У сучасній медицині під назвою віруси розуміються дрібні неклітинні частки, що є внутрішньоклітинними паразитами. Розмножуючись тільки в живих клітинах, вірус вбудовується в клітку, змінює її генетичний апарат і, використовуючи її ферментативний апарат, перемикає клітку на синтез своїх зрілих вірусних часток - віріонів, які в свою чергу лавиноподібно вражають все нові і нові клітини організму, що призводить до розвитку вірусного захворювання.
В даний час ліків проти вірусів, тобто речовин, ефективно вбивають або блокуючих в хворому організмі безпосередньо самі віруси, не тільки не існує, але навіть теоретично не проглядається можливість їх появи в найближчому майбутньому.
При лікуванні вірусних захворювань, основною причиною яких є ті чи інші імунодефіцитні стани хворих, використовуються різні методи, стимулюючі власні захисні механізми організму, що не в усіх випадках достатньо ефективно на тлі вже наявного иммунопатологического стану. Тому вірусні захворювання представляють істотну небезпеку для значної частини людей, які страждають імунодефіцитами. Адже тільки в ХХ-му столітті тільки від чорної віспи (поки з нею не покінчили з допомогою масових вакцинацій в 1982 р) загинуло 280 мільйонів чоловік. Але при всіх виникали епідеміях самих різних хвороб завжди було багато людей, які без усякого захисту від початку до кінця епідемії працювали безпосередньо з хворими і при цьому самі залишалися здоровими.
З вірусними захворюваннями може впоратися тільки імунний захист організму, яка пізнає з'явилися клітини зі зміненою генетикою і знищує їх, не дозволяючи продукувати віріони. Віруси поширені повсюдно і постійно атакують всі живі істоти. Тому в організмі здорової людини кожну секунду розпізнається і знищується близько 3-х тисяч уражених клітин - імунні реакції безперервно цілодобово борються за збереження життєздатності у навколишньому середовищі, забезпечуючи захист від безлічі неминуче проникають у організм різних видів патогенної мікрофлори.
Порушення функціонування імунного захисту людини, при яких організм недостатньо ефективно пізнає клітини зі зміненою (чужий по відношенню до даного організму) генетикою, призводять до безконтрольного збільшення кількості уражених клітин і розвитку вірусних та інших інфекційних захворювань, а в більш важких випадках і до розвитку онкологічних процесів , при яких також характерне безконтрольне розмноження клітин зі зміненим генетичним апаратом (ракових клітин). Тому тривало протікають або протікають у важкій формі вірусні захворювання розглядаються в сучасній медицині як передракові стани.
Про віруси
Протягом останніх 100 років вчені не раз змінювали своє уявлення про природу вірусів, мікроскопічних переносників хвороб. Проблема полягає в тому, що віруси дуже малі в порівнянні з бактеріями і, в більшості випадків, не можуть спостерігатися в оптичний мікроскоп. Тільки поява в 1950-х роках електронної мікроскопії дозволило безпосередньо вивчати будову вірусів. (Цікаво, що електронний мікроскоп винайшов той самий чоловік, який в 1930-х заклав теоретичні та технічні основи і створив всю структуру сучасного телебачення - американець російського походження Володимир Кузьмич Зворикін - 1888-1982 р.р.)
Спочатку віруси вважали отруйними речовинами, потім - однією з форм життя, потім - біохімічними сполуками. Сьогодні припускають, що вони існують між живим і неживим світами і є основними учасниками еволюції як переносники міжвидової генетичної інформації, генетично пов'язуючи все живе в єдине розвивається ціле - біосферу Землі. Переважна більшість вірусів абсолютно нешкідливо для людини.
У кінці XIX століття було встановлено, що деякі хвороби, в тому числі сказ і ящур, викликають частинки, схожі на бактерії, але набагато більш дрібні. Оскільки вони мали біологічну природу і передавалися від однієї жертви до іншої, викликаючи однакові симптоми, віруси стали розглядати як дрібні живі організми, що несуть генетичну інформацію.
Низведення вірусів до рівня безжиттєвих хімічних об'єктів відбулося після 1935 р., коли Уенделл Стенлі (Wendell Stanley) вперше отримав вірус тютюнової мозаїки в кристалічній формі. Виявилося, що кристали складаються з складних біохімічних компонентів і не володіють необхідним для біологічних систем властивістю - метаболічною активністю. У 1946 р. вчений отримав за цю роботу Нобелівську премію з хімії, а не з фізіології або медицині.
Подальші дослідження Стенлі чітко показали, що будь-який вірус складається з нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), упакованої в білкову оболонку. Крім захисних білків у деяких з них є специфічні вірусні білки, що беруть участь в інфікуванні клітини. Якщо судити про віруси тільки по цьому опису, то вони дійсно більше схожі на хімічні субстанції, ніж на живий організм. Але коли вірус проникає в клітину (після чого її називають клітиною-господарем), картина змінюється. Він скидає білкову оболонку і підпорядковує собі весь клітинний апарат, змушуючи його синтезувати вірусні ДНК або РНК і вірусні білки відповідно до інструкцій, записаними в його геномі. Далі відбувається самозбирання вірусу з цих компонентів і з'являється нова вірусна частка, готова інфікувати інші клітини.
Така схема змусила багатьох вчених по-новому поглянути на віруси. Їх стали розглядати як об'єкти, що знаходяться на межі між живим і неживим світами. За словами вірусологів Марка ван Регенмортеля (MHV van Regenmortel) з Страсбурзького університету у Франції і Брайана Махи (BW Mahy) з центрів з профілактики захворювань та контролю за їх розповсюдженням, такий спосіб існування можна назвати "життям в борг". Цікавий такий факт: при тому, що довгий час біологи розглядали вірус як "білкову коробку", наповнену хімічними деталями, вони використовували його здатність до реплікації в господарській клітці для вивчення механізму кодування білків. Сучасна молекулярна біологія багато в чому зобов'язана своїми успіхами інформації, отриманої при вивченні вірусів.
Вірус імунодефіциту людини
Вчені кристалізували більшість клітинних компонентів (рибосоми, мітохондрії, мембранні структури, ДНК, білки) і сьогодні розглядають їх або як "хімічні машини", або як матеріал, який ці машини використовують або виробляють. Подібний погляд на складні хімічні структури, що забезпечують життєдіяльність клітини, і став причиною не надто великий заклопотаності молекулярних біологів статусом вірусів. Дослідники цікавилися ними тільки як агентами, здатними використовувати клітини в своїх цілях або служити джерелом інфекції. Більш складна проблема, що стосується внеску вірусів в еволюцію, залишається для більшості вчених несуттєвою.
Живий чи неживої?
Що означає слово "живий"? Більшість вчених сходяться на думці, що крім здатності до самовідтворення живі організми повинні володіти і іншими властивостями. Наприклад, життя будь-якої істоти завжди обмежується в часі - вона народжується і вмирає. Крім того, живі організми мають певний ступінь автономії у біохімічному сенсі, тобто в якійсь мірі покладаються на власні метаболічні процеси, що забезпечують їх речовинами і енергією, які і підтримують їх існування.
Віруси - це паразити, які майже цілком залежать від клітини-хазяїна. Вони використовують його енергію, необхідну для синтезу нуклеїнових кислот і білків, для подальших видозмін цих білків та їх адресної доставки. Без цього віруси не могли б розмножуватися і поширюватися в середовищі. І тоді напрошується цілком резонне висновок: незважаючи на те, що всі процеси в клітині після інфікування регулюються вірусом, сам він - неживий об'єкт, що паразитує на живих системах з автономним метаболізмом.
Камінь, так само як і крапелька рідини, в якій протікають метаболічні процеси, але яка не містить генетичного матеріалу і не здатна до самовідтворення, безсумнівно, неживий об'єкт. Бактерія ж - живий організм, і хоча вона складається всього з однієї клітини, вона може виробляти енергію і синтезувати речовини, що забезпечують її існування і відтворення. Що в цьому контексті можна сказати про насіння? Не всяке насіння проявляє ознаки життя. Однак, перебуваючи у спокої, вона містить той потенціал, який отримало від безсумнівно живої субстанції і який за певних умов може реалізуватися. У той же час насіння можна необоротно зруйнувати, і тоді потенціал залишиться нереалізованим. У цьому плані вірус більше нагадує насіння, ніж живу клітину: у нього є якісь можливості, які можуть і не здійснитися, проте немає здатності до автономного існування.
Можна також розглядати живе і як стан, в який за певних умов переходить система, що складається з неживих компонентів, що володіють певними властивостями. Як приклад подібних складних (емерджентних) систем можна привести життя і свідомість. Щоб досягти відповідного статусу, у них має бути певний рівень складності. Так, нейрон (сам по собі або навіть у складі нейронної мережі) не володіє свідомістю, для цього необхідний мозок. Але й інтактний мозок може бути живим в біологічному сенсі і в той же час не забезпечувати свідомість. Точно так само ні клітинні, ні вірусні гени або білки самі по собі не служать живою субстанцією, а клітка, позбавлена ядра, схожа з обезголовленим людиною, оскільки не має критичного рівня складності. Вірус теж не здатний досягти подібного рівня. Так що життя можна визначити як якесь складне емерджентні стан, що включає такі ж основні "будівельні блоки", якими володіє і вірус. Якщо йти за такою логікою, то віруси, не будучи живими об'єктами в строгому сенсі цього слова, все ж не можуть бути віднесені до інертних систем: вони знаходяться на межі між живим і неживим.
Реплікація вірусу
Віруси, безперечно, мають властивість, властивим усім живим організмам, - здатністю до відтворення, хоча й за неодмінної участі клітини-господаря. На малюнку зображено реплікація вірусу, геном якого - дволанцюжкова ДНК. Процес реплікації фагів (вірусів, що інфікують бактерій, що не містять ядра), РНК-вірусів і ретровірусів відрізняється від наведеного тут лише в деталях.
У жовтні 2004 р. французькі вчені зробили відкриття, що показує, як близько до цієї межі підходять деякі віруси. Дідьє Раул (Didier Raoult) з Середземноморського університету в Марселі повідомив про те, що він секвенували геном найбільшого вірусу - мімівіруса. Вірус розміром з невелику бактерію інфікує амеб. Виявилося, що у нього є безліч генів, про які раніше думали, що вони присутні тільки у клітинних організмів. Деякі з них беруть участь у синтезі білків, що кодуються вірусної ДНК, і, можливо, сприяють кооперації віруса з клітинною системою реплікації. За словами автора, що опублікував свою роботу в журналі Science, неймовірна складність цієї додаткової частини геному мімівіруса наводить на думку про можливе відсутність межі між вірусами і клітинними організмами-паразитами.
Віруси і еволюція
У вірусів є своя, дуже довга еволюційна історія, висхідна до витоків виникнення одноклітинних організмів. Так, деякі вірусні системи репарації, які забезпечують вирізання неправильних підстав з ДНК і ліквідацію пошкоджень, що виникли під дією радикалів кисню, і т.д., є тільки у окремих вірусів і існують у незмінному вигляді мільярди років.
Проте більшість фахівців в області еволюційної біології вважають віруси неживими об'єктами і не приймають їх до уваги при дослідженні еволюційних процесів. Вони вважають також, що вірусні гени раніше належали хазяйським клітинам і як-то "вислизнула" від них, а потім набули білкову оболонку. Таким чином, вірус - це "втекли" хазяйські гени, що перетворилися в паразитів. При такому погляді на проблему не дивно, що можливий внесок вірусів в походження видів і підтримання їх різноманітності залишився поза полем зору вчених. (І справді, з 1205 сторінок "Енциклопедії еволюції", черговий том якої вийшов у 2002 р., вірусам присвячені всього чотири сторінки.)
Дослідники не заперечують, що віруси грали якусь роль в еволюції. Але, вважаючи їх неживою матерією, вони ставлять їх в один ряд з такими факторами, як кліматичні умови. Такий фактор впливав на організми, які володіли змінюються, генетично детермінується ознаками, ззовні. Організми, більш стійкі до цього впливу, успішно виживали, розмножувалися і передавали свої гени наступним поколінням.
Однак у дійсності віруси впливали на генетичний матеріал живих організмів не опосередковано, а самим що ні на є прямим чином - вони обмінювалися з ним своїми ДНК і РНК, тобто були гравцями на біологічному полі. Великим сюрпризом для лікарів і біологів-еволюціоністів стало те, що велика частина вірусів виявилася цілком нешкідливими створіннями, не зв'язаними ні з якими хворобами. Вони спокійно дрімають усередині клітин-господарів або використовують їх апарат для свого неспішного відтворення без жодного збитку для клітини. У таких вірусів є маса хитрощів, що дозволяють їм уникнути недремного ока імунної системи клітини - для кожного етапу імунної відповіді у них заготовлено ген, який цей етап контролює або видозмінює на свою користь.
Більш того, в процесі спільного проживання клітини і вірусу вірусний геном (ДНК або РНК) "колонізує" геном хазяйської клітини, забезпечуючи її все новими і новими генами, які в підсумку стають невід'ємною частиною геному даного виду організмів. Віруси роблять більш швидке і пряму дію на живі організми, ніж зовнішні фактори, які здійснюють відбір генетичних варіантів. Численність популяцій вірусів укупі з їхньою високою швидкістю реплікації і високою частотою мутацій перетворює їх на основне джерело генетичних інновацій, постійно створює нові гени. Який-небудь унікальний ген вірусного походження, подорожуючи, переходить від одного організму до іншого і вносить вклад в еволюційний процес.
Вічно живі
Віруси, що займають проміжне положення між живим і неживим, виявляють несподівані властивості. Ось одне з них. Звичайно віруси реплицируются тільки в живих клітинах, але здатні рости і в загиблих клітинах, а іноді навіть повертають останніх до життя. Як не дивно, але деякі віруси, будучи зруйнованими, можуть відродитися до "життя в борг".
Клітка, у якої знищена ядерна ДНК, - справжній "покійник": вона позбавлена генетичного матеріалу з інструкціями про діяльність. Але вірус може використовувати для своєї реплікації залишилися цілими компоненти клітини і цитоплазму. Він підпорядковує собі клітинний апарат і змушує його використовувати вірусні гени як джерело інструкцій для синтезу вірусних білків і реплікації вірусного генома. Унікальна здатність вірусів розвиватися в загиблих клітинах найбільш яскраво проявляється, коли господарями служать одноклітинні організми, перш за все населяють океани. (Переважна кількість вірусів мешкає на суші. За оцінками фахівців, у Світовому океані нараховується не більше 1030 видів вірусних частинок.)
Бактерії, фотосинтезуючі ціанобактерії і водорості, потенційні господарі морських вірусів, нерідко гинуть під дією ультрафіолетового випромінювання, яке руйнує їх ДНК. При цьому деякі віруси ("постояльці" організмів) включають механізм синтезу ферментів, які відновлюють пошкоджені молекули хазяйської клітини і повертають її до життя. Наприклад, ціанобактерії містять фермент, який бере участь у фотосинтезі, і під дією надлишкової кількості світла іноді руйнується, що призводить до загибелі клітини. І тоді віруси під назвою ціанофагі "включають" синтез аналога бактеріального фотосинтезуюча ферменту, більш стійкого до УФ-випромінювання. Якщо такий вірус інфікує тільки що загиблу клітину, фотосинтезуючих фермент може повернути останню до життя. Таким чином, вірус відіграє роль "генного реаніматора".
Надлишкові дози УФ-випромінювання можуть призвести до загибелі і ціанофагов, проте іноді їм вдається повернутися до життя за допомогою множинної репарації. Зазвичай в кожній хазяйської клітині є кілька вірусів, і в разі їх пошкодження вони можуть зібрати вірусний геном по частинах. Різні частини геному здатні служити постачальниками окремих генів, які спільно з іншими генами відновлять функції геному в повному обсязі без створення цілого вірусу. Віруси - єдині з усіх живих організмів, здатні, як птах Фенікс, відроджуватися з попелу.
За даними Міжнародного консорціуму з секвенування генома людини, від 113 до 223 генів, наявних у бактерій і людини, відсутні у таких добре вивчених організмів, як дріжджі Sacharomyces cerevisiae, плодова мушка Drosophila melanogaster та круглий хробак Caenorhabditis elegans, які знаходяться між двома крайніми лініями живих організмів. Одні вчені вважають, що дріжджі, плодова мушка і круглий хробак, що з'явилися після бактерій, але до хребетних, просто втратили відповідні гени в якийсь момент свого еволюційного розвитку. Інші ж вважають, що гени були передані людині проникли в його організм бактеріями.
Разом з колегами з Інституту вакцин та генної терапії при Орегонському університеті охорони здоров'я ми припускаємо, що існував третій шлях: початково гени мали вірусне походження, але потім колонізували представників двох різних ліній організмів, наприклад бактерій і хребетних. Ген, яким обдарувала людство бактерія, міг бути переданий двом згаданим лініях вірусом.
Більше того, ми впевнені, що саме клітинне ядро має вірусне походження. Поява ядра (структури, наявної тільки у еукаріотів, в тому числі у людини, і відсутньою у прокаріотів, наприклад у бактерій) не можна пояснити поступовою адаптацією прокаріотичних організмів до умов, що змінюються. Воно могло сформуватися на основі предсуществующей високомолекулярної вірусної ДНК, що побудувала собі постійне "житло" усередині клітини прокаріотів. Підтвердженням цьому служить той факт, що ген ДНК-полімерази (ферменту, який бере участь у реплікації ДНК) фага Т4 (фагами називають віруси, які інфікують бактерії) за своєю нуклеотидної послідовності близький до генів ДНК-полімераз як еукаріот, так і інфікують їх вірусів. Крім того, Патрік Фортере (Patrick Forterre) з Південного паризького університету, який досліджував ферменти, які беруть участь у реплікації ДНК, прийшов до висновку, що гени, що детермінують їх синтез у еукаріотів, мають вірусне походження.
Віруси впливають на абсолютно всі форми життя на Землі, а часто і визначають їхню долю. При цьому вони теж еволюціонують. Прямим доказом служить поява нових вірусів, таких як вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), що викликає СНІД.
Віруси постійно видозмінюють кордон між біологічним та біохімічним світами. Чим далі ми будемо просуватися у дослідженні геномів різних організмів, тим більше будемо виявляти свідоцтв присутності в них генів з динамічного, дуже стародавнього пулу. Лауреат Нобелівської премії Сальвадор Лурія (Salvador Luria) в 1969 р. так говорив про вплив вірусів на еволюцію: "Можливо, віруси з їх здатністю включатися в клітинний геном і залишати його були активними учасниками процесу оптимізації генетичного матеріалу всіх живих істот у ході еволюції. Просто ми цього не помітили ". Незалежно від того, до якого світу - живій або неживому - ми будемо відносити віруси, прийшов час розглядати їх не ізольовано, а з урахуванням постійного зв'язку з живими організмами.