Мир вирусов больше и многообразнее мира «видимых» биологических форм, а отношения пар «хозяин и паразит» ведут не только к пандемиям, говорит современная наука

24 января 2020 года, Гессен, Марбург: Вирусолог Сандро Халбе просматривает электронно-микроскопическое изображение коронавируса MERS, близкого родственника нового коронавируса, на компьютерном мониторе в исследовательской лаборатории Института вирусологии при Университете Филиппа в Марбурге, где занимаются разработкой вакцины против патогена легких. Фото: Arne Dedert/dpa

Живое существо, похожее на программу

Вирус – это неклеточная форма жизни, считают биологи. По другой версии, менее популярной среди ученых, вирус – это набор генетической информации, или программа, окруженная защитной оболочкой.

Наличие генома, наследственность и способность эволюционировать роднят вирус с существами, состоящими из клеток. Но, в отличие от бактерий, которые являются клеточными организмами, вирусы не могут синтезировать белки, запасать или использовать энергию.

Они могут только размножаться в клетке хозяина, используя ее белковые и энергетические ресурсы. Самостоятельно, вне чужой клетки, вирус воспроизводиться не может.

При этом способ размножения отличает вирусы от всех остальных живых организмов на планете. Клетки делятся, а у вируса происходит «сборка» или «самоорганизация». Когда вирусный геном попадает в клетку, белок и нуклеиновая кислота для новой вирусной частицы формируются отдельно, а потом они объединяются.

Самопроизвольную «сборку» вирионов (полноценных, «взрослых» вирусных частиц) из белков и РНК открыли американский биохимик Хайнц Френкель-Конрат и вирусолог Робли Вильямс. Они продемонстрировали этот процесс научному сообществу в 1955 году.

Некоторые вирусы даже проникают в клетку в виде отдельных частиц, в которых содержатся фрагменты генома, рассказал вирусолог Виктор Жданов в книге «Эволюция вирусов». Такой вирус проявляет свои инфекционные свойства лишь тогда, когда в клетку попадает полный набор его частиц. Причем количество этих частиц может доходить до 28, как у некоторых вирусов, поражающих насекомых.

Вирусы открыли благодаря табаку

Модель клетки вируса ящура. Фото: Геннадий Попов/Фотохроника ТАСС

Основателем вирусологии считается российский ученый Дмитрий Ивановский. В 1892 году он опубликовал статью на немецком языке, где рассказал о своих экспериментах.

Пытаясь выяснить причину заболевания табака, он процеживал сок зараженных растений через керамический фильтр, предназначенный для бактерий. Не обнаружив патогенных микроорганизмов таким способом, ученый предположил, что имеет дело с мельчайшим инфекционным агентом, который не виден в световой микроскоп и проходит через фильтр для бактерий.

В конце XIX – начале XX века гипотеза Дмитрия Ивановского была подтверждена, а потом один за другим были открыты вирусы животных (ящур, в 1898 году), людей (желтая лихорадка, в 1901 году) и бактерий (в 1915 году).

Но увидеть вирусы биологам удалось только в 1939 году, благодаря электронному микроскопу.

Классификацию вирусов, во многом применяемую до сих пор, разработал в 1971 году американский биолог, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор.

Буквально за последние 20 лет вирусологами были сделаны новые важнейшие открытия. В центре внимания ученых оказался, в частности, виром (совокупность всего вирусного генетического материала в том или ином объекте окружающей среды, например, в килограмме морских отложений).

«Гигантская генетическая сеть» и «темная материя» из вирусов

«Свечение» вируса под электронным микроскопом. Фото: Юрий Артеменко/YAY/TASS

«Изучение виромов принесло большие неожиданности, – пишет биолог Евгений Кунин, ведущий научный сотрудник Национального центра биотехнологической информации Национальной медицинской библиотеки США. – Первой оказалась сама концентрация вирусных частиц. Поразительно, но, по крайней мере, в морской среде вирусы… оказались наиболее распространенной из биологических форм».

«Вторая крупная неожиданность – это огромное генетическое разнообразие виромов», – добавляет он. Оказалось, что биологический материал, взятый учеными для исследований, состоял в основном из «редких и уникальных генов», причем в «непредвиденных композициях».

На протяжении последних ста лет существовало три основных гипотезы происхождения вирусов: 1) из неких «первичных» генетических элементов; 2) в результате дегенерации клеток; 3) в результате «бегства» отдельных композиций генов из клеток.

В начале XXI века биологи выяснили, что большинство вирусов содержит гены, отсутствующие у клеточных организмов. Это поставило под сомнение гипотезы, согласно которым вирусы «сбежали» из клеток или возникли из-за их «дегенерации».

В последние годы появилась концепция «мира РНК», или «мира вирусов», предшествовавшего «миру клеток». Противники этой идеи задают вопрос: как паразит мог появиться раньше хозяина? Но, согласно гипотезе Евгения Кунина, первые вирусы возникли в неорганических «суррогатах» клеток.

«Мир вирусов» – это гигантская генетическая сеть, в которой гены перемешиваются и «подгоняются» друг к другу, в результате чего возникают вирусные геномы, пишет ученый в своей книге «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции».

Генетические фрагменты неизвестной природы, численно преобладающие в виромах, некоторые авторы называют «темной материей». Это материал для дальнейшей эволюции клеточных организмов, предположил Вадим Агол, член-корреспондент РАН и РАМН, главный научный сотрудник Института полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П.Чумакова.

«Морской слизень обзавелся генами водорослей»

СССР. Москва. Июнь 1962 г. Директор Института вирусологии имени Д.И. Ивановского Академии медицинских наук СССР Виктор Михайлович Жданов. Фото: Лев Портер/ТАСС

«Путешествуя» от одного хозяина к другому, вирусы способны переносить генетическую информацию между совершенно неродственными существами. «Благодаря вирусному переносу один морской слизень обзавелся генами водорослей и теперь, весь из себя такой зеленый, живет за счет фотосинтеза», – рассказал профессор биологического факультета МГУ Андрей Журавлев в интервью «Комсомольской правде».

Впервые горизонтальный перенос генов (когда генетический материал передается не потомку) был описан в 1959 году. Тогда ученые продемонстрировали передачу резистентности к антибиотикам между разными видами бактерий, говорится в статье на научно-популярном сайте «Биомолекула».

Обмен готовыми блоками генетической информации происходит в природе «в широких масштабах», он не является чем-то редким и исключительным, пишет Виктор Жданов.

При этом вирусы не только «делятся» генами между собой и с хозяевами, но и заимствуют генетическую информацию из клеток, особенно это характерно для крупных бактериофагов.

Но как бы интенсивно ни обменивались генетической информацией паразит и клетка, вирусы всегда происходят от вирусов.

А в результате обмена «запасными частями» между различными видами вирусов могут возникать новые опасные формы возбудителей заболеваний.

Вирус «учит» тлю есть «правильный» ячмень

Лабораторные исследования комаров вида Aedes, передающих вирус Зика. Фото: Felipe Dana/AP/TASS

«Взаимоотношения» вирусов со своими хозяевами могут быть весьма многоплановыми. Иногда паразиты даже приносят пользу. Например, существует трава, произрастающая в жарком климате, которая становится особенно устойчивой к высоким температурам, если заражена определенным вирусом.

Порой вирус может каким-то образом влиять на поведение хозяина. Тля, которая переносит вирус желтой карликовости ячменя, предпочитает питаться зараженными растениями, если в ее организме еще нет этого вируса.

А если вирус уже есть, то тля питается здоровым ячменем. Получается, что паразит «учит» тлю есть те растения, которые нужны для его размножения.

Длительное сосуществование вируса с определенным хозяином приводит к снижению его патогенности. А переход  к другому виду может сделать вирус более опасным.

«Например, вирус гриппа довольно безобиден для диких птиц, коронавирус – для летучих мышей, а ВИЧ – для обезьян», – отметил Вадим Агол во время открытой лекции, прочитанной в МГУ в 2013 году.

В целом, нет ни одного живого существа, которое избежало бы заражения. Даже у динозавров были обнаружены уплотнения костной ткани, вызванные вирусным заболеванием.

«Пятая колонна» внутри ДНК человека

17.03.2020. Россия. Москва. Образцы ДНК во время подготовки к исследованию — поиску патогенных мутаций — в лаборатории ДНК-диагностики Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Бочкова. Фото: Иван Юдин/ТАСС

«Человеческий геном на 9% состоит из компонентов, которые достались нам от вирусов», – рассказал Андрей Журавлев. По другим оценкам, более половины генома млекопитающих – вирусного происхождения.

«В геном интегрировались только те вирусы, которые обладали механизмом обратной транскрипции, то есть умели из РНК делать ДНК», – объяснил в интервью РИА Новости заведующий лабораторией геномной инженерии МФТИ, вирусолог Павел Волчков.

То есть РНК-содержащий вирус проникал в клетку, создавал ДНК-содержащую частицу, которая встраивалась в геном и оставалась там на века. Вирусы, способные на такую трансформацию, называются ретровирусами.

Датские исследователи обнаружили, что частью ретровирусов, некогда «прижившихся» в организме человека, являются гены ENVV1 и ENVV2. Они управляют слиянием клеток при формировании плаценты, защищают эмбрион от иммунной системы матери и от «посторонних» ретровирусов.

Другой встроенный в ДНК человека ретровирус, как выяснили российские ученые, регулирует активность гена PRODH, необходимого для нормального функционирования центральной нервной системы. Мутации этого гена «связывают с риском развития шизофрении и других психических нарушений», пишет автор исследования Мария Сунцова.

Впрочем, ретровирусы, разместившиеся внутри ДНК человека, далеко не всегда «дружелюбны». В случае «вторжения» других ретровирусов они могут предоставлять им ферменты, необходимые для жизненного цикла, к такому выводу в 2008 году пришли ученые из Гарвардской медицинской школы и Института Говарда Хьюза.

А если в организм человека попадает ВИЧ, иммунная система «помогает» патогену проникнуть в клетку, вместо того чтобы атаковать его.

По мнению микробиолога Михаила Супотницкого, ретровирусы произошли от ретро-элементов, которые «участвовали» в формировании защитных механизмов позвоночных. Поэтому иммунная система «по старой памяти» воспринимает похожие вирусы как «своих». (Мнение ученого приведено в статье на сайте «Биомолекула»)

Разница, как между слоном и кишечной палочкой

Снимок вируса COVID-19, сделанный Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний США в Мэриленде. Фото: Zuma\TASS

Самый простой вирус состоит из нуклеиновой кислоты, в которой запечатлен геном, и окружающей ее белковой оболочки.

Вирусы делят на два больших вида, в зависимости от того, какая именно нуклеиновая кислота в них содержится: ДНК или РНК. По химическому составу они очень сложны. Например, вирус полиомиелита содержит несколько сотен тысяч атомов углерода, водорода, азота и кислорода, а также несколько тысяч атомов фосфора.

«Мир вирусов» очень разнообразен. По словам Виктора Жданова, отличия между возбудителем оспы и каким-нибудь бактериофагом «не менее значимы, чем, скажем, между кишечной палочкой и слоном».

Среди РНК-содержащих вирусов самые большие и сложные – коронавирусы. 

Патогенность микроорганизма во многом зависит от его химического состава. «На поверхности вируса гриппа есть два основных белка: гамагглютинин (H) и нейраминидаза (N). Именно по комбинации этих двух белков и называются вирусы, как H5N1», – объяснил вирусолог Ричард Уэбби в интервью журналу Nature.

«Вероятность пандемии вируса H5N1 значительно ниже, чем любого другого вируса гриппа – H1, H2 или H3, потому что H5 не так заразен для людей. Но если назвать вирус, который нам не хотелось бы встречать у людей, это будет как раз H5 из-за его высокой летальности», – добавил ученый.

Как правило, каждый вирус имеет определенную «мишень» в клеточном организме. Это определенный рецептор на поверхности клетки, к которому он может прикрепиться. Поэтому вирусу гепатита «подходят» клетки печени, а вирусу полиомиелита – нейроны.

Убийцы миллионов

Фото: Anto Magzan/Zuma/TASS

Всего около 1000 известных болезней имеют вирусную природу. Вот лишь несколько примеров. Натуральная оспа, эпидемии которой опустошали Европу еще со времен Римской империи, была вызвана вирусом, возникшим в Восточной Африке 3000–4000 лет назад.

В 1905 году в Швеции началась первая крупная эпидемия полиомиелита, после чего вирус распространился и в других странах. Именно эта болезнь приковала к инвалидной коляске в 1921 году будущего президента США Франклина Рузвельта. В 1952 году в США от полиомиелита погибли 3145 человек, а парализованными остались больше 20 тысяч, пишет портал о науке Hi-News.ru.

Причиной пандемии «испанки» в 1918-1919 годах был вирус гриппа H1N1. Тогда заболели более 500 млн человек, погибли около 50 млн.

В 1957-1958 годах к пандемии привел вирус H2N2, тогда переболело от 20% до 50% населения Земли, погибли до 4 млн человек. Другой возбудитель гриппа, H3N2, вызвал пандемию 1968-1969 годов, от которой тоже погибли до 4 млн человек, пишет ТАСС.

Вирус Эбола был впервые обнаружен в 1976 году в Заире (ныне Демократическая Республика Конго). Летальность этого заболевания достигает 90%. Эпидемия 2013-2016 гг. привела к смерти 11,3 тыс. человек в Гвинее, Сьерра-Леоне и Либерии.

«Гонка вооружений» на клеточном уровне

Микробиологическая модель вируса СПИДа. Фото: YAY\TASS

Когда вирусы попадают в организм, уже в слизистой оболочке (например, носа) часть из них поглощают иммунные клетки, макрофаги. Те вирусы, которые успевают проникнуть в кровь, атакуются другими иммунными клетками – B-лимфоцитами. Часть пораженных вирусом клеток уничтожается еще одной разновидностью «бойцов» иммунной системы – Т-киллерами.

Одновременно в других зараженных клетках вырабатываются специальные белки – интерфероны, которые блокируют работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая паразиту размножаться.

Как бы то ни было, клетки хозяина могут бороться с вирусом, только нарушая собственный обмен веществ или структуру. «Все защитные реакции клетки ведут к самоповреждению», – подчеркнул Вадим Адол.

В ответ на реакцию организма в вирусе нарастает аналогичная активность, тоже направленная против клетки. Результат этой разрушительной активности вируса во многом похож на действие врожденного иммунитета – в частности, происходит угнетение синтеза белков.

Противостояние вируса и иммунной системы некоторые биологи сравнивают с «гонкой вооружений».

«Множественные, многослойные системы защиты составляют существенную часть геномов всех клеточных организмов… с другой стороны, взлом защиты – одна из основных функций генов у вирусов с большими геномами», – отметил Евгений Кунин.

Система «паразит – хозяин» постоянно эволюционирует, потому что иммунная система развивает новые защитные механизмы, а вирус – способы их «взлома», добавил он.