Материал: Домарадский И.В. Основы вирусологии для экологов

ются зрелые частицы фага. Но в лизатах клеток число подобных частиц невелико. Тем не менее когда ДНК такой необычной час тицы при содействии фага помощника, т.е. нормального фага, попадает в клетку реципиента и она не лизируется, то между фраг ментом чужой ДНК и гомологичным участком хромосомы реци пиента может происходить рекомбинация. Результатом ее и ока зываются те редкие рекомбинанты, которые приобретают новые свойства (трансдуктанты)9. Опять таки, в отличие от специфической трансдукции, при общей трансдукции одним и тем же «фаголиза том» могут переноситься любые гены клетки донора, в чем легко убе диться путем использования надлежащих методов селекции транс дуктантов (отсюда и название – «неспецифическая» трансдукция). Однако, поскольку геномы фагов намного меньше геномов бакте рий, то естественно, что фаги могут переносить лишь фрагменты бактериальной ДНК, не превышающие 2–2,5 % от ее длины. Поэто му трансдуцируются только близко расположенные гены, что ис пользуется для тонкого картирования бактериальных генов (при кар тировании с помощью конъюгации это практически невозможно).

Отсутствие фаговой ДНК в трансдуцирующих частицах объяс няет, почему соответствующие трансдуктанты нелизогенны и не обладают иммунитетом против заражения гомологичным фагом (еще одно важное отличие от «специфических» трансдуктантов).

Трансдуцирующие фаги широко распространены среди раз личных видов бактерий. Способность к трансдукции, правда лишь плазмид, установлена даже у нитевидных мужских фагов M13 и fd, а также у фага PRD110. В этой связи возникает вопрос, а не является ли распространение плазмид одной из функций ДНК содержащих мужских фагов? С другой стороны, имеются указания, что из за особенностей прикрепления к половым пи лям РНКовые фаги препятствуют конъюгации. Подчеркнем, что ни один из РНКовых фагов клетки не лизогенизирует и к транс дукции не способен11.

Из изложенного следует, что новые свойства, появляющиеся у бактерий при трансдукции, обязаны генам бактерий, которые привносятся фагами. Однако известно немало случаев, когда не

которые свойства бактерий определяются только фаговыми гена ми. Эти свойства проявляются лишь в лизогенных или заражен

9В отдельных случаях рекомбинация не происходит. Поскольку при этом привне сенный фрагмент чужой ДНК не реплицируется, то при делении клеток он быстро элиминируется (абортивная трансдукция).

10У полового фага псевдомонад (собственные данные).

11В отличие от ряда вирусов животных РНК содержащие фаги ревертазу не образуют.

ных фагами штаммах и никогда не регистрируются в штаммах, свободных от фагов. Приобретение новых свойств бактериями исключительно в результате фаговой инфекции называется фаго, вой конверсией, типичным примером которой служит токсиген ность возбудителя дифтерии. Этот микроб образует токсин только тогда, когда он заражен фагом, несущим tox ген. Таким образом, конверсия принципиально отличается от специфической транс дукции, поскольку в последнем случае фаг переносит гены, кото рые в норме обнаруживаются в хромосоме клетки донора. Кроме того, есть еще два отличия. Во первых, частицы фага, вызываю щего конверсию, совершенно нормальны и способны осущес твлять все фаговые функции, в то время как специфически транс дуцирующие фаги обычно дефектны, так как теряют часть генома в момент индукции их профагов. Во вторых, способностью к кон версии обладают все частицы популяции соответствующего фага и конвертанты возникают с большой частотой, а в случае транс дукции новые свойства реципиентным клеткам могут сообщать лишь единичные частицы фага и появление трансдуктантов – от носительно редкое явление.

Вопрос о происхождении конвертирующих фагов остается открытым, хотя есть предположение, что в процессе эволюции хромосомы бактерий и фагов имели общих предшественников.

Заканчивая этот раздел, подчеркнём, что до последнего време ни роль фагов в эволюции бактерий явно недооценивали. Теперь же можно смело утверждать, что в горизонтальном переносе генов они имеют не меньшее, а возможно, и большее значение, нежели конъюгация и трансформация. Осознанию этого факта способст вовали, в частности, многочисленные данные о способности фагов длительное время сохраняться в окружающей среде (в почве, воде) без потери инфекционности. Впрочем, то же относится к другим вирусам, что служит основанием для возрождения гипотезы о древнем происхождении вирусов и их роли в эволюции клетки (см. главу 9).

8.7. Человек и вирусы

Благополучие и здоровье человека во многих отношениях за висит от вирусов. Поэтому здесь мы рассмотрим ряд ситуаций, в которых человек либо способствовал распространению вирусов, либо, напротив, находил способы подавить их активность.

Человек создает благоприятные для вирусов условия или пред намеренно, или, что гораздо чаще, не умышленно. С переменным

успехом, как писал К. Эндрюсс (1969), он использовал возбудителя миксоматоза для регулирования численности кроликов и вирусы, патогенные для насекомых, для борьбы с пильщиками и другими

вредителями леса и культурных растений. Однако вместе с тем че ловек интродуцирует домашних животных – лошадей, крупный рогатый скот, свиней, овец – в районы, где распространены энде мичные вирусы, безвредные для местных видов животных, но представляющие серьезную, часто смертельную, опасность для интродуцированных животных. Примерами таких вирусных ин фекций могут служить лошадиный энцефаломиелит, острый инфекционный катар, африканская чума свиней и ряд других. Иногда человек, сам того не зная, переносит вирусы, безвредные для животных, обитающих на родине этих вирусов, в области, где они оказываются далеко не безобидными; иллюстрацией служит распространение некоторых вирусных заболеваний овец в Ислан дии. Создавая «чистые культуры», примерами которых могут слу жить стада однопородных животных и монокультуры растений, че ловек благоприятствует распространению вирусов, которые в иных условиях не имели бы большого значения. Изменения окружаю щей среды, возникающие при расчистке лесов, осушении земель или создании оросительных систем, создают условия для появле ния новых эндемичных очагов и возникновения массовых заболе ваний. Наконец, имеются примеры того, что даже повышение уровня гигиены, которое сыграло решающую роль в борьбе с тифом и другими бактериальными инфекциями, повышает опасность раз вития паралитической формы полиомиелита.

Следует подчеркнуть, что, защищая себя или животных, человек лишь в редких случаях может серьезно вмешиваться в экологию ка кого нибудь вируса или добиваться его искоренения. Как известно, резервуарами очень многих вирусов служат различные виды диких животных, так что полностью истребить их можно было бы лишь в случае полного истребления этих животных, что привело бы к гло бальному изменению экологии на Земле. Примером того, насколько осторожно надо подходить к этой проблеме, может служить попытка бороться с клещами – переносчиками клещевого энцефалита с по

мощью ДДТ: повторное опыление лесных насаждений этим препара том (или другими инсектицидадами) уничтожало почти всех клещей; однако при этом погибали и другие живые организмы, вследствие чего нарушалось равновесие в природе. Подобное вмешательство оказалось оправданным на огромных просторах Сибири, где леталь ность от клещевого энцефалита среди невакцинированных людей

достигает 30–40%, а клещ Ixodes persulcatus почти в 100 % случаев яв ляется носителем вируса. Но из за угрозы экологической катастро фы оно оказалось совершенно недопустимым в Средней Европе, где

клещевой энцефалит встречается достаточно редко.

Сказанное, однако, не означает, что человек бессилен перед ви русами. Для защиты от них существует много способов, и одним из них является вакцинация. Лучшей иллюстрацией этого является пол ная ликвидация страшного бича человека – натуральной оспы. Но в случае других вирусных инфекций, для которых человек не является единственным резервуаром вируса, вакцинация не может способ ствовать искоренению инфекции, так как сама по себе на экологию вирусов вакцинация не влияет. Пожалуй, единственным исключени ем можно было бы считать желтую лихорадку, решающую роль в ус пешной борьбе с которой в городах сыграло сочетание вакцинации с устранением условий для размножения синантропного переносчика вируса – Aedes aegypti. Тем не менее, несмотря на прекрасную вакци ну, до полного искоренения этого заболевания еще очень далеко. Причина этого кроется в том, что помимо очагов желтой лихорадки городского типа в Южной Америке были выявлены «сельские очаги», резервуаром вируса в которых являются обезьяны, а переносчиком – комары Haemagogus, живущие на вершинах деревьев.

Несмотря на сказанное, к вакцинации стараются прибегать во всех случаях, когда она возможна, и одним из таких примеров может служить полиомиелит. Уверенность в возможности искоре нения полиомиелита вселяет то, что ее возбудитель – один из эн, теровирусов – поражает только человека и некоторые виды обезь ян. К тому же созданы две высокоэффективные вакцины – убитая вакцина Солка и ослабленная живая вакцина Сэбина (оба типа вакцины чаще всего готовят из вируса, выращенного в культуре обезьяньей почки)12. Однако сомнения в том, что эту инфекцию удастся победить, как оспу, все же остаются. Причина этого кро ется в следующем: убитая вакцина Солка создает гуморальный иммунитет, но не предотвращает персистенции вируса в кишеч нике. Поэтому вакцинированные лица могут служить источником живого вируса и заражать неиммунизированных окружающих.

Недостатком же живой вакцины Сэбина является то, что в резуль тате мутации, высокая частота которых весьма характерна для ви руса полиомиелита, у вакцинированных людей подчас возникают параличи, а иногда они погибают.

12В России детей прививают живой аттенуированной вакциной. Разрешено также применять вакцину Солка.

Трудности борьбы с полиомиелитом усугубляет высокая ус тойчивость вируса в окружающей среде. Кроме того, высказыва ются опасения, что место этого вируса может занять какой нибудь другой энтеровирус, который будет вызывать заболевание, сходное по клинике с полиомиелитом.

Помимо вакцинации важное место в защите от вирусных ин фекций, как, впрочем, и от других патогенов, принадлежит различ ным санитарно гигиеническим мероприятиям, дающим хорошие результаты. Напомним хотя бы об успехах борьбы с гепатитами или СПИДом, достигнутыми благодаря применению одноразовых шприцов. Не меньшее значение имеет также уменьшение или пол ное исключение контакта с природными очагами вирусных инфек ций или больными домашними животными. В этой связи следует напомнить и о таких важных мерах, как карантин и запреты на ввоз в страну больных животных.

54

Глава 9

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ

ÈЭВОЛЮЦИИ ВИРУСОВ

9.1.Происхождение

Этот вопрос обычно рассматривается в рамках трех основных концепций.

Регрессивная эволюция. Эти теории рассматривают возникно вение вирусов как следствие деградации одноклеточных парази тов. Гипотеза регрессивной эволюции легче других согласуется с привычными постулатами эволюционной теории. Слабым местом концепции является невозможность объяснить возникновение РНК вирусов, хотя некоторые исследователи пытаются связать его с вироидами (см. выше), которые случайно приобрели способ ность к репликации. Но если так, то это уже результат не регрес сивной, а прогрессивной эволюции.

Клеточное происхождение. Происхождение вирусов из от дельных клеточных генов или органелл имеет больше сторонни ков. В качестве одного из аргументов они приводят крупные ДНК содержащие вирусы, которые кодируют вроде бы не нуж ные им ферменты, возможно, доставшиеся им от более сложных предшественников, например микоплазм или риккетсий. Силь ной стороной данной концепции является то, что она объясняет причину тропности и высокой специализации вирусов как пара зитов. Однако эта концепция плохо согласуется с фактами сме ны хозяев в циклах репродукции многих вирусов (например, че ловек – комар).

Независимое происхождение. Данная концепция рассматривает вирусы как потомки доклеточных форм жизни. Зародившись в до биотический период, вирусы, как простейшие организмы, могли сохраниться и эволюционировать, перейдя к паразитическому об

разу жизни. Данная концепция представляется наиболее плодо творной. Она открывает подходы не только к частному случаю происхождения вирусов, но и к общей, фундаментальной пробле ме происхождения жизни. Вместе с тем следует еще раз напом нить, что вирусы используют тот же генетический код, что и кле точные организмы, а синтез их белков нуждается в рибосомах,

55

транспортных РНК и многих ферментах, хотя и поставляемых клеткой хозяином13.

9.2. Эволюция

Имеются веские основания полагать, что Мировой океан яв ляется «родиной» вирусов, численность которых в нем поистине колоссальна и которые в силу этого контролируют развитие планктона и микроорганизмов. Так или иначе, но эволюция боль шинства известных вирусов в первую очередь неразрывно связана с эволюцией наземных организмов, на которых они паразитиру ют, причем многие считают, что этим и объясняется разнообразие вирусов14.

Вирусы не оставили следов в палеонтологической летописи. Даже если принять самые смелые интерпретации поражений, об наруженных у египетских мумий или в ископаемых костях челове ка и животных, то в масштабах эволюции это следы сравнительно недавних событий. Однако ретровирусы – древнейшие из числа вирусов животных – являются перспективными объектами для исследования различных аспектов эволюционных связей. Поми мо того что эти вирусы захватывают чужеродные гены, их внут ренние антигены недоступны для антител и поэтому избегают се лективного давления в иммунных организмах. Учитывая высокую тропность многих ретровирусов и их способность эволюциониро вать в составе клеточного генома, можно допустить, что перекре стные реакции между внутренними антигенами ретровирусов, происходящих от разных позвоночных, отражают степень родства между хозяевами. Исследование антигенных связей у ретровиру сов обезьян Старого и Нового Света, у низших позвоночных и австралийских сумчатых (Австралия географически была изоли рована 100 млн лет назад) – это путь к установлению эволюцион ных связей и генетического родства не только у вирусов, но и сре ди их хозяев.

Вирусы имеют преимущества перед всеми представителями живой материи: они размножаются так быстро и производят за ко роткий срок такое множество потомков, что их эволюция под

действием естественного отбора происходит несравненно быстрее,

13В 2002 г. в Нью Йоркском университете под руководством доктора Эккарта Уим мера впервые в мире был создан искусственный вирус – двойник вируса полио миелита. Возможно, что в дальнейшем подобные работы помогут приблизиться и к решению вопроса о происхождении вирусов.

14По нашему мнению, хорошим примером коэволюции вирусов и хозяев является появление половых фагов грамнегативных бактерий (см. выше).

чем эволюция более крупных существ (некоторые фаги, например, могут давать потомство в течение 20 мин!).

Помимо скорости размножения эволюции вирусов способ

ствует еще одно обстоятельство, а именно своего рода космополи тизм – круг хозяев вирусов поистине почти не ограничен. Напом ним еще раз хотя бы о вирусах, которые размножаются и в расте ниях, и в насекомых и которые поэтому следует рассматривать как вирусы растений и насекомых.

С другой стороны, обладая уникальной способностью к перено су ДНК через видовые барьеры, вирусы, как упоминалось, несомнен но, играли важную роль в эволюции других организмов. Рекомбини руя с хромосомами клеток хозяев, вирусы захватывают фрагменты хромосом и переносят их в другие клетки или другие организмы (ти пичным примером могут служить процессы трансдукции и конверсии у бактерий). Кроме того, включившись в геном хозяина (интеграция), вирусные ДНК (провирусы) могут становиться постоянными компо нентами генома многих организмов. И хотя эти ДНК теряют способ ность образовывать полноценные вирионы, они все еще могут коди ровать белки, причем некоторые из них оказываются полезными для клетки. Вирусы, следовательно, открывают для эволюции такой путь, как смешение генофондов различных организмов.

Одним из показателей эволюции вирусов является их измен чивость, которая происходит прямо на наших глазах. Примером этого может служить история с вирусом миксоматоза, подробно описанная К. Эндрюсом. Вирус миксомы был использован для борьбы с кроликами там, где их численность возросла до катастро фических размеров, например в Австралии. После первой неудачи там в 1950 году добились большого успеха: эпизоотия на кроликах распространилась в радиусе 800 км15. Интенсивная эпизоотия сре ди кроликов продолжалась в течение нескольких лет, причем ле тальность среди животных местами достигала почти 100 %. Одна ко постепенно эпизоотии пошли на убыль. Причиной этого яви лось появление иммунной прослойки среди грызунов и, как след ствие, падение вирулентности возбудителя.

Другим примером эволюции вирусов служат вирусы типа А.

В промежутках между драматическими пандемиями (1890, 1919, 1958, 1969 гг.) каждые 2–3 года возникали и возникают сейчас эпи демии меньшего масштаба. Доказано, что причина таких локаль ных эпидемических вспышек кроется в антигенном дрейфе, т.е.

15 Для других животных, включая сумчатых, вирус оказался безвредным.

точечных мутациях в одном из генов поверхностных белков виру са – гемагглютинина или нейраминидазы. Эволюционно антиген ный дрейф обусловлен отбором мутантов с измененными антиге нами при распространении вируса в иммунных популяциях, когда такие мутанты получают некоторое преимущество при размноже нии в присутствии противовирусных антител.

Пандемические штаммы вируса гриппа имеют иную приро ду. Они – результат затронувших многие антигены рекомбина ционных событий, которые с высокой частотой происходят меж ду штаммами разных хозяев: птиц, свиней, человека. Источни ком многих пандемических штаммов вируса гриппа служила Юго Восточная Азия. Своеобразие этого региона планеты не только в плотности населения и хозяйственной круглогодичной деятельности, но и в интенсивности и уровнях межвидовых кон тактов. К тому же этот регион лежит на излюбленных путях пе релетных птиц.

Говоря о гриппе, нельзя не затронуть проблему птичьего грип па – инфекцию, вызываемую штаммом H5N1 вируса типа А.

Как упоминалось, для вируса гриппа типа А характерно нали чие двух обязательных белковых компонентов – гемагглютинина

(H) и нейраминидазы (N). Существует 13 вариантов гемагглюти нина и 9 нейраминидазы. Именно по этим компонентам один штамм отличается от другого. Так что H5N1 – это всего лишь один из возможных вариантов вируса гриппа.

Штамм H5N1 отличается высокой вирулентностью и вызыва

ет поголовную гибель восприимчивых к нему птиц. Но штамм оказался патогенным и для человека. Все имеющиеся данные сви детельствуют о том, что основной причиной инфицирования лю дей вирусом H5N1 служит тесный контакт с мертвыми или боль ными птицами. Наиболее опасными считаются забой, ощипыва ние, разделка и подготовка к употреблению в пищу инфициро ванных птиц. В некоторых случаях источником инфекции был признан куриный помет. Купание в водоемах, в которые сбрасы вались тушки инфицированных птиц и которые могли быть за грязнены пометом инфицированных уток или других птиц, также может приводить к инфицированию. К счастью, видовой барьер для штамма H5N1 пока достаточно высок. Несмотря на инфици рование с середины 2003 г. десятков миллионов домашних птиц в различных географических зонах, насчитывается менее 200 лабо раторно подтвержденных случаев заболевания людей, а заражение

человека от человека не зарегистрировано вообще. Однако не

58

исключена возможность того, что вирус может улучшить свою трансмиссивность среди людей с помощью одного из двух меха низмов. Первый из них – «рекомбинация», то есть обмен генети

ческого материала между человеческим и птичьим вирусами во время совместного заражения человека или свиньи. Рекомбина ция может привести к появлению пандемического вируса, кото рый заявит о себе внезапным резким возрастанием числа людских заболеваний. Второй механизм – мутации, при которых во время последовательных заражений людей может возрасти способность вируса прикрепляться к клеткам человека.

Надо отметить, что последствия мутаций не всегда можно предсказать. Хорошей иллюстрацией этого является неожиданный результат работы австралийских ученых по созданию нового про тивозачаточного препарата (с целью борьбы с грызунами). Прове дя всего лишь одну простую генетическую модификацию у вируса мышиной оспы, вызывающего обычно заболевания средней тя жести, они получили штамм, который в течение нескольких дней стал убивать всех подопытных животных.

Однако далеко не всегда появление новых, ранее неизвестных инфекций является итогом только эволюции их возбудителей. В подавляющем большинстве случаев причина этого более проза ична: она кроется в хозяйственной деятельности человека, его бездумном стремлении «преобразовать» природу, нарушении эко логического равновесия в биосфере. Наказанием за эти грехи и являются новые инфекции, причем самая страшная из них – СПИД, который возник как последствие бесконтрольного отстре ла в лесах Сенегала шампанзе – носителей ВИЧ.

То, как человек подталкивает природу на создание новых ви русов, показано сотрудниками Медицинского филиала Техасско го университета в Галвестоне. Они изучали вирусы, которые в конце XX века спровоцировали вспышки венесуэльского лошади ного энцефалита (ВЛЭ) – смертельно опасного заболевания ло шадей и людей. При этом выяснилось, что замена лесов пастбищ ными землями на равнинах тихоокеанского побережья Мексики и Гватемалы оказывала чрезвычайно сильное эволюционное давле

ние на традиционно преобладающий в этих местах штамм вируса ВЛЭ. Прежде ВЛЭ распространялся одним из подвидов москита, который питается кровью грызунов и других мелких млекопитаю щих и инфицирует их, но не способен передавать вирус лошадям и людям. Однако вырубка лесов привела к сокращению числен ности особей москита подвида Culex, и единственная мутация ви

59