virology for ekol

Глава 4

САТЕЛЛИТНЫЕ ВИРУСЫ И ВИРОИДЫ

4.1. Сателлитные вирусы

Сателлитные вирусы, или сателлиты, представляют собой не большие молекулы РНК, чья репликация невозможна в отсутствие другого вируса (как видно, даже вирусы имеют своих паразитов!). Сателлитные вирусы встречаются среди растительных вирусов и значительно реже среди бактериофагов и животных вирусов. При мером последних являются аденосателлиты2. Различают два клас са сателлитных молекул: сателлиты, которые кодируют собствен ные поверхностные белки, и сателлиты (вирусоиды), которые для синтеза белков прибегают к помощи других вирусов.

К числу типичных свойств сателлитов относятся:

–однонитевой геном, длина которого колеблется от 500 до 2000 нуклеотидов;

–низкая степень сходства их нуклеотидных последователь ностей с таковыми вирусов помощников;

–способность вызывать симптомы заболеваний растений, не свойственные вирусу помощнику;

–нарушение репликации вируса помощника в процессе собственной репликации.

4.2. Вироиды

Вироиды – это лишенные оболочки, ковалентно замкнутые кольцевые молекулы РНК, состоящие из 246–371 нуклеотидов, которые служат причиной некоторых заболеваний высших расте ний. Определена первичная и наиболее вероятная вторичная структура ряда вироидов. После того как было показано, что кло нированная кДНК вироида обладает инфекционностью, стало возможным более глубокое изучение структурно функциональ ных особенностей вироидов.

Поразительной особенностью вироидов является то, что в за раженных ими растениях не удалось обнаружить никаких вирусов помощников; следовательно, вироиды, несмотря на то что они не сут в своем составе очень мало информации, реплицируются в

2 Аденосателлиты – однонитчатые ДНК вирусы из семейства Parvoviridae.

чувствительных клетках автономно (под действием РНК полиме разы II хозяина). Каким образом РНК, приблизительно в 10 раз меньшего размера, нежели размер РНК любого другого вируса,

заставляет клетку хозяина осуществлять свою репликацию и как такая маленькая молекула может, вмешиваясь в метаболизм клет ки, вызвать заболевания, остается загадкой. Ждут ответа также вопросы о способах передачи вироидов в природе, круге их хозяев и экологических параметрах.

Глава 5

ВИРУСНЫЕ ИНФЕКЦИЙ ЧЕЛОВЕКА

ÈЖИВОТНЫХ

5.1.Патогенез вирусных инфекций

Вызываемые вирусом клинические проявления болезни – ко нечный результат множества событий. Чтобы вызвать заболевание, вирус сначала должен проникнуть в организм и вступить в контакт с чувствительными клетками. Вследствие репродукции вирус по вреждает или модифицирует восприимчивые клетки и ткани, что лежит в основе клинических проявлений болезни. Однако сама по себе репродукция вируса может протекать и латентно. Симптомы заболевания и механизмы развития патологических процессов мо гут определяться не только воздействием вирусов на чувствитель ные клетки, но и быть следствием защитных реакций организма хо зяина, например иммунологических механизмов уничтожения поврежденных или модифицированных вирусом клеток.

В патогенезе вирусных инфекций выделяют несколько специ фических стадий:

1)проникновение вируса в организм хозяина;

2)репликация и распространение вируса в организме;

3)повреждение (модификация) клеток.

Проникновение вируса в организм хозяина осуществляется раз личными путями: через кожу, дыхательные пути, алиментарный или урогенитальный тракты (табл. 2).

Кожа млекопитающих – эффективный защитный барьер про тив вирусов. Наружный слой эпидермиса состоит из мертвых кле ток и не может служить местом первичной репликации вирусов. Для проникновения под эпидермальный слой в клетки собственно дермы вирусы используют раны, ссадины, места укусов животны ми или насекомыми.

Слизистые оболочки являются местом проникновения в орга низм многих вирусов. Преодолеть действие неспецифических факторов защиты слизистых оболочек вирионам помогает, в част ности, высокая устойчивость к протеолитическим ферментам, де тергентному действию солей жирных кислот и низким значениям рН. Однако соответствующие свойства у разных вирусов выраже

22

ны не одинаково. Например, реовирус типа 3 в противополож ность реовирусу типа 1 не устойчив к действию химотрипсина (протеолитическому ферменту кишечника). Поэтому реовирус ти

па 3 не способен репродуцироваться в кишечнике мышей.

Таблица 2

Возможные места проникновения вирусов в организм хозяина

Говоря о том, как вирусы заражают организм, необходимо подчеркнуть, что при передаче от хозяина к хозяину воздушно ка пельным (респираторный путь), водным или алиментарным (фе кально оральный путь) путем вирионы подвергаются воздействию разрушающих факторов окружающей среды, снижающих эффек тивность заражения. Избежать этого некоторым вирусам помога ют переносчики, например насекомые, в организме которых виру сы способны пассивно переживать или размножаться. Вирусные инфекции, использующие переносчиков для передачи от хозяина к хозяину, называются трансмиссивными.

Важным способом распространения вирусов является верти кальная передача – от матери плоду (трансовариальная, транспла центарная, перинатальная). В противоположность горизонталь ным способам передачи, т. е. от человека или животного человеку, вертикальный способ (особенно в вирогенных/лизогенных систе

мах) передачи способствует длительной персистенции вирусов.

Первичная репликация и распространение вирусов в организме. В местах проникновения (во входных воротах инфекции) первичная репликация типична для большинства вирусов.

Если вирусы вызывают заболевание в местах проникновения, то развитие болезни происходит без перемещения его к другим органам

23

итканям. Примерами могут служить вирус гриппа или ротавирусы. Если же вирусы вызывают заболевание вдали от входных ворот, то после первичной репликации включаются специфические механиз мы переноса их к восприимчивым клеткам. Так, вирус ветрянки про никает в организм через респираторный тракт, а генерализованная инфекция проявляется на коже; энтеровирусы проникают через ки шечник, а патологические процессы развиваются в нервной системе.

Распространение вирусов осуществляется несколькими путя ми в зависимости от места проникновения и расположения чувствительных клеток мишеней. Выделяют три основных пути:

нейрогенный, лимфогенный, гематогенный. Вирус бешенства, напри мер, сначала через кожу проникает в периферические моторные нейроны, а затем в аксоны и в конце концов попадает в клетки пе редних рогов, спинальных ганглиев и головного мозга. Реовирусы, вирус полиомиелита и другие энтеровирусы взаимодействуют со специализированными эпителиальными клетками микроскладок кишечника (М клетки). Они связываются с рецепторами поверх ностных мембран М клеток, захватываются внутриклеточными везикулами и транспортируются через цитоплазму в прилежащий слой мононуклеарных лимфоидных клеток пейеровых бляшек. Да лее током лимфы вирусы переносятся в мезентериальные лимфо узлы. Гематогенное распространение, характерное для ВИЧ и ви руса гепатита, – эффективный, прямой и быстрый способ дости жения восприимчивых клеток мишеней.

Повреждение (модификация) клеток и механизмы защиты хозяина от вируса, развиваясь взаимоопосредованно, являются, как правило, причиной основных проявлений заболевания. Прямое цитопатоген ное воздействие вируса, сопровождающееся лизисом или иным спо собом быстрого разрушения клеток, – относительно редкое прояв ление вирусной инфекции. Чаще возникает процесс нарастающих изменений клеточного метаболизма, который заканчивается подав лением синтеза белка и репликации нуклеиновых кислот. Во многих случаях вирусы, размножаясь в чувствительных клетках, не повреж дают их, но модифицируют. Такие модифицированные клетки рас познаются иммунологической системой организма как чужеродные

иуничтожаются, определяя тем самым симптоматику болезни. Чувствительность клеток к вирусу может зависеть от многих

факторов, в том числе возрастных. Например, у мышей с возрас том снижается чувствительность к герпесвирусу.

Обнаружены гены, определяющие чувствительность клеток

или их невосприимчивость к определенным вирусам.

24

Расшифровка молекулярных механизмов тропности вирусов к определенным клеткам – один из перспективных подходов к про филактике вирусных инфекций.

5.2. Вирусная инфекция клеток

Вирусная инфекция клетки представляет собой комплекс про цессов, возникающих при взаимодействии клетки с вирусным ге номом. Внеклеточный вирион инертен, и эта инертность сохраня ется до тех пор, пока вирусный геном не начнет функционировать внутриклеточно, как самостоятельная генетическая единица. Кар динальным признаком, положенным в основу приведенной ниже классификации, является взаимоотношение геномов вируса и клетки. Если вирусный геном реплицируется независимо от репли кации клеточного генома – это автономный тип вирусной инфек ции. Если вирусный геном включается в состав клеточного генома

иреплицируется вместе с ним – это интегративный тип. Каждый из этих двух основных типов вирусной инфекции может быть под разделен на несколько форм по образованию вируса (продуктивная

иабортивная инфекция), по исходу инфекционного процесса для клетки (литическая и нелитическая инфекция), по динамике взаи модействия вируса и клетки (острая и хроническая инфекция).

Автономный тип вирусной инфекции клетки характерен для большинства известных вирусов животных и человека. При этом типе инфекции геном вируса реплицируется независимо от репли кации клеточного генома.

Продуктивная автономная вирусная инфекция характеризуется образованием полноценного вируса. Это наиболее изученная фор ма взаимодействия вирусов и клеток. Основные механизмы репро дукции вирусов, о которой говорилось в главе 3, исследованы и описаны именно для данной формы инфекции.

Автономная абортивная вирусная инфекция возникает, если вза имодействие вируса с клеткой не завершается образованием полно ценных вирионов. Обычно это имеет место при заражении клеток дефектным вирусом; при проникновении вируса в резистентные к нему клетки; при инфицировании чувствительных клеток полно

ценным вирусом в непермиссивных условиях.

Литическая автономная вирусная инфекция приводит клетку к гибели. Вирус, вызывающий гибель клетки, называется цитопато генным, а повреждение клетки обозначается термином «цитопа, тогенный эффект». Характер цитопатологических изменений при вирусных инфекциях весьма разнообразен. Это может быть деге

25

нерация клеток (вакуолизация цитоплазмы, пикноз ядер, хромо сомные аберрации), образование специфических вирусных внут риклеточных включений, возникновение гигантских клеток типа поликариоцитов или симпластов. Лизис клетки – заключительная стадия действия цитопатогенных вирусов. Для проявления цито патогенности вирусу не требуется воспроизведение генома и реа лизация всей генетической информации.

Нелитическая автономная вирусная инфекция характерна для вирусов, содержащих липопротеидную внешнюю оболочку и по кидающих клетки почкованием. Ретро , ортомиксо , парамиксо , аренавирусы способны вызывать продуктивную нелитическую ин фекцию клеток. Однако в наиболее типичных случаях нелитичес кий характер свойственен абортивным инфекциям, когда отсут ствуют или не проявляются генетические свойства вирусов, необ ходимые для осуществления цитопатогенных функций.

По динамике инфекционного процесса вирусные инфекции подразделяют на острые и хронические. При острой инфекции в зараженной клетке происходит образование вирионов, после че го инфекционный процесс прекращается. При хронической ин фекции зараженная клетка продуцирует вирионы или вирусные компоненты до своей естественной гибели (не от данной вирус ной инфекции), при этом дочерние клетки остаются инфициро ванными. Продуктивная и абортивная литическая инфекция – всегда носит острый характер. Продуктивная нелитическая ин фекция – всегда хроническая. Абортивная нелитическая инфек

ция, как правило, имеет хроническое течение, но может проте кать и в острой форме.

Интегративный тип вирусной инфекции характеризуется физи ческим объединением (интеграцией) вирусного и клеточного гено мов. При этом вирусный геном реплицируется и функционирует как составная часть клеточного генома. Такой тип вирусной инфек ции обязателен для ретровирусов и возможен в случае папова , аде но и герпесвирусов.

Интегративные инфекции могут быть классифицированы по тем же параметрам, что и автономные, – по продуктивности, ди намике и исходу; интеграционные взаимоотношения вируса и клетки также могут быть продуктивными и абортивными. Продук, тивная интегративная инфекция типична для ретровирусов. Абор, тивная интегративная инфекция, вызываемая ретровирусами, воз никает при тех же условиях, которые описаны выше для абортив

ных автономных инфекций. Так, дефектные ретровирусы, лишен

26

ные части генома (некоторые штаммы вируса саркомы Рауса, ви русы саркомы мышей, кошек, обезьян, вирусы лейкоза мышей Френда и Раушера и т.п.) способны сами по себе вызывать только

абортивную интегративную инфекцию, которая может превра щаться в продуктивную при наличии вируса помощника. Приме ром абортивной интегративной инфекции, вызываемой полно ценным ретровирусом в непермиссивных клетках, является зара жение птичьим вирусом саркомы Рауса клеток млекопитающих. При этом в клетках протекает абортивный процесс интеграции, характеризующийся пониженным образованием вирусной РНК, накоплением неполного ассортимента вирусных белков, наруше нием их процессинга, отсутствием образования вирионов.

Обычно интегративные инфекции являются нелитическими, как в случае ретровирусов типов В, С, D, онкогенных папова , аде но , герпесвирусов, но существуют и литические инфекции, вызы ваемые цитопатогенным ретровирусом ретикулоэндотелиоза птиц, или «пенящим» вирусом.

Вирогенная интегративная инфекция – это абортивная ин фекция, которую можно перевести в продуктивную форму. Клет ки с такой формой инфекции могут спонтанно или под влиянием специальных (физических, химических, биологических) воздей ствий начать продукцию инфекционного вируса. Это явление названо вирогенией, а клетки обозначаются как вирогенные, по аналогии с лизогенией и лизогенными клетками в системе фаг – бактерия.

5.3. Медленные инфекции

Своеобразной формой взаимодействия вирусов и организма животных являются процессы, которые именуются «медленными инфекциями». Ниже приводятся четыре главных признака, отли чающих медленные инфекции:

l необычно продолжительный (месяцы и годы) инкубацион ный период;

l медленно прогрессирующий характер течения; l необычность поражения органов и тканей;

l неизбежность смертельного исхода.

Ряд медленных инфекций могут вызываться вирусами, извест ными как возбудители острых заболеваний, например вирусом ко ри или герпеса. Другие же вызываются особой группой вирусов. Однако наряду с этим существуют медленные инфекции, возбуди телей которых долгое время выделить не удавалось (их называли

27

«необычными вирусами»). К числу таких заболеваний относится группа «трансмиссивных губкообразных энцефалопатий» (ТГЭ) – фатальных поражений центральной нервной системы (табл. 3).

Таблица 3

Классификация прионных болезней человека и животных

(Â.À. Çóåâ è ñîòð., 1999)

Проблема возбудителей ТГЭ была решена относительно не давно при использовании биохимических, а не вирусологических методов исследования. Ими оказались не связанные с нуклеино выми кислотами низкомолекулярные (25–30 кДа) белки, назван ные прионами (от англ. proteinaceous infections particles). Таким об разом, был открыт новый тип возбудителей заболеваний человека и животных, не имеющих, как полагают, отношения ни к вирусам, ни к бактериям. Поэтому подробнее рассматриваться они не будут. Укажем лишь еще раз, что мы упомянули о ТНЭ потому, что ранее им приписывали вирусную этиологию и включали их в число ви русных медленных инфекций.

28

Глава 6

ПРОТИВОВИРУСНЫЙ ИММУНИТЕТ

6.1. Иммунитет

Традиционно выделяют гуморальные факторы иммунологи ческой защиты – антитела и клеточные факторы – прежде всего нормальные киллеры и цитотоксические лимфоциты (ЦТЛ).

При вирусных инфекциях антитела задерживают или исклю чают переход вирионов из клетки в клетку. Воздействовать же на внутриклеточные процессы репродукции и формирования вирио нов антитела не могут, поскольку не способны проникать внутрь клеток.

Антитела воздействуют на вирусы различным образом: путем блокировки рецепторов, обеспечивающих взаимодей

ствие вирусов с клетками мишенями. В результате стерических препятствий вирионы оказываются неспособными связаться с восприимчивыми клетками и вызвать инфекцию;

за счет опсонизации, благодаря чему антитела способствуют фагоцитозу вирусов и последующему разрушению их внутри мак рофагов;

с помощью альтернативного пути активации системы компле, мента, приводящего к виролизу, т.е. разрушению вирионов в сос таве иммунных комплексов.

Первыми реагирующими клетками иммунологической системы являются нормальные киллеры. Их активность развивается еще до появления антител или специализированных ЦТЛ. На поверхности инфицированных клеток происходит взаимодействие вирусных ан тигенов с белками мембран, в том числе с антигенами главного комп, лекса гистосовместимости класса l (МНС l). Распознавание изме ненных антигенов МНС l и включение (с участием интерферона γ ) каскада реакций, приводящих к активации внутри нормальных кил леров перфоринов и лизису клеток мишеней, выполняют важную

функцию ранней защиты организма от вирусных инфекций. Однако эффективность данного неспецифического ответа (без специфичес кого распознавания чужеродных антигенов) невысока. Главные ме ханизмы иммунологической защиты против вирусных инфекций развертываются в условиях кооперации иммунокомпетентных кле

29

ток и начинаются с распознавания специфических вирусных антиге нов. Функции иммунологического распознавания осуществляют Т клетки, В клетки и макрофаги. Вирусные антигены распознаются рецепторами Т лимфоцитов на мембранах антигенпрезентирующих клеток в ассоциации с антигенами главного комплекса гистосовмес тимости класса II (MHC II). На первых стадиях распознавания при нимают участие Т хелперы, которые своими рецепторами взаимо действуют с комплексом МНС II и вирусным антигеном. Затем Т хелперы с помощью лимфокинов активируют соответствующие клоны ЦTЛ. Эффекторные ЦTЛ распознают на мембранах инфици рованных клеток вирусные антигены, презентированные в ассоциа ции с молекулами MHC класса I, и атакуют их по механизму, сходно му с описанным для нормальных киллеров.

Иммунологические механизмы защиты против вирусных ин фекций весьма эффективны, особенно в условиях вторичного от вета.

Выживание и в конечном итоге распространение вирусов в природе подразумевает выработку механизмов их ухода от ответно го иммунологического удара организма. Одним из таких механиз мов является изменчивость антигенной структуры вирусов. Наибо лее ярко она проявляется у вирусов гриппа. Постоянное накопление точечных мутаций, приводящих к постепенному изменению анти генных свойств (за счет единичных аминокислотных замен в от дельных эпитопах), получило название антигенного дрейфа. В случае же крупных генетических изменений, когда у вируса происходят за

мены целых антигенов, говорят об антигенных шифтах. В обоих слу чаях создаются условия для выживания вирусов в популяции хозяев, ранее перенесших инфекции, вызванные родственными вирусами.

Антигенные дрейф и шифт не являются единственным спосо бом уклонения вирусов от иммунологической защиты хозяина. Интегративные инфекции, как правило, и некоторые перинаталь ные вирусные инфекции сопровождаются развитием в организме

иммунологической толерантности, т.е. полной или частичной утра ты иммунореактивности. Некоторые лимфотропные вирусы (са мым ярким примером служит ВИЧ) поражают иммунокомпетент ные клетки, вследствие чего подавляются все иммунологические реакции.

6.2. Интерферон

Феномен интерференции хорошо известен в вирусологии и сводится к подавлению репродукции вируса в клетках, предвари

тельно зараженных другим вирусом (см. выше). У птичьих ретро вирусов, например, выявлено 9 групп интерференции, связанной с конкуренцией за клеточные рецепторы. В других случаях механиз

мы интерференции менее ясны.

В 1957 году А. Айсекс и Дж. Линденманн (A. Isaacs и J. Lindenmann), изучая действия на клетки инактивированного виру са гриппа, обнаружили внутриклеточный противовирусный фактор – интерферон. Интенсивные исследования интерферонов в последую щие годы поддерживались надеждой, что эти антивирусные белки су меют занять такое же место в противовирусной терапии, какое завое вали антибиотики в борьбе с бактериальными инфекциями. Большие надежды на интерфероны были вполне обоснованы, так как эти бел ки обладали очень высокой эффективностью: примерно 50 молекул на клетку уже обеспечивали антивирусную активность.

Известны три типа интерферонов, но сейчас наибольший ин терес представляют тип I и тип II3. К типу I относятся интерферо ны α и β , а к типу II – интерферон γ .

Интерферон α – представлен семейством, по крайней мере, из 15 родственных молекул, которые синтезируются преимуществен но в лимфоцитах и отличаются друг от друга иногда только одним аминокислотным остатком. Белок состоит из 143 аминокислот. Все гены, кодирующие интерфероны α , у человека находятся в де вятой хромосоме.

Интерферон β – гликопротеид, состоящий из 145 аминокис лот, синтезируется преимущественно в фибробластах. У человека его ген расположен в девятой хромосоме.

Интерферон γ – гликопротеид, состоит из 146 аминокислот, синтезируется преимущественно в лимфоцитах. Соответствующий ген расположен в двенадцатой хромосоме.

Интерфероны являются регуляторами активности клеточных функций. Они способны воздействовать на экспрессию генов, от ветственных за клеточную пролиферацию, синтез лимфокинов и других иммуномодуляторов. Интерфероны способны специфичес ки взаимодействовать с клеточными рецепторами и аллостеричес ки индуцировать запуск каскада специфических внутриклеточных

функций с клеточной поверхности. Наиболее сильным регулятор ным воздействием на клетки обладает интерферон γ .

Эффект интерферонов на вирусные инфекции in vivo имеет важнейшее значение. В экспериментах на животных показано,

3 К типу III относят интерфероны группы λ .

что вирусные инфекции в присутствии антител против интерфе ронов протекают более тяжело, чем у контрольных животных, ин фицированных теми же самыми вирусами. Механизмы действия интерферонов различны, но некоторые, действующие на ранних стадиях взаимодействия вирусов и клеток, вероятно, наиболее эф фективны. Один из таких механизмов – индукция интерфероном клеточного гена 2’,5’ олигоаденилатсинтетазы, которая активи рует латентную эндонуклеазу, участвующую в деградации вирус ной РНК.

Разработка технологии клонирования генов позволила полу чать интерфероны в промышленных масштабах.

32

Глава 7

ЛЕЧЕНИЕ И ПРОФИЛАКТИКА ВИРУСНЫХ ИНФЕКЦИЙ

Химиотерапевтические или другие способы эффективного пря мого воздействия на этиологические агенты при вирусных инфекци ях разработаны недостаточно. Исключения (римантадин или вита мин С при гриппе, азидотимидин при СПИДе) только подтверждают правило. О значении интерферонов для лечения и профилактики ви русных инфекций говорилось выше.

Среди мер профилактики специфической профилактике при надлежит ключевая роль в борьбе с инфекционными заболеваниями вообще и вирусными инфекциями в частности. Примером может служить искоренение натуральной оспы, что, несомненно, является огромным достижением медицины на рубеже ХХ и ХХI веков.

Вирусные вакцины можно подразделить на 3 основных типа: живые, инактивированные, субъединичные.

Живые вакцины – это вакцины Дженнера, Пастера и большин ство вакцин, сыгравших главные роли в борьбе с вирусными бо лезнями животных и человека. Действующим началом живых вак цин являются либо природные штаммы, не вызывающие или вы зывающие заболевание, но в легкой форме, либо искусственно (in vitro) ослабленные (аттенуированные) штаммы вирусов. Атте, нуированные вакцины преобладают среди вакцин, применяемых сейчас в медицинской и ветеринарной практике.

Инактивированные вакцины занимают важное место в вакцин ном деле и часто доминируют среди препаратов, предназначенных для профилактики инфекций. Главная и не всегда легко решаемая задача при их создании – это полная инактивация инфекционно го начала.

Субъединичные вакцины – препараты, состоящие из протектив

ных антигенов возбудителей, благодаря чему исключается возмож ность побочных реакций на прививки. Однако широкое примене ние таких вакцин лимитируется трудоемкостью производства и высокой себестоимостью.

Два последних десятилетия ознаменованы разработкой генно, инженерных вакцин. Принцип их конструирования сводится к вы

33

бору генов, кодирующих протективные антигены, клонированию этих генов и переносу их в безопасные векторы, например в геном осповакцины. Большой интерес вызывают также разработки ДНК вакцин, в которых действующим началом являются ДНК геномы заданных вирусов (в том числе ДНК копии геномов РНК содержащих вирусов), способные экспрессировать гены протек тивных антигенов в живых клетках. Все эти разработки весьма интересны и перспективны, однако до настоящего времени (за редким исключением) остаются экспериментальными. Соз данные и охарактеризованные уже в опытах на лабораторных животных генно инженерные вакцины долгое время не были раз решены ВОЗ даже для испытаний на сельскохозяйственных животных в полевых условиях. Дальнейшее продвижение генно инженерных вакцин в практику упирается в разработку молеку лярно биологических методов контроля безопасности таких пре паратов.

34

Глава 8

ВИРУСЫ И БИОСФЕРА

8.1. Общие вопросы экологии вирусов

Проблема экологии вирусов бактерий и других одноклеточ ных организмов может быть сведена к взаимоотношениям вирусов и клеток. Однако в случае животных и растений она перерастает в проблему взаимоотношения между вирусами и организмами.

Группа популяций, т. е. вид – единица эволюции. Изолиро ванные популяции, разделенные географически и экологически, сходны, но не идентичны. Изучение направленности изменений генофонда в эволюционирующих популяциях имеет важнейшее практическое значение для раскрытия причин, ведущих к возник новению массовых заболеваний. Экологические исследования обеспечивают комплексное изучение эволюционных взаимоотно шений вирусов и хозяев в меняющихся условиях существования, отслеживают изменения и прогнозируют возникновение эпидеми ческих вспышек. В теоретическом плане экология вирусов изучает закономерности выживания вирусов, эволюцию и движение их ге нофонда в биосфере.

Следует обратить внимание на то, что в литературе часто встречаются такие выражения, как «экология бешенства», «эколо гия клещевого энцефалита» и т.п. Подобные выражения некорре ктны по существу, поскольку на самом деле за ними часто скрыва ются вопросы эпидемиологии или эпизоотологии соответствую щих заразных заболеваний, а собственно экологические аспекты, т.е. взаимоотношения между возбудителем и организмом, остают ся в тени или не обсуждаются вообще.

Эпидемии, эпизоотии или эпифитотии являются следствием многообразных взаимоотношений между их возбудителями, в дан ном случае вирусами, и хозяевами возбудителей.

По механизмам передачи и типам взаимоотношений с хозяе

вами вирусов животных все вирусные инфекции условно можно разделить на две группы. К первой группе относятся инфекции с непрерывной циркуляцией возбудителей, когда передача от одно го хозяина другому происходит перманентно, как, например, в случае кори, паротита и полиомиелита. При этих инфекциях пере

35

живание возбудителей во внешней среде если и имеется, то не иг рает существенной роли в эпидемиологии и жизни вирусной попу ляции. Ко второй группе принадлежат инфекции с прерывистой передачей возбудителей, которые либо выживают в периоды меж ду эпизоотиями и эпидемиями во внешней среде, либо сохраняют ся благодаря репликации на протяжении длительного времени в одном и том же хозяине. Типичными примерами подобного пере живания являются длительное сохранение жизнеспособности ви руса ящура во внешней среде и персистенция ряда арбовирусов в клещах.

Менее ясна ситуация в случае растений, поскольку как сами вирусы, так и особенности их взаимоотношений с хозяевами изучены еще недостаточно. К тому же в экологии по крайней мере культурных растений немалую роль играет человек (выве дение новых сортов растений, агротехнические приемы, приме нение гербицидов и пр.). Поэтому здесь эти вопросы мы не рас сматриваем.

Как подчеркивал Ф. Бернет (1947), «чтобы выжить как вид, па разитирующий микроорганизм должен на каждой стадии своей эво люции обеспечить себе переход в новые восприимчивые клетки но вого организма». Но вирус должен не только уметь проникать в клетку, освобождаться из нее и существовать вне клетки. «Он еще должен научиться не убивать курицу, несущую золотые яйца» (К. Эндрюс, 1969). Как учит экология (Одум, 1986), любой паразит или даже хищник, слишком усердно истребляющий свою жертву,

тем самым лишает свое потомство источника существования. Таким образом, в процессе эволюции наиболее удачливыми паразитами оказываются те, которые наносят не слишком сильный вред своим хозяевам, и между паразитом и хозяином возникает состояние вза имной толерантности. При этом между ними может устанавливать ся такое равновесие, при котором заметные симптомы заболевания отсутствуют (латентная инфекция)4. Вместе с тем для вируса, как для любого паразита, определенная степень патогенности весьма желательна, так как она способствует его распространению. Прек расным примером этого является миксоматоз (см. раздел 8.7).

Исходя из сказанного, понятно, что в преобладающем боль шинстве случаев между вирусом и его обычным хозяином уста

4В «Основах бактериологии для экологов» мы специально останавливались на инди генной микрофлоре человека и животных. При этом подчеркивалось, что наряду с безобидными бактериями в организме имеются и потенциально патогенные микро бы. К этому теперь добавим, что то же относится к вирусам.

36

навливается определенное равновесие. Хозяин стремится ос таться в живых, поэтому силы отбора будут благоприятствовать появлению более устойчивых особей. Вирусу же выгодно не

убивать свою жертву, чтобы не погибнуть самому. Однако орга низмы, благополучно перенесшие однажды вирусную инфек цию, обычно становятся иммунными к повторному заражению тем же вирусом, и с этой точки зрения иммунный организм хо зяина так же бесполезен для вируса, как и мертвый. Поэтому эпидемия любой вирусной инфекции может поставить последу ющее поколение вызвавшего ее вируса на грань существования независимо от того, протекало ли заболевание в слабой или ле тальной форме.

Возникает вопрос: если в отношениях между вирусом и хозяи ном всегда имеется тенденция к достижению равновесия, то поче му же возникают вирусные инфекции? Ответ кроется в том, что между этими двумя сторонами никогда не бывает полного мира – только «вооруженное перемирие».

Одна из форм нарушения равновесия – это интродукция но вых видов хозяев в область распространения вирусов, о чем мы бу дем говорить в дальнейшем. Другой причиной нарушения равно весия может быть занос вируса на новые территории. В качестве примера приведем корь – детскую инфекцию, которая обычно протекает достаточно легко и возникает спорадически. Однако когда корь занесли на Фарерские острова и острова Фиджи, она охватила все население и многих людей привела к смерти.

В заключение опять таки сошлемся на положения общей экологии. Чаще всего периоды равновесия между хищником и его добычей, а также между паразитом и его хозяином резко варь ируют как по длительности, так и по интенсивности. В послед нем случае эти колебания принимают форму резких вспышек и последующего затухания инфекций. Они определяются самыми разными факторами, частично внешнего порядка, частично свя занными с изменениями паразита и хозяина. В случае вирусных инфекций изменения паразита, как правило, являются следстви ем мутаций. Изменения же хозяина могут быть генетического по

рядка, но гораздо чаще – иммунологического. Научно технический прогресс оказывает мощное давление на

экосистемы, вызывая быстрое изменение эпидемиологической обстановки. Укажем лишь на некоторые антропогенные факторы, оказывающие отрицательное влияние на биосферу. Это – загряз нение среды промышленными отходами, избыточное повсемест

37

ное накопление пестицидов, антибиотиков, ряда продуктов но вейших биотехнологий. Это – урбанизация с предельной концент рацией населения в мегаполисах и современные виды транспорта (за 30 часов самолет доставит человека в любую точку планеты). Это – индустриальное животноводство с огромной численностью и плотностью разнородных популяций животных. Все сказанное приводит к значительным изменениям в структуре экосистем, из меняет свойства и пути циркуляции уже известных вирусов и спо собствует включению в эпидемические процессы ранее неизвест ных возбудителей.

8.2. Членистоногие и вирусы

Членистоногие – один из самых многочисленных типов жи вотного мира (известно свыше миллиона видов!). Поэтому вопрос о взаимоотношениях между ними и вирусами требует специально го обсуждения. С одной стороны, членистоногие выступают в ро ли переносчиков вирусов; при этом взаимодействие между ними носит характер нейтрализма или комменсализма. Однако нельзя исключать также взаимодействия типа протокооперации и даже му, туализма, так как симбиоз между обоими партнерами складывал ся в процессе их длительной совместной эволюции. С другой сто роны, членистоногие часто являются жертвами вирусов, которые выступают в роли паразитов членистоногих. В таких случаях от ви русов страдают или только членистоногие, или жертвами вирусов становятся также другие животные. Хорошим показателем адапта ции вирусов к организму членистоногих может служить использо вание in vitro тканей насекомых переносчиков для культивирова ния вирусов растений.

Типичным примером взаимоотношений первого типа (нейт рализма) является роль членистоногих в фитопатологии.

Членистоногие переносчики с колющим хоботком, высасыва ющие сок растений, весьма эффективно переносят вирусы, пос кольку они обладают способностью вводить вирус в относительно глубоко расположенные ткани растения. Наиболее широкий спектр вирусов характерен для тлей, например для Myzus persicae,

которая является переносчиком более 50 различных вирусов кар тофеля, фасоли и других растений.

Различают два типа переноса вирусов растений тлями и други ми насекомыми.

1. Внешний перенос, осуществляемый стилетом насекомого, при котором вирус не циркулирует в организме переносчика.

38

В этом случае вирус адсорбируется на стилете насекомого, когда оно питается на одном растении, и может быть немедленно пере несен на другое растение. Способность к передаче вируса сохраня

ется в течение ряда дней, но после очередной линьки насекомое теряет инфекционность. Специфический характер переноса неко торых вирусов, передаваемых от растения к растению, таким обра зом, говорит в пользу того, что в основе этого типа переноса лежит не просто механический контакт, а какие то иные, более сложные явления.

2. Перенос, при котором имеет место циркуляция и размноже ние вируса в организме переносчика. В этом случае переносчик сохраняет способность передавать вирус другому растению значи тельно дольше, иногда в течение всей своей жизни; при переносе этого типа вирус циркулирует в тканях насекомого и при линьке способность к переносу вируса не теряется. Существенно, что во многих случаях другому растению вирус передается не сразу после питания переносчика на больном растении, а лишь по окончании определенного латентного периода. Продолжительность латент, ного периода (от нескольких часов до нескольких дней) как раз и соответствует тому промежутку времени, который необходим для размножения вируса.

Как указывалось, членистоногие сами могут служить жертва ми вирусов.

Известны различные вирусные болезни насекомых. Некото рые из них поражают полезных насекомых, таких, например, как тутовый шелкопряд, другие же – насекомых вредителей, и в меха низме, контролирующем численность популяции этих насекомых, вирусные заболевания играют важную роль.

Одной из характерных особенностей многих вирусных заболе ваний насекомых является образование в их клетках полиэдричес ких включений. Именно поэтому такие заболевания и были назва ны полиэдрозами. Полиэдры являются специфическими продукта ми жизнедеятельности инфицировавших клетку вирусов. При одних вирусных инфекциях полиэдры образуются в ядре заражен ных клеток, тогда как при других – в цитоплазме. При некоторых

же вирусных заболеваниях насекомых, называемых гранулёзами, в пораженных клетках образуются не полиэдры, а гранулярные включения, или капсулы. Однако иногда патогенные для насеко мых вирусы вовсе не образуют внутриклеточных включений.

Усилия исследователей во всем мире в последней четверти ми нувшего столетия привели к выделению вирусов, которые в естест

39