Как использовать вирусы на врагов

Если у вас течет из носа, в этом, как правило, виноват обычный простудный вирус. К счастью, у нас имеется иммунитет, способный справиться с простудой, так что она быстро проходит. Другие вирусы, такие как коронавирус, заразивший множество человек, победить сложнее. Какие бывают вирусы и как с ними бороться, разбирается норвежское интернет-издание Forskning.

Существуют лекарства против вирусов, но они не всегда эффективны. Поэтому если вирус проник в клетки организма, задача иммунной системы — очистить их.

Между бактериями и вирусами — большая разница

В России сделали фото частиц коронавируса.

Вирус проникает в клетку. А затем начинает пользоваться ею, производя множество своих копий. Некоторые вирусы копируют себя в таких количествах, что клетка в итоге просто лопается и погибает. Из нее высвобождаются миллионы новых вирусов, готовых атаковать следующую клетку.

Коробка с инструкцией внутри

Клетка — очень сложная система. Вирус же, напротив, относительно примитивен. На самом деле он даже не выполняет все требования, сформулированные учеными, чтобы дать определение живого существа. Вирусы ничего не поглощают и не выделяют. Все эти заботы они перекладывают на других. Представьте себе вирус в виде маленькой коробочки. Внутри лежат его гены — своего рода инструкция, в которой описывается, как вирус работает.

Хорошие вирусы

Мы постоянно носим в себе множество вирусов. Они присутствуют повсюду. Но, к счастью, далеко не все вирусы опасны. Некоторые из них даже участвуют в очень важных процессах в природе. Например, в чайной ложке воды — несколько миллионов вирусов! В море они убивают бактерии, обеспечивая питанием прочие организмы. Большинство вирусов не вредят людям, ведь они атакуют лишь определенный тип клеток.

Некоторые вирусы нападают только на свиней, другие вызывают заболевания у растений. Третьи предпочитают бактерии. На земле существуют вирусы практически для всего живого.

Коронавирус

Нынешний коронавирус изначально был вирусом животных. Вероятно, его носителями были летучие мыши. Как вышло, что он перекинулся на людей?

Клетка стала фабрикой по производству вируса

Готовые вирусы затем могут покинуть клетку и отправиться в путешествие по организму. Либо клетка настолько переполняется вирусами, что лопается и погибает. И тогда множество новых вирусов вырываются на волю и атакуют новые жертвы. В организме поднимается тревога. Иммунитет выпускает своих агентов, чтобы они арестовали непрошеных гостей. В этот момент человек чувствует себя слабым и больным.

Вирусы гриппа и коронавирус атакуют и повреждают клетки легких. У заболевших коронавирусом поднимается температура и начинается кашель. Когда мы болеем гриппом, мы тоже страдаем от насморка и кашля. Так организм реагирует на инфекцию и защищается от нее.

Коронавирус распространяется по воздуху в маленьких капельках жидкости, при кашле вылетающих изо рта человека. Вдохнуть эти капельки может кто угодно. Либо кто-то может прикоснуться к месту, где они осели, а затем дотронуться до рта. Таким образом, вирус распространяется.

Лекарства и вакцины могут помочь

Сейчас ученые одновременно разрабатывают и лекарства, и вакцины против коронавируса.

Такое случается, например, когда иммунная система не в состоянии отследить вирус. К подобному типу относится вирус герпеса.

Выглядит как инопланетянин

Вирусы — это мельчайшие и простейшие микроорганизмы из всех существующих на Земле. Если представить, что клетка — это авианосец, то бактерия по сравнению с ней покажется обычной весельной лодкой. А вирус — бутылочной пробкой, качающейся на волнах поблизости. Но на самом деле есть и вирусы побольше. Их обнаружили всего несколько лет назад. Самые большие вирусы даже крупнее, чем простые бактерии. У них гораздо больше генов, чем у остальных вирусов, и большая часть их генетического материала совершенно не изучена.

Ученые задаются вопросом, откуда взялись гигантские вирусы. Может, прежде чем стать паразитами, они относились к отдельному виду живых организмов, обитавших на планете давным-давно?

К счастью, нам не стоит особенно бояться этих гигантских вирусов, как свидетельствуют проведенные исследования. Похоже, они предпочитают жить за счет амёб — одноклеточных организмов.

Когда нам хорошо, вирусу тоже неплохо

Все уже привыкли к тому, что эпидемия гриппа — абсолютно сезонная история, угрожает осенью и весной. А куда же грипп испаряется летом? Никуда.

— Мы его носим в себе. Вирус вызывает не только болезнь, он вызывает еще и скрытую, латентную форму инфекции. Когда вам хорошо, то и вирусу хорошо — это очень удобная и обоюдовыгодная ситуация, потому что есть гарантия не заразиться и не заболеть от этого вируса, — говорит вирусолог и предостерегает: — Можем ли мы ждать лихорадку Эбола? Конечно, можем. А почему нет? Кстати, она у нас бывала, но мы ее перехватили в аэропорту.

— Для кого вакцина хорошо? Не для того, кто заразился, а для того, кто собирается ехать в опасные по этим заболеваниям районы: врачам, техникам, инженерам, рабочим. Почему Эбола вдруг всколыхнулась? Мы с вами и слова такого никогда не произносили, — говорит Виктор Зуев. — Вирус лихорадки Эбола был характерен для регионов Западной Африки, где были богатые залежи меди. Когда медные рудники начали разрабатывать, в регион приехали непривитые люди. Туда, обратно — и активировали очаг. Кто-то привез в одну страну, кто-то в другую, третью — и пошел разговор о лихорадке Эбола.

Ученый объясняет: нам угрожают вирусы, причем угрожают по нашей собственной вине. Приводит пример: лет 40 назад весь наш отдых сводился либо к отпуску в деревне, на даче, либо, если очень повезло, к отдыху в Крыму или на Кавказе. Теперь же никого не удивить путешествиями на Мальдивы или в Доминикану.

— Мы с вами свидетели и участники перемешивания огромных человеческих масс. Вместе с этими массами везем всё, что есть в организме. А мы с вами, между прочим, не стерильны ни по бактериям, ни по вирусам. Существует такое понятие, как природно-очаговая инфекция. Если вы хотите поехать в тайгу, то вам надо привиться от клещевого энцефалита. Но дело в том, что в связи с колоссальной миграцией населения границы начинают размываться — вы можете подхватить клещевой энцефалит и в Подмосковье. Так что за все издержки цивилизации надо платить. Добро и зло не приходят поодиночке.

— Где Волга и где Нил? А это птицы приносят. Больная птица далеко не улетит, это летят здоровые птицы, которые являются вирусоносителями, — замечает вирусолог.

Угроза супервируса

— Надо смотреть правде в глаза. А может ли быть? Я всегда отвечаю конкретно: в жизни всё может быть. Не надо прятать голову в песок и изображать, что кругом всё замечательно. Всё может быть, и нужно быть готовым к этому. Если вы едете в какую-то страну с серьезным набором болезней, например, желтой лихорадкой, нужно подготовиться к поездке. Местные жители реже болеют, оказываются более устойчивыми к возбудителю. Встречаясь с небольшими дозами этого возбудителя, вырабатывается иммунитет, — говорит Виктор Зуев, но на всякий случай уточняет: вирус, против которого мы ничего не сможет противопоставить, — это выдумка.

Может ли человечество выкосить какой-то неведомый вирус, однажды высказалась и вирусолог-иммунолог Елена Карева: если бы это было возможно, за миллионы лет неведомый вирус уже бы проявился.

— Вряд ли человек сможет изобрести здесь что-то сам: он учится у природы, а придумать то, чего еще не было, очень и очень сложно. Так что и вероятность того, что человечество выкосит какой-нибудь новый и одинаково опасный для всех вирус, минимальна, —отмечала Елена Карева.

— Есть такое выражение: инфекционные болезни, о которых забывают, потом начинают мстить за эту забывчивость, — говорит Виктор Зуев. — Бактерии чумы поражают не только людей, но и грызунов. Такие красавцы, как суслики, являются носителями бактерии чумы. В регионах, где живут суслики, стоят противочумные станции. Эти станции следят за уровнем зараженности грызунов. Не дай бог, если уровень начнет повышаться — большая вероятность, что чума перекинется на людей.

Так было с оспой, которую, к слову, победили. В какой-то момент от прививок, говорит вирусолог, стало погибать больше людей, чем собственно от оспы, которая входит в категорию особо опасных инфекций.

— Вас же не удивит, если я скажу, что у нас в доме корь бушует? Не удивит. Потому что у нас неблагополучно с корью из-за того, что противокоревые прививки стали не строго обязательными. У наших соседей, я имею в виду украинцев, вообще просто катастрофа с корью, — говорит ученый, которому несколько дней назад исполнилось 90 лет.

Коронавирус заразил множество людей. Наверное, вы уже задавались вопросом, а что же вообще такое эти вирусы?

Если из носа у вас течет, в этом, как правило, виноват обычный простудный вирус. К счастью, у нас имеется иммунитет, способный справиться с простудой, так что она быстро проходит.

Другие вирусы победить сложнее.

Между бактериями и вирусами — большая разница

И бактерии, и вирусы могут стать причиной болезни человека. Но при этом они очень разные.

Внутри бактериальной клетки есть все, что требуется для жизни. Бактерия способна питаться, размножаться и избавляться от ненужных ей веществ. А вот вирус этого не может. Он выживает только за счет других, просто-напросто заставляя чужие клетки работать на себя.

Коробка с инструкцией внутри

Вирусы ничего не поглощают и не выделяют. Все эти заботы они перекладывают на других.

Представьте себе вирус в виде маленькой коробочки. Внутри лежат его гены — своего рода инструкция, в которой описывается, как вирус работает.

Хорошие вирусы

Например, в чайной ложке воды — несколько миллионов вирусов! В море они убивают бактерии, обеспечивая питанием прочие организмы.

Большинство вирусов не вредят людям, ведь они атакуют лишь определенный тип клеток.

Могут изменяться

Нынешний коронавирус изначально был вирусом животных. Вероятно, его носителями были летучие мыши.

Как вышло, что он перекинулся на людей?

В процессе создания копий вируса периодически случаются ошибки. Копия получается не совсем точной. Это называется мутацией.

Но изредка вирусы мутируют так, что, вместо того чтобы заражать животных, начинают атаковать клетки человека. Если в организм человека попадает такой вирус, это может стать началом нового опасного заболевания.

Нужен ключ

Клетка стала фабрикой по производству вируса

Клетка вырабатывает все, что нужно вирусу. Она становится вирусной фабрикой.

Вот почему человек болеет

В организме поднимается тревога. Иммунитет выпускает своих агентов, чтобы они арестовали непрошеных гостей. В этот момент человек чувствует себя слабым и больным.

Вирусы гриппа и коронавирус атакуют и повреждают клетки легких.

У заболевших коронавирусом поднимается температура и начинается кашель. Когда мы болеем гриппом, мы тоже страдаем от насморка и кашля. Так организм реагирует на инфекцию и защищается от нее.

Лекарства и вакцины могут помочь

Поскольку вирус на самом деле не совсем живое существо, очень трудно найти против него эффективное лекарство, которое при этом не навредило бы клеткам.

От некоторых вирусов защищают вакцины. Когда мы прививаемся, наш иммунитет учится распознавать вирус. В таком случае он нападает на вирус настолько быстро, что тот просто не успевает наплодить множество копий.

Сейчас ученые одновременно разрабатывают и лекарства, и вакцины против коронавируса.

От некоторых вирусов избавиться нельзя

О мире вирусов известно многое, но еще больше ученым только предстоит узнать.

Гигантские вирусы

Вирусы — мельчайшие и простейшие микроорганизмы из всех существующих на Земле.

Если представить, что клетка — это авианосец, то бактерия по сравнению с ней покажется обычной весельной лодкой. А вирус — бутылочной пробкой, качающейся на волнах поблизости.

Но на самом деле есть и вирусы побольше. Их обнаружили всего несколько лет назад. Самые большие вирусы даже крупнее, чем простые бактерии. У них гораздо больше генов, чем у остальных вирусов, и большая часть их генетического материала совершенно не изучена.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Популярное
Обсуждаемое

При полном или частичном использовании материалов ссылка на ИноСМИ.Ru обязательна (в интернете — гиперссылка).

Произошла ошибка. Пожалуйста, повторите попытку позже.

Факт регистрации пользователя на сайтах РИА Новости обозначает его согласие с данными правилами.

Пользователь обязуется своими действиями не нарушать действующее законодательство Российской Федерации.

Пользователь обязуется высказываться уважительно по отношению к другим участникам дискуссии, читателям и лицам, фигурирующим в материалах.

Публикуются комментарии только на русском языке.

Комментарии пользователей размещаются без предварительного редактирования.

Комментарий пользователя может быть подвергнут редактированию или заблокирован в процессе размещения, если он:

В случае трехкратного нарушения правил комментирования пользователи будут переводиться в группу предварительного редактирования сроком на одну неделю.

При многократном нарушении правил комментирования возможность пользователя оставлять комментарии может быть заблокирована.

Пожалуйста, пишите грамотно – комментарии, в которых проявляется неуважение к русскому языку, намеренное пренебрежение его правилами и нормами, могут блокироваться вне зависимости от содержания.

Посоветуйте книгу друзьям! Друзьям – скидка 10%, вам – рубли

Введение

Сразу после открытия вирусов в конце девятнадцатого столетия наука и общество сосредоточились на связи вирусов и болезней. Эта тенденция сохраняется до сих пор, что мы видим по содержанию статей в прессе и научно-популярных книг, в которых вирусы практически всегда рассматриваются как болезнетворные агенты. Надо сказать, что это совершенно адекватный подход, потому что с вирусными заболеваниями мы ежедневно сталкиваемся в обыденной жизни, и содержание новостей служит отражением этого мощного воздействия царства вирусов на наш личный опыт. Тем не менее многие люди не замечают влияния, которое вирусы оказывают на все экосистемы нашей планеты. Вирусы являются облигатными паразитами живых клеток; все живые организмы биосферы страдают от вирусного паразитизма, и геном каждого живого существа несет на себе отпечаток вирусной инфекции. В данной книге вирусы будут представлены как движущая сила эволюционного развития. Вирусы – замечательные специалисты по генной инженерии, так как именно они производят многочисленные генетические вариации, которые стимулируют эволюционные изменения в клетках организма хозяина, т. е. направляют нашу адаптивную эволюцию.

Это очень сложный предмет. Невозможно отделить эволюцию вирусов от эволюции их хозяев; каждый клеточный хозяин вступает в эволюционные конфликты всегда вместе с вирусами. Этот конфликт будет становиться все более очевидным по мере того, как мы проследим историю научных исследований, благодаря которым стало возможным понимание природы вирусов и их места в нашем мире, в наших болезнях и даже в эволюции нашего собственного биологического вида. Наше путешествие, в силу необходимости, будет пролегать по извилистой тропе, петляющей по множеству разнообразных ландшафтов. На каждом остановочном пункте мы будем рассматривать один из аспектов эволюционной изобретательности вирусов. Естественно, начать необходимо с открытия вирусов и описания их физической структуры. Мы узнаем, что сегодня вирусы можно считать эгоистической инфекционной генетической информацией, которая воспроизводится и развертывается в живых системах. Успешность деятельности вирусов регистрируется в новой генетической информации, которую эти вирусы создают, – в вирусном метагеноме – громадном объеме разнообразия, намного большем, чем вся прочая генетическая информация биосферы.

В отдельных главах мы исследуем часто недооцениваемые аспекты биологии вирусов, сосредоточившись на причинах и эволюционных принципах, определяющих эти аспекты. В первых главах мы поговорим о вирусах, поражающих микробов, роли вирусов в формировании глобальных экосистем и в стимуляции эволюции и разнообразия микробов. После этого мы обратимся к тому, как вирусы утяжеляют многие страшные для нас бактериальные заболевания, влияют на патогенность бактерий и устойчивость их к антибиотикам. Затем дойдет очередь и до вирусов, поражающих высшие организмы, мы узнаем, как современные вирусы стали успешными, и познакомимся с механизмами их собственной эволюции. Мы не будем отвлекаться на опасные вирусные заболевания, и основное внимание будет уделено патофизиологии и эволюционному давлению, играющим выдающуюся роль в возникновении эпидемий и эпизоотий, а также эволюции вирусов, вызывающих пандемии.

Заключительные главы посвящены взаимоотношениям вирусов с людьми. Наш уникальный культурный биологический вид способен приобретать знания и проявлять изобретательность в борьбе с вирусными заболеваниями. В этом отношении род человеческий является привилегированным представителем животного царства. Мы достигли такого уровня науки, когда стало возможным использовать вирусы в качестве части медицинского арсенала – для предупреждения вирусных болезней и лечения множества других заболеваний. Тем не менее время от времени появляются новые вирусы, бросающие нам очередной вызов. Эволюционная изобретательность вирусов в нашей изменчивой глобальной реальности ставит на повестку дня необходимость проявить старание и осмотрительность, для того чтобы не дать вирусам стать непреодолимым отягощающим фактором для грядущих поколений.

Глава 1
Облигатные паразиты клеток

Исследование метагеномов стало возможным благодаря технологическому прогрессу в молекулярной биологии. Такие исследования зиждутся на нашей способности читать и интерпретировать нуклеотидные последовательности генетического материала организмов и вирусов в каждой данной пробе. До наступления эры технологического прогресса распознавание и идентификация микроорганизмов и вирусов в каждой данной пробе были ограничены теми микроорганизмами и вирусами, которые можно было вырастить в культуре или рассмотреть под микроскопом. Сегодня выявление нуклеотидных последовательностей даже в крошечных пробах окружающей среды или биологического материала можно использовать как отпечатки пальцев, для надежной идентификации микробов и вирусов.

В течение последнего десятилетия ученые использовали эти инструменты для исследования возможной связи между составом человеческого микробиома, состоянием здоровья и определенными заболеваниями. Было установлено, что сообщество микроорганизмов состоит из 75–200 триллионов микробов – это число вполне сопоставимо с 100 триллионами клеток человеческого организма. Таким же поразительным является тот факт, что на каждый триллион микробных клеток приходится в десять раз больше вирусов! Эта популяция вирусов – в большинстве своем бактериофаги (для краткости мы в дальнейшем будем именовать их фагами) – является главной частью человеческого вирома. Остальные представители вирома – это вирусы, инфицирующие клетки нашего собственного организма. Исследования показывают, что от взаимодействия этих трех частей – человеческого организма, микробиома и вирома – главным образом зависит состояние нашего здоровья и восприимчивость к заболеваниям, хотя детали этого взаимодействия пока малопонятны.

К сожалению, пока не существует такой же эффективной методики для выявления вирусного метагенома. Его исследование отстает от исследования метагенома микробного. Мы не можем классифицировать вирусы, присутствующие в данной пробе, с помощью метода, пригодного для идентификации генома прокариот. В вирусном геноме отсутствуют гены рРНК, потому что вирусы не кодируют аппарат для синтеза своих собственных белков. Более того, вирусные геномы демонстрируют невероятное разнообразие генов и нуклеотидных последовательностей в них. В самом деле, нет ни одного единичного гена или потомка единичного гена, который можно было бы обнаружить во всех вирусных геномах; для выявления присутствия в пробе определенных вирусных генов и определения их филогенетического родства отсутствуют уникальные вирусные отпечатки пальцев.

В наше время ученые исследуют вирусные метагеномы в разнообразных экосистемах. Подсчитать количество вирусов в водной среде в настоящее время несложно. Количественная оценка нуклеиновых кислот вирусных частиц, выделенных из проб океанской воды, пропущенной через фильтр с порами диаметром 0,5 микрон, позволила выявить поразительный факт: в каждом миллилитре океанической воды содержится около 1 миллиона микробных тел и от 10 до 100 миллионов вирусов (Bergh et al., 1989). Прибрежные воды океанов являются, по сути, концентрированными растворами вирусных частиц. По самым скромным подсчетам можно предположить, что виросфера состоит из 10 11 индивидуальных вирусов, и именно они являются самыми многочисленными биологическими объектами на Земле, превосходя численностью бактерии и простейшие на порядок (Brüssow, Hendrix, 2002; Suttle, 2007; Breitbart, Rohwer, 2005). Для инопланетянина, снабженного органами чувств, регистрирующими микроскопические и макроскопические объекты, мы и другие представители царства эукариот потеряемся в толпе других биологических сущностей – мы представляем ничтожное меньшинство в планетарном биологическом сообществе.

Посоветуйте книгу друзьям! Друзьям – скидка 10%, вам – рубли

Сохранят ли все эти аргументы свою силу, если мы попытаемся рассмотреть самые ранние этапы эволюции и разобраться в том, как именно возникло царство вирусов. Ученые согласны в том, что вирусы возникли до того, как началась эволюция истинных клеточных форм (Koonin, Dolja, 2014). Критериям естественного отбора впервые, по-видимому, соответствовали предковые формы генетических элементов, вероятно на основе РНК, когда у них развилась способность к саморепликации. Предположительно, процесс, включающий предрасположенную к ошибкам репликацию, связывание и обмен простых элементов с формированием более сложных видов, и стал объектом естественного отбора. Можно представить, что вначале было много репликаторов, составленных из различных генетических элементов, которые примитивно реплицировались разными способами. Естественный отбор вступил в игру, когда эти репликаторы начали конкурировать за ресурсы, возможно, доступные химические строительные блоки, или когда условия изменились в пользу того или иного класса репликаторов. Эта ситуация могла вскрыть разницу в приспособленности форм репликации и благоприятствовать самым успешным формам, и, таким образом, осуществлять селекцию определенных репликаторов. Давайте на минуту представим себе, что доклеточные репликаторы являлись первыми, предковыми формами жизни. Но в таком случае как могли возникнуть вирусы? Согласно самой популярной гипотезе, они отделялись от этих более ранних предшественников по мере их структурного и функционального усложнения. Паразиты, скорее всего, возникли как неспособные к репликации элементы, которые тем не менее могли использовать химические свойства репликаторов, за счет чего им удавалось реплицироваться самим. После этого первичного становления паразитических отношений естественный отбор получил возможность независимо действовать как на паразитические, неавтономные, репликаторы, так и на автономные. Таким образом, сформировались две отдельные линии. Вероятно, очень смело предполагать, что паразитические неавтономные репликаторы, предшественники вирусов, на самом деле, начинали как члены популяции репликаторов, но отделились от них, утратив часть информации, что привело к появлению дефектных репликаторов, ставших облигатными паразитами, использующими те же механизмы, что и автономные репликаторы. По логике этого рассуждения мы должны заключить, что первые вирусы возникли как ранние предшественники жизненных форм, но утратили способность к автономной репликации и начали развиваться параллельно со своими хозяевами, которые в конечном счете приобрели весь тот антураж, который мы сегодня считаем жизнью.

Глава 2
Вирусы, гены и экосистемы

Наше подробное рассмотрение виросферы, приведенное в предыдущей главе, демонстрирует все изящество и сложность этих мельчайших переносчиков генетической информации. Тем не менее мы не коснулись разнообразного набора стратегий репликации и взаимоотношений вирусов с клетками-хозяевами и их популяциями. Ничего не было сказано и об эволюционных процессах, сформировавших вирусы, и о том, как вирусный метагеном повлиял на эволюцию живых организмов во всех доменах жизни, включая и экосистемы. Здесь мы постараемся восполнить этот пробел.

Caudovirales, древнейшие из фагов, инфицируют как автотрофных, так и гетеротрофных прокариот (Hendrix, Hatfull, Smith, 2003). Цианобактерии (ранее называвшиеся сине-зелеными водорослями), способные фиксировать углерод в процессе кислородного фотосинтеза, являются автотрофами и древнейшими из известных первичных продуцентов. Гетеротрофы зависят от первичной продукции других, автотрофных жизненных форм и пользуются продуцируемыми ими органическими соединениями для продукции собственной энергии. Отсюда следует, что эти фаги инфицировали общего прокариотического предка бактерий и простейших. Более того, нет ничего нелепого в предположении, что хвостатые фаги, присутствовавшие в океане, были первыми хищниками, истребителями прокариот. В ходе эволюции они появились определенно раньше, чем другие хищники, такие как одноклеточные жгутиковые и реснитчатые, которые в наши дни являются главными пожирателями автотрофов и гетеротрофов, населяющих наши океаны. Это отношение хищник – жертва между фагами и их хозяевами устояло в течение всей эволюции клеточной жизни. Пользуясь своей способностью к быстрой адаптации в условиях постоянно меняющегося давления отбора и реагируя на эволюционные изменения хозяев, фаги выработали широкий диапазон сложных и развитых отношений с клетками-хозяевами.

Некоторые хвостатые фаги, называемые литическими или вирулентными фагами, ведут себя просто как хищники прокариотических хозяев. После проникновения в клетку они быстро налаживают экспрессию своих собственных генов, которые захватывают управление метаболизмом клетки. Начинается синтез геномов и структурных белков фагов, происходит сборка вирусных частиц, и клетка-хозяин распадается (или лизируется), высвобождая сотни реплицированных вирусных частиц. В других случаях развиваются более утонченные типы взаимодействия. Инфицирующий фаг не сразу разрушает клетку, воздерживается от начала литического репликативного цикла и становится симбионтом клетки-хозяина, включив свою ДНК в хромосому клетки. Образующийся таким способом профаг, в спящем и безвредном для клетки состоянии, ведет себя как часть клеточной хромосомы и начинает реплицироваться только тогда, когда клетка начинает делиться. За эту услугу фаг платит клетке защитой от вторжения частиц других родственных фагов. Кроме того, геном фага может пополнить клеточный геном новой и полезной генетической информацией, что придает клетке новые свойства, имеющие конкурентное преимущество в сравнении с неинфицированными клетками. Естественный отбор действует на геномы фагов и их хозяев независимо, но после множества столкновений фага и хозяина развивается состояние мутуализма, которое часто приносит пользу и клетке, и вирусу. В этих условиях для обоих повышается вероятность выживания и продолжения генетической линии наследования.

Для того чтобы надлежащим образом интерпретировать сложные взаимоотношения вирусов с их прокариотическими хозяевами, нам надо рассмотреть процесс, с помощью которого фаги проникают в клетки хозяина и перестраивают его инфраструктуру. Естественно, фаги преследуют свою чисто эгоистическую цель – создать условия для беспрепятственной репликации. Такова главная директива вирусного генома, но такова же цель каждого гена и, на самом деле, всех генов живых сущностей. Фаги – это вирусы, которые инфицируют только прокариотические клетки, то есть одноклеточные организмы, лишенные ядра. Несмотря на то что это простейшие из существующих живых организмов, их фаги проявляют на удивление широкий спектр способов существования и стратегий инфицирования, каковой повторяется во всем мире вирусов. Исключительная взаимная приспособляемость хозяина и фага является результатом длительной истории совместной эволюции, подкрепляемой способностью фагов к быстрому усвоению генетических новшеств.

После проникновения в цитоплазму клетки-хозяина вирус получает доступ к ресурсам, необходимым для репликации его генома и сборки новых вирусных частиц. Аппарат клеточного метаболизма изначально занимался обеспечением энергией роста и размножением самой клетки – морфологической основы жизни, – но вскоре после того, как синтезируются первые продукты экспрессии генов фага, он взнуздывает те же клеточные механизмы, и они начинают обеспечивать репликацию вируса. Теперь клетка-хозяин обречена на гибель, так как ее ресурсы целиком и полностью истощаются в воспроизведении паразита. Тем не менее клеточная инфраструктура остается достаточно жизнеспособной для того, чтобы завершить репликацию вирусного генома и морфогенез новых вирусных частиц. В интересах вируса сохранить жизнеспособность клетки настолько, чтобы выполнить эти задачи (на самом деле, некоторые вирусы, например нитчатый фаг, реплицируются и покидают клетки, не причиняя ей видимого вреда). После завершения цикла репликации вирусов собранные вирусные частицы накапливаются в цитоплазме. В типичных случаях вирус кодирует специфические вещества, роль которых заключается в разрушении клеточной стенки хозяина, что высвобождает в окружающую среду новообразованные вирусные частицы.

Трудно спланировать и осуществить поэтапный генетический эксперимент, который позволил бы продемонстрировать те сложные и изящные механизмы, которые позволяют вирусам использовать энергию и инфраструктуру живых клеток. Эти эволюционные процессы направляются теми же мощными силами дарвиновского отбора, который создал многоклеточную жизнь и ее разумные формы в ходе процесса проб и ошибок и выживания наиболее приспособленных вариантов. Очень увлекательно считать разумные многоклеточные организмы кульминацией достижений естественного отбора, далеко превосходящей достижения эволюции этих примитивных клеточных паразитов. Но будет честно отметить, что разнообразие вирусного мира и объем генетической информации, созданной вирусами, превосходит разнообразие и объем генетической информации клеточных форм жизни. Если вы пороетесь в базах данных последовательностей нуклеотидов ДНК, то обнаружите, что подавляющее большинство уникальной генетической информации в нашей биосфере является вирусной, не имеет ничего общего с клеточными геномами и не происходит от них. Именно вирусы создали хранилище генетического разнообразия планеты. Будучи паразитами великого множества организмов – от цианобактерий и амеб до неандертальцев и людей разумных, вирусы успешно освоили огромное эволюционное пространство, с которым не может сравниться пространство любой формы жизни.

Некоторые фаги придерживаются исключительно хищнической стратегии репликации, которая приводит к циклам разрушения клеток-хозяев и высвобождению новых инфекционных вирусных частиц. Это завзятые гонщики мира фагов, созданные для жестокой и грубой эффективности, но лишенные всякого намека на гибкость тактики. У этих фагов одна цель – репликация любой ценой.

Другие фаги проявляют большую гибкость, и если продолжить автомобильную аналогию, то можно сказать, что они похожи на добротные туристические автомобили: они скоростные, но могут использоваться на обычных дорогах и снабжены приспособлениями, повышающими комфорт поездки, а также могут приспосабливаться к различным дорожным условиям. Эти фаги пользуются роскошью выбора стратегии после проникновения вирусной частицы в клетку. Эти фаги называют умеренными за их способность к самоограничению и умеренности, за отказ от немедленного удовлетворения страсти к литической репликации. Конечно, и эти фаги часто прибегают к лизису клетки, но при некоторых условиях они могут выбрать альтернативную стратегию и надолго поселиться в ДНК клетки-хозяина. После этого они становятся фрагментами передаваемой по наследству генетической информации, так как реплицируются вместе с хромосомой клетки, которую инфицировали. Для того чтобы этого добиться, вирус кодирует ферменты, необходимые для разрезания хромосомы и внедрения в нее собственной ДНК. Получившийся в результате профаг экспрессирует весьма ограниченный набор генов, кодирующих белки-репрессоры, которые помогают вирусу пребывать в дремлющем состоянии внутри хромосомы хозяина, где вирусная ДНК ведет себя всего лишь как еще один модуль клеточных генов. Этот процесс известен в науке под названием лизогении. Профаг сохраняется в клетке долго и передается дочерним клеткам при их делении.

В любом случае, как у хорошего иллюзиониста, у профага есть в рукаве и иная тактика выживания. Как можно судить по самому названию, профаг может стать родоначальником фага и вступить в цикл вирулентной репликации. Если клетка, в которой имела место лизогения, испытывает какой-либо стресс и рискует погибнуть, то профаг улавливает ситуацию и принимается спасать от гибели свой геном. Бактерии обычно реагируют на стрессогенные ситуации в окружающей среде стандартными запрограммированными ответами. Особенно важным фактором активации профага является стрессовая реакция клетки на повреждение ее ДНК (Ptashne, 2004). Эта реакция заставляет профаг переключать репрессированное дремлющее состояние в состояние вирулентной репликации: вирусный геном мобилизуется, особые ферменты вырезают вирусный геном из бактериальной хромосомы, и геном восстанавливает свою репликативную форму. Профаг экспрессирует продукты гена фага, отвечающие за репликацию ДНК, после чего начинается сборка новых инфекционных вирусных частиц. Фаг успевает реплицироваться до того, как погибает клетка-хозяин. Несмотря на ненадежность шансов, потомки реплицированного фага высвобождаются, чтобы дожидаться встречи с новой подходящей клеткой-хозяином, то есть возможности новой репликации.

В популяции бактериальных клеток, в которых произошла лизогения, – в лизогенах – каждая клетка содержит в своей хромосоме копию одного и того же профага. Индукция профагов происходит с высокой частотой, если популяция подвергается стрессу, что приводит к массированному разрушению клеточной популяции. Однако в растущей здоровой популяции профаги индуцируются спонтанно с очень низкой частотой. Лабораторные исследования показывают, что на 10 000 бактериальных клеток происходит одна индукция фага в каждом поколении клеток. Несмотря на то что такая спонтанная и редкая индукция является смертельной для отдельно взятой клетки-хозяина, мы все же можем заключить, что популяция лизогенированных клеток может получать пользу от присутствия профагов.

Какими же могут быть преимущества, перевешивающие риск от присутствия в клетке такой отравленной пилюли? Одно из объяснений заключается в том, что лизогены защищены от инфицирования сходными, родственными фагами. Та же репрессивная функция, которая поддерживает устойчивое существование профага, предотвращает литическую репликацию проникшей в профаг вирусной частицы. Таким образом, фаги, высвобождаемые в результате индукции, не могут атаковать генетически идентичные лизогены, но могут инфицировать не лизогенированные или другие восприимчивые клетки. Более того, фаги, вызывающие лизогению клеток, часто привносят в нее гены, кодирующие белки, полезные для клетки. Такое явление называют конверсией фага. Разумно предположить, что лизогения в целом оказывает благотворное влияние на клеточную популяцию. Популяция лизогенных клеток как целое повышает свою приспособляемость и становится более успешной. Это преимущество, обеспечиваемое фагом, намного перевешивает вред, причиняемый индукцией и гибелью незначительного меньшинства клеток популяции.

Следуя той же логике рассуждений, будет разумно предположить, что способность профага подвергаться индукции с небольшой частотой сама по себе является преимуществом для генома фага. Привлекательна мысль о том, что это ограждающая стратегия, при которой генетически однородная популяция фагов может одновременно проявляться в двух фенотипах – в данном случае для того, чтобы оптимизировать вероятность генетической успешности. Лизогению можно считать проявлением вирусного консерватизма, стратегии, направленной на выживание в неблагоприятных условиях. Литическая репликация – это азартная игра с высокими ставками, которая окупается уверенным предсказанием результата. Фаг, который никогда не пользуется преимуществами вознаграждений в азартной игре (за исключением неопределенных ситуаций), не будет таким же эволюционно успешным, как консервативный в целом фаг, который периодически индуцируется, когда вознаграждение проявляется в виде стремительного увеличения числа вирусных частиц. Представляется весьма вероятным, что фаги развились для спонтанных, подчиняющихся стохастическим закономерностям индукций – для того, чтобы пользоваться преимуществами литической репликации, но не подвергать опасности генетически однородную популяцию профагов, дремлющих в хромосомах их медленно делящихся хозяев.

Читайте также: