Симбиоз человека с вирусами

Доктор биологических наук, сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков рассказывает, как эволюция симбиотической системы животных и вирусов привела к созданию иммунной системы, необходимой для существования теплокровного организма, и о той важнейшей роли, которую играют вирусные механизмы в жизни животных и растений.

– Александр, давайте начнем с какого-нибудь яркого примера симбиоза, в котором участвуют вирусы.

– Я могу привести просто поразительный пример такого симбиоза. Совсем недавно появилась статья американских биологов из Йелоустонского национального парка (Yellowstone National Park) Там есть горячие источники и в некоторых местах почва раскалена до 50-60 градусов. И на этой почве растет трава. Как она выдерживает такую высокую температуру? Нормальное растение не может расти на такой раскаленной почве. Было установлено, что в этой траве имеется симбиотический гриб, который живет внутри клеток травы. Если удалить гриб, то растение выжить при такой температуре не может, но и гриб тоже не может! Дальнейшее исследование показало, что есть третий участник – гриб обязательно должен быть заражен определенным вирусом. Если убрать вирус, что удалось сделать в эксперименте, то гриб вместе с растением теряют эту термоустойчивость и на раскаленной почве расти не могут. То есть действительно вирусы часто входят в состав симбиотических комплексов. И, кроме того, поскольку вирусы способны переносить фрагменты генов или целые гены от одного организма к другому, участвуют в глобальном процессе кооперации, информационного обмена. В процессе эволюции вирусы играют большую роль.

– Чем вирусы отличаются от бактерий?

– У вируса нет клетки. У них есть наследственная информация в виде молекулы РНК или ДНК и у них есть белковая оболочка, и больше ничего. Вирус – это, конечно, не самостоятельная система, можно сказать, что это часть мирового генетического банка.

– Давайте подробнее остановимся на роли вирусов в эволюции животного мира.

В эволюции животных можно привести, как минимум, три примера, когда вирусы или вирусоподобные объекты – мобильные кусочка генома – сыграли важную положительную роль.

Во-первых, знаменитый фермент – теломераза по своему происхождению, скорее всего, вирусный объект. Дело в том, что теломераза – это специальный белок, который занимается тем, что он достраивает кончики хромосом. Согласно одной из теорий, многоклеточные организмы стареют, потому что при каждом клеточном делении хромосома немножечко укорачивается и возникает опасность, что хромосомы в конце концов так укоротятся, что утратят функциональность и каким-то образом нужно эти кончики, которые не воспроизводятся при копировании, достраивать. Российский ученый Алексей Оловников предположил, что должен существовать специальный фермент для достройки кончиков хромосом. И этот фермент действительно открыли и назвали теломеразой. Это фермент, который спасает наши клетки от необратимого старения.

Но причем здесь вирусы? Дело в том, что, как сейчас считается, этот белок теломераза имеет вирусное происхождение. Вирус – это специальное устройство (я говорю сейчас о так называемых РНК-содержащих вирусах), это специальное устройство для записи информации в геном других организмов. Он содержит РНК, попадает в клетку. И та информация, которая записана в этой вирусной РНК, она переписывается в форме ДНК уже в геном, скажем, человеческой клетки. Вирус кодирует необходимые ферменты для для записи информации в геном.

Удивительно, но по последним данным, 40-45% всего генома человека – это всевозможные мобильные и повторяющиеся элементы, обладающие способностью перемещаться по геному, то есть, грубо говоря, это бывшие вирусы или размножившиеся вирусоподобные объекты, и это до 45% генома человека.

– То есть мы можем сказать, что молекула ДНК – это симбиотическая молекула. Когда мы видим сложнейшую молекулу ДНК, то непонятно как могло возникнуть столь сложное устройство? Но в действительности она возникла не под воздействием единичных мутаций, а в результате симбиотического обмена – то есть фактически собиралась из строительных блоков.

– Совершенно верно. Это – блочный принцип эволюции.

Второй случай, когда в эволюции высших позвоночных животных пригодились вирусы – это система приобретенного иммунитета. Что происходит, когда мы вырабатываем иммунитет к новой болезни? Ведь антитела вырабатываются даже к синтетическим веществам, которых в природе нет.

В геноме человека нет готовых генов антител, а есть набор заготовок. Ген антитела собирается из трех кусочков, причем в геноме есть сотни вариантов первого кусочка, несколько десятков вариантов второго кусочков и несколько вариантов третьего, их надо собрать. Вот в каждом лимфоците происходит вырезание, берется один кусочек ДНК первого типа, один второго, один третьего, и они склеиваются вместе в работающий ген, и уже с него синтезируется антитело. Оно потом еще может дополнительно доводиться до нужной кондиции, но начальный этап – это нарезание и сбор из кусочков гена. Так происходит редактирование генома.

– Необходимо подчеркнуть, что роль иммунной системы чрезвычайно важна. Она позволяет человеку выжить и противодействовать атакам микроорганизмов.

– Посудите сами: теплокровное млекопитающее – это просто инкубатор. 37 градусов постоянная температура тела – это же рай для бактерии. Если бы не иммунная система, нас бы просто съели.

И третий важный пример, того что принесли вирусы в симбиотическую систему, которой является организм животных. Недавно был обнаружен ген в геноме млекопитающих, который необходим для развития плаценты – того органа, который осуществляет обмен между организмом матери и плодом, благодаря которому сравнительно долго плод может безопасно развиваться в утробе матери. А то что это занимает довольно продолжительное, кстати, считают важнейшей предпосылкой для развития мозга и, в конечном счете, для появления разума.

– Александр, мы приходим к выводу, что симбиоз играет гораздо более важную роль, чем это может показаться. Мы все слышали, о таких симбиотических системах, в которых насекомые опыляют растения. Но то, что вы рассказали, говорит о том, что симбиоз – это действительно магистральное развитие всей эволюции, именно симбиоз может дать объяснение, почему организмы могут так быстро усложняться и приобретать совершенно новые функции и возможности.

– Мне и представляется эта тема очень важной, но до сих пор в биологии сохраняется отношение к симбиозу, как к некоему курьезу, какой-то причуде матушки-природы. Но если взять факты, то мы видим, что это не просто типично, но это основа и прогрессивной эволюции и функционирования биосферы. Это – всеобщее явление.

Когда был открыт один из первых случаев симбиоза – оказалось, что лишайник – это симбиотический комплекс гриба и водоросли –ученые очень удивились: надо же, чудеса какие. Мы думали, это растение, а это какой-то немыслимый комплекс – и гриб, и водоросли вместе переплелись, и получился лишайник. Но с тех пор уже столько открыто еще более удивительных симбиотических систем, что уже пора перестать удивляться, а включить это явление в общую теорию как неотъемлемый ее элемент.

– То есть, можно сказать, главное в природе это не всеобщая борьба и взаимное уничтожение, а синтез, взаимопомощь и сотрудничество.

• 16434
• 12,8
• 2
• 5

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.

КТО ТУТ МУСОР НЕ ВЫНЕС?

ПЕРВЫЕ НА ЗЕМЛЕ

Вирус - самое простейшее из живущих на планете существ. Настолько простое, что ученые до конца не могут понять, в самом ли деле оно живое. Или только прикидывается.

Возможно, вирусы первыми появились на Земле. Часть их усложнилась до бактерий. Оставшиеся стали проникать в бактерии, привнося и создавая в них разную ДНК. И пошли организмы в рост. Началась эволюция. Вплоть до человека. Есть такая гипотеза.

Проникнув в живую клетку, вирус сооружает кусочек ДНК. И встраивает его в геном клетки хозяина. Далее этот кусочек начинает производить копии. Вирус, внедрившийся со стороны, называют экзогенным. Его потомка в геноме - эндогенным. Такие вирусы и становятся частями организма.

А если вирус попадает в половую клетку - материнскую (яйцеклетку) или отцовскую (сперматозоид), то у него появляются все шансы оказаться в любом месте организма. И во всех клетках. Ведь все они происходят из половых. Вирус также будет передан потомкам вместе с остальным геномом по наследству. Вот таких вирусных участков мы за период своей эволюции и накопили почти половину генома.

МИРНОЕ СОСУЩЕСТВОВАНИЕ

- На самом деле человек - продукт симбиоза, то есть относительно мирного сосуществования собственно человека и вируса, - говорит Френк Райн. - Не будь их, не было бы и нас. Или мы были бы совершенно другими.

Вполне возможно, что мы, люди, обязаны нашим сожителям не только жизнью, но и разумом. Ведь у обезьян, даже человекоподобных, эндогенных вирусов в геноме гораздо меньше, чем у нас. Значительно меньше. Кто-то и почему-то их обделил.

ИНСТРУМЕНТЫ ЭВОЛЮЦИИ

Для дарвинистов вирусы - это инструменты матери природы. С их помощью она доводила одних живых существ до нынешнего совершенства. И приспосабливала к меняющимся условиям окружающей среды. А других убивала. Или не приспосабливала. И они вымирали сами.

Продвинутые креационисты видят в вирусах божественные инструменты, с помощью которых Создателю иногда приходится вносить коррективы в изначальные планы. Вирусами Господь карает и спасает. А как иначе он мог бы вмешаться в сотворенную им жизнь?

Кто тут прав - эволюционисты или креационисты, вряд ли когда-нибудь станет известным. В связи с чем обе стороны примирительно признают: в любом случае - Создатель ли постарался или Природа сама так все устроила, но идея насчет вирусов была гениальной.

МНЕНИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ

Академик РАН, руководитель лаборатории структуры и функций генов человека Евгений СВЕРДЛОВ:

- Когда-то у части популяции нашего с шимпанзе общего предка произошли изменения генома, которые изменили программу развития. И таким образом, представители этой части популяции, а именно от нее произошло человечество, стали задерживаться на более ранней стадии развития - в периоде, когда весь разум настроен на интенсивное обучение. Этому способствовали ретровирусы.

В итоге, когда обезьяны уже самостоятельно охотились и заводили потомство, пралюди все еще хватались за мамкину шерсть и учились-учились-учились. Можно сказать, что по сравнению с другими обезьянами, сразу переходившими к рабочим профессиям, они получали не низшее и даже не среднее, а высшее образование и становились ученой интеллигенцией.

Крошечные творческие натуры

Директор центра по исследованиям вирусов в Калифорнийском университете Люис ВИЛЛЕРИАЛ:

- Куда вы ни взглянете, везде будут вирусы. И они, безусловно, играют важнейшую роль в эволюции жизни на Земле. Я бы сказал, что они являются наиболее творческими генетическими организмами из тех, которые мы знаем.

Предки едва не исчезли

Вирусолог, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Михаил СУПОТНИЦКИЙ:

- Вирусы не имеют клеточного строения, не умеют синтезировать белки и воспроизводятся лишь в клетках высокоорганизованных форм жизни. В основе формирования ретроэлементов генома лежит одна последовательность событий: снятие копий ДНК с молекул РНК с помощью фермента обратной транскриптазы. В последующем копия ДНК вставляется в хромосому. Это очень древний процесс наращивания и усложнения генома. Он сформировался еще у каких-то протоклеточных форм жизни и сыграл основную роль в образовании тех форм жизни, которые существуют сегодня. До 8 процентов ретроэлементов генома человека составляют класс эндогенных ретровирусов. В отличии от экзогенных ретровирусов, таких, как вирус иммунодефицита человека, они не могут формировать инфекционные вирусные частицы. Однако все эндогены когда-то были экзогенными вирусами и попали в наш геном в результате эпидемий, сходных с нынешней пандемией ВИЧ /СПИДа. Какими видовыми катастрофами сопровождалось превращение внешних экзогенных ретровирусов во встроенные эндогенные остается только догадываться. Генетические исследования показывают, что люди нашего вида были на грани вымирания около 70 тыс. лет назад, тогда их оставалось не более 3 тысяч. Еще ранее, 1,2 млн лет назад, численность популяции неизвестного предка современного человека составляла не более 26 тыс. особей. Вполне возможно, такое резкое сокращение численности человечества было результатом работы ретровирусов. Став эндогенными, ретровирусы перемещаются по геному, увеличивают количество своих копий, управляют работой других генов и, даже, могут вновь начать формировать инфекционные экзогенные вирусные частицы. Поэтому некоторые ученые считают, что ретровирусы поддерживаются в природе в двух фазах — эндогенной и экзогенной, но эти фазы длятся во временных рамках геологических эпох. То есть, на протяжении тысяче и миллионолетий.

А В ЭТО ВРЕМЯ

Бактериофаги поставят на ноги парализованных

Профессор Сенг-Вук Ли из Калифорнийского университета в Беркли ( США ) полагает, что с помощью вирусов можно восстановить работоспособность нервной ткани. И тем самым лечить больных с повреждениями спинного мозга. Целебными, по мнению ученых, станут так называемые бактериофаги - вирусы, которые поражают только клетки бактерий. Хотя и способны создавать структуры, похожие на ткани в организме животных.

Идея такова: изменить генетический код бактериофага, чтобы он производил необходимые для клетки белки. Например, нейроны. Они-то и займут место поврежденных. Или соединят разорванный спинной мозг.

- Вирусы - умные материалы, - говорит Ли. - Модифицировав геном лишь одного из них, вы получаете колонию из миллиардов таких же фагов, готовых к последующему размножению.

МОСКВА, 19 янв – РИА Новости. Биологи нашли свидетельства того, что вирусы обладают некой формой коллективного разума и умеют распознавать "метки", которые оставляют в клетках их конкуренты и родичи, и руководствоваться ими при принятии решений, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Эти бктериофаги (вирусы, поражающие бактерий), содержат в себе две программы поведения. Одна заставляет клетку производить огромное количество своих копий и запускает в ней программу самоуничтожения, а при включении второй он интегрируется в ее ДНК и уходит в "глубокое подполье" с возможностью возрождения в будущем", — объясняет Нонья Париенте (Nonia Pariente), молекулярный биолог и редактор журнала Nature Microbiology.

Солдаты вечной войны

Болезни и инфекции не являются чем-то, чем страдает только человек и другие многоклеточные существа – между бактериями и вирусами уже несколько сотен миллионов лет идет беспрерывная война на выживание. Следы этой войны можно встретить повсеместно – в каждом миллилитре морской воды содержится до миллиарда "боевых вирусов"-бактериофагов, и примерно 70% морских микроорганизмов заражены ими.

За миллиарды лет эволюции вирусы научились обходить внимание защитных систем микробов, а последние – разработали своеобразный генетический "антивирус", систему CRISPR-Cas9, которая находит следы вирусной ДНК в геноме микроба и заставляет его совершить суицид для защиты соседних бактерий. Вирусы ответили на эти меры "эволюционной обороны", создав анти-антивирус, подавляющий CRISPR-Cas9, и биологическая гонка вооружений продолжилась.

Ротем Сорек (Rotem Sorek) из Института науки Вейцманна в Реховоте (Израиль) и его коллеги нашли еще один крайне интересный пример "оружия", изобретенного вирусами, изучая то, как работает бактериофаг phi3T, заражающий обычных бацилл (Bacillus subtilis).

Изначально ученые пытались понять совсем другую вещь – то, как микробы оповещают друг друга о присутствии вируса и готовятся к отражению его атаки. Как считали ученые, зараженные бактерии выделяют в окружающую среду специальные сигнальные молекулы, которые сигнализируют другим микробам в их колонии об опасности.

Для проверки этой Сорек и его коллеги вырастили колонию бацилл, заразили их phi3T, после чего отфильтровали жидкость, которую выделяли микробы во время заражения колонии. Часть этого раствора биологи добавили в новую колонию бактерий, предполагая, что те сигнальные молекулы, которые их погибшие товарки выделяли в питательную среду, подготовят их к новой атаке вирусов и защитят от заражения. Реальность оказалась совершенно иной.

Тайные сигналы

Выяснилось, что короткие белковые молекулы arbitrium, которые биологи выделили из этого раствора, на самом деле были предназначены для общения вирусов друг с другом, а не бактерий, и их "авторами" были не микробы, а их непрошенные гости.

Эти молекулы, как показали эксперименты израильских генетиков, заставляют вирус "переключиться" с одной программы размножения на другую. В присутствии arbitrium вирусы "уходят в подполье", встраиваясь в ДНК бактерий вместо того, чтобы бурно размножаться в них и уничтожать клетки.
Переключение программы происходит по той причине, что arbitrium блокирует работу вирусного белка AimR, отвечающего за запуск процедуры размножения вирусной ДНК и растворения стенок бактерии.

Зачем это нужно вирусам? Подобная система сигналов, как объясняют ученые, работает как своеобразная форма коллективного разума вирусов, который позволяет им гибко координировать свое поведение. Когда вирусов мало, им выгоднее активно размножаться, заражая новых бактерий и убивая их, однако со временем их становится слишком много и бактерии начинают коллективно реагировать на заражение, или же число бацилл падает до крайне низких значений.

В этот момент вирусы переключаются на альтернативную программу заражения, используя сигналы, подобные arbitrium, и "скрываются в толпе", выжидая новый удобный момент для заражения. По словам Сорека, его команда обнаружила более сотни других молекул, похожих на arbitrium и AimR, в других вирусах-бактериофагах, что говорит о том, что многие или даже все вирусы умеют "общаться" с себе подобными.

Возможно, что аналогичные системы существуют и в вирусах, заражающих человека, и их наличие могло бы объяснить, как ВИЧ и ряд других ретровирусов прячутся в клетках при попытке их изгнать из организма. Если ученым удастся найти молекулу, которая заставит ВИЧ навечно "окопаться" в клетке и не выходить оттуда, то проблема борьбы с ним будет решена.

Ничтожное существо, о котором еще в начале 2020 года мир людей не имел почти никакого представления, сегодня правит людьми. Нечто неосязаемое влияет на самое существенное — оно лишает нас денег, привычек, границ, политики, покоя и близких людей. Оно вынуждает нас скрываться, бояться, спорить и бороться. Наконец, от этого нечто, как выясняется, зависит чуть ли ни все — сама по себе наша жизнь, которой, как казалось, мы еще на днях умели самостоятельно распоряжаться. Что оно такое?

Сергей Нетесов и Сергей Мостовщиков. Интервью на самоизоляции

— Сергей Викторович, как получилось, что молекулярная биология стала делом вашей жизни?

— Это был, так сказать, набор зигзагов. Прежде всего, в школе у нас была очень хорошая учитель химии. Я ведь очки ношу с пяти лет, и для меня эти очки всегда служили своего рода оправданием: я интересовался всякими интересными такими штуками. Химия в школе была не просто интересная, она шла с экспериментами. Я этими экспериментами очень увлекался, задачки решал, ну и попал сначала на городскую олимпиаду, занял там второе место. Потом на областную олимпиаду, и там занял второе место. В итоге попал в физматшколу Новосибирского университета на химию, опять же. А когда поступил в университет, произошел у меня первый такой толчок.

Я познакомился еще с несколькими людьми — студентами и аспирантами, постарше меня лет на пять, которые тоже были этим делом заражены. И когда я делал свою дипломную работу на четвертом курсе, это был уже такой полный фанатизм. Мы ночевали на работе в креслах, чтобы не упустить нужный момент в своих экспериментах. Тема у меня была в то время такая, химико-биологическая: реакция аденозинтрифосфата (АТФ) с образованием циклического трифосфата на конце. Трифосфат этот потом раскрывался, и за счет этого можно было получать всякие производные АТФ с интересными биологическими свойствами.

— А почему вам казалось это важным? Вы себя видели таким властелином как бы мира?

— Понимаете, когда какие-то вещи происходят не в воображении, а в пробирке, и их результат логически понятен,

ты себя чувствуешь не властелином мира, конечно, но человеком, который в биологии по крайней мере может чем-то управлять.

Свою научную жизнь во ВНИИМБ я начал как раз с того, что научился очищать, то есть выделять в чистом виде один из вирусов, такой вполне безопасный — вирус энцефаломиокардита мышей, с ним можно было работать на столе, без всех этих биобезопасных причиндалов. Я его очистил, показал электрофорезом, что белки там все чистенькие, выделил нуклеиновую кислоту и экспериментально доказал, что ее можно получить в гомогенном, чистом виде.

В итоге я научился очищать вирусы очень даже хорошо.

Потом занялся темой, связанной с вирусом гриппа. Его надо было не просто очистить, не просто разложить на составные части, а секвенировать его геном (определить последовательность нуклеотидов. — Ред.). Это был один из первых подобных проектов в стране. Я, конечно, далеко не всю эту работу делал сам, у меня сложилась к тому времени своя неформальная команда, с которой мы в итоге выяснили, что вирус гриппа действительно эволюционирует, и даже показали места, в которых происходят изменения. Более того, там мы обнаружили интересную штуку. Выяснилось, что главный белок вируса гриппа, который связывается с клеткой, образует на ее поверхности тримеры, верхушки которых выглядят, как сжатый человеческий кулак с такими пятью костяшками, и именно на этих костяшках случаются основные эволюционно значимые замены аминокислот.

То есть фактически мы своими руками создали живую вакцину от гепатита B, это был 1991 год.

— Поправьте меня, если я не прав: это что же — создание жизни своими руками?

— Ну если громко говорить, то да. Но, по сути, это воспроизводство живого вируса с помощью методов генной инженерии.

Фото: Кирилл Кухмарь / ТАСС

В статистике — черная дыра

— В девяностые годы, пока еще были реактивы, мы умудрились первыми в мире секвенировать геном вируса Марбург (вызывает геморрагическую лихорадку Марбурга. — Ред.) и вторыми в мире — геном вируса Эбола. Ну то есть наша работа на эту тему была опубликована второй, а вообще-то мы действовали независимо.

Потом реактивы в стране кончились. Три четверти моих тогдашних соратников уехали за рубеж.

Ежегодно от всех болезней органов дыхания у нас гибнут от 60 000 до 94 000 человек. Цифра большая.

Но вы идете вглубь этой статистики и вдруг обнаруживаете, что там — черная дыра! Там нет информации об их конкретных причинах. Что их вызвало?

Вот у меня внук пролежал месяц назад с довольно суровой бактериальной пневмонией. Выяснилось, что она бактериальная, знаете как? Ему экстренно стали давать антибиотики, и на второй день он ответил на лечение, ему получшало. И параллельно сделали посев, результат получили на четвертые сутки, выяснилось, что у него бактерия определенного вида. Через неделю внука выписали, он здоров. Но ему в диагнозе всего этого не написали!

Вот и получается, что пневмония у нас в России безымянная.

И сейчас, когда люди говорят: да я этим коронавирусом в октябре или ноябре уже переболел, что нам делать с этими догадками? Чем это все доказывать?

Ну хорошо, взяли бы в качестве объекта для такого же мониторинга институт Склифосовского в Москве. Ну там же не 100 тысяч больных пневмонией. Реально же исследовать хотя бы 500 человек на шесть вирусов и на пять–семь бактерий. По крайней мере, будет яснее, каково соотношение возбудителей этих пневмоний, какие лекарства наиболее предпочтительны в условиях России, и главное — от чего именно делать вакцины в первую очередь.

Вот мы смотрим: такие данные в Китае есть, они есть в Корее, в Германии, в Италии. А у нас нет. Почему?

Нам хватает компьютерной томографии?

Набор российских реагентов на выявление коронавируса COVID-19. Фото: РИА Новости

— То есть вы считаете, что мы сейчас ошибаемся и идем не слишком верным путем?

— На пути-то мы находимся правильном, только с огромным количеством ошибок. Причем интересно, что вот с Америкой мы все время ругаемся, а ошибки совершаем ровно те же самые. Сначала, как и американцы, мы сказали, что тест-системы будут только государственными. Упустили время, не дали коммерческим компаниям сделать свои тест-системы. Решили сначала, что тестировать надо только людей с симптомами заболевания, а теперь выясняется, что бессимптомников в разы, на порядки больше, они не изолированы, а значит, способны заразить гораздо большее количество людей.

Наконец, только сейчас одобрен тест на антитела, то есть на способность организма конкретного человека противостоять коронавирусу.

А ведь это чуть ли не главный вопрос: насколько популяция людей в принципе иммунозащищена от этой болезни.

Есть ведь тут еще и такая тонкость: давно известны четыре вида коронавирусов, которые десятилетиями уже заражают людей и в большинстве случаев вызывают заболевания легкой или средней тяжести. Так вот у двух из них, так называемых бета-коронавирусов, есть антигенный перекрест с нынешним коронавирусом. Не очень большой, но существует вероятность того, что люди, которые переболели двумя обычными бета-коронавирусами, у них какой-то иммунитет теперь все-таки существует. Поэтому вот еще задачка научная: быстро оценить, так это или не так. В Калифорнии вот только что оценили. И выяснилось, что около 3% имеют антитела к этому вирусу уже сейчас. Но там вспышка была весьма серьезная и более месяца назад.

— А мы способны сейчас в России решать какие-то серьезные научные задачки?

— Я скажу так. Конечно, сейчас не те времена, когда наши вирусологи, эпидемиологи и вакцинологи считались одними из лучших в мире. Когда-то мы могли на своей территории сами все делать, не нужны были американцы и европейцы, чтобы совершать крутые открытия и решать все основные проблемы. Сейчас этого нет. Чтобы догнать то, что делается сейчас в мире, нужны очень большие вливания. Вот посмотрите. Китайцы за время эпидемии этого коронавируса секвенировали уже около 1800 изолятов вируса. У нас в России сделана только пара десятков.

Но специалистов-то мы таких готовим! Вот я двадцать пять лет читаю курс вирусологии в нашем Новосибирском университете. Попадаются шикарные просто студенты. Они здесь доходят до кандидатов наук и получают результаты, близкие к мировому уровню. А потом им по 35 лет. Молодежный грант они тут уже не получат. Лабораторию им так просто не дадут. Для нее надо откуда-то получить кучу оборудования:

это же не информатика, здесь ноутбуком не обойдешься. Стандартная молекулярно-биологическая лаборатория — это миллионов на сорок оборудования.

Плюс реактивы нужны. Ну и что получается? Здесь он имеет зарплату 40 тысяч, а едет постдоком в Германию и получает в шесть раз больше, сразу. А оборудование и реактивы там уже есть. Да еще и на гранты там имеет право подавать.

Конечно, мы можем стать передовой вирусологической державой. Но для этого ученых-биологов нужно перестать считать айтишниками, и гранты им предлагать побольше числом и денежкой.

— Могу ошибаться, но мне кажется, для этого не только ученых, но и сами по себе вирусы надо считать чем-то другим?

— Благодаря молекулярной биологии, сейчас можно изучать сообщества микроорганизмов. И это изучение принесло такие неожиданные данные: если посчитать все бактерии, которые сидят у нас на коже, во рту, в кишечнике и так далее, то по численности это будет больше в несколько раз, чем число клеток нашего организма. Второй момент. Оказывается, взрослый человек вообще не может жить без этого, потому что наше существование — это симбиоз между человеком и минимум 50–70 видами бактерий. Причем имейте в виду: примерно половину видов этих бактерий вообще не удается культивировать в чашке Петри — они живут особым образом, только в сообществе. Более того. У нас в кишечнике живут микробы в том числе очень болезнетворные, например, бактерия, которая вызывает столбняк. Она там находится и не приносит нам никакого вреда. Но если она попадает к нам в кровь, она становится смертельной. И таких видов несколько.

Встает вопрос: мы где живем? Это вообще мир людей или мир микробов? Я в этом вопросе серьезен абсолютно.

Человек оказывается не самостоятельной сущностью, а такой вот полезной системой, в которой удобно жить совсем другим существам.

Наконец, про вирусы. В кишечнике, например, находят целую кучу вирусов, бактерий. Судя во всему, они там играют роль регуляторных элементов. То есть когда одной бактерии становится сильно много, ее вирус ее уничтожает, количество падает. Фактически это элементы защиты одних бактерий от других бактерий. То есть вся эта история про то, что вирусы — паразиты, с которыми надо только бороться, она, мягко говоря, не совсем верна. Выясняется, например, что вирусы переносят генетическую информацию, обмен этой информацией между бактериями без плазмид и вирусов невозможен.

нам, наверное, не хочется считать себя просто приспособлениями для размножения бактерий и вирусов.

Но мы тогда хотя бы должны успокоить себя тем, что у нас есть мозг, способность как-то осмыслить происходящее, принять тот факт, что мы живем тут не одни, а в неком сообществе, которое действует по не слишком понятным нам пока законам.

— Можете привести пример такого непонимания?

— Ну давайте посмотрим на примере клещевого энцефалита. Его когда-то не было в европейской части России. Его открыли в 1937 году, а изучать распространение начали только с конца 80-х. Обнаружили три подтипа — сибирский, дальневосточный и центральноевропейский. Выяснили, что эти подтипы начинают расползаться. Наш сибирский подтип находят сейчас и в Подмосковье, и в Чехии, и в Германии. Появились даже конспирологические теории, что это мы им туда завезли. Начали выяснять. И что оказалось. Германия, например, стала такой страной очень зеленой, гуманной, решили не убивать оленей, поощрять диких животных, кормушки ставить. Но ведь эти животные — кормовая база клещей, клещи — переносчики энцефалита.

Так что, можно и так сказать: клещи регулируют уровень гуманизма.

И как их численность уменьшить сейчас, а оленей не трогать?

Сергей Нетесов

Второй момент. Китайцы после атипичной пневмонии взялись за летучих мышей. Начали секвенировать у них все вирусы, какие только можно. Стали сравнивать с образцами давно известных человеческих коронавирусов, открытых еще в 60-е годы. И выяснилось: у летучих мышей есть близкие родственники этих вирусов. Это говорит о том, что переход вирусов из дикой природы на человека шел давно. И он продолжает развиваться. Мы просто впервые в нашей жизни увидели вот этот перескок прямо при нас. Это и есть один из результатов нашего взаимодействия с природой.

— Ну судя по происхождению нынешнего коронавируса, Китай взаимодействует с природой либо более тесно, либо как-то специфически.

— Я когда читаю лекции, привожу простой пример. Вот в Китае есть провинция Гуандун, в которой возник ТОРС-коронавирус, вызвавший вспышку атипичной пневмонии. Эта провинция имеет территорию размером с Новосибирскую область. У нас живут 2,9 миллиона человек, там — 115. Чтобы прокормить Новосибирскую область куриным мясом, нужно каждый год вырастить примерно семь с половиной миллионов бройлеров. Чтобы прокормить Гуандун, надо 300 миллионов кур. А еще свиньи, утки и коровы.

Плюс они завезли туда в свое время пальмовых циветт, это такие дальние родственники мангустов. У них интересный мех, вкусное мясо, плюс что-то такое они брали у них для народной медицины. Держали их в открытых вольерах, там были крыши, на крышах — летучие мыши. Так что, можно сказать, китайцы вирус атипичной пневмонии сделали собственными руками. На рынке в Ухане с коронавирусом наверняка произошло что-то похожее. Природа, она не то чтобы отомстила, просто там, где тонко, там она и прорывается.

— Ну вот она прорвалась тем или иным способом. И что миру людей делать в этой связи?

• Первый — искоренять вирус карантином, как это сделал Китай и как это заканчивает делать Корея. Как ни странно, единственная большая страна, где это может не получиться, — Соединенные Штаты. Слишком круто там все пошло.
• Второй путь — додавить коронавирус вакциной.
• Третий путь — большие страны эту ситуацию могут не удержать: до вакцины далеко, а карантин они в силу демократии в должной мере организовать не смогут. Тогда большое количество людей переболеет, получит иммунитет, и когда прослойка этого населения дойдет примерно до уровня 50 процентов, эпидемия затухнет сама по себе. Это как дрова полили водой — и они сами гаснут. Судя по всему, именно этот сценарий для ряда стран становится сейчас актуальным. Мы поймем это в ближайшее время.

Фото: РИА Новости

В любом случае, следует присмотреться к опыту Германии, в которой люди сейчас проходят тест на антитела и им собираются выдавать сертификаты.

Их иммунный статус — это их пропуск на работу, фактически в новую жизнь. С этим пропуском они пойдут спасать человечество,

потому что от экономического спада может умереть гораздо больше народа, чем от самой болезни.

— Как бы то ни было, но природа уже изменила мир людей и еще больше изменит его. Как именно?

— Я думаю, что наконец-то люди, которые нами управляют, поймут, что не там они ищут врага.

Власти наконец-то обратят внимание на жизненную необходимость мониторинга природных инфекций животных, а не только человека. Человек должен изменить свое отношение к природе: не только к растениям и животным, но и к микроорганизмам.

Ну а те, кто не хочет учиться, хотя бы запомнят, что надо почаще мыть руки и иметь с собой средства гигиены. Чтобы таким людям поскорее оказаться в новом мире, предлагаю провести небольшой опыт. Последите за собой двадцать минут. Сколько раз вы трогаете лицо руками? Каких мест касаетесь пальцами на улице? Может быть, это чему-то научит, приведет к каким-то видимым изменениям в городах и в быту. Появится намного больше бесконтактных кранов, самооткрывающихся дверей и так далее.

Может быть, в результате эпидемии мы вообще, как ни странно, будем меньше болеть и больше думать. Причем не только о себе, а о большом мире, в котором мы на самом деле живем.