Начало >> Статьи >> Архивы >> Природа и происхождение вирусов

Природа и происхождение вирусов

В. М. Жданов
Институт вирусологии им. Д. И. Ивановского АМН СССР
Представления о природе и происхождении вирусов претерпели значительный пересмотр за последние два десятилетия. Это было связано с развитием молекулярной вирусологии и генной инженерии, в результате которого вирусы стали не только объектом изучения, но также и инструментом генетических операций. За это же время вирусология, бывшая разделом частной микробиологии, стала самостоятельной научной дисциплиной.
До 60-х годов господствовало представление о вирусах как о мельчайших организмах, и это понимание природы вирусов было формулировано Ф. М. Бернетом (1945), монография которого так и называется: «Вирус как организм». В связи с этим было введено обозначение вирион для вирусного индивидуума, которое заменило прежние наименования— зрелый вирус, вирусная частица и т. п. (Lwoff et al., 1962). Однако изучение молекулярной биологии вирусов постепенно показало несостоятельность этого представления.
Было выяснено, что генетический материал вирусов чрезвычайно разнообразен: однонитчатая и двухнитчатая РНК, однонитчатая и двухнитчатая ДНК, линейные и циркулярные формы, непрерывный, фрагментарный и разобщенный геномы. Природа как бы испробовала на вирусах все возможные виды генетического материала, прежде чем окончательно остановилась на канонической форме — двухнитчатой ДНК— общей для всех организмов — от бактерий до высших животных и растений.
Соответственно разнообразию генетического материала, репликация его происходит разными путями и обеспечивается либо вирус-специфическим, либо клеточными ферментами, либо теми и другими вместе. Важно при этом отметить, что репликация вирусных геномов и синтез вирус-специфических белков разобщен, и вместо деления или почкования, свойственного клеточным формам жизни, у вирусов идет как бы заготовка деталей будущих вирионов, после чего происходит их сборка, либо без участия клетки (самосборка), либо с участием последней. Этот тип размножения (репродукции) вирусов, отличный от размножения клеток, обычно обозначают как дисъюнктивный (разобщенный).
Обычно отмечают выраженный паразитизм вирусов как внутриклеточный. На самом деле это выражение неточно. Если, например, у гельминтов паразитизм происходит на уровне организма, у риккетсий и хламидий на уровне клетки, то паразитизм вирусов может быть обозначен как генетический. И это — не образное выражение, а констатация того факта, что вирусы, в отличие от всех других (клеточных) форм жизни, не имеют собственных белок-синтезирующих систем. Даже наиболее мелкие бактерии, геном которых может быть сравнен по размерам с геномом крупных вирусов типа оспы — риккетсии, хламидии, микоплазмы — имеют собственные рибосомальные белок-синтезирующие системы. Их нет у вирусов, даже наиболее крупных —типа вирусов оспы, герпеса, радужности насекомых или т-четных фагов. Поэтому все вирус индуцированные синтезы осуществляются на клеточных рибосомальных системах и программируются вирусными генами и геномами, которые имеют тот же генетический код, который универсален для всех форм жизни на земле.
Именно поэтому вирусная инфекция является прежде всего взаимодействием двух геномов — вирусного и клеточного, которое, в соответствии с предложением Baltomore D. (1971), принято называть стратегией вирусного генома.
Стратегия эта разнообразна у вирусов, имеющих разные геномы. У РНК-содержащих вирусов геномы могут иметь позитивную или негативную полярность. В первом случае, т. е. при позитивной полярности (пикорнавирусы, альфа-вирусы, флавивирусы) геномная РНК является одновременно и информационной РНК, взаимодействуя с рибосомальными системами клетки, подавляя синтез клеточных белков и кодируя синтез вирус-специфических белков. У вирусов с негативной полярностью генома (миксовирусы, парамиксовирусы, рабдовирусы) в составе вирионов имеются вирус-специфические полимеразы, которые на матрице геномной РНК синтезируют плюс-нити информационной РНК и эта последняя взаимодействует с клеточными рибосомами, кодируя синтез вирус-специфических белков. У вирусов с двухнитчатой РНК (ротавирусы, арбивирусы) информационная РНК также синтезируется вирионной полимеразой, транскрибирующей одну из нитей вирионной РНК, и эти вирус-специфические информационные РНК взаимодействуют с рибосомами инфицированной клетки. У вирусов с однонитчатой (некоторые фаги, парвовирусы) и двухнитчатой (аденовирусы, герпесвирусы, паповавирусы) ДНК транскрипция последней осуществляется клеточными РНК-зависимыми полимеразами, но у крупных ДНК-содержащих вирусов (вирусы оспы) имеются свои, вирионные РНК-полимеразы, обеспечивающие транскрипцию вирусных генов.
Мы перечислили основные варианты стратегии вирусного генома, относящиеся к синтезу вирус-специфических белков, в крупном плане. Однако у разных вирусов имеются существенные детали. Так, у пикорнавирусов функции так называемых кэпструктур, характерных как для клеточных, так и для вирусных информационных РНК, выполняет терминальный олигопептид, ковалентно присоединенный к 5’-концу вирусной РНК. У миксовирусов и реовирусов геномы фрагментарны и каждый фрагмент соответствует определенному гену, в то время как у пикорнавирусов, альфавирусов, флавивирусов, парамиксовирусов и рабдовирусов на нити РНК содержится несколько генов. Среди названных только что пяти групп вирусов у первых трех синтезируются пропептиды, которые затем нарезаются на индивидуальные белки, тогда как у последних двух синтезируются информационные РНК отдельно для каждого белка и т. п.
Различна репликация генетического материала у разных вирусов. У РНК-содержащих вирусов с непрерывным геномом происходит синтез полного генома, в то время как у вирусов с фрагментарным геномом каждый фрагмент синтезируется отдельно, причем синтез обеспечивается вирус-специфическими репликазами. У ДНК-содержащих вирусов репликация их генома частично (у крупных вирусов) или даже полностью (у мелких вирусов) обеспечивается клеточными ферментами, при этом линейные и циркулярные ДНК имеют разные механизмы синтеза.
У онковирусов репликация происходит путем обратной транскрипции генома — однонитчатой РНК — в двухнитчатую ДНК, которая интегрируется с клеточным геномом и в таком виде, служит матрицей для синтеза дочерних РНК. Интеграционные процессы также присущи некоторым ДНК-содержащим вирусам, обладающим онкогенными потенциями (паповавирусы, аденовирусы, герпесвирусы), причем интегрироваться может либо весь геном (паповавирусы), либо его часть (аденовирусы, герпесвирусы). Отметим, что при интеграции вирусный геном становится группой клеточных генов, передающихся от родительских клеток дочерним по менделеевским законам наследственности.
Из сказанного также ясно, что в ходе дисъюктивного размножения вирусы как индивидуумы исчезают, превращаясь либо в репликативный интермедиат, либо даже в группу клеточных генов и такие образования никак нельзя назвать организмом.
Еще менее применимо это понятие к дефектным вирусам и вирусоподобным структурам, которые нередко обозначают как необщепринятые (non-conventional) вирусы. Дефектные вирусы имеются в разных таксономических группах и репликация их возможна при наличии одноименного полноценного вируса-помощника. Подобные дефектные вирусы особенно распространены среди онковирусов, геном которых может содержать поврежденные гены полимеразы, внутренних или наружных структурных белков. Соответственно, вирионы такого дефектного онковируса могут содержать чужие белки — белки сердцевины или оболочки онковируса-помощника, а репликация их генома обеспечивается ферментами онковируса- помощника.
Дефектность описываемых вирусов является результатом мутационных процессов, поражающих исходный полноценный вирус. Но существуют вирусы, которые всегда дефектны и для своей репродукции нуждаются в вирусе-помощнике, относящемся к другой таксономической группе. Так, аденосателлиты, геном которых представляет однонитчатую ДНК, нуждаются для репликации в вирусе-помощнике, которым являются аденовирусы, геном которых представляет двухнитчатую ДНК. Белки аденосателлитов закодированы на их ДНК и отличаются от белков аденовирусов. Еще более парадоксален дельта-вирус, отягощающий течение гепатита В. Геном его представляет однонитчатую РНК с молекулярной массой 0,5 млн дальтон, а репликация обеспечивается вирусом гепатита В, геном которого представляет двухнитчатую ДНК с молекулярной массой более 2 млн. дальтон. Формирующиеся вирионы содержат РНК, заключенную в икосаэдрический капсид, состоящий из белков дельта-вируса, который имеет внешнюю оболочку, состоящую из липидов и наружных белков вируса гепатита В.
Исследования последних лет позволяют отнести к своеобразным дефектным вирусам также плазмиды—двухнитчатые ДНК, персистирующие в бактериальных клетках, репликация которых обеспечивается клеткой-хозяином. Разные плазмиды привносят в клетки бактерий разные функции, в том числе устойчивость к антибиотикам, которые связаны с синтезом разрушающих или модифицирующих их ферментов, закодированных на геноме плазмид. В форме плазмид, т. е. ДНК, лишенной белковых оболочек, могут существовать и типичные вирусы, например, вирус бычьей папилломы. Предполагается, что плазмиды происходят от вирусов (бактериофагов), но с развитием генной инженерии вопрос о происхождении их утратил остроту, так как плазмиды удается конструировать искусственно из генетических элементов вирусов и клеточных геномов, а недавно у хромосом мышинных клеток удалось выделить фрагменты ДНК, обладающие свойством автономной репликации, характерной для плазмид (Е. Roth et al., 1983). Естественно, понятие организма совершенно неприменимо к плазмидам.
Еще менее это понятие применимо к вироидам — РНК с молекулярной массой 120—150 тысяч дальтон, реплицирующихся в пораженных клетках и вызывающих заболевания растений.  Фенотипически эти структуры ведут себя как типичные вирусы — они вызывают заболевания с определенными синдромами, заболевания эти заразны, передаваясь от больного растения здоровым, одним словом, это — типичные инфекционные агенты.
Итак — обычные вирусы, дефектные вирусы, плазмиды, вироиды — что же объединяет эти столь разнообразные инфекционные агенты? Нам представляется, что все они являются автономными генетическими структурами, функционирующими в клетках всех существующих царств—бактерий, грибов, простейших, растений, животных. Это — неклеточные формы жизни, иногда — чрезвычайно простые (вироиды), иногда по сложности приближающиеся к бактериям (вирусы оспы), лишенные систем синтеза белка, имеющихся даже у наиболее просто организованных бактерий (микоплазмы, риккетсии, хламидии).
По вопросу об их происхождении еще недавно конкурировали три гипотезы. Согласно первой из них — вирусы—потомки доклеточных форм жизни; согласно второй, вирусы — дегенерировавшие бактерии; согласно третьей, вирусы—дериваты клеточных генетических структур.
В настоящее время первые две гипотезы имеют мало сторонников. Действительно, трудно представить существование даже самой примитивной жизни, притом сапрофитной, без программированного синтеза белков. Не вдаваясь в разбор современных взглядов на происхождение жизни, отметим лишь, что конец химической эволюции и начало биологической эволюции живой материи были ознаменованы матричным синтезом белков на основе генетического нуклеинового кода. Отсутствие у всех без исключения вирусов белок-синтезирующихся систем делает мало (если совсем не) вероятной гипотезу происхождения вирусов как потомков доклеточных форм жизни.
Столь же мало аргументированной представляется гипотеза происхождения вирусов как потомков дегенерированных бактерий, грибов или простейших. Трудно представить, как из них могли возникнуть столь разнообразные формы, как т-четные бактериофаги или вироиды. Пожалуй, только вирусы оспы могут трактоваться как дегенерировавшие потомки бактерий, утратившие белок-синтезирующие системы. В качестве предшествующего этапа дегенеративной эволюции можно назвать хламидии, сохранившие белок-синтезирующие системы, но утратившие энергорегенерирующие системы («энергетические паразиты»).
Наибольшее внимание в настоящее время привлекает гипотеза клеточного происхождения вирусов. И дело не только в том, что генетический аппарат вирусов сходен со многими генетическими структурами клетки — рибосомальными и информационными РНК, митохондриальными ДНК, транспозонами и другими мобильными генетическими элементами и т. п. Как уже упоминалось, плазмиды можно считать дериватами полноценных вирусов, но можно их производить и от автономных генетических структур клетки, что в настоящее время осуществляется при конструкции рекомбинантных плазмид генно-инженерными методами. Другим примером являются онковирусы и умеренные фаги, которые, интегрируясь с клеточным геномом, могут длительное время оставаться группой клеточных генов и лишь под влиянием разных воздействий «вырезываться» и начинать свое существование в виде вирусов.
Уместно высказать несколько соображений о времени возникновения вирусов. Нам представляется, что вирусы как клеточные или субклеточные формы жизни возникли одновременно с клеточными формами жизни, будучи неразрывно связаны с ними, и продолжали вновь и вновь возникать по мере развития органического мира на земле. Более того, как уже отмечалось (В. М. Жданов, Т. И. Тихоненко, 1974), вирусам принадлежит важная роль в эволюции жизни.
Из сказанного можно сделать вывод о полифилетическом происхождении вирусов, которые возникали из генетических структур клеточных форм жизни многократно на протяжении эволюции последней от протоклетки до бактерий, грибов, простейших, растений, животных. Будучи неклеточными формами жизни, вирусы эволюционировали не только вместе со своими первичными хозяевами, но и заселяя другие экологические ниши. Результатом подобной эволюции является образование многочисленных таксономических групп вирусов, одни из которых заселяют относительно узкий круг хозяев (парамиксовирусы, т-четные фаги, онковирусы), другие, напротив, поражают широкий круг хозяев — высших и низших животных и растений (рабдовирусы, реовирусы, пикорнавирусы).
В силу полифилетического происхождения вряд ли возможным является создание родословного древа вирусов, как это имеет место в систематике животных и растений, а источники происхождения многих групп вирусов до сих пор не выявлены, хотя имеются факты, позволяющие в той или иной мере восстановить эволюцию отдельных групп вирусов. Строго говоря, к вирусам неприменимо понятие вида и биноминальная номенклатура весьма условна, применяясь скорее для удобства, нежели на твердых таксономических основаниях.

Тем не менее, вирусы являются определенной формой жизни, обладающей основными ее атрибутами — наследственностью, изменчивостью, приспособляемостью к условиям среды обитания, занятием определенных экологических ниш и эволюцией. Это справедливо не только для общепринятых вирусов, но и для дефектных вирусов, плазмид и даже вироидов. Иногда их называют обломками жизни, и это обозначение образно выражает сущность вирусов как автономных генетических структур, функционирование которых тесно связано с клеткой-хозяином. В этом отношении к вирусам примыкают те клеточные органеллы (митохондрии, хлоропласты, центриоли и митатический аппарат), которые происходят от бактерий-симбионтов и явились результатом своеобразной сопряженной (нам не хотелось говорить — дегенеративной) эволюции симбионта и хозяина, сохранив некоторые признаки автономии (D. С. Wallace, 1982).
Заключая обзор, нам хотелось бы подчеркнуть, что на примере вирусов можно видеть, насколько противоречиво понятие жизни, не вкладывающееся в рамки формальной логики или позитивизма и иллюстрирующее единственно правильный подход к объективно существующим противоречиям— понимания их с позиций диалектического материализма.

 
« Принципы химиотерапии при раке   Причины диагностических ошибок в педиатрии »