Вирусы попали в поле зрения ученых только в конце XIX века, и до сих пор мы знаем о них меньше, чем о любой другой группе живых существ на Земле. Долгое время велись споры относительно того, можно ли вообще считать вирусы живыми. Но единство генетического кода, белкового строения и способность к эволюции все же делают вирусы частью живой природы, прибегнувшей к очень нестандартной модели выживания.
Что такое вирус
Вирус — это носитель информации. Информация может быть записана в виде триплетов генетического кода на двух разных носителях: на двухцепочечной ДНК и одноцепочечной РНК. Как вирус передает эту информацию? Главная задача любого вируса — получить матричную РНК, с которой будут синтезироваться белки, необходимые для вируса. Матричная РНК обычно в клетках получается путем копирования информации с одной из цепочек ДНК по принципу комплементарности.
У каждой ДНК или РНК есть два конца, которые называются 3′-конец и 5′-конец, — это концы присоединения молекул сахара — рибозы или дезоксирибозы. Оба этих сахара имеют пятиугольную конфигурацию, а атомы углерода в их составе принято нумеровать от 1 до 5. Соответственно, у каждой цепочки ДНК или РНК есть направление: от одного свободного конца к другому. Молекулу ДНК можно сравнить с пожарной лестницей: две жерди и ступеньки между ними. Жерди — это длинная цепочка из чередующихся сахара и фосфорной кислоты, а ступеньки — комплементарные пары нуклеотидов. Из двух цепей ДНК только в одной записан код в правильном направлении, от 5′-конца к 3′-концу. Синтез белка тоже возможен только в направлении от 5′-конца к 3′-концу матричной РНК. Цепочки с таким направлением нуклеотидов принято называть плюс-цепочками.
Принцип комплементарности — взаимное соответствие молекул биополимеров, обеспечивающее образование связей между взаимодополняющими фрагментами молекул. Согласно этому принципу азотистые основания нуклеотидов ДНК вследствие образования водородных связей образуют парные комплексы аденин — тимин (или урацил в РНК) и гуанин — цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновой кислоты. Благодаря этому формируется устойчивая двойная спираль.
Понятие плюс-цепи и минус-цепи появилось по аналогии с позитивом и негативом при проявке кинопленки. При получении изображения на пленке сначала проявляется негатив, и только потом можно восстановить исходную картинку. Так и при копировании нуклеиновых кислот: невозможно в один шаг получить копию генетического кода. Сначала на плюс-цепочке достраивается минус-цепочка, а потом уже вторым этапом можно с минус-цепочки получить исходную плюс-цепочку. Этот механизм работает так потому, что код копируется не побуквенно, а по принципу комплементарности, и поэтому нужен промежуточный шаг в создании копии.
Большинство вирусов РНК-содержащие, и, чтобы эффективно размножиться, необходимо получить копии вирусных РНК. Но в клетках напрямую получить копии с одноцепочечной РНК крайне затруднительно, потому что нет ферментов, способных это делать. Клеточная инженерия устроена так, что все копии можно создавать только на основе ДНК. И для того, чтобы эффективно размножаться, вирусы приобрели множество специфичных механизмов и ферментов, закодированных в собственном геноме.
Некоторые вирусы с помощью фермента обратная транскриптаза на основе своей РНК создают ДНК, а потом под действием следующего фермента, ДНК-зависимой РНК-полимеразы, который в норме есть во всех клетках, копируют свою РНК. Есть вирусы, у которых появился особый фермент РНК-зависимая РНК-полимераза. Он позволяет обойти синтез ДНК и сразу создавать свои копии.
На первый взгляд, это слишком сложная схема воспроизведения генетической информации: некоторые вирусы имеют трех- или даже четырехэтапный процесс копирования своих нуклеиновых кислот. В чем же выгода? Тут можно сказать одно: так сложилась эволюция. Если способ размножения сложный, но в клетках он работает, то почему бы ему дальше не развиваться? Сейчас в классификации вирусов выделяют восемь типов. Да, они кажутся иногда головоломными — хочется сказать «могло быть проще». Но не смогло. Так получилось.
Креационисты утверждают, что весь мир должен быть создан по единому плану каким-то верховным разумом, потому что он слишком сложен. Невозможно представить себе, что жизнь образовалась случайно, как невозможно представить, что порывом ветра во время урагана из груды запчастей может быть собран самолет. Конечно, без давления естественного отбора такое себе сложно представить, но если есть многочисленные поколения и отбираются только предметы, наиболее похожие на самолет, то рано или поздно можно собрать и «Боинг».
Эту метафору можно перевернуть: случайный порыв ветра на свалке запчастей может создать множество смертельных ловушек: падающий на голову кирпич, пружина, которая ударит человека за счет того, что она чем-то случайно сжата. И вирусы — это то, что случайным образом создалось в ходе эволюции как ловушки для клетки. Все возможные комбинации, которые можно было придумать с ДНК и РНК, сложились. Хотя мы исследовали ничтожно малую часть виросферы, мы уже сейчас понимаем, что сработала комбинаторика. Если нам кажется, что какой-то механизм может работать, мы с очень большой вероятностью его откроем.
Классификация вирусов — способ систематики вирусов, предложенный Дэвидом Балтимором в 1971 году, который основывается на типе геномной нуклеиновой кислоты и способе ее репликации
Откуда взялись вирусы
Вопрос эволюции и древности вирусов строго дискуссионный. Среди ученых нет однозначной определенности. Мы предполагаем, что, как только появились бактерии, уже точно были и бактериофаги, то есть вирусы могли возникнуть одновременно с клеткой. Но прямых доказательств за отсутствием палеонтологических находок нет — мы можем судить только косвенно. У всех теорий происхождения вирусов есть свои слабые места.
Вторая версия основана на теории РНК-мира, согласно которой до появления клеточной формы жизни существовал мир внеклеточной жизни, основанный не на ДНК, а на РНК. Это был мир нуклеиновых кислот, обладающих ферментативной активностью, которые проводили сложные химические реакции и даже могли размножаться, еще не будучи клетками. Они изолировались в каких-то геологических структурах типа вулканических пузырьков или пемзы, пользовались энергией химических связей. И вирусы могут быть прямыми наследниками такого мира.
В живых организмах почти все процессы происходят благодаря белкам-ферментам. Но белки неспособны копироваться и синтезируются в клетке только на основании информации, заложенной в ДНК. В то же время удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Это замкнутый круг, из-за которого в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать не только абиогенный синтез обоих классов молекул, но и спонтанное возникновение сложной системы их взаимосвязи. В 1980 году открыли каталитическую способность РНК, и это значило, что РНК способны существовать автономно, без белков, и могли быть начальной стадией формирования жизни.
Третья теория — это теория дегенерации. Американский биолог Линн Маргулис выдвинула теорию симбиогенеза, согласно которой органоиды эукариотической сложной клетки — ядро, митохондрия, хлоропласты — это все когда-то бактериальные клетки, захваченные одной бактериальной клеткой. И тогда эукариотическая клетка — это симбиоз каких-то бактериальных клеток. Таким же путем могли появиться какие-то бактериальные паразиты, которые постепенно упростились до вирусов.
И есть еще одна теория, самая «несчастная» из всех, потому что, во-первых, она трудно доказуема, а во-вторых, в ее пользу только один не совсем научный довод: это могло быть технически, значит, это могло быть. Из-за того, что у некоторых вирусов несколько другое строение белка, не связанное со строением белков ни у клеток эукариотических, ни у прокариотических, это может быть чужеродная форма жизни, попавшая на Землю с осколками метеоритов уже после того, как на нашей планете уже появилась жизнь. Эта теория, конечно, самая минорная и противоречивая.
Линн Маргулис (1938-2011) — американский протистолог, создательница современной версии теории симбиогенеза.
Я не удивлюсь, если рано или поздно будет доказано, что все эти теории верны для разных групп вирусов, а может быть, и космическая тоже. Мы знаем ничтожное количество вирусов, причем вынужденно хорошо изучили только две группы вирусов: это вирусы позвоночных животных, вызывающие эпидемии, и некоторые вирусы культурных растений. Собственно, вирусология началась с изучения вируса табака. Очень мало известно про вирусы беспозвоночных, и только-только начали появляться какие-то данные про вирусы одноклеточных.
Недавно были открыты гигантские вирусы — мимивирус размером 400 нанометров, раньше казавшийся огромными, сейчас уступает формам размером до полутора тысяч нанометров — их видно даже в оптический микроскоп. И мы не знаем, предел ли это. Открыты вирусы-спутники, то есть вирусы, существующие внутри другого вируса. Когда вирус-хозяин внедряется в клетку, паразитный вирус внедряется вместе с ним, копирует свою нуклеиновую кислоту, копирует свои белки. И когда собирается вирион вируса-хозяина, вирион паразитного вируса собирается внутри него.
Еще идет яростный спор, являются ли вирусами вироиды — РНК, способная при попадании в клетку вести себя как вирус, но не имеющая никакой белковой оболочки. Нам также известны прионы, которые, судя по всему, к вирусам никакого отношения не имеют. Это вообще белки, самим фактом своего существования изменяющие конфигурацию других белков и вызывающие страшные заболевания: различные энцефалопатии, болезнь Крейтцфельдта — Якоба, коровье бешенство.
Болезнь Крейтцфельдта — Якоба — прогрессирующее дистрофическое заболевание коры большого мозга, базальных ганглиев и спинного мозга. Болезнь обычно поражает людей в возрасте старше пятидесяти лет с вероятностью один-два случая на миллион жителей. Вначале проявляется в форме кратких потерь памяти, изменений настроения, потери интереса к происходящему вокруг. В конечной фазе наступает расстройство зрения, галлюцинации и расстройство речи. При тяжелой форме излечение невозможно.
Вирусология начала развиваться не на уровне обнаружения феномена, а на уровне понимания молекулярно-биологических механизмов только в 60-е годы ХХ века, прошло только пятьдесят лет. Можно сказать, что мы только высадились на планету и осмотрели две точки: одна — Тадж-Махал, а другая — помойка. И у нас нет представления обо всей остальной планете. Каждый ответ задает как минимум два новых вопроса, и расширение круга нашего знания увеличивает еще и сферу нашего незнания.
Как эволюционируют вирусы
Некоторые вирусные белки имеют особую структуру. Сейчас очень модно искать филогенетические закономерности, смотреть, какие изменения произошли раньше, какие позже, и на этих основаниях судить о том, какие события в эволюции произошли раньше, а какие позже. Некоторые белки оболочки вирусов очень похожи на что-то появившееся раньше, чем даже бактериальные белки, но насколько это верно — сейчас мы судить не можем.
Для клеточной жизни уже более-менее хорошо известны различные геномы, а главное, они очень большие: миллионы, миллиарды нуклеотидных пар, которые дают много информации и позволяют делать разные выводы. Но самый маленький вирусный геном — это 2000 нуклеотидных пар, а самый большой — 1 200 000 пар. Такой информации мало: трудно восстанавливать все собрание сочинений Льва Толстого и эволюцию его взглядов по нескольким строчкам из одной книги.
Поэтому филогенетические деревья вирусов строятся в основном по белкам оболочки, но проблема в том, что иногда у вируса бывает два белка оболочки. Например, у папиллома-вирусов два белка оболочки: L1 и L2. Мы можем построить одно филогенетическое древо по белку L1 и совсем другое древо по белку L2. Какая же из двух биографий вируса истинная, а какая ложная? Или неверна ни та ни другая, а рекомбинации белков оболочки происходили совершенно независимо? Пока ответов на эти вопросы нет. Та же ситуация с вирусом гриппа: рекомбинация разных типов двух поверхностных белков его оболочки H (гемалгглютенин) и N (нейраминидаза) определяет все штаммы вируса. Уже даже таблицу составили, какие из комбинаций возможны, какие невозможны, какие известны, а какие, может быть, откроют.
Вирусы — это прекрасный способ транспортировки, незаменимый инструмент генной инженерии. Какие просторы могли быть для комбинаций в ходе эволюции за почти 4 миллиарда лет, даже представить страшно. Это как раз тот случай, когда миллион обезьян не напечатают «Войну и мир», каждая печатая по строчке, а если представить 1024 обезьян, да еще и механизм отбора строчек, похожих на нужные, то понятно, что достаточно большое количество обезьян напечатают не только «Войну и мир», но и собрание сочинений десяти любых писателей на выбор.
Как бороться с вирусными заболеваниями
Я сторонник теории, что всякий вирус видоспецифичен. Более того, даже произойдя от какого-то другого вируса, на первых порах он видоспецифичен и поражает только определенные клетки определенного хозяина. А дальнейшее существование и развитие вируса в популяции приводят к тому, что он становится все более широкозахватным. Постепенно вирус за годы эволюции становится все менее летальным, потому что убивать хозяина невыгодно, и кончается это часто тем, что вирус встраивается в геном хозяина полностью. Если предположить, что целью развития живого является передача своей информации (здесь мы забегаем в какую-то такую стыковую область науки и философии), то вирусы таким образом достигают в каком-то смысле вершины существования. Информация передается сама, и уже не нужен ни капсид, ни вирион.
Черная оспа — высокозаразная вирусная инфекция, была полностью побеждена в 1977 году благодаря тотальной вакцинации по всему миру. Считается, что в настоящее время вирус натуральной оспы существует только в двух лабораториях в мире: в ГНЦ ВБ «Вектор» (Россия) и в CDC (Centers for Disease Control and Prevention, США). Многие эксперты призывают к их уничтожению в целях безопасности.
Есть гипотеза, что геном человека на 80–90% состоит из кусков вирусных геномов. Весь этот генетический мусор, который непонятно зачем нужен, просто путешествует с нами. Причем вирусы и сами накапливают мусор в своих геномах, например мимивирус, у которого 400 тысяч нуклеотидных пар. Для сравнения: геном среднего вируса — это 9–20 тысяч нуклеотидных пар. Непонятно, зачем мимивирусу такой багаж. Скорее всего, это куски предыдущих хозяев и каких-то других вирусов.
Методы секвенирования позволяют получать много данных о вирусах, которые мы даже не успеваем осознавать и анализировать: давайте прочитаем как можно больше геномов, а думать будем потом. Раньше вирусология развивалась примерно по такой же логике, только с вакцинами: давайте сначала создадим вакцину от заболевания, а все остальное потом. Такой подход дал сбой только на ВИЧ, когда мы получили очень сложный вирус с очень сложным и социально значимым заболеванием. Методом грубой силы, перебором всех вариантов создать вакцину не вышло, пришлось изучать все механизмы. Это очень сильно продвинуло вирусологию вперед: вместо четырех типов вирусов классификация расширилась до восьми именно благодаря исследованиям ВИЧ.
Возможно ли создать вакцину от СПИДа? Несколько лет назад я бы сказал: «Не знаю». Сейчас можно сказать: «Да, возможно». Рано или поздно это получится за счет огромного количества усилий, какой-то из подходов окажется действенным. Одна кандидатная вакцина на ВИЧ уже прошла испытания, и было показано, что эта вакцина примерно на 30% снижает риск заражения ВИЧ. Ни одна вакцина не работает на 100%, но вакцина, которая работает с эффективностью 98–99%, как вакцина против оспы, выбивает носителей из популяции, и заражения не происходит. Вероятность того, что встретится человек, восприимчивый к оспе, с больным оспой, стремится к нулю. Таким образом, вирус черной оспы был изгнан из человеческой популяции за счет того, что пропала возможность заразиться. Вакцины от гриппа, над которыми смеются, все-таки снижают заболеваемость с эффективностью порядка 60–70%.
Поэтому 30% — это очень мало. Но ВОЗ ее отклонила по причине психологического плана: есть опасения, что люди, получив прививку от ВИЧ, будут предполагать, что они защищены, пустятся во все тяжкие, перестанут соблюдать гигиенические меры, пользоваться презервативами, станут носителями и распространителями вируса в еще большей степени, чем было бы без вакцины.
Вирус гепатита С — относится к семейству Flaviviridae. Геном флавивирусов представлен несегментированной линейной одноцепочечной (+)РНК длиной от 9,6 до 12,3 тысяч нуклеотидов. Вирусные частицы покрыты оболочкой, имеют сферическую форму и диаметр около 40–60 нм.
Почти так же, как ВИЧ, опасен вирус гепатита C. Он не такой «модный», мы его можем несколько лучше лечить, поддерживать человека. Но ведь заболевших и умерших от вируса гепатита C на порядок больше, чем от СПИДа.
Для противовирусной терапии есть некоторый набор базовых механизмов (например, не допустить развертывания вириона, связать его какими-то рецепторами). Когда вырабатывается иммунитет, антитела связываются с оболочкой вируса. Точно так же работает терапия от гриппа: связать рецепторами оболочку вируса и не дать ему попасть в клетку. Через какое-то время этот вирус выведется из организма, вирусные частицы тоже разрушаются. Бактериальные споры, кстати, гораздо более стойкие, чем любой вирус. Вирус СПИДа, например, один из самых нестойких, но другое дело, что в организме он все равно опасен. Бывают противовирусные препараты, которые подавляют работу ферментов, необходимых для размножения вируса, например ингибиторы обратной транскриптазы. Под каждый вирус вырабатывается своя стратегия и набор терапевтических мер.
Во многих случаях очень эффективна вакцинация, ведь при массовом применении этого подхода можно победить огромное количество вирусных инфекций. Сейчас очень актуальна проблема распространения вируса папилломы человека, в 99,9% случаев от него страдают женщины: из тысячи человек только пятеро мужчин. По официальным рекомендациям считается, что делать прививку от него оптимально в возрасте от 6 до 13 лет. Но недавно проходили испытания новой вакцины в Гватемале, там вакцинировали работниц фабрик и производств в возрасте 20–25 лет, и это было довольно эффективно. В этом вопросе время играет против человека, потому что чем человек старше, тем ниже эффективность выработки иммунитета, и к сорока годам большинство уже имеют персистирующую папиллома-вирусную инфекцию. Дальше она будет только развиваться и приводить к онкологическим заболеваниям, а между заражением и развитием болезни может пройти не один десяток лет.
Эдвард Энтони Дженнер — английский врач, разработал первую в мире вакцину против натуральной оспы, прививая неопасный для человека вирус коровьей оспы
Как развивается вирусология
У нас появилась возможность проверить одновременно сразу очень много взаимосвязей. Раньше ученый мог годами работать с какими-то кольчатыми червями и не знать, что такие же особенности есть, допустим, у какого-то вида грибов. Сейчас с компьютером можно перебрать все геномы и попытаться найти закономерности, как случались те или иные события. Возможно, запас этой силы перебора будет исчерпан, и тогда надо будет искать какие-то другие методы.
Рано или поздно будет создана эффективная и удобная полиштаммная вакцина от 20–30 основных штаммов вируса гриппа. Это возможно благодаря методам молекулярного моделирования: оно позволяет подбирать противовирусные препараты из миллионов видов органических соединений по принципу простого перебора, как будто мы ищем подходящий замку ключ. Компьютеры очень здорово продвинули молекулярную биологию. Мы научились расчетом взаимодействий молекул моделировать сложнейшие события, не ставя экспериментов. Во многих случаях эксперименты нужны для подтверждения или опровержения выводов, полученных в результате вычислений. В аллергологии сейчас огромные подвижки тоже благодаря химической комбинаторике.
Желтая лихорадка — Острая вирусная инфекция, ее переносчиками являются комары. Арбовирус Viscerophilus tropicus проникает в кровь человека и в течение инкубационного периода накапливается в лимфатических узлах. В первые дни заболевания вирус распространяется по организму с током крови, оседая в тканях различных органов (печень и селезенка, почки, костный мозг, сердечная мышца и головной мозг) и поражая их сосудистую систему. В результате разрушаются сосудистые стенки, что приводит к кровоизлияниям.
Я очень надеюсь, что через какое-то время с желтой лихорадкой будет сделано то же, что и с оспой: создана эффективная вакцина и проведены тотальные вакцинации. В России, кстати, можно не вакцинировать: у нас из-за зимы «желтый Джек» не выживает. Когда была паника по поводу вируса Эбола, по этим же причинам было понятно, что Москве эпидемия не грозит: здесь климат не тот, нет фруктоядных летучих мышей, которые переносят заболевание.
Устроить эпидемию не так уж легко, на этом провалилась боевая бактериология и вирусология. Чтобы случилась вероятность заражения одного человека, нужно очень немного вируса, бактерий, токсина. Но чтобы это сработало и он заразился, нужна концентрация в разы больше. А чтобы получить инфекцию, передающуюся от человека к человеку, нужно еще больше инфекционных агентов.
Есть множество болезней, которые когда-то были, а сейчас мы можем только гадать, что их вызывало: американский круп, смертельный детский кашель в 80-е годы XIX века; английская потница (кровавый пот) в XVI веке, половина случаев чумы и страшных моровых язв. Случилась эпидемия, а дальше возбудитель пропал из популяции человека без следа, не случилось больше благоприятных условий. Сейчас, когда таких заболеваний все меньше, мы начинаем исследовать минорные, несмертельные инфекции, которые наносят ощутимый удар по экономике. Очень перспективно изучение реовирусных и норовирусных инфекций — то, что в просторечии называется кишечный грипп. Таких инкапаситантных инфекций просто бесконечное число.
