Вирусы против болезни Паркинсона, муковисцидоза и рака. Как устроены эти паразиты, чем они полезны для человека и почему не боятся антибиотиков

Открытие, совершенное вслепую

Вирусы начали изучать достаточно поздно — по вполне очевидной причине: они очень маленькие. Их невозможно разглядеть в световой микроскоп, поэтому ранняя история вирусологии основана на догадках и предположениях.

После открытия бактерий (впервые их обнаружили в 1676 году, а в XIX веке начали активно изучать) любые непонятные инфекционные недуги стали объяснять происками этих организмов.

Именно микробов считал возбудителями болезни табачных листьев студент Дмитрий Ивановский, изучавший их в 1892 году. Чтобы подтвердить, что появление пятен на растении вызывает зловредная бактерия, он процедил экстракт из зараженных листьев через специальный фарфоровый фильтр с очень мелкими порами, через которые клетки «подозреваемых» просочиться не могли. Если бы теория была верна, жидкость, прошедшая такую очистку, не содержала бы в себе ничего болезнетворного. И всё же опрысканные ею растения заразились. Правда, Ивановский не стал отказываться от своей гипотезы и предположил, что бактерии выделяют особый токсин, который и вызывает поражение листьев.

В 1898 году биолог Мартин Бейеринк, повторивший эксперимент, пришел к выводу, что микробы здесь ни при чём, и уточнил значение термина «вирус» (до этого им называли любой агент, вызывающий инфекцию).

Расцвет новой научной дисциплины пришелся на XX век. В 1930-х вирус табачной мозаики успешно кристаллизовали и визуализировали на рентгенограмме, а в 1933 году, после изобретения электронного микроскопа, удалось получить его первое изображение (при увеличении в 160 тыс. раз). В 1955-м Розалинд Франклин с коллегами подробно описала строение вируса: полое белковое «тело» с РНК внутри. В том же году исследователи выяснили, что его частицы способны к самосборке.

Эти открытия послужили толчком к развитию вирусологии. За вторую половину XX века было обнаружено более 2000 штаммов и изучены механизмы заражения и размножения. В 2002 году впервые удалось в лабораторных условиях синтезировать вирус полиомиелита и доказать неживую природу таких «организмов».

По самым скромным оценкам, в мире насчитывается около нониллиона (1030) видов этих «недосуществ», но ученым известно всего о 18–20 тыс.

Как устроен вирус?

По своему биологическому профилю вирус — паразит. Ему необходим хозяин — любой организм, чтобы поселиться в нем и начать воспроизводить генетический материал. Отдельную «особь», еще не внедрившуюся в клетку, называют вирионом.

Строение у вируса несложное: внешняя белковая оболочка (капсид) и геном в виде одной нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).

Маленькие вирусы постоянно сталкиваются с одной большой проблемой: как уместить в ограниченном пространстве всё самое необходимое? Представьте, что авиакомпания уменьшила размеры багажа и взять с собой в полет можно только тоненькую папку, — будете ли вы запихивать туда сплющенные кроссовки или постараетесь набить ее деньгами и документами?

Главные герои нашей статьи выбирают второй вариант: они оставили себе лишь те гены, без которых точно не обойтись, а остальное «купят на месте» — в хозяйской клетке. Например, у самого маленького среди известных РНК-вирусов — бактериофага Qβ — геном состоит меньше чем из 4000 нуклеотидов и кодирует всего четыре белка: два из них формируют оболочку, а еще два отвечают за созревание и воспроизводство. Ничего лишнего — всё функционально и эргономично!

Также в условиях жестких ограничений по багажу помогает правильная укладка вещей в чемодане. По строению вирусы делятся на две основные группы. Первая конфигурация — белковая спираль, внутри которой прячется РНК или ДНК (как вафельная трубочка с начинкой, только вместо сгущенки — нуклеиновая кислота). Второй вариант — икосаэдр, правильный двадцатигранник с треугольными сторонами, самый экономичный способ построения замкнутой оболочки. Повторим: ничего лишнего!

Вирусы, в структуре которых совмещены обе конфигурации, называют комплексными. В основном это бактериофаги. Наверняка их изображение вам знакомо — чудное «насекомое» с кристаллом-головой на паучьих лапках. В любом случае оболочка составлена из многочисленных копий белка (одного и того же или — если вирус крупный — нескольких). Моногенная структура — очередное проявление принципа биологической экономии: зачем тратить место в геноме на информацию о разнообразных материалах, если всё можно построить из стандартных блоков?

Заражение и размножение

Феерическое скупердяйство заставляет вирусы постоянно искать лучшей жизни за чей-то счет. К счастью, таких возможностей миллионы: растения, грибы, животные, бактерии — любой организм на планете подходит для этой цели.

Схема заражения проверена годами и тоже не включает никаких лишних шагов. Задача номер один — проникнуть внутрь, и сделать это можно тремя способами. Первым из них — самым простым — пользуются только вирусы бактерий: они впрыскивают свой геном внутрь клетки, немного растворяя стенку простой мембраны. Однако, чтобы заразить сложные организмы, приходится действовать более изобретательно. На их клеточной оболочке есть белки-рецепторы, которые пускают внутрь далеко не всё. В этом случае белки вируса специфично связываются с ними, и обманутая клетка добровольно принимает предателя под видом чего-то невероятно полезного и, может быть, даже питательного. Враг оказывается внутри, но геном пока не активен. Вирусу нужно добраться до того места, где он начинает репликацию (возобновление, воспроизводство генетического материала), и уже там вскрыть капсид.

Белковая оболочка может растворяться спонтанно или под действием ферментов — как вирусных, так и принадлежащих самой клетке-хозяину. С этого момента начинается большая игра — геном приступает к работе.

Где именно будет размножаться агент, зависит от типа его нуклеиновой кислоты: если он «оснащен» ДНК — то, скорее всего, репликация произойдет в ядре, а если РНК — в цитоплазме (впрочем, бывают и исключения: например, РНК-вирус гриппа размножается в ядре). В первом случае с ДНК считываются ранние гены и на их основе формируются матричные РНК, которые выходят в цитоплазму. Там конструируются ранние белки, после чего они отправляются обратно в ядро — и реплицируют уже вирусную ДНК. В это же время по похожему сценарию происходит считывание поздних генов: вояж в цитоплазму — синтез — возвращение в ядро — сборка готовых частиц.

У РНК-вирусов цикл короче. Им не нужно производить рибонуклеиновую кислоту, которая у них и так есть. Зато они не могут обойтись без фермента для репликации (в клетках-хозяевах такие «материалы» имеются только для ДНК), а значит, первыми считываются гены для сборки РНК-полимераз. Дальше всё просто: новоиспеченная рибонуклеиновая кислота и белки синтезируются в готовый вирус.

Распространение инфекции

Но жить внутри одной клетки вирусам скучно — они заядлые путешественники, их цель — покорить как можно больше хозяев. Самый очевидный способ вырваться из своей камеры — разрушить ее. Для этого нужно перевести клетку в режим постоянного синтезирования только вирусных белков: в какой-то момент ей перестанет хватать ресурсов для себя и она начнет разрушаться.

Но есть и более «интеллигентные» способы выбраться из своего временного биологического узилища, которое еще может пригодиться в дальнейшем. Один из них — экзоцитоз, когда внутри цитоплазмы образуются липидные пузырьки, окружающие вирус и выносящие его наружу. А при отпочковывании агент заранее встраивает в клеточную оболочку свои белки, затем подходит к ней вплотную, мембрана его «обнимает», формирует пузырек — и отпускает непрошеного гостя в свободное плавание.

Ответ иммунитета

Так вирус становится носителем антигена — молекулы, которая может вызвать иммунный ответ. Наш организм способен противодействовать инфекции двумя способами. Один из них — гуморальная регуляция, осуществляемая посредством антител, о которых за последний год узнали, кажется, все, у кого есть интернет, телевизор или радиоприемник.

Иммуноглобулины — крупные белки плазмы крови — связываются с антигенами и инактивируют их. У человека всего пять типов антител, которые различаются строением и набором функций.

Например, иммуноглобулин Е — оберег от паразитов, а М запускает первичный защитный ответ (поэтому наличие антител IgM может свидетельствовать о ранних стадиях болезни). А вот IgG вырабатываются позже, зато в больших количествах и надолго. Благодаря им мы на протяжении достаточно длительного времени не заражаемся этим же вирусом повторно.

Второй вид иммунитета обеспечивают В- и T-лимфоциты: одни продуцируют антитела, а другие просто убивают клетки, в которых найден вирус. Нет хозяина — нет и гостей. На самом деле механизмы клеточного иммунитета намного сложнее и разнообразнее, но их описанию стоит посвятить отдельную статью.

Что не помогает при вирусной инфекции…

Собственный иммунитет — это, конечно, замечательно. Но мало кому хочется испытать на себе все прелести болезни, и особенно — вирусных инфекций. От большинства из них не существует волшебной таблетки — можно разве что облегчить состояние организма, сняв симптомы.

Да, нерадивые врачи всё еще выписывают антибиотики, но, как следует из их названия, эта группа лекарств направлена против «биоты» — живых организмов. Увы, вирусы не относятся к их числу, а значит, и препараты такого рода бесполезны.

Но… можно же помочь иммунитету, проглотив горсть феронов! Нет, нельзя: они тоже не работают. Наши собственные интерфероны, выделяемые клетками в ответ на заражение, выполняют важную функцию: подавляют производство вирусных белков и активируют синтез фермента, который расщепляет чужую РНК. А вот помощь извне в этом случае, увы, совсем неэффективна. Во-первых, интерфероны практически невозможно доставить в организм (лучший способ — вводить внутривенно, а при раковых опухолях — прямо в зону поражения). Во-вторых, не доказано, что такое лечение помогает при респираторных заболеваниях. И в-третьих, как ни парадоксально, не все препараты с суффиксоидом «-ферон» в названии действительно относятся к интерферонам. В большинстве случаев это просто лактоза, так что, если ваша стратегия лечения при простуде — горячий чай с очень дорогим сахаром, можете смело их использовать!

…и что помогает (не быть антиваксером)?

И всё же существует способ если не обезопасить себя от вируса, то по крайней мере значительно снизить риски заражения. Поможет в этом старая добрая вакцинация. По данным ВОЗ, семь из десяти главных причин смертности за 2010–2019 годы не связаны с инфекционными заболеваниями. Специалисты объясняют это в том числе и успехами в развитии вакцинации: даже неидеальные, по мнению ВОЗ, средства, такие как БЦЖ против туберкулеза, намного эффективнее, чем их отсутствие. Препараты содержат частицы антигена (например, вируса) в разной форме, а самые новые — и вовсе только «программу» для его выработки, то есть ничего патогенного в организм не попадает.

У человека развивается не болезнь, а лишь иммунный ответ, будто инфекция действительно началась.

Существует три основных типа вакцин: с цельным антигеном, с его фрагментами (субъединицами) или с генетической информацией. Опасный живой вирус вам, конечно, подсаживать никто не будет — с ним нужно сначала поработать. К примеру, инактивировать (фактически убить) его с помощью химических веществ или радиации. Так изготавливают вакцины против гриппа и полиомиелита: вирус сначала культивируют (как правило, в куриных яйцах), а затем уже обрабатывают.

Но можно и не убивать вирус, а ослабить его или использовать непатогенный штамм. В этом случае есть ограничения: например, такие препараты нельзя вводить беременным и людям с нарушениями иммунной системы.

В третьей разновидности вакцин с цельным антигеном в качестве переносчика (вектора) используется безопасный вирус со встроенными в него белками, вызывающими защитный ответ организма. В результате клетки заражены не будут, но выработка антител всё равно начнется.

Так действуют вакцины против лихорадки Эбола и новой коронавирусной инфекции («Cпутник V»).

Субъединичные препараты несут в себе только фрагменты вируса или бактерии — обычно белки, сахара и виросомы (вирионы, лишенные генетической информации). Организм распознаёт чужеродные частицы и выдает иммунный ответ, но заражения не происходит, поскольку нет генов, которые настроили бы клетки против самих себя. К таким средствам относятся, например, вакцины против коклюша и дифтерии.

Но можно поступить еще хитрее и принести иммунитету на тарелочке готовую и выделенную информацию об антигене — нуклеиновую кислоту. Клетки получают ДНК или матричную РНК и начинают самостоятельно, без болезненного пинка со стороны агента, синтезировать специфические вирусные белки. Иммунная система принимает меры и снова дает защитный ответ. Это новейший механизм вакцины, который, правда, пока мало опробован. Несмотря на то, что исследования с участием людей уже проводились, до пандемии ни один препарат не прошел все стадии испытаний. Только 6 января 2021 года было выдано первое разрешение на использование новой мРНК-вакцины против коронавирусной инфекции в странах ЕС (Moderna).

Польза вирусов: стабильность, контроль, поддержка рождаемости

Казалось бы, зачем вообще нужны эти вирусы? Неужели только для того, чтобы мы болели? Конечно, нет. Например, они выступают главными регуляторами водных экосистем и поддерживают круговорот углерода. В морях и океанах основную биомассу составляют микроорганизмы, которые очень быстро размножаются, а значит, рост их популяции нужно как-то контролировать. С этим отлично справляются вирусы: каждую минуту из-за них погибает примерно 100 тонн таких существ. В результате поддерживается постоянство среды наверху (всё лишнее умирает) и внизу: павшие товарищи становятся питательным субстратом для только что появившихся микробов.

А можно ли использовать эту стратегию для контроля численности неугодных млекопитающих? К сожалению, такие попытки, действительно, предпринимались.

Печально известна история борьбы с кроликами в Австралии: их и отстреливали, и травили, и завозили лис (задание хищники провалили, да еще и навредили и без того хрупкой местной фауне) — всё было тщетно. «Что ж, почему бы не заразить всех ушастых вирусом, да покрепче?» — предложили светлые умы.

Сказано — сделано. В 1951 году в популяции кроликов стараниями людей стал распространяться миксовирус, из-за чего погибло 5/6 всех зверьков на континенте. Но 100 млн выживших развили неплохой иммунитет. А вот европейским кроликам повезло меньше: вирус долетел и до них, сильно ударив по целой отрасли животноводства.

В 1991 году была предпринята следующая попытка. На этот раз решили использовать кальцивирус, и он сначала тоже вроде бы неплохо сработал, но затем стал мутировать. Сейчас существует опасность заражения им кроликов Южной Европы, а поскольку эти звери — важное звено в пищевой цепи, вымирание ушастых может лишить корма и многих хищников.

Кроме регуляторной функции, вирусы отлично показали себя в симбиотических, взаимовыгодных, отношениях. Да, многие из них убивают зараженные клетки — но некоторые, наоборот, улучшают свое жилище, внося туда собственные гены. Около 8% нашего генома досталось нам от вирусов! Мы, конечно, пользуемся не всем этим наследством, но без парочки генов точно не обошлись бы.

Много-много тысяч лет назад симбиотический ретровирус поразил древний организм, который, однако, не просто выжил, но еще и дал потомство с тем самым «чужим» геном. Он был не патологическим, но кодировал неизвестный животному белок, заставлявший отдельные клетки сливаться друг с другом, не умирая. Те продолжали работать, приобретали новые функции, изменялись… Эволюция — медленный процесс, но в результате всех этих метаморфоз приблизительно 150–200 млн лет назад у животных появилась плацента. Кто бы мог подумать, что именно благодаря вирусу мы не откладываем яйца!

Вирусы вместо химиотерапии

Как видим, прок от вирусов тоже есть. А если к делу подключаются ученые и медики, владеющие самыми передовыми технологиями, перспективы открываются безграничные. Например, некоторые вирусы зарекомендовали себя как эффективные противораковые агенты (их еще называют онколитическими): вирионы селективно, без вреда для всего организма, атакуют злокачественные клетки, поражают их и разрушают.

В 2015 году впервые была одобрена онколитическая терапия на основе модифицированного вируса герпеса, ее используют при лечении больных меланомой.

Сейчас ведутся клинические исследования препаратов против других типов опухолей, например рака молочной железы и легких.

Вирусная служба доставки рабочих генов

Используют вирусы и в генной терапии, только цель в этом случае уже не разрушить патологические клетки, а немного «подкорректировать» их путем доставки в ядро нужной нуклеиновой кислоты, которая остается сохранной при транспортировке в капсиде. В вирусный материал вносят изменения, чаще всего загружая в него ген экспрессии терапевтического гена. В качестве вектора используют агенты с широким кругом хозяев: в основном это адено-, ретро- и аденоассоциированные (AAV) вирусы, но всё зависит от вида заболевания. В 2012 году был зарегистрирован первый препарат такого типа AAV1, назначаемый при дефиците липопротеинлипазы.

К 2021 году уже одобрены вирусные векторы для лечения муковисцидоза, гемофилии и болезни Паркинсона.

Во всех этих случаях клетки несут дефектный ген и не могут в норме вырабатывать необходимые белки, из-за чего орган перестает правильно функционировать. Вирус же встраивает в геном рабочую «запчасть» вместо сломанной.

К сожалению, на сегодняшний день это самый дорогой метод лечения. Одна инъекция препарата с торговым названием ZOLGENSMA, назначаемого при спинальной мышечной атрофии, стоит больше 150 млн рублей. Вторая проблема — опасность иммунного ответа и необходимость дополнительных мер по его подавлению.

Вирусы всё ещё обладают огромным потенциалом — не только разрушительным, но и созидательным. Кажется, мы так никогда и не сможем изучить их до конца. Да, сейчас биологи знакомы почти с 70% человеческих вирусов, но о 99% вирусов беспозвоночных по-прежнему ничего не известно. И нам остается только догадываться, на что они способны.