Знаете ли вы, что число инфекционных болезней достигает громадной цифры, приближающейся к 1500?
Особенно распространены вирусные инфекции. Они были известны задолго до открытия вирусов. Еще Демокрит (V век до н. э.) и Аристотель (IV век до н. э.) описали клиническую картину бешенства. В самых первых летописях найдено упоминание о трахоме. С древних времен известны оспа, полиомиелит, грипп. Однако, постоянно сталкиваясь с инфекционными болезнями, люди не имели ни малейшего представления об их возбудителях. А ведь вирусы существуют на Земле миллионы лет и, по мнению некоторых ученых, являются одними из самых первых форм жизни!
Честь открытия вирусов принадлежит замечательному русскому ботанику Д. И. Ивановскому, 100-летие со дня рождения которого отмечалось в 1964 году. Исследования Д. И. Ивановского заложили основы одной из самых молодых биологических наук — вирусологии.
Действующие лица
В предыдущих статьях этой книги вы уже познакомились с двумя основными «героями» нашего рассказа — вирусами и клетками. Вы узнали, что вирусы представляют собой наиболее мелкие и сравнительно просто устроенные существа, которые е системе природы находятся на границе живой и неживой материи. Как уже говорилось, вне чувствительных клеток вирусы не проявляют никаких признаков жизни.
Вместе с тем эти своеобразные частицы обладают важнейшими чертами всего живого: они имеют характерное строение, подвержены действию различных химических и физических факторов, и, что самое главное, проникнув в живую клетку, начинают размножаться, воспроизводя себе подобных и проявляя при этом потребность во внешних источниках азота, углерода и фосфора. Вирусы обладают наследственными свойствами, которые могут изменяться в определенных условиях. Иными словами, вирусам, как и всем живым существам, присущи наследственность и изменчивость.
Для нашего рассказа необходимо, хотя бы кратко, разобрать строение вирусов. После изобретения электронного микроскопа сложная задача изучения анатомии вирусов стала успешно решаться. Было обнаружено, что они отличаются друг от друга по размерам и форме. Они могут иметь вид шариков, палочек или напоминают головастиков. На рис. 1 показана форма вирусов, вызывающих оспу, грипп, мозаичную болезнь табака и разрушение бактерий. Так выглядят вирусы при увеличении примерно в 30 тысяч раз. Для электронного микроскопа это сравнительно небольшие увеличения.
А если увеличить вирусы еще больше? Тогда обнаруживаются новые интересные детали их строения. Наиболее просто устроенные вирусы состоят из двух компонентов: нуклеиновой кислоты (РНК и ДНК) и белка (подробно об этом см. в статье «На грани живого и неживого»). Нуклеиновая кислота находится в центре вирусной частицы и со всех сторон защищена белковой оболочкой, как бы одета в нее. Оболочка вирусов состоит из определенным образом уложенных однотипных белковых молекул — капсомеров, которые образуют правильные геометрические формы. Пространственные отношения между капсомерами и нуклеиновыми кислотами у разных вирусов различны.
Более сложные вирусы содержат в своем составе и другие вещества. Например, вирусы, вызывающие гриппоподобные заболевания человека, имеют некоторые ферменты в поверхностном слое и вещества, присущие клеткам, в которых размножается вирус.
Очень любопытно устроены вирусы бактерий. По форме они напоминают ампулу, внутреннее содержание которой составляет нуклеиновая кислота — ДНК.
Мы не будем подробно разбирать структуру другого участника рассказа — клетки, так как об этом можно прочесть в статье «Клетка и ее строение». Но чтобы дальнейший ход нашего рассказа был ясен, кратко остановимся на роли отдельных компонентов клетки.
Оболочка придает клетке определенную форму, защищает ее от неблагоприятных воздействий и может активно захватывать из окружающей среды инородные частицы (фагоцитоз) и капельки воды (пиноцитоз).
Цитоплазма клетки содержит митохондрии — своеобразные «электростанции», производящие энергию, необходимую для протекающих внутри клетки процессов. В цитоплазме располагаются также микросомы, которые несут функцию строительных комбинатов, осуществляющих синтез различных соединений клетки, главным образом белков.
Ядро отделяется от цитоплазмы специальной полупроницаемой оболочкой. Оно отвечает за рост и размножение клетки. Основной элемент ядра — нити хроматина, которые определяют все наследственные свойства организма и содержат так называемый генетический код. В ядре содержится также несколько ядрышек, принимающих активное участие в синтезе белка.
Теперь перейдем к основной части нашего рассказа. Что же происходит при встрече вируса с чувствительной к нему клеткой? Так как при этом вирус заражает клетку и она как бы заболевает, то, по аналогии с заразными заболеваниями, этот процесс получил название инфекционного.
В своем рассказе мы будем прибегать к некоторым упрощениям. Мы будем говорить о системе вирус — клетка в целом, не называя отдельных представителей многообразного царства вирусов и еще более многообразного мира растительных, животных и бактериальных клеток. В связи с этим нам хотелось бы сразу же подчеркнуть следующее. Изучение изменений, происходящих в клетках после заражения их различными вирусами, показало, что каждый вид вируса способен вызвать своеобразную болезнь клеток, отличающуюся по своим признакам. Может быть, в дальнейшем, когда отдельные этапы поражения клеток вирусами будут детально изучены, исследователям удастся лишь по отдельным «симптомам» болезни клеток узнавать, каким вирусом они заражены, как врачам удается диагносцировать болезнь человека.
Существуют два основных типа взаимодействия вируса с клеткой. Первый из них называется вирулентной, или явной, инфекцией, второй — латентной, или маскированной, инфекцией. Названия эти означают, что в первом случае заболевание клеток острое, протекает быстро и приводит к их гибели и разрушению; во втором — что течение инфекции длительное, клетки сохраняют внешне здоровый вид, и поэтому такое заболевание трудно распознать. Между этими двумя крайними видами вирусных заболеваний существует множество переходных форм.
Для изучения пораженных клеток применяются разные методы, однако прежде всего следует остановиться на так называемом методе культуры ткани.
Культура ткани — не правда ли, не очень понятное сочетание слов? А вирусологу, поставившему перед собой цель выяснить, что происходит с клеткой, на которую напал вирус, эти два слова скажут многое. Этот метод сделал доступным изучение инфекционного процесса на клеточном уровне. Вы помните, что клетки — единственная среда, попав в которую, вирус как бы «оживает» и начинает воспроизводить себе подобных.
Оказалось, если вырезать кусочек органа животного, например печени или почки, и перенести его в пробирку, добавив питательную среду, содержащую солевой раствор, сыворотку и эмбриональный экстракт, то клетки будут не только жить в этих условиях, но и активно размножаться. Меняя периодически питательную среду и пересаживая вновь выросшие клетки в другие пробирки, можно добиться, что они будут существовать очень долго.
Посмотрите, как выглядят клетки культуры ткани под обычным микроскопом. Вы можете легко определить в них все основные компоненты — ядро, ядрышки, цитоплазму и оболочку.
А при большем увеличении, которое можно получить с помощью электронного микроскопа, легко определяются митохондрии и рибосомы — в цитоплазме клетки и хроматин — в ядре.
Известны клетки, которые культивируются уже много лет во всех вирусологических лабораториях. Например, культура HeLa, полученная в 1952 году из клеток раковой опухоли и названная так по инициалам больной, умершей через два года после операции; культура клеток НЕР-2, выделенная из рака гортани человека в 1955 году; культура АС, полученная из ангиосаркомы человека; культура СОЦ — из клеток сердца обезьяны и многие другие.
В вирусологии используется несколько разных способов культивирования тканей. Клетки могут выращиваться в жидкой среде во взвешенном состоянии. Иногда кусочки ткани прикрепляются к стенкам стекла сгустком плазмы, а сверху омываются питательной средой. Но основной метод — получение однослойной культуры из клеток, которые предварительно изолируются друг от друга ферментами, разрушающими межклеточные связи.
Следует отметить, что существует известная избирательность вирусов в отношении разных тканей. Таи, вирус ящура хорошо размножается на культурах тканей морской свинки, но не растет на тканях кур, а вирус чумы птиц размножается на эмбриональных тканях птиц, но не растет на культурах, полученных из мышей.
Понятно, что, имея в руках различные культуры ткани, исследователи могли приступить к разрешению проблемы размножения вирусов.
Незваные гости
Теперь, зная, как выглядят вирусы и клетки, из каких основных частей они состоят, и познакомившись е методом тканевых культур, мы можем проследить по этапам, как происходит война между этими вечными врагами.
Не удивляйтесь, что наш рассказ мы каждый раз будем начинать с вирусов, поражающих бактерии. Дело в том, что эти вирусы относятся к числу наиболее изученных и являются очень удобной моделью для исследований подобного рода. Система вирус — клетка отличается от системы фаг — бактерия. В связи с этим можно было ожидать, что размножение вирусов, поражающих человека и животных, будет отличаться от размножения фата. Действительно, «nipи изучении взаимоотношений разных вирусов и клеток было обнаружено много своеобразных особенностей, которые мы рассмотрим ниже.
Тем не менее, однако, несмотря на различия в отдельных деталях, основные закономерности инфекционного процесса имеют общий характер для всех вирусов. Он может быть разделен на несколько последовательных стадий.
Атака на клетку начинается с прикрепления вирусов к клеточной стенке или с так называемой адсорбции вируса. Адсорбция наблюдается фазу же после внесения вирусов в среду, где имеются клетки. Нужно сказать, что адсорбция вируса отличается большой специфичностью; каждый вирус способен адсорбироваться лишь на определенных клетках. Считается, что клеточная стенка имеет определенные участки, которые называются рецепторными полями и способны специфически адсорбировать вирусы. Адсорбции не происходит, если предварительно разрушить эти рецепторы.
Обычно адсорбцию вируса подразделяют на два последовательных этапа. Вначале между вирусом и клеточной оболочкой образуются электростатические связи. При этом положительно заряженные аминогруппы вируса соединяются с отрицательно заряженными карбоксильными группами клеточной стенки. В дальнейшем эта связь приобретает ферментативный характер.
На одной клетке могут адсорбироваться десятки и далее сотни вирусных частиц. Посмотрите, как выглядит адсорбция бактериофага под электронным микроскопом. Видите, как на один из концов бактерии прикрепилось около 50 частиц фага. Обратите внимание, что все они прикрепились своими «хвостами». Как мы увидим в дальнейшем, это не случайность, а закономерность. Другие вирусы адсорбируются в любом положении.
После прикрепления к клеточной стенке начинается внедрение вирусов внутрь клетки.
Вновь обратимся к бактериофагам. У них имеются специальные приспособления для преодоления плотной бактериальной стенки. В концевой части хвоста содержится литический фермент, который растворяет, как вода — сахар, бактериальную оболочку. Затем происходит сокращение микроскопических «мышц», заключенных в хвостовидном придатке вирусной частицы, и нуклеиновая кислота фага «впрыскивается» внутрь клетки. Этот процесс очень напоминает инъекцию с помощью шприца. В результате белковый чехол фаговой частицы остается на поверхности клетки, причем в течение дальнейшей инфекции эта часть белка, составляющая примерно 80% всего фагового белка, роли не играет. Таким образом, внутрь клетки попадает лишь часть фаговой частицы, а именно ее нуклеиновая кислота. Она-то и имеет ведущее значение в воспроизведении бактериофагов.
Так происходит внедрение в клетку бактериофагов. Другие вирусы, устроенные более просто, не столь агрессивны. Их внедрение, как это ни странно, осуществляет сами клетка. Она как бы «заглатывает» прикрепленные вирусы. Здесь мы встречаемся с тем случаем, когда созданное многовековой эволюцией целесообразное приспособление приводит к совершенно нежелательным результатам.
Посудите сами, активный захват клетками из окружающей среды различных частиц (фагоцитоз) и капелек воды (пиноцитоз) имеет большое значение для ее нормальной жизнедеятельности, а использование этих же механизмов для захвата вирусов (виронексис) скорее напоминает самоубийство. Более примитивно построенные бактерии неспособны сами захватывать частицы из окружающей среды. Этим, по-видимому, и можно объяснить наличие у поражающих их вирусов (бактериофагов) столь сложного и совершенного аппарата, осуществляющего проникновение внутрь бактерии. А вирусы животных либо втягиваются внутрь клетки при помощи вакуоль, либо проникают непосредственно через клеточную мембрану. Некоторые сложные вирусы проникают в клетку благодаря деятельности своих ферментов.
Как это происходит? Клетки живого организма покрыты оболочкой, которая состоит из слоя слизистоподобных мукополисахаридов и липопротеинов. Чтобы попасть внутрь клетки, вирус должен преодолеть оба этих барьера. Предполагается, что для этого у некоторых вирусов имеются специальные ферменты, которые образно называют входными. Одни из них способны разрушать рецепторы клеточной стенки (мукополисахариды), другие разрушают собственно клеточную стенку (липопротеины). Если заразить клетки культуры ткани большими количествами вируса, то в результате действия ферментов вируса будет происходить разрушение клеточных стенок, слияние цитоплазмы близлежащих клеток и появление многоядерных образований, которые называются симпластами. Ниже мы подробнее остановимся на этом процессе.
Существование входных ферментов доказывается и в опытах с эритроцитами, оболочки которых также содержат два слоя. После обработки эритроцитов вирусами оболочки красных кровяных телец разрушаются, и содержимое выходит наружу (это явление называется гемолизом). Следовательно, ферменты вирусов животных, как и в случае с вирусами бактерий, помогают им преодолеть заслон, состоящий из клеточной оболочки, и достигнуть наружного слоя цитоплазмы.
Но если бы дело ограничивалось только простым «проглатыванием» вирусной частицы, это не приводило бы к трагическому для клетки финалу. Однако механизм фагоцитоза предусматривает также последующее растворение фагоцитированной частицы (в нашем случае вируса). Для этой цели клетка использует имеющиеся у нее ферменты — протеазы. Хорошо, если клетка не подберет соответствующего фермента для растворения белковой вирусной оболочки. В этом случае вирус останется покоиться в клетке «до лучших дней». Война закончилась миром или, как говорят шахматисты, «противники согласились на ничью». А если в арсенале у клетки окажется подходящий фермент? Вы уже догадываетесь, что произойдет. Фермент разрушит вирусный чехол и освободит замурованную нуклеиновую кислоту. Ничего хорошего клетке это не сулит.
Вирусная нуклеиновая кислота по клеточным каналам очень быстро проникает в ядро и ядрышки клетки. С этого момента оканчивается проникновение вируса в клетку и начинается размножение вируса. Прежде чем окончить рассказ о первых стадиях взаимодействия вируса с клеткой, попробуем изобразить эти стадии схематически, а в качестве примера возьмем уже знакомый нам вирус гриппа.
О самом сложном этапе — собственно размножении вируса — вы читали в статье «На грани живого и неживого». По этому поводу существует много предположений и гипотез, но нет еще стройной теории. Это связано и с трудностью изучения такого неуловимого объекта, как вирусы, и с различным характером размножения различных вирусов, а иногда и с несовершенством существующих методов.
Последний этап размножения вируса — «сборка деталей», или, иными словами, постройка вируса. Этот процесс происходит, как правило, вблизи клеточной стенки. Новые частицы вируса (вирусное потомство) быстро выходят в окружающую среду, иногда захватывая при этом часть клеточной стенки.
Выход вновь сформировавшегося потомства вирусов — финальный этап его размножения. У бактериофагов выход сопровождается разрывом бактериальной стенки и вытеканием содержимого клетки в окружающую среду (лизис). Для вирусов полиомиелита, энцефалитов, оспы характерна взрывоподобная гибель клеток с одномоментным выходом больших количеств вируса. Большинство же других вирусов (грипп, паротит и т. д.) успевают до момента гибели клетки проделать несколько циклов размножения, постепенно истощая ресурсы клетки и вызывая ее разрушение.
Сейчас никто не сомневается в ведущей роли нуклеиновой кислоты в размножении вирусов. А играет ли какую-либо роль в этом процессе белок? Этот вопрос исследователи пытались выяснить, используя в качестве модели бактериофаги. Тщательные исследования позволили обнаружить, что незначительное количество (около 2%) белка локализовано внутри вируса и, по-видимому, связано с ДНК.
Этот белок проникает вместе с ДНК в клетку. Однако его роль в размножении до сих пор остается необъясненной. Предполагают, что этот белок может обладать ферментативной или генетической функцией, являясь как бы посредником между ДНК родительского фага и его потомками.