Глава 12

Вирусы

Вирус в основном состоит из геномной нуклеиновой кисло­ты, которая реплицируется в клетке-хозяине, используя ее ферментативные системы для синтеза вирус специфических нуклеиновых кислот и белков (рис. 12-1). Поскольку вирус сам по себе не может расти и размножаться, нельзя считать его «живым» организмом в обычном понимании. В состав вирусов входит либо ДНК, либо РНК, образованная одной или двумя цепями, в зависимости от типа вируса. Все вирусы имеют белковую оболочку (капсид), внутри которой заклю­чена нуклеиновая кислота; у некоторых обнаружена допол­нительная, богатая липидами, оболочка, окружающая кап­сид. Белковая или липопротеиновая оболочка «узнает» поверхность, на которой адсорбируется вирус, и защищает нуклеиновую кислоту в составе вириона.

Вирусы имеют важное значение, поскольку широко рас­пространены у растений и других организмов, часто при этом являясь причиной болезни. У человека вирусы вызывают множество заболеваний, включая оспу, ветряную оспу, корь, свинку, грипп, респираторные заболевания (часто осложнен­ные вторичной бактериальной инфекцией), инфекционный гепатит, желтую лихорадку, полиомиелит, бешенство, гер­пес и СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита). Иногда вирусы одной группы могут поражать и растения, и животных. К болезни приводит резкое нарушение процессов жизнедеятельности зараженной клетки. Многие вирусные заболевания у животных можно предупредить путем иммуни­зации, эффективность которой против оспы была впервые продемонстрирована в 1790-х годах английским врачом Эдуардом Дженнером. Однако, как уже установлено, вирус­ные заболевания с трудом поддаются лечению, поскольку вирусы не чувствительны к антибиотикам. К счастью, во многих случаях иммунная система ограничивает дальнейшее распространение инфекции.

Клетки живого организма одновременно могут быть инфицированы различными вирусами. Иногда вирус, выде­ленный от одного хозяина, может заражать клетки другого хозяина. Поэтому трудно сделать вывод, сколько видов виру­сов существует на сегодняшний день; описано по меньшей мере 400 вирусов растений, которые можно подразделить на 25 групп. Вирусы поражают не только эукариотические организмы, но и бактерии. Вирусы бактерий называются

Рис. 12-1. Бактериофаг Т2, инфициру­ющий клетку Escherichia coli. В резуль­тате внедрения вирусной ДНК бакте­риальная клетка подверглась лизису

Гл. 12. Вирусы

химической точки зрения вирус намного проще живого орга­низма. Когда Стэнли растворил игловидные кристаллы и нанес на лист табака, то характерные симптомы мозаичной болезни появились вновь. Тем самым было показано, что вирус сохраняет инфекционность после кристаллизации и ресуспендирования.

Большинство вирусов растений, подобно вирусу табачной мозаики, содержат только РНК, в то время как другие вирусы — только ДНК. В отличие от вирусов все клеточные организмы содержат оба типа нуклеиновых кислот. Вирусы лишены рибосом, а также ферментов, необходимых для син­теза белка и генерирования энергии. В этом отношении вирусы принципиально отличаются от организмов, имеющих клеточную организацию.

СТРУКТУРА ВИРУСНЫХ ЧАСТИЦ

С помощью электронного микроскопа изучена структура большого числа вирусов. Вирус табачной мозаики, напри­мер, имеет палочковидную форму; его длина составляет 300 нм и диаметр — 15 нм. В состав вируса входит единственная молекула РНК размером в 6000 нуклеотидов (рис. 12-2). Капсид состоит из 2000 идентичных молекул белка, уложенных по спирали (рис. 12-3). Наиболее распространенная форма вирусных капсидов — икосаэдр с 20 гранями. Икосаэдр — это многогранник с кубическим типом симметрии, образованный большим числом идентичных субъединиц и имеющий макси­мальный объем внутреннего пространства (геодезические куполы сконструированы по этому же принципу). К икосаэдрическим относятся многие вирусы, вызывающие респира­торные заболевания человека (рис. 12-4), полиомиелит, оспу птиц, пузырчатую лихорадку, папиллому человека, многие виды рака у мышей и других животных, болезни растений, включая пятнистую мозаику яблонь (рис. 12-5,А), кольцевую мозаику табака, мозаику огурцов и плодов бобовых. Рабдо- вирусы растений и животных имеют пулевидную форму и окружены внешней липопротеиновой оболочкой (рис. 12- 5,Б). Палочковидные вирусы со спиральной симметрией, подобные вирусу табачной мозаики, наиболее характерны для растений; они часто напоминают неплотную спираль и выглядят как длинные гибкие нити (рис. 12-5,В).

Рис. 12-2. Частицы вируса табачной мозаики (ВТМ) под электронным микроскопом

бактериофагами («пожиратели бактерий») или просто фага­ми. Фаги — это очень важный инструмент современной молекулярной биологии; исследуя взаимодействие фагов и бактерий, мы узнали много нового о механизме синтеза белка и организации генов. Вирусы широко используются для исследований репликации ДНК, регуляции генов, транс­крипции, трансляции, процессинга РНК и природы раковых заболеваний. Они представляют собой, по сути, естествен­ные переносчики генетической информации и именно поэтому незаменимы в современной биотехнологии. На их основе получены векторы для переноса генов в бактериаль­ные, животные и растительные клетки. Использование виру­сов в генной инженерии растений будет в ближайшее время несомненно расширяться и окажет значительное влияние на ботанические и сельскохозяйственные исследования. Кроме того, ученые полагают, что наряду с бактериями вирусы можно использовать для стимулирования в клетках процес­сов синтеза полезных и нужных нам веществ.

Сейчас изучаются разнообразные формы вирусов, инфи­цирующих насекомых, с целью разработки нового биологи­ческого способа борьбы с вредителями. Уже наметились некоторые успехи, например в США с хлопковой совкой (Не- liothis zeae) эффективно борются с помощью вируса. Данные методы борьбы практически безвредны по сравнению с мно­гократным использованием химических пестицидов; более того, вирус имеет высокую специфичность по отношению к паразитам, что немаловажно.

ПРИРОДА ВИРУСОВ

Существование вирусов было впервые установлено при изу­чении мозаичной болезни табака. Оказалось, что возбуди­тель этой болезни может проходить через фарфоровый фильтр, обычно используемый для улавливания бактерий. Размер вирусов колеблется от 17 до 300 нм в диаметре. Таким образом, по величине они сравнимы с молекулами, например атом водорода имеет диаметр около 0,1 нм, а размер моле­кулы белка в среднем равен десяткам нанометрам.

Как уже упоминалось выше, вирусы размножаются только в живых клетках; многие из них высокоспецифичны по отношению к типу инфицируемых клеток. Они ради­кально изменяют биосинтетические процессы клетки-хозя­ина; при этом нуклеиновая кислота вируса переключает клетку на синтез вирусспецифических структур, конкурируя, таким образом, с ее генетическим аппаратом (см. рис. 8-3). Например, респираторные вирусы размножаются в клетках слизистой оболочки дыхательных путей, вызывая характер­ные симптомы простуды. Чаще всего вирусы имеют узкий круг хозяев; одним из быстрых методов идентификации неиз­вестных бактерий может служить использование специфи­ческих бактериофагов, разрушающих определенные бакте­риальные клетки (рис. 12-1). И наоборот, реакция некото­рых видов растений на неизвестный вирус может быть ис­пользована (в совокупности с другими методами) для иденти­фикации данного вируса.

До 1930-х гг. вирусы рассматривались как мельчайшие бактерии. В 1933 г. эта точка зрения была опровергнута. Уэнделл Стэнли, работавший в Рокфеллеровском институте, получил экстракт вируса табачной мозаики из инфицирован­ных растений и очистил его. Очищенный вирус осаждался в виде кристаллов. Кристаллизация — это один из главных тестов на присутствие химически чистого соединения, не содержащего примеси; таким образом, стало ясно, что с