Вирусы

ВИРУСЫ (от латинского virus - яд), мельчайшие биологические объекты (обычно размером от сотых до десятых долей мкм). Важнейшая особенность вирусов - их неспособность к самостоятельному размножению, что связано с отсутствием у них механизмов для синтеза белков и производства энергии. Ранее считалось, что вирусы могут размножаться только в живых клетках (что обычно и имеет место), и это свойство входило в их научное определение. Сейчас доказана принципиальная возможность размножения некоторых вирусов и в разрушенных клетках, но, несмотря на это, считается, что вирусы - облигатные (безусловные) внутриклеточные паразиты.

Строение вирусов. Вирусные частицы, или вирионы, могут иметь сферическую, нитевидную, палочковидную и более сложные формы. Одни вирусы (их иногда называют простыми) представлены только нуклеокапсидом - геномом вируса, заключённым в белковую оболочку (капсид), обычно построенную из множества молекул белка одного и того же или разных типов, уложенных по закономерностям кубической или спиральной симметрии. У других (сложных) вирусов нуклеокапсид окружён наружной оболочкой (мембраной), обычно состоящей из липидов с вкраплениями белков и гликопротеинов. Геном вируса представлен либо молекулой ДНК (ДНК-содержащие вирусы), либо одной или несколькими молекулами РНК (РНК-содержащие вирусы), причём у разных вирусов эти молекулы могут быть однонитевыми или двунитевыми, линейными или кольцевыми. Размеры генома варьируют обычно от нескольких тысяч до 30 тысяч нуклеотидов у РНК-содержащих вирусы и до нескольких сотен тысяч нуклеотидов у ДНК-содержащих. Самые мелкие геномы имеют всего несколько генов, которые кодируют белок (белки) вирусной оболочки и некоторые ферменты, принимающие участие в синтезе вирусных нуклеиновых кислот. В более крупных геномах (особенно у ДНК-содержащих вирусы) закодирована дополнительная информация, не всегда обязательная для сохранения жизнеспособности вирусов, но обеспечивающая их более эффективное и независимое от внутриклеточных условий размножение. Например, в ДНК-геноме мимивируса, поражающего амёб, заключено около 1200 генов, то есть больше, чем в ДНК некоторых паразитических микроорганизмов. Существуют так называемые дефектные вирусы (например, вирусы гепатита дельта), которых называют паразитами «вдвойне»; у них нарушены те или иные системы репродукции, поэтому для образования потомства им требуется не только внутриклеточная среда, но и помощь со стороны других полноценных вирусов (в данном случае - вирусов гепатита В). Для некоторых парвовирусов в качестве помощника выступают аденовирусы. Вирусы могут поражать все живые организмы. Вирусы бактерий называют бактериофагами (фагами). Описано несколько тысяч вирусов. Их относят к десяткам семейств, среди которых выделяют роды и виды.

Размножение вирусов протекает в несколько стадий. Сначала вирус прикрепляется к клетке, что обычно требует наличия химического сродства между поверхностью вирусной частицы и тем или иным компонентом клеточной поверхности (рецептором). Это взаимодействие весьма специфично, что является одной из причин высокой избирательности взаимодействия вируса с клеткой (например, вирусы полиомиелита или вирусы иммунодефицита человека - ВИЧ в естественных условиях инфекционны только для человека). Но есть вирусы и с широким спектром хозяев, заражающие, например, млекопитающих и насекомых (так, вирус клещевого энцефалита размножается в организме человека и клеща). В клетки растений вирус может проникать только после механического повреждения (например, насекомыми) клеточной стенки, так как она служит для них непреодолимым барьером. После взаимодействия вируса с рецептором его геном (в свободном виде или в комплексе с белками) проникает внутрь клетки, где начинается синтез вирусных нуклеиновых кислот и белков (структурных компонентов вириона, а также вирусных ферментов и других молекул, способствующих эффективному размножению вируса благодаря их взаимодействию с вирусными или клеточными макромолекулами). Последовательность образования этих двух типов молекул у разных вирусов варьирует. Однако всегда синтез вирусных белков направляется вирусными нуклеиновыми кислотами и происходит на рибосомах клетки. Синтез же вирусных нуклеиновых кислот осуществляется при участии либо вирусных, либо клеточных ферментов, нередко и тех и других. Затем вирусные нуклеиновые кислоты и структурные белки объединяются с образованием дочерних вирионов, которые покидают клетку, разрушая её или сохраняя целостность. Клеточная плазматическая мембрана сохраняется, например, если вирус покидает клетку путём так называемого почкования: «незрелый» вирион сначала обволакивается клеточной мембраной, включающей некоторые из вирусных белков, затем «отшнуровывается», а целостность клеточной мембраны восстанавливается. Таким образом, для построения оболочки вируса могут использоваться клеточные липиды и углеводы. Инфекционный процесс, инициированный одним вирионом, может приводить к образованию до 103-105 дочерних вирусных частиц.

Выделяют несколько основных типов взаимодействия вирусов и клетки. При продуктивной литической инфекции заражённая клетка после образования вирусного потомства гибнет. В случае хронической персистентной (стойкой) инфекции заражённая клетка продолжает жить и делиться, постоянно поддерживая размножение вирусов, хотя её функции могут претерпевать некоторые изменения. Такая инфекция может продолжаться длительное время без заметных внешних проявлений, не вызывая признаков заболевания, хотя могут иметь место определённые изменения регуляции клеточных процессов. Особый тип взаимодействия с клеткой наблюдается у так называемых умеренных вирусов, к числу которых относятся бактериофаг лямбда и ряд вирусов человека и животных (например, ВИЧ). Их геном ковалентно встраивается (интегрируется) в клеточную хромосому, превращаясь в элемент клеточного генома, и теряет способность к автономной репликации. В таком состоянии вирус называют провирусом, а бактериофаг -профагом. У умеренных РНК-содержащих вирусов (ретровирусы) геном предварительно переходит в ДНК-форму. Экспрессия вирусных генов происходит так же, как и у генов клетки, а кодируемые ими белки могут влиять на свойства клетки, например, на регуляцию её деления. В некоторых случаях встраивание вирусного генома в геном клетки может приводить к почти полному угнетению экспрессии клеточных генов. При этом клетка сохраняет жизнеспособность, но её свойства могут существенно меняться (например, может произойти её злокачественная трансформация). Патологические изменения клетки могут быть также связаны с угнетением синтеза РНК и клеточных белков, нарушением мембранной проницаемости и другими процессами, заканчивающимися во многих случаях смертью клетки (цитопатический эффект).

В клетке и в целом организме существуют механизмы, препятствующие размножению вирусов и развитию вирус-индуцированной патологии, в том числе врождённый (например, индукция интерферонов) и приобретённый (например, образование антител) иммунитет. В свою очередь, многие вирусы располагают механизмами, противодействующими клеточной защите. Так, некоторые вирусы подавляют секрецию интерферона заражённой клеткой, облегчая тем самым заражение соседних клеток вирусным потомством. Исход инфекции и судьба заражённой клетки и организма зависят от баланса противоположно направленных активностей вируса и клетки. Поражение клеток в заражённом организме ведёт к нарушению работы соответствующих органов и тканей, проявляющихся в виде вирусных заболеваний. Некоторые из них имеют характер массовых эпидемий и даже пандемий и могут сопровождаться значительной смертностью (в том числе СПИД, грипп, ящур и др.). Важнейшим средством профилактики вирусных заболеваний является специфическая вакцинация.

Генетическая изменчивость вирусов, их эволюция. Изменчивость вирусов объясняет их способность «уходить» от иммунного ответа заражённого им организма (например, в случае вируса гриппа) и легко образовывать варианты, резистентные к лекарственным препаратам. Результатом изменчивости может быть также приобретение способности вызывать заболевания человека вирусами, ранее патогенными только для животных. Нередко обнаруживается явное родство между отдельными белками (например, ферментами, осуществляющими синтез нуклеиновых кислот) у вирусов, которые, на первый взгляд, не имеют между собой ничего общего. В ряде случаев заметно сходство между вирусными и клеточными белками. Из этого следует, что в ходе эволюции происходил (и, по-видимому, происходит) обмен генетической информацией как между разными вирусами, так и между вирусами и клеточными организмами. Ярким примером явления трансдукции - способности вирусов переносить гены или их фрагменты от одного организма к другому - может служить бактерия дифтерийная палочка, которая начинает вырабатывать токсин только после заражения её определённым фагом. Такой перенос генов (его называют горизонтальным) пытаются использовать для генной терапии путём создания на основе вирусов искусственных конструкций - векторов, способных вводить в заражаемую клетку здоровые или корректирующие гены.

Особую категорию составляют так называемые эндогенные вирусы Их геном в виде двунитевой ДНК, соответствующей геному ретровирусов, постоянно находится в составе клеточной хромосомы и функционирует как набор клеточных генов. Эндогенные вирусы могут быть полноценными, и тогда их экспрессия приводит к образованию вируса, способного заражать другие клетки (например, вируса рака молочных желёз мышей). В большинстве случаев, однако, эндогенные вирусы имеют дефектный геном, в котором некоторые вирусные гены отсутствуют или повреждены. Генетический материал разнообразных эндогенных вирусов составляет весьма значительную долю хромосомной ДНК животных, в том числе человека. Они обнаружены и у растений. Считается, что эндогенные вирусы возникли в результате заражения половых клеток и последующей интеграции вирусной и клеточной ДНК. Такое заражение в процессе эволюции могло происходить многократно, и многие эндогенные вирусы считаются весьма древними.

Ввиду огромного разнообразия вирусов построение их эволюционного «древа» весьма затруднено. Среди многих предположений о происхождении вирусов наибольшего внимания заслуживают два: или они возникли из обособившихся («одичавших») элементов клеточного генома, или в какой-то форме существовали уже на доклеточной стадии биологической эволюции.

Вирусы сыграли и продолжают играть выдающуюся роль как удобные модельные объекты для изучения общих закономерностей молекулярной биологии. Именно при изучении вирусов были расшифрованы важнейшие закономерности синтеза белков и нуклеиновых кислот и регуляции этих процессов, сформулированы многие понятия молекулярной биологии и молекулярной генетики.

Смотри также статью Вирусология и литературу при ней.

Лит.: Вирусология: В 3 т. М., 1989; Агол В. И. Разнообразие вирусов // Соросовский образовательный журнал. 1997. №4; он же. Как вирусы вызывают болезни // Там же. 1997. №9; Encyclopedia of virology. 2nd ed. San Diego, 1999; Fields virology. 4th ed. Phil.; L., 2001. Vol. 1-2; Principles of virology. 2nd ed. Wash., 2004; Universal virus database of the International committee on taxonomy of viruses. http://phene. cpmc. columbia, edu.