют противовирусные ответы со стороны антивирусных генов клетки. Рисунок с сайта supotnitskiy.ru.
Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.
Рисунок 6. Электронно-микроскопическая фотография макрофага, инфицированного ВИЧ-1. Две темные области — многочисленные вирусные частицы, которыми «нашпигована» клетка. Рисунок из [13].
Но и это еще не все уловки в арсенале смертоносной инфекции. В нашем организме существуют специальные антиретровирусные системы, которые должны противостоять ВИЧ. Сегодня известны три таких системы: упоминавшийся выше (в связи с интерфероном) BST-2/ тетерин, а также AID/APOBEC и TRIM5-α [24]. Но, как выяснилось, все они оказываются бессильны в борьбе против ВИЧ. Вот как об этом говорит М.Р. Бобкова из Института вирусологии им. Д.И. Ивановского: «Антивирусные системы клетки, получившие название „внутреннего иммунитета“ (intrinsic immunity), пытаются бороться с вирусом, но у них это плохо получается. APOBEC модифицирует вирусную ДНК таким образом, что это приводит к ее разрушению либо неполноценности. В ответ на это вирус ВИЧ приобрел белок Vif, блокирующий функцию APOBEC. TRIM5-α у обезьян хорошо справляется с функцией преждевременного „раздевания“ РНК вируса, но только не „своего“ вида, а всех других. У человека этот белок есть, но функция его снижена, и ее недостаточно для ограничения репликации (копирования) ВИЧ. Тетерин связывает отпочковывающиеся вирусные частицы и не дает им покинуть поверхность клетки. В противодействие этому у ВИЧ есть белок Vpu, который путем связывания тетерина „освобождает“ новые частицы. Представить себе, что эти механизмы защиты от внутреннего иммунитета вирус выработал за те несколько десятилетий, что он общается с человеком, невозможно, поэтому должно быть какое-то другое объяснение».
«Другое» объяснение приводит в своей работе известный специалист по ВИЧ, микробиолог Михаил Супотницкий. По его мнению, причина того, что антивирусные системы человека бессильны против ВИЧ, носит эволюционный характер: «Почему так работают антиретровирусные системы человека? Причина, скорее всего та же, что заставляет иммунную систему человека участвовать в размножении и распространении ВИЧ — эти системы созданы самими ретровирусами» [25]. Когда-то, несколько сотен миллионов лет назад, древние ретроэлементы, от которых произошли все ретровирусы, участвовали в процессе эволюции в формировании иммунной системы позвоночных, передав для ее генов некоторые свои элементы. И потому наша иммунная система, созданная ретроэлементами, иногда может по старой памяти воспринимать вирусы как «своих».
Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.
Также известно, что ВИЧ в своем жизненном цикле задействует множество белков организма хозяина (рис. 7). В 2008 году ученые из Гарвардской медицинской школы и Института Говарда Хьюза посредством механизма РНК-интерференции провели исследование генома человека на предмет обнаружения белков-«коллаборационистов», сотрудничающих с ВИЧ [20]. В ходе работы ими были обнаружены 273 белка, так или иначе связанных с циклом ВИЧ [26]. Но и это еще не всё. Оказалось, что наши внутренние, эндогенные ретровирусы, тихо сидящие в нашей ДНК, могут в случае надобности предоставлять «чужим» ретровирусам (в том числе и ВИЧ) свои ферменты, необходимые для вирусного жизненного цикла. То есть внутренние и внешние вирусы взаимодействуют между собой: американскими исследователями был зафиксирован феномен, когда в ответ на прием ингибиторов протеаз протеаза эндогенного ретровируса человека HERV-К компенсировала своим действием отсутствие этого фермента у ВИЧ-1 [27]. Получается такая «дружеская взаимопомощь» между вирусами. Hе случайно авторитетный вирусолог, академик РАН Е.Д. Свердлов назвал наши эндогенные ретровирусы «пятой колонной» ВИЧ [2]. В свою очередь, ВИЧ может активизировать «дремавшие» эндогенные ретровирусы: наблюдали усиление экспрессии генов ретровируса HERV-K10 у ВИЧ-инфицированных и появление в сыворотке крови таких людей вирусных частиц HERV-K [28, 29].
Существует одна схожая особенность многих опасных вирусов, затрудняющая вакцинацию и лечение: они чрезвычайно быстро меняются. У ВИЧ это обусловлено тем, что фермент обратная транскриптаза делает массу ошибок при копировании вируса в организме — такая у этого фермента особенность. И потому вирусные копии отличаются одна от другой, и вирус становится неуловимым. Это похоже на то, как если бы полиция искала преступника по фотороботу и отпечаткам, а он каждый день менял свой облик, да еще и делал себе двойников. У других вирусов есть свои механизмы изменчивости. К примеру, два знаменитых филовируса — Эбола и Марбурга — с момента открытия изменились по составу аминокислот в некоторых белках более чем на 20%! Вирус гриппа постоянно меняется благодаря двум своим специфическим особенностям: «антигенному дрейфу» и «антигенному шифту» — мутации антигенов вируса и полной замене одного из генов* [31].
* — Разным аспектам, связанным с вирусом гриппа, биомолекула посвятила целую серию статей, первая из которых — «Гонки с вирусом: эпидемиология и экология вируса гриппа» [32].
Эпидемии «медленных» вирусов и вирусная эволюция
Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].
* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.
** — О строении и свойствах другого вируса, вируса гепатита А, читайте в статье «Вирус гепатита А: новое — это хорошо забытое старое» [35].
Конечно, атипичная пневмония, «птичий» грипп, коронавирус MERS и другие, неизвестные пока инфекции при определенных обстоятельствах могут вызвать эпидемии с большими человеческими жертвами. Природный резервуар «запасных» частей для вирусов огромен, и они могут складываться в опасные формы. Этот процесс носит название рекомбинация вирусов — вирусы обмениваются своими «запасными» частями (генами) друг с другом и с носителями, создавая новые виды. И именно после этого появляются новые опасные формы вирусов, о которых мы регулярно узнаем из новостных лент СМИ.
Причем больших изменений для возникновения опасной формы вируса не требуется. Так, «испанский» грипп, от которого в 1918-1920 гг. погибло более 20 млн человек, был вызван вирусом типа H1N1 (рис. 8), доставшимся человеку от птиц. В конце 90-х гг. американские ученые из Armed Forces Institute of Pathology исследовали этот вирус, выделив его из тел, похороненных на Аляске, и нашли всего лишь одно существенное изменение, сделавшее его смертельным: изменение в гене поверхностного белка — нейраминидазы [36]. В 2008 году ученые из Массачусетского технологического института — Т. Тампи и его коллеги — дополнили эти исследования, обнаружив еще две возможные мутации, которые могли сделать этот вирус «массовым убийцей»: мутации в структуре второго поверхностного белка вируса гриппа — гемагглютинина, — которые позволили ему связываться со специфическими гликанами человеческих эпителиальных клеток (рецепторами α2—6)* [37].
Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г.Рисунок с сайта phil.cdc.gov.
Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.
Всё тот же научный прогресс стал причиной односторонней миграции населения из сёл и малых городов в крупные города, что привело к возникновению компактных многомиллионных поселений. Чего не было за всю длинную эволюцию человека. И такая скученность населения в крупных городах создает все условия для возникновения и распространения новых форм вирусов: ослабление иммунитета как следствие загрязненной среды обитания и стрессов и возможность скорейшего инфицирования всё новых и новых хозяев. Академик В.А. Кордюм (Институт молекулярной биологии и генетики, Киев) приводит пример с вирусом герпеса человека 7-го типа (ВГЧ-7) и цитомегаловирусом. Эти два инфекционных агента распространены повсеместно: ими инфицировано большинство населения Земли. И пока человек живет в нормальных условиях, они никак себя не проявляют. Но стоит лишь иммунитету ослабеть — вследствие стресса или других факторов — ВГЧ-7 и цитомегаловирус активизируются, еще более угнетая иммунную систему и «открывая ворота» для других, более опасных вирусов [39].
Ясно, что мы пока не до конца понимаем причины стремительной эволюции вирусов и те природные механизмы, которые способствуют этому. Очевидно, что наш современный «урбанистический» образ жизни играет в этих процессах не последнюю роль. Человек, устраивая свою жизнь с комфортом и переделывая всё вокруг на свой вкус и под свои нужды, вдруг забыл, что он обычный биологический вид и перестал жить по законам природы. А вирусы напоминают нам об этом.
Первоначальный вариант статьи был опубликован в журнале «Популярная механика» [40].
