Вирусы. Происхождение и распростронение. Систематизация. Грипп

Ведение.

Существует большая группа живых существ, не имеющих клеточного строения. Эти существа носят названия вирусов (лат "вирус" - яд) и представляют неклеточные формы жизни. Вирусы нельзя отнести ни к животным, ни к растениям. Они исключительно малы, поэтому могут быть изучены только с помощью электронного микроскопа.

Вирусы способны жить и развиваться только в клетках других организмов. Вне клеток живых организмов вирусы жить не могут, и многие из них во внешней среде имеют форму кристаллов. Поселяясь внутри клеток животных и растений, вирусы вызывают много опасных заболеваний. К числу вирусных заболеваний человека относятся, например, корь, грипп, полиомиелит, оспа. Среди вирусных болезней растений известна мозаичная болезнь табака, гороха и других культур; У больных растений вирусы разрушают хлоропласты, и пораженные участки становятся бесцветными.

Вирусы открыл русский ученый Д. И. Ивановский в 1892 г.

Каждая вирусная частица состоит из небольшого количества ДНК или РНК, т. е. генетического материла, заключенного в белковую оболочку. Эта оболочка играет защитную роль.

Известны также вирусы, поселяющиеся в клетках бактерий. Их называют бактериофагами или фагами (греч "фагос" - пожирающий). Бактериофаги полностью разрушают бактериальные клетки и потому могут быть использованы для лечения бактериальных заболеваний, например дизентерии, брюшного тифа, холеры.

Строений вирусов дает основание считать их неклеточными существами.

Природа и происхождение вирусов.

Современные представления о вирусах складывались по­степенно. После открытия вирусов Д. И. Ивановским (1892) их считали просто очень мелкими микроорганизмами, не спо­собными расти на искусственных питательных средах. Вскоре после открытия вируса табачной мозаики была доказана ви­русная природа ящура [Fler F, Frosch P. 1898], а еще через несколько лет были открыты бактериофаги [d'Herrelle F., 1917]. Таким образом, были открыты три основные группы ви­русов, поражающие растения, животных и бактерии.

Однако в течение длительного времени этисамостоятель­ные разделы вирусологии развивались изолированно, а наибо­лее сложные вирусы — бактериофаги — долгое время счита­лись не живой материей, а чем-то вроде ферментов. Тем не менее, уже к концу 20-х — началу 30-х годов стало ясно, что вирусы являются живой материей, и примерно тогда же за ними закрепились наименования фильтрующихся вирусов, или ультравирусов. Это нашло отражение в одной из первыхмо­нографий о них [Hauduray, 1936]. Позже приставки отпали, и укоренилось ныне применяемое обозначение — вирусы, под которым объединили вирусы растений, животных и бактерио­фаги— бактериальные вирусы.

В конце 30-х — начале 40-х годов изучение вирусов продви­нулось настолько, что сомнения в живой их природе отпали, и было сформулировано положение о вирусах какорганизмах [Burnet F., 1945]. Основанием для признания вирусов орга­низмами явились полученные при их изучении факты, свиде­тельствовавшие, что вирусы, как и другие организмы (живот­ные, растения, простейшие, грибы, бактерии), способны раз­множаться, обладают наследственностью и изменчивостью, приспособляемостью к меняющимся условиям среды их оби­тания и, наконец, подверженностью биологической эволюции, обеспечиваемой естественным или искусственным отбором.

Концепция о вирусах как организмах достигла своего рас­цвета к началу 60-х годов, когда было введено понятие «вирион» как вирусного индивидуума [Lwoff A. et al., 1962]. Однаков эти же годы, ознаменовавшиеся первыми успехами молеку­лярной биологии вирусов, начался и закатконцепции о виру­сахкак организмах, и эти противоречивые процессы (триумф и закат) нашли свое отражение на 1-м Международном симпо­зиуме [Cold Spring Harbor, 1962]. Уже тогда одновременно с введением понятия «вирион» были показаны, с одной стороны, отличия их строения от строения клеток и даже был введен термин «архитектура» вирионов [Caspar, KlugА., 1962]. С дру­гой стороны, были обобщены факты, указывавшие на совер­шенно отличный от клеток тип размножения, который некото­рое время называли дизъюнктивной репродукцией, подчерки­ваяразобщенность — временную и территориальную — синте­за генетического материала(РНК, ДНК) и белков вирусов. В докладе на упоминавшемся симпозиуме [Lwoff A. et al., 1962] был также сформулирован основной критерий отличия вирусов от других организмов: генетический материал вирусов является одним из двух типов нуклеиновых кислот (РНК или ДНК), в то время как организмы имеют оба типануклеиновых кислот.

Этот критерий в дальнейшем оказался неабсолютным, так как, во-первых, ДНК-содержащие вирусы в ходе репродукции синтезируют информационные (или матричные) РНК, во-вто­рых, РНК-содержащие ретровирусы в ходе репродукции син­тезируют ДНК, а кроме того, крупные РНК-содержащие ви­русы (оспы, герпеса) могут содержать небольшие количества РНК также и в вирионах, а небольшие количества ДНК (все же, вероятно, клеточной) обнаружены в вирионах вирусов гриппа. Основным и абсолютным критерием, отличающим ви­русы от всех других форм жизни, является отсутствие у них собственных систем синтеза белка (рибосомных систем).

Накопившиеся к настоящему времени данные позволяют также прийти к выводу, что вирусы не являются организмами, пусть даже мельчайшими, таккак любые, даже минимальные организмы типа микоплазм, риккетсий или хламидий имеют собственные белоксинтезирующие системы.

Способ размножения вирусов также отличается от деления, почкования, спорообразования или полового процесса, кото­рые имеют место у одноклеточных организмов, у клеток мно­гоклеточных организмов и у последних в целом. Репродукция, пли репликация, какобычно обозначают размножение виру­сов, происходит дизъюнктивно (последний термин ныне чаще подразумевается, чем употребляется). Формирование вирионов происходит либо путем само сборки (упаковка вирусной нук­леиновой кислоты в белковый капсид и образование таким путем нуклеокапсида), либо с участием клетки (некоторые липидсодержащие фагимикоплазм), либо обоими способами (оболочечные вирусы).Конечно, противопоставление митотического деления клетки и репликации не абсолютно, таккак способы репликации генетического материала клетки и ДНК-содержащих вирусов принципиально не отличаются, а если учесть, что и синтез генетического материала у РНК-содержащих вирусов также осуществляется по матричномутипу, то относительным является противопоставление митоза и репли­кации всех вирусов. И, тем не менее, различия в способах раз­множения клеток и вирусов настолько существенны, чтоиме­ет смысл делить весь живой мир на вирусы и невирусы.

К вирусам не применимы и многие другие понятия, являю­щиеся «атрибутами» организмов, и, прежде всего такиефун­даментальные понятия, как«особь», «популяция», «вид».

Принято трактовать понятие «вирион» как вирусныйинди­видуум, хотя вирион является лишь определенной стадиейжиз­ни вируса, и как разтой стадией, на которой вирус не прояв­ляет жизнедеятельности. Поэтому было даже предложено име­новать эту стадию существования вируса вироспорой.Между тем существует несколько групп вирусов, у которых геномне только фрагментарен (это имеет место и у клеток эукариотов, геном которых дискретен и существует в виде суммыхро­мосом), но и разные его фрагменты разобщены и находятся в различных частицах. Вирус проявляет инфекционные свой­ства лишь при попадании полного набора разноименных час­тиц, число которых у вирусов растений 2—4, а у некоторых вирусов насекомых до 28. Что же представляет собой вирус­ныйиндивидуум в этих случаях, когда даже понятие «вирион» не может быть применено?

Переходя к анализу активной жизнедеятельности вируса, которая целиком сводится к его репродукции, мы обнаружива­ем, что место проникшего в клетку вирионазанимаютлибо голая нуклеиновая кислота его (например,у вируса полиомие­лита),либо нуклеопротеидный комплекс (например,у вируса гриппа),либо более сложные субвирионные структуры (например, у реовируса). Затем происходит синтез дочерних молекул вирусного генома. У многих ДНК-содержащих вирусов этот процесс не только сходен с синтезом клеточной ДНК хромо­сом, но и обеспечивается в значительной степени, а иногда почти полностью клеточными ферментами. Причем этоимеет место не только при образовании простых и мелких вирусов (паповавирусы, парвовирусы), но и присинтезе сложных виру­сов с большим геномом (герпесвирусы, иридовирусы),у кото­рых некоторая доля синтезов ДНК катализируется собствен­ными ферментами. Образующиеся приэтом репликативные интермедиаты вряд ли могут быть охарактеризованы какви­русные индивидуумы: это матрицы, на которых синтезируются многочисленные копии дочерних геномов вируса.У вирусов с геномом в виде однонитевой РНК они либо информационно бессмысленны, т. е. не кодируют соответствующие вирусспецифические белки (вирусы с позитивной полярностью генома), либо, напротив, содержат гены для вирусных белков, так как вирионная РНК не обладает кодирующими свойствами.

Наряду с продуктивным циклом некоторые ДНК-содержащие вирусы (умеренные фаги, паповавирусы, вирус гепатита В и др.) могут вступать в интегративное взаимодействие с клеточным геномом, ковалентно встраиваясь в него и, превращаясь в группу клеточных генов, которые передаются клеткам – потомкам (у эукариотов) по законам Менделеева. В этом состоянии интегрированный вирусный геном, обозначаемый как провирус, фактически является группой клеточных генов. Если в провирусе произойдет мутация, делающая невозможным "вырезание" вирусного генома из клеточного, такой дефектный провирус может навсегда стать составной частью генома. Многие данные позволяют заключить, что геномы про- и эукариотов имеют в своем составе интегрированные гены или геномы в прошлом самостоятельных вирусов.

Существует большая группа РНК-содержащих ретровирусов, у которых на матрице их генома синтезируется комплиментарная ДНК. Она в виде двунитевой ДНК интегриру­ется (ковалентно встраивается) в клеточный геном и в этом виде является матрицей для синтеза дочерних молекул вирионной РНК и мРНК для синтеза вирусных белков. В обоих случаях (интеграбельные ДНК-содержащие вирусы, ретро-вирусы) образующийся такими путями провирус становится, группой клеточных генов.

Эти факты и примеры наглядно иллюстрируют положение о неприменимости понятия индивидуума к вирусам.

Столь же неприменяемым к вирусам является и понятие популяции, так как внутриклеточная стадия репродукции, а тем более интеграционные процессы нацело лишают смысла трак­товку репродуцирующегося вируса как популяции. К этому следует добавить данные о дефектных интерферирующих ча­стицах, «сопровождающих» почти каждую вирусную инфек­цию. Эти частицы представляют собой вирионы с неполным геномом, поэтому они не способны к репродукции. Тем не ме­нее, они играют важную биологическую роль, обеспечивая персистенцию вирусов в инфицированных организмах или в куль­турах тканей. Таким образом, вирусная «популяция» чаше всего представляет собой суммы полноценных вирионов и де­фектных образований, т. е. фактически мертвого материала. Такого рода «популяции», состоящие из живых и мертвых осо­бей, невозможно даже представить в мире организмов. В не­которых случаях сумма дефектных частиц с дефектами в разных участках генома может обеспечить развитиевирусной инфекции (феномен множественной реактивации).

Естественно, в случае, если нет особей, нет популяции, трудно ввести понятие вида. Этот вывод будет подкреплен да­лее соображениями о происхождении и эволюции вирусов. И, тем не менее, эти понятия нашли применение в вирусологии. Мы говорим о разных реально существующих популяциях ви­русов на уровне как инфицированных организмов, так и по­пуляций хозяев вирусов, а современная международно-признанная классификация вирусов основана на выделении ви­дов, родов и даже семейств и применении биноминальной но­менклатуры, которая принята для всех остальных представи­телей органического мира. И это не чистые забавы,а теоре­тически обоснованные и практически полезные методические подходы. К объяснению этих парадоксов мы еще вернемся.

Если вирусы не организмы, то чем же тогда они являются? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо очертить круг биологических структур, которые можно обозначить как вирусы. Это легко, если речь идет об обычных, общепризнан­ных вирусах, например, о вирусах оспы или фаге MS2, не­смотря на то, что первый из нихимеет геном — ДНК с моле­кулярной массой до 240·10⁶ , а второй — РНК с молекулярной массой около 1,2·10⁶ . Различия между этими вирусами, веро­ятно, не менее значимы, чем, скажем, между кишечной палоч­кой и слоном или хотя бы любой клеткой этого животного. Однако мир вирусов еще более богат, если не ограничивать их общепризнанными инфекционными вирусами.

К числу вирусов, несомненно, следует отнести и дефектные вирусы. Дефектными являются многие онкогенные ретровирусы, так как приобретение ими генов, кодирующих онкогены, часто сопровождается делениями остальных генов. В присут­ствии полноценных вирусов-помощников, обычно близких к дефектным биологически, дефектный вирус может либо реплицироваться (если он не имеет дефект гена полимеразы), либо использовать белки вируса-помощника (если он имеет дефек­ты генов внутренних или оболочечных белков). Возможно, ис­пользование и белков биологически отдаленных вирусов: если дефектный, по оболочечным белкам, ретровирус размножать в присутствии вируса везикулярного стоматита, то вирионы бу­дут иметь внешнюю оболочку последнего. Впрочем, для этого даже не надо, чтобы один из вирусов был дефектным: при сме­шанной инфекции многими вирусами образуются вирионы, ге­ном которых заключен в оболочки другого вируса.

В приведенных случаях показана возможность репродук­ции дефектного вируса, полученного из вируса полноценного. Но существует несколько групп вирусов, которые всегда де­фектны по репликации и являются сателлитами полноценных,неродственных им вирусов. Так, аденосателлиты, имеющие собственный геном и собственные белки, реплицируются в при­сутствии вирусов-помощников, которыми могут быть не толь­ко аденовирусы, но и герпесвирусы. Все три группы (дефект­ные вирусы и две группы вирусов-помощников) являются, ДНК-содержащими. Вирус некроза табака имеет вирус-сател­лит, геном которого кодирует собственные белки; оба явля­ются РНК-содержащими вирусами. Сателлитом ДНК-содержащего вируса гепатита является РНК-содержащий дельта-вирус. В присутствии любого гепаднавируса он реплицируется и образует нуклеокапсиды из собственного белка, которые покрываются внешней оболочкой соответствующего гепадна­вируса. Во всех этих примерах неспособность реплицироваться является свойством геномов дефектных вирусов, и эта функ­ция обеспечивается вирусами-помощниками. Это своеобразный паразитизм вирусов на вирусах. Здесь же отметим, что де­фектные по репликации сателлиты являются наиболее мелки­ми вирусами. Так, геном дельта-вируса имеет молекулярную массу около 0,5·10⁶ и на одном единственном его гене закоди­рован единственный капсидный белок.

С сателлитами «сближаются» плазмиды, или, как раньше их называли, эписомы, экстрахромосомные факторы наслед­ственности. Это относительно небольшие, обычно с молеку­лярной массой менее 10⁷ , циркулярные, реже линейные, молекулы ДНК, которые часто обнаруживаются в бактериаль­ных клетках. Они выполняют разные функции соответственно имеющимся на них генам: токсины, убивающие насекомых; гены, обусловливающие опухолевые разрастания у растений; ферменты, разрушающие или модифицирующие антибиотики; фактор фертильности — фактически индуцирующий половой процесс у бактерий — обмен генами между хромосомами двух бактерий. У дрожжей обнаружены киллеры (двунитевая РНК), на которых «закодированы» токсины, убивающие дрожжевые клетки, не носящие в себе киллеров. От вирусов, в том числе дефектных, и сателлитов плазмиды имеют два главных отли­чия: их гены не кодируют синтез белков, в которые упакованы нуклеиновые кислоты, и репликация их обеспечивается клет­кой. Плазмиды обычно находятся в свободном виде в цито­плазме, но могут быть интегрированы в геном клетки-носите­ля, последняя может и освобождаться от них. Между плазмидами и обычными вирусами нет резких границ. Так, некоторые плазмиды явно являются производными фагов, утратив боль­шую часть их генов и сохранив лишь некоторые из них. Ряд вирусов, например, вирус папилломы коров, может длительно персистировать в виде плазмид — голых молекул ДНК. В виде плазмид с полным или частично делетированным геномом мо­гут персистировать вирусы герпеса. С развитием генной инженерии стали возможными искусственное получение плазмид из вирусной ДНК, встройка в плазмиды чужеродных генов и даже искусственное конструирование плазмид из фрагментов клеточной ДНК.

К вирусам примыкают вироиды — возбудители инфекцион­ных болезней растений. Они не имеют существенных отличии от обычных вирусных болезней, но вызываются своеобразными структурами — небольшими (молекулярная масса 120000— 160000) циркулярными суперспирализированными молекула­ми РНК. Во всем остальном это типичныевирусные болезни с определенными проявлениями, инфекционностью примеха­нической передаче, размножением вироидов в зараженных клетках.

Наконец, с вирусными инфекциями имеют сходство болез­ни животных (овцы, козы) и человека (болезнь куру, болезнь, Крейтцфельда — Якоба), выражающиеся в развитии спонги-формных энцефалопатий. Предполагают, что эти болезни являются результатами выхода из-под контроля генов, кодирую­щих белки, которые являются и их продуктами, и их деренрессорами, и причиной характерных поражений нервных клеток.

Что же объединяет классические вирусы, дефектные, виру­сы и сателлиты, плазмиды и вироиды, прионы (так обозна­чают возбудителей спонгиформных энцефалопатий)? Их объ­единяет то, что все они являются автономными генетическими структурами, способными функционировать только в клетках, с разной степенью зависимости от клеточных систем синтеза нуклеиновых кислот и полной зависимостью от клеточных белоксинтезирующих и энергетических систем, подвергающихся самостоятельной эволюции. Если рассматривать вирусы в пла­не паразитологии, то их паразитирование следует признать не только внутриклеточным (какэто имеет место у риккетсий и хламидий), а паразитизмом генетическим, таккаквзаимодей­ствие вируса с клеткой является, прежде всего, взаимодействи­ем двух геномов — вирусного и клеточного. Однако такое тол­кование роли вирусов слишком узко и, как мы постараемся показать далее, не отражает их роли в эволюции органическо­го мира. Но прежде чем обсуждать этот вопрос, целесообраз­но рассмотреть существующие взгляды на возможное проис­хождение вирусов. По этому вопросу были выдвинуты триос­новные гипотезы.

Согласно первой из них, вирусы являются потомками бак­терий или других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную эволюцию. Согласно второй, вирусыявляются потомками древних, доклеточных, форм жизни, перешедших к паразитическому способу существования. Согласно третьей, вирусы являются дериватами клеточных генетических структур, ставших относительно автономными, но сохранившим зависимость от клеток.

Возможность дегенеративной эволюции была неоднократно установлена и доказана, и, пожалуй, наиболее ярким примером ее может служить происхождение некоторых клеточных органелл эукариотов от симбиотических бактерий. В настоящее время на основании изучения гомологии нуклеиновых кислот можно считать установленным, что хлоропласты простейших и растений происходят от предков нынешних сине-зеленых бактерий, а митохондрии – от предков пурпурных бактерий. Обсуждается так же возможность происхождения центриолей от прокариотических симбионов. Поэтому такая возможность не исключена и для происхождения вирусов, особенно таких крупных, сложных и автономных, каким является вирус оспы.

Все же мир вирусов слишком разнообразен, чтобы при­знать возможность столь глубокой дегенеративной эволюции для большинства его представителей, от вирусов оспы, герпе­са и иридовирусов до аденосателлитов, от реовирусов до са­теллитов вируса некроза табака или РНК-содержащего дель­та-вируса — сателлита вируса гепатита В, не говоря уж о та­ких автономных генетических структурах, как плазмиды или вироиды. Разнообразие генетического материала у вирусов является одним из аргументов в


8-09-2015, 20:40