Природа патогенности вирусов
В.И.Агол
Считается, что вирусы (от лат. virus — яд) — нечто противное, приносящее одни неприятности. Но это грубая ошибка. Вирусы — ключевые созидатели живой природы и двигатели ее эволюции.
Что возникло раньше — вирус или клетка? Долгое время преобладала очень логичная точка зрения: поскольку вирусы — облигатные паразиты и без клетки размножаться не могут, то они должны были возникнуть позже. И вообще считалось, что вирусы — нечто вроде «сбежавших», «сумасшедших» генов. Однако сейчас широко распространен противоположный взгляд — клетки произошли от вирусов.
Один из главных доводов против гипотезы о том, что вирусы «сбежали» из клеток, — тот факт, что вирусные генетические системы существенно разнообразнее клеточных. Как известно, клеточные организмы имеют только двунитевые — линейные или кольцевые — ДНК-геномы. А геном вируса может быть представлен как одно-, так и двунитевыми молекулами РНК или ДНК, линейными или кольцевыми. Также существуют системы, использующие обратную транскрипцию. Так, у ретрови-русов (например некоторых онковирусов, ВИЧ) и параретрови-
© Агол В.И., 2015
Вадим Израилевич Агол, член-корреспондент РАН и РАМН, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института полиомиелита и вирусных энцефалитов им.М.П.Чумакова, заведующий отделом Научно-исследовательского института физико-химической биологии им.А.Н.Белозерского МГУ. Область научных интересов — молекулярная биология и генетика вирусов.
русов (вирусов гепатита В, мозаики цветной капусты и др.) одна из цепей геномной ДНК синтезируется на матрице РНК. У вирусов, в отличие от клеточных организмов, реализуются все теоретически возможные способы хранения и выражения генетической информации [1].
Второй важный довод против того, чтобы считать вирусы произошедшими из клеток, заключается в том, что существует множество вирусных генов, которых в клеточных организмах нет. Клеточные организмы не только произошли от вирусов, но и унаследовали от них (и продолжают наследовать) значительную часть своего генетического материала. Особый интерес в этом отношении представляют эндогенные вирусы (части генома РНК- или ДНК-вирусов, встроенные в геном клетки), среди которых преобладают гены, происходящие от ретровирусов. Полагают, что млекопитающие унаследовали свыше половины генома от вирусов и их ближайших родственников — «эгоистических» генетических элементов, например плазмид и транспозонов. Таким образом, вирусы — сородители человека. Часто последовательности генов эндогенных вирусов, которые в большом количестве имеются в человеческом геноме, изменены и уже не кодируют белки. Есть серьезные основания полагать, что такие последовательности участвуют в регуляции работы клеточных генов, хотя часто их конкретные биологические функции
Статья основана на лекции, прочитанной на школе «Современная биология и биотехнологии будущего» (Звенигород, 26 января— 1 февраля 2014 г.).
неизвестны. Однако кое-что важное мы знаем: например, белок синцитин, который кодируется геном оболочки одного эндогенного ретровируса, необходим для слияния клеток при образовании плаценты [2]. Значит, ни человек, ни плацентарные животные не могли бы родиться без этого эндогенного вируса. Есть и другой важный пример. Выяснилось, что компонент генома одного из эндогенных вирусов контролирует экспрессию про-линдегидрогеназы в некоторых районах центральной нервной системы [3]. Возможно, этот фермент принимал важное участие в эволюции мозга человека. Если в результате мутаций экспрессия этого фермента нарушена, возникают психические болезни, в том числе шизофрения. Также важную роль вирусы и их родственники играют в горизонтальном переносе клеточных генов — от одного организма другому.
Однако, несмотря на ключевую роль в эволюции, наибольшую известность вирусы получили как патогены человека, животных и растений (кстати, благодаря этому они и были впервые обнаружены). И далее речь пойдет о природе вирусной патогенности. У вирусов (особенно вирусов эукариот) нет специального «желания» навредить хозяину, а тем более его убить. И во многих случаях вирусы вполне мирно и дружелюбно уживаются с клетками. Почему же все-таки многие вирусы такие зловредные? Обычное объяснение заключается в том, что патология зараженной клетки вызывается «разграблением» ее ресурсов (материальных и структурных), которые вирус направляет на собственные нужды размножения. Однако наибольший вред может происходить от нерасчетливых защитных действий хозяев и противо-защитной активности вирусов, которая прямо не связана с их размножением.
Механизмы защиты и противозащиты
Каковы главные защитные механизмы зараженной клетки? Это компоненты врожденного иммунитета: деградация РНК (вирусных, а также клеточных), угнетение синтеза белков (как вирусных, так и клеточных), самоликвидация (апоптоз и другие виды программируемой гибели) и, наконец, воспаление. Собственно, многие вирусы так и обнаружили свое существование — из-за вызываемого ими воспаления (энцефалита, воспаления легких и т.д.). Клетка борется с вирусом, нарушая собственные обмен веществ и/или структуру, и ее защитные механизмы, как правило, самоповреждающие. Можно сказать, что человек, умерший от полиомиелита (а умирает менее 1%), сам убил себя, борясь с инфекцией.
В ответ на клеточную защиту эволюция вирусов вырабатывает противозащитные средства, и между вирусом и клеткой идет гонка вооружений. Эти средства направлены прежде всего про-
тив общих метаболических процессов, лежащих в основе защитных реакций клетки. Это опять угнетение синтеза клеточных РНК и белков, нарушение внутриклеточной инфраструктуры и транспорта клетки, подавление или, наоборот, запуск апоптоза и других механизмов, вызывающих программируемую клеточную гибель. Таким образом, противозащитная стратегия вируса во многом похожа на защитное поведение клетки. Образно говоря, борцы применяют одни и те же приемы, бьют в одни и те же ворота. Например, клетка, подавляя синтез вирусных белков, использует интерферон, а, чтобы затормозить его образование, вирус, в свою очередь, угнетает белковый синтез в клетке. В зависимости от обстоятельств выгоду получает та или другая сторона. Оказывается, главный вклад в патологию вносит не размножение вируса как таковое, а противоборство клеточной защиты и вирусной противозащиты. В фитопатологии давно существует понятие «толерантность»: патогенный вирус может активно размножаться в зараженном растении, не вызывая болезненных симптомов.
Далее речь пойдет в основном о РНК-содержа-щих вирусах (это более простой пример). Как РНК-вирус, проникнув в клетку, выдает свое присутствие? И как клетка узнает, что в нее попал вирус? Главный признак, благодаря которому клетка это «понимает», — вирусная двуцепочечная РНК, которая в принципе может образовываться и в незараженной клетке, но не в таких количествах и местах. Клетка в некоторых случаях узнает также вирусную одноцепочечную РНК, а иногда (значительно реже) — и вирусные белки. Важно, что узнавание вирусной РНК неспецифично: «почувствовав» двуцепочечную РНК, клетка может «подумать», что в нее попал вирус, но какой — она не знает. РНК улавливаются сенсорами двух типов: толл-подобными (от англ. toll-like и от нем. toll — замечательный) рецепторами и специализированными РНК-хеликазами. Они включают ряд защитных механизмов на транскрипционном уровне, в том числе образование интерферона. Кроме того, вирусные РНК узнаются уже «исполнителями» — зависимой от двуцепочечной РНК протеинкиназой PKR, которая фосфорилирует некоторые факторы инициации трансляции, угнетая тем самым синтез белков; олигоаденилат-синтетазой (OAS), которая активирует РНКазу L, расщепляющую РНК; системой РНК-интерференции, приводящей к деградации РНК и нарушению ее трансляции.
Поскольку вирус узнается как нечто неспецифическое, клетка не может знать его «намерений». И вообще на любой возможный вирус индивидуальную врожденную систему защиты было бы невозможно придумать. Значит, клетка может бороться с вирусом только стандартными приемами. И поэтому ее оборонительные действия часто несоразмерны имеющейся угрозе. Однако, если
защитные реакции клетки столь неспецифичны, почему разные вирусы вызывают все-таки различные болезни? Во-первых, каждый вирус может заражать только определенный вид клеток конкретных организмов. Это связано с тем, что для проникновения в клетку он должен провзаимодейст-вовать с клеточными рецепторами, которые ему «подходят». Кроме того, для размножения вирусов требуется определенная внутриклеточная среда (нередко нужны специфические клеточные белки). Во-вторых, в то время как защитные реакции клетки стандартны, противозащитные средства вируса в большой степени индивидуальны, хотя и направлены против стандартных клеточных механизмов.
У растений в качестве противовирусного механизма очень важную роль играет РНК-интерференция. Из вирусной РНК образуется двуцепочеч-ная (важный фактор, по которому клетка узнает о наличии вируса). При участии компонентов системы РНК-интерференции — фермента Dicer, который разрезает эту двуцепочечную РНК на фрагменты длиной 21 — 25 пар нуклеотидов, а затем РНК-белкового комплекса RISC — в конце концов образуются одноцепочечные короткие фрагменты РНК. Гибридизуясь с вирусной РНК, они вызывают либо ее деградацию, либо угнетение ее трансляции. Такой защитный механизм эффективен, но может повреждать саму клетку, что хорошо видно на примере вироидов. Это патогены растений, короткие (несколько сотен нуклео-тидов) молекулы кольцевой одноцепочечной РНК, не покрытые белковой оболочкой. Вироиды не кодируют белки, но могут вызывать тяжелые симптомы в зараженном растении. Это происходит потому, что клетка защищается. Образующаяся вироидная двуцепочечная РНК подвергается действию всех компонентов системы РНК-интер-
ференции, в результате образуются фрагменты одноцепочечной РНК, которые гибридизуются уже не с вирусной РНК, а с клеточной. Это приводит к ее деградации и развитию симптомов заболевания. Однако многие вирусы растений кодируют разнообразные белки, препятствующие РНК-интер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.