Доктор биологических наук: «Мы своими руками создали условия для вирусов»
В 2020 году мы многое узнали о вирусных заболеваниях. Может показаться, что пандемия коронавируса превратила нас всех в экспертов в теме вирусов. В действительности — нет: информации много, и часто она противоречива. Давайте разберемся со специалистом, как все устроено на самом деле. Откуда появились вирусы, почему они бывают неизлечимыми, как возникают новые, чем опасны их мутации?
На наши вопросы ответил член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией молекулярной биотехнологии Института микробиологии НАН Беларуси Анатолий Зинченко.
«Проникая в клетку, вирус на какое-то время словно исчезает»
— Как и откуда появились вирусы? И что они собой представляют?
— Есть три основные гипотезы о происхождении вирусов. Согласно первой, вирусы — это потомки неких доклеточных форм жизни, ставшие в результате эволюции паразитами. Согласно второй, они — результат дегенеративной эволюции древних бактерий. Однако наиболее популярна третья гипотеза: вирусы произошли от клеточных компонентов, точнее, от мобильных генетических элементов — транспозонов (они же — «прыгающие гены»). Гипотеза, как вы знаете, — это недоказанная теория. И пока что на роль теории не может претендовать ни одна из перечисленных. Хотя предпочтение отдается двум последним предположениям.
Вирусы — это субмикроскопические, 20−300 нанометров (1 нанометр = 10−9 м) ДНК- или РНК-содержащие объекты, размножающиеся только в живых клетках. Попадая в клетки, вирус заставляет их синтезировать так называемые вирионы — частицы, которые содержат геном вируса и способны перемещать его в другие клетки.
Подчеркну момент, который, может быть, кажется неважным людям, далеким от науки: вирусы содержат только ДНК или только РНК. В этом их отличие от всех других живых существ на Земле, которые обязательно содержат обе этих нуклеиновые кислоты.
— И все же, вирус живой или нет?
— Вирус имеет две формы существования:
внеклеточную (покоящуюся), представленную вирионом, или вирусной частицей, и внутриклеточную — вегетативную. Внутри клетки-хозяина вирус живой.
Вне её он представляет собой просто ансамбль из метаболически инертных химических соединений. Можно утверждать, что он неживой: не растет, не размножается, не реагирует на раздражители. Самые простые из вирусов, например, вирус табачной мозаики, могут даже кристаллизоваться, как обычная поваренная соль.
— Как вирус влияет на организм и заражает его?
— Попадая внутрь клетки, вирионы не растут и не делятся. Они разбираются на комплектующие, а затем собираются из «запчастей», как автомобили на конвейере. Это так называемый дизъюнктивный способ размножения, он присущ только вирусам. В цикле размножения всех вирусов есть так называемая фаза затмения: проникая в клетку, вирус на какое-то время словно исчезает. В этот момент его невозможно увидеть ни в какой электронный микроскоп. В остальное время именно такие микроскопы позволяют рассмотреть вирусы во всех деталях.
За фазой затмения, которая есть у всех без исключения вирусов, следует период созревания. Он завершается выходом «потомства» (тех самых вирионов) из клетки.
Цикл репродукции вирусов может проходить за 30−40 минут (например, у многих вирусов, поражающих бактерии), а может составлять более 40 часов (герпесвирусы).
Чтобы заразить клетку, вирион должен связаться с ней, затем проникнуть сквозь клеточную поверхность и, наконец, «раздеться» до такой степени, чтобы его нуклеиновая кислота стала доступной для ферментов, которые обеспечивают транскрипцию (переписывание информации с ДНК на информационную РНК) и трансляцию (синтез белка на матрице РНК) генома.
— А что в это время делает тело человека?
— У организма-хозяина есть защитные механизмы от вирусных инфекций. В ответ на вирусную атаку организм позвоночного активирует гуморальный и клеточный разделы иммунной системы.
Гуморальный иммунный ответ — это производство противовирусных антител (молекулы, которые вырабатывают B-лимфоциты. — Прим.TUT.BY). А клеточный иммунный ответ выпускает клетки на борьбу с вирусом: микрофаги, натуральные киллеры, Т-лимфоциты. Эта реакция считается более эффективной в борьбе с вирусной инфекцией.
К сожалению, оба типа иммунного ответа — слишком медленные, чтобы защитить организм от быстро размножающегося вируса. Особенно если организм ранее с ним не сталкивался. В этом отношении более мобильной является система интерферона. Интерфероны — это белки, которые продуцируются клетками позвоночных (от рыб до человека) в ответ на вирусную инфекцию. Они помогают человеку оправиться от вирусных инфекций. Например, при отсутствии осложнений больные гриппом выздоравливают обычно спустя три дня. А иммунитет развивается не ранее чем через четыре-пять дней.
Многие вирусы — это враги человека, животных и растений. Наука знает о них уже довольно много. Но пока недостаточно для того, чтобы разработать успешную стратегию борьбы с каждым конкретным вирусным патогеном.
«Первые случаи СПИДа у человека относятся к 50-м годам»
— Как появляются новые виды вирусов?
— Похоже, появление новых видов — это миф. Все виды живых существ — животных, растений и микробов (в том числе вирусов), начали появляться около 4 млрд лет назад.
Да, мы наблюдаем успехи селекции, приведшие к созданию многочисленных пород собак, лошадей, кур, коров, сортов плодовых деревьев. Нам трудно поверить, что крохотная «карманная» собачка и солидный лабрадор — это не разные виды, а породы в рамках одного вида. Но это научный факт: сегодня новые виды не образуются. Так что наблюдаемое нами появление новых видов вирусов — это, вероятно, просто их «выход из тени», из привычных мест обитания, которые называют «природными резервуарами».
— Как же вирус проникает к нам из животного мира, из этого «природного резервуара»?
— Так, как это, вероятно, произошло в середине прошлого столетия с вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).
В 1981 году в ряде крупных городов США зарегистрировали вспышку инфекционного заболевания, вызываемого грибком, который при нормальном состоянии иммунитета не вызывает заболеваний. В основе доселе неизвестного заболевания лежало резкое ослабление иммунитета, что и приводило к развитию инфекции.
Исследователи бросились анализировать сыворотки, хранящиеся в Национальном Центре контроля за инфекционными заболеваниями (США). И анализ показал, что первые случаи СПИДа у человека относятся не к 80-м, а к 50-м годам прошлого столетия и что заболевание возникло в Африке, а затем распространилось на территории Европы и США.
Некоторые ученые предполагают, что ВИЧ «перепрыгнул» с шимпанзе на человека в период между 1675 и 1700 гг. и не проявлял себя до 1930 года. По общепринятому мнению, выход вируса из «тени» произошел благодаря сексуальной революции и появлению новых медицинских инструментов, а с ними и способов передачи возбудителя от человека к человеку.
— Получается, в какой-то мере человечество само выпустило джинна из бутылки?
— Именно так. Можно сказать, мы своими руками создали условия, в которых вирус смог проявиться и распространиться. Появление инструментальных методов исследований в медицине — огромный шаг вперед в диагностике и лечении заболеваний. Но он сыграл роковую роль в распространении ВИЧ. Шприцы, гинекологические инструменты, зонды для глотания — всем этим начали активно пользоваться до того, как научились стерилизовать.
— Какие же вирусы считаются самыми заразными и смертельно опасными?
— Вирусы геморрагических лихорадок: вирус Конго-крымской лихорадки, лихорадки Ласса, вирус Эбола, вирус желтой лихорадки, вирус лихорадки денге, вирус Зика. Эффективных лекарств для лечения этих болезней нет.
Ученые и врачи пытаются применять интерфероны и рибавирин — нуклеозид широкого спектра действия. К счастью для нас, эти заболевания редкие и распространены в тропическом поясе.
Наиболее неприятные в наших широтах вирусы — это вирус гепатита С, ВИЧ, SARS-CoV-2. Потенциальную опасность в будущем могут представлять вироиды и прионы — «младшие братья» вирусов. Они пока мало изучены и могут оказаться еще более грозными.
— А что известно о «появлении» коронавирусов?
— Коронавирусы появились в нашей жизни задолго до прошлого года. До 2002-го было известно о циркуляции четырех сезонных коронавирусов, которые круглогодично присутствуют в структуре ОРВИ. Как правило, они вызывают поражение верхних дыхательных путей легкой и средней степени тяжести.
В конце 2002 года был выделен новый возбудитель атипичной пневмонии, который вызывал тяжелый острый респираторный синдром у людей — SARS-коронавирус (SARS-CoV). Природный резервуар SARS-CoV — летучие мыши, промежуточные хозяева — верблюды. Эпидемия SARS охватила 37 стран, было зарегистрировано более 8000 случаев заболевания, из них 774 — со смертельным исходом. С 2004 года случаев атипичной пневмонии, вызванной SARSCoV, не выявлено. В 2012 году на Аравийском полуострове была зарегистрирована вспышка атипичных пневмоний. Заболевание получило название Ближневосточный респираторный синдром (MERS), а вирус назвали MERS-CoV (от Middle East respiratory syndrome coronavirus). Основной природный резервуар MERS-CoV — верблюды. С 2012 года зарегистрировано 2494 заболевших MERS (82% случаев в Саудовской Аравии), 858 из которых погибли. В настоящее время MERS-CoV продолжает циркулировать и вызывать нерегулярные случаи заболевания.
В середине декабря 2019 г. в двенадцатимиллионном китайском городе Ухань (провинция Хубэй) стали выявляться случаи необычно тяжело протекающей пневмонии неизвестной этиологии. 31 декабря 2019 г. представительство Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в Китае было проинформировано о первых случаях пневмонии неясной этиологии. ВОЗ опубликовала первое сообщение о таких случаях 20 января 2020 года. В нем сообщалось, что все пациенты были местными жителями, работавшими или посещавшими рынок морепродуктов.
SARS-CoV-2 — гибридный вирус между коронавирусом летучей мыши и коронавирусом неизвестного происхождения. Природный резервуар неизвестен (вероятно, дикие животные). Генетическая последовательность SARSCoV-2 сходна с последовательностью SARS-CoV по меньшей мере на 70%.
— Каким образом вирус может мутировать?
— Мутации — это любые изменения генов, которые передаются по наследству. Мутации — основы селекции. Благодаря им происходит эволюция живых существ. Изменения антигенной структуры вируса могут происходить двумя путями — в результате антигенного дрейфа и благодаря антигенному шифту.
Антигенный дрейф — медленное накопление точечных мутаций, которые изменяют первичную структуру поверхностных белков-антигенов. Благодаря антигенному дрейфу мы ежегодно сталкиваемся с эпидемией гриппа. Грипп — это заболевание non stop. Следуя за сменой времен года, оно переходит из Южного полушария в Северное и обратно. Таким образом, постоянно где-то на Земле свирепствует грипп. Новая эпидемия возникает тогда, когда возникает новый вариант вируса, от которого старый (имеющийся) иммунитет не может защитить.
Антигенный шифт (или антигенный сдвиг) — резкий сдвиг и изменение структуры вируса. Наша иммунная система в таком случае «не узнает» вирус и оказывается уязвимой. Подобное случается достаточно редко — раз в 20−50 лет. Скорее всего, антигенный шифт — результат генетической рекомбинации между штаммами вируса человека и животных. В результате образуется новый вариант вируса со множеством мутаций в антигенах. Он-то и вызывает пандемию, так как в популяции практически отсутствует иммунная прослойка. По мере образования этой прослойки пандемический процесс затухает. Коронавирус, с которым мы столкнулись недавно, еще пока мало изучен, и сложно сказать, на самом деле мы имеем дело с шифтом или нет.
— Какой существует эффективный способ противостоять вирусам?
— Самый эффективный способ борьбы с инфекционными заболеваниями — вакцинация. Человечество изобрело вакцины против кори, полиомиелита, гепатита А, натуральной оспы. Однако, несмотря на затраченные колоссальные усилия и средства, эффективных вакцин против ВИЧ, гепатита С, туберкулеза и даже гриппа создать не удалось. Не исключена вероятность, что и вакцины против пандемического коронавируса — а они создаются в недопустимо ускоренном режиме и без должной проверки на отдаленные последствия, — могут также оказаться неэффективными.
Срок разработки вакцины от идеи до медицинского препарата с доказанной эффективностью и безопасностью — в среднем более десяти лет. Однако благодаря смягчению предъявляемых требований к разработке вакцин против пандемического вируса первые вакцины в мире стали доступными уже в конце 2020 года.
Нам в лаборатории представляется целесообразным атаковать вирус с другой стороны — путем создания фармакологического препарата прямого противовирусного действия. Ученые давно бьются над этой загадкой: как найти «золотую пулю», чтобы убить именно вирус? Ведь когда вирус проникает в клетку, происходит переплетение метаболизма клетки и вируса.
В арсенале медиков есть ряд препаратов, которые потенциально могут угнетать размножение вируса SARS-CoV-2 в организме человека. Это препараты, которые неплохо сработали при вспышках коронавирусных инфекций прежних лет (SARS, MERS и других).
Я уверен: когда мы найдем ответ на вопрос, почему пандемический коронавирус не поражает детей, то поймем, как его победить.
— Почему в XXI веке люди все еще не могут избежать пандемий?
— По нескольким причинам. Первая — увеличение популяции пожилых и престарелых людей с пониженным иммунитетом. Вторая — ухудшение генофонда человечества за счет спасения людей с генетическими заболеваниями (с дефектными генами). Третья — ухудшение экологической обстановки, понижающей сопротивление людей к воздействиям неблагоприятных факторов.
Ну и наконец, недостаточное развитие медико-биологических наук. Когда я был студентом, считалось, что генетика — реакционная буржуазная наука и что жизнь — это способ существования белковых тел. Приоритет в Советском Союзе отдавался техническим наукам, связанным с космосом и вооружением. К сожалению, эта традиция жива и на территории бывшего Союза. Только совсем недавно начали разрабатываться вакцины новых поколений (ДНК- и РНК-вакцины). И перед учеными поставили новые цели: не полететь на Луну, скажем, а победить рак.
Пандемия показала нам, насколько наша наука о вирусах слаба и недостаточна. В ближайшем будущем мы должны революционно расширить наши знания о вирусах и борьбе с ними.
https://t.me/covidnotes t.me/covidnotes @covidnotes
Телеграм канал COVID-19 NOTE