Материал: Домарадский И.В. Основы вирусологии для экологов

венных условиях заражают членистоногих, питающихся кровью позвоночных, размножаются в тканях членистоногих и затем пере даются через укус чувствительному к инфекции позвоночному. В настоящее время известно около 200 видов вирусов, обладающих такими биологическими свойствами. Их назвали вирусами, переда, ющимися членистоногими (arthropod borne viruses), или сокращен но «арбовирусами».

Арбовирусы широко распространены по земному шару. Но особенно богаты ими тропические области, где существуют эн демичные регионы, в которых вирусов гораздо больше, чем в других местах. Примерами их могут служить отдельные районы бассейна реки Амазонки, болота Тринидада и некоторые облас ти Того. Многочисленные очаги арбовирусных инфекций име ются также на территории России, в частности в Сибири и на Дальнем Востоке.

Переносчиками многих арбовирусов являются комары Culex и Aedes. Вирусы размножаются в клетках кишечника комаров, а затем проникают в гемолимфу и в слюнные железы, где остают ся до тех пор, пока не будут переданы самкой комара вместе со слюной во время кровососания какому нибудь позвоночному (кровососами являются только самки комаров). Все это требует некоторого времени, поэтому комары обычно не являются за разными до тех пор, пока вирус не закончит цикл развития в их организме. Этот период называют внешним инкубационным пе риодом в противоположность внутреннему инкубационному пе

риоду, т. е. периоду между укусом комара и развитием заболева ния у укушенного человека или животного. Насколько известно, арбовирусы совершенно безвредны для своих насекомых пере носчиков, но комары сохраняют инфекционность в течение всей жизни.

Большинство вирусов переносится только каким нибудь од ним видом или несколькими родственными видами комаров.

Размножаясь в тканях инфицированных животных, вирус ра но или поздно попадает в кровь. Возникает виремия, без которой передача вируса другому комару невозможна. Таким образом, размножение вируса именно в двух хозяевах является необходи мым условием для сохранения вируса в природе.

Надо иметь в виду очень важное обстоятельство: комары могут передавать вирус как животному, естественному резервуару вируса, так и другим позвоночным, в том числе и тем, которые служат эпи

демическим тупиком; при этом последние заболевают и даже по

40

гибают от инфекции, но источником ее не являются, в частности из за отсутствия или кратковременности виремии. Тут важно так же подчеркнуть, что в большинстве случаев человек является од

ним из таких «тупиков». Исключение составляют лишь такие ли хорадки, как желтая, москитная, денге, чикунгунья и о'ньонг ньонг, при которых преобладает антропонозный тип циркуляции возбудителей.

Особо следует остановиться на клещах Ixodes и Dermacenter, поскольку в отличие от комаров они являются как переносчиками, так и резервуарами арбовирусов. Это обусловлено тем, что арбови русы заражают клещей в любой фазе их метаморфоза, т. е. личи нок, нимф и имаго, а также передаются потомству через яйца – трансовариально. Все это позволяет арбовирусам сохраняться в клещах круглый год и объясняет причину необычайно широких ареалов соответствующих инфекций.

Естественными хозяевами клещей служат мелкие грызуны и более крупные млекопитающие, а также птицы. При этом птицы играют особенную роль, так как способствуют переносу зара женных клещей на большие расстояния. Небезынтересно отме тить, что ряд животных, прокормителей клещей, невосприимчи вы или относительно резистентны к арбовирусным инфекциям. Однако они могут выступать в роли «усилителей инфекции» для восприимчивых животных, так как увеличивают численность клещей.

Клещи являются переносчиками и хранителями арбовирусов, вызывающих ряд тяжелых заболеваний людей, в частности дальне восточный и центрально европейский энцефалиты, омскую гемор рагическую лихорадку и лихорадку Конго Крым.

8.3. Простейшие и вирусы

Относительно недавно вирусы были обнаружены и у простей ших – Trichomonas vaginalis, Giardia lamblia, Leishmania braziliensis, Eimeria spp. и Babesia spp. Все эти вирусы обладают сходными свой ствами, а именно они содержат двухнитчатую РНК, размер кото рой составляет 5–7 т.п.о., и имеют сферическую или икосаэдри

ческую форму с диаметром 30–40 нм.

Из числа вирусов простейших лучше всего изучен гиардиави рус, который может инфицировать изолированные трофозоиты G. lamblia (из инфицированных клеток выделены репликативные формы вируса). Было высказано предположение, что кишечные простейшие могут служить векторами возбудителя СПИДа. Оказа

41

лось, что в лабораторных условиях из двух видов простейших –

G. lamblia и Entamoeba histolytica ВИЧ 1 инфицирует только вторую. Выяснилось также, что ВИЧ 1 обнаруживается и у амеб, выделен ных от больных СПИДом. Однако ВИЧ 1 мононуклеарам челове ка от зараженных амеб не передается.

Наряду с указанными вирусами у амебы Acanthamoeba polyphaga обнаружили необычный вирус – Mimivirus, геном кото рого представлен двухнитчатой ДНК. По своим размерам (750 нм), длине генома (1,2·106 пар оснований) и способности кодировать образование свыше девятисот белков этот вирус пре восходит все известные вирусы и приближается к мелким бакте риям (рис. 11).

8.4. Грибы и вирусы

Международным комитетом по таксономии вирусов зареги стрированы три семейства миковирусов. Наиболее изучены представители семейства Totiviridae. Большинство этих вирусов имеют форму икосаэдра с диаметром 30–45 нм, а их капсиды состоят из белка однородного типа, обволакивающего двухнит чатую РНК.

Вирусы найдены у множества видов грибов, которым они не причиняют явного вреда. Круг хозяев каждого вируса весьма узок, но иногда один гриб может заражаться несколькими вирусами.

Вирусы грибов лишены тех свойств, которые помогают виру сам животных и фагам заражать их хозяев. Считают, что это связа но с особенностями строения клеточной стенки грибов, а именно с тем, что ригидная стенка грибов состоит из хитина. Так или ина че, но механизм заражения грибов вирусами пока не ясен. Извест но лишь, что от одного гриба к другому вирусы передаются поло выми или бесполыми спорами либо при слиянии гиф.

О роли миковирусов в фитопатологии упоминается ниже. Здесь же укажем на весьма любопытный факт, а именно на способ ность некоторых миковирусов понижать патогенность грибов. В перспективе это сулит создание более эффективных методов борьбы с заболеваниями растений, которые вызывают грибы.

8.5. Растения и вирусы

Подавляющее большинство вирусов растений, а их общее чис ло достигает 700, относится к числу мелких вирусов, геном кото рых представлен одноцепочечной РНК. Гораздо меньше вирусов растений, содержащих двуцепочечную РНК, и до недавнего вре

42

мени был известен только один ДНК вирус. Вопрос о том, почему среди вирусов растений преобладают вирусы, геном которых представлен одноцепочечной РНК, ждет ответа.

Ниже приводится таблица, содержащая некоторые сведения о вирусах (табл. 4).

Таблица 4

Некоторые из основных групп вирусов растений

(Лурия и Дарнелл, 1970)

П р и м е ч а н и е. В таблице приведены тривиальные названия вирусов, которые признаются многими фитопатологами.

Как и в случае других вирусов, для существования вируса рас

тений необходимы эффективные способы заражения хозяина. Од нако в отличие от животных растения, как и грибы, обладают толс той, ригидной клеточной стенкой, состоящей в основном из це люллозы, – барьер, который вирусы преодолеть не в состоянии. Поэтому заражение растений вирусами происходит только в тех случаях, когда клеточная стенка повреждена.

43

Распространение вирусов растений происходит через воздуш ную среду и почву.

Распространение вирусов через воздушную среду осуществля ется летающими членистоногими, которые питаются на живых зе леных наземных растениях, в первую очередь тлями и цикадками, прямокрылыми – гусеницами, жуками, а также клещами.

Ротовой аппарат тлей и цикадок снабжен особым образовани ем – стилетом, способным прокалывать прочную клеточную стен ку растений, и передача вирусов растениям или заражение насеко мых происходит в процессе их питания. То же происходит в случае насекомых, обладающих грызущим ротовым аппаратом.

По типу взаимоотношений с переносчиками вирусы расте ний принято делить на неперсистирующие и персистирующие (или циркулирующие). Как уже указывалось (см. раздел 8.2), пер вые сохраняются в переносчиках только короткое время, тогда как вторые обычно находятся в них долгое время, иногда в тече ние нескольких недель или месяцев. Последние представляют особый биологический интерес, поскольку такие вирусы можно считать вирусами и растений, и животных5. Тут же укажем, что в передаче вирусов наблюдается известная специфичность: каждый вид насекомых переносит только определенные виды вирусов.

Вбольшинстве случаев от паразитирования на больных расте ниях насекомые не страдают. Однако есть данные и о вредном воз действии вирусов растений на здоровье и продолжительность жиз ни насекомых. С другой стороны, обнаружены факты, что погиба ющие при питании на здоровых растениях нимфы 9 видов цикадок успешно развивались на сельдереях или астрах, зараженных кали форнийским вирусом желтухи астр.

Заражение растений вирусами может приводить или к чисто ло кальным заболеваниям, или к развитию системных инфекций, охваты вающих большую часть растения. Помимо этого некоторые вирусы способны заражать растения, относящиеся к разным семействам, и, подобно вирусам животных, могут сохраняться в латентном состоянии.

Враспространении вирусов растений через почву основная роль принадлежит круглым червям – нематодам. Нематоды явля

ются эктопаразитами растений и, подобно тлям и цикадкам, имеют довольно длинные стилеты. Они обитают на эпидермисе корней и при питании делают проколы, обычно вблизи корневого чехла.

5Некоторые авторы полагают, что подобные вирусы все же более специфичны для пе реносчиков, чем для растений, а это наводит на мысль о том, что по крайней мере некоторые вирусы растений произошли от вирусов членистоногих.

Нематоды, однажды получившие вирус, сохраняют способ ность заражать растения в течение долгого времени.

Среди нематод, как и в случае насекомых, «универсальных»

переносчиков вирусов нет: для каждого представителя нематод характерна способность переносить лишь определенные виды ви русов. В то же время нематоды могут получать и передавать два разных вируса. Это происходит в результате питания их как на рас тениях, зараженных сразу двумя вирусами, так и на растениях, за раженных каждым из вирусов в отдельности.

Помимо нематод, в распространении некоторых вирусов че рез почву участвуют грибы – облигатные внутриклеточные парази ты, заражающие корни растений: имеются указания на то, что пе редача вирусов в этом случае связана с инфицированными зооспо, рами грибов. Тут же следует заметить, что почвенные переносчики ряда вирусов до сих пор не выявлены.

Говоря о растениях, нельзя обойти молчанием механический способ заражения их вирусами. Вирус табачной мозаики, например, может распространяться через обувь, а путь трактора, несущего на себе инфекцию, бывает отмечен полосой больных растений. В случа ях, когда растения посажены так тесно, что соприкасаются, инфек ция может передаваться от одного хозяина к другому. Немалую угро зу для здоровых растений представляет также вегетативная гибриди зация, если для нее используют черенки, зараженные вирусами.

Механическому способу распространения вирусов растений способствует их сравнительно высокая устойчивость к различным неблагоприятным факторам окружающей среды. Известно, что многие вирусы способны к кристаллизации6 (рис. 12). Возможно, что некоторые вирусы этого типа когда то передавались насекомы ми, но приобрели высокую устойчивость и стали передаваться дру гими способами.

Распространение вирусов на относительно большие расстоя ния, вероятно, происходит время от времени естественным путем. Так, в Скандинавии была отмечена вспышка желтухи свеклы, ко торую связывали с миграцией массы крылатых тлей с европейско го континента. Но основную ответственность за перенос вирусных

инфекций на большие расстояния, несомненно, должен нести че ловек. Вирусы переносятся растениями, семенами, клубнями, предназначенными для торговли, или вследствие миграции людей. Тот факт, что вирус табачной мозаики может сохранять инфекци

6Впервые это было показано в 1935 году У. Стэнли на примере вируса табачной мо заики.

онность в курительном табаке, по видимому, объясняет его прису тствие везде, где имеются табачные плантации. К сожалению, ис ключить человеческий фактор в распространении вирусных забо леваний растений очень трудно.

Роль человека в распространении вирусов растений стоит рас смотреть подробнее. Человек способствует распространению ви русов в посевах, между посевами в пределах континента (внутри континентальное распространение) и между разными континента ми (межконтинентальное распространение). Особенно велика его роль в двух последних случаях.

Распространение вирусов на небольшие расстояния происхо дит разными способами: на сельскохозяйственных орудиях, на шерсти животных, в комочках почвы, прилипшей к обуви или гу сеницам тракторов, и т.д. При вспашке, культивации и т.п. неиз бежно происходит перераспределение не только самой почвы, но и находящихся в ней переносчиков вирусов (нематод, грибов). Кро ме того, при таких операциях растениям нередко наносятся пов реждения, через которые могут внедряться вирусы. Аналогичный результат дает эрозия почвы.

Расселению вирусов способствует пересадка растений и уборка корнеплодов (с извлекаемых из земли корней всегда осыпаются ко мочки почвы). Некоторые вирусы переходят с больных растений на здоровые при обрезке или подвязке растений или при резке клуб ней картофеля (перед посадкой). Существует и много других путей расселения вирусов. При опрыскивании посевов с низко летящих вертолетов возникают сильные завихрения воздуха; эти вихри подхватывают и рассеивают по полю большое количество расти тельных остатков.

Вирусы, как и другие патогены, распространяются при между народной торговле растениями. Торговля семенами и другим рас тительным материалом – зерном, фруктами, овощами, раститель ным волокном и цветами – приобрела в последнее время небыва лый размах и ведется быстрее, чем когда либо раньше.

Внекоторых случаях вирус не играет важной роли у себя на родине, но становится вредоносным, придя в контакт с новыми,

часто более восприимчивыми к нему сортами и разновидностями растения хозяина, произрастающими к тому же в иных климати ческих условиях.

Вкачестве возбудителей болезней растений вирусы уступают только грибам. Тем не менее потери от них, особенно картофеля, томатов и табака, весьма велики. Однако от вирусов страдают не

46

только культурные растения. Так, в Канаде, например, вирусными инфекциями поражено примерно 10 % дикорастущих деревьев. Интересно, что подавляющее большинство деревьев, которые за

ражают вирусы, относится к числу покрытосеменных.

8.6. Бактерии и вирусы (бактериофаги)

Бактериофаги выявлены у представителей почти всех таксо номических групп микробов. Они отличаются высокой специфич ностью, что используется в микробиологической диагностике (фа, готипирование), а некоторые фаги применяют для лечения и про филактики соответствующих инфекций.

Подавляющее большинство фагов имеет гексагональные голов ки, содержащие только один тип нуклеиновой кислоты. У некото рых фагов от головки отходит более или менее длинный отросток («хвост»), который служит для адсорбции фага и вспрыскивания в клетку бактерий нуклеиновой кислоты (рис. 3, 5, 12). Имеются так же длинные нитевидные фаги (рис. 5). На основании морфологи ческих признаков и типа нуклеиновой кислоты Д. Бредли (D. Bradley, 1967) разделил все фаги на шесть групп (табл. 5)7.

Столь своеобразное строение фагов, отличающее их от других вирусов, объясняется наличием у бактерий ригидной клеточной стен ки, что исключает возможность проникновения фагов в бактериаль ные клетки путем пиноцитоза или виропексиса. Последнее обстоя

тельство заставило фаги приспособиться к другим путям инфициро вания их хозяев, и именно это нашло отражение в их структурах.

7Сейчас все фаги относят к особому порядку царства вирусов с семнадцатью семей ствами и тремя неклассифицированными или «плавающими» группами (см. H.W. Ackermann // Arch. Virol. – 2007. – Vol. 152. – P. 227–243).

47

В случае фагов групп A, B и С с момента встречи с бактериаль ной клеткой и до высвобождения потомства фага развертываются следующие события:

адсорбция фага на соответствующих рецепторах клетки; впрыскивание генома фага в клетку; внутриклеточное размножение фага, в ходе которого никаких

внешних проявлений фаговой инфекции нет (латентный период); лизис клетки.

Сразу же после заражения вирулентным фагом в клетке начи нается репликация его ДНК и происходит синтез фаговых белков – процессы, которые осуществляются ферментами хозяина. Затем происходит формирование частиц вируса и под контролем генома фага образуется лизоцим, необходимый для лизиса клетки. Этим заканчивается латентный период – высвобождаются зрелые части цы фага, способные инфицировать новые бактерии. Таким обра зом, вирулентные фаги подобны настоящим хищникам.

Иначе складывается ситуация в случае умеренных фагов, кото рая больше напоминает картину симбиоза паразитического или да же мутуалистического типа. При проникновении в клетку геномы таких фагов – профаги обычно встраиваются в хромосому хозяина и реплицируются в ее составе. Бактерии при этом выживают и нор мально делятся. В большинстве зараженных клеток структурные ви русные белки не образуются, так как геномы фагов зарепрессирова ны. Однако в отдельных случаях профаги могут дерепрессироваться, что приводит к началу литического цикла (как в случае вирулентных

фагов) и высвобождению зрелых вирионов (индукция профага). Описанное взаимодействие вируса с клеткой хозяина называ

ется лизогенией, а зараженные клетки, обладающие способностью продуцировать зрелые частицы фага, называются лизогенными. Важно отметить, что лизогенизированные клетки не чувствитель ны, т.е. иммунны к гомологичному фагу8.

Отметим так называемые «половые» фаги, которые распозна ют штаммы грамнегативных бактерий, несущих конъюгативные плазмиды. Подобные фаги распространены, главным образом, среди энтеробактерий, но встречаются также у других бактерий, в

частности у псевдомонад. Однако дальше речь пойдет в основном о кишечных фагах, которые относятся к двум группам по Бредли – F (фаги fd, f1, M13, If1 и др.) и E (фаги f2, MS2, Qβ и др.).

8От истинной лизогении надо отличать псевдолизогению, т.е. носительство фага популяциями бактерий, состоящими из чувствительных и резистентных к бакте риофагу клеток.

Мы предполагаем,что половые фаги являются ровесниками конъюгативных плазмид, «научившимися» в процессе эволюции использовать половые пили в качестве ворот на пути в клетки.

Рецепторы половых фагов находятся на пилях, причем рецеп торы нитевидных фагов располагаются на верхушках пилей, а «РНКовых» – на их боковых поверхностях.

Между двумя группами половых фагов есть еще одно отличие: РНКовые фаги вызывают лизис клеток, в то время как нитевидные фаги клетки не лизируют, а высвобождаются через щели в клеточ ной стенке и поэтому на газоне чувствительной культуры никогда не дают прозрачных пятен; сами клетки теряют цитоплазму и превращаются в «тени», содержащие различное число мезосом.

Важной особенностью многих фагов является способность пе реносить бактериальные гены – трансдукция. Различают специфи, ческую и общую трансдукцию.

Специфическая трансдукция характерна для умеренных фагов. Это связано с тем, что их профаги существуют в составе хромосомы бактерий и при индукции, т.е. при превращении профага в зрелый фаг, могут захватывать бактериальные гены, располагающиеся с од ной или другой стороны от места включения профагов в хромосому («незаконная рекомбинация»). При этом профаг теряет часть своей ДНК и из него образуются дефектные фаги, которые сами по себе к вегетативному размножению не способны. Однако последнее ста новится возможным в присутствии фага помощника, т.е. нормаль ных фаговых частиц, и именно тогда в популяции бактерий появля ются клетки с необычным фенотипом – трансдуктанты. Механизм их возникновения заключается во встройке генома дефектного фа га в хромосому нового хозяина и экспрессии генов, захваченных при индукции профага у прежнего хозяина.

Разные умеренные фаги, вернее, их профаги встраиваются в разные участки бактериальной хромосомы и поэтому при транс дукции вызывают образование трансдуктантов с неодинаковыми фенотипами.

При специфической трансдукции в частице трансдуцирующе го фага фрагменты бактериальной хромосомы всегда ковалентно

связаны с фаговой ДНК и размер их очень небольшой. В отличие от этого при общей (иногда ее называют также неспецифической) трансдукции частицы трансдуцирующего фага представляют со бой в основном кусок бактериальной ДНК, упакованный в фаго вую оболочку. Это происходит в процессе сборки капсида фага, когда уже начинается дезинтеграция клетки хозяина и формиру