Мирный вирус

Вирусы способны не только вызывать инфекционные заболевания, но и помогать своим хозяевам выживать в условиях конкуренции. Чем еще полезны вирусы, а также какую роль они играют в науке, рассказали ученые СПбГУ.

Нуклеиновая кислота и белковая оболочка вокруг — вот что представляет собой вирус. Казалось бы, существу с таким элементарным строением должна быть отведена самая незаметная роль в природе, однако это не так. Благодаря своим свойствам вирусы играют важную роль в регуляции эволюционных процессов и помогают ученым исследовать мир.

«Эволюционная стратегия вирусов — постоянно размножаться и находиться в популяции хозяина. Как и все организмы, они участвуют в естественном отборе, все время мутируют и при любом удобном случае заражают новых хозяев. Например, после заражения клетки вирусом гриппа из нее выходят сотни новых вирионов. Из них инфицируют новую клетку только те, которые получили мутации, не ухудшающие или улучшающие качества вируса, остальные со временем погибнут», — рассказывает Алексей Анатольевич Потехин, профессор СПбГУ (кафедра микробиологии).

Алексей Анатольевич Потехин
Алексей Анатольевич Потехин

По его словам, почти у всех живых существ на Земле есть свои вирусы. Реализуя эволюционную программу, они выступают в качестве природного механизма контроля за численностью особей хозяев. Как только какой-то вид становится слишком многочисленным, его поражают вирусные инфекции и популяция прореживается. Так освобождается экологическая ниша, которую вскоре займет другой количественно подросший вид, и цикл повторится. «Этот процесс называется сукцессией — необратимой и закономерной сменой одного доминирующего вида в биотопе другим, — говорит Алексей Потехин. — Самый наглядный пример — цветение воды, которое возникает из-за быстрого размножения водорослей в водоемах. Например, в Финском заливе во время цветения цианобактерий вода обретает специфический зеленый цвет и неприятный запах. Но уже через несколько дней она снова становится прозрачной, и водоем возвращает привычный вид. Почему так происходит? Потому что вирусы уничтожают микроорганизмы, ставшие доминирующим видом. Они действуют по принципу kill the winner — "убей победителя"».

Другой важной функцией вирусов является поддержание пищевых цепочек в разных слоях биосферы. На нижнем уровне таких цепочек находятся автотрофные организмы, перерабатывающие химические элементы, необходимые для построения клетки (азот, органический углерод, фосфор и другие), с помощью хемосинтеза и фотосинтеза. Автотрофами питаются гетеротрофы, организмы, которые не умеют самостоятельно синтезировать нужные для построения клеток молекулы. В окружающей среде необходимые для автотрофов вещества появляются в результате гибели различных видов. Так образуется круговорот энергии и вещества, где важен каждый элемент. По словам ученого, вирусы поддерживают пул органических веществ в трофических цепочках путем регуляции численности своих хозяев. Хозяева погибают, организмы-редуценты образуют из них органические вещества, которые затем поступают автотрофам, и пищевая цепочка продолжает существовать.

Генетические почтальоны

Вирусы также играют ключевую роль в горизонтальном переносе генов — обмене генетической информацией между особями, который является основным механизмом эволюции и обеспечивает биологическое разнообразие видов. «Долгое время считалось, что переход фрагмента генетической информации от одного вида к другому при условии отсутствия у них родственных связей — очень редкое явление. Однако со временем человек научился определять последовательности нуклеотидов в генах, и оказалось, что горизонтальные генетические обмены занимают огромную долю в разнообразии геномов, — рассказывает профессор Потехин. — Вирусы помогают осуществлять горизонтальный перенос генетической информации, транспортируя гены от одних хозяев к другим. Например, вирусы участвуют в обмене генами между бактериями. В заразную частицу попадает бактериальная ДНК, которая при внедрении вируса в клетку другой бактерии встраивается в новый геном. Дальше возможны несколько сценариев: либо бактерия "заболевает" и гибнет, либо приобретает полезные свойства и осваивает новые экологические ниши». Подобным способом приобрел болезнетворные свойства, например, холерный вибрион, который исходно является свободноживущей водной бактерией, не способной в обычных условиях вызывать болезнь у человека.

Проект «Геном человека» — международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицировать гены в человеческом геноме. Проект начался в 1990 году под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном — в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков еще не закончен.

Интересно, что горизонтальный перенос генов повлиял в том числе и на людей. Так, до 8 % генома человека состоит из генетической информации, которую принесли когда-то в человеческие клетки ретровирусы — представители одного из многочисленных семейств вирусов, к которому относится, например, ВИЧ. Привести к развитию инфекции эти вирусные гены уже не способны. Скорее всего, они выполняют отдельные важные функции в организме. Возможно, участвуют в упорядочивании структуры хроматина или экспрессии генов (процессе, в ходе которого закодированная в генах информация превращается в белки, присутствующие или действующие в клетке. — Прим. ред.). Потому что иначе человек избавился бы от вирусных последовательностей в процессе эволюции.

«Ретровирусы структурно очень похожи на один из типов ретротранспозонов (мобильных генетических элементов, способных самостоятельно перемещаться по геному и внедряться в новые участки. — Прим. ред.), — отмечает Татьяна Валерьевна Матвеева, профессор СПбГУ (кафедра генетики и биотехнологии). — Граница между ретровирусами и ретротранспозонами является достаточно размытой. Главное их отличие в инфекционной природе вирусов и ее отсутствии у транспозонов. Ретротранспозоны — это те самые повторяющиеся последовательности в геноме, на долю которых, например, у некоторых растений приходится до 90 % генома».

Татьяна Валерьевна Матвеева
Татьяна Валерьевна Матвеева

Помимо этого, вирусы присутствуют в человеческом организме в составе микрофлоры. Обычными спутниками людей являются вызывающие легкий насморк риновирусы и некоторые аденовирусы, которые прячутся в носоглотке. «Они держат в тонусе наш иммунитет. Реакция человека на инфекционные заболевания, как правило, приводит к победе над болезнью и не вызывает серьезных осложнений — при условии, что иммунная система в порядке, — поясняет Алексей Потехин. — Все потому, что иммунитет человека постоянно сталкивается с различными вирусами, которые циркулируют в популяции или находятся внутри организма, и таким образом тренируется и учится давать отпор. Результатом тренировки является тот факт, что иммунная система адекватно реагирует на новую вирусную угрозу, так сказать, не начинает борьбу "с нуля"».

Честная сделка

В природе существуют примеры, когда вирус в организме хозяина защищает его от врагов. Так, профаг (геном вируса, интегрированный в бактериальную ДНК. — Прим. ред.) в бактерии Hamiltonella defensa, образующей симбиоз с тлями, помогает последним защищаться от наездников — представителей одного из семейств паразитических насекомых, родственных осам. По словам профессора Потехина, для размножения наездники используют насекомых других видов, например тлей. Наездники откладывают в тело тли яйца, которые в процессе развития используют насекомое для питания. В итоге из яйца развивается новая особь наездника, а тля медленно умирает. Этого не происходит, если в организме тли живет бактерия Hamiltonella с геном опасного для наездников токсина в составе вирусного генома. При попадании в организм тли яиц наездника симбиотическая бактерия выделяет токсин и защищает хозяина. Яйца гибнут, а тля остается в живых.

Основные теории возникновения вирусов

  1. Гипотеза побега. Вирусы — фрагменты генов, которые «высвободились» из генома более крупного организма и стали относительно автономными, но при этом все равно сохранили зависимость от клеток.
  2. Регрессивная теория. Вирусы произошли от бактерий или других клеточных организмов. Они претерпели дегенеративную (регрессивную) эволюцию и потеряли многие составляющие клетки, но сохранили генетический материал.
  3. Гипотеза коэволюции. Вирусы возникли из сложных комплексов белков и нуклеиновых кислот вместе с первыми живыми клетками и ведут паразитический образ жизни.

Другим примером симбиотических отношений является пестрая окраска тюльпанов классa Tulips Rembrandt, которую цветы приобрели в результате заражения вирусом мозаики тюльпана. Как рассказала профессор Татьяна Матвеева, пестролепестность способствует привлечению большего количества насекомых-опылителей и компенсирует растению негативные моменты, связанные с вирусной инфекцией. «Декоративные свойства таких тюльпанов очень ценились в Голландии начиная с XVII века, золотого века голландской живописи. Возможно, поэтому пестрые тюльпаны приобрели такое название, — отмечает исследователь. — Так или иначе, некоторые линии тюльпанов, зараженных вирусом, культивировали в течение нескольких столетий. Только в последние годы голландские селекционеры вывели сорта с такой же окраской, но уже без заражения вирусом мозаики тюльпанов».

Правильные векторы

Большой интерес вирусы представляют для науки. Их используют для изучения строения и функции клеток, а также в методах молекулярной биологии, генетики и генной инженерии. Благодаря тому, что в молекуле вируса протекают схожие процессы, что и в клетке хозяина, вирусы выступают более простой и удобной моделью для изучения фундаментальных процессов, например построения молекул ДНК и РНК. «Вирусы стимулировали развитие методов анализа (электронной микроскопии и ультрацентрифугирования), а также нашего понимания молекулярных основ жизни, — говорит Татьяна Матвеева. — Именно с помощью вирусов была открыта триплетность генетического кода и доказано, что одну аминокислоту в полипептиде кодируют три нуклеотида молекулы ДНК и иРНК (или мРНК — информационная, или матричная, РНК. — Прим. ред.). А вирус кишечной палочки — фаг лямбда, геном которого был секвенирован одним из первых, вот уже десятки лет используется для определения молекулярного веса фрагментов ДНК».

По словам Алексея Потехина, вирусы представляют собой удобный инструмент — вектор (молекулу нуклеиновой кислоты, используемую в генетической инженерии для внедрения генетического материала внутрь клетки. — Прим. ред.). С его помощью можно добраться до клеточного генома, «выключить» какие-либо гены, а потом посмотреть, за что именно эти гены отвечали, какой процесс в клетке перестал протекать нормально. Эту же возможность можно использовать наоборот: менять «сломанные» гены, то есть те, в которых произошла неблагоприятная для организма мутация, на правильный вариант и восстанавливать их работу.

«Вирусы — это эффективные векторы естественного происхождения. На основе вирусных геномов как ДНК-содержащих, так и РНК-содержащих вирусов получены векторы для доставки генов в клетки бактерий, животных, растений и получения в них необходимых белков. Существенную роль вирусные векторы сыграли при реализации проекта "Геном человека", а также в процессе создания геномных библиотек, меченые последовательности из которых в настоящее время помогают расшифровывать неизвестные геномы других видов», — отмечает Татьяна Михайловна Рогоза, старший преподаватель СПбГУ (кафедра генетики и биотехнологии).

Татьяна Михайловна Рогоза
Татьяна Михайловна Рогоза

По ее словам, одна из наиболее важных областей применения вирусов — генная терапия. Так, векторы на основе аденоассоциированных вирусов активно используют в лечении онкологических болезней. «Такие векторы близки к идеальным, — отмечает ученый, — поскольку не вызывают иммунный ответ и имеют ряд антигенных структур, отличающихся по тканеспецифичности (сродству к тканям организма. — Прим. ред). В связи с этим их используют для замедления роста онкоклеток за счет нарушения их кровоснабжения, подавления активности онкологических генов, а также в "суицидной" терапии, когда в опухоль вводят гены, после включения которых она гибнет».

Борьба с самим собой

Вирусы используют для получения вакцин. Как рассказала Татьяна Рогоза, одной из перспективных систем для этих целей является бакуловирусная система экспрессии, в которой используется вектор на основе бакуловируса и культура клеток насекомых. Именно с помощью нее разрабатывают мультимерные противовирусные вакцины, содержащие вирусные белки, но не содержащие генетического материала. Примером такой вакцины является препарат Флюблок (Flublok). Он включает два белка гемагглютинина вируса гриппа А и один гемагглютинин вируса гриппа В.

«Другой способ получения вакцины заключается в использовании вируса, который будет похож по свойствам на патогенный вирус, но не сможет возбудить болезнь. Таким образом, например, была получена вакцина от вируса оспы, — рассказывает Алексей Потехин. — Также можно синтезировать отдельные части инфекционного агента. Например, в вакцине от гепатита В содержится один из белков оболочки вирусной частицы, который наращивают в клетках дрожжей в отсутствие вируса. Этот белок сам по себе никак не может вызвать симптомы гепатита, но при этом способен запустить иммунную реакцию, в результате которой человек приобретет иммунитет».

По словам Татьяны Матвеевой, мы воспринимаем вирусы как источники инфекций человека, животных и растений. Однако их роль в природе гораздо более значительна. Так, благодаря вирусам на планете гармонично сосуществует большое разнообразие живых существ, а ученые детально изучают окружающий мир на микро- и макроуровне. Возможно, без кризисов, которые создают вирусы, наука и медицина не достигли бы современного уровня, а многие популяции не приобрели бы необходимые качества для выживания в условиях естественного отбора.