ВИРУСЫ: ЧТО ЭТО ТАКОЕ, ОТКУДА ОНИ ПОЯВИЛИСЬ И КАКИХ ВИРУСОВ СТОИТ ОПАСАТЬСЯ

Известные события ушедшего года усилили интерес к молекулярной биологии. В частности, многие задаются вопросами касательно биологии вирусов, к числу которых относится коронавирус. Многие также знают, что вирусы весьма многочислены в нашей экосистеме, и даже в нас самих они в норме присутствуют, не вызывая при этом в большинстве случаев угрожающих симптомов, такие, например, как вирусы герпеса. Почему одни вирусы относительно безопасны для своих хозяев, в то время как другие запускают скоротечные или хронические заболевания, которые могут привести даже к смерти? И как организм с ними борется?

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ ВИРУСЫ. Вирусная частица представляет собой в большинстве случаев закрытую капсулу, известную как вирусный капсид, в котором заключена вирусная РНК или ДНК (генетический материал вируса или, иначе, вирусный геном). Вирусный капсид состоит из белков самого вируса, на который у многих видов вирусов сверху наслаивается оболочка. Оболочка - это фрагмент мембраны клетки-хозяина, которую захватывает вирус, когда выходит из нее, попутно убивая эту клетку.

ВИРУСЫ ЖИВЫЕ ИЛИ НЕТ? Вирусы представляют особую, пограничную форму между живой и неживой природой. Они не являются клетками, схожими по своим свойствам с клетками эукариот (животных, растений) или прокариот (бактерий или архей). Находясь в форме свободных частиц в воздухе, на различных поверхностях или, например, в воде, вирусы не поглощают и не расходут энергию или окружающие ресурсы, такие как органические молекулы (т.е. у них нет метаболизма), они не делятся, чтобы увеличить свою численность, и не взаимодействуют с другими вирусами, т.е. почти все или очень многое из того, что понимается под существованием живых клеток, для них не характерно. Больше того, некоторые свойства вирусов роднят их с неживой материей, например, с кристаллами, которые, как известно, можно вырастить из неорганических материалов, например, поваренной соли и которые имеют упорядоченную структуру, в которой повторяются какие-либо элементы вроде шипов или впадин. Ту же самую упорядоченность можно увидеть на многих вирусах, например тех, которые относятся к семейству аденовирусов, у которых очень красивая форма правильного икосаэдра (многогранник с 20-ю гранями). Вместе с тем, вирусы, несмотря на отсутствие метаболизма и структур, типичных для нормальных клеток животных, растений или бактерий (ядро, органеллы, клеточная мембрана, построенная из фосфолипидов, аппарат Гольджи и т.д.), имеют некоторые важные особенности этих самых нормальных клеток. Эти особенности (наличие вирусного генома в виде РНК или ДНК и ряда белков, которые формируют комплекс с этой РНК или ДНК, а также создают защитную оболочку вируса, вирусный капсид) позволяют приписать вирусам свойства живых организмов, но, как понятно из вышесказанного, только частично.

КАК ПРОИСХОДИТ ВИРУСНОЕ ИНФИЦИРОВАНИЕ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ. Для успешного инфицирования вирусная частица должна соприкоснуться с клеткой-хозяином хотя бы на короткое время (доли секунды). В течение этого времени некоторые особые белки вирусного капсида ищут на поверхности клетки белков-партнеров, с которыми они могут связываться. Это связывание специфично, т.е. другие "потенциальные" белки-партнеры не сработают. И когда такое связывание произошло, то вирусная частица фиксируется на этой клетке и остается на ней. И если вирус покрыт оболочкой (смотрите выше), то эта оболочка сливается с мембраной клетки-хозяина и вирусная частица, в первую очередь, ее РНК или ДНК заходит в клетку. Если оболочки нет, то вирусная частица просто поглощается клеткой с помощью механизма, сходного или идентичного фагоцитозу. Специфичность узнавания вирусом клетки-хозяина можно хорошо проиллюстрировать на примере коронавируса, S-белок которого узнает молекулу АСЕ2 на поверхности клеток. И вот именно те клетки, на которых у человека присутствует АСЕ2, они и поражаются коронавирусом. В легких, например, это клетки АТ1 (альвеолярные клетки типа 1). А вот эндотелиальные клетки (внутренняя выстилка сосудов) не несут АСЕ2 и не поражаются коронавирусом, несмотря на некоторую грызню по этому вопросу в научной литературе.

РАЗМНОЖЕНИЕ И ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ВИРУСОВ. Как сказано выше, вирусы не рамножаются делением, так как у них нет для этого никаких механизмов. Вместо этого, инфицировав клетку-хозяина, вирусная ДНК или РНК использует белок-синтезирующий аппарат клетки-хозяина для того, чтобы быстро наработать несколько видов нужных белков, которые за счет своей работы многократно увеличат количество копий этой вирусной РНК/ДНК и наработают необходимые вирусу белки, в первую очередь белки вирусного капсида. С течением времени, когда количество копий вирусной РНК/ДНК и количество единиц вирусных белков увеличивается, начинается процесс самосборки вирусных частиц прямо в цитоплазме клетки. Готовые частицы покидают клетку-хозяина, попутно разрушая ее, и инфицируют соседние клетки. Таким образом, процесс нарастает лавинообразно. Некоторым вирусам требуется не более получаса от момента вхождения в клетку до появления новых поколений вирусных частиц. Таков примерно жизненный цикл аденовирусов, вызывающих респираторные заболевания, правда, им требуется больше времени вследствие того, что это крупные вирусы (около 100 нанометров в диаметре. Для сравнения, диаметр лейкоцита крови примерно 7000 нанометров).

Существуют вирусы с другим жизненным циклом, например, вирус иммунодефицита человека ВИЧ, вызывающий СПИД. Эти вирусы могут встраиваться (интегрировать) в одну из хромосом клетки-хозяина, становясь частью этой хромосомы и находиться в ней (персистировать) неопределенно долгое время, становясь так называемым провирусом. Когда клетка-хозяин делится, провирус делится вместе с ней, никак не выдавая своего присутствия. Это латентная фаза, когда вирус "спокоен". Но, в ситуации молекулярного стресса, провирус активируется и переходит из латентной фазы в литическую. Тогда все идет по вышеописанному сценарию. Провирус начинает работать как вирус, нарабатывает копии своей РНК (не ДНК, в данном случае), вирусные белки, далее осуществляет самосборку, и готовые вирусные частицы выходят из клетки за счет выпячивания участков клеточной мембраны и закутываясь в них, как в платок, получая таким образом оболочку.

СПОСОБНОСТЬ К МУТАЦИЯМ. Вирусы имеют в своем составе геномную РНК или ДНК, которые отвечают за кодирование вирусных белков. Любая РНК или ДНК, начиная с момента зарождения жизни на Земле (более 4,5 миллиардов лет назад, по современным представлениям) по своей химической природе способна к наследуемым изменениям, которые называются мутациями. Мутации, как мы все знаем, лежат в основе механизма дарвиновской эволюции. И вирусы также, и в полной мере, способны к дарвиновской эволюции, в которой, как в джунглях, выживает сильнейший. Вирусы на протяжении своего жизненного цикла сталкиваются с угрозами со стороны нашей повседневной среды обитания (солнце, кислород, вода), а оказавшись в организме, например, человека или животного, с противодействием со стороны иммунной системы и агрессивной средой крови и тканевых жидкостей. Поэтому вирусы пытаются противопоставить всем этим "внешним" угрозам те преймущества, которые у них есть. Прежде всего, это способность за короткое время генерировать большое вирусное потомство и способность к быстрой эволюции за счет мутаций, что позволяет им до некоторой степени избегать контроля со стороны иммунной системы. Больше того, некоторые вирусы, вроде вируса гриппа, имеют фрагментированный геном, когда их генетический материал раскидан по нескольким фрагментам, как по хромосомам у эукариот. У таких вирусов полная генетическая информация не обязательно представлена в каждой вирусной частице и, когда одну клетку человека или животных инфицируют несколько вирусных частиц, то самосборка новых может происходить после свободной перетасовки этих генетических фрагментов. Такая перетасовка увеличивает наследование вирусами "полезных" для них мутаций на порядок.

КАК ИММУНИТЕТ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ ВИРУСАМ И ПОЧЕМУ МЫ БОЛЕЕМ. Жизненный цикл вирусов направлен на сохранение и воспроизводство вирусных частиц, но не на сохранение организма-хозяина. Поэтому организм-хозяин выработал механизмы противодействия вирусам. В этом тексте имеет смысл затронуть только приобретенный иммунитет, так как вакцины активируют именно этот тип иммунитета. Вирусы состоят из белков и нуклеиновых кислот (РНК или ДНК). Вирусные белки не являются белками человека, животного или другого организма-хозяина. Поэтому они, сразу после того, как вирусная частица попала в клетку-хозяина, запускают иммунный ответ организма против вируса. Источник вирусного белка не имеет принципиального значения. Этот белок может появиться либо в составе целого "живого" вируса, либо наработаться в инфицированной клетке на основе вирусной РНК/ДНК как матрицы уже после того, как инфекция произошла, либо тем или иным способом прийти в составе противовирусной вакцины. Вакцина, таким образом, может быть чистым вирусным белком (наиболее дорогостоящий вариант), либо чистой вирусной РНК/ДНК сама по себе или в составе липосомного носителя (наверное, самый дешевый вариант; сегодня, например, это вакцины Pfizer против коронавируса), либо какой-то другой, “удобный” для нас вирус, который может выступать в качестве носителя для вакцинирующего (коронавирусного) белка. В последнем случае это, например, российская вакцина Спутник V, или похожие "оксфордские" вакцины в Англии. Когда вирусный белок появляется в организме-хозяине, то с ним (с белком) проходит серия молекулярных и клеточных событий, в результате чего активируется один или несколько так называемых клонов В- и Т-клеток, которые специфичны именно к этому конкретному белку. Другие клоны, которых, условно говоря, миллионы, остаются неактивны. Эти специфичные клоны В- и Т-клеток размножаются, дают многочисленное потомство. И, в частности, В-клетки приводят к образованию плазматических клеток, которые продуцируют специфичные анти-вирусные антитела. Эти антитела связывают вирус и делают его неактивным. Неактивный вирус, связанный антителами, поглощается макрофагами. Сами антитела, как и любые другие белки в агрессивной среде плазмы крови, существуют относительно недолго, месяца 3-4. Постепенно количество антител в крови падает и вирус вроде бы опять получает преймущество. Но, в организме остаются так называемые В-клетки памяти, которые живут дольше. Когда новый вирус того же самого типа попадает в организм, эти В-клетки памяти очень быстро активируются, так как им не требуются все те подготовительные этапы, как при начальной инфекции. Поэтому продукция антител очень быстро нарастает, и у вируса нет шансов на то, чтобы наработать свои собственные копии и инфицировать новых организмов-хозяев.

Другой тип анти-вирусного иммунитета, Т-клеточный, который также активируется параллельно с В-клеточным, нацелен не на связывание и инактивацию целых вирусных частиц, а на уничтожение своих собственных клеток, которые уже инфицированы вирусом. Инфицированные клетки несут на своей поверхности фрагменты вирусных белков или даже целые белки, которые распознаются специфичными клонами Т-клеток. И вот эти клоны, после активации и размножения, атакуют инфицированные клетки и уничтожают их, таким образом, лишая вирус возможности вовремя наработать множественные копии себя. Кстати, некоторые типы противоопухолевого Т-клеточного иммунитета работают примерно по такому же механизму.

Таким образом, в этом тексте рассмотрены некоторые вопросы биологии вирусов, хотя эта тема необъятна, как океан. Видовое разнообразие вирусов огромно. Некоторые полагают, что мы знаем о существовании только около 1% всех вирусов. А ведь есть еще вироиды, более "примитивные", чем вирусы. Происхождение вирусов также представляет загадку. Ни одна из существующих на сегодня теорий не может объяснить как и когда они появились на нашей планете.

Источник: vk.com

Комментарии: