ідеальні паразити

1. Про уразливості одержувача
2. Придане у вигляді вірусу
3. Вижити будь-яким способом
4. Вбивці і постачальники
5. Захист і протистояння

В середині XIX століття межа між живим і неживим, сторіччями не давала спокою вченим і філософам, була нарешті визначена. Живі істоти можуть бути більше вантажівки або менше порошинки, жити в вічних льодах або киплячому гейзері, проводити все життя в мандрах або намертво приростати до одного місця, можуть ніколи не бачити сонячного світла і як вогню боятися повітря. Але у всіх у них є спільна риса: вони складаються з клітин, в крайньому випадку - з однієї. Цей закон був сформульований в 1838 році Теодором Шванном. Але через півстоліття вчені виявили архікрошечние організми - віруси, які в поле цього закону не потрапляли. Вони здатні викликати такі серйозні захворювання, як віспа і кір, сказ і поліомієліт, що цілком виправдовує їх назва, що перекладається з латинської як «отрута».

Паразитичні організми, до яких би різновидам живого вони не належали, завжди влаштовані простіше, ніж їх вільно живуть родичі. Рослини-паразити можуть втратити зелений колір і здатність до фотосинтезу, а тварини - втратити органи чуття, кінцівки, іноді навіть травну систему, і все одно будуть жити. А ось віруси обігнали в цьому питанні всіх: у них немає майже нічого свого. Поза зараженої клітини вірус являє собою капсулу, всередині якої знаходиться кілька генів, іноді навіть не з'єднаних разом, як, наприклад, у вірусу грипу. Їх оболонка складається з білкових молекул, які вміють розпізнавати клітину-жертву, чіплятися до неї, а деякі віруси навіть проробляють отвір в клітинній мембрані жертви і активно впорскують крізь неї свій вміст. Примітно, що ці «паразити» можуть обійтися навіть без свого білкового скафандра. Так, в експерименті очищені нуклеїнові кислоти вірусів зберігали здатність заражати клітини. Ось, власне, і все. Більше вони не вміють нічого - інше роблять гени вірусу. (Правда, в деяких випадках сама клітина починає допомагати вірусу, поглинаючи його і розчиняючи.)

Тут потрібно сказати кілька слів про носіїв вірусних генів. У всіх організмів, від бактерії до людини, є два речовини, здатних нести генетичну інформацію, - ДНК і РНК, причому основним носієм є саме ДНК, а РНК служить тільки для недовго живуть робочих копій. У вірусів же повна свобода вибору: у одних гени представлені ланцюжками ДНК, у інших - РНК.

Коли ці ланцюжки проникають крізь мембрану, вони можуть працювати прямо в цитоплазмі, змушуючи клітинний апарат для синтезу білка (рибосоми) виробляти вірусні білки. Але у клітини в цитоплазмі зазвичай немає ферментів, подвоюється ДНК або РНК, і поки вірусні гени будуть перебувати тут, їх кількість не додасться. Навпаки, воно може зменшитися, адже в цитоплазмі їх оточують ферменти-нуклеази, здатні швидко порізати чужака на шматки. Тому зазвичай вірусні гени мігрують в ядро ​​і вбудовуються в власні хромосоми клітини. Неважливо, куди саме, в будь-яке випадкове місце - аби швидше.

Якщо клітку відвідав ДНК-вірус, проблем немає: вставка маленького шматочка ДНК у велику молекулу для клітинних ферментів - справа звичайна. РНК-вірусів доводиться складніше: їх гени вставити безпосередньо в ДНК неможливо. Тому вони знімають з себе ДНК-копії, які вже і впроваджуються в хромосоми клітки. Для цього у РНК-вірусів є спеціальний фермент - ревертаза, або зворотна транскриптаза.

Далі події можуть розвиватися за кількома сценаріями. Найпростіший - гостра інфекція: в ядрі захопленої клітини у великій кількості копіюються гени вірусу, а в цитоплазмі рибосоми без перепочинку штампують для них «одежинки» - вірусні білки. Деякі віруси одягаються в них прямо всередині клітини, інші вважають за краще робити це зовні. У такому процесі задіяні ті ж сили міжмолекулярних взаємодій, які збирають молекули мінералів в кристали: білки, об'єднані в капсулі і начинені нуклеїновими кислотами, мають менше вільної енергії, ніж у вигляді окремих молекул. Якщо розібрати вірусну частку на молекули і надати їх самим собі, через деякий час з них сам собою збереться життєздатний вірус. Якщо перемішати складові частини декількох подібних вірусів (скажімо, різних штамів грипу), вони самі зберуться абияк: в капсулі, утвореної білками одного штаму, можуть виявитися гени іншого. Швидше за все, і частки кожної капсули, і гени всередині неї будуть належати різним штамів.

Зрештою клітина, все ресурси якої кинуті на виробництво нових екземплярів паразита, гине (деякі бактеріофаги навіть навмисно вбивають клітину-господиню, розчиняючи спеціальними ферментами її мембрану), а напрацьоване нею військо вірусів спрямовується на завоювання нових клітин. Втім, «спрямовується» - вираз фігуральний: поза клітиною вірус перестає проявляти ознаки живої істоти. Він не використовує ніяких речовин, не споживає енергію, нездатний до активного пересування, і в ньому взагалі нічого не відбувається. Тобто живе він тільки тоді, коли знаходиться в клітці і може користуватися її біохімічними системами. Такий спосіб існування відомий вірусолог Брайан Махи назвав «життям в борг».

Про уразливості одержувача

Такий дивний спосіб існування не рятує вірусів від проходження загальному закону еволюції паразитів: при тривалому використанні одного і того ж виду-господаря вони поступово зменшують свою шкідливість. Справді, яка користь паразита губити свого господаря, адже він тоді і сам загине або, принаймні, буде змушений шукати новий притулок? Тому вірус з часом стає все «добрішими»: проникаючи в клітину, він уже не вбиває її і не доводить до виснаження, а вбудовується в її геном і потихеньку виробляє власні копії, випускаючи їх у зовнішнє середовище. Мало того: такі «приручити» віруси перешкоджають зараженню того ж організму подібними вірусами «диких» штамів, немов виправдовуючи слова персонажа відомої п'єси Євгенія Шварца: «Єдиний спосіб позбутися від драконів - це мати свого власного».

Цю ідилію, однак, затьмарює одна обставина: принишклий вірус може в один прекрасний день повернутися до ремесла вбивці. Іноді це відбувається немов би ні з того ні з сього - через непередбачувану його мутації або якоюсь особливою уразливості конкретного одержувача. Наприклад, при дослідженні поліомієліту було виявлено, що ця хвороба розвивається приблизно у одного з тисячі заражених людей: інші носять вірус в організмі і виділяють його в навколишнє середовище, але не хворіють. Але набагато частіше це трапляється, коли неагресивний вірус потрапляє в організм іншого виду або навіть іншої популяції того ж виду-господаря. Ще в період колоніальних завоювань було помічено, що багато тропічні лихоманки викошували прийшлих європейців, в той час як аборигени або взагалі не хворіли ними, або хворіли рідко і в стертих формах. При переході до іншого виду різниця в поведінці вірусу стає ще помітніше: сумнозвісний в останні роки пташиний грип викликає швидку загибель домашньої птиці, в той час як дикі качки та чайки носять в собі самі смертоносні штами без будь-якої шкоди. Налякав три роки тому планету вірус SARS ( «атипової пневмонії») виявився мирним нахлібника китайських виверр (сімейство куньих). А збудника СНІДу - вірус імунодефіциту людини (ВІЛ) - ми отримали від мавп - колобуси і шимпанзе. Чи треба говорити, що їм він не завдає ніяких незручностей?

Кристали з організмів
В кінці 1880-х років молодий асистент Ботанічній лабораторії Петербурзької АН Дмитро Івановський вивчав дивну напасти, вразила тютюнові плантації південної України та Бессарабії. На листі рослин з'являлися мозаїчні плями, збільшувалися в розмірах і перекидається на здорові листя. Це явно було схоже на невідоме інфекційне захворювання. Однак, намагаючись зрозуміти його природу, учений зіткнувся з несподіваною труднощами: збудника дивної хвороби не вдавалося ні розгледіти в мікроскоп, ні виростити на живильному середовищі. Однак інфекційний характер захворювання не викликав жодних сумнівів: сік хворих листя справно заражав здорові. Тоді дослідник застосував тільки що винайдену «свічку Шамберлана» - фарфоровий фільтр з гранично дрібними, в полмікрона, порами. Жодна бактерія, жодна найдрібніша клітина не могла протиснутися крізь це сито. І тим не менше пропущений через нього сік зберігав здатність заражати!

Віруси тютюнової мозаїки мають форму подовженого циліндра. Всередині білкового чохла знаходиться згорнута спіраль РНК

Цього гіпотетичного збудника Іванівський назвав «фільтрується бактерією» за здатність безперешкодно проходити через найтонші фільтри. Трохи пізніше голландський учений Бейерінк, незалежно від Іванівського відкрив мікроорганізми з такими властивостями, запропонував термін «фільтр вірус» (від латинського слова virus, що означало «отрута, шкідливе початок»). Побачити його безпосередньо не вдавалося ні в якому разі збільшенням, але Іванівський розгледів в уражених клітинах якісь дивні мікроскопічні кристали. У здорових клітинах вони ніколи не зустрічалися, і вчений припустив, що це можуть бути скупчення таємничого збудника. Опублікована в 1892 році робота російського мікробіолога була прийнята світовою наукою з ентузіазмом: до цього часу стали відомі багато інфекційних хвороб, збудників яких не вдавалося ні розгледіти, ні виростити в культурі. Навіть великий Пастер не зміг виділити збудника сказу (що не завадило йому створити ефективну вакцину проти цієї хвороби). Але ось «кристали Іванівського» викликали відвертий скепсис: уявити собі кристали, що складаються з живих організмів, вченим кінця XIX століття було не під силу. Тільки в 1935 році американський вірусолог Уенделл Стенлі, виділивши вірус тютюнової мозаїки в чистому вигляді, довів, що той дійсно може складатися в кристали і знову розпадатися на окремі вірусні частинки, не втрачаючи здатності до зараження. Двома ж роками раніше був винайдений електронний мікроскоп, що дозволив нарешті на власні очі побачити збудників-невидимок. Але остаточно розібратися в природі вірусів вдалося тільки у другій половині ХХ століття - після розуміння ролі нуклеїнових кислот у передачі спадкової інформації.

Придане у вигляді вірусу

Дослідження в природі показали, що практично у всіх живих істот є свої «ручні» віруси. Мало того: характерні «вірусні» послідовності знайшлися і в хромосомах рослин і тварин, отримати від яких відповідні віруси не вдалося. Судячи з усього, жити в геномі і неспішно розмножуватися - це ще не найдивніше. Вищий клас - це не розмножуватися зовсім. При цьому віруси все одно будуть передані у спадок нащадкам господаря, до якого разом з необхідними генами перейдуть і дивні нуклеотидні послідовності, що не кодують ніякі білки ...

Свого часу вчені були вражені, яка величезна частка генома тварин і людини ніколи не зчитується. Цій частині ДНК (що отримала прізвисько «сміттєвої») приписувалися самі різні функції: регуляторна, резервна, захисна ... Зараз вже відомі навіть деякі непрямі підтвердження того, що вона справді відіграє певну роль в нормальному функціонуванні клітини. Це не виключає, однак, того, що неабияку її частину складають колишні віруси, які відмовилися від будь-якої власної життєдіяльності і пасивно копіює разом з геномом хазяїна.

Вижити будь-яким способом

У тих вірусів, які не відмовилися від самостійного існування, життя не настільки легка і безтурботна: між ними і заповітної кліткою, де вони можуть ожити, стоїть цілий ряд бар'єрів. Перш за все вірус повинен знайти організм-господар, що само по собі непросте завдання для того, у кого немає ні органів почуттів, ні засобів пересування. У цій справі віруси покладаються на випадок і величезну чисельність: якщо викидати в простір безліч власних копій, який-небудь з них обов'язково пощастить.

Наступна перешкода - зовнішні покриви. Якщо бактеріофаги мають справу відразу з клітинної мембраною, то, скажімо, вірусам наземних хребетних протистоїть щільне покриття з багатьох шарів мертвих сухих клітин. Подолати цей бар'єр віруси не в змозі, і тому в наші організми вони можуть потрапити тільки через слизові оболонки (дихальних шляхів, травного тракту або статевих органів) або при прямому введенні в кров - скажімо, комариний хоботком або нестерильним шприцом. Але і цей шлях небезпечний: слизові оболонки виділяють слиз, змиває віруси. Кров же патрулюється відразу декількома типами імунних клітин, завдання яких виловлювати будь-який чужорідний білок. Якщо вірус з'явився в організмі в перший раз, імунній системі потрібно деякий час, щоб напрацювати потрібну кількість антитіл - білкових молекул, що зв'язуються саме з цим вірусом. Але достатньо однієї зустрічі, щоб антитіла залишилися в крові, і в наступний раз «знайомий» вірус буде тут же пізнаний і знищений.

Для багатьох вірусів, наприклад для збудників віспи або краснухи, ця трудність нездоланна: людина, одного разу перехворів цими хворобами або щеплений від них, більше ніколи не заражається. Але інші віруси виробили прийоми, що дозволяють раз по раз обманювати імунітет. Наприклад, у знайомого всім нам вірусу грипу оболонка складається з білків двох типів - гемаглютиніну (H) та нейрамінідази (N). Ними вірус бере на абордаж клітини-жертви і по ним же його впізнають антитіла. Однак при зміні хоча б одного з ключових білків наявні антитіла нічого не зможе зробити з таким вірусом, і людина майже гарантовано захворює. Так починалися пандемії грипу - «іспанка» 1918-1919 років, «сингапур» 1957 року народження, «Гонконг" 1968-го. Штами, які їх викликали, так і позначають за типами ключових білків: H0N1, H2N2, H3N2 ... Але навіть якщо самі білки не модифікувалися, проста зміна їх розташування в вірусної оболонці теж збиває імунну систему з пантелику: інтенсивність зв'язування вірусів антитілами різко падає і може виявитися нижче темпів розмноження вірусу. З 1968 року в світі циркулює штам H3N2, давним-давно знайомий нашим антитіл, що не заважає йому щозими збирати свою данину з усіх країн. А, наприклад, у вірусу поліомієліту капсула утворена однаковими «блоками», але кожен з них сам складається з чотирьох білкових ланцюгів. Тасуючи їх антигенні ділянки, вірус вислизає від впізнання.

Вбивці і постачальники

Деякі віруси пришивають до країв своїх білків якісь незвичайні групи атомів, тоді ці білки стають невпізнанними для ферментів, які повинні їх розщепити. Але саме радикальне рішення знайшли збудники імунодефіцитів, в тому числі вже згадуваний ВІЛ: кращий захист - це напад.

Вчені ще не цілком ясно уявляють собі ключові події зараження людини цим смертоносним захворюванням, але те, що вже відомо, вражає уяву. Потрапивши в організм, ВІЛ виявляється в лімфатичних вузлах, де його захоплюють спеціальні клітини, завдання яких утримати будь-якого чужинця до підходу повноважних «охоронців». Слідом за тим з'являються підняті по тривозі В-лімфоцити - рядові імунної системи. Коли вони вже щосили працюють, прибувають Т-лімфоцити. І ось тут відбувається неймовірне: вірус, вже виявлений, зафіксований і обліплений антитілами, ухитряється потрапити в Тлімфоціт і почати в ньому розмножуватися. Уражена клітина втрачає здатність виконувати свої обов'язки, зате щедро роздає копії вірусу своїм побратимам. Не отримуючи команд від Т-лімфоцитів, інші імунні клітини не можуть впоратися з вірусами, і врешті-решт вся імунна система руйнується. Все це нагадує крутий бойовик, де вже спійманий злочинець захоплює в заручники поліцейського начальника і, віддаючи через нього свої накази, дезорганізує все управління.

Захист і протистояння

Втім, ВІЛ - це все-таки виняток. Інші віруси, як вже говорилося, долають імунний бар'єр за допомогою будь-якого роду маскування. Щоб з незадоволенням виявити, що перешкоди ще не скінчилися: атакована клітина виробляє особливий білок інтерферон. Під його дією і вона сама, і сусідні клітини виробляють спеціальні білки, що пригнічують синтез вірусних білків.

Настільки складна і ешелоновану захист показує, що багатоклітинні організми і віруси пройшли довгий шлях спільної еволюції. Був період, коли віруси вважали найдавнішою, доклеточного формою життя. Однак ця теорія погано зістикувалася з тим, що вірус, що знаходиться поза клітини, нездатний до самостійного життєдіяльності.

Зараз більшість вчених дотрімуються зворотної подивимось: вірус - це компанія втікачів генів. До такого розуміння їх схилами Відкриття в 80-х роках минулого століття «стрібаючіх генів» - транспозони. Якщо звичайний ген перебуває на своєму місці в певній хромосомі і може тільки мінятися місцями зі своїм колегою з іншої такої ж хромосоми, то транспозони живуть за принципом «нині тут - завтра там». Вони здатні вирізати себе з загальної стрічки ДНК і вставляти зовсім в іншу ділянку, можливо, в іншій хромосомі. Якщо врахувати, що віруси, вбудовані в геном клітини, теж можуть у будь-який момент покинути господаря, то межа між вірусами і транспозонами стає досить умовною.

До речі, переїжджаючи на нове місце проживання, віруси нерідко прихоплюють з собою один або кілька господарських генів, переносячи їх в геном нового господаря. Наслідки такого «подарунка» для організму-одержувача можуть бути дуже різними: від злоякісної пухлини до нових еволюційних можливостей. Зовсім недавно, наприклад, з'явилися дані про те, що один з ключових генів, відповідальних за формування плаценти, можливо, був принесений в геном древніх ссавців як частина внедрившегося вірусу. Чи не заразитися ним хтось із наших предків, ми б могли проводити раннє дитинство в сумках на животах матерів.

Деякі вчені припускають навіть, що віруси підтримують генетичну єдність життя: з їх допомогою різні, часто навіть неспоріднені види регулярно обмінюються генами, а заодно - і еволюційними новинками. У всякому разі, для бактерій подібна роль вірусів доведена. Мабуть, нам ще має бути повною мірою оцінити роль цих дивних утворень в функціонуванні та розвитку біосфери.

Що стосується боротьби з вірусами як збудниками захворювань, то абсолютно ясно, що кожен з них вимагає індивідуального підходу. Їх патогенність ніяк не пов'язана з формою, розміром або способом розмноження, що ускладнює лікування пацієнтів. Адже навіть віруси, подібні між собою, можуть стати причиною різних захворювань. Так, пікорновірус є причиною таких несхожих захворювань, як міокардит, кон'юнктивіт, гепатит або ящур. І єдино ефективним методом боротьби з ними можна вважати лише профілактичні заходи - вакцинацію.

Розуміючи всю серйозність даної проблеми, ЄС розпочав реалізацію П'ятої рамкової програми, значна частина досліджень якої відводиться питанням, пов'язаним з медициною. На розробку вдосконалених або нових вакцин, зокрема проти вірусних захворювань, включаючи деякі види раку, а також на вдосконалення методів боротьби з інфекційними захворюваннями виділено 300 мільйонів євро.

Читайте також на сайті «Вокруг Света»:
Азбука вірусного гепатиту
Хто приходить раптово
безсмертна інфлюенца
відступила епідемія
звичка прищеплювати