13.12.2006 | Наука

Идеальные паразиты

Живые существа состоят из клеток – это закон. Но были найдены существа – или объекты? – которые ему не подчинялись

В середине XIX века граница между живым и неживым, столетиями не дававшая покоя ученым и философам, была наконец точно определена. Живые существа могут быть больше океанского корабля или меньше мельчайшей пылинки, жить в вечных льдах или кипящем гейзере, проводить всю жизнь в странствиях или намертво прирастать к одной точке, могут никогда не видеть солнечного света и как огня бояться воздуха. Но у всех у них есть общая черта: они все состоят из клеток. В крайнем случае – из одной клетки.

Этот закон, сформулированный в 1838 году Теодором Шванном, остается в силе и по сей день. Но спустя полвека после выхода книги Шванна были найдены существа – или объекты? – которые ему не подчинялись.

Кристаллы из организмов

В конце 1880-х годов молодой ассистент Ботанической лаборатории Петербургской АН  Дмитрий Ивановский изучал странную напасть, поразившую табачные плантации южной Украины и Бессарабии. На листьях растений появлялись мозаичные пятна, увеличивавшиеся в размерах и перекидывавшиеся на здоровые листья. Это явно походило на неизвестное инфекционное заболевание.

Это было время расцвета микробиологии, уже одержавшей немало громких побед и разработавшей методы изучения невидимых существ. Нужно было высеять смывы с больных листьев на питательную среду, отделить выросшие микроорганизмы друг от друга и, поочередно нанося их на здоровые листья, выяснить, кто из них вызывает болезнь. Но Ивановский столкнулся с неожиданной трудностью: возбудителя странной болезни не удавалось ни разглядеть в микроскоп, ни вырастить на питательной среде. Однако инфекционная природа болезни не вызывала сомнения: сок больных листьев исправно заражал здоровые. Тогда ученый применил только что изобретенную «свечу Шамберлана» – фарфоровый фильтр с предельно мелкими, в полмикрона, порами. Ни одна бактерия, ни одна самая мелкая клетка не могла протиснуться сквозь это сито. Тем не менее пропущенный через него сок сохранял способность заражать.

Ивановский предположил, что «мозаику табачных листьев» вызывает неизвестный микроорганизм необычайно малого размера – в тысячу раз меньше обычных бактерий. Этого гипотетического возбудителя он назвал «фильтрующейся бактерией» за способность беспрепятственно проходить через самые тонкие фильтры. (Несколько позже голландский ученый Бейеринк, независимо от Ивановского открывший микроорганизмы с такими свойствами, предложил термин «фильтрующийся вирус» – от латинского слова virus, означавшего «яд, вредоносное начало».) Увидеть его непосредственно не удавалось ни под каким увеличением, но Ивановский разглядел в пораженных клетках какие-то странные микроскопические кристаллы. В здоровых клетках они никогда не встречались, и ученый предположил, что это могут быть скопления таинственного возбудителя.

Опубликованная в 1892 году работа русского миробиолога была принята мировой наукой с энтузиазмом: к этому времени было известно уже немало инфекционных болезней, возбудителей которых не удавалось ни разглядеть, ни вырастить в культуре. Даже великий Пастер не смог выделить возбудителя бешенства (что не помешало ему создать эффективную вакцину против этой болезни).

Но вот «кристаллы Ивановского» вызвали откровенный скепсис: представить себе кристаллы, состоящие из живых организмов, ученым конца XIX века было не под силу. Только в 1935 году американский вирусолог Уэнделл Стенли, выделив вирус табачной мозаики в чистом виде, доказал, что тот действительно может складываться в кристаллы и вновь распадаться на отдельные вирусные частицы, не теряя способности к заражению. Двумя годами раньше был изобретен электронный микроскоп, позволивший, наконец, воочию увидеть возбудителей-невидимок. (Никакой световой микроскоп этого не мог: размер вирусов – от 20 до 300 нанометров, в то время как длина самых коротких световых волн видимой части спектра – около 400 нм.) Окончательно же разобраться в природе вирусов удалось только во второй половине ХХ века – после открытия роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.

Жизнь взаймы

Паразитические организмы, к каким бы разновидностям живого они ни принадлежали, всегда устроены проще, чем их свободно живущие родственники. Растения-паразиты утрачивают зеленый цвет и способность к фотосинтезу, животные теряют органы чувств, конечности, иногда даже пищеварительную систему. Вирусы зашли по этому пути дальше всех: у них нет почти ничего своего. Вне зараженной клетки вирус представляет собой капсулу, внутри которой находятся несколько генов, иногда (например, у нашего хорошего знакомого – вируса гриппа) даже не соединенных вместе. Сама капсула состоит из белковых молекул, которые помимо способности складываться в капсулы и кристаллы умеют опознавать клетку-жертву, цепляться к ней, а у некоторых вирусов – проделывать отверстие в клеточной мембране и активно впрыскивать сквозь нее свое содержимое. (В других случаях вирусу помогает сама клетка, поглощая его и растворяя капсулу.) Больше они не умеют ничего – все остальное делают гены вируса. В крайнем случае они могут и обойтись без своего белкового скафандра – в эксперименте очищенные нуклеиновые кислоты вирусов сохраняли способность заражать клетки, хотя и не с такой эффективностью, как целый вирус.

Здесь нужно сказать два слова о носителях вирусных генов. У всех «настоящих» организмов, от бактерии до человека, есть два вещества, способные нести генетическую информацию – ДНК и РНК, причем основным носителем является именно ДНК, а РНК служит только для недолго живущих рабочих копий. У вирусов же полная свобода выбора: у одних типов вирусов гены представлены цепочками ДНК, у других – РНК.

Когда эти цепочки проникают сквозь мембрану, они могут начать работать прямо в цитоплазме, заставляя клеточный аппарат для синтеза белка (рибосомы) производить вирусные белки. Но у клетки в цитоплазме обычно нет ферментов, удваивающих ДНК или РНК, так что пока вирусные гены находятся в цитоплазме, их количество не прибавится. Зато может убавиться: вокруг шныряют ферменты-нуклеазы, способные быстро порезать на куски оказавшийся не на месте ген. Поэтому обычно вирусные гены мигрируют в ядро и встраиваются в собственные хромосомы клетки. Неважно, куда именно, в случайное место – лишь бы побыстрее.

Если клетку посетил ДНК-вирус, проблем нет: вставка маленького кусочка ДНК в большую молекулу для клеточных ферментов дело рутинное. РНК-вирусам приходится сложнее: их гены вставить напрямую в ДНК невозможно. Поэтому они снимают с себя ДНК-копии, которые уже и внедряются в хромосомы клетки. Для этого у РНК-вирусов есть специальный фермент – ревертаза или обратная транскриптаза.

Дальше события могут развиваться по нескольким сценариям. Самый простой – острая инфекция: в ядре захваченной клетки во множестве копируются гены вируса, а в цитоплазме рибосомы без передышки штампуют для них одежки – вирусные белки. Некоторые вирусы облекаются в них прямо внутри клетки, другие предпочитают делать это снаружи. «Одевают» их те же силы межмолекулярных взаимодействий, которые собирают молекулы минералов в кристаллы: белки, собранные в капсулу и начиненные нуклеиновыми кислотами, имеют меньше свободной энергии, чем в виде отдельных молекул. Если разобрать вирусную частицу на молекулы и предоставить их самим себе, через некоторое время из них сам собой соберется жизнеспособный вирус. Если перемешать составные части нескольких сходных вирусов (скажем, разных штаммов гриппа), они самособерутся как попало: в капсуле, образованной белками одного штамма, могут оказаться гены другого. Скорее всего и частицы каждой капсулы, и гены внутри нее будут принадлежать разным штаммам.

В конце концов клетка, все ресурсы которой брошены на производство новых экземпляров паразита, погибает (некоторые бактериофаги даже намеренно убивают клетку-хозяйку, растворяя специальными ферментами ее мембрану), а наработанное ею войско вирусов устремляется на завоевание новых клеток. Впрочем, «устремляется» – выражение фигуральное:

вне клетки вирус перестает проявлять признаки живого существа. Он не использует никаких веществ, не потребляет энергию, не способен к активному передвижению, и в нем вообще ничего не происходит.

Можно сказать, что вирусы доказывают клеточную теорию Шванна от противного: они живут только тогда, когда находятся в клетке и могут пользоваться ее биохимическими системами. Такой способ существования известный вирусолог Брайан Махи назвал «жизнью взаймы».

Но даже столь странный способ существования не избавляет вирусов от следования общему закону эволюции паразитов: при длительном использовании одного и того же вида-хозяина они постепенно уменьшают свою вредоносность. В самом деле, какая польза паразиту губить своего хозяина – ведь он тогда и сам погибнет или, по крайней мере будет принужден искать новое пристанище? Поэтому вирус со временем становится все «добрее»: проникая в клетку, он уже не убивает ее и не доводит до истощения, а встраивается в ее геном и потихоньку производит собственные копии, выпуская их во внешнюю среду. Мало того: такие «приручившиеся» вирусы препятствуют заражению того же организма сходными вирусами «диких» штаммов, словно оправдывая слова персонажа известной пьесы Евгения Шварца: «Единственный способ избавиться от драконов – это иметь своего собственного».

Эту идиллию, однако, омрачает одно обстоятельство: «завязавший» убийца может в один прекрасный день вернуться к своей профессии. Иногда это происходит словно бы ни с того ни с сего – из-за непредсказуемой мутации вируса или какой-то особой уязвимости конкретного «получателя». (При исследовании полиомиелита было обнаружено, что эта болезнь развивается примерно у одного из тысячи зараженных людей – остальные носят вирус в организме и выделяют его в окружающую среду, но не болеют.) Но гораздо чаще это случается, когда остепенившийся вирус попадает в организм другого вида или даже другой популяции того же вида-хозяина. Еще в период колониальных завоеваний было замечено, что многие тропические лихорадки выкашивали пришлых европейцев, в то время как аборигены либо вообще не болели ими, либо болели редко и в стертых формах. При переходе к другому виду разница в поведении вируса становится еще заметнее: печально известный в последние годы птичий грипп вызывает быструю гибель домашней птицы, в то время как дикие утки и чайки носят в себе самые смертоносные штаммы безо всякого вреда. Напугавший три года назад планету вирус SARS («атипичной пневмонии») оказался мирным приживалой китайских виверр. А возбудителя СПИДа – вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) мы получили от обезьян – колобусов и шимпанзе. Надо ли говорить, что им он не причиняет ни малейших неудобств?

Исследования в природе показали, что практически у всех живых существ есть свои «ручные» вирусы. Мало того: характерные «вирусные» последовательности нашлись и в хромосомах растений и животных, получить от которых соответствующие вирусы не удалось.

Судя по всему, тихо сидеть в геноме и помаленьку размножаться – это еще не предел совершенства. Высший класс – это не размножаться совсем. А зачем, в самом деле, трудиться?

Хозяин же тоже когда-нибудь обзаведется потомством – и к этому потомству вместе с необходимыми генами перейдут странные нуклеотидные последовательности, не кодирующие никакие белки...

В свое время ученые были поражены, какая огромная доля генома животных и человека никогда не считывается. Этой ДНК (получившей прозвище «мусорной») приписывались самые разные функции: регуляторная, резервная, защитная... Сейчас уже известны даже некоторые косвенные подтверждения того, что «мусорная» ДНК в самом деле играет какую-то роль в нормальном функционировании клетки. Это не исключает, однако, того, что изрядную ее часть составляют бывшие вирусы, отказавшиеся от всякой собственной жизнедеятельности и пассивно копирующиеся вместе с геномом хозяина.

Убийцы и снабженцы

У тех вирусов, которые не отказались от самостоятельного существования, жизнь не столь легка и беззаботна: между ними и заветной клеткой, где они могут ожить, стоит целый ряд барьеров. Прежде всего, вирус должен найти организм-хозяин – что само по себе непростая задача для того, у кого нет ни органов чувств, ни средств передвижения. В этом деле вирусы полагаются на случай и огромную численность: если выбрасывать в пространство бесчисленное множество собственных копий, какой-нибудь из них обязательно повезет.

Следующее препятствие – внешние покровы. Если бактериофаги имеют дело сразу с клеточной мембраной, то, скажем, вирусам наземных позвоночных противостоит плотное покрытие из многих слоев мертвых сухих клеток. Преодолеть этот барьер вирусы не в состоянии и потому в наши организмы они могут попасть только через слизистые оболочки (дыхательных путей, пищеварительного тракта или половых органов) либо при прямом введении в кровь – скажем, комариным хоботком или нестерильным шприцом. Но и этот путь небезопасен: слизистые оболочки выделяют слизь, смывающую вирусов. Кровь же патрулируется сразу несколькими типами иммунных клеток, задача которых – вылавливать любой чужеродный белок.

Если вирус появился в организме в первый раз, иммунной системе нужно некоторое время, чтобы наработать нужное количество антител – белковых молекул, связывающихся именно с этим вирусом. Но после первой встречи антитела остаются в крови, и в следующий раз «знакомый» вирус будет тут же опознан и уничтожен.

Для многих вирусов – например, для возбудителей оспы или краснухи – эта трудность непреодолима: человек, однажды переболевший этими болезнями или привитый от них, больше никогда не заражается. Однако другие вирусы выработали приемы, позволяющие раз за разом обманывать иммунитет. Например, у знакомого всем нам вируса гриппа оболочка состоит из белков двух типов – гемагглютинина (H) и нейраминидазы (N). Ими вирус берет на абордаж клетки-жертвы и по ним же его опознают антитела. Однако если хотя бы один из ключевых белков будет изменен, имеющиеся антитела ничего не могут поделать с таким вирусом, и человек почти гарантированно заболевает. Так начинаются пандемии гриппа – «испанка» 1918-19 гг., «сидней» 1957 г., «гонконг». Штаммы, которые их вызвали, так и обозначают по типам ключевых белков: H0N1, H2N2, H3N2... Но даже если сами белки не изменились, простое изменение их расположения в вирусной оболочке тоже сбивает иммунную систему с толку – интенсивность связывания вирусов антителами резко падает и может оказаться ниже темпов размножения вируса. С 1968 года в мире циркулирует штамм H3N2, давным-давно знакомый нашим антителам – что не мешает ему каждую зиму собирать свою дань со всех стран. А, например, у вируса полимиелита капсула образована одинаковыми «блоками», но каждый из них сам состоит из четырех белковых цепей. Тасуя их антигенные участки, вирус ускользает от опознания.

Некоторые вирусы пришивают к краям своих белков какие-нибудь необычные группы атомов – тогда эти белки становятся неузнаваемыми для ферментов, которые должны их расщепить. Но самое радикальное решение нашли возбудители иммунодефицитов, в том числе уже упоминавшийся ВИЧ: лучшая защита – это нападение.

Ученые еще не вполне ясно представляют себе ключевые события заражения человека ВИЧ, но то, что уже известно, поражает воображение. Попав в организм, ВИЧ оказывается в лимфатических узлах, где его захватывают специальные клетки, задача которых – удержать любого чужака до подхода полномочных блюстителей. Вслед за тем появляются поднятые по тревоге В-лимфоциты – рядовые иммунной системы. Когда они уже вовсю работают, прибывают офицеры и специалисты – Т-лимфоциты. И вот тут происходит невероятное: вирус, уже обнаруженный, зафиксированный и облепленный антителами, ухитряется внедриться в Т-лимфоцит и начать в нем размножаться. Пораженная клетка теряет способность выполнять свои обязанности, зато щедро раздает копии вируса своим собратьям. Не получая команд от Т-лимфоцитов, прочие иммунные клетки не могут ничего поделать с вирусами, и в конце концов вся иммунная система рушится. Все это напоминает крутой боевик, где уже пойманный преступник захватывает в заложники полицейского начальника и, отдавая через него свои приказы, дезорганизует все управление...

Впрочем, ВИЧ – это все-таки исключение. Прочие вирусы, как уже говорилось, преодолевают иммунный барьер с помощью всякого рода маскировки. Чтобы с неудовольствием обнаружить, что препятствия еще не кончились: атакованная клетка вырабатывает особый белок интерферон. Под действием его и она сама, и соседние клетки вырабатывают специальные белки, подавляющие синтез вирусных белков.

Столь сложная и эшелонированная защита показывает, что многоклеточные организмы и вирусы прошли долгий путь совместной эволюции. Был период, когда вирусов даже считали самой древней, доклеточной формой жизни.

Однако эта теория плохо стыковалась с тем, что сам по себе, вне клетки вирус не способен ни к какой жизнедеятельности.

Сейчас большинство ученых придерживается обратного взгляда: вирус – это компания беглых генов. К такому пониманию их склонило открытие в 80-х годах прошлого века «прыгающих генов» – транспозонов. Если обычный ген чинно сидит на своем месте в определенной хромосоме и может только меняться местами со своим коллегой из другой такой же хромосомы, то транспозоны живут по принципу «нынче здесь – завтра там». Они способны вырезать себя из общей ленты ДНК и вставлять в совсем другой участок – возможно в другой хромосоме. Если учесть, что вирусы, встроившиеся в геном клетки, тоже могут в любой момент покинуть надоевшую квартиру, то граница между вирусами и транспозонами становится довольно условной.

Кстати, съезжая с квартиры, вирусы нередко прихватывают с собой один или несколько хозяйских генов, перенося их в геном нового хозяина. Последствия такого подарка для организма-получателя могут быть очень разными: от злокачественной опухоли до новых эволюционных возможностей. Совсем недавно, например, появились данные о том, что один из ключевых генов, ответственных за формирование плаценты, возможно, был принесен в геном древних млекопитающих как часть внедрившегося вируса. Не заразись им кто-то из наших предков, мы бы могли проводить раннее детство в сумках на животах матерей.

Некоторые ученые предполагают даже, что вирусы поддерживают генетическое единство жизни: посредством их разные, часто даже неродственные виды регулярно обмениваются генами, а заодно – и эволюционными новинками.

Во всяком случае для бактерий подобная роль вирусов (точнее, вирусоподобных частиц – плазмид) доказана. Видимо, нам еще предстоит в полной мере оценить роль этих странных образований в функционировании и развитии биосферы.

 

Источник: «Вокруг света» № 11, 2006 (со значительными изменениями),