Что нам в первую очередь приходит в голову, когда мы слышим про вирусы? Вы наверняка подумали о компьютерных вирусах — вредоносных программах, которые портят компьютер. Но ведь не просто так говорят заболевшему, скажем, гриппом: «Это вирусное, потому и температура 39!». Наверное, настоящие вирусы связаны с болезнями и эпидемиями, а компьютерные так назвали по аналогии. А вот кто такие эти настоящие — сейчас будем разбираться.
Почему вирусы так называются? Оказывается, слово «вирус» имеет латинское происхождение и означает — что бы вы подумали? — яд! Незавидное название…
И неудивительно, ведь долгое время вирусы связывали исключительно с опасными заболеваниями, всегда заразными, а иногда и смертельными. Известно, например, что египетский фараон Рамзес V умер от оспы в XII веке до н. э.
(на рисунке 1 приведена фотография головы мумии фараона). Правда, тогда никто не знал, что чёрная оспа — заболевание вирусной природы.
Кстати, первую вакцинацию провели именно против оспы, в 1796 году. Английский врач Эдвард Дженнер заметил, что доярки, переболевшие коровьей оспой (это не смертельное для человека заболевание), от чёрной оспы никогда не умирали.
Тогда ему в голову пришло привить от этого смертельного заболевания восьмилетнего мальчика, Джеймса Фиппса, никогда не болевшего чёрной оспой (рис. 2). У заболевших коровьей оспой на коже образуются пустулы, или, по-другому, гнойные пузырьки.
Дженнер внёс в ранку мальчика жидкость из пустул больной доярки. Пустулы появились и у Джеймса, но скоро исчезли. Тогда врач заразил мальчика чёрной оспой.
«Смелый», надо сказать, поступок — результат был непредсказуем! Но Джеймс выжил и приобрёл иммунитет, а Эдвард Дженнер и термин «вакцинация» (от лат. «vacca», что означает «корова») вошли в историю.
Но и Дженнер не имел представления о том, что является причиной заболевания оспой. В XIX веке все болезнетворные организмы и вещества без разбора называли вирусами.
Лишь благодаря опытам отечественного биолога Дмитрия Иосифовича Ивановского прекратилась эта путаница! Он пропускал экстракт заражённых табачной мозаикой1 растений через бактериальные фильтры, сквозь которые не проходят даже самые мелкие бактерии.
Выяснилось, что экстракт оставался по-прежнему заразным для других растений. Значит, возбудителями табачной мозаики были организмы, меньшие по размеру, чем бактерии; их назвали фильтрующимися вирусами.
Вскоре бактерии перестали называть вирусами, а сами вирусы выделили в отдельное царство живых организмов. Дмитрий Ивановский же во всём мире по праву считается основателем вирусологии — науки о вирусах.
Но что мы пока поняли про вирусы? Только то, что они меньше бактерий. Чем же вирусы так не похожи на другие организмы? И почему понадобилось вдруг их выделять в отдельное царство? А вот почему.
В отличие от других живых организмов, вирусы не имеют клеточного строения, а значит, и всех характерных для клетки структур. А ещё они единственные, кто не умеет самостоятельно производить белок, главный строительный материал всего живого.
Поэтому их размножение невозможно вне заражённой клетки. Из-за этого многие учёные не без оснований считают вирусы внутриклеточными паразитами.
Жертвами различных вирусов становятся представители всех без исключения существующих царств живых организмов! Так, есть вирусы растений — вирус табачной мозаики (рис.
3, слева), вирус мозаики костра (это растение изображено на рисунке 3, справа), вирус желтухи свёклы, вызывающий иногда даже эпидемии. Кстати, в растение вирус просто так не проникнет. Заражение происходит при травмах растительных тканей.
Типичный пример: тля пьёт сок из стебля и для этого протыкает покровные ткани — а вирус тут как тут.
Грибы тоже поражаются вирусами, вызывающими, например, побурение плодовых тел у шампиньонов или изменение окраски у зимнего опёнка. Причиной многих опасных заболеваний животных и человека тоже служат вирусы: вирус гриппа, ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), вирус Эбола, вирус бешенства, герпеса, клещевого энцефалита и т. д.
Есть даже вирусы, поражающие бактерии, их называют бактериофагами2. Так, в конце XIX века исследователи из Института Пастера заметили, что вода некоторых рек Индии обладает бактерицидным действием, то есть способствует снижению роста бактерий. И достигалось это благодаря присутствию в речной воде бактериофагов.
Как же «живёт» вирус? В действительности, среди учёных до сих пор ведутся споры по поводу того, считать ли вирусы живыми организмами или нет. Сейчас поймём, почему. Вирус существует в двух формах. Вне хозяйской клетки все части вируса собраны в устойчивую конструкцию — вирион.
Он не проявляет признаков жизни, однако «переживает» неблагоприятные условия среды, и довольно успешно. Если такой вирион проникает в клетку-мишень, то он там «раздевается». Раздевается — значит разваливается на части и эксплуатирует клетку для создания новых частиц — своего потомства.
«Собранные» клеткой новые вирусные частицы затем покидают её в виде тех самых вирионов.
Если вирионы — не клетки, то как же они устроены? Оказывается, все вирусы имеют красивую симметричную оболочку. Это может быть спираль, как у уже знакомого нам вируса табачной мозаики (рис. 4, слева). А может быть выпуклый многогранник, как, например, у вирусов мозаики костра (рис. 4, в центре) , герпеса (рис. 5, слева) и др.
Вирион мозаики костра по форме напоминает футбольный мяч (рис. 4, справа). Но мало того, у некоторых вирусов бывают ещё и дополнительные «навороты» — так, у аденовируса А человека есть шипы, отходящие от вершин вириона, вроде стержней с утолщениями на концах (рис. 5, в центре). А бактериофаг похож на многогранник со спиралью и ножками (рис.
5, справа).
Такая затейливая оболочка должна, наверно, служить защитой для чего-то? И правда, за ней скрывается наследственная информация вируса — её он передаёт потомству. Заражая клетку, некоторые вирусы не только размножаются там, но и безнадёжно её «портят».
В итоге клетка или погибает, или ведёт себя неправильно. Пример такого неправильного поведения — раковая опухоль. Клетки в ней бесконтрольно делятся, тогда как нормальные клетки всегда способны вовремя остановиться.
Вирусы могут служить причиной развития рака.
Но не стоит думать, что вирусы причиняют исключительно вред другим организмам! Так, исследователи из Пенсильванского университета показали, что безвредный для человека вирус AAV2, встречающийся почти у всех людей, убивает самые разные виды раковых клеток. При этом здоровые клетки организма вирус не заражает.
А совсем недавно стало известно, что вирусы тоже болеют. Мимивирус, поражающий амёбу Acanthamoeba polyphaga, сам страдает от другого вируса-спутника (рис. 6). Он, кстати, так и называется — Спутник.
Этот вирус-спутник использует механизмы воспроизводства мимивируса для собственного размножения, мешая ему нормально развиваться в клетке амёбы. По аналогии с бактериофагами, он был назван вирофагом, то есть пожирающим вирусы.
Можно сказать, что присутствие вируса-спутника в амёбе обеспечивает ей больше шансов на выживание в борьбе с мимивирусом.
Уф… на этом месте предлагаю пока остановиться. Итак, узнав чуть больше про вирусы, мы, надеюсь, не станем судить их очень строго, понимая, что иногда они могут быть полезны, и не только нам! А вообще вирусология — молодая наука. Многое, конечно, уже известно, но сколько всего ещё предстоит узнать! Присоединяйтесь!
1 Распространённое вирусное заболевание растений табака. 2 Бактериофáги, или фáги (от др.-греч. φαγω — «пожираю») — вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки.
Паразиты: какова природа вирусов и почему они возникают все чаще
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.
Начались всесторонние исследования, во время которых был открыт вирус гепатита Е. Его основное проявление — «желтуха». Сейчас появилась вакцина и различные методы профилактики этой инфекции. Тогда в эпицентре событий работал эпидемиолог Михаил Фаворов.
Михаил Фаворов, эпидемиолог, доктор медицинских наук
«Я многократно бывал в центре эпидемических вспышек — в Африке, Азии, Индии. Но та, в городе Дашогуз на севере Туркмении, была, пожалуй, одной из самых тяжелых и напряженных. Помню, мы развернули 30-коечную реанимацию для тяжелобольных беременных. Такая эпидемия напоминает ситуацию во время войны, только война — это эпидемия травматизма, а здесь борьба происходит с невидимым врагом».
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.
История болезни
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.
Микробиолог 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.
Кадр из сериала «Дождь»
© imdb
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.
Другое дело, что основная часть вирусов зоонозна, то есть переносится от животных к людям, и полностью искоренить такой вирус вряд ли удастся. Первая его передача от животного к человеку называется кроссвидовым переходом.
Так, всем известный вирус гриппа сначала переносили птицы, и только во время Первой мировой войны случился переход на человеческую популяцию, вызвавший эпидемию «испанки», в результате которой умерли десятки миллионов людей.
За последние 20 лет мы наблюдаем уже третью попытку перехода коронавируса на человека. Вакцина, конечно, будет найдена, считает Михаил Фаворов, но не стоит ждать, что «переходы» коронавируса и других зоонозных инфекций прекратятся даже при совершенствовании медицины.
Рецепты с летучей мышью
«Взять одну летучую мышь, варить в кипящем кокосовом молоке около 15 минут с зеленым луком, морковью и специями» — так звучит рецепт апокалиптичного супа, одного из множества китайских деликатесов. Летучие мыши в Китае продаются засушенными и используются в качестве средства альтернативной медицины.
Именно эти существа стали причиной возникновения вспышки эпидемии SARS (атипичной пневмонии) в 2003-м, лихорадки вируса Эбола в 2014-м и коронавируса COVID-19. Фильм Стивена Содерберга «Заражение» прекрасно проиллюстрировал цепочку случайностей, которая привела к эпидемии, похожей на вспышку смертельного вируса Нипах в Малайзии в конце 1990-х годов.
Все началось также с летучей мыши, вирус перешел на свиней, а затем на человека.
«Вспышка эпидемий — это не просто случайность, а стечение обстоятельств, — рассказывает Михаил Фаворов. — И все они вызваны изменениями в окружающей среде. Человечество, ранее никогда не контактировавшее с летучими мышами достаточно близко, вдруг полезло в пещеру, изловило их.
Затем мышей принесли в какое-то место, обработали, возможно, люди даже спали с ними в одном помещении. Зоонозные инфекции обычно передаются при двух условиях: большая доза патогена и достаточно близкий контакт. Еще одним стимулом может быть то, что в этом году у мышей была так называемая эпизоотия — вспышка инфекции.
А это значит, что на человека попала большая доза — миллионы вирусных частиц. Среди этих частиц всегда находится вариация, которая прикрепляется на рецептор в человеческом организме и попадает внутрь клетки.
Причем первый контакт самый тяжелый и часто приводит к гибели первого заразившегося, потому что все системы и ферменты другие, вирус совершенно не приспособлен к человеку и быстро ведет к разрушению организма. Сами же мыши не болеют, а служат только переносчиками».
Кадр из сериала «Вирус»
© imdb
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.
Коронавирус можно назвать в некотором роде эйджистским — болезнь в единичных случаях затрагивает детей, а умирают в основном пожилые люди. Одна из теорий, выдвинутая экспертами, говорит о том, что существует некий рецептор, который появляется только у взрослых.
Этот «предательский» рецептор помогает вирусам прикрепиться к клетке в большом объеме. Но это пока только гипотеза, и, чтобы подтвердить ее, нужно проделать огромную работу по изучению вирусов. Их структура сложна и многообразна.
Вирусы различаются по форме, по механизму репликации (поражения организма), но самая большая разница в том, что часть вирусов обладает основной нуклеиновой кислотой — ДНК, а другая часть содержит РНК.
Это две разные «природы», и разница между ними гораздо больше, чем между слонами и бактериями — и те и другие хотя бы имеют клетки, которые содержат ДНК.
Вспышка эпидемий — это не просто случайность, а стечение обстоятельств.
Каждый вирус обладает своей особенностью, которую он использует для паразитирования на живом существе, и от этого взаимодействия зависит, к чему приведет заболевание.
Если вирус «наш», антропонозный, то глобальных эпидемий он, как правило, не вызывает (за редким исключением той же оспы). Он вызывает болезнь, которая приводит, например, к хроническому заболеванию, как в случае гепатита B и ВИЧ.
Если вирус зоонозный, то он так или иначе приводит к вспышке эпидемии.
Защита
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.
«Способы защиты от вируса в глобальном и локальном смысле зависят от того, как распространяется вирус и какова его природа, — объясняет Михаил Фаворов. — Во время вспышки гепатита Е вирус передавался через воду, так что целесообразным было прекратить любой контакт с водой.
Когда происходит респираторная вспышка, как сейчас, то ее сложнее контролировать. Китайцы поступили очень грамотно: они изолировали многомиллионный город. Это древний проверенный метод борьбы с эпидемией, который был найден еще в Средние века, когда боролись с чумой.
Нужно ждать, пока люди переболеют или «проиммунизируются», — вирус имеет свойство приспосабливаться и перестает подавать симптомы, в то время как организм человека вырабатывает против него антитела.
Когда людей с антителами будет более 30%, то можно говорить о том, что эпидемия скоро закончится».
- 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.
- «Респираторная маска вполне может защитить, но проблема в том, что надежна она всего 20 минут», — напоминает Фаворов.
Кадр из фильма «Парень из пузыря»
© kinopoisk.ru
Гонка вооружений
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.
В микробиологии это называют гонкой вооружений между вирусом и человеком — когда вирус привыкает, а человек разрабатывает более изощренный вид вакцины. Это можно отнести к вирусу гриппа, способному постоянно изменять свои антигенные структуры, ускользая от иммунитета или вакцины.
Например, изначально был грипп А, от которого была изобретена вакцина. Но микроскопические существа, точнее их нуклеиновые кислоты, подобрали ключ к существованию в организме. Так появился грипп типа В. Но далеко не все вирусы могут «декодировать» вакцину.
Например, вирус кори, к которому есть вакцина, не меняется столетиями и не может выжить в организме при наличии антител.
Высшая цель
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.
Кадр из фильма «Эпидемия»
© imdb
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.
Вирусы среди нас
ПостНаука
Совместно с издательством «Питер» мы публикуем отрывок из книги Фрэнка Райана «Таинственный геном человека», посвященной описанию работы генома различных организмов и попытке понять, что такое жизнь.
Когда меня спрашивают, полиовирус – это живое или неживое существо, я всегда отвечаю «да». Экард Виммер
В 2002 году Экард Виммер – знаменитый вирусолог немецкого происхождения, всю жизнь проработавший в Америке, и его коллеги поразили весь мир, когда сумели восстановить из разрозненных компонентов у себя в лаборатории вирус полиомиелита. За 20 лет до этого Виммер первым секвенировал геном этого вируса.
Даже сегодня очень сложно точно сказать, что мы имеем в виду под термином «вирус», и с течением времени ситуация лишь усложняется. Например, недавно были открыты гигантские вирусы с 1000 или более генов, что делает их гораздо более сложными организмами (с генетической точки зрения), чем некоторые бактерии.
Возможно, вместо того чтобы давать вирусам определения, разумнее было бы изучить некоторые из их базовых свойств.
Все вирусы кодируются геномами, равно как и все живое на нашей планете, от бактерий до млекопитающих. Большинство вирусных геномов строится на основе ДНК, но некоторые – на основе РНК. На самом деле вирусы – это единственные организмы, использующие РНК-код.
Это заставляет некоторых биологов думать, что вирусы могли появиться на гипотетическом этапе эволюции, известном как РНК-мир, который, как считают сторонники этой теории, предшествовал нашему миру, построенному на базе ДНК. РНК в отличие от ДНК может реплицироваться без помощи белковых энзимов.
Соответственно для перехода от первичного бульона химических веществ к самовоспроизведению на основании РНК потребовался бы совсем крохотный шаг. Вирусы являются облигатными паразитами, то есть всегда рождаются в клетках своих носителей. Они умирают, как и бактерии, под влиянием нагревания или токсичных химикатов.
Они также проходят жизненные циклы, включающие репродуктивную фазу, что является еще одной базовой характеристикой живого организма. Следующий и, вероятно, самый важный вопрос звучит так: развиваются ли вирусы в соответствии с установленными эволюционными механизмами? Да, именно так они и делают.
Геномы вирусов мутируют быстрее, чем геномы любых других известных нам организмов. Этим частично объясняется, почему человеческому организму так сложно бороться с вирусом ВИЧ-1. Через год или два после инфицирования в одном пациенте развиваются миллионы различных модификаций вируса.
Сами по себе вирусы не обладают эпигенетическими системами наследования, но иногда, проникая в ядра клеток носителя, они захватывают его систему. Способны ли они на гибридизацию? И снова можно привести множество ярких примеров – вспомните хотя бы новые пандемические вирусы гриппа, которые регулярно сеют панику во всем мире.
Доступна ли вирусам симбиотическая эволюция, или, говоря научным языком, генетический симбиогенез? Ниже я расскажу, почему они являются идеальным примером этого явления.
Итак, почему некоторые ученые настаивают, что вирусы нельзя отнести к живому миру? Насколько я понимаю, это представление развивалось исторически на основании неверной предпосылки о возникновении вирусов.
Когда в середине ХХ века ученые пытались дать определение жизни, мы знали о вирусах еще очень мало, и биологи пришли к договоренности о том, что минимальным требованием к признанию организма живым должно являться наличие клеточной мембраны, внутри которой содержатся энзимные и биохимические средства для обмена веществ.
Мне кажется, что создатели этого определения специально приложили усилия, чтобы исключить вирусы из понятия живого.
Почему существо, имеющее клеточную мембрану, считается живым, а существо с вирусной оболочкой – нет? Что касается требования о наличии внутреннего обмена веществ, то на это способно лишь небольшое количество так называемых автотрофных бактерий.
Выживание всех прочих форм жизни, включая нас самих, зависит от основных аминокислот, жирных кислот и витаминов, которые они получают из других организмов. Некоторые ученые считают, что вирусы следует исключить из мира живого из-за их паразитической природы, но ведь и многие виды бактерий также являются облигатными паразитами.
Еще одной неверной идеей, возникшей во время создания «клеточного» определения жизни, было представление о том, что некоторые вирусы, например бактериофаги и ретровирусы, развились из обломков генома хозяина, которые приобрели новые характеристики.
Мне кажется, что, учитывая современное понимание эволюции вирусов, эта теория не выдерживает критики.
Существуют свидетельства, указывающие на то, что бактериофаги и ретровирусы являются потомками древних линий вирусов, которые развивались (разумеется, в тесном симбиотическом союзе со своими носителями, который вирусологи называют коэволюцией) в течение многих столетий.
Во время создания определения жизни биологи не имели представления о строении генома. Теперь, когда мы обладаем этой информацией, о теории развития вирусов из генома носителя можно забыть раз и навсегда. Если фаги и ретровирусы действительно являются обломками хозяйского генома, большинство генов в нем и в геноме вирусов должны совпадать.
Вместо этого мы видим нечто абсолютно противоположное – большинство вирусных генов встречаются исключительно в эволюционных линиях вирусов. Вирусы – это невероятно креативные эволюционные создания, способные создавать новые гены самостоятельно. При наличии генетического сходства между вирусом и его хозяином обмен генами, скорее всего, будет куда интенсивнее проводиться в направлении от вируса к носителю.
СПИД называют чумой нашего времени. К этому заболеванию приводит заражение ретровирусом ВИЧ-1. Даже в семействе вирусов, насчитывающем множество странных членов, ретровирусы кажутся необычными.
Приставка «ретро» в их названии указывает на то, что они действуют в нарушение устаревшей догмы о жестком порядке перехода от генов к белку через информационную РНК.
Ретровирусы не только имеют геномы, основанные на РНК, а не на ДНК, но и обладают собственными энзимами, способными превращать вирусную РНК в комплементарную ДНК-последовательность перед введением генома в ядро клетки-носителя.
Этот процесс также является ключом к пониманию того, как ретровирусы изменяют эволюционную историю носителей, которых они инфицируют. С эволюционной точки зрения ретровирус способен «захватить» зародышевые линии клеток своего хозяина и таким образом вступить в генетический симбиоз с ним, создав новый голобионтический геном, состоящий из ретровируса и генома человека.
ВИЧ-1, основной возбудитель заболевания, часто распространяется при незащищенном половом контакте (вагинальном, анальном или оральном). Вирус проникает в организм человека через ткани слизистых.
Он также может напрямую попасть в кровь, если зараженный и здоровый человек воспользуются одним и тем же оборудованием для инъекций, и передаться от матери ребенку во время беременности, родов и кормления грудью.
Даже на этом эпидемическом этапе, когда вирус действует как эгоистичный генетический паразит, уже можно говорить о начале симбиотической эволюции. Международные исследования показали, что скорость прогрессирования болезни у зараженных людей зависит от подтипа гена человека, известного под названием HLA-B.
Это один из генов, определяющих характер иммунного ответа при трансплантации органов. Распределение подтипов HLA-B по человеческой популяции влияет на эволюцию вируса, а сам вирус за счет летальности некоторых подвидов одинаковых подтипов генов изменяет генофонд человечества.
Точно так же, как колибри и цветы, люди и вирусы влияют на эволюцию друг друга. Именно такого паттерна можно ожидать от симбиотического эволюционного развития.
Это не означает, что вирус одновременно не развивается самостоятельно или того же не происходит с человечеством.
В то же время естественный отбор начинает влиять не только на людей и вирусы по отдельности, но и на симбиоз в целом. Вирусологи называют этот паттерн паразитического взаимодействия коэволюцией.
С симбиологической точки зрения мы наблюдаем, как союз, начавшийся с паразитизма, со временем может превратиться во взаимовыгодное сотрудничество.
Вирус ВИЧ-1 выборочно поражает иммунные клетки – лимфоциты, носящие название CD+T-хелперы. Мембраны этих клеток содержат важный иммуноглобулин CD4, который способствует слиянию клетки и вирусной оболочки.
Так, вирусный геном проникает в ядро, где собственный энзим вируса, называемый обратной транскриптазой, превращает РНК-геном вируса в его ДНК-эквивалент, а затем с помощью энзима интегразы интегрирует его в геном ядра. Это удивительное влияние геномов вируса и носителя является важным шагом.
После него вирус может отдать геному носителя команду производить дочерние вирусы, которые будут распространяться на другие клетки и повторять тот же процесс. Таким образом вирус будет постепенно двигаться по крови и тканям зараженного человека.
Обратите внимание на то, какую большую роль в атаке на иммунную систему носителя играет оболочка вируса, как вирус находит свою цель и как сливается с мембраной выбранной клетки, чтобы захватить ее.
По мере распространения вирус снова и снова будет использовать свою оболочку, чтобы избежать противодействия иммунной системы, при этом захватывая и убивая все больше и больше клеток с CD4. По мере развития болезни вирус достигнет такой стадии, на которой в организме каждый день будут производиться миллиарды его дочерних копий.
При этом они будут мутировать с огромной скоростью. Именно из-за этого быстрого распространения и стремительной мутационной эволюции вируса в организме зараженного человека с ним так сложно справиться без медицинского вмешательства.
Во время фазы роста вирус проникает в половые органы, семенники и яичники, а также в железы человеческого организма, делая заразными семенную жидкость, вагинальные выделения и слюну человека для максимального распространения между носителями.
Точно так же, как ретровирус вводит свой геном в клетки CD4, многие ретровирусы поступают с зародышевыми клетками своих носителей, то есть со сперматозоидами и яйцеклетками. Это можно наблюдать на примере эпидемии ретровируса, поразившей коал в восточной части Австралии примерно 100 лет назад.
Эта острая инфекция показывает нам, какой ужасной силой может обладать вирус, передающийся половым путем. Вирусологи подтверждают, что заражены уже все животные на севере страны, и эпидемия движется на юг. Со временем все коалы, кроме островных популяций, окажутся зараженными этим вирусом. Из-за вируса у животных развивается лейкемия и лимфосаркома, и уровень смертности очень велик.
Изначально биологи беспокоились, что из-за эпидемии австралийским коалам может грозить вымирание, но, судя по всему, этого не произойдет. Ретровирус уже воздействует на половые клетки коал, так что в хромосомах этих животных уже присутствует от 40 до 50 вирусных локусов, которые они передадут потомкам.
Так как голобионтический геномный союз имеет место в рамках ядерного, а не митохондриального генома, вставки ретровируса в геном коалы будут наследоваться в соответствии с классическими законами Менделя.
На сегодня вирус ВИЧ-1 еще не проник в половые клетки человека. Некоторые вирусологи полагают, что это невозможно, потому что ВИЧ принадлежит к подгруппе ретровирусов, называемых лентивирусами, которые не проходят процесс эндогенеза. Однако недавно лентивирусы были обнаружены в половых клетках европейских кроликов и мадагаскарских лемуров, которые, как и мы, являются приматами.
Станет ли ВИЧ когда-нибудь частью нашего организма – неизвестно. Мы знаем, что множество ретровирусов попадали в зародышевые линии человека и его предков и влияли на эволюцию нашего генома, поэтому около 9 % его на сегодня состоит из ретровирусной ДНК.
Ретровирусы, способные захватывать геном своего млекопитающего хозяина, называются эндогенными ретровирусами, или ЭРВ (ERV), в то время как разнообразные инфицирующие ретровирусы носят название экзогенных. Эндогенные ретровирусы человека обозначаются аббревиатурой ЭРВЧ (HER-V).
Она объединяет от 30 до 50 семейств вирусов, которые в свою очередь подразделяются на более чем 200 групп и подгрупп. Последние из этих эволюционных линий, попавшие в геном предков человека, называются HERV-K, десять их подтипов являются исключительно человеческими.
Каждое семейство и подсемейство ЭРВЧ было приобретено нами в ходе отдельного процесса геномной колонизации, вторжения, произошедшего во время поразившей наших предков ретровирусной эпидемии.
Учитывая, что мы видим сегодня на примере СПИДа и эпидемии коал, можно представить довольно мрачную картину выживания раннего человечества между волнами заболеваний.
Когда две группы ученых восстановили первоначальный геном последнего ретровируса, обосновавшегося в человеческом организме, они обнаружили, что им был крайне заразный экзогенный ретровирус, обладающий патогенным потенциалом в тканевых культурах.
Приятно понимать, что мы являемся наследниками победителей. Но сегодня нам следует учитывать последствия воздействия ретровирусов, которые все еще продолжают проникать в развивающийся человеческий геном.
Когда ретровирус захватывает половую клетку, он действует как паразит, и геном носителя начинает борьбу против его нападения. Эта борьба продолжается даже в том случае, если защитникам приходится то и дело менять оружие, когда вирусный геном уже колонизировал зародышевую линию и создал вирусные локусы в хромосомах.
Антитела уже не будут эффективны против такого генома, поэтому в дело вступят другие приемы деактивации вирусных локусов, например эпигенетическое глушение, о котором я расскажу подробнее в следующей главе. Но такие эпигенетические меры, как метилирование вирусных локусов, не являются окончательным решением для подавления патогенного вируса.
Для постоянного глушения потребуются мутации – либо наносящие вред вирусным генам и регуляторным регионам, либо вводящие нежелательные генетические последовательности в вирусный геном.
В то же время постоянное присутствие вирусного генома в зародышевой линии носителя, зачастую в виде множества копий, распределенных по хромосомам, вводит новые возможности для симбиотического генетического взаимодействия между двумя разными геномами. С течением времени количество таких возможностей возрастает.
Обратите внимание: несмотря на то, что вирус и его носитель являются независимыми субъектами эволюции, они знакомы друг с другом. Более того, они имеют общую паразитическую историю, в течение которой вирус сумел создать множество стратегий для манипулирования иммунной системой носителя и физиологией его клеток.
Во всех этих стратегиях важную роль играет вирусная оболочка, кодируемая вирусным геном env.
В то же время человеческий геном, и в частности его защитные системы (некоторые из них являются неизменными, а некоторые – крайне изменчивыми и адаптивными), также разработал много способов отслеживания и обезвреживания вирусов, их инородных белков и генов.
В рамках локусов ЭРВЧ, которые представляют собой целые геномы вирусов, встроенные в человеческие хромосомы, мутации «глушат» различные вирусные гены уже многие миллионы лет. Из-за этого ранние поколения генетиков игнорировали все вирусные компоненты как «мусорную ДНК».
Однако сегодня мы знаем, что многие вирусные локусы остаются активными различными способами. Ретровирусы имеют собственные регуляционные последовательности, называемые длинными концевыми последовательностями (LTR).
В вирусных локусах, встроенных в человеческую хромосому, LTR-последовательности представляют собой пограничные участки локуса – регулирующие механизмы, способные захватывать контроль над расположенными поблизости генами.
Кроме того, они способны взаимодействовать с другими генетическими последовательностями, включая эпигенетические и регуляторные. Нам также известно, что большие участки генома под названием LINE и SINE структурно связаны с ЭРВЧ и, как показал профессор Вильярреал, координируют с ним свою работу.
ЭРВЧ, LINE и SINE составляют примерно 45% человеческого ДНК. Это ведет к возникновению ряда важных вопросов. Какую роль ретровирусное наследие играет в голобионтической эволюции человеческого генома, в нашей эмбриологии и повседневной физиологии, включая нашу подверженность заболеваниям?
Об авторе: Dr Frank Ryan – Medical Adviser to Sheffield PCT; Honorary Research Fellow in Evolutionary Biology, Department of Animal and Plant Sciences, Sheffield University.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru 12.07.2017
Вирусы разумны? Чего они добиваются? Вот что об этом знает наука
Два месяца продолжается пандемия нового коронавируса. Каждый уже считает себя экспертом в этой теме. А вам известно, что вирус нельзя убить? Он не живет, поэтому его можно только сломать, разрушить. Вирус не существо, а скорее вещество. Но при этом вирусы умеют общаться, кооперироваться и маскироваться. Эти и другие удивительные научные факты собрали наши друзья из проекта Reminder.
Социальная жизнь вирусов
Ученые открыли это всего три года назад. Как часто бывает, случайно.
Цель исследования заключалась в том, чтобы проверить, могут ли бактерии сенной палочки предупреждать друг друга об атаке бактериофагов — особого класса вирусов, избирательно поражающих бактерии.
После добавления бактериофагов в пробирки с сенной палочкой исследователи зафиксировали сигналы на неизвестном молекулярном языке. Но «переговоры» на нем вели совсем не бактерии, а вирусы.
Оказалось, что после проникновения в бактерии вирусы заставляли их синтезировать и рассылать по соседним клеткам специальные пептиды. Эти короткие белковые молекулы сигнализировали остальным вирусам об очередном удачном захвате.
Когда число сигнальных пептидов (а значит, и захваченных клеток) достигло критического уровня, все вирусы, как по команде, прекратили активное деление и притаились. Если бы не этот обманный маневр, бактерии могли бы организовать коллективный отпор или полностью погибнуть, лишив вирусы возможности паразитировать на них дальше.
Вирусы явно решили усыпить бдительность своих жертв и дать им время для восстановления. Пептид, который помог им это сделать, назвали «арбитриум» («решение»).
Дальнейшие исследования показали, что вирусы способны принимать и более сложные решения. Они могут жертвовать собой во время атаки на иммунную защиту клетки, чтобы обеспечить успех второй или третьей волны наступления.
Они способны скоординированно передвигаться от клетки к клетке в транспортных пузырьках (везикулах), обмениваться генным материалом, помогать друг другу маскироваться от иммунитета, кооперироваться с другими штаммами, чтобы пользоваться их эволюционными преимуществами.
Велика вероятность, что даже эти удивительные примеры — лишь вершина айсберга, считает Ланьинь Цзэн, биофизик из Техасского университета. Изучить скрытую социальную жизнь вирусов должна новая наука — социовирусология.
Речь не идет о том, что вирусы обладают сознанием, оговаривается один из ее создателей микробиолог Сэм Диас-Муньос.
Но социальные связи, язык коммуникации, коллективные решения, координация действий, взаимопомощь и планирование — это признаки разумной жизни.
Разумны ли вирусы?
Может ли обладать разумом или сознанием то, что даже не является живым организмом? Есть математическая модель, которая допускает такую возможность. Это теория интегрированной информации, разработанная итальянским нейробиологом Джулио Тонони.
Он рассматривает сознание как соотношение количества и качества информации, которое определяется специальной единицей измерения — φ (фи). Идея в том, что между совершенно бессознательной материей (0 φ) и сознательным человеческим мозгом (максимум φ) протянулся восходящий ряд переходных состояний.
Минимальный уровень φ есть у любого объекта, способного принимать, обрабатывать и генерировать информацию. В том числе у таких безусловно неживых, как термометр или светодиод.
Раз они умеют преобразовывать температуру и свет в данные, значит, «информационность» для них такое же фундаментальное свойство, как масса и заряд для элементарной частицы. В этом смысле вирус явно превосходит многие неживые объекты, поскольку сам является носителем (генетической) информации.
Сознание — более высокий уровень переработки информации. Тонони называет это интеграцией. Интегрированная информация — нечто, качественно превосходящее простую сумму собранных данных: не набор отдельных характеристик предмета типа желтого цвета, округлой формы и теплоты, а составленный из них образ горящей лампы.
Принято считать, что на такую интеграцию способны только биологические организмы. Чтобы проверить, могут ли адаптироваться и набираться опыта неживые объекты, Тонони вместе с группой нейробиологов разработал компьютерную модель, напоминающую аркадную игру для ретроконсоли.
Роль подопытных выполняли 300 «аниматов» — 12-битные юниты с базовым искусственным интеллектом, симуляцией органов чувств и двигательного аппарата. Каждому задали произвольно сгенерированные инструкции работы частей тела и запустили всех в виртуальный лабиринт.
Раз за разом исследователи отбирали и копировали аниматов, которые демонстрировали лучшую координацию. Следующее поколение наследовало от «родителей» тот же код. Его размер не менялся, но в него вносились случайные цифровые «мутации», которые могли укрепить, ослабить или дополнить связи между «мозгом» и «конечностями».
В результате такого естественного отбора через 60 тысяч поколений эффективность прохождения лабиринта у аниматов возросла с 6 до 95%.
У аниматов одно преимущество перед вирусами: они умеют самостоятельно передвигаться. Вирусам приходится перемещаться от носителя к носителю на пассажирских местах в слюне и других физиологических выделениях. Но шансов повысить уровень φ у них больше.
Хотя бы потому, что вирусные поколения сменяются быстрее. Оказавшись в живой клетке, вирус заставляет ее штамповать до 10 тысяч своих генетических копий в час.
Правда, есть еще одно условие: чтобы интегрировать информацию до уровня сознания, нужна сложная система.
Насколько сложной системой можно назвать вирус? Посмотрим на примере нового коронавируса SARS-CoV-2 — виновника нынешней пандемии. По форме он похож на рогатую морскую мину. Снаружи – сферическая оболочка из липидов.
Это жиры и жироподобные вещества, которые должны защищать его от механических, физических и химических повреждений; именно они разрушаются от мыла или санитайзера. На оболочке — давшая ему название корона, то есть шиповидные отростки из S-белков, с помощью которых вирус проникает в клетку. Под оболочкой — молекула РНК: короткая цепочка с 29 903 нуклеотидами.
(Для сравнения: в нашей ДНК их больше трех миллиардов.) Довольно простая конструкция. Но вирусу и не нужно быть сложным. Главное — стать ключевым компонентом сложной системы.
Научный блогер Филип Бушар сравнивает вирусы с сомалийскими пиратами, захватывающими на крошечной лодке огромный танкер. Но по сути вирус ближе к легковесной компьютерной программе, сжатой архиватором.
Вирусу не требуется весь алгоритм управления захваченной клеткой. Достаточно короткого кода, который заставляет работать на него всю операционную систему клетки. Для этой задачи его код идеально оптимизирован в процессе эволюции.
Можно предположить, что внутри клетки вирус «оживает» ровно настолько, насколько позволяют ресурсы системы. В простой системе — он способен делиться и контролировать обменные процессы.
В сложной (как наш организм) — может задействовать дополнительные опции, например, достичь такого уровня обработки информации, который по модели Тонони граничит с разумной жизнью.
Чего хотят вирусы?
Но зачем вообще вирусам это надо: жертвовать собой, помогать друг другу, совершенствовать процесс коммуникации? Какова их цель, если они не живые существа?
Как ни странно, ответ имеет прямое отношение к нам. По большому счету вирус — это ген. Первостепенная задача любого гена — максимально копировать себя, чтобы распространиться в пространстве и времени.
Но в этом смысле вирус мало чем отличается от наших генов, которые тоже озабочены прежде всего сохранением и тиражированием записанной в них информации. На самом деле сходство даже больше. Мы сами немного вирусы. Примерно на 8%.
Столько вирусных генов в составе нашего генома. Откуда они там взялись?
Есть вирусы, для которых внедрение в ДНК клетки-носителя является необходимой частью «жизненного цикла». Это ретровирусы, к которым относится, например, ВИЧ. Генетическая информация у ретровируса зашифрована в молекуле РНК.
Внутри клетки вирус запускает процесс создания ДНК-копии этой молекулы, а затем встраивает ее в наш геном, превращая его в конвейер по сборке своих РНК на основе этого шаблона. Но бывает так, что клетка подавляет синтез вирусных РНК. И вирус, встроившись в ее ДНК, теряет способность делиться.
В таком случае вирусный геном может стать генетическим балластом, передающимся новым клеткам. Возраст самых старых ретровирусов, чьи «ископаемые останки» сохранились в нашем геноме, — от 10 до 50 млн лет. За годы эволюции мы накопили около 98 тысяч ретровирусных элементов, которыми когда-то заражались наши предки.
Сейчас они составляют 30–50 семейств, которые подразделяются почти на 200 групп и подгрупп. По подсчетам генетиков, последний ретровирус, сумевший стать частью нашей ДНК, инфицировал человеческую популяцию около 150 тысяч лет назад. Тогда наши предки пережили пандемию.
Что реликтовые вирусы делают сейчас? Одни никак себя не проявляют. Или нам так кажется. Другие работают: защищают человеческий эмбрион от инфекций; стимулируют синтез антител в ответ на появление в организме чужеродных молекул. Но в общем миссия вирусов гораздо значительнее.
Как вирусы общаются с нами
С появлением новых научных данных о влиянии микробиома на наше здоровье мы стали осознавать, что бактерии не только вредны, но и полезны, а во многих случаях жизненно необходимы.
Следующим шагом, пишет в «Истории инфекций» Джошуа Ледерберг, должен стать отказ от привычки демонизировать вирусы.
Они действительно часто несут нам болезнь и смерть, но цель их существования — не уничтожение жизни, а эволюция.
Как в примере с бактериофагами, гибель всех клеток организма-носителя обычно означает для вируса поражение.
Гиперагрессивные штаммы, которые слишком быстро убивают или лишают подвижности своих хозяев, теряют возможность свободно распространяться и становятся тупиковыми ветвями эволюции. Вместо них шанс размножить свои гены получают более «дружелюбные» штаммы.
«По мере развития в новой среде вирусы, как правило, перестают вызывать тяжелые осложнения. Это хорошо и для организма носителя, и для самого вируса», — говорит нью-йоркский эпидемиолог Джонатан Эпстейн.
Новый коронавирус так агрессивен, потому что он лишь недавно преодолел межвидовой барьер. По словам иммунобиолога Акико Ивасаки из Йельского университета, «когда вирусы впервые попадают в человеческий организм, они не понимают, что происходит».
Они — как аниматы первого поколения в виртуальном лабиринте. Но и мы не лучше.
При столкновении с неизвестным вирусом наша иммунная система тоже может выйти из-под контроля и ответить на угрозу «цитокиновым штормом» — неоправданно мощным воспалением, разрушающим собственные ткани организма.
(Именно в такой гиперреакции иммунитета причина многих смертей во время пандемии испанского гриппа 1918 года.) Чтобы жить в любви и согласии с четырьмя человеческими коронавирусами, вызывающими у нас безобидную «простуду» (OC43, HKU1, NL63 и HCoV-229E), нам пришлось адаптироваться к ним, а им — к нам.
Мы оказываем друг на друга эволюционное влияние не просто как факторы среды. Наши клетки непосредственно участвуют в сборке и модификации вирусных РНК. А вирусы напрямую контактируют с генами своих носителей, внедряя свой генетический код в их клетки. Вирус — это один из способов общения наших генов с миром. Иногда этот диалог дает неожиданные результаты.
Появление плаценты — структуры, соединяющей плод с материнским организмом, — стало ключевым моментом в эволюции млекопитающих. Трудно представить, что необходимый для ее формирования белок синтицин кодируется геном, представляющим собой не что иное, как «одомашненный» ретровирус. В древности синтицин использовался вирусом для уничтожения клеток живых организмов.
История нашей жизни с вирусами рисуется бесконечной войной или гонкой вооружений, пишет антрополог Шарлотта Биве. Этот эпос строится по одной схеме: зарождение инфекции, ее распространение через глобальную сеть контактов и в итоге ее сдерживание или искоренение. Все его сюжеты связаны со смертями, страданиями и страхами. Но есть и другая история.
Например, история о том, как у нас появился нейронный ген Arc. Он необходим для синаптической пластичности — способности нервных клеток формировать и закреплять новые нервные связи. Мышь, у которой отключен этот ген, не способна к обучению и формированию долговременной памяти: отыскав сыр в лабиринте, она уже на следующий день забудет к нему дорогу.
Чтобы изучить происхождение этого гена, ученые выделили белки, которые он производит.
Оказалось, что их молекулы самопроизвольно собираются в структуры, напоминающие вирусные капсиды ВИЧ: белковые оболочки, защищающие РНК вируса.
Затем выделяются из нейрона в транспортных мембранных пузырьках, сливаются с другим нейроном и выпускают свое содержимое. Воспоминания передаются как вирусная инфекция.
350–400 млн лет назад в организм млекопитающего попал ретровирус, контакт с которым привел к формированию Arc. А теперь этот вирусоподобный ген помогает нашим нейронам осуществлять высшие мыслительные функции. Может, вирусы и не обретают сознание благодаря контакту с нашими клетками. Но в обратную сторону это работает. По крайней мере, сработало один раз.
Понравился материал? Подпишитесь на еженедельную email-рассылку Reminder!
Загрузка...
