Чума, грипп-испанка, СПИД, атипичная пневмония, лихорадка Марбурга и Эбола -этислова стали синонимами смерти. Вирусы унесли больше человеческих жизней, чем все войны вместе взятые, они кроят наш генотип под свой "вкус", "выбраковывая" тех, чей организм не может защититься от их атак. Они вызывают мутации, "встраивая" свои гены в ДНК живых существ. Вирусы не только сами эволюционируют устрашающими темпами, но и изменяют всех живых существ на земле - людей, животных, растений и даже бактерий.
Вирусы выделяют в отдельное царство - царство Вира, они непохожи ни на один вид живых существ. Главным образом потому, что на самом деле они не живы - живыми их можно назвать, когда они заражают другой организм, а вне клетки они напоминают кристаллы - статичные и безжизненные.
Изучение вирусов началось в 1892 году, когда Д.И. Ивановский открыл вирус табачной мозаики. Вскоре, в 1898 году, была доказана вирусная природа ящура, а в 1917 году - были открыты бактериофаги. Вирусы сначала считали микроорганизмами, а бактериофаги - и вовсе разновидностью ферментов. В 60-х годах благодаря развивающейся молекулярной биологии, было введено понятие вириона - единицы вируса, и стало понятно, что вирусы не являются организмами. В 1962 году на 1-м Международном симпозиуме было сформулировано основное отличие вирусов от других живых организмов: генетический материал вирусов - или ДНК, или РНК, а организмы имеют оба типа нуклеиновых кислот. Другое главное отличие - отсутствие у вирусов собственных систем синтеза белка.
Представители царства Вира не только не являются организмами, к ним неприменимы основные таксонометрические единицы биологии: особь, популяция, вид. Сначала казалось, что единица вируса - вирион - белковый кокон, с заключенной внутри вирусной ДНК или РНК. Но выяснилось, что один вирион содержит не все гены вируса, а лишь их фрагменты. Синтез новых вирусов начинается в зараженной клетке, когда в нее проникнут вирионы со всеми фрагментами генотипа - их может быть от 2 до 28. Потому нельзя сказать, что вирион - "вирусная особь".
Но даже множество вирионов не образуют вирусную популяцию. Рядом с ними всегда будут так называемые дефектные вирусы и вирусы-саттелиты, - вирусы паразитирующие на другом вирусе. Дефектные вирусы размножаются в клетке только при наличии полноценного вируса-помощника (используя его гены, если дефект самого вируса - дефект гена полимеразы, или используя его белки - если у него дефект гена внутренних или оболочечных белков). При смешанных инфекциях генотип одного вируса находится в оболочке другого. Другой тип паразитирующих вирусов - саттелиты. Они используют полноценный неродственный вирус, и при репликации новый саттелит всегда имеет дефект в генотипе, не позволяющий ему самостоятельно размножаться.
Есть разновидности вирусов, которые всегда находятся в клетке - плазмиды,оничасто выполняют полезные функции в клетках бактерий (например, синтезируют токсины, убивающие насекомых, или ферменты, разрушающие антибиотики), их репликация обеспечивается клеткой, а их гены не кодируют синтез белков. Прионы - возбудители спогиформных энцефалопатий (болезнь куру, болезнь Крейтцфельда-Якоби) - это результат выхода из-под контроля генов, кодирующих белки, в результате чего поражаются нервные клетки.
От вирусов животных вирусы бактерий - бактериофаги и вирусы растений - вироидыы сильно отличаются по структуре. Бактериофаги обзавелись "захватами", чтобы удерживать бактерию, а вироиды очень малы, чтобы проникать сквозь плотную оболочку растительных клеток - это небольшие циркулярные суперспециализированные молекулы РНК. Кроме того - вирусы различаются размерами, формой, способом самовоспроизведения, и типом клеток, на которых они могут паразитировать.
Происхождение вирусов
Существует три теории происхождения вирусов. Согласно первой - вирусы - результат дегенерации одноклеточных организмов. В эволюции дегенерация - отнюдь не редкий процесс, но эта теория не объясняет разнообразие вирусов. Теория доклеточных организмов, перешедших к паразитизму, и теория дериваты клеточных структур, ставших автономными (гипотеза "взбесившихся генов") - две наиболее популярные теории происхождения вирусов. В пользу теории доклеточного паразитизма говорит существование хвостатых фагов, а в пользу клеточных структур, обретших самостоятельность - R - плазмоиды. Кроме того, гипотеза "взбесившихся генов" объясняет общность дефектных вирусов, саттелитов, плазмидов и прионов. Если она верна - возникновение вирусов не было единичным событием, и продолжается постоянно. Тогда должны возникать новые вирусы - абсолютно новые, а не развившиеся из ранее существовавших.
Между вирусами возможен обмен целыми блоками генетической информации, причем эти вирусы могут быть генетически весьма далеки друг от друга. Новые функции у вирусов могут возникать при неожиданном сочетании собственных генов и интеграции генов чужих. Увеличение генотипа вируса за счет неработающих генов может привести к образованию новых генов. Все эти механизмы делают вирусы одними из самых быстроизменяющихся организмов на земле.
Вирусы могут менять "хозяев" на которых они паразитировали веками. Считается, что именно так произошел вирус СПИДа - "переквалифицировавшись" с обезьян на людей, и грипп "испанка", бывший ранее одним из птичьих вирусов.
Разнообразие вирусов
Внешний вид и размер вирусов зависят от их специализации. В общем случае они имеют вид белковой "сердцевины", в которую "запечатана" ДНК или РНК. Иногда - белковое ядро обволакивает липидная мембрана, с включенными белками и углеводами. Форма вирусов разнообразна и зависит от свойств белка, из которого построен вирус. Чаще всего вирионы представляют собой жгуты (палочки), икосаэдры (20-гранник), вирионы с головкой и хвостовым отростком (фаги), спирали (чаще - вироиды). Размер вирусов так же различен. Один из самых крупных вирионов - вирион натуральной оспы - может быть виден в световой микроскоп как кирпичик размером 450х260х260 нм.
По способу воспроизведения генетического материала вирусы делят на 7 больших групп:
Вирусы с позитивным РНК-геномом содержат матричную РНК (мРНК), с которой сразу после попадания вируса в клетку начинается синтез вирусных белков, а размножение самой РНК происходи позже. Таковы вирус полиемелита, клещевого энцефалита, вирус мозаинки табака.
Вирусы с отрицательным РНК-геномом содержат РНК, комплиментарную мРНК. Они вводят в клетку не саму РНК, а содержащий ее вирусный фермент - РНК-зависимую РНК-полимеразу, с которого синтезируется мРНК, а затем - вирусные белки, в том числе, вирусный фермент. Представители этого типа вирусов - корь, вирусы гриппа, вирусы желтой карликовости картофеля. Подобен механизм репликации вирусов, содержащих вместе с отрицательной РНК участки РНК прямой полярности. К ним относится геморрагические лихорадки - тяжелые заболевания человека.
Вирусы с двуцепочной РНК вводят в клетку одновременно РНК и РНК-зависимую РНК-полимеразу. Благодаря РНК-полимеразе клетка синтезирует мРНК, а благодаря мРНК - белки и РНК-полимеразу, которые вместе образуют двуцепочную РНК для нового вириона. Двуцепочную РНК имеют ротавирусы, вызывающие расстройства кишечника.
Вирусы с двуцепочной ДНК реплицируют в клетке, когда с одной цепочки вирусной ДНК ДНК-зависимая РНК-полимераза клетки создает мРНК (транскрипция), которые синтезируют белки для вируса, а с другой - ДНК-зависимая ДНК-полимераза синтезируют вирусную ДНК (репликация). Так размножаются герпес и оспа.
Вирусы с одноцепочной ДНК могут содержать положительную или отрицательную цепочку ДНК, которая попадаю в клетку, превращается сначала в двуцепочную форму, а затем действует в клетке как двуцепочная.
Ретровирусы содержат одну положительную цепочку РНК, но в вирусном геноме ретровирусов закодирован необычный фермент - ревертаза, который обладает свойствами, как и РНК-зависимой, так и ДНК-зависимой ДНК-полимеразы. Этот фермент попадает в клетку вместе с РНК и обеспечивает синтез ее копии сначала в одноцепочной, затем - двуцепочной форме. После этого начинается синтез вирусных белков. К ретровирусам относятся вирусы злокачественных новообразований и ВИЧ.
Ретроидные вирусы состоят из двуцепочной ДНК, с которой сначала считывается вирусная мРНК (это делает клеточная ДНК-зависимая РНК-полимераза), которая служит матрицей для синтеза вирусных белков и ДНК. Синтез ДНК осуществляет фермент схожий с ревертазой, по схеме ретровирусов. Самый известный ретроидный вирус - гепатит В.
Таким образом, различия между типами вирусов громадно. Например, отличие вируса гепатита А (с позитивным РНК-геномом) от гепатита В (ретроидный вирус) более фундаментально, чем отличие микроба от слона. Гепатиты С и Е, хотя и являются вирусами с позитивным РНК-геном, принадлежат к разным с гепатитом А семействам, причем гепатит С имеет липопротеидную оболочку. Не смотря на гигантское различие, все они вызывают сходные по симптомам заболевания.
Взаимодействие вирусов с клетками бывает двух типов: продуктивное и соглашательное.
Продуктивное размножение происходит постоянно, независимо от "расписания" клетки. Оно может приводить к гибели клетки - когда исчерпаются ее ресурсы, а может быть медленным, с развитием хронического инфекционного процесса - клетка жива, хотя и не здорова.
Соглашательные вирусы подчиняются внутреннему ритму клетки - их геном включается в состав клеточной хромосомы. При делении клетки вирусы попадают вместе с хромосомами в новую клетку. Вирус может затаиться на определенное время, а после интенсивно размножаться, пока новые вирионы не выйдут из разрушенной клетки, а могут постоянно производить новые вирионы, при этом, не разрушая клетку. Так поступают ретровирусы, долгое пребывание которых в клетке меняет ее свойства и она может переродиться в раковую.
Причиной гибели зараженной клетки могут быть три механизма: работа вируса "истощающая" клетку, защитная реакция клетки, запускающая генетическую программу ее гибели (апоптоз), и иммунная система организма, уничтожающая зараженную клетку.
Пандемии
Пандемия (от греч. Pandemia - весь народ) - эпидемия, захватывающая значительную часть населения страны, группы стран, или континента. Причинами первых пандемий стало одомашнивание животных и мутация вирусов животных так, что они теперь могли поражать людей, другая причина пандемий - разрастание городов и антисанитария.
Первым массовую эпидемию описал историк Фукидид - в 430г до н.э. неизвестная болезнь, пришедшая из Эфиопии, за 4 года уничтожила четверть афинян.
"Чума Антониана" уничтожила в Риме в 165-180 годах 5 млн человек, в том числе двух императоров. Согласно историку Дио Кассио были дни, когда в Риме умирало до 2тыс человек. Чума была занесена солдатами с ближневосточных походов.
"Чума Юстиниана" - бубонная чума 541-542 гг. была занесена в Византию вместе с зерном из Египта, и быстро распространилась по континенту. Смертность составила 75%. Всего погибло 40% жителей Византии и четверть населения Средиземноморья. Именно благодаря чуме была проведена реформа законодательных актов - срочно требовались новые, простые правила вступления в наследство.
"Черная смерть" - бубонная чума 1347-1350 гг. стала одной из самых страшных эпидемий в истории человечества. В Европе погибло 20 млн человек (четверть населения), в Китае и Монголии - 25 млн. Многие китайские провинции вымерли на 90%. Переносчиками чумы были крысы и блохи, чтобы остановить распространение чумы в 1666г дотла был сожжен Лондон.
Вспышки чумы продолжались до 19 века - но уже локально. В 19-20 вв миллиарды людей переболели "новыми" болезнями: корью, оспой, холерой, тифом.
Другой напастью человечества стал грипп - первая эпидемия произошла в 1889 года, а вскоре - в 1918 г. пандемия "испанки" (испанский вирус А H1N1), унесшей более 20 млн жизней. Следующая пандемия гриппа А (H2N2) в 1957-1958 гг унесла в США 70 тыс жизней. Вирус H2N2 исчез в 1968 года, вытесненный новым штаммом - "гонкогским" гриппом - так же группы А (H3N2). Тогда на протяжении года в США погибло 34 тыс. человек.
После первой вспышки вируса А H1N1 было еще несколько локальных эпидемий, и, казалось, что он вытеснен азиатским гриппом 1957-го года (H2N2), но в 1977 году он появился вновь, и сейчас распространяется вместе с гонконгским гриппом, получив название "Новая Каледония". Всего, кроме гриппа "Гонконг" и "Новая Каледония" сегодня стоит опасаться их "детей": вируса "Висконсин" (группа А H3N3) и вируса "Малазия" (группа В).
Новый пандемический штамм вируса А возникает каждые 20-70 лет (штаммы гриппа отличаются набором гемагглютинина и нейраминидазы), за 2-3 года в рамках штамма возникает эпидемический серотип - вариант вируса с другим строением поверхностных белков. Именно он приводит к крупным эпидемиям. Считается, что источником нового пандемического штамма гриппов А являются животные - водоплавающие птицы и свиньи. Причем новые штаммы возникают в сельских районах Китая. Исключением является "Сиднейский" вирус - это австралийский штамм А/Сидней/5/97 (Н3N2), вызвавший эпидемию в Восточной Европе в 2000г.
Согласно Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) ежегодно, кроме пандемических лет, на земле гриппом болеют от 5 до 15% человек, во время эпидемии поражается 20-40% населения, из них - 40% умирают от осложнений.
Сегодня "чумой 20-го века" называют СПИД, но вирус распространяется медленно, и в основном - на территории Африки. Атипичная пневмония и птичий грипп изучены, и если вспыхнет эпидемия нового штамма одного из этих вирусов - масштабы ее будут малы. Другая "страшилка" - вирусы ящура и птичьего гриппа, а точнее, манипуляции слухами о масштабах поражения говядины и птицы, сегодня, к сожалению, стали инструментами политики.
Потенциальные убийцы цивилизации 21-го век - это геморрагические лихорадки: лихорадка Ласса, Рифт-Валли, Марбурга, боливийская, вирус Эбола и другие. Они распространяются как воздушным путем, так и кровососущими насекомыми, быстротечны, с высоким показателем смертности. Вспышки эпидемий геморрагических лихорадок сосредоточены в Африке и Южной Америке, они не захватывают больших территорий, из-за малой плотности населения в местах вспышек. Наивно считать, что успехи генетики не были проверены на этих вирусах:
и СССР и США разрабатывали биологическое оружие на основе вирусов геморрагических лихорадок, особенные надежды ученые полагали на вирус Эбола.
Впервые геморрагическую лихорадку - геморрагический нефрозонефрит - описал А.В. Чурилов в 1941г. Позже, в эту группу были включены ранее описанные денге и желтая лихорадка. В ходе болезни поражаются сосуды, и развивается тромбогемморагический синдром (ТГС) - сгущение в результате коагуляции и расслаивание жидкостей организма (крови, лимфы, межтканевой жидкости) на компоненты разного агрегатного состояния.
В разгар инфекции происходит изменение морфологической целостности крови и нарушается ее микроциркуляция, открываются кровотечения, развивается гипоксия и функциональная недостаточность тканей и органов, нарушается деятельность центральной нервной системы, возникает легочная или другая органная патология, и заболевший умирает, не выходя из коматозного состояния.
Вакцины
Большинство бактериальных инфекций легко лечатся антибиотиками, а удовлетворительных методов лечения вирусных заболевания не существует. Самый простой метод борьбы - иммунопрофилактика (вакцинация).
Первая вакцинация была проведена 14 января 1796 года английским медиком Эдуардом Дженнером - он внес восьмилетнему мальчику в надрезы жидкость, содержащую вирус коровьей оспы. Через месяц ребенка заразили натуральной оспой - он не только не умер, но и не заболел. Метод прививки против оспы - вакцинация ( от лат. vaccus - корова) широко распространился: в 1800 г. в Лондоне было вакцинировано 16 тыс человек, а уже в 1801 - 60 тыс.
Антитела, появляющиеся после иммунизации, были открыты в 1890-ом году Берингом и Китасо.
Существует разные типа вакцин, некоторые все еще проходят стадию тестирования:
Цельновирионные вакцины - организму прививают живой вирус, но аттенуированный (ослабленный), утративший большинство своих патогенных свойств, или близкородственный слабопатагенный вирус (как это сделал Дженнер). Преимущество живых вакцин в их дешевизне, кроме того, они дают наиболее стойкий иммунитет, активируя все компоненты иммунной системы. Опасность применения этих вакцин в возможности обмена генами с сезонными вирусами и возникновении мутации, у детей и у лиц с ослабленной иммунной системой живой вирус может вызвать тяжелую форму заболевания.
Инактивированные вакцины - препарат убитого патогенного вируса. Риск заражения при вакцинации в этом случае практически отсутствует, инактивированные вакцины проще сохранять. Но инактивированные вирусы вызывают менее стойкий иммунитет, необходимо вводить большие дозы инактивированного вируса с определенной периодичностью, а это может вызвать аллергические реакции. Получение инактивированных вирусов связано со значительными финансовыми затратами - из-за высоких требований к безопасности персонала.
Субъединичные вакцины - набор протективных вирионных белков, выделенных из препарата вирусных частиц, или химически синтезированными пептидами. Такие вакцины применяются против вирусов, которые невозможно вырастить на клеточных культурах, или в организмах лабораторных животных (например, вирус гепатита В).
Поливалентные вакцины - живые гибридные вирусы, искусственно сконструированные. Они способны при заражении синтезировать не только свои белки, но и протективные белки патогенных вирусов. Подобные вакцины тестируются на животных - так Швейцария провела масштабный эксперимент: в местах обитания лис были разбросаны приманки, содержащие гибридный вирус осповакцины и вирус бешенства, что привело к радикальному снижению случаев заболевания бешенством в этом районе.
ДНК-вакцины были предложены Тангом с соавторами в 1992 году: в организм вводится препарат гибридной плазмиды - небольшой двухцепочной молекулы ДНК. Происходящий при этом синтез белка приводит к возникновению полноценного иммунитета. Этот тип вакцин все еще тестируется на животных.
Вирусы - одна из древнейших форм существования живой материи. Относительная простота и быстрая приспособляемость позволяет им выживать в любых условиях - они процветали при динозаврах, процветают и сейчас. Согласно одной их экзотических гипотез новые вирусы приходят на землю из космоса - выпадая с частичками кометного вещества и при прохождении земли сквозь кометные хвосты. Как невероятно не звучит, но эта гипотеза объясняет вспышки пандемий, которые возникали после появления в небе очередной кометы. С помощью спектральной астрономии в хвостах многих комет были обнаружены органические вещества, а вирусы, как известно, хорошо переносят абсолютный ноль. Другое дело - что высокие температуры, возникающие при вхождении в атмосферу, они переносят хуже.
Сегодня благодаря успехам микробиологии вирусы представляют меньшую опасность, чем во времена римских императоров, но не стоит слишком обольщаться - всегда есть вероятность пандемии, которую просто не успеют предотвратить. Или не захотят.