Увеличивается во всем мире и число сторонников вирусной теории рака. Исследования сотен лабораторий свидетельствуют, что именно вирусы — наиболее вероятная причина рака, саркомы, лейкемии.
И. Губарев, наш специальный корреспондент, обратился к директору Института вирусологии имени И. Д. Ивановского АМН СССР, академику АМН СССР, профессору Виктору Михайловичу Жданову с просьбой рассказать об истории и сегодняшнем дне Вирусологии, о стратегии борьбы С вирусными болезнями.
Вирусология — наука молодая. 80 лет прошло со времени открытия И. Д. Ивановским первого вируса — возбудителя мозаичной болезни табака. Много позже — в 50-х годах — было получено первое несовершенное изображение этого инфекционного агента. Самые значительные исследования в области вирусологии были выполнены лишь за последние 15—20 лет.
С исследованиями вирусологов сегодня связано уничтожение инфекционных заболеваний на планете, борьба против рака. Вирусологии же, изучающей наиболее простые формы существования, предстоит дать ответ на многие вопросы, связанные с происхождением жизни на Земле.
Итак, что же мы знаем и «его еще не знаем о вирусах?
Сколько их!
Исследовательская практика показывает, что «вирусоносители» — практически все живые существа, населяющие нашу планету.
Пример: до недавнего времени мы почти ничего не знали о специфических обезьяньих вирусах. В 1960-х годах было начато массовое производство вакцины против полиомиелита, изготавливаемой на обезьяньих почках. Необходимо было обеспечить стерильность этой вакцины, то есть полностью исключить проникновение в нее каких-либо микроорганизмов. И вот в ходе исследований, направленных на обеспечение такого рода стерильности, был открыт целый ряд до тех пор неизвестных вирусов, специфичных для обезьян.
К настоящему времени мы располагаем сведениями примерно о тысяче видах вирусов. Безусловно, лучше других нам известны вирусы, поражающие человека. Их выявлено около 500 видов. Весьма обширна группа вирусов, найденных у лабораторных животных — мышей, кроликов, морских свинок.
Сравнительно много мы знаем о вирусах сельскохозяйственных животных и растений, меньше — о вирусах, опасных для птиц и других животных, древесных и кустарниковых пород лесе. И уж вовсе малоизвестны и числом и повадками вирусы папоротников, мхов, лишайников.
Вирусы проявляют себя не всегда одинаково. В одних случаях они нападают лишь на определенные виды живых существ. Скажем, уже выявлены специфические вирусы гриппа свиней, кошек, чаек, поражающие только этих животных и безопасные для других. Подчас специализация становится своеобразно утонченной: мельчайшие вирусы бактерий — фаги Р-17 выбирают в качестве объекта лишь мужские особи только одной разновидности кишечной палочки. А вот в числе объектов онкогенных вирусов — пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие. Рекорд побивают, пожалуй, так называемые пулевидные вирусы, названные так благодаря их характерному очертанию на микрофотографии. Внешне вирусы этой разновидности очень схожи. А болезни они вызывают самые разнообразные, поражая при этом весьма далекие друг от друга виды живых существ. Они могут стать причиной бешенства — тяжелейшего поражения нервной системы млекопитающих (в том числе, разумеется, и человека) и таких болезней, как везикулярный стоматит крупного рогатого скота (передаваемый, кстати, через насекомых), желтой карликовости картофеля и полосатой штриховатости пшеницы. Эти же вирусы провоцируют тяжелое заболевание у мухи дрозофилы, приводящее насекомое к гибели в результате повышения чувствительности к углекислому газу.
Человек, животные, насекомые, растения. Болезни общие для многих видов и узко-специфичные... Откуда такой широкий спектр агрессивных возможностей? Под влиянием каких условий сложились эти свойства? Сколько еще существует в природе вирусов специализированных и универсальных?
На все эти вопросы лишь предстоит ответить.
Гипотезы, гипотезы...
С вирусами связано немало загадочного, неясного, а если быть точным до конца — еще не выясненного.
Признавая существование возбудителей инфекционных болезней, по размерам намного меньших, чем бактерии, ученые долго не могли прийти к единому мнению: какие они? Так, известный голландский микробиолог М. Бейеринк, к примеру, предполагал, что вирусы — необъяснимая загадка. Он дал им название Cоntagium vivum fluidum — живое жидкое заразное начало.
Другие исследователи пытались связать данные о вирусах с привычными для них представлениями о живом организме (клеточное строение, размножение путем деления с последующим ростом до размеров взрослой особи и т. д.). Не будем перечислять здесь другие предположения, высказанные на заре развития вирусологии. Все они — как наивные, так и наделенные долей предвидения — строились на одних лишь догадках, вслепую.
Правильная оценка этих представлений была дана лишь с получением сделанного в 1956 году при помощи электронного микроскопа фотоснимка, портрета вируса. Появилась возможность отмести неверные и попросту нелепые предположения, но загадок стало не меньше, а больше. Например, у вирусов было открыто удивительное разнообразие носителей наследственной информации. Все живое на Земле имеет один-единственный такой носитель — дезоксирибонуклеиновую кислоту — ДНК (двухспиральную ДНК). Причем ДНК встречается в организме любого живого существа всегда «в паре», вместе с другим веществом — рибонуклеиновой кислотой — РНК. А у вирусов — носителей генетической информации оказалось целых шесть: четыре формы ДНК и две — РНК. При этом вирусы довольствуются (всегда!) только одной нуклеиновой кислотой — ДНК или РНК. Почему?
Много неясного и в современных гипотезах о происхождении вирусов. Так, одни исследователи считают, что вирусы — это потомки древних доклеточных форм жизни, застывшие, остановившиеся в своем развитии на определенном этапе. Разнообразие генетического вещества, говорят сторонники гипотезы, отражает ход эволюции этих существ. Природа как бы опробовала на вирусах все возможные варианты наследственного вещества, прежде чем остановиться окончательно на двухспиральной ДНК.
Вирусы — потомки бактерий или других одноклеточных организмов, по неизвестным причинам двинувшиеся в своем развитии вспять, деградировавшие, говорят другие ученые. Возможно, некогда их устройство было сложней, но со временем они многое утратили, и их нынешнее состояние, в том числе и разнообразие носителей генетической информации, лишь отражает разные уровни деградации, которых достигли различные их виды.
Наконец, существует гипотеза, согласно которой вирусы представляют собой составные части клеток живых существ, по неизвестной причине ставшие автономными системами. Процесс возникновения вирусов, согласно этой гипотезе, относится не только к глубокой древности, когда они уже, безусловно, существовали, но и к нашему времени. Иными словами, эта гипотеза признает возможность повсеместного, происходящего непрерывно образования вирусов клеточными элементами. Возможно ли такое, способны ли составные части клеток стать автономными, да еще и саморепродуцирующимися (способными к воспроизведению) системами?
— Да,— отвечают сторонники этой гипотезы.— Многие клеточные структуры обладают относительной автономией. К примеру, митохондрия — органелла, ведающая энергетическим балансом клетки, — имеет собственный генетический аппарат, а цикл ее деления независим от цикла деления клеток. Значительной степенью автономии располагают и гены. Среди составных частей клетки можно найти структуры, сходные с основными типами генетического аппарата вирусов... Все новые и новые доводы находят исследователи, подтверждающие гипотезу «взбесившихся генов», как ее подчас именуют не без иронии. И выглядит она, эта гипотеза, сегодня гораздо убедительней, чем два десятилетия назад, в момент появления.
Логика и парадоксы микромира
Очень часто, говоря о вирусах, мы произносим привычно: «ничтожно малые», «крохотные», «мельчайшие». Это так, бесспорно. Вес вирусов измеряется дальтонами (1 дальтон = 1/16 веса атома кислорода, то есть 1,65 · 10-24 грамма), а размеры — ангстремами, стомиллионными долями сантиметра. Однако, добавим здесь же, крохотные — не значит одинаковые: в область микровеличин как бы сдвинуто целое царство вирусов во всем его многообразии. И вирус ящура — один из мельчайших (он по размерам чуть больше молекулы) так же отличается от вируса оспы (который настолько велик, что виден даже в оптический микроскоп), как, скажем, колибри от страуса или мышь от бегемота.
Надо ли говорить, что эти «крайности» объединяет множество промежуточных видов, также чрезвычайно разнообразных и по размерам и по строению.
Устройство вирусов поражает своей чисто математической завершенностью, логикой симметрии. Возьмем, к примеру, наиболее просто организованный вирион (зрелый вирус) табачной мозаики.
Сотни белковых кристаллообразных структур уложены в виде тугой спирали. Сердцевина нити, образующей спираль, представляет собой своеобразную капсулу, где находится молекула нуклеиновой кислоты. В результате общий вид вириона — предельно лаконичный цилиндр, полая трубка.
А вот другая форма: двадцатигранник, икосаэдр, грани которого образованы треугольниками. Основной материал, из которого сложен икосаэдр, — те же белковые структуры. Внутри — полость, где покоится молекула нуклеиновой кислоты. Это вирион полиомиелита.
Описанные вирусы относятся к числу наиболее просто устроенных, «минимальных», как их называют. Впрочем, и «минимальные» и другие гораздо более сложно устроенные вирусы всегда сходны в одном: их «нуклеиновый центр» — нуклеоид построен по одному из описанных двух типов — винтовому или кубическому.
Кстати, изучая «минимальные» вирусы, исследователи столкнулись с любопытнейшим явлением, не имеющим аналогий в мире живых существ.
...Можно ли механически разделить живую клетку на части, затем вновь собрать ее и заставить не только ожить, но и исправно функционировать? «Минимальные» вирусы на такое способны. Если отделить их белковые оболочки от нуклеиновой кислоты, иными словами, если превратить их в белковые «осколки» и нуклеиновую массу, а затем эти две субстанции смешать, то вновь возникнут исходные зрелые вирусы — вирионы с их геометрически правильной структурой и прежними инфекционными свойствами.
— Позвольте, — возражали многие ученые еще в недавнем прошлом, — да можно ли вообще после этого называть вирусы живыми существами? Может быть, это кристаллообразные вещества, наделенные болезнетворными свойствами?
— Либо, — говорили другие, — это пограничные формы между живым и неживым мирами.
Кто же прав? Скорей всего наиболее многочисленная группа исследователей, которая считает, что вирусы — представители живой природы, го есть не вещества, а существа. Правда, существа крайне своеобразные, ведущие сугубо паразитический образ жизни.
Вирус проникает в клетку
Паразитизм, то есть существование одного организма за счет другого, — явление, весьма распространенное в природе. Кровососущие насекомые — клещи, вши, тли, обитающие на листьях растений, ленточные черви-глисты, бактерии — все они используют питательные вещества, содержащиеся в организме своего «хозяина», так сказать, живут за его счет.
Вирусы в этом не нуждаются. Питаться им нечем и незачем: органы, осуществляющие обмен веществ, у них отсутствуют. Однако своему «хозяину» они доверяют нечто гораздо большее — заботы о продолжении их рода.
Интимнейший процесс размножения вирусов происходит в недрах клетки. И способы проникновения в клетку, эту «святая святых» организма, и образ действий вирусных частиц на всех следующих за этим стадиях чрезвычайно показательны. Впрочем, понаблюдаем за этими действиями от начала до конца на примере вируса бактерии — бактериофага T2, «хозяином» которого является кишечная палочка.
Своеобразно строение этого вируса. Т2 состоит из двух частей — головки и отростка. Головка — икосаэдр, сложенный из белковых структур. Внутри — в капсуле — носительница наследственной информации фага — ДНК. Полый отросток с шестью шипами и столькими же нитями-фибриллами на конце прикреплен к одной из граней икосаэдра и снабжен наружным «чехлом» из особого белка, способного сокращаться, подобно мышце. Здесь же, в кончике отростка,— небольшое количество фермента лизоцима.
Начало сближения вируса T2 с бактерией-клеткой происходит как бы само собой, под действием сил внешних: фаг притягивается к поверхности клетки, подобно магнитной мине, «прилипающей» к днищу корабля.
Дальнейшие действия вируса, однако, далеко не столь пассивны. Ворсинки-фибриллы и шипы позволяют ему укрепиться в наиболее выгодном положении, прижаться к оболочке клетки. При этом фермент лизоцим, способный разрыхлять клеточные структуры, начинает разрушать находящийся перед ним участок оболочки. Затем следует резкое сокращение «чехла» и отросток, прокалывая истонченную стенку, вталкивается в клетку. Нить ДНК в этот момент как бы впрыскивается внутрь клетки, а ненужная больше белковая оболочка остается снаружи.
Экспериментально удалось установить длину нити ДНК фага Т2: она равна примерно 50 микронам, что в 500 раз превышает диаметр головки самого фага. Таким образом, можно себе представить, какой сложности задача решается вирусом во время этой своеобразной «инъекции». Используя привычные для нас категории измерений, этот процесс можно сравнить с мгновенным проталкиванием капроновой нити десятиметровой длины через небольшую соломинку.
Вирусы, имеющие иное строение, проникают в клетку не столь затейливым путем. Притянутые к оболочке клетки и воздействующие на нее ферментами, они провоцируют втягивание внутрь того участка мембраны, на котором осели. Образуется своего рода капсула-вакуоль с вирусной частицей внутри. Вакуоль эта затем отрывается, и в ней, путешествующей внутри клетки, продолжают идти одновременно два процесса — вирусная частица с помощью своих ферментов разрушает окутывающие ее стенки капсулы, а ферменты клетки разрушают внешние оболочки вируса, освобождая, как это было и в случае с фагом Т2, нуклеиновую кислоту.
Фабрика вирусов
Итак, нуклеиновая кислота покинула белковую оболочку и исчезла, бесследно растворилась в клеточной среде. Что же дальше?
Внешне на первый взгляд — полное благополучие, своеобразная «немая фаза», когда ничто не напоминает о недавних событиях. И лишь через некоторое время, строго определенное для каждого вида вирусов, когда клетка гибнет, а ее оболочку покидают зрелые вирионы, можно сделать вывод: да, борьба продолжается. Где и как?
Мы еще не имеем возможности получить полный ответ на этот вопрос. До сих пор удалось установить характер лишь некоторых изменений, происходящих на этом этапе в различных частях клетки. И по этим отдельным штрихам мы воссоздаем, пытаемся представить себе полностью происходящее.
Формирование вирусов начинается, по-видимому, с подавления нормальных процессов обмена веществ в клетке. Установлено, в частности, что рибонуклеиновая кислота (РНК) вируса гриппа способна синтезировать на клеточных элементах — рибосомах, ведающих выработкой белка,— особое вещество, также белковой природы,— гистон, который, в свою очередь, связывается с ДНК клетки и прекращает синтез клеточной РНК. Некоторые другие вирусы, например, вирусы полиомиелита, не нуждаются в окольном пути, так как сами способны вмешаться в деятельность рибосом и прекратить синтез клеточных белков. Выявлены и другие механизмы подавления вирусами клеточного обмена, их вмешательства в жизнедеятельность клетки, но в конечном счете все сводится к одному: клеточные ресурсы перестают расходоваться на нужды самих клеток и поступают в распоряжение вирусной нуклеиновой кислоты.
Иными словами, клеточные структуры, ведающие воспроизведением «запасных частей» для вечно обновляющейся, омолаживающейся клетки, получают приказ об изготовлении частей вирусов. И клетка, образно говоря, превращается в фабрику, где одновременно, в напряженнейшем темпе, намного превосходящем ее возможности, начинают производиться сотни конечностей, сотни туловищ, сотни наборов «внутренних органов» (нуклеиновые кислоты, ферменты и другие сложные соединения вирусов). Эти «полуфабрикаты» скапливаются в разных частях клетки, а затем в столь же интенсивном темпе идут на сборку новых вирусов.
Здесь-то и кончается «немая фаза»: оболочка истощенной клетки лопается, на свет появляются новорожденные, окончательно сформировавшиеся вирусы.
Беззащитна ли клетка!
Цикл превращений, связанных с размножением вирусов, как правило, краток. В одних случаях проникновение вирусной нуклеиновой кислоты в клетку отделяет от появления вирионов 13—15 минут, в других — 40 минут. Вирусы одной из наиболее распространенных инфекций, гриппа, проходят этот путь примерно за 6—8 часов. И каждый раз около погибшей клетки оказываются десятки, а порой и сотни вирионов. Причем каждый из них, в свою очередь, готов к продолжению процесса размножения. Количество вирусной инфекции нарастает буквально лавинообразно.
Так обстоит дело в условиях, идеальных для вирусной инфекции, когда ничто не препятствует ее распространению. Эти условия искусственно воссоздаются учеными в лаборатории при помощи метода культуры тканей. Заключается этот метод в следующем. В стеклянных сосудах выращиваются колонии клеток различных животных организмов. Клетки с их способностью к постоянному обновлению своих структур практически бессмертны. Взятые однажды, а затем многократно «перепрививаемые», пересаживаемые из сосуда в сосуд, они способны надолго пережить своих «хозяев».
Условия, сходные с природными, естественными, имитируют здесь специальные питательные среды и тщательно выверенные температуры. Стеклянный сосуд с тонким, прозрачным слоем культуры тканей и становится ареной, где беспрепятственно хозяйничают вирусы. За их действиями удобней всего проследить при помощи кинокамеры, установленной у объектива оптического микроскопа. На кадрах фиксируются все наиболее важные моменты единоборства клеток с вирусами. Демонстрировать фильмы можно с любой нужной нам скоростью. Таким образом, время процесса, измеряемого в ходе опыта сутками и часами, «сжимается» до нескольких минут.
Но так как главное действующее лицо — вирус остается за кадром (в обычный микроскоп он не виден), на экране только последствия его агрессии. Картина перед наблюдателем разворачивается впечатляющая. Вначале крайние клетки, первыми подвергшиеся нападению, начинают терять свойственные им округлые очертания. Постепенно истончаются их мембраны, клеточные элементы, клетка как бы взрывается. В этот момент, как мы знаем (но не видим этого), опустошенную оболочку покидают полчища вирионов, направляющихся к очередным своим жертвам. И через самое непродолжительное время точно так же изменяются, а затем лопаются соседние клетки, за ними другие, еще и еще.
...Колония клеточной культуры как бы охвачена пламенем. Вот она рассечена обезжизненными структурами на островки. Вот сжимаются и эти островки, уменьшаются в размерах, и... все кончено. Колония разрушена дотла.
Обладай вирусы такими же возможностями в естественных условиях, и человеку и любому другому живому существу пришлось бы плохо. Однако этого не происходит, ибо на страже — отработанные за миллионы лет защитные приспособления организма, ограничивающие могущество вирусов.
Безграничному расширению вирусной агрессии препятствуют прежде всего сами вирусы. Еще в 30-х годах ученые заметили, что размножение в клетке одного вируса нередко препятствует размножению в этой же клетке другого вируса.
Чем это объяснить? Не сообщает же удачливый вирион своим собратьям: «Стоп! Клетка занята!» А если и сообщает, то как?
Кстати, если говорить серьезно, одна из многочисленных гипотез, пытавшихся объяснить это явление, так и гласила: всему причиной конкуренция вирусов, борющихся за клеточные компоненты. Без малого три десятилетия понадобилось, чтобы раскрыть существо этого явления, получившего название интерференции. И, как оказалось, в данном случае инициатива принадлежала не вирусам, а самой клетке. На проникновение вируса (чему воспрепятствовать клетка, увы, не может) она отвечает немедленной выработкой особого белкового вещества — интерферона. Правда, интерферон не спасает уже пораженную клетку, но препятствует продвижению вирусной инфекции к другим клеткам организма. Иными словами, за первыми же вирионами, прорвавшимися в организм, возникает барьер интерфероновой защиты.
Позже, обычно через несколько дней, возникает «второй эшелон» противовирусной обороны — антитела. Эти вещества, также белковой природы, нейтрализуют действие вирусов, препятствуют их размножению.
Какое же из этих естественных средств защиты лучше. Хороши и нужны оба. Интерферон, помогающий отразить первый натиск вирусной инфекции, исчезает гораздо быстрей, но если возникает необходимость, столь же быстро появляется вновь. Именно его способностью действовать в нужный момент и объясняют в наши дни латентный (скрытый) характер целого ряда вирусов, «сосуществующих» с нашим организмом. Пример — вирус герпеса, который наверняка есть в организме у каждого из нас, но может проявиться только в момент простуды, когда организм ослаблен и выработке интерферона понижена.
Антитела, появляющиеся позже, существуют несравненно дольше. Именно они и становятся основой стойкого иммунитета, благодаря которому многие инфекционные болезни не повторяются дважды в жизни одного индивидуума.
Медицина — в наступлении
Среди инфекционных заболеваний 80 процентов вирусных. Эта цифра — свидетельство победы человека над бактериальными инфекциями. Чума, холера, тиф, некогда безоговорочно первенствовавшие в медицинских статистических сводках, с приходом антибиотиков и сульфопрепаратов навсегда сдали свои позиции. Их место заняли болезни, вызываемые вирусами.
Как известно, и с этими недугами ведется успешная борьба. Побежден полиомиелит. Тягостным воспоминанием ушла в прошлое оспа. Широким фронтом идет наступление на корь: лишь за последнее пятилетие число перенесших заболевание корью снизилось в 5 раз; на повестке дня — полное искоренение этой инфекции на территории нашей страны.
Значительные усилия направляются на борьбу с гепатитом, гриппом, паротитом, вирусными респираторными заболеваниями, однако здесь решающие достижения еще впереди.
Можно отметить два основных направления борьбы с вирусными инфекционными болезнями. Это вакцинация и использование естественного, «предложенного» природой вещества — интерферона. Сейчас его уже получают в массовых количествах и успешно применяют для профилактики гриппа и при лечении других вирусных заболеваний.
Наряду с этим ученые работают над созданием других эффективных лекарственных веществ, способных подавить вирусную инфекцию.
Нам предстоит организовать широчайшие, в масштабе всей планеты, исследования мест обитания болезнетворных вирусов, изучение условий их существования, выявление их постоянных и промежуточных «хозяев» среди млекопитающих, насекомых и других живых существ.
Работа эта начата. Во все концы нашей страны и за рубеж отправляются специальные экспедиции вирусологов. Уже получены чрезвычайно ценные данные о перемещениях вирусной гриппозной инфекции из Всемирного противогриппового центра, в деятельность которого вносит существенный вклад региональный противогриппозный центр СССР.
Я не остановился на исследованиях, проводимых вирусологами в области изучения онкогенных вирусов, — это тема специальной статьи. Скажу только, что нам предстоит разработать методы «генной хирургии», чтобы уметь не только удалять вторгшиеся в клетку человека и животных геномы онкогенных вирусов, но и в ряде случаев блокировать их внутри клетки. Думаю, что это уже не фантастика, а вполне реальная перспектива.
Такова наша тактика сегодня. А стратегия будет зависеть от того, какая гипотеза о происхождении вирусов окажется верной. Если справедливы первые две — мы на правильном пути. Но если подтвердится гипотеза «взбесившихся генов», с наши планы придется внести существенные коррективы. Какие? Это покажет будущее.
