Теории происхождение вирусов

Наши представления о происхож­дении вирусов претерпели за последние годы значительную эво­люцию. Основные гипотезы о происхождении вирусов сводятся к альтернативе:

1) вирусы являются потомками первоначальных форм жизни и

2) вирусы имеют эндогенное происхождение и являются отделившимися генами или другими клеточными структурами, ставшими автономными.

Согласно первой гипотезе, вирусы являются потомками пер­воначальных протобионтов, которые приспособились к парази­тическому образу жизни в появившихся позже первобытных клеточных формах. Такой образ жизни мог продолжаться на протяжении длительных периодов, и современные вирусы пред­ставляют собой потомки многих первоначальных форм жизни. Дальнейшая эволюция их происходила по двум путям соответ­ственно двум направлениям развития органического мира (про­кариоты, эукариоты). Появление одноклеточных, а позже мно­гоклеточных растений сопровождалось приспособлением древ­нейших, вирусов к внутриклеточному паразитированию в них, и отдаленными потомками их являются вирусы высших растений. Появление одноклеточных, а затем многоклеточных животных сопровождалось эволюцией поражавших их вирусов, потомками которых являются ныне существующие вирусы животных. От­дельная ветвь — вирусы прокариот (фаги).

На всех этапах эволюции органического мира был возможен обмен вирусами как между близкими, так и между далеко от­стоящими таксономическими группами, включая обмен вируса­ми между растениями и животными. Этим объясняется суще­ствование групп сходных вирусов, поражающих филогенетиче­ски далеких хозяев, например реовирусы животных и вирусы раневых опухолей растений. Однако это гипотеза оставляет многое необъяснимым. Она не позволяет объяснить причины разнообразия генетического материала у вирусов.

Гипотезу эндогенного происхождения вирусов разделяют большинство вирусологов в связи с накоплением фактов об архитектуре и репродукции вирусов и гласит о том, что вирусы — отделившиеся компоненты клетки. Эта гипотеза допускает, что некоторые ДНК-содержащие вирусы вполне могли возникнуть из эписом ((от эпи... и греч. sóma - тело), генетические факторы, способные находиться в клетке либо в автономном (в цитоплазме) либо в интегрированном (включенными в хромосому) состоянии; представляют собой молекулы ДНК. К Э. относятся геном умеренного фага лямбда, некоторые R-факторы, сообщающие бактериям устойчивость к определённым лекарств. веществам, и некоторые др. Э. не являются обязательными компонентами клеток и могут переходить из одного состояния в другое, что зависит от вида клеток. Например, геном умеренного фага лямбда в клетках кишечной палочки может находиться в интегрированном либо в автономном состоянии, а в клетках возбудителя брюшного тифа - только в автономном состоянии. Находясь в автономном состоянии, большинство Э. ведут себя как типичные плазмиды. Ряд авторов видит в Э. переходное звено между структурами, определяющими хромосомную и нехромосомную наследственность) в результате приобретения генетической информации, необхо­димой для построения биологического чехла. Ряд ученых полагают, что некоторые вирусы могли возникнуть из таких клеточных органелл, как хлоропласты и митохондрии, которые, вероятно, сами произошли от бактерий. Мелкие виру­сы, возможно, произошли из компонентов клеток позвоночных, в то время как герпес-, покс- и, вероятно, аденовирусы имеют иное происхождение. Эти крупные вирусы могли произойти из нуклеиновых кислот организмов, принадлежащих к другим ти­пам, или в результате дегенерации микроорганизмов.

Разные группы вирусов неравномерно распределены в орга­ническом мире. Вирусы поистине убиквитарны (повсеместны), и, вероятно, нет ни одного биологического вида, начиная с микоплазм и амеб и кончая цветковыми растениями и приматами, которые бы не были заражены вирусами.

Такая универсальная пораженность органического мира ви­русами вряд ли может быть понятна, если их рассматривать только как паразитов — возбудителей болезней. Имеется много фактов, указывающих на пользу, приносимую вирусами своим хозяевам. Так, например, известно, что свойство вырабатывать токсины возбудителями дифтерии, столбняка и ботулизма не свойственно этим бактериям, а привносится поражающими их умеренными фагами, содержащими гены соответствующих ток­синов. Устойчивость бактерий к антибиотикам также является результатом синтеза разрушающих или модифицирующих их ферментов, закодированных в плазмидах, которые могут пере­даваться от бактерии к бактерии. Таким образом, имеется мно­го фактов, свидетельствующих о способности вирусов прино­сить полезную для хозяина информацию. Поражая разные виды, вирусы могут распространять эту информацию не только сре­ди особей одного вида, но также между разными видами.

Имеются еще два крупных раздела вирусологических иссле­дований, разработка которых начата недавно. Это, во-первых, определение места и роли вирусов в эволюции живого и, во-вторых, использование вирусов для генно-инженерных работ. Еще больше возрастает модельная роль вирусов для фундамен­тальных проблем биологии, особенно для ее центральной про­блемы— определения сущности жизни. «...Вирусы дают нам единственный в своем роде ключ к пониманию функции нуклеи­новой кислоты, а возможно, и к пониманию природы самой жиз­ни». (У. Стенли, Э. Вэленс, 1964). Нет сомнения, что в будущем вирусы еще долго сохранят свою модельную роль для раскры­тия сущности жизни, так как с них начинается на наших глазах огромный путь от молекул к организму (имеются в виду работы по генной инженерии и изучение связи между структу­рой и функцией).

Двойственность природы вирусов состоит в том, что их структура находится на молекулярно-генетическом уровне и поддается точным способам изучения, тогда как функции виру­сов реализуются на организменном уровне, и исследование их в основном носит описательный характер.

Прионы

Помимо болезней, вызываемых РНК- и ДНК-содержащими вирусами, имеется необычная группа заболеваний центральной нервной системы — подострых спонгиозных трансмиссивных энцефалопатии (ПСТЭ) — скрепи (заболевание овец и коз), болезнь Крейтцфельда-Якоба; синдром Герстмана-Страусслера-Шейнкера; синдром "фатальной семейной бессонницы"; болезнь Куру; хроническую прогрессирующую энцефалопатию детского возраста или болезнь Альперса, болезнь Альцгеймера — распространенная форма старческого слабоумия. Все перечис­ленные заболевания отнесены к группе медленных инфекций. Они характери­зуются длительным инкубационным периодом, который может продолжаться месяцы, годы, а то и десятки лет; в это время у зараженного человека или животного нет никаких симптомов. Когда же начинается собственно болезнь, она неуклонно прогрессирует и обычно приводит к гибели организма.

В 1966 г. Гайдушек, Г. Гиббс младший и М. Элперс сообщили о том, что возбудителем куру можно заразить обезьян, Через два года Гайдушек и Гиббс показали, что болезнь Крейтцфельда — Якоба, а также синдром Герстманна — Стрейсслера могут также передаваться обезьянам.

Сходство клинических и патологических признаков скрепи, куру, болезни Крейтцфельда — Якоба и синдрома Герстманна — Стрейсслера наводит на мысль о близком родстве этих болезней. Во-первых, начальные симптомы скре­пи, куру и синдрома Герстманна — Стрейсслера — затруднения при ходьбе и потеря координации, свидетельствующие о нарушении деятельности мозжечка. Ни при одной из этих болезней не наблюдается ни воспалительного процесса, ни лихорадочного состояния, состав спинномозговой жидкости и число клеток в ней остаются нормальными. Это свидетельствует о том, что иммунная си­стема не реагирует на возбудителей указанных болезней. Патологические из­менения при этих болезнях происходят в пределах центральной нервной систе­мы, и характерный признак — ненормальное размножение астроцитов (опор­ных клеток мозга). В нейронах уменьшается количество дендритных шипиков, важных для передачи нервных импульсов.

Наиболее распространенное из этих заболеваний — скрепи — было впер­вые описано в Англии еще в XVIII в. Болеют обычно овцы старше 4—4,5 лет. У больных животных сначала появляется расстройство координации движений и кожный зуд, заставляющий их непрерывно почесываться (отсюда и назва­ние: англ, to scrap — скрести). Затем наступают параличи, неизбежно закан­чивающиеся через несколько месяцев гибелью животных.

В 1960 г. Р. Чэндлер добился успеха в заражении агентом скрепи мышей. В 1978 г. Б. Прузинер и др. обнаружили четкую корреляцию между концент­рацией возбудителя и скоростью проявления болезни, а также временем смерти животного.

В отдельных деревнях папуасов племени форе, населяющего горные рай­оны Новой Гвинеи, около 10% людей болели неизвестной болезнью, названной куру (на языке племени форе это слово обозначает «дрожать»). По симптомам эта болезнь очень напоминала скрепи у овец (те же нарушения координации движений и параличи), кроме того, отмечалось слабоумие. К. Гайдушеку, впервые описавшему в 1957 г. куру, и его сотрудникам удалось выяснить путь передачи болезни. Среди жителей этих районов был распространен обычай ритуального каннибализма: в знак уважения к умершему родственнику члены клана съедали некоторые его внутренние органы и натирали себе кожу его мозгом и печенью. Основными участниками ритуала были обитатели так назы­ваемых «женских хижин» — женщины и дети до 6 лет, чем и объяснялось преобладание женщин среди жертв куру. В основном благодаря усилиям К. Гайдушека ритуальный каннибализм был искоренен, и заболеваемость ста­ла быстро сокращаться, причем сначала она исчезла у детей, потом у под­ростков и молодых людей. В настоящее время наблюдаются лишь единичные случаи заболевания куру среди лиц старше 30 лет. Очевидны два выхода: каннибализм — единственный путь распространения инфекции, инкубационный период заболевания может составлять до 30 лет.

И, наконец, так называемая болезнь Крейтцфельда — Якоба. Она распро­странена по всему земному шару, но встречается достаточно редко — несколь­ко случаев на миллион населения. Примерно 20% заболеваемости составляет семейная форма; известны семьи, в которых было 12 больных в пяти поколе­ниях. Обычно болезнь проявляется на 40—50-м году жизни и сопровождается опять же нарушениями координации движений, расстройством органов чувств и слабоумием. На поздних стадиях наступают параличи, которые через не­сколько месяцев (реже лет) приводят к гибели. Путь распространения этой болезни точно не известен.

Все заболевания группы ПСТЭ имеют не только сходную симптоматику, но и похожую патоморфологическую картину: деградацию мозговых нейронов, разрастание глиальных клеток и накопление так называемого мозгового ами­лоида. Образование аналогичных фибрилл при болезни Альцгеймера (старче­ском слабоумии) позволяет провести параллель между этим широко распро­страненным заболеванием (по некоторым оценкам, им болеют до 10% лиц старше 65 лет) и ПСТЭ. Распространенность болезни Альцгеймера, естествен­но, повышает интерес к этой группе болезней.

Хотя эти болезни и не входят в число важнейших медицинских проблем (главным образом потому, что встречаются сравнительно ред­ко), их изучение уже почти 40 лет составляет одну из фундаментальных задач вирусологии, а природа их возбудителей — одну из самых интригующих зага­док этой науки.

Чем же отличаются эти возбудители от других, обычных вирусов? Согласно современным представлениям, вирусы — это автономно воспро­изводящиеся (реплицирующиеся) генетические системы, которые продуцируют информационную, или матричную, РНК (мРНК), но лишены собственной си­стемы трансляции (синтеза белков) и поэтому используют трансляционный аппарат клетки-хозяина. В результате такого взаимодействия образуются все вирусные белки, в том числе так называемые структурные белки, в которые «одевается» носитель генетической информации — нуклеиновая кислота вируса, без чего она не может переходить из одной клетки в другую.

Длительное изучение возбудителей ПСТЭ показало, что они почти по всем этим признакам так или иначе отличаются от классических вирусов, что и от­разилось в другом их названии — «неканонические вирусы». Результаты по­следних лет заставляют вполне серьезно обсуждать возможность полного от­сутствия нуклеиновых кислот у этих агентов. А поскольку возбудители ПСТЭ обладают такими важными признаками любого живого организма, как наслед­ственность и изменчивость, необходимо понять, как соотносится эта возмож­ность с основными принципами биологии.

Скрепи удалось передать не только норкам, но морским свинкам, мышам и хомячкам. И во всех случаях инфекционный агент проходил через фильтры, задерживающие самые мелкие бактерии. Все четыре возбудителя (куру, энце­фалопатии норок, скрепи и болезни Крейтцфельда — Якоба) близкородствен­ны, возможно, это разные штаммы одного и того же «вируса».

Однако по мере изучения «вирусы» скрепи вызывали у исследователей все возрастающее недоумение. Дело в том, что вирусного в них было очень мало.

Кроме двух свойств — способности агента проходить через бактериальные фильтры и мутаций, приводящих к возникновению новых штаммов (что ука­зывает на существование у возбудителя собственного генотипа), все остальные свойства агента были в высшей степени необычными.

Во-первых, в пораженных тканях ни в оптическом, ни в электронном микроскопе никогда не удавалось наблюдать каких-либо структур, похожих на частицы искомого вируса. Во-вторых, все попытки получить у животных антитела против возбудителя окончились неудачей. В-третьих, агент не мог размножаться ни на одной из многочисленных испытанных культур клеток. Но самой поразительной оказалась исключительная устойчивость этого возбу­дителя к разнообразным воздействиям, эффективно подавляющим инфекционность бактерий и вирусов: нагреванию, обработке формальдегидом, ультра­фиолетовому облучению, ионизирующей радиации.

Фиксированные формалином образцы инфекционного мозга (первичные препараты для патогистологии) сохраняют инфекционность после часовой обработки в условиях сухого жара при 360°С. Инактивация агента скрепи ионизирующей радиацией и ультрафиолетом отличалась от инактивации виру­сов не только количественно, но и качественно: его чувствительность к иони­зирующей радиации резко повышалась в присутствии кислорода, в то время как обычные вирусы таким свойством не обладают. Выраженный «кислород­ный эффект» характерен для инактивации белковых или липидных систем; для инактивации нуклеиновых кислот присутствие кислорода несущественно. Ис­следование спектра действия инактивирующего ультрафиолета показало, что для агента скрепи наиболее эффективен ультрафиолет с длиной волны 235 нм, а не 254—260 нм, как для подавляющего большинства бактерий и вирусов (напомним, что длины волн 254—260 нм соответствуют максимуму поглоще­ния нуклеиновых кислот). Результаты этих экспериментов заронили первые серьезные сомнения в том, что инфекционность агента скрепи связана с нук­леиновой кислотой.

Оказалось, что инфекционный агент скрепи весьма прочно связан с кле­точными мембранами и не отделяется от них стандартными методами (обра­ботка детергентами в обычных концентрациях). Исходя из этого была пред­ложена так называемая мембранная гипотеза: агент скрепи не содержит нук­леиновой кислоты, а представляет собой самореплицирующийся фрагмент мембраны. Однако в силу, мягко говоря, неортодоксального характера этой гипотезы и отсутствия детальной биохимической характеристики агента мем­бранная гипотеза не была воспринята сколько-нибудь серьезно. Исследователи склонны были считать, что агент скрепи все же содержит нуклеиновую кисло­ту, но она либо имеет некую необычную структуру, либо каким-то образом защищена от инактивирующих воздействий.

В 1971 г. Т. Динер открыл вироиды — удивительные агенты, вызывающие ряд болезней растений. Эти сравнительно мелкие РНК с мол. массой около 100 тыс. Д, лишенные какой-либо оболочки, не кодируют никаких белков (та­ких размеров хватило бы для кодирования лишь коротких полипептидов) и, очевидно, реплицируются при участии ферментов растительной клетки.

Однако вскоре выяснилось, что воздействия, вполне эффективно инакти-вирующие вироиды, в частности ферменты, разрушающие РНК (рибонукле-азы), на агент скрепи не влияют. В печати появилось сообщение, что инфек­ционность этого агента будто бы ассоциирована с низкомолекулярной ДНК, но проверка в других лабораториях не подтвердила этих данных.

Таким образом, к началу 80-х годов природа возбудителей ПСТЭ остава­лась по-прежнему таинственной; ясно было лишь, что они качественно отли­чаются от всех известных инфекционных агентов. Выходом из тупика могла быть только разработка эффективных методов очистки агентов ПСТЭ.

Решению этой задачи способствовало в первую очередь создание в 1971 г. группой исследователей под руководством Г. Чэндлера (Великобритания) от­носительно быстрого и простого метода титрования инфекционности агента скрепи на сирийских хомячках. У этих животных инкубационный период за­болевания намного короче, чем у овец и даже мышей, причем его продолжи­тельность обратно пропорциональна заражающей дозе. Теперь определить инфекционность одного образца можно всего лишь за 60—70 дней на четырех хомячках. Таким образом, эксперименты по очистке агента стали посильным делом. Как и следовало ожидать, это привело к быстрому прогрессу исследо­ваний.

Разработанные этой группой схемы очистки агента скрепи оказались не­ожиданно довольно простыми и включали сочетание стандартных методов ультрацентрифугирования и электрофореза; ключевыми этапами явились, по-видимому, освобождение инфекционного агента от мембран путем продолжи­тельной обработки высокими концентрациями детергентов, а также обработка препаратов ферментами, расщепляющими нуклеиновые кислоты (нуклеазами) и белки (протеазами). В результате были получены препараты с достаточно высокой степенью очистки.

В освобожденных от мембран препаратах был обнаружен единственный белок с мол. массой около 30 тыс. Д или набор белков с очень близкими мол. мас­сами. Когда в аналогичных условиях разделяли экстракты нормальных тканей, в соответствующих фракциях также находили белки с мол. массой около 30 тыс. Д. Разница между инфекционными и контрольными препарата­ми выявлялась при обработке протеазами: в условиях, когда все белки нор­мальной ткани полностью переваривались, 30 К белок оставался устойчивым. Этот белок расщеплялся лишь при гораздо более длительной протеазной об­работке и (или) при более высоких концентрациях фермента. В электронном микроскопе фракции, содер­жащие инфекционный агент, выглядели как двойные фибриллы диаметром 4—6 и длиной 50—500 нм. Содержание фибрилл в препаратах коррелирует с титром инфекционного агента.

Оказалось, что агент скрепи ведет себя, как белок с мол. массой не менее 16 тыс. Д и не более 50 тыс. Д. Все приведенные данные указывают на то, что 30 К белок является существенным компонентом инфекционного агента. На этом основании С. Прузинер высказал предположение, что агент (ы) ПСТЭ относятся к совершенно новому классу патогенов, не имеющих в своем составе нуклеиновой кислоты, но содержащих необходимый для проявления инфекционности белок. Для обозначения объектов этого класса С. Прузинер предложил термин «прион» (по транслитерации начальных букв первых двух слов в словосочетании prote­in infections particle — белковая инфекционная частица, англ.). Протеин-прион (PrP) представляет собой сиалогликопротеид с молекулярной массой 33000-35000 дальтон, или 33-35 kD, кодируемый единственным геном, расположенным у человека в 20 хромосоме. Он состоит у человека приблизительно из 254 аминокислот, включая 22-членный N-терминальный сигнальный пептид. Прион PrP(с) найден у всех млекопитающих. Его жизненный полупериод составляет несколько часов, но он хорошо сохраняется в течение развития. К настоящему времени установлено 18 различных мутаций гена PrP человека, которые связаны с различными прионовыми болезнями.

Таким образом, методом исключения пришли к третьей гипотезе, соглас­но которой прион — это клеточный белок, не синтезируемый в организме (т. е. ген, кодирующий его, в норме не работает).

Прионный белок в пораженных организмах, конвертируется в другую изоформу принципиально отличную от первой по своей физхимии. Конверсия происходит в результате перестройки вторичной структуры молекулы нормального предшественника в непосредственном контакте с патологическим белком (собственно прионный белок) и, возможно, с еще одним белком - белком-помошником. При этом он практически теряет чувствительность к протеазам, сильно снижается его растворимость, приобретается способность к аутоагрегации с образованием амилоидных фибрилл в дальнейшем ведущем к образованию амилоидных бляшек и этот процесс происходит в нервной ткани.

Можно предположить, что и белок приона, встраиваясь в клеточные мем­браны, запускает некий специфический каскад протеинкиназных реакций, в результате которых репрессор транскрипции гена приона фосфорилируется и инактивируется.

Следует отметить, что активация белком собственного гена достаточно хо­рошо известна: таким способом регулируется, например, работа некоторых ге­нов бактериофага X (лямбда).

Предполагаемая гипотеза, по мнению Е. В. Кунина и К. М. Чумакова (1985), не противоречит тому, что известно сегодня о свойствах приона. Кос­венным подтверждением существования гена приона в клетке служат данные о взаимодействии разных «штаммов» агента скрепи (различающихся по про­должительности инкубационного периода — единственному надежному генети­ческому признаку агента) с разными линиями животных. В результате таких исследований выявлены гены sip (у овец) и sine (у мышей), имеющие множе­ственные аллели, обусловливающие различную длительность инкубационного периода для разных «штаммов» скрепи.

Еще меньше, чем о механизмах репродукции приона, можно сказать о его функциях в нормальной жизнедеятельности животных (если такие функции вообще имеются). Как уже отмечалось, у взрослых животных в норме ген приона, по-видимому, «молчит».

Таким образом, возбудители скрепи и болезни Крейтцфельда — Якоба — это инфекционные агенты, состоящие из крупных белковых молекул.

Виройды

Открытие их принадлежит Т. Динеру (1971). Вироиды, как и прионы, — это новые классы субвирусных возбудителей болезней. Они лише­ны оболочки, "представляют ковалентно замкнутые кольцевые молекулы РНК, состоящие из 246—371 нуклеотидов, не инкапсидированы, мол. масса РНК 120 кД. В клетках хозяина вироиды локализованы в ядрах; их можно выде­лить как свободные нуклеиновые кислоты вместе с другими РНК и белками.

В настоящее время кроме вироида веретеновидности клубней картофеля известно еще шесть вироидов, поражающих растения: вироиды экзокортиса цитрусовых, задержки роста хризантем, хлоротической крапчатости хризантем, болезни «каданг» кокосовой пыльцы, бледных плодов огурцов, вироид, кар­ликовости хмеля, верхушки томатов, «планто мехо» томатов и карликовости лопуха (Сангер, 1984). Не исключено существование вироидов, поражающих животных и человека.

Геномы вироидов очень малы. Возбудитель веретеновидности клубней кар­тофеля является одним из наиболее крупных. Он состоит из 359 нуклеотидов. Его молекула содержит многочисленные внутримолекулярные спаренные ос­нования, которые организованы в чередующиеся последовательности спираль­ных участков и отделены друг от друга внутренними петлями.

Высказано предположение о том, что вироиды происходят из генетиче­ского материала хозяина и представляют пример аутоиндуцирующихся регу-ляторных молекул.

 

ПРОТИВОВИРУСНЫЙ ИММУНИТЕТ

Иммунология вирусных инфекций в последние годы достигла больших успехов. Советскими учеными созданы эффективные живые и инактивированные вакцины против ряда вирусных бо­лезней животных. Открыты новые факторы и механизмы про­тивовирусного иммунитета (ингибиторы, интерферон, клеточный иммунитет).

В понятие противовирусного иммунитета входят три катего­рии защитных механизмов: 1) естественная видовая резистентность; 2) неспецифические клеточные и общефизиологические реакции (участие интерферона, неспецифических ингибиторов, физиологическая температура тела, пиноцитоз вирусных частиц, фагоцитоз зараженных вирусом клеток); 3) специфический приобретенный иммунитет после переболевания или иммуниза­ции (образование его связано с участием В-лимфоцитов в про­дукции антител класса G, М, А и Е, а также с участием Т-лимфоцитов),