Удивительная биология

«Зловредный» вирус

В 1887 г. в Крыму плантации табака поразила неизвестная болезнь: листья растений покрывались сложным абстрактным рисунком, растекавшимся по листу, словно краска, переливающаяся с одного листа на другой, от одного растения к другому. Сельское хозяйство несло большие убытки.

На место происшествия был направлен выпускник Санкт-Петербургского университета Д. И. Ивановский (1864—1903). Молодой ученый решил выяснить, какая бактерия вызывает болезнь табака. Просмотр огромного количества препаратов, приготовленных из экстрактов больных листьев, не принес удачи. Не удалось получить ответ на вопрос: есть ли микробы в экстрактах из пораженных листьев? В то же время при заражении здоровых листьев соком из больных (инъекции в толщу здоровых листьев) результат был всегда одинаковым: здоровые листья заболевали через 10—15 дней. Это напоминало инкубационный период, свойственный любой инфекции, в течение которого микробы, размножаясь, проникают внутрь организма и вызывают заболевание. Так Ивановский стал родоначальником новой науки – вирусологии…

С тех пор, как были открыты вирусы, прошло немало времени. Но споры вокруг них не прекращаются. Главный вопрос: «Являются ли вирусы живыми?» Ответ двоякий:

· · если считать живой структуру, содержащую нуклеиновые кислоты и способную воспроизводить себя, то можно принять точку зрения, что вирусы живые;

· · если считать, что живой является только структура, имеющая клеточное строение, то тогда вирусы – неживая форма материи (полимеры).

А. Ленинджер в «Биохимии» рассматривает вирусы как структуры, стоящие на пороге жизни и представляющие собой устойчивые надмолекулярные комплексы, содержащие молекулу нуклеиновой кислоты и большое число белковых субъединиц, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую трехмерную структуру. Среди важнейших свойств вирусов он отмечает:

· неспособность к самовоспроизведению в виде чистых препаратов;

· способность управления своей репликацией (зараженной клеткой);

· широкие вариации вирусов по размерам, по форме и по химическому составу.

Вирусы находятся на самой границе между живым и неживым. Это свидетельствует о существовании непрерывного спектра усложняющегося органического мира, который начинается с простых молекул и заканчивается сложнейшими системами клеток.

Ближайшие соседи вирусов – хламидии, риккетсии, отчасти микоплазмы. Долгое время этих паразитов роднила с вирусами неспособность размножаться на искусственных средах, фильтруемость. Однако исследования показали, что по химическому составу и строению они сходны с бактериями.

У клеток животных, растений и бактерий в отличие от вирусов есть двухслойная мембрана, отделяющая клетку от внешнего мира. У вирусов мембраны нет. У растительных клеток и бактерий (в том числе хламидий и риккетсий), кроме того, имеется еще и клеточная стенка – «панцирь», в который заключена клетка. У микоплазм есть только мембрана. Бактерии размножаются путем бинарного (пополам) деления. У вирусов совершенно иной путь размножения. Таким образом, эти «соседи» – не родственники вирусов. Между ними – глубокая пропасть: нет ни переходных, ни промежуточных форм.

В то же время соседи вирусов – биологические полимеры и субструктуры клетки. В природе в свободном виде их нет. Общее у них с составными элементами вирусов то, что все они – полимеры. Относительно ближе к вирусам некоторые клеточные органеллы: митохондрии и рибосомы.

«Настоящие» соседи вирусов – фильтрующиеся, реплицирующиеся агенты (прионы). Нуклеиновых кислот они не содержат, но способны запускать свой собственный синтез, используя генетическую информацию клетки-хозяина. Эти агенты вызывают медленно прогрессирующие болезни у человека и животных. У растений известно 11 природных заболеваний (например бугорчатая болезнь картофеля), вызываемых вирусоподобными агентами. Эти агенты, представляющие собой маленькие кольцевые РНК, не содержащие ни структурного белка, ни мембраны, отнесли в группу вириовидов.

А. Ленинджер так описывает процесс инфицирования: «В присутствии РНК-содержащих вирусов рибосомы клетки-хозяина предпочтительно связываются не с молекулами РНК клетки-хозяина, а с молекулами вирусной РНК. Эти последние начинают теперь функционировать в качестве матриц для синтеза белка вирусной оболочки, а также для синтеза некоторых дополнительных ферментов, требующихся для репликации других структурных компонентов вируса, и в частности самой вирусной РНК».

Атака начинается с прикрепления хвостов нескольких десятков фагов вирусов, поражающих бактерии, к определенной части бактериальной стенки. Тотчас же лизоцим растворяет клеточную мембрану. Аппарат хвоста вируса действует наподобие шприца: «мышцы» сокращаются, и нуклеиновая кислота впрыскивается внутрь клетки. Верхняя «одежда» вируса – белковый чехол – остается снаружи клетки. Так завершается «оккупация» бактерий фагами. Этот процесс длится всего несколько минут.

Нуклеиновая кислота играет главную роль в воспроизведении фага. Это было доказано немецкими учеными в опытах по гибридизации вирусов. Однако не все вирусы так агрессивны, как фаги, не у всех есть хвост с набором необходимых для взлома клетки инструментов. Как же в этих случаях вирус проникает на чужую территорию?

Как ни парадоксально, в этих случаях сама клетка осуществляет внедрение вирусов – она как бы заглатывает их. Вспомним, что на протяжении эволюции у клеток выработался механизм активного захвата из окружающей среды различных твердых частиц (фагоцитоз) и капелек жидкости (пиноцитоз). Этот механизм играет большую роль в нормальной жизнедеятельности клетки. В случае же встречи с вирусом происходит как бы «самоубийство» клетки. В клетке, инфицированной вирусом, вследствие его размножения нарушается обмен веществ. Каждая инфицированная одним вирусом клетка производит около 2 тыс. новых вирусов. Вирусы могут вызывать либо хроническую, либо острую инфекцию. В первом случае вирус, проникший в клетку, не выдает своего присутствия. Соответственно, и инфицированная клетка по виду не отличается от нормальной. Вирус может интегрироваться в ДНК клетки и при делении передаваться ее потомству. Следовательно, клетка при делении воспроизводит вирус. Интегрированный вирус невозможно обнаружить и выделить из клетки.

В опытах in vitro на культивируемых клетках человека удалось воспроизвести хроническую инфекцию вирусом гриппа. Оказалось, что через несколько поколений в культивируемых клетках признаки заражения постепенно исчезали. В конце концов вирус пропадал и долго не проявлял своего присутствия. Но затем внезапно наступала быстрая гибель клеток, свидетельствующая о неожиданном «возвращении» вируса. «Беглец» изменился, стал агрессивнее, приобрел новые губительные для клеток свойства. Изменились и клетки. Они приобрели способность к безудержному росту, то есть стали злокачественными.

Новые данные породили новые вопросы. Интегрируется ли на самом деле геном вируса в геном клетки? Почему вирус повторно активизируется и выходит из «подполья»?

Дальнейшие исследования провели на субклеточных структурах, выделенных из клеток, инфицированных арбовирусами. Арбовируса-ми называют вирусы четырех семейств (тогавирусы, буньявирусы, реовирусы и рабдовирусы), передающиеся при укусе кровососущими насекомыми. Нормальный арбовирус состоит из трех частей: нуклеиновой кислоты – РНК и двух оболочек (внутренней белковой и внешней белково-липидной). Внутреннюю оболочку образуют специфические белки, а внешнюю – наружная мембрана клетки.

У субклеточных структур – незрелых вирусов – нет оболочки. Они состоят только из вирусной РНК и специфических вирусных белков и представляют собой так называемые рибонуклеопротеиды (РНП) – комплексы нуклеиновой кислоты и белка. Впоследствии было открыто, что РНП вызывает инфицирование. При выделении субклеточных структур из инфицированных клеток было получено еще три типа РНП. При введении в здоровые клетки все четыре типа РНП вызывали образование нормальных вирусов.