Вокруг Света 2006 №11

Идеальные паразиты

В середине XIX века граница между живым и неживым, столетиями не дававшая покоя ученым и философам, была наконец определена. Живые существа могут быть больше грузовика или меньше пылинки, жить в вечных льдах или кипящем гейзере, проводить всю жизнь в странствиях или намертво прирастать к одному месту, могут никогда не видеть солнечного света и как огня бояться воздуха. Но у всех у них есть общая черта: они состоят из клеток, в крайнем случае — из одной. Этот закон был сформулирован в 1838 году Теодором Шванном. Но спустя полвека ученые обнаружили архикрошечные организмы — вирусы, которые в поле этого закона не попадали. Они способны вызывать такие серьезные заболевания, как оспа и корь, бешенство и полиомиелит, что вполне оправдывает их название, которое переводится с латинского как «яд».

Паразитические организмы, к каким бы разновидностям живого они ни принадлежали, всегда устроены проще, чем их свободно живущие родственники. Растения-паразиты могут утратить зеленый цвет и способность к фотосинтезу, а животные — потерять органы чувств, конечности, иногда даже пищеварительную систему, и все равно будут жить. А вот вирусы обогнали в этом вопросе всех: у них нет почти ничего своего. Вне зараженной клетки вирус представляет собой капсулу, внутри которой находится несколько генов, иногда даже не соединенных вместе, как, например, у вируса гриппа. Их оболочка состоит из белковых молекул, которые умеют опознавать клетку-жертву, цепляться к ней, а некоторые вирусы даже проделывают отверстие в клеточной мембране жертвы и активно впрыскивают сквозь нее свое содержимое. Примечательно, что эти «паразиты» могут обойтись даже без своего белкового скафандра. Так, в эксперименте очищенные нуклеиновые кислоты вирусов сохраняли способность заражать клетки. Вот, собственно, и все. Больше они не умеют ничего — остальное делают гены вируса. (Правда, в некоторых случаях сама клетка начинает помогать вирусу, поглощая его и растворяя.)

Здесь нужно сказать несколько слов о носителях вирусных генов. У всех организмов, от бактерии до человека, есть два вещества, способных нести генетическую информацию, — ДНК и РНК, причем основным носителем является именно ДНК, а РНК служит только для недолго живущих рабочих копий. У вирусов же полная свобода выбора: у одних гены представлены цепочками ДНК, у других — РНК.

Когда эти цепочки проникают сквозь мембрану, они могут работать прямо в цитоплазме, заставляя клеточный аппарат для синтеза белка (рибосомы) производить вирусные белки. Но у клетки в цитоплазме обычно нет ферментов, удваивающих ДНК или РНК, и пока вирусные гены будут находиться здесь, их количество не прибавится. Наоборот, оно может уменьшиться, ведь в цитоплазме их окружают ферменты-нуклеазы, способные быстро порезать чужака на куски. Поэтому обычно вирусные гены мигрируют в ядро и встраиваются в собственные хромосомы клетки. Неважно, куда именно, в любое случайное место — лишь бы побыстрее.

Если клетку посетил ДНК-вирус, проблем нет: вставка маленького кусочка ДНК в большую молекулу для клеточных ферментов — дело обычное. РНК-вирусам приходится сложнее: их гены вставить напрямую в ДНК невозможно. Поэтому они снимают с себя ДНК-копии, которые уже и внедряются в хромосомы клетки. Для этого у РНК-вирусов есть специальный фермент — ревертаза, или обратная транскриптаза.

Дальше события могут развиваться по нескольким сценариям. Самый простой — острая инфекция: в ядре захваченной клетки во множестве копируются гены вируса, а в цитоплазме рибосомы без передышки штампуют для них «одежки» — вирусные белки. Некоторые вирусы облачаются в них прямо внутри клетки, другие предпочитают делать это снаружи. В таком процессе задействованы те же силы межмолекулярных взаимодействий, которые собирают молекулы минералов в кристаллы: белки, объединенные в капсуле и начиненные нуклеиновыми кислотами, имеют меньше свободной энергии, чем в виде отдельных молекул. Если разобрать вирусную частицу на молекулы и предоставить их самим себе, через некоторое время из них сам собой соберется жизнеспособный вирус. Если перемешать составные части нескольких сходных вирусов (скажем, разных штаммов гриппа), они сами соберутся как попало: в капсуле, образованной белками одного штамма, могут оказаться гены другого. Скорее всего, и частицы каждой капсулы, и гены внутри нее будут принадлежать разным штаммам.

В конце концов клетка, все ресурсы которой брошены на производство новых экземпляров паразита, погибает (некоторые бактериофаги даже намеренно убивают клетку-хозяйку, растворяя специальными ферментами ее мембрану), а наработанное ею войско вирусов устремляется на завоевание новых клеток. Впрочем, «устремляется» — выражение фигуральное: вне клетки вирус перестает проявлять признаки живого существа. Он не использует никаких веществ, не потребляет энергию, неспособен к активному передвижению, и в нем вообще ничего не происходит. То есть живет он только тогда, когда находится в клетке и может пользоваться ее биохимическими системами. Такой способ существования известный вирусолог Брайан Махи назвал «жизнью взаймы».

Об уязвимости получателя

Столь странный способ существования не избавляет вирусов от следования общему закону эволюции паразитов: при длительном использовании одного и того же вида-хозяина они постепенно уменьшают свою вредоносность. В самом деле, какая польза паразиту губить своего хозяина, ведь он тогда и сам погибнет или, по крайней мере, будет вынужден искать новое пристанище? Поэтому вирус со временем становится все «добрее»: проникая в клетку, он уже не убивает ее и не доводит до истощения, а встраивается в ее геном и потихоньку производит собственные копии, выпуская их во внешнюю среду. Мало того: такие «приручившиеся» вирусы препятствуют заражению того же организма сходными вирусами «диких» штаммов, словно оправдывая слова персонажа известной пьесы Евгения Шварца: «Единственный способ избавиться от драконов — это иметь своего собственного».

Эту идиллию, однако, омрачает одно обстоятельство: притихший вирус может в один прекрасный день вернуться к ремеслу убийцы. Иногда это происходит словно бы ни с того ни с сего — из-за непредсказуемой его мутации или какой-то особой уязвимости конкретного получателя. Например, при исследовании полиомиелита было обнаружено, что эта болезнь развивается примерно у одного из тысячи зараженных людей: остальные носят вирус в организме и выделяют его в окружающую среду, но не болеют. Но гораздо чаще это случается, когда неагрессивный вирус попадает в организм другого вида или даже другой популяции того же вида-хозяина. Еще в период колониальных завоеваний было замечено, что многие тропические лихорадки выкашивали пришлых европейцев, в то время как аборигены либо вообще не болели ими, либо болели редко и в стертых формах. При переходе к другому виду разница в поведении вируса становится еще заметнее: печально известный в последние годы птичий грипп вызывает быструю гибель домашней птицы, в то время как дикие утки и чайки носят в себе самые смертоносные штаммы безо всякого вреда. Напугавший три года назад планету вирус SARS («атипичной пневмонии») оказался мирным приживалом китайских виверр (семейство куньих). А возбудителя СПИДа — вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) — мы получили от обезьян — колобусов и шимпанзе. Надо ли говорить, что им он не причиняет никаких неудобств?

Кристаллы из организмов

В конце 1880-х годов молодой ассистент Ботанической лаборатории Петербургской АН Дмитрий Ивановский изучал странную напасть, поразившую табачные плантации южной Украины и Бессарабии. На листьях растений появлялись мозаичные пятна, увеличивавшиеся в размерах и перекидывавшиеся на здоровые листья. Это явно походило на неизвестное инфекционное заболевание. Однако, пытаясь понять его природу, ученый столкнулся с неожиданной трудностью: возбудителя странной болезни не удавалось ни разглядеть в микроскоп, ни вырастить на питательной среде. Однако инфекционный характер заболевания не вызывал никаких сомнений: сок больных листьев исправно заражал здоровые. Тогда исследователь применил только что изобретенную «свечу Шамберлана» — фарфоровый фильтр с предельно мелкими, в полмикрона, порами. Ни одна бактерия, ни одна самая мелкая клетка не могла протиснуться сквозь это сито. И тем не менее пропущенный через него сок сохранял способность заражать!

Вирусы табачной мозаики имеют форму удлиненного цилиндра. Внутри белкового чехла находится свернутая спираль РНК

Этого гипотетического возбудителя Ивановский назвал «фильтрующейся бактерией» за способность беспрепятственно проходить через самые тонкие фильтры. Несколько позже голландский ученый Бейеринк, независимо от Ивановского открывший микроорганизмы с такими свойствами, предложил термин «фильтрующийся вирус» (от латинского слова virus, означавшего «яд, вредоносное начало»). Увидеть его непосредственно не удавалось ни под каким увеличением, но Ивановский разглядел в пораженных клетках какие-то странные микроскопические кристаллы. В здоровых клетках они никогда не встречались, и ученый предположил, что это могут быть скопления таинственного возбудителя. Опубликованная в 1892 году работа русского микробиолога была принята мировой наукой с энтузиазмом: к этому времени стали известны многие инфекционные болезни, возбудителей которых не удавалось ни разглядеть, ни вырастить в культуре. Даже великий Пастер не смог выделить возбудителя бешенства (что не помешало ему создать эффективную вакцину против этой болезни). Но вот «кристаллы Ивановского» вызвали откровенный скепсис: представить себе кристаллы, состоящие из живых организмов, ученым конца XIX века было не под силу. Только в 1935 году американский вирусолог Уэнделл Стенли, выделив вирус табачной мозаики в чистом виде, доказал, что тот действительно может складываться в кристаллы и вновь распадаться на отдельные вирусные частицы, не теряя способности к заражению. Двумя же годами раньше был изобретен электронный микроскоп, позволивший наконец воочию увидеть возбудителей-невидимок. Но окончательно разобраться в природе вирусов удалось только во второй половине ХХ века — после понимания роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.

Приданое в виде вируса

Исследования в природе показали, что практически у всех живых существ есть свои «ручные» вирусы. Мало того: характерные «вирусные» последовательности нашлись и в хромосомах растений и животных, получить от которых соответствующие вирусы не удалось. Судя по всему, жить в геноме и неспешно размножаться — это еще не самое удивительное. Высший класс — это не размножаться совсем. При этом вирусы все равно будут переданы по наследству потомству хозяина, к которому вместе с необходимыми генами перейдут и странные нуклеотидные последовательности, не кодирующие никакие белки...

В свое время ученые были поражены, какая огромная доля генома животных и человека никогда не считывается. Этой части ДНК (получившей прозвище «мусорной») приписывались самые разные функции: регуляторная, резервная, защитная... Сейчас уже известны даже некоторые косвенные подтверждения того, что она в самом деле играет определенную роль в нормальном функционировании клетки. Это не исключает, однако, того, что изрядную ее часть составляют бывшие вирусы, отказавшиеся от всякой собственной жизнедеятельности и пассивно копирующиеся вместе с геномом хозяина.

Выжить любым способом

У тех вирусов, которые не отказались от самостоятельного существования, жизнь не столь легка и беззаботна: между ними и заветной клеткой, где они могут ожить, стоит целый ряд барьеров. Прежде всего вирус должен найти организм-хозяин, что само по себе непростая задача для того, у кого нет ни органов чувств, ни средств передвижения. В этом деле вирусы полагаются на случай и огромную численность: если выбрасывать в пространство бесчисленное множество собственных копий, какой-нибудь из них обязательно повезет.

Следующее препятствие — внешние покровы. Если бактериофаги имеют дело сразу с клеточной мембраной, то, скажем, вирусам наземных позвоночных противостоит плотное покрытие из многих слоев мертвых сухих клеток. Преодолеть этот барьер вирусы не в состоянии, и потому в наши организмы они могут попасть только через слизистые оболочки (дыхательных путей, пищеварительного тракта или половых органов) либо при прямом введении в кровь — скажем, комариным хоботком или нестерильным шприцем. Но и этот путь небезопасен: слизистые оболочки выделяют слизь, смывающую вирусы. Кровь же патрулируется сразу несколькими типами иммунных клеток, задача которых вылавливать любой чужеродный белок. Если вирус появился в организме в первый раз, иммунной системе нужно некоторое время, чтобы наработать нужное количество антител — белковых молекул, связывающихся именно с этим вирусом. Но достаточно одной встречи, чтобы антитела остались в крови, и в следующий раз «знакомый» вирус будет тут же опознан и уничтожен.

Для многих вирусов, например для возбудителей оспы или краснухи, эта трудность непреодолима: человек, однажды переболевший этими болезнями или привитый от них, больше никогда не заражается. Но другие вирусы выработали приемы, позволяющие раз за разом обманывать иммунитет. Например, у знакомого всем нам вируса гриппа оболочка состоит из белков двух типов — гемаглютинина (H) и нейраминидазы (N). Ими вирус берет на абордаж клетки-жертвы и по ним же его опознают антитела. Однако при изменении хотя бы одного из ключевых белков имеющиеся антитела ничего не смогут поделать с таким вирусом, и человек почти гарантированно заболевает. Так начинались пандемии гриппа — «испанка» 1918—1919 годов, «сингапур» 1957 года, «гонконг» 1968-го. Штаммы, которые их вызвали, так и обозначают по типам ключевых белков: H0N1, H2N2, H3N2... Но даже если сами белки не модифицировались, простое изменение их расположения в вирусной оболочке тоже сбивает иммунную систему с толку: интенсивность связывания вирусов антителами резко падает и может оказаться ниже темпов размножения вируса. С 1968 года в мире циркулирует штамм H3N2, давным-давно знакомый нашим антителам, что не мешает ему каждую зиму собирать свою дань со всех стран. А, например, у вируса полиомиелита капсула образована одинаковыми «блоками», но каждый из них сам состоит из четырех белковых цепей. Тасуя их антигенные участки, вирус ускользает от опознания.

Убийцы и снабженцы

Некоторые вирусы пришивают к краям своих белков какие-нибудь необычные группы атомов, тогда эти белки становятся неузнаваемыми для ферментов, которые должны их расщепить. Но самое радикальное решение нашли возбудители иммунодефицитов, в том числе уже упоминавшийся ВИЧ: лучшая защита — это нападение.

Ученые еще не вполне ясно представляют себе ключевые события заражения человека этим смертоносным заболеванием, но то, что уже известно, поражает воображение. Попав в организм, ВИЧ оказывается в лимфатических узлах, где его захватывают специальные клетки, задача которых удержать любого чужака до подхода полномочных «блюстителей». Вслед за тем появляются поднятые по тревоге В-лимфоциты — рядовые иммунной системы. Когда они уже вовсю работают, прибывают Т-лимфоциты. И вот тут происходит невероятное: вирус, уже обнаруженный, зафиксированный и облепленный антителами, ухитряется внедриться в Тлимфоцит и начать в нем размножаться. Пораженная клетка теряет способность выполнять свои обязанности, зато щедро раздает копии вируса своим собратьям. Не получая команд от Т-лимфоцитов, прочие иммунные клетки не могут справиться с вирусами, и в конце концов вся иммунная система рушится. Все это напоминает крутой боевик, где уже пойманный преступник захватывает в заложники полицейского начальника и, отдавая через него свои приказы, дезорганизует все управление.

Защита и противостояние

Впрочем, ВИЧ — это все-таки исключение. Прочие вирусы, как уже говорилось, преодолевают иммунный барьер с помощью всякого рода маскировки. Чтобы с неудовольствием обнаружить, что препятствия еще не кончились: атакованная клетка вырабатывает особый белок интерферон. Под его действием и она сама, и соседние клетки вырабатывают специальные белки, подавляющие синтез вирусных белков.

Столь сложная и эшелонированная защита показывает, что многоклеточные организмы и вирусы прошли долгий путь совместной эволюции. Был период, когда вирусы считали самой древней, доклеточной формой жизни. Однако эта теория плохо состыковалась с тем, что вирус, находящийся вне клетки, неспособен к самостоятельной жизнедеятельности.

Сейчас большинство ученых придерживаются обратного взгляда: вирус — это компания беглых генов. К такому пониманию их склонило открытие в 80-х годах прошлого века «прыгающих генов» — транспозонов. Если обычный ген пребывает на своем месте в определенной хромосоме и может только меняться местами со своим коллегой из другой такой же хромосомы, то транспозоны живут по принципу «нынче здесь — завтра там». Они способны вырезать себя из общей ленты ДНК и вставлять совсем в другой участок, возможно, в другой хромосоме. Если учесть, что вирусы, встроившиеся в геном клетки, тоже могут в любой момент покинуть хозяина, то граница между вирусами и транспозонами становится довольно условной.

Кстати, переезжая на новое место жительства, вирусы нередко прихватывают с собой один или несколько хозяйских генов, перенося их в геном нового хозяина. Последствия такого «подарка» для организма-получателя могут быть очень разными: от злокачественной опухоли до новых эволюционных возможностей. Совсем недавно, например, появились данные о том, что один из ключевых генов, ответственных за формирование плаценты, возможно, был принесен в геном древних млекопитающих как часть внедрившегося вируса. Не заразись им кто-то из наших предков, мы бы могли проводить раннее детство в сумках на животах матерей.

Некоторые ученые предполагают даже, что вирусы поддерживают генетическое единство жизни: с их помощью разные, часто даже неродственные виды регулярно обмениваются генами, а заодно — и эволюционными новинками. Во всяком случае, для бактерий подобная роль вирусов доказана. Видимо, нам еще предстоит в полной мере оценить роль этих странных образований в функционировании и развитии биосферы.

Что касается борьбы с вирусами как возбудителями заболеваний, то совершенно ясно, что каждый из них требует индивидуального подхода. Их патогенность никак не связана с формой, размером или способом размножения, что осложняет лечение пациентов. Ведь даже вирусы, сходные между собой, могут стать причиной различных заболеваний. Так, пикорновирус является причиной столь непохожих заболеваний, как миокардит, конъюнктивит, гепатит или ящур. И единственно эффективным методом борьбы с ними можно считать лишь профилактические меры — вакцинацию.

Понимая всю серьезность данной проблемы, ЕС приступил к реализации Пятой рамочной программы, значительная часть исследований которой отводится вопросам, связанным с медициной. На разработку усовершенствованных или новых вакцин, в частности против вирусных заболеваний, включая некоторые виды рака, а также на совершенствование методов борьбы с инфекционными заболеваниями выделено 300 миллионов евро.

Читайте также на сайте «Вокруг Света»:

Азбука вирусного гепатита

Приходящий внезапно

Бессмертная инфлюэнца

Отступившая эпидемия

Привычка прививать

Борис Жуков