Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?
Шрифт:
Вирусы, клетки, организмы и популяции
Вирусы примитивных прокариот вступают в весьма развитые и богатые нюансами отношения со своими одноклеточными микробными хозяевами. Наше восприятие их как «примитивных» вводит в заблуждение: они эволюционировали вместе со своими хозяевами до появления третьего царства жизни – эукариот. Мы можем сколько угодно думать, будто наш видовой успех измеряется нашей биологической сложностью и культурной изощренностью – нашим разумом, развитием языка и культурными достижениями, но наш геном (и, если уж на то пошло, каждый наш ген) мало задумывается о таких вещах. Если бы он вообще умел думать, то считал бы успехом лишь возможность своего размножения и распространения. В этом отношении фаги и их геномы весьма и весьма успешны, так как сумели провести стадо своих генов через перипетии эволюции от времен зарождения жизни до нашего времени. Тем не менее сейчас мы ступим на территорию вирусов, инфицирующих нас с вами – позвоночных животных, многоклеточные организмы, представителей царства эукариот. Независимо от понимания успеха на генетическом уровне, этим микроскопическим машинам пришлось проложить очень сложный маршрут и проделать тернистый путь для того, чтобы сохранить и приумножить свои гены в эукариотических клетках.
В то время как вид Homo sapiens появился не более двухсот тысяч лет назад, многие инфицирующие нас вирусы, вероятно, были постоянными спутниками предков, от которых произошел человек разумный. Вирусы развивались, эволюционировали и следовали за ветвящимися и вновь образующимися
Однако с самого начала надо отметить одну значительную разницу. Она заключается в огромной сложности хозяина: это организм, кооперативное сообщество клеток. Когда мы обсуждали литические фаги, вирусы, инфицирующие бактерии и простейших, мы принимали в расчет только индивидуальные инфицированные бактериальные клетки. Успешное инфицирование фагом популяции бактериальных клеток начинается с проникновения в единичную клетку и реализуется после высвобождения дочерних фаговых частиц во внешнюю среду, где эти частицы могут беспрепятственно инфицировать других индивидов – другие бактериальные клетки. Эти частицы являются носителями генетической информации фага, отвечающими за передачу информации другим хозяевам. Отдельные, генетически идентичные клетки-хозяева, входящие в популяцию, инфицируются в ходе последовательных, разрастающихся по экспоненциальному закону циклов вирусной репликации до тех пор, пока сохраняется популяция клеток-хозяев. Успешные переходы из клетки в клетку являются важнейшим условием для репликации и распространения вирусов в популяции клеток-хозяев. Фаги бактериальных клеток приняли на вооружение разнообразные стратегии, обеспечивающие успешное размножение штаммов. Вирулентная литическая инфекция приводит к немедленной амплификации генома, в то время как лизогения отсрочивает продуктивную репликацию до более поздней реактивации профага. В каждом случае – я сейчас придерживаюсь данного мною определения вируса – необходимо, чтобы вирус был независимо развивающейся эгоистичной генетической единицей. Квинтэссенция «вирусности» заключается в передаче и инфицировании новых клеток-хозяев. Перед вирусами, инфицирующими многоклеточные организмы, стоит, в принципе, та же нелегкая фундаментальная задача обеспечения выживания – передача в новые клетки. Они должны инфицировать организм, реплицироваться и покинуть клетку с тем, чтобы проникнуть в новые клетки-хозяева. Это грандиозная и уникальная задача: вирусы должны отыскать доступ и сориентироваться в массиве из приблизительно 50 триллионов клеток, которые в сумме составляют наши ткани и органы. Вирусы должны отыскать именно те клетки, в которых могут реплицироваться, а также суметь уцелеть, несмотря на множество линий обороны организма. Позвоночные, например, обладают высокоразвитыми врожденными и адаптивными иммунными системами, призванными защищать организм от проникновения чужеродной генетической информации. И, наконец, вирусы должны иметь способ высвобождения дочерних вирусных частиц для их последующей передачи в другие клетки.
Даже для таких животных, как мы с вами, вирусную инфекцию и заболевания, вызываемые ею, можно свести к фундаментальным единицам, к инфицированию одной, отдельно взятой клетки. Тем не менее вирусы животных должны сделать многое сверх репликации и распространения внутри гетерогенной популяции клеток, составляющих ткани и органы нашего тела. Мало того, вирусы должны репродуцироваться и распространяться внутри популяции организмов, которые удалены друг от друга в пространстве. Различие в проявлениях разных вирусных инфекций представляют собой окно, через которое мы можем наблюдать механизмы и процессы, помогающие вирусам справляться с этими вызовами и успешно преодолевать давление естественного отбора, сохраняя свои штаммы на протяжении веков. Виромы животных состоят из совокупности более или менее патогенных вирусов, которые выработали разнообразные и порой удивительные стратегии в своих взаимоотношениях с хозяином. Отношения вирусов животных и их хозяев столь же разнообразны, как отношения фагов и прокариот, и представляют собой континуум, простирающийся от чистого паразитизма до взаимовыгодного симбиоза. Эти отношения вируса с хозяином являются результатом реципрокного хода эволюции хозяина и патогенного возбудителя, где, как в гонке вооружений, каждая сторона старается наилучшим образом оснастить себя ради выживания. Эволюционная адаптация вирусов дыхательных путей человека дает нам наглядную иллюстрацию развивающегося патогенетического процесса. Вирусы сумели развить у себя способность к успешной репликации и эффективному распространению, что вызывает эпидемические вспышки респираторных инфекций.
«Просто вирус»
Одним ранним осенним вечером родители заметили, что их трехлетняя дочка стала апатичной, вялой и плаксивой. Ближе к ночи у ребенка поднялась температура, на щечках появился нездоровый румянец; родители дали дочери парацетамол. На следующий день лихорадка сохранилась, стала нарастать заложенность носа, выделения непрерывно текли на верхнюю губу; присоединился сухой хриплый кашель, появились свистящие хрипы при дыхании. Озабоченные родители отвезли дочку к педиатру. Диагноз оказался нестрашным, но несколько неопределенным: «Это не грипп, наверное, просто вирус». Совет был таков: «Возвращайтесь домой, не обращайте внимания на кашель, уложите ее в постель и давайте больше жидкости. Если девочке станет хуже, немедленно обращайтесь». Доктор не выписал никаких лекарств. Собственно, их и не существует; нет специфического лечения, так как эту банальную симптоматику может вызвать любой из нескольких десятков вирусов, инфицирующих наши дыхательные пути. Куриный бульон работает не хуже других средств; люди моего поколения привыкли к разнообразным домашним способам. Один из них заключался в горчичных ваннах, призванных «выводить токсины». Это был такой же успешный метод лечения, как и все подобные, а терпкий вяжущий вкус горчицы отнюдь не был противным. Симптомы у девочки продержатся пару дней, а потом ребенок как ни в чем не бывало снова станет веселым и подвижным.
Так протекают почти все острые респираторные инфекции, вызываемые вирусами. Они обычно преходящи и разрешаются сами, очень редко приводя к серьезным осложнениям. Диагноз врача и его неспособность выявить конкретного виновника заболевания удовлетворительны лишь в том отношении, что точный этиологический диагноз был бы абсолютно бесполезен. Врач в этой ситуации не может предложить никакого специфического лечения. Есть совокупность разных вирусов, вызывающих простуду (не говоря о бактериях, которые вызывают сравнительно малую долю заболеваний, похожих на простуду), и в реальной обыденной жизни вас
Мы все озабочены вирусами, и знакомство с ними мы начнем с исследования самого вездесущего вирусного возбудителя – вируса «простуды». К вирусам, инфицирующим нас и вызывающим симптомы банальной простуды, относят вирусы гриппа (если речь идет об очень легких случаях), вирусы парагриппа, респираторный синцитиальный вирус, метапневмовирусы, вирусы Коксаки, энтеровирусы, аденовирусы, коронавирусы и риновирусы. Тем не менее именно риновирусы вызывают классическую простуду у детей. Риновирус является ее причиной в 70 % случаев вирусной респираторной инфекции, в особенности часто риновирус поражает своих жертв весной и осенью (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Успех этого патогена самоочевиден. Но почему он так потрясающе успешен? Он вызывает преходящее острое респираторное заболевание, но наш коллективный опыт учит, что простуда распространяется в домах и школьных классах с колоссальной эффективностью. Какова та стратегия инфицирования и ее отношение к человеку (единственному хозяину риновируса), которые сделали этот вирус нашим вечным и надоедливым спутником?
Риновирус человека
Основным вирусом простуды является риновирус человека. Ринос происходит от греческого слова, означающего «нос» или «носовой». Риновирус человека был выделен в пятидесятые годы как вирус, вызывающий простуду, и к сегодняшнему дню известно около ста его различных серотипов (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Все они генетически очень близки между собой, и выделяли их у больных, имевших одинаковую симптоматику. Вирус реплицируется в эпителиальных клетках, выстилающих носовые ходы. В течение десятилетий считали, что патологоанатомическая картина обусловлена локализованной репликацией вируса в носу и носоглотке. Ученые знали, что риновирус человека лучше всего реплицируется в культуре клеток при температуре между 33 и 35 °C. Это намного ниже температуры тела, и поэтому вирусологи полагали, что вирус может поражать только более холодные верхние дыхательные пути в носовых ходах. Оказалось, что это не так. У небольшой части пациентов риновирус с не меньшим успехом вызывает поражения нижних отделов дыхательных путей. Репликация вируса в нижних дыхательных путях была продемонстрирована в многочисленных исследованиях, в которых РНК вирусного генома выделяли из эпителия нижних дыхательных путей (Gern et al., 1977; Kaiser et al., 2006; Mosser et al., 2005). Ученые Кливлендского университета провели тщательное исследование температуры, преобладающей в дыхательных путях человека. Они непосредственно измерили температуру в нижних дыхательных путях и обнаружили, что она близка к 37 °C только ниже ветвления бронхов четвертого порядка, то есть глубоко в ткани легких (McFadden et al., 1985). Теперь мы принимаем как факт, что риновирус может поражать нижние дыхательные пути и там тоже можно обнаружить его репликацию. Этот аспект патогенеза риновирусной инфекции наиболее важен для особо восприимчивых пациентов. Больные, страдающие бронхиальной астмой или хронической обструктивной болезнью легких, подвержены тяжелым обострениям основных заболеваний на фоне риновирусной инфекции. Так что если мама говорила вам в детстве, что у вас «грудная простуда», то она ставила вам очень точный диагноз.
Существует сомнительное мнение, что простуда непременно возникает в холодную погоду; «ты простудишься и заболеешь» – это типичное напутствие матерей, дети которых убегают на мороз без шапки и в расстегнутой куртке. Считалось, что холод способствует распространению вируса. Какое более удачное место для исследований можно было найти, как не на станции МакМердо в Антарктиде? Группа ученых из университета штата Висконсин отправилась именно туда и в 1989 году опубликовала результаты своих исследований. Один из выводов гласил: длительное пребывание на холоде не оказывало значимого влияния на заболеваемость простудой среди ученых, перезимовавших на станции (Warshauer et al., 1989). Эти исследования развеяли еще один миф о простуде.
Итак, каков «образ жизни» риновируса? В чем секрет его генетического успеха в качестве возбудителя простуды у человека, простуды, которая посещает нас с завидной регулярностью? Давайте начнем сначала, как мы сделали это в отношении хвостатых ДНК-содержащих фагов. Риновирусы являются членами многочисленного и разнообразного семейства Picornaviridae; по размеру они сходны с хвостатыми фагами, инфицирующими прокариот, и тоже имеют икосаэдрический белковый капсид, в который упакован вирусный геном. Вместо двухцепочечной ДНК генетическая программа риновируса записана на одноцепочечной полимерной молекуле РНК длиной приблизительно в восемь тысяч пар оснований. РНК очень похожа на ДНК, и в настоящее время почти все согласны с тем, что РНК является эволюционной предшественницей ДНК в качестве носителя генетической информации. Нить РНК непосредственно представляет рибосомам клетки-хозяина информацию, кодирующую белок капсида, и на рибосоме немедленно начинается его синтез. Вирусная РНК, таким образом, транслируется в крупный белок, который расщепляется на одиннадцать белков меньшего размера, составляющих структурные элементы вирусной частицы (вирусные белки 1–4), и неструктурные белки, отвечающие за ход репликации генома. Частица риновируса является эффективным переносчиком вируса: инфицирование происходит в момент контакта вируса с эпителием носовых ходов или с эпителием конъюнктивы глаза. Вирус остается жизнеспособным в этой среде до четырех суток, а на поверхности кожи его жизнеспособность сохраняется два часа (Jacobs, Lamson, St. George et al., 2013). Обследование добровольцев показало, что у 40 % людей, страдающих простудой, вирус обнаруживается на руках (Gwaltney, Moskalski, Hendley, 1978). Перенесение вируса с рук на нос, с рук на глаза, а также прямой контакт с выделениями из носа или аэрозолем являются основными путями заражения. Вирус, попавший в носовые ходы, должен получить доступ в клетки хозяина, то есть в клетки слизистой оболочки, в которых ему предстоит реплицироваться. Этот процесс обеспечивается распознаванием и связыванием с белковым рецептором, расположенным на поверхности клетки носового эпителия. Специфичность этого физического взаимодействия исключительно высока. Форма и структура вирусного капсида точно соответствует трехмерной структуре внеклеточного домена рецептора (отношения «замок – ключ»). Таким способом подавляющее большинство риновирусов распознают молекулу межклеточной адгезии 1 (ММКА-1), белок на поверхности эпителиальной клетки. В норме эта молекула играет главную роль в адгезии лейкоцитов, иммунокомпетентных клеток, к клеткам, пораженным инфекцией или воспалением. Малая доля некоторых типов риновирусов, около 10 %, использует связывание с другим поверхностным белком – рецептором липопротеинов низкой плотности. Это связывание вирусной частицы с белком клеточной поверхности служит той же цели; в результате происходит прикрепление вируса к клетке. Независимо от природы рецептора, который распознает и связывает риновирус, комплекс белка и вируса транспортируется внутрь клетки с помощью механизма эндоцитоза. Вирус присваивает процесс, который клетка использует для обратного захвата и повторного использования белков своей собственной поверхности. Комплекс проникает в клетку в полости пузырьков, которые образуются в результате впячивания клеточной мембраны. Внутри клетки вирус отделяется от рецептора, и его частица распадается и высвобождает в цитоплазму геном – так же как фаги, геном вируса вступает в мир клетки-хозяина голым. Геном вируса немедленно распознается как шаблон для синтеза белка на клеточных рибосомах. Эти вирусные белки сразу блокируют функции клеточных белков, парализуют работу клетки и собирают комплексы репликации, которые удваивают геном РНК, готовый к упаковке и высвобождению из клетки. В отличие от фагов у риновируса нет выбора после входа в клетку. Он может вести себя только как вирулентный литический фаг; он не способен к лизогении (к которой способны умеренные фаги), и у риновируса, таким образом, нет возможности задержаться в клетке-хозяине. Это типичный гонщик на голом автомобильном шасси, кодирующий только свои генные продукты; он вынужден следовать хищнической литической тактике – хватай что можешь и беги – реплицироваться в наших клетках и одновременно в наших организмах.