virology for ekol

венных условиях заражают членистоногих, питающихся кровью позвоночных, размножаются в тканях членистоногих и затем пере даются через укус чувствительному к инфекции позвоночному. В настоящее время известно около 200 видов вирусов, обладающих такими биологическими свойствами. Их назвали вирусами, переда, ющимися членистоногими (arthropod borne viruses), или сокращен но «арбовирусами».

Арбовирусы широко распространены по земному шару. Но особенно богаты ими тропические области, где существуют эн демичные регионы, в которых вирусов гораздо больше, чем в других местах. Примерами их могут служить отдельные районы бассейна реки Амазонки, болота Тринидада и некоторые облас ти Того. Многочисленные очаги арбовирусных инфекций име ются также на территории России, в частности в Сибири и на Дальнем Востоке.

Переносчиками многих арбовирусов являются комары Culex и Aedes. Вирусы размножаются в клетках кишечника комаров, а затем проникают в гемолимфу и в слюнные железы, где остают ся до тех пор, пока не будут переданы самкой комара вместе со слюной во время кровососания какому нибудь позвоночному (кровососами являются только самки комаров). Все это требует некоторого времени, поэтому комары обычно не являются за разными до тех пор, пока вирус не закончит цикл развития в их организме. Этот период называют внешним инкубационным пе риодом в противоположность внутреннему инкубационному пе

риоду, т. е. периоду между укусом комара и развитием заболева ния у укушенного человека или животного. Насколько известно, арбовирусы совершенно безвредны для своих насекомых пере носчиков, но комары сохраняют инфекционность в течение всей жизни.

Большинство вирусов переносится только каким нибудь од ним видом или несколькими родственными видами комаров.

Размножаясь в тканях инфицированных животных, вирус ра но или поздно попадает в кровь. Возникает виремия, без которой передача вируса другому комару невозможна. Таким образом, размножение вируса именно в двух хозяевах является необходи мым условием для сохранения вируса в природе.

Надо иметь в виду очень важное обстоятельство: комары могут передавать вирус как животному, естественному резервуару вируса, так и другим позвоночным, в том числе и тем, которые служат эпи

демическим тупиком; при этом последние заболевают и даже по

40

гибают от инфекции, но источником ее не являются, в частности из за отсутствия или кратковременности виремии. Тут важно так же подчеркнуть, что в большинстве случаев человек является од

ним из таких «тупиков». Исключение составляют лишь такие ли хорадки, как желтая, москитная, денге, чикунгунья и о'ньонг ньонг, при которых преобладает антропонозный тип циркуляции возбудителей.

Особо следует остановиться на клещах Ixodes и Dermacenter, поскольку в отличие от комаров они являются как переносчиками, так и резервуарами арбовирусов. Это обусловлено тем, что арбови русы заражают клещей в любой фазе их метаморфоза, т. е. личи нок, нимф и имаго, а также передаются потомству через яйца – трансовариально. Все это позволяет арбовирусам сохраняться в клещах круглый год и объясняет причину необычайно широких ареалов соответствующих инфекций.

Естественными хозяевами клещей служат мелкие грызуны и более крупные млекопитающие, а также птицы. При этом птицы играют особенную роль, так как способствуют переносу зара женных клещей на большие расстояния. Небезынтересно отме тить, что ряд животных, прокормителей клещей, невосприимчи вы или относительно резистентны к арбовирусным инфекциям. Однако они могут выступать в роли «усилителей инфекции» для восприимчивых животных, так как увеличивают численность клещей.

Клещи являются переносчиками и хранителями арбовирусов, вызывающих ряд тяжелых заболеваний людей, в частности дальне восточный и центрально европейский энцефалиты, омскую гемор рагическую лихорадку и лихорадку Конго Крым.

8.3. Простейшие и вирусы

Относительно недавно вирусы были обнаружены и у простей ших – Trichomonas vaginalis, Giardia lamblia, Leishmania braziliensis, Eimeria spp. и Babesia spp. Все эти вирусы обладают сходными свой ствами, а именно они содержат двухнитчатую РНК, размер кото рой составляет 5–7 т.п.о., и имеют сферическую или икосаэдри

ческую форму с диаметром 30–40 нм.

Из числа вирусов простейших лучше всего изучен гиардиави рус, который может инфицировать изолированные трофозоиты G. lamblia (из инфицированных клеток выделены репликативные формы вируса). Было высказано предположение, что кишечные простейшие могут служить векторами возбудителя СПИДа. Оказа

41

лось, что в лабораторных условиях из двух видов простейших –

G. lamblia и Entamoeba histolytica ВИЧ 1 инфицирует только вторую. Выяснилось также, что ВИЧ 1 обнаруживается и у амеб, выделен ных от больных СПИДом. Однако ВИЧ 1 мононуклеарам челове ка от зараженных амеб не передается.

Наряду с указанными вирусами у амебы Acanthamoeba polyphaga обнаружили необычный вирус – Mimivirus, геном кото рого представлен двухнитчатой ДНК. По своим размерам (750 нм), длине генома (1,2·106 пар оснований) и способности кодировать образование свыше девятисот белков этот вирус пре восходит все известные вирусы и приближается к мелким бакте риям (рис. 11).

8.4. Грибы и вирусы

Международным комитетом по таксономии вирусов зареги стрированы три семейства миковирусов. Наиболее изучены представители семейства Totiviridae. Большинство этих вирусов имеют форму икосаэдра с диаметром 30–45 нм, а их капсиды состоят из белка однородного типа, обволакивающего двухнит чатую РНК.

Вирусы найдены у множества видов грибов, которым они не причиняют явного вреда. Круг хозяев каждого вируса весьма узок, но иногда один гриб может заражаться несколькими вирусами.

Вирусы грибов лишены тех свойств, которые помогают виру сам животных и фагам заражать их хозяев. Считают, что это связа но с особенностями строения клеточной стенки грибов, а именно с тем, что ригидная стенка грибов состоит из хитина. Так или ина че, но механизм заражения грибов вирусами пока не ясен. Извест но лишь, что от одного гриба к другому вирусы передаются поло выми или бесполыми спорами либо при слиянии гиф.

О роли миковирусов в фитопатологии упоминается ниже. Здесь же укажем на весьма любопытный факт, а именно на способ ность некоторых миковирусов понижать патогенность грибов. В перспективе это сулит создание более эффективных методов борьбы с заболеваниями растений, которые вызывают грибы.

8.5. Растения и вирусы

Подавляющее большинство вирусов растений, а их общее чис ло достигает 700, относится к числу мелких вирусов, геном кото рых представлен одноцепочечной РНК. Гораздо меньше вирусов растений, содержащих двуцепочечную РНК, и до недавнего вре

42

мени был известен только один ДНК вирус. Вопрос о том, почему среди вирусов растений преобладают вирусы, геном которых представлен одноцепочечной РНК, ждет ответа.

Ниже приводится таблица, содержащая некоторые сведения о вирусах (табл. 4).

Таблица 4

Некоторые из основных групп вирусов растений

(Лурия и Дарнелл, 1970)

П р и м е ч а н и е. В таблице приведены тривиальные названия вирусов, которые признаются многими фитопатологами.

Как и в случае других вирусов, для существования вируса рас

тений необходимы эффективные способы заражения хозяина. Од нако в отличие от животных растения, как и грибы, обладают толс той, ригидной клеточной стенкой, состоящей в основном из це люллозы, – барьер, который вирусы преодолеть не в состоянии. Поэтому заражение растений вирусами происходит только в тех случаях, когда клеточная стенка повреждена.

43

Распространение вирусов растений происходит через воздуш ную среду и почву.

Распространение вирусов через воздушную среду осуществля ется летающими членистоногими, которые питаются на живых зе леных наземных растениях, в первую очередь тлями и цикадками, прямокрылыми – гусеницами, жуками, а также клещами.

Ротовой аппарат тлей и цикадок снабжен особым образовани ем – стилетом, способным прокалывать прочную клеточную стен ку растений, и передача вирусов растениям или заражение насеко мых происходит в процессе их питания. То же происходит в случае насекомых, обладающих грызущим ротовым аппаратом.

По типу взаимоотношений с переносчиками вирусы расте ний принято делить на неперсистирующие и персистирующие (или циркулирующие). Как уже указывалось (см. раздел 8.2), пер вые сохраняются в переносчиках только короткое время, тогда как вторые обычно находятся в них долгое время, иногда в тече ние нескольких недель или месяцев. Последние представляют особый биологический интерес, поскольку такие вирусы можно считать вирусами и растений, и животных5. Тут же укажем, что в передаче вирусов наблюдается известная специфичность: каждый вид насекомых переносит только определенные виды вирусов.

Вбольшинстве случаев от паразитирования на больных расте ниях насекомые не страдают. Однако есть данные и о вредном воз действии вирусов растений на здоровье и продолжительность жиз ни насекомых. С другой стороны, обнаружены факты, что погиба ющие при питании на здоровых растениях нимфы 9 видов цикадок успешно развивались на сельдереях или астрах, зараженных кали форнийским вирусом желтухи астр.

Заражение растений вирусами может приводить или к чисто ло кальным заболеваниям, или к развитию системных инфекций, охваты вающих большую часть растения. Помимо этого некоторые вирусы способны заражать растения, относящиеся к разным семействам, и, подобно вирусам животных, могут сохраняться в латентном состоянии.

Враспространении вирусов растений через почву основная роль принадлежит круглым червям – нематодам. Нематоды явля

ются эктопаразитами растений и, подобно тлям и цикадкам, имеют довольно длинные стилеты. Они обитают на эпидермисе корней и при питании делают проколы, обычно вблизи корневого чехла.

5Некоторые авторы полагают, что подобные вирусы все же более специфичны для пе реносчиков, чем для растений, а это наводит на мысль о том, что по крайней мере некоторые вирусы растений произошли от вирусов членистоногих.

Нематоды, однажды получившие вирус, сохраняют способ ность заражать растения в течение долгого времени.

Среди нематод, как и в случае насекомых, «универсальных»

переносчиков вирусов нет: для каждого представителя нематод характерна способность переносить лишь определенные виды ви русов. В то же время нематоды могут получать и передавать два разных вируса. Это происходит в результате питания их как на рас тениях, зараженных сразу двумя вирусами, так и на растениях, за раженных каждым из вирусов в отдельности.

Помимо нематод, в распространении некоторых вирусов че рез почву участвуют грибы – облигатные внутриклеточные парази ты, заражающие корни растений: имеются указания на то, что пе редача вирусов в этом случае связана с инфицированными зооспо, рами грибов. Тут же следует заметить, что почвенные переносчики ряда вирусов до сих пор не выявлены.

Говоря о растениях, нельзя обойти молчанием механический способ заражения их вирусами. Вирус табачной мозаики, например, может распространяться через обувь, а путь трактора, несущего на себе инфекцию, бывает отмечен полосой больных растений. В случа ях, когда растения посажены так тесно, что соприкасаются, инфек ция может передаваться от одного хозяина к другому. Немалую угро зу для здоровых растений представляет также вегетативная гибриди зация, если для нее используют черенки, зараженные вирусами.

Механическому способу распространения вирусов растений способствует их сравнительно высокая устойчивость к различным неблагоприятным факторам окружающей среды. Известно, что многие вирусы способны к кристаллизации6 (рис. 12). Возможно, что некоторые вирусы этого типа когда то передавались насекомы ми, но приобрели высокую устойчивость и стали передаваться дру гими способами.

Распространение вирусов на относительно большие расстоя ния, вероятно, происходит время от времени естественным путем. Так, в Скандинавии была отмечена вспышка желтухи свеклы, ко торую связывали с миграцией массы крылатых тлей с европейско го континента. Но основную ответственность за перенос вирусных

инфекций на большие расстояния, несомненно, должен нести че ловек. Вирусы переносятся растениями, семенами, клубнями, предназначенными для торговли, или вследствие миграции людей. Тот факт, что вирус табачной мозаики может сохранять инфекци

6Впервые это было показано в 1935 году У. Стэнли на примере вируса табачной мо заики.

онность в курительном табаке, по видимому, объясняет его прису тствие везде, где имеются табачные плантации. К сожалению, ис ключить человеческий фактор в распространении вирусных забо леваний растений очень трудно.

Роль человека в распространении вирусов растений стоит рас смотреть подробнее. Человек способствует распространению ви русов в посевах, между посевами в пределах континента (внутри континентальное распространение) и между разными континента ми (межконтинентальное распространение). Особенно велика его роль в двух последних случаях.

Распространение вирусов на небольшие расстояния происхо дит разными способами: на сельскохозяйственных орудиях, на шерсти животных, в комочках почвы, прилипшей к обуви или гу сеницам тракторов, и т.д. При вспашке, культивации и т.п. неиз бежно происходит перераспределение не только самой почвы, но и находящихся в ней переносчиков вирусов (нематод, грибов). Кро ме того, при таких операциях растениям нередко наносятся пов реждения, через которые могут внедряться вирусы. Аналогичный результат дает эрозия почвы.

Расселению вирусов способствует пересадка растений и уборка корнеплодов (с извлекаемых из земли корней всегда осыпаются ко мочки почвы). Некоторые вирусы переходят с больных растений на здоровые при обрезке или подвязке растений или при резке клуб ней картофеля (перед посадкой). Существует и много других путей расселения вирусов. При опрыскивании посевов с низко летящих вертолетов возникают сильные завихрения воздуха; эти вихри подхватывают и рассеивают по полю большое количество расти тельных остатков.

Вирусы, как и другие патогены, распространяются при между народной торговле растениями. Торговля семенами и другим рас тительным материалом – зерном, фруктами, овощами, раститель ным волокном и цветами – приобрела в последнее время небыва лый размах и ведется быстрее, чем когда либо раньше.

Внекоторых случаях вирус не играет важной роли у себя на родине, но становится вредоносным, придя в контакт с новыми,

часто более восприимчивыми к нему сортами и разновидностями растения хозяина, произрастающими к тому же в иных климати ческих условиях.

Вкачестве возбудителей болезней растений вирусы уступают только грибам. Тем не менее потери от них, особенно картофеля, томатов и табака, весьма велики. Однако от вирусов страдают не

46

только культурные растения. Так, в Канаде, например, вирусными инфекциями поражено примерно 10 % дикорастущих деревьев. Интересно, что подавляющее большинство деревьев, которые за

ражают вирусы, относится к числу покрытосеменных.

8.6. Бактерии и вирусы (бактериофаги)

Бактериофаги выявлены у представителей почти всех таксо номических групп микробов. Они отличаются высокой специфич ностью, что используется в микробиологической диагностике (фа, готипирование), а некоторые фаги применяют для лечения и про филактики соответствующих инфекций.

Подавляющее большинство фагов имеет гексагональные голов ки, содержащие только один тип нуклеиновой кислоты. У некото рых фагов от головки отходит более или менее длинный отросток («хвост»), который служит для адсорбции фага и вспрыскивания в клетку бактерий нуклеиновой кислоты (рис. 3, 5, 12). Имеются так же длинные нитевидные фаги (рис. 5). На основании морфологи ческих признаков и типа нуклеиновой кислоты Д. Бредли (D. Bradley, 1967) разделил все фаги на шесть групп (табл. 5)7.

Столь своеобразное строение фагов, отличающее их от других вирусов, объясняется наличием у бактерий ригидной клеточной стен ки, что исключает возможность проникновения фагов в бактериаль ные клетки путем пиноцитоза или виропексиса. Последнее обстоя

тельство заставило фаги приспособиться к другим путям инфициро вания их хозяев, и именно это нашло отражение в их структурах.

7Сейчас все фаги относят к особому порядку царства вирусов с семнадцатью семей ствами и тремя неклассифицированными или «плавающими» группами (см. H.W. Ackermann // Arch. Virol. – 2007. – Vol. 152. – P. 227–243).

47

В случае фагов групп A, B и С с момента встречи с бактериаль ной клеткой и до высвобождения потомства фага развертываются следующие события:

адсорбция фага на соответствующих рецепторах клетки; впрыскивание генома фага в клетку; внутриклеточное размножение фага, в ходе которого никаких

внешних проявлений фаговой инфекции нет (латентный период); лизис клетки.

Сразу же после заражения вирулентным фагом в клетке начи нается репликация его ДНК и происходит синтез фаговых белков – процессы, которые осуществляются ферментами хозяина. Затем происходит формирование частиц вируса и под контролем генома фага образуется лизоцим, необходимый для лизиса клетки. Этим заканчивается латентный период – высвобождаются зрелые части цы фага, способные инфицировать новые бактерии. Таким обра зом, вирулентные фаги подобны настоящим хищникам.

Иначе складывается ситуация в случае умеренных фагов, кото рая больше напоминает картину симбиоза паразитического или да же мутуалистического типа. При проникновении в клетку геномы таких фагов – профаги обычно встраиваются в хромосому хозяина и реплицируются в ее составе. Бактерии при этом выживают и нор мально делятся. В большинстве зараженных клеток структурные ви русные белки не образуются, так как геномы фагов зарепрессирова ны. Однако в отдельных случаях профаги могут дерепрессироваться, что приводит к началу литического цикла (как в случае вирулентных

фагов) и высвобождению зрелых вирионов (индукция профага). Описанное взаимодействие вируса с клеткой хозяина называ

ется лизогенией, а зараженные клетки, обладающие способностью продуцировать зрелые частицы фага, называются лизогенными. Важно отметить, что лизогенизированные клетки не чувствитель ны, т.е. иммунны к гомологичному фагу8.

Отметим так называемые «половые» фаги, которые распозна ют штаммы грамнегативных бактерий, несущих конъюгативные плазмиды. Подобные фаги распространены, главным образом, среди энтеробактерий, но встречаются также у других бактерий, в

частности у псевдомонад. Однако дальше речь пойдет в основном о кишечных фагах, которые относятся к двум группам по Бредли – F (фаги fd, f1, M13, If1 и др.) и E (фаги f2, MS2, Qβ и др.).

8От истинной лизогении надо отличать псевдолизогению, т.е. носительство фага популяциями бактерий, состоящими из чувствительных и резистентных к бакте риофагу клеток.

Мы предполагаем,что половые фаги являются ровесниками конъюгативных плазмид, «научившимися» в процессе эволюции использовать половые пили в качестве ворот на пути в клетки.

Рецепторы половых фагов находятся на пилях, причем рецеп торы нитевидных фагов располагаются на верхушках пилей, а «РНКовых» – на их боковых поверхностях.

Между двумя группами половых фагов есть еще одно отличие: РНКовые фаги вызывают лизис клеток, в то время как нитевидные фаги клетки не лизируют, а высвобождаются через щели в клеточ ной стенке и поэтому на газоне чувствительной культуры никогда не дают прозрачных пятен; сами клетки теряют цитоплазму и превращаются в «тени», содержащие различное число мезосом.

Важной особенностью многих фагов является способность пе реносить бактериальные гены – трансдукция. Различают специфи, ческую и общую трансдукцию.

Специфическая трансдукция характерна для умеренных фагов. Это связано с тем, что их профаги существуют в составе хромосомы бактерий и при индукции, т.е. при превращении профага в зрелый фаг, могут захватывать бактериальные гены, располагающиеся с од ной или другой стороны от места включения профагов в хромосому («незаконная рекомбинация»). При этом профаг теряет часть своей ДНК и из него образуются дефектные фаги, которые сами по себе к вегетативному размножению не способны. Однако последнее ста новится возможным в присутствии фага помощника, т.е. нормаль ных фаговых частиц, и именно тогда в популяции бактерий появля ются клетки с необычным фенотипом – трансдуктанты. Механизм их возникновения заключается во встройке генома дефектного фа га в хромосому нового хозяина и экспрессии генов, захваченных при индукции профага у прежнего хозяина.

Разные умеренные фаги, вернее, их профаги встраиваются в разные участки бактериальной хромосомы и поэтому при транс дукции вызывают образование трансдуктантов с неодинаковыми фенотипами.

При специфической трансдукции в частице трансдуцирующе го фага фрагменты бактериальной хромосомы всегда ковалентно

связаны с фаговой ДНК и размер их очень небольшой. В отличие от этого при общей (иногда ее называют также неспецифической) трансдукции частицы трансдуцирующего фага представляют со бой в основном кусок бактериальной ДНК, упакованный в фаго вую оболочку. Это происходит в процессе сборки капсида фага, когда уже начинается дезинтеграция клетки хозяина и формиру

ются зрелые частицы фага. Но в лизатах клеток число подобных частиц невелико. Тем не менее когда ДНК такой необычной час тицы при содействии фага помощника, т.е. нормального фага, попадает в клетку реципиента и она не лизируется, то между фраг ментом чужой ДНК и гомологичным участком хромосомы реци пиента может происходить рекомбинация. Результатом ее и ока зываются те редкие рекомбинанты, которые приобретают новые свойства (трансдуктанты)9. Опять таки, в отличие от специфической трансдукции, при общей трансдукции одним и тем же «фаголиза том» могут переноситься любые гены клетки донора, в чем легко убе диться путем использования надлежащих методов селекции транс дуктантов (отсюда и название – «неспецифическая» трансдукция). Однако, поскольку геномы фагов намного меньше геномов бакте рий, то естественно, что фаги могут переносить лишь фрагменты бактериальной ДНК, не превышающие 2–2,5 % от ее длины. Поэто му трансдуцируются только близко расположенные гены, что ис пользуется для тонкого картирования бактериальных генов (при кар тировании с помощью конъюгации это практически невозможно).

Отсутствие фаговой ДНК в трансдуцирующих частицах объяс няет, почему соответствующие трансдуктанты нелизогенны и не обладают иммунитетом против заражения гомологичным фагом (еще одно важное отличие от «специфических» трансдуктантов).

Трансдуцирующие фаги широко распространены среди раз личных видов бактерий. Способность к трансдукции, правда лишь плазмид, установлена даже у нитевидных мужских фагов M13 и fd, а также у фага PRD110. В этой связи возникает вопрос, а не является ли распространение плазмид одной из функций ДНК содержащих мужских фагов? С другой стороны, имеются указания, что из за особенностей прикрепления к половым пи лям РНКовые фаги препятствуют конъюгации. Подчеркнем, что ни один из РНКовых фагов клетки не лизогенизирует и к транс дукции не способен11.

Из изложенного следует, что новые свойства, появляющиеся у бактерий при трансдукции, обязаны генам бактерий, которые привносятся фагами. Однако известно немало случаев, когда не

которые свойства бактерий определяются только фаговыми гена ми. Эти свойства проявляются лишь в лизогенных или заражен

9В отдельных случаях рекомбинация не происходит. Поскольку при этом привне сенный фрагмент чужой ДНК не реплицируется, то при делении клеток он быстро элиминируется (абортивная трансдукция).

10У полового фага псевдомонад (собственные данные).

11В отличие от ряда вирусов животных РНК содержащие фаги ревертазу не образуют.

ных фагами штаммах и никогда не регистрируются в штаммах, свободных от фагов. Приобретение новых свойств бактериями исключительно в результате фаговой инфекции называется фаго, вой конверсией, типичным примером которой служит токсиген ность возбудителя дифтерии. Этот микроб образует токсин только тогда, когда он заражен фагом, несущим tox ген. Таким образом, конверсия принципиально отличается от специфической транс дукции, поскольку в последнем случае фаг переносит гены, кото рые в норме обнаруживаются в хромосоме клетки донора. Кроме того, есть еще два отличия. Во первых, частицы фага, вызываю щего конверсию, совершенно нормальны и способны осущес твлять все фаговые функции, в то время как специфически транс дуцирующие фаги обычно дефектны, так как теряют часть генома в момент индукции их профагов. Во вторых, способностью к кон версии обладают все частицы популяции соответствующего фага и конвертанты возникают с большой частотой, а в случае транс дукции новые свойства реципиентным клеткам могут сообщать лишь единичные частицы фага и появление трансдуктантов – от носительно редкое явление.

Вопрос о происхождении конвертирующих фагов остается открытым, хотя есть предположение, что в процессе эволюции хромосомы бактерий и фагов имели общих предшественников.

Заканчивая этот раздел, подчеркнём, что до последнего време ни роль фагов в эволюции бактерий явно недооценивали. Теперь же можно смело утверждать, что в горизонтальном переносе генов они имеют не меньшее, а возможно, и большее значение, нежели конъюгация и трансформация. Осознанию этого факта способст вовали, в частности, многочисленные данные о способности фагов длительное время сохраняться в окружающей среде (в почве, воде) без потери инфекционности. Впрочем, то же относится к другим вирусам, что служит основанием для возрождения гипотезы о древнем происхождении вирусов и их роли в эволюции клетки (см. главу 9).

8.7. Человек и вирусы

Благополучие и здоровье человека во многих отношениях за висит от вирусов. Поэтому здесь мы рассмотрим ряд ситуаций, в которых человек либо способствовал распространению вирусов, либо, напротив, находил способы подавить их активность.

Человек создает благоприятные для вирусов условия или пред намеренно, или, что гораздо чаще, не умышленно. С переменным

успехом, как писал К. Эндрюсс (1969), он использовал возбудителя миксоматоза для регулирования численности кроликов и вирусы, патогенные для насекомых, для борьбы с пильщиками и другими

вредителями леса и культурных растений. Однако вместе с тем че ловек интродуцирует домашних животных – лошадей, крупный рогатый скот, свиней, овец – в районы, где распространены энде мичные вирусы, безвредные для местных видов животных, но представляющие серьезную, часто смертельную, опасность для интродуцированных животных. Примерами таких вирусных ин фекций могут служить лошадиный энцефаломиелит, острый инфекционный катар, африканская чума свиней и ряд других. Иногда человек, сам того не зная, переносит вирусы, безвредные для животных, обитающих на родине этих вирусов, в области, где они оказываются далеко не безобидными; иллюстрацией служит распространение некоторых вирусных заболеваний овец в Ислан дии. Создавая «чистые культуры», примерами которых могут слу жить стада однопородных животных и монокультуры растений, че ловек благоприятствует распространению вирусов, которые в иных условиях не имели бы большого значения. Изменения окружаю щей среды, возникающие при расчистке лесов, осушении земель или создании оросительных систем, создают условия для появле ния новых эндемичных очагов и возникновения массовых заболе ваний. Наконец, имеются примеры того, что даже повышение уровня гигиены, которое сыграло решающую роль в борьбе с тифом и другими бактериальными инфекциями, повышает опасность раз вития паралитической формы полиомиелита.

Следует подчеркнуть, что, защищая себя или животных, человек лишь в редких случаях может серьезно вмешиваться в экологию ка кого нибудь вируса или добиваться его искоренения. Как известно, резервуарами очень многих вирусов служат различные виды диких животных, так что полностью истребить их можно было бы лишь в случае полного истребления этих животных, что привело бы к гло бальному изменению экологии на Земле. Примером того, насколько осторожно надо подходить к этой проблеме, может служить попытка бороться с клещами – переносчиками клещевого энцефалита с по

мощью ДДТ: повторное опыление лесных насаждений этим препара том (или другими инсектицидадами) уничтожало почти всех клещей; однако при этом погибали и другие живые организмы, вследствие чего нарушалось равновесие в природе. Подобное вмешательство оказалось оправданным на огромных просторах Сибири, где леталь ность от клещевого энцефалита среди невакцинированных людей

достигает 30–40%, а клещ Ixodes persulcatus почти в 100 % случаев яв ляется носителем вируса. Но из за угрозы экологической катастро фы оно оказалось совершенно недопустимым в Средней Европе, где

клещевой энцефалит встречается достаточно редко.

Сказанное, однако, не означает, что человек бессилен перед ви русами. Для защиты от них существует много способов, и одним из них является вакцинация. Лучшей иллюстрацией этого является пол ная ликвидация страшного бича человека – натуральной оспы. Но в случае других вирусных инфекций, для которых человек не является единственным резервуаром вируса, вакцинация не может способ ствовать искоренению инфекции, так как сама по себе на экологию вирусов вакцинация не влияет. Пожалуй, единственным исключени ем можно было бы считать желтую лихорадку, решающую роль в ус пешной борьбе с которой в городах сыграло сочетание вакцинации с устранением условий для размножения синантропного переносчика вируса – Aedes aegypti. Тем не менее, несмотря на прекрасную вакци ну, до полного искоренения этого заболевания еще очень далеко. Причина этого кроется в том, что помимо очагов желтой лихорадки городского типа в Южной Америке были выявлены «сельские очаги», резервуаром вируса в которых являются обезьяны, а переносчиком – комары Haemagogus, живущие на вершинах деревьев.

Несмотря на сказанное, к вакцинации стараются прибегать во всех случаях, когда она возможна, и одним из таких примеров может служить полиомиелит. Уверенность в возможности искоре нения полиомиелита вселяет то, что ее возбудитель – один из эн, теровирусов – поражает только человека и некоторые виды обезь ян. К тому же созданы две высокоэффективные вакцины – убитая вакцина Солка и ослабленная живая вакцина Сэбина (оба типа вакцины чаще всего готовят из вируса, выращенного в культуре обезьяньей почки)12. Однако сомнения в том, что эту инфекцию удастся победить, как оспу, все же остаются. Причина этого кро ется в следующем: убитая вакцина Солка создает гуморальный иммунитет, но не предотвращает персистенции вируса в кишеч нике. Поэтому вакцинированные лица могут служить источником живого вируса и заражать неиммунизированных окружающих.

Недостатком же живой вакцины Сэбина является то, что в резуль тате мутации, высокая частота которых весьма характерна для ви руса полиомиелита, у вакцинированных людей подчас возникают параличи, а иногда они погибают.

12В России детей прививают живой аттенуированной вакциной. Разрешено также применять вакцину Солка.

Трудности борьбы с полиомиелитом усугубляет высокая ус тойчивость вируса в окружающей среде. Кроме того, высказыва ются опасения, что место этого вируса может занять какой нибудь другой энтеровирус, который будет вызывать заболевание, сходное по клинике с полиомиелитом.

Помимо вакцинации важное место в защите от вирусных ин фекций, как, впрочем, и от других патогенов, принадлежит различ ным санитарно гигиеническим мероприятиям, дающим хорошие результаты. Напомним хотя бы об успехах борьбы с гепатитами или СПИДом, достигнутыми благодаря применению одноразовых шприцов. Не меньшее значение имеет также уменьшение или пол ное исключение контакта с природными очагами вирусных инфек ций или больными домашними животными. В этой связи следует напомнить и о таких важных мерах, как карантин и запреты на ввоз в страну больных животных.

54

Глава 9

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ

ÈЭВОЛЮЦИИ ВИРУСОВ

9.1.Происхождение

Этот вопрос обычно рассматривается в рамках трех основных концепций.

Регрессивная эволюция. Эти теории рассматривают возникно вение вирусов как следствие деградации одноклеточных парази тов. Гипотеза регрессивной эволюции легче других согласуется с привычными постулатами эволюционной теории. Слабым местом концепции является невозможность объяснить возникновение РНК вирусов, хотя некоторые исследователи пытаются связать его с вироидами (см. выше), которые случайно приобрели способ ность к репликации. Но если так, то это уже результат не регрес сивной, а прогрессивной эволюции.

Клеточное происхождение. Происхождение вирусов из от дельных клеточных генов или органелл имеет больше сторонни ков. В качестве одного из аргументов они приводят крупные ДНК содержащие вирусы, которые кодируют вроде бы не нуж ные им ферменты, возможно, доставшиеся им от более сложных предшественников, например микоплазм или риккетсий. Силь ной стороной данной концепции является то, что она объясняет причину тропности и высокой специализации вирусов как пара зитов. Однако эта концепция плохо согласуется с фактами сме ны хозяев в циклах репродукции многих вирусов (например, че ловек – комар).

Независимое происхождение. Данная концепция рассматривает вирусы как потомки доклеточных форм жизни. Зародившись в до биотический период, вирусы, как простейшие организмы, могли сохраниться и эволюционировать, перейдя к паразитическому об

разу жизни. Данная концепция представляется наиболее плодо творной. Она открывает подходы не только к частному случаю происхождения вирусов, но и к общей, фундаментальной пробле ме происхождения жизни. Вместе с тем следует еще раз напом нить, что вирусы используют тот же генетический код, что и кле точные организмы, а синтез их белков нуждается в рибосомах,

55

транспортных РНК и многих ферментах, хотя и поставляемых клеткой хозяином13.

9.2. Эволюция

Имеются веские основания полагать, что Мировой океан яв ляется «родиной» вирусов, численность которых в нем поистине колоссальна и которые в силу этого контролируют развитие планктона и микроорганизмов. Так или иначе, но эволюция боль шинства известных вирусов в первую очередь неразрывно связана с эволюцией наземных организмов, на которых они паразитиру ют, причем многие считают, что этим и объясняется разнообразие вирусов14.

Вирусы не оставили следов в палеонтологической летописи. Даже если принять самые смелые интерпретации поражений, об наруженных у египетских мумий или в ископаемых костях челове ка и животных, то в масштабах эволюции это следы сравнительно недавних событий. Однако ретровирусы – древнейшие из числа вирусов животных – являются перспективными объектами для исследования различных аспектов эволюционных связей. Поми мо того что эти вирусы захватывают чужеродные гены, их внут ренние антигены недоступны для антител и поэтому избегают се лективного давления в иммунных организмах. Учитывая высокую тропность многих ретровирусов и их способность эволюциониро вать в составе клеточного генома, можно допустить, что перекре стные реакции между внутренними антигенами ретровирусов, происходящих от разных позвоночных, отражают степень родства между хозяевами. Исследование антигенных связей у ретровиру сов обезьян Старого и Нового Света, у низших позвоночных и австралийских сумчатых (Австралия географически была изоли рована 100 млн лет назад) – это путь к установлению эволюцион ных связей и генетического родства не только у вирусов, но и сре ди их хозяев.

Вирусы имеют преимущества перед всеми представителями живой материи: они размножаются так быстро и производят за ко роткий срок такое множество потомков, что их эволюция под

действием естественного отбора происходит несравненно быстрее,

13В 2002 г. в Нью Йоркском университете под руководством доктора Эккарта Уим мера впервые в мире был создан искусственный вирус – двойник вируса полио миелита. Возможно, что в дальнейшем подобные работы помогут приблизиться и к решению вопроса о происхождении вирусов.

14По нашему мнению, хорошим примером коэволюции вирусов и хозяев является появление половых фагов грамнегативных бактерий (см. выше).

чем эволюция более крупных существ (некоторые фаги, например, могут давать потомство в течение 20 мин!).

Помимо скорости размножения эволюции вирусов способ

ствует еще одно обстоятельство, а именно своего рода космополи тизм – круг хозяев вирусов поистине почти не ограничен. Напом ним еще раз хотя бы о вирусах, которые размножаются и в расте ниях, и в насекомых и которые поэтому следует рассматривать как вирусы растений и насекомых.

С другой стороны, обладая уникальной способностью к перено су ДНК через видовые барьеры, вирусы, как упоминалось, несомнен но, играли важную роль в эволюции других организмов. Рекомбини руя с хромосомами клеток хозяев, вирусы захватывают фрагменты хромосом и переносят их в другие клетки или другие организмы (ти пичным примером могут служить процессы трансдукции и конверсии у бактерий). Кроме того, включившись в геном хозяина (интеграция), вирусные ДНК (провирусы) могут становиться постоянными компо нентами генома многих организмов. И хотя эти ДНК теряют способ ность образовывать полноценные вирионы, они все еще могут коди ровать белки, причем некоторые из них оказываются полезными для клетки. Вирусы, следовательно, открывают для эволюции такой путь, как смешение генофондов различных организмов.

Одним из показателей эволюции вирусов является их измен чивость, которая происходит прямо на наших глазах. Примером этого может служить история с вирусом миксоматоза, подробно описанная К. Эндрюсом. Вирус миксомы был использован для борьбы с кроликами там, где их численность возросла до катастро фических размеров, например в Австралии. После первой неудачи там в 1950 году добились большого успеха: эпизоотия на кроликах распространилась в радиусе 800 км15. Интенсивная эпизоотия сре ди кроликов продолжалась в течение нескольких лет, причем ле тальность среди животных местами достигала почти 100 %. Одна ко постепенно эпизоотии пошли на убыль. Причиной этого яви лось появление иммунной прослойки среди грызунов и, как след ствие, падение вирулентности возбудителя.

Другим примером эволюции вирусов служат вирусы типа А.

В промежутках между драматическими пандемиями (1890, 1919, 1958, 1969 гг.) каждые 2–3 года возникали и возникают сейчас эпи демии меньшего масштаба. Доказано, что причина таких локаль ных эпидемических вспышек кроется в антигенном дрейфе, т.е.

15 Для других животных, включая сумчатых, вирус оказался безвредным.

точечных мутациях в одном из генов поверхностных белков виру са – гемагглютинина или нейраминидазы. Эволюционно антиген ный дрейф обусловлен отбором мутантов с измененными антиге нами при распространении вируса в иммунных популяциях, когда такие мутанты получают некоторое преимущество при размноже нии в присутствии противовирусных антител.

Пандемические штаммы вируса гриппа имеют иную приро ду. Они – результат затронувших многие антигены рекомбина ционных событий, которые с высокой частотой происходят меж ду штаммами разных хозяев: птиц, свиней, человека. Источни ком многих пандемических штаммов вируса гриппа служила Юго Восточная Азия. Своеобразие этого региона планеты не только в плотности населения и хозяйственной круглогодичной деятельности, но и в интенсивности и уровнях межвидовых кон тактов. К тому же этот регион лежит на излюбленных путях пе релетных птиц.

Говоря о гриппе, нельзя не затронуть проблему птичьего грип па – инфекцию, вызываемую штаммом H5N1 вируса типа А.

Как упоминалось, для вируса гриппа типа А характерно нали чие двух обязательных белковых компонентов – гемагглютинина

(H) и нейраминидазы (N). Существует 13 вариантов гемагглюти нина и 9 нейраминидазы. Именно по этим компонентам один штамм отличается от другого. Так что H5N1 – это всего лишь один из возможных вариантов вируса гриппа.

Штамм H5N1 отличается высокой вирулентностью и вызыва

ет поголовную гибель восприимчивых к нему птиц. Но штамм оказался патогенным и для человека. Все имеющиеся данные сви детельствуют о том, что основной причиной инфицирования лю дей вирусом H5N1 служит тесный контакт с мертвыми или боль ными птицами. Наиболее опасными считаются забой, ощипыва ние, разделка и подготовка к употреблению в пищу инфициро ванных птиц. В некоторых случаях источником инфекции был признан куриный помет. Купание в водоемах, в которые сбрасы вались тушки инфицированных птиц и которые могли быть за грязнены пометом инфицированных уток или других птиц, также может приводить к инфицированию. К счастью, видовой барьер для штамма H5N1 пока достаточно высок. Несмотря на инфици рование с середины 2003 г. десятков миллионов домашних птиц в различных географических зонах, насчитывается менее 200 лабо раторно подтвержденных случаев заболевания людей, а заражение

человека от человека не зарегистрировано вообще. Однако не

58

исключена возможность того, что вирус может улучшить свою трансмиссивность среди людей с помощью одного из двух меха низмов. Первый из них – «рекомбинация», то есть обмен генети

ческого материала между человеческим и птичьим вирусами во время совместного заражения человека или свиньи. Рекомбина ция может привести к появлению пандемического вируса, кото рый заявит о себе внезапным резким возрастанием числа людских заболеваний. Второй механизм – мутации, при которых во время последовательных заражений людей может возрасти способность вируса прикрепляться к клеткам человека.

Надо отметить, что последствия мутаций не всегда можно предсказать. Хорошей иллюстрацией этого является неожиданный результат работы австралийских ученых по созданию нового про тивозачаточного препарата (с целью борьбы с грызунами). Прове дя всего лишь одну простую генетическую модификацию у вируса мышиной оспы, вызывающего обычно заболевания средней тя жести, они получили штамм, который в течение нескольких дней стал убивать всех подопытных животных.

Однако далеко не всегда появление новых, ранее неизвестных инфекций является итогом только эволюции их возбудителей. В подавляющем большинстве случаев причина этого более проза ична: она кроется в хозяйственной деятельности человека, его бездумном стремлении «преобразовать» природу, нарушении эко логического равновесия в биосфере. Наказанием за эти грехи и являются новые инфекции, причем самая страшная из них – СПИД, который возник как последствие бесконтрольного отстре ла в лесах Сенегала шампанзе – носителей ВИЧ.

То, как человек подталкивает природу на создание новых ви русов, показано сотрудниками Медицинского филиала Техасско го университета в Галвестоне. Они изучали вирусы, которые в конце XX века спровоцировали вспышки венесуэльского лошади ного энцефалита (ВЛЭ) – смертельно опасного заболевания ло шадей и людей. При этом выяснилось, что замена лесов пастбищ ными землями на равнинах тихоокеанского побережья Мексики и Гватемалы оказывала чрезвычайно сильное эволюционное давле

ние на традиционно преобладающий в этих местах штамм вируса ВЛЭ. Прежде ВЛЭ распространялся одним из подвидов москита, который питается кровью грызунов и других мелких млекопитаю щих и инфицирует их, но не способен передавать вирус лошадям и людям. Однако вырубка лесов привела к сокращению числен ности особей москита подвида Culex, и единственная мутация ви

59