Как была доказана химическая природа вирусов

Лекция 1

Природа, происхождение и структура вирусов.

Модуль 1

Комплексная цель модуля

Комплексная цель модуля состоит в необходимости дать студентам представление об основных свойствах вирусов: об их природе, происхождении, архитектуре и морфологии вирусных частиц, о типах симметрии, о химических свойствах вирусов. Эти сведения должны стать теоретической основой для дальнейшего понимания биологической сущности вирусов, которая выражается в процессах репродукции и вирусного патогенеза. Модуль состоит из трех лекций, материал которых позволяет решить поставленную цель.

ПРИРОДА ВИРУСОВ

Со времени открытия вирусов по настоящее время представления о природе вирусов претерпели значительные изменения.

Д. И. Ивановский и другие исследователи того времени подчеркивали два свойства вирусов, позволившие выделить их из общей массы микроорганизмов: фильтруемость и неспособность размножаться на всех искусственных пи­тательных средах. Позже выяснилось, что эти свойства не абсолютны, так как были обнаружены фильтрующиеся формы бактерий и микоплазмы, растущие на искус­ственных питательных средах, по размерам приближаю­щиеся к наиболее крупным вирусам (вирусы оспы чело­века и животных).

Внутриклеточный паразитизм вирусов также оказался не абсолютным критерием, отграничивающим их от ос­тальных микроорганизмов. Внутриклеточными паразитами являются не только вирусы, но и некоторые бактерии (го­нококки, менингококки) и простейшие (малярийный плазмодий). С развитием знаний о вирусах были найдены более надежные критерии, например существование у вирусов только одной из двух нуклеиновых кислот, в то время как у всех других микроорганизмов имеются обе нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).

Другим уникальным свойством вирусов является отсутствие у них собственных белоксинтезирующих систем. Синтез вирусных белков осуществляется белоксинтезирующим аппаратом клетки — клеточными рибосомами, ко­торые связываются с вирусными иРНК. Вирусы вводят в клетку лишь свою генетическую информацию, которая успешно конкурирует с клеточной информацией, несмотря на ничтожно малые размеры вирусных геномов (на 5-6 порядков меньших по молекулярным массам, чем геном эукариотической клетки). Поэтому и уровень паразитизма у вирусов иной, чем у бактерий или простейших. В отличие от внутриклеточного паразитизма последних паразитизм вирусов определяется как генетический паразитизм, а ви­русы рассматриваются как генетические паразиты. Ярким примером генетического паразитизма является способность ряда вирусов интегрировать (объединяться) с клеточным геномом. В этом случае вирусные гены превращаются в группу клеточных генов и обозначаются как провирус. Стадия интеграции, помимо умеренных ДНК-содержащих фагов, характерна для онкогенных ДНК-содержащих вирусов и вируса гепатита В. Эта стадия обязательна для большой группы РНК-содержащих вирусов — ретро-вирусов.

Однако и в том случае, когда интеграции не происхо­дит и вирусный геном находится в автономном состоя­нии, возникновение инфекции обусловлено конкуренцией вирусного и клеточного геномов.

К уникальным свойствам вируса относится его способ размножения, который резко отличается от способов раз­множения всех других клеток и организмов (бинарное деление, почкование, образование спор). Вирусы не растут, и их размножение обозначается как дисъюнктивная (разобщенная) репродукция, что подчеркивает разобщен­ность в пространстве (на территории клетки) и времени синтеза вирусных компонентов (нуклеиновых кислот и белков) с последующей сборкой и формированием вирионов.

Отсутствие собственных белок-синтезирующих систем, дисъюнктивный способ репродукции, интеграция с клеточ­ным геномом, существование вирусов сателлитов и дефект­ных вирусов, феноменов множественной реактивации и комплементации — все это мало укладывается в представ­ление о вирусах как организмах. Представление это еще более теряет смысл, когда мы обратимся к вирусоподоб­ным структурам — плазмидам, вироидам и агентам типа возбудителя скрепи.

Плазмиды (другие названия — эписомы, эпивирусы) представляют двунитчатые кольцевые ДНК с молекуляр­ной массой в несколько миллионов, реплицируемые клет­кой. Они вначале были обнаружены у прокариотов, и с их существованием связаны разные свойства бактерий, например устойчивость к антибиотикам. Поскольку плаз­миды обычно не связаны с бактериальной хромосомой (хотя многие из них способны к интеграции), их считают экстрахромосомными факторами наследственности.

Плазмиды были обнаружены и у эукариотов (дрожжей и других грибов), более того, обычные вирусы высших животных также могут существовать в виде плазмид, т. е. кольцевых ДНК, лишенных собственных белков и реплицируемых клеточными ферментами синтеза ДНК. В част­ности, в виде плазмид могут существовать вирусы папил­ломы коров, обезьяний вирус 40 (SV-40). При персистенции вируса герпеса в культуре клеток могут образовываться плазмиды — кольцевые ДНК, составляющие лишь часть генома этого вируса.

К вирусам примыкают вироиды — агенты, открытые Т. О. Дайнером в 1972 г., вызывающие заболевания неко­торых растений и способные передаваться как обычные инфекционные вирусы. При их изучении оказалось, что это сравнительно небольшие по размерам молекулы коль­цевой суперспирализованной РНК, состоящие из немно­гих, 300-400 нуклеотидов. Механизм репликации вироидов не вполне ясен.

Все вирусы, включая сателлиты и дефектные вирусы, плазмиды, вироиды и даже агенты скрепи (их гены), име­ют нечто общее, их объединяющее. Все они являются автономными генетическими структурами, способными функционировать и репродуцироваться в восприимчивых к ним клетках животных, растений, простейших, грибов, бактерий. По-видимому, это наиболее общее определение, позволяющее очертить царство вирусов. На основании сформулированного определения вирусы, не будучи орга­низмами, тем не менее являются своеобразной формой жизни и поэтому подчиняются законам эволюции орга­нического мира на земле.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ

По вопросу о происхождении вирусов высказывались разные предположения. Одни авторы считали, что вирусы являются результатом крайнего проявления регрессивной эволюции бактерий или других одноклеточных организ­мов. Гипотеза регрессивной эволюции не может объяснить разнообразия генетического материала у вирусов, некле­точной их организации, дисъюнктивного способа репро­дукции и отсутствия белоксинтезирующих систем. Поэ­тому в настоящее время эта гипотеза имеет скорее исто­рическое значение и не разделяется большинством вирусологов.

Согласно второй гипотезе вирусы являются потомками древних, доклеточных форм жизни — протобионтов, пред­шествовавших появлению клеточных форм жизни, с ко­торых и началась биологическая эволюция. Эта гипотеза также не разделяется в настоящее время большинством вирусологов, так как она не объясняет тех же вопро­сов, разрешить которые оказалась бессильной первая гипотеза.

Вероятно, вирусы действительно являются дериватами генетических элементов клеток, но они возникали и эволю­ционировали вместе с возникновением и эволюцией клеточ­ных форм жизни. Природа как бы испробовала на вирусах все возможные формы генетического материала (разные виды РНК и ДНК), прежде чем окончательно остановила свой выбор на канонической его форме — двунитчатой ДНК, общей для всех клеточных форм организмов, начиная от бактерии и кончая человеком. Будучи, с одной стороны, автономными генетическими структурами, с дру­гой стороны, неспособными развиваться вне клеток, виру­сы на протяжении миллиардов лет биологической эволю­ции проделали настолько разнообразные пути развития, что отдельные их группы не имеют преемственной связи между собой. По-видимому, разные группы вирусов воз­никали в исторически разные времена из разных генетических элементов клеток и поэтому существующие в на­стоящее время разные группы вирусов имеют полифиле-тическое происхождение, т. е. не имеют единого общего предка. Тем не менее, универсальность генетического кода распространяется и на вирусы, свидетельствуя тем самым, что и они являются порождением органического мира земли.

РОЛЬ ВИРУСОВ В ЭВОЛЮЦИИ

Вирусы обычно рассматриваются как паразиты — воз­будители инфекционных болезней, наносящих вред челове­ку, животным, растениям. Однако такой подход нельзя признать правильным. В.М.Ждановым в 1974 г. была высказана гипотеза, согласно которой вирусы являются важ­ным фактором эволюции органического мира. Преодоле­вая видовые барьеры, вирусы могут переносить отдельные гены или группы генов, а интеграция вирусной ДНК с хромосомами клеток может приводить к тому, что вирус­ные гены становятся клеточными генами, выполняющими важные функции.

Поскольку вирусы, будучи особыми формами жизни, не являются микроорганизмами, то и вирусология является не разделом микробиологии, а самостоятельной научной дисциплиной, имеющей свой объект изучения и свои методы исследования.

1. Природа вирусов.

2. Происхождение вирусов.

3. Место вирусов в биосфере.

4. Отдельные формы вирусов (бактериофаги, прионы, вироиды, вирусы растений, вирусы грибов и водорослей).

Вирусы как отдельную форму жизни долгое время не признавали. В 30-е годы XX века были получены данные, позволившие признать их единицами живого мира, сходными между собой, но различными от растительного и живого мира. В 1947 году дали определение вирусов как организмов с внутриклеточным паразитизмом, которые воспроизводят себя, обладают наследственностью и изменчивостью. Развитие молекулярной биологии не противоречило этому. В отличие от других форм жизни у вирусов имеется только один тип нуклеиновой кислоты, причем природа использовала все формы генетического материала, что подчеркивает единство органического мира.

В последние годы стали получать данные, противоречащие признанию вирусов как организмов, так как они отличаются отсутствием белок - синтезирующих систем. Это отсутствие – крайняя степень паразитизма на генетическом уровне, поэтому вирусы являются неклеточными формами жизни. Обладая, как и все организмы способностью к воспроизводству, наследственностью, изменчивостью и приспособляемостью к меняющимся условиям среды, вирусы отличаются от них неклеточным строением, отсутствием способности к размножению и собственного энергетического метаболизма.

Концепция о представлении вирусов как организма рушится, если рассмотреть такие структуры как вироиды, вирус- саттелиты и плазмиды.

Вирусы-сателлиты широко распространены в природе. Они не способны репродуцироваться без полных вирусов, в частности аденовирусов.

Плазмиды – это циркулярные участки ДНК. Они не способны реплицироваться, а их реплицируют ферментные системы бактерий.

Вироиды – РНК-структуры с малой молекулярной массой, на которой нельзя закодировать даже один полипептид, поэтому их нельзя отнести к вирусам.

Таким образом, природа и происхождение вирусов остаются самыми сложными вопросами вирусологии, далекими от разрешения. До сих пор относительно природы вирусов существуют два диаметрально противоположных суждения.

Существует несколько гипотез происхождения вирусов.

1-я гипотеза (1935).

Согласно этой гипотезе вирусы – это потомки бактерий, претерпевшие регрессивную эволюцию. В ходе эволюции они перешли к внутриклеточному паразитизму, утратив собственный энергетический метаболизм. В процессе дальнейшего упрощения бактерии дошли до стадии, когда их оболочка становится помехой для паразитирования.

Согласно этой гипотезе вирусы – потомки доклеточных форм жизни. Вирусы могли явиться первичной формой жизни, возникшей в результате химических реакций с использованием энергии ультрафиолетовых лучей и электроразрядов, давших, кроме того, начало клеточной форме жизни. Таким образом вирусы как примитивные существа могли сохраниться до наших дней, перейдя к паразитированию. Первоначальными формами жизни были РНК- структуры, поэтому РНК- вирусы рассматриваются как более древние.

3-я гипотеза (1964)

Согласно этой гипотезе нуклеиновые кислоты возникли в природе абиогенным путем, независимо от живой системы.

4-я гипотеза (1967).

Согласно этой гипотезе вирусы – это отделившиеся компоненты клеток, содержащие нуклеиновые кислоты и ставшие автономными самопроизводящимеся элементами. Эта гипотеза имеет наибольшее число сторонников. Некоторые ДНК- вирусы могли возникнуть из эписом и митохондрий. Например, вирус гепатита В сходен с митохондриями клеток, а вироиды является структурами, похожими на т-РНК.

Экология – наука о взаимоотношениях организма с окружающей средой.

Преобразование биосферы – мощный фактор, влияющий на эволюцию вирусных инфекций. Все это приводит к изменению биоценозов, что влечет за собой изменение иммунной системы макроорганизма.

Невозможно представить отсутствие взаимодействий вирусов и животных. В процессе эволюции складываются взаимоотношения между паразитом и хозяином. Важным условием вспышки инфекционных заболеваний является рост плотности восприимчивого поголовья и сохранение инфекционного агента в популяции. Особое значение имеют смешанные инфекции, когда в инфекционном процессе играют роль несколько агентов. Некоторые вирусные инфекции возможны только при наличии других инфекций (вирус парагриппа-3 и пастерелла).

Преобразование биосферы происходит по многим причинам, среди которых главными являются использование антибиотиков, пестицидов, вакцин и других агентов, непосредственно влияющих на биосферу и ее компоненты.

Основные свойства вирусов, отличающих их от бактерий:

1. Очень малая величина (измеряется в нм).

2. Отсутствие клеточной структуры.

3. Наличие только одной нуклеиновой кислоты.

4. Отсутствие автономного обмена веществ и энергетическая связь вируса с клеткой хозяина.

5. Наличие тропизма.

6. Разобщенный тип репродукции.

7. Способность вызывать образование внутриклеточных включений.

8. Обязательный паразитизм на молекулярной уровне.

9. Устойчивость вирусов к низким температурам, антибиотикам и сульфаниламидам.

10. Наличие плюрализма у многих вирусов.

Кроме вирусов животных клеток (зоопатогенные вирусов) в природе широкое распространение имеют вирусы, паразитирующие в клетках растений, грибов и бактерий, а также инфекционные агенты со строением, отличным от вирусов – прионы и вироиды.

Бактериофаги.

Это группа вирусов, паразитирующих в бактериях. У бактериофагов аналогичный цикл репродукции, присущий остальным вирусам животных. В цикле репродукции бактериофагов различают три стадии: вирион (инфекционная форма), вегетативный вирус (внутриклеточная форма, представляющая собой реплицирующуюся внутри бактериальной клетки нуклеиновую кислоту бактериофага), а также провирус, представляющий собой интегрированный в геном бактериальной клетки геном бактериофага.

Бактериофаги имеют характерную, присущую только им морфологию. Все бактериофаги содержат головку, которая построена из капсомеров, расположенных в виде многоугольника. Внутри капсида головки содержится нуклеиновая кислота бактериофага. Большинство бактериофагов имеют также отросток (хвостик), прикрепляющийся одним концом к головке. У сложных фагов отросток состоит из полого стержня, образованных путем спиральной укладки структурных белков. Кроме того, в структуру отростка могут входить фаговая пластинка и белковые нити-рецепторы, располагающиеся на свободном конце отростка. Отросток предназначен для прикрепления к рецепторам бактериальной клетки и обеспечения проникновения внутрь бактерии нуклеиновой кислоты фага.

Размер головки большинства фагов составляет 20-90 нм, а отростка – от 100 до 200 нм с толщиной 2,5-3 нм.

Из-за разнообразия морфологических особенностей бактериофагов различают их пять основных морфологических групп: (1) бактериофаги с сокращающимся отростком, (2) бактериофаги с длинным несокращающимся отростком, (3) бактериофаги с коротким отростком, (4) бактериофаги без отростка. (5) нитевидные фаги. Первые три морфологических типа содержат двунитчатую ДНК, четвертая – однонитчатую РНК или ДНК, пятая – однонитчатую РНК.

В зависимости от типа вызываемой инфекции бактериофаги делятся на вирулентные и умеренные. Вирулентные бактериофаги дают литическую продуктивную инфекцию, то есть инфекцию клетки, приводящую к лизису бактериальной клетки и высвобождению новой генерации бактериофагов.

Умеренные фаги вызывают в отличие от вирулентных бактерофагов абортивную лизогенную инфекцию, то есть инфекцию, не приводящую к формированию новой генерации бактериофагов. В большинстве случаев это обусловлено интеграцией генома бактериофага в геном клетки и переходом вируса в состояние провирус. Такое состояние бактериальной клетки называется лизогенией. В этом случае продуктивная инфекция наблюдается лишь у ограниченного количества бактериальной популяции. Однако воздействие некоторых физических факторов (УФ- излучение) способно увеличить процент бактериальных клеток с продуктивной инфекцией из-за активации провируса.

Бактериофаги имеют большое значение в ветеринарии и зоотехнии. Паразитируя внутри бактериальной клетки, они могут наносить значительный ущерб производствам, базирующимся на культивировании микроорганизмов. Также бактериофаги могут быть использованы для полезных целей – для лечения многих бактериальных инфекций, в диагностике инфекционных болезней, а также они являются идеальным объектом для изучения различных вопросов биологии и генетики.

Вироиды.

Более 16 болезней растений вызваны особой группой инфекционных агентов, названных вироидами. Они представляют собой кольцевые однонитчатые молекулы РНК, содержащие от 250 до 370 нуклеотидов. Вироиды передаются от растения к растению механическим путем или с пыльцой. После инфицирования вироиды обнаруживают главным образом внутри ядра пораженной клетки в количестве от 200 от 10 000 копий нуклеиновой кислоты. Известно, что молекулы нуклеиновой кислоты вироида не функционируют как и-РНК и не регулируют синтез протеина. Остается невыясненным механизм появления симптомов у пораженных растений. Иногда вироиды вызывают латентные инфекции растений.

Хотя вироидная РНК может быть реплицирована РНК-зависимой РНК-полимеразой, репликация РНК вироида идет при участии клеточного фермента, воспринимающего РНК как нить клеточной ДНК.

Наиболее изученными являются вироиды, вызывающие болезни картофеля. Они содержат кольцевую РНК, содержащую 359 нуклеотидов и упакованную в виде короткой палочки за счет объединения комплементарных пар нуклеотидов внутри нуклеиновой кислоты. Выделено несколько штаммов, отличающихся по вирулентности. Как было установлено, это обусловлено изменением нуклеотидной последовательности в двух коротких участках РНК вироида.

Прионы.

Среди инфекционных агентов, вызывающих заболевания людей и животных выделяют особую группу, названных прионами. Это название они получили в связи с тем, что в их состав входит только протеин, в результате чего их также называют протеиновый инфекционный агент (PrP). До сих пор в составе прионов не обнаружено ни одного нуклеотида, а только присутствие протеина с молекулярной массой от 33 до 35 Д. Также установлено, что ген, кодирующий этот протеин присутствует у многих позвоночных и даже беспозвоночных. Поэтому не исключена возможность животного происхождения прионов.

До сих пор не установлен механизм развития прионных болезней. Полагают, что инфекцию вызывает измененный протеин организма, который при наличии необходимых химических факторов способен вызывать деструкцию и гибель клеток. Однако эта гипотеза не согласуется с данными о существовании нескольких штаммов одного и тоге же приона. Другая гипотеза гласит о том, в составе прионов входит короткий участок нуклеиновой кислоты, заключенный в протеин PrP.

Прионы вызывают так называемые медленные инфекции у людей и животных – губкообразная энцефалопатия, Куру, болезнь Крейтцфельд-Якоба и другие.

Вирусы растений.

Вирусы растений не так хорошо изучены, как вирусы животных. Это вызвано трудностями их культивирования, так как для них необходимо получение особого типа чувствительных клеток, полученных от растений. Однако установленным является факт передачи большинства вирусов растений через насекомых, поэтому сейчас стало возможным культивирование вирусов растений в культурах клеток, полученных из клеток различных насекомых.

Морфология вирусов растений значительно не отличается от морфологии вирусов животных. Большинство содержат жесткий или гибкий спиральный капсид, отдельные вирусы имеют кубический капсид, а также капсид кубического типа симметрии с наличием дополнительных капсомеров на поверхности. Почти все вирусы растений является РНК-геномными вирусами, содержащие одно - или двунитчатую молекулу РНК. Исключением являются лишь Caulimovirus и Geminivirus, содержащие ДНК.

Репродукция вирусов растений значительно не отличается от вирусов животных. Главное отличие заключается лишь в том, что внутри растительной клетки присутствует фермент для репликации РНК, поэтому в процессе репродукции большинство вирусов растений используют клеточный фермент. Сборка вириона также несколько отличается. На завершающем этапе реплицирования РНК ассоциируется с капсомерами на 3’ конце генома, в последующем идет добавление капсомеров по спирали нуклеиновой кислоты, подобно полым дискам на стержень с формированием зрелого вириона.

Способы передачи вирусов растений различны – с ветром, насекомыми, нематодами растений, грибами и др.

Вирусы грибов и водорослей.

Большинство вирусов изолировано от грибов родов Aspergillus и Penicilium и содержат двунитчатую молекулу РНК, заключенную в кубический капсид. Все вирусы грибов и водорослей имеют размеры порядка 25-50 нм.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Коронавирус становится поводом пошутить над незнакомцем, ему посвящают мемы, о нем слагают песни. Вирус проникает не только в организмы живых существ, но и в поп-культуру. Однако пройдет время, и о нем все забудут, как когда-то перестали говорить о вирусе Эбола, атипичной пневмонии и оспе.

Север Туркмении, 1980-е годы. В Средней Азии возникла вспышка ранее неизвестного вируса. Обстановка сложная и напряженная. Вирус передается через зараженную воду. Из-за ее употребления количество заболевших резко растет. В большинстве случаев болезнь протекает относительно благополучно, но ужас в том, что умирают в основном женщины в третьем триместре беременности.

Михаил Фаворов,
эпидемиолог, доктор медицинских наук

Сегодня Михаил Фаворов живет в США, занимает пост президента компании DiaPrep System Inc и продолжает активно работать в области диагностики, контроля и профилактики инфекционных заболеваний.

Вирус — простейшая форма жизни. Принято считать, что если он находится внутри человека или животного, то становится живым существом — размножается и обменивается информацией. Но когда вирус находится вне организма, он считается неживым. О вирусах мы узнали сравнительно недавно, около 100 лет назад. М икробиолог Дмитрий Ивановский опубликовал исследование о существовании некой субстанции, которая проходит через фильтры, задерживающие бактерии, и назвал ее вирусом. В то время как чума человечеству известна многие тысячелетия, у нее другая природа — она вызывается бактериями, которые являются более сложным и крупным организмом. Ее распространение было связано с низким уровнем жизни и плохой гигиеной. Процент летальности достигал 25%, то есть при легочной форме погибал каждый четвертый.

Среди вирусных инфекций самой страшной была оспа, которая затронула все страны мира. Вызывалась она вирусом натуральной оспы. Вакцину удалось изобрести благодаря случайному знакомству с коровьей оспой. Вирус животных, которые выступали переносчиками, вводили в организм человека, но вакцинированные не заболевали человеческой формой болезни: организм защищали антитела введенного вируса. Уникальность натуральной оспы в том, что это антропонозный вирус — им болели только люди. Поэтому, когда произвели вакцину, оспу удалось искоренить. В 1950-х годах в Африке были вакцинированы последние контактировавшие с больными, а с 1978 года вирус был полностью ликвидирован. Оспа исчезает, когда у последнего заболевшего появляются антитела, — он выздоравливает и перестает быть переносчиком.

Рецепты с летучей мышью

Тепло наших тел

По уровню плотности населения Китай и Индия превосходят все остальные регионы планеты, а разнообразие видов животных в Африке настолько велико, что большинство из нас вряд ли догадываются о существовании некоторых из них, например окапи, виверр, руконожек. Как редкие животные, так и плотность населения становятся дополнительными стимулами высокой скорости распространения заражения. Вирусы не поражают отдельно китайцев или представителей других наций, вирусы аполитичны и не имеют вероисповедания. Они умеют приспосабливаться к любым изменениям среды не хуже человека. Все, что им нужно, — тепло наших тел и, возможно, определенные рецепторы.

Вспышка эпидемий — это не просто случайность, а стечение обстоятельств.

Все закрыто: рынки, магазины, метро. Остановки общественного транспорта абсолютно пусты. По тротуарам проплывает только мусор, гонимый ветром, исчезающий в желтоватой дымке. Странно, если учесть, что в городе проживают миллионы человек. Изредка на улице появляются люди в респираторных масках, некоторые сделаны из подручных средств. Однажды увидев такую картину, вряд ли возможно спутать с чем-то эпицентр распространения респираторного заболевания, и защищаться надо незамедлительно.

Чтобы обезопасить себя и свою семью во время респираторной эпидемии, главное — находиться на расстоянии не ближе 2 м от заболевшего, чихающего или кашляющего человека, мыть руки каждые два часа, проветривать помещения, минимально контактировать с людьми.

История человечества насчитывает десятки тысяч кровавых войн, но самые страшные по потерям, пожалуй, — войны с паразитами. По некоторым данным, от чумы умерло больше людей, чем в результате всех войн, вместе взятых, — около 186 млн человек. От одной Юстиниановой чумы, первой зарегистрированной в истории, погибли 100 млн человек. Разработка защиты от биологической угрозы требует больших затрат, поэтому вакцины создаются только для тех вирусов, которые представляют реальную опасность. Более того, к некоторым вакцинам вирусы привыкают, становятся устойчивыми и меняют свою структуру, поэтому человечеству приходится постоянно быть начеку и придумывать что-то новое.

Респираторная маска вполне может защитить, но проблема в том, что надежна она всего 20 минут.

На уроках биологии нам говорили, что жизнь — это способ существования нуклеиновых кислот. Один из вариантов существования нуклеиновых кислот — это вирусы, которые живут на других организмах. Они совершенно не заботятся о нашем благополучии, они пытаются приспособиться, как и все живые существа на планете. Единственное, за что стоит их благодарить, — эволюционное совершенство иммунной системы человека. Веками, когда появлялось какое-либо заражение, организм человека вырабатывал антитела и формировал клеточный иммунитет. Все знают, что если держать человека в стерильной среде, а потом выпустить на улицу, он вскоре умрет, потому что у него не будет механизма выработки защиты. Но это не цель существования вирусов, скорее побочный эффект.

Прогнозировать возникновение вспышек вирусов еще сложнее, чем рассуждать о высших смыслах. Это всегда уникальная ситуация, которая происходит в результате изменения состояния окружающей среды, при которой человек попадает в новые условия взаимодействия с другими видами животных. А сегодня антропогенное воздействие на окружающую среду достигло абсолютно несопоставимых масштабов по сравнению с предыдущими поколениями, к тому же человек как вид постоянно растет. У ученых есть возможность наблюдать за попытками вирусов совершить кроссвидовой переход благодаря лабораторным методам слежения. Врачи ликвидировали оспу и почти победили вирус полиомиелита — это внушает надежду, что с новым вирусом можно будет хотя бы договориться. Как бы ни сложились эти взаимоотношения, стоит помнить: пока человек будет существовать как вид, всегда найдутся те, кто захочет на нем паразитировать.

Как защититься от коронавируса? Узнайте здесь.

• 16125
• 9,3
• 2
• 4

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Эволюция и происхождение вирусов

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]?

Строение вирусов и иммунный ответ организма

Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).

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].

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).

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.

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.

Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.

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.

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.