Если мы говорим о том, что живой организм должен содержать генетический материал, то вирус — живой организм. Если мы говорим, что живой организм это то, что способно к размножению, то возникают споры, к чему относить вирусы: сам по себе вирус размножаться не может, всегда нужен носитель.
Впервые вирусы были обнаружены русским физиологом растений и микробиологом Дмитрием Ивановским в конце XIX века. Он исследовал табачную мозаику, болезнь листьев табака, и пытался классифицировать все организмы, которые способны вызывать заболевания растений и в частности заболевания табака. Среди тех организмов, которые он обнаружил, были и грибковой природы и бактериальной, а также некая субстанция, которая проходит через бактериальный фильтр: она меньше бактерии, она фильтруется. Субстанция не может сама расти в культуре, но при этом она действительно инфицирует листья, вызывает заболевания, другие известные на тот момент организмы подобных заболеваний не вызывают. Эти образования были названы фильтрующимися бактериями, позже появилось понятие вирус, от латинского яд — яд неизвестной природы, но который достаточно патогенен.
Размышления о том, что же такое вирусы идут до сих пор, потому что есть несколько гипотез, откуда взялись хитрые паразиты, которые не могут сами размножаться, им всегда нужен носитель. Они производят себе подобных, но цель непонятна: это не живая система, которая потребляет питательные вещества, пытается встроиться в среду обитания. У вируса ничего нет: это очень редуцированная, очень простая система. Разберем несколько гипотез о том, откуда вирусы появились, и что это такое.
Первая — редукционная гипотеза. Вирусы — это либо древние бактерии, либо доклеточные протоорганизмы, которые такие образом существовали, жили в древние времена. Вторая — это какой-то элемент эволюции, либо протоклетки, либо бактерии, которые очень упростили свой арсенал органелл, оставив минимально необходимое количество. Третья гипотеза — это некий, очень хитрый механизм общения между древними организмами, который сохранился до сих пор.
Сейчас известно, что у бактерий есть способность передавать молекулы РНК и ДНК с помощью экзосом — это частицы из мембраны, оболочки этой клетки, которые содержат только молекулы генетического материала. Они передаются от одной бактерии к другой, для того чтобы они могли сказать: «здесь условия среды агрессивные, есть вещества, которые нас могут убить, а вот таким способом можно с ними бороться». Бактерии выжили в условиях, поняли какую нужно сделать мутацию и передают это другим. Это одна из очень интересных гипотез: вирусы — это «слова» самого древнего и понятного всем языка, потому что он существует на генетическом уровне.
Это объяснение на генетическом уровне, что надо делать, чтобы выжить. Но организмы менялись, эволюционировали, а эти «слова» остались, и сейчас то, что они пытаются передать клеткам зачастую непонятно, а если организм сложный, то это приводит к заболеваниям. Это достаточно интересная идея, потому что вирусы позволяют очень быстро производить замены компонентов: эволюционные мутации и изменения в вирусах проходят очень хорошо.
Существует гипотеза, что переход от изначальной РНКовой жизни к ДНКовой произошел благодаря вирусам, потому что в них были захвачены первые молекулы ДНК, а ДНК более стабильно, чем РНК, стабильно к температурам и к разным агрессивным воздействиям, и поэтому лучше генетическую информацию кодировать именно в ДНК чем в РНК. Возможно, именно вирусы первыми начали переносить появившиеся молекулы ДНК, за счет чего распространили их среди тех организмов, которые в то время существовали.
Ещё одна гипотеза заключается в том, что есть вирусы, которые инфицируют клетку, достраивают свой генетический материал к ДНК этой клетки, фактически, они меняют организм. Это очень смелая идея предполагают, что вирусы — двигатели эволюции, они не просто сообщали, что условия плохие, они позволяли изменять следующие организмы, для того чтобы они могли выжить в этих условиях.
Если говорить на языке структурной биологии, вирусы можно разделить на оболочечные и безоболочечные. Безоболочечные вирусы — это те, у которых вокруг их генома есть только белковый каркас, который защищает, как скорлупа. Оболочечные вирусы вокруг белкового каркаса имеют липидную мембрану, которую они взяли у инфицированной клетки, когда из нее выходили, забрали кусок ее плазматической мембраны — внешней оболочки.
В клетке процессы слияния сферических частиц с мембранами и процессы выброса подобных частиц достаточно сложные и требуют очень много белковых молекул, которые должны в определенном порядке собраться, активироваться, потребить энергию для этого, но вирус не может затрачивать энергию: у него нет АТФ, нет комплекса для синтеза энергетических молекул. Соответственно все должно быть очень просто и эффективно: вирусы, в отличие от клетки, имеют один, два, три белка, которые ответственны за их проникновение внутрь клетки.
Механизмы проникновения могут быть разные. Вирусы могут связываться с наружной мембраной клетки и сразу запускать процесс слияния: поверхностные белки атакуют клеточную мембрану, впиваются в нее и сводят клеточную и вирусную мембрану, для того чтобы образовать некое отверстие, куда может выйти генетический материал. Генетический материал тоже имеет минимальный набор белков, который отвечает за то, чтобы транспортировать материал к ядру, а дальше запускаются процессы либо достройки ДНК, либо, если это РНКовые вирусы, обратная транскрипция. Сначала строится молекула ДНК, потом она достраивается, и клетка начинает нарабатывать новые вирусы. Делает она это эффективно: если вирус заразил клетку, клетка практически полностью переключается только на производство вирусов, в этом заключается эволюционный плюс всех вирусов.
Второй механизм проникновения — вирусы используют систему питания клетки. Существует процесс эндоцитоза, когда на клетку что-то попало, и она пытается условно это съесть: ее наружная мембрана начинает изгибаться, захватывает некие крупные частицы, которые на нее сели. После этого часть мембраны с неким содержимым идет в клеточные эндосомы, аналоги человеческого желудка. В них содержатся ферменты, которые должны все разделить, переварить и использовать для дальнейшей успешной жизни клетки. Вирус на этом механизме отчасти и паразитирует.
Чтобы ферменты не портили жизнь клетки, когда все хорошо и ничего постороннего клетка не скушала, они должны быть неактивны, поэтому их надо запускать в нужный момент. Это происходит за счет понижения PH среды: внутри эндосомы PH падает, а вирусы подстраиваются под этот механизм и атакуют мембрану при понижении PH, то есть при повышении кислотности. Вирусы атаковали мембрану, произошел процесс слияния, и вышел генетический материал. Для этого вирусные белки должны сделать некий конформационный переход: впиваться в мембрану-мишень после того, как изменилась кислотность среды.
Разберем этот процесс на примере хорошо изученного вируса гриппа. Он представляет собой «морского ежика», состоит из оболочки и шипов, которые являются белками гемагглютинина, нейраминидаза. Если мы слышим, что распространяется штамм птичьего гриппа H5N1, это значит, что у него пятый тип гемагглютинина и первый тип нейраминидазы — это два поверхностных белка, и больше ничего. «Ежик» с этими белками попадает в эндосому, снижается PH, и белки выстреливают «якорь» в мембрану эндосомы, а дальше, как пружины, начинают стягиваться, при этом они не потребляют энергии. В их структуре заложено, что, когда у нас произошло закисление среды, они выбросили «якорь» и потянули обратно: сводят вирусную эндосомальную мембрану, взаимодействуют, раскрываются, выходит генетический материал.
Белки, которые формируют каркас вируса, очень интересны, потому что они многофункциональны, их обычно называют матриксными. Они должны сохранять структуру вируса: когда грипп путешествует из Гонконга в Москву, он не должен разрушиться. После того как он попал в клетку, чтобы генетический материал вышел, этот каркас должен разрушиться, чтобы геном мог свободно выйти — при взаимодействии либо с компонентами клеточной цитоплазмы, либо за счет понижения PH среды. Еще одна их функция заключается в том, что, когда мы хотим продуцировать новые вирусы внутри клетки, эти белки опять должны собраться, причем в строго определенном месте, провзаимодействовать со всеми остальными компонентами и запустить производство дочернего вируса. На мой взгляд, это одна из самых интересных сторон жизни вируса, самоорганизация его каркаса.
Главное, матриксные белки не взаимодействуют с антителами иммунной системы: они всегда внутри вируса или клетки, на них нет антител. Если мы делаем вакцины, они действуют на поверхностные белки, а эти — внутри, и они практически не мутируют. Поиск препаратов, которые воздействовали бы на этот каркас, — интересная и перспективная задача, потому что существуют быстро мутирующие вирусы, например вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Поверхностные белки быстро мутируют, а матриксные — нет, им это и не нужно, потому что их никто не атакует. С точки зрения структуры вирусов процесс самоорганизации — один из ключевых моментов в понимании того, как вирусы функционируют и как с ними бороться. Мы знаем, что эволюционно вирусы, может, были нужны, полезны и хороши. Но сейчас, к сожалению, мы с ними должны бороться.
