Поражение мозга эндогенными ретровирусами
Ретровирусы
Разработаны эффективные клеточные механизмы для ограничения их внутриклеточной активности, включая эпигенетические механизмы, такие как метилирование ДНК и ремоделирование хроматина, а также посттранскрипционный процессинг и интерференция РНК. Однако было обнаружено, что по крайней мере некоторые члены большинства групп HERV все еще транскрипционно активны тканеспецифическим образом.
Ретровирусы являются кандидатами в инфекционные агенты при заболеваниях ЦНС неизвестной этиологии из-за их нейротропизма и латентности. Дифференциальная экспрессия HERV у пациентов может зависеть от факторов окружающей среды, включая эпигенетические препараты, а также от патологических состояний. Более того, индивидуальные вариации эпигенетических паттернов могут играть здесь также роль. Большинство HERV составляют мультикопийные семейства, например, HERV-K (HML-2) который включает около 60 различных локусов на гаплоидный геном человека, 16 из которых по-разному транскрибируются в мозге человека. Группы HERV-W и ERV9 представляют примерно 40 и 300 копий провирусов соответственно. Каждый провирус одной группы HERV может по-разному экспрессироваться в различных эпигенетических условиях.
Эндогенные ретровирусы человека (HERV) связаны с различными неврологическими и нейропсихиатрическими расстройствами.
Ретровирусы при шизофрении
Ретровирусы при биполярном аффективном расстройстве
Современные методы лечения включают нейролептики и / или антидепрессанты, которые могут вызывать эпигенетические изменения и, таким образом, влиять на экспрессию HERV. Элементы HERV-K (HML-2), по-видимому, активируются у некоторых пациентов с биполярными расстройствами независимо от приема лекарств.
Влияние нейролептиков на активность эндогенных ретровирусов
Влияние нормотимиков на активность эндогенных ретровирусов
Исследование 52 подгрупп HERV выявило повышенную регуляцию нескольких элементов HERV класса I и класса II под действием вальпроатов (VPA) в зависимости от дозы. Самый сильный эффект наблюдался в группах HERV-W и ERV9 в клеточных линиях глиобластомы человека SK-N-SH и SK-N-MC соответственно. На уровень транскрипции элементов HERV-K (HML-2) препараты не влияли. Транскрипция таксонов HERV-W, ERV9 и HERV-K (HML-2) дополнительно определялась количественно в посмертных образцах мозга пациентов с шизофренией, биполярными расстройствами и здоровой контрольной группы в отношении лечения. Пациенты с шизофренией показали значительно более высокую транскрипцию HERV-W, связанную с лечением VPA. Однако в случае ERV9 повышенные уровни транскриптов нельзя было объяснить только лечением VPA, так как небольшое повышение также было обнаружено у нелеченных пациентов по сравнению со здоровым контролем. Эти результаты предполагают, что психофармакологические препараты могут способствовать увеличению экспрессии отдельных таксонов HERV у пациентов с нейропсихиатрическими расстройствами.
VPA является ингибитором гистондеацетилазы и, таким образом, может вызывать ремоделирование хроматина вокруг промоторов HERV, что приводит к усилению экспрессии. Предыдущие исследования показали, что VPA вызывает модификации хроматина и, в сочетании с другими антипсихотическими средствами, изменение паттернов метилирования ДНК у пациентов с шизофренией и биполярными расстройствами. Эффекты VPA, по-видимому, зависят от типа клеток и преимущественно наблюдаются в обеих линиях клеток нейробластомы. SK-N-SH и SK-N-MC различаются по нескольким характеристикам, например по уровням экспрессии дофамин-бета-гидроксилазы, что указывает на дифференциальный эпигенетический фон. Это может объяснить прчему транскрипция двух разных групп HERV, HERV-W и ERV9, сильно увеличивается с помощью VPA в SK-N-SH и SK-N-MC соответственно.
Вирусы, которые все делают наоборот
Лекция профессора молекулярной вирусологии Университетского колледжа Лондона Грега Тауэрса опубликована на сайте ПостНаука.
Существует много различных ретровирусов. Многие виды животных имеют ретровирусы. Они очень зоонозны. Ретровирусы способны перепрыгивать с вида на вид. Это и является их отличительной чертой. Мы предполагаем, что на протяжении миллионов лет эволюции они перепрыгивали с одного вида на другой, что привело к «эффекту Черной Королевы». Если вирус патогенен, он инфицирует вид и оказывает на него давление отбора. Многие члены этого вида будут убиты вирусом. Это приведет к давлению отбора, цель которого – стать нечувствительным к этой инфекции или вирусу.
Так как ретровирусы патогенны, они ведут к эволюционному эффекту, или «эффекту Черной Королевы». Ретровирус, инфицируя вид, может оказать патогенное воздействие на этот вид таким образом, что многие люди и многие члены конкретного вида будут инфицированы и подвержены давлению отбора. Наиболее восприимчивые к этому вирусу погибнут, а наиболее устойчивые выживут. В конечном счете весь вид станет невосприимчивым к вирусу. Потом вирус подвергнется эволюционному давлению отбора, изменится и снова заразит вид или перейдет на другой. На протяжении долгого времени ретровирус может прыгать между различными видами, или он может коснуться какого-то вида и снова уйти, что приведет к альтернативной эволюции, которая была названа Ли ван Валеном «эффектом Черной Королевы».
Одна интересная черта ретровирусов заключается в том, что мы можем понять их эволюцию и эволюцию нашей клеточной защиты. Вирус иммунодефицита человека пришел к нам от приматов. Самый распространенный тип ВИЧ называется ВИЧ-1. Он составляет примерно 60 миллионов человеческих заражений ВИЧ. Это практически единичный случай, когда вирус шимпанзе поразил человека и стал распространяться среди человеческого населения. Мы знаем, что направление заражения именно такое – от шимпанзе к человеку, – потому что у шимпанзе существует больше типов этого вируса, чем у людей.
Существует еще один тип ВИЧ, названный ВИЧ-2, который пришел к нам от африканских обезьян, а именно дымчатого мангобея. И снова разновидностей этого вируса у мангобеев намного больше, чем у человека. Это говорит нам о том, что перенос вируса происходит от обезьяны к человеку. ВИЧ-2 вызывает похожую болезнь, что и ВИЧ-1, у примерно 20–30% людей. Однако у большинства людей не наблюдаются никакие значимые симптомы после заражения ВИЧ-2. Поэтому один из важных вопросов ВИЧ-биологии заключается в поиске отличий между тем вирусом, который заразил 60 миллионов человек, и тем, что не инфицировал даже приблизительно такое число.
У приматов есть похожие вирусы. Более того, большинство африканских приматов имеют вирус, который родственен нашему ВИЧ-1. Обычно мы называем эти вирусы в соответствии с видом, в котором мы их нашли. Вирус шимпанзе называется ВИО (SIV) – вирус иммунодефицита обезьян (simian immunodefiency virus). В таком случае, бывает ли у шимпанзе СПИД? Это не до конца понятно. Не все шимпанзе заражены. Существуют определенные территории, где проживают зараженные шимпанзе. Но так как они не живут жизнью людей, не ведут утонченный образ жизни, а, наоборот, проживают более трудную жизнь, то умирают намного раньше, за ними становится очень сложно следить и выяснять, есть ли у них это заболевание.
Из-за этого долгое время мы думали, что они не страдают никакими болезнями, потому что у них нет такого сильного иммунодефицита, как у людей. Но в последнее время мы стали думать, что они тоже имеют эту болезнь, возможно, в менее суровой форме. Так как они не живут долго, им не приходится страдать от тех симптомов, которые переживает человек.
Таким образом, до конца не известно, что происходит с ретровирусной инфекцией в организме обезьян. У африканских обезьян вирус практически не вызывает никаких заболеваний, поэтому кажется, что имеет место адаптация как носителя, так и самого вируса по такому принципу, что обезьяна может быть инфицирована, но не страдать от болезней. Они могут заразиться в достаточно раннем возрасте, поэтому могут иметь вирус в своем теле, но при этом не ощущать значимых последствий для своей жизни.
Среди других видов ретровирусы тщательно изучались у мышей. Это делалось в основном потому, что ретровирусная инфекция у мышей способна вызывать рак. Мышь заражается ретровирусом, который обычно называют гамма-ретровирус. Оказывается, что эта ретровирусная инфекция вызывает у мышей рак. Люди, изучавшие рак в 1950–1960-х годах, то есть в самом начале подобных исследований, выращивали мышь до тех пор, пока она не становилась очень уязвимой к этой болезни, а потом пытались выяснить, почему у этих мышей развивается рак. Оказалось, что они получали рак, потому что были инфицированы ретровирусом. Эти ретровирусы переносили гены (онкогены), которые вызывали рак. Таким образом, все первичные исследования ретровирусов были направлены на понимание того, как работает рак и что его вызывает.
Когда появился ВИЧ и стал вызывать иммунодефицит, это стало первым случаем, когда такой тип вируса вызвал такую болезнь. До этого мы знали о ретровирусах только из исследований гамма-ретровирусов, вызывающих рак. Ретровирусы – это такие типы вирусов, которые можно рассматривать как вирусы, путешествующие налегке. Так, например, ВИЧ имеет всего девять генов, а другие ретровирусы вообще три. Так что они действительно путешествуют налегке по сравнению с вирусом герпеса, например, который имеет около двухсот генов. Я считаю, что их стратегия – путешествовать налегке и быть тихими. Их цель при поражении клетки – не активировать ее и не причинить много ущерба. Я думаю, что изначально они не вызывают сильных болезней, но в длительной перспективе эта инфекция может вызвать болезни вроде рака у мышей. Хотя, возможно, они не вызовут рак у диких мышей. Это происходит только тогда, когда мы пробиваем защиту мыши.
Итак, ретровирусы – это относительно милосердные вирусы, я считаю, потому что они не управляют вашим телом, как делают другие вирусы. Главное их отличие в том, что они превращают РНК в ДНК и интегрируют ДНК в хроматин. Это и есть уникальная черта ретровирусов. Некоторые другие вирусы поступают так же, но только в качестве дополнения. Ретровирусы целиком зависят от этого процесса интеграции. Если клетка не может от них избавиться, она должна умереть для избавления себя от вирусной инфекции.
Ретровирусы внедряют свой геном в хроматин хозяина. Стоит этим генам попасть внутрь хроматина – они останутся там навсегда. Клетка в целом относится к ним как к клеточным генам, так что они считываются, производят РНК, а позже эта РНК направляется в цитоплазму. Вирус производит протеин, клетка производит вирусный протеин, новые вирусы формируются, и они готовы двигаться дальше, заражать новые клетки. Так ретровирусы стали отличным инструментом для изучения клеточной биологии, и это потому, что они простые. Некоторые из них имеют всего три гена. Даже сложный ретровирус вроде ВИЧ имеет всего девять генов. Поэтому очень легко взять их, разделить на части и изучать, какая часть за что отвечает.
В поле генной терапии существует трюк, когда берут ретровирус, вынимают из него ретровирусные гены и вставляют те гены, которые нужны. Потом можно сформировать ретровирусные частицы. Этот трюк можно использовать для развития ретровирусного вектора. Работает это так: можно взять ретровирусный геном, который обычно шифрует все ретровирусные гены, избавиться от них и поставить на их место предпочтительный ген, например терапевтический ген или ген, который можно просто измерять, – мы обычно используем ЗФБ (GFP), который заставляет клетки зеленеть. Если вы это сделаете, вы сможете производить ретровирусные частицы, которые будут только заражать клетку и производить белок. В ретровирусе не окажется ретровирусных генов, так что он сможет производить только терапевтические гены или ЗФБ. И это прекрасный инструмент для изучения клеточной биологии.
Например, можно изменить клетку и посмотреть, продолжает ли вирус оказывать на нее свое влияние, или можно, наоборот, изменить вирус и проверить, может ли он теперь инфицировать клетку. Это будет называться генетическим подходом. Можно выяснить роль различных частей вируса в попадании в клеточное ядро, в попадании в клетку, в пересечении цитоплазмы.
Кроме того, мы можем использовать ретровирусные векторы, чтобы изучить биологию клетки. Мы можем использовать их, чтобы заставить клетки производить определенный ген, обращаясь к процессу РНК-интерференции. Можно использовать ретровирусы, чтобы производить РНК-интерференцию, можно использовать ретровирусы, чтобы выделить определенный ген. Наиболее распространенное использование ретровирусов в последнее время заключается в доставке CRISPR/Cas9, так что мы можем выбросить любой ген в определенной клетке, а затем изучать последствия этого «выбрасывания» или измерять все что угодно вроде деления клеток, их роста или чего угодно, связанного с клетками.
Многие лаборатории сосредотачиваются на исследованиях ретровирусных векторов и ретровирусов, чтобы изучать врожденный иммунитет. Врожденный иммунитет, или внутриклеточный врожденный иммунитет, – это способность индивидуальной клетки защищать себя от вирусной инфекции. Я считаю, что это достаточно увлекательное направление. Осознание его важности произошло не так давно, около 20 лет назад. Теперь мы понимаем, что находимся под атакой вирусных инфекций на протяжении всей эволюции. За это время мы выработали очень сложные пути защиты себя от инфекций. У нас сформирована адаптивная иммунная система, Т-лимфоциты и антитела. Но кроме этого, каждая клетка нашего тела имеет способность защищать себя от инфекции. Ретровирусы дают прекрасную возможность это изучить.
Например, мы пытаемся узнать, как клетка понимает, что внутрь нее попал вирус. Она делает это при помощи процесса, который мы называем распознаванием образов. В наших клетках есть молекулы, способные обнаружить входящий вирус, потому что они замечают нечто, что выглядит иначе с конформационной и химической перспектив. Если рецептор распознавания образов видит входящий вирус, он вызовет антивирусную реакцию. Несколько вещей начнут происходить. Прежде всего, клетка начнет вырабатывать намного больше белка, чем делала раньше. Также она начинает выделять белок вида интерферон тип 1, что позволит еще незараженным клеткам узнать, что приближается вирус. Интерфероны активируют эти незараженные клетки на производство их антивирусной защиты. Это фантастически эффективный способ противостоять вирусной репликации. Так как ретровирусы с их тремя и девятью генами являются очень простыми, мы можем производить мутации и наблюдать за тем, являются ли они все еще способными проходить через защиту, и мы можем понять, как именно они это осуществляют.
Об авторе:
Грег Тауэрс – professor of Molecular Virology, University College London; Head of Research Group, UCL Division of Infection and Immunity.
Вирусы и человек. Противостояние длиной в тысячелетия
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Каждый год, с завидной регулярностью, человечество сталкивается с большой и малоизученной опасностью. Непонятно откуда и по каким причинам вдруг появляются новые, неизвестные ранее виды вирусов, которые угрожают всем нам эпидемиями и гибелью большого количества людей. Так, появившийся весной 2015 года в Южной Корее ближневосточный респираторный коронавирусный синдром (коронавирус MERS) застал врасплох южнокорейские власти и заставил их принимать срочные эпидемиологические меры. Смертность от MERS составила более 35%, и, как сказано в бюллетене ВОЗ, «в настоящее время не существует ни конкретного лечения, ни вакцины от этой болезни». Поэтому интерес исследователей к вирусам вполне объясним и имеет жизненно важное значение.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «Лучшая статья по иммунологии» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Эволюция и происхождение вирусов
Как теперь известно ученым, вирусы окружают нас повсюду в живой природе. И каждая клетка каждого живого организма несет в себе следы прошлых встреч с ними. Генетическое разнообразие вирусов, их умение меняться и приспосабливаться, а также их огромное количество в природе — поражают. Предполагается, что общее число вирусных частиц на порядок выше количества всех клеток всех организмов на Земле [1]. Миллионы лет назад ретроэлементы и ретровирусы участвовали в эволюции, выступая в качестве генетического резервуара для создания новых генов и усложнения видов. Этот вопрос подробно исследовали и нашли массу подтверждающих фактов российские генетики из Института биоорганической химии РАН (академик Е.Д. Свердлов, А.А. Буздин и их коллеги) [2, 3]. И сейчас вирусы могут выступать одним из «орудий» эволюции, регулируя численность и жизнеспособность популяций*.
* — О том, как вирусы могли участвовать в эволюции живых организмов, рассказывают статьи «Вирусные геномы в системе эволюции» и «Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?» [4, 5].
Когда именно на Земле появились первые вирусы, наука точно сказать не может. Сегодня существует несколько гипотез происхождения вирусов. Один из самых авторитетных ученых-вирусологов, академик РАМН В.М. Жданов, особо выделяет три из них. Согласно первой, вирусы могут быть потомками бактерий или других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную эволюцию. То есть бактерии или одноклеточные по каким-то причинам вместо обычного развития в сторону усложнения, потеряли часть структур и «упростились» до вирусов. Согласно второй гипотезе, вирусы появились еще до образования первых живых клеток и являются потомками древних доклеточных форм жизни. Возможно, поначалу они обладали автономностью, но затем перешли к паразитическому способу жизни, используя для своего размножения другие формы. Согласно третьей гипотезе, вирусы произошли от клеточных генетических структур — ретротранспозонов, — способных передвигаться в геномах [6].
В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.
Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.
Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?
Новосибирские микробиологи Игорь Бабкин и Ирина Бабкина из Института химической биологии и фундаментальной медицины РАН (ИХБФМ СО РАН), исходя из результатов геномного анализа называют более близкую к нам дату возникновения вируса натуральной оспы — 3000–4000 лет назад [8]. Место возникновения — восточная Африка. Но, так или иначе, вырвавшись с африканского континента около двух тысяч лет назад, вирус оспы начал свое «черное» шествие по миру, уложив в могилу огромное количество людей на всех континентах, и просуществовал до 1980 года, когда человечество объединенными усилиями его победило. Сегодня вирус натуральной оспы под строгим контролем сохраняется в двух лабораториях: в Центре по контролю заболеваний (CDC, Атланта, США) и в Научном центре вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Кольцово, Россия) *.
* — Это официальные хранилища, а по поводу неофициальных спекулируют и обыватели, и авторитетные вирусологи, работающие под шефством ФБР. Так нужно ли уничтожать «легальные» образцы вирусов оспы? Почему ответ на этот вопрос неоднозначен, пытается разобраться американский журналист Ричард Престон в своей документальной книге «Демон в морозильной камере» [10]. Делает он это частично через призму событий, сопутствующих знаменитой рассылке писем со спорами сибиреязвенных бактерий в 2001 году («биомолекула» в одной из врезок затрагивала эту тему). Как реагировали всевозможные государственные структуры, как шаг за шагом продвигалось расследование ФБР, что творилось в недрах главного защитника населения США от биотеррористов — USAMRIID (Форт Детрик). Автор описывает вирусы оспы и случаи, связанные с их «оживлением» и экспериментальным заражением животных, шпионские скандалы, последние вспышки натуральной оспы и историю глобальной победы над ней в конце 70-х. Однако Престон (как и некоторые компетентные герои его расследования) не страдает избытком оптимизма, небезосновательно считая, что мечта о тотальном избавлении от оспы не сбылась: хотя нам удалось истребить инфекцию в природе, «мы не смогли вырвать вирус из человеческого сердца». Основанием для этой мысли, помимо прочего, послужили сведения, подкрепляющие потенциальную возможность искусственного создания супервирусов оспы, а также. детская рука с типичными оспенными поражениями, найденная в 1999 году.
Страхи-страхами, а престонские демоны волей-неволей и на благо науки работают — по крайней мере, у нас. В конце 90-х в микробиологических кулуарах ходила байка о том, что кое-какие — не известные широкой общественности — биологические институты выжили благодаря содержимому своих холодильников: чиновников удалось «разжалобить» только страшилкой об апокалиптических последствиях отключения электроэнергии в институте. Ведь из размороженных холодильников всенепременно выскочат бациллы сибирской язвы! — Ред.
Строение вирусов и иммунный ответ организма
В поле зрения ученых вирусы попали в начале XVIII века. Тогда европейские врачи заинтересовались феноменом непроизвольной вакцинации: люди, зараженные легкой формой оспы — коровьей, — были не подвержены оспе натуральной, то есть человеческой. Прорыв в этом вопросе произошел в 1796 году, когда английский врач и ученый Эдвард Дженнер (рис. 1, справа) публично произвел первое «цивилизованное» и безопасное оспопрививание [11]. После этого прошло без малого двести лет, когда в 1892 году впервые был описан вирус. Звание первооткрывателя вирусов по праву принадлежит российскому микробиологу Дмитрию Иосифовичу Ивановскому (рис. 1, слева), который в конце XIX века сумел описать вирус, вызывающий мозаичную болезнь растения табака. И вслед за этим открытием началось лавинообразное изучение вирусов, которые не перестают нас удивлять и преподносить неожиданные сюрпризы.
Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).
После детального изучения вирусов, которые получили свое название от латинского слова virus (яд), стало известно, как именно они устроены. Полноценная вирусная частица — вирион — состоит из белковой оболочки (капсида) и внутреннего содержимого: нуклеиновой кислоты, «хранящей» вирусные гены (рис. 2, 3). У некоторых вирусов капсид покрыт дополнительными слоями из белков и липидов. По тому, какая именно нуклеиновая кислота содержится в вирусе, их делят на два больших вида: ДНК- и РНК-вирусы*.
Рисунок 2. Строение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Диаметр частицы ВИЧ составляет примерно 100–120 нм. gp120 — поверхностный белок, молекулы которого формируют «шляпку гриба». Именно этот белок взаимодействует с антителами и рецептором клетки-мишени (gp — гликопротеин, 120 — масса белка в дальтонах). gp41 — белок, формирующий «ножку гриба», встроенную в липидную мембрану вируса. р24 — внутренний белок, две тысячи молекул которого составляют капсид вируса (кор), имеющий форму усеченного конуса. р17 — матриксный белок, образующий слой толщиной 5–7 нм между внешней оболочкой и капсидом. Интеграза, ревертаза и протеаза — ферменты, необходимые для жизненного цикла вируса. РНК (2 копии) — хранилище генетической информации (ВИЧ — ретровирус). Генетический аппарат ВИЧ-1, связанный с нуклеокапсидным белком p7, имеет длину около 10 тыс. нуклеотидов и содержит девять генов. Рисунок с сайтов visual-science.com и «Википедии».
Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].
Рисунок 3. Генетическая организация вируса ВИЧ-1. (+)РНК-геном вируса содержит гены, ответственные за синтез белков, выполняющих структурные, ферментативные и регуляторные функции. Это гены gag, env и pol, имеющиеся у всех известных ретровирусов и кодирующие структурные белки оболочки вируса (gag, env), а также ферменты: ревертазу, интегразу и протеазу (ген pol). Оставшиеся шесть генов — vpr, vpu, vif, tat, rev, nef — так или иначе участвуют в жизненном цикле ВИЧ-1, кодируя регуляторные белки и подавляя активность иммунных клеток. Два вида вируса иммунодефицита человека (ВИЧ-1 и ВИЧ-2) различны по составу генов: у ВИЧ-2 нет гена vpu, зато есть ген vpx. Рисунок с сайта www.zdrav.kz.
Что происходит после того, как вирус попадает внутрь организма? Уже в слизистой оболочке иммунные клетки (макрофаги) поглощают часть вирионов. Вслед за этим, когда вирус проникает в кровь, другие иммунные клетки — Т-хелперы — дают стимулирующий сигнал «убийцам» вирусов: B-лимфоцитам и Т-киллерам. Операция по уничтожению вируса переходит в следующую фазу. Активированные B-лимфоциты образуют антитела, которые находят свободные антигены вирусов и связываются с ними. Такой тандем (вирусный антиген — антитело) захватывается и уничтожается макрофагами. Те вирусы, которые сумели ускользнуть от антител и макрофагов и внедриться в клетки, уничтожаются вместе с пораженными клетками Т-киллерами. И завершающий этап иммунной реакции: клетки Т-супрессоры гасят активность иммунного ответа, прекращая агрессивные действия Т-киллеров и B-лимфоцитов, чтобы те, разбушевавшись, не уничтожили и здоровые клетки.
Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).
В 2008 году американские исследователи из Университета Рокфеллера открыли еще один интерферон-зависимый антивирусный механизм. Выяснилось, что интерферон стимулирует синтез белка BST-2 (тетерина), блокирующего выход вирионов из клетки [16]. Но некоторые вирусы научились обходить действие интерферона. Так, вирус Эбола (рис. 4) с помощью своего белка eVP24 не дает ядерному фактору PY-STAT1 проникнуть в ядро и запустить действие интерферона [17]. У этого вируса есть еще несколько механизмов, делающих его неуязвимым для иммунитета. Так, внутреннее содержимое вируса окружено «чехлом» из полисахаридов, благодаря чему вирус плохо распознается иммунной системой*.
* — О борьбе с вирусом Эбола с помощью моноклональных антител рассказывает статья «Вирус Эбола и макак-резус: получено новое эффективное лекарство» [18].
Рисунок 4. Схема строения, 3D-модель и фото вируса Эбола. Рисунки с сайтов www.visual-science.com и ebolaviruspictures.blogspot.com.
Как мы видим, в идеале у здорового организма существует довольно надежная многоуровневая система защиты от проникновения всевозможных «чужаков». И действительно, все мы знаем, что встречаются люди, в силу своего крепкого здоровья устойчивые ко всяким сезонным инфекциям вроде ОРВИ или гриппа. Такой опасный агент, как вирус натуральной оспы, не убивал всех без исключения заразившихся, и большая часть заболевших выздоравливала своими силами. Среди них был и будущий глава СССР, И. Сталин, переболевший в детстве оспой. Даже лихорадка Эбола, наводящая сегодня ужас в Африке, оставляет в живых десятую часть заразившихся. И лишь по отношению к одной единственной инфекции эта система защиты оказывается бессильной в 100% случаев заражения. Ни один человек из 36,9 миллионов, инфицированных ВИЧ (данные ВОЗ на начало 2015 г.), не сможет избавиться от вируса, а заболевший СПИДом — полностью выздороветь [19].
Причины поражений в борьбе с ВИЧ
Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.
Почему же человечество со всем своим огромным научным и техническим потенциалом ничего не может противопоставить этой смертоносной инфекции? Проблема борьбы с ВИЧ многоуровневая и включает в себя несколько факторов. Так, неизвестно почему, но иммунная система человека вместо того, чтобы бороться с вирусом, иногда помогает ему. Этот феномен, получивший название антителозависимое усиление инфекции (ADE), был описан применительно к ВИЧ в конце 80-х годов американскими биологами из университетов Калифорнии и Вандербильта — В. Робинсоном и его коллегами [22]. Было обнаружено, что антитела, которые вырабатываются в организме в ответ на вирусную атаку, облегчают проникновение вируса в клетку (рис. 5, 6). Посредством специфического участка — Fc-области — они присоединяются к клеткам-фагоцитам и «проводят» вирус в них. Это похоже на то, как поводырь проводит плохо видящего человека в нужное место: антитело «берет за руку» вирус и заводит его в макрофаг.
Рисунок 5. Схема развития феномена ADE при вирусных инфекциях. а — Взаимодействие между антителом и рецептором FcR на поверхности макрофага. б — Фрагмент С3 комплемента (компонент комплемента, после присоединения которого весь этот комплекс приобретает способность прилипать к различным частицам и клеткам) и рецептор комплемента (complement receptor, CR) способствуют присоединению вируса к клетке. в — Белки комплемента С1q и С1qR способствуют присоединению вируса к клетке (в составе молекулы C1q имеется рецептор для связывания с Fc-фрагментом молекулы антитела). г — Антитела взаимодействуют с рецептор-связывающим сайтом вирусного белка и индуцируют его конформационные изменения, облегчающие слияние вируса с мембраной. д — Вирусы, получившие возможность реплицироваться в данной клетке посредством ADE, супрессируют противовирусные ответы со стороны антивирусных генов клетки. Рисунок с сайта supotnitskiy.ru.
Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.
Рисунок 6. Электронно-микроскопическая фотография макрофага, инфицированного ВИЧ-1. Две темные области — многочисленные вирусные частицы, которыми «нашпигована» клетка. Рисунок из [13].
Но и это еще не все уловки в арсенале смертоносной инфекции. В нашем организме существуют специальные антиретровирусные системы, которые должны противостоять ВИЧ. Сегодня известны три таких системы: упоминавшийся выше (в связи с интерфероном) BST-2/ тетерин, а также AID/APOBEC и TRIM5-α [24]. Но, как выяснилось, все они оказываются бессильны в борьбе против ВИЧ. Вот как об этом говорит М.Р. Бобкова из Института вирусологии им. Д.И. Ивановского: «Антивирусные системы клетки, получившие название „внутреннего иммунитета“ (intrinsic immunity), пытаются бороться с вирусом, но у них это плохо получается. APOBEC модифицирует вирусную ДНК таким образом, что это приводит к ее разрушению либо неполноценности. В ответ на это вирус ВИЧ приобрел белок Vif, блокирующий функцию APOBEC. TRIM5-α у обезьян хорошо справляется с функцией преждевременного „раздевания“ РНК вируса, но только не „своего“ вида, а всех других. У человека этот белок есть, но функция его снижена, и ее недостаточно для ограничения репликации (копирования) ВИЧ. Тетерин связывает отпочковывающиеся вирусные частицы и не дает им покинуть поверхность клетки. В противодействие этому у ВИЧ есть белок Vpu, который путем связывания тетерина „освобождает“ новые частицы. Представить себе, что эти механизмы защиты от внутреннего иммунитета вирус выработал за те несколько десятилетий, что он общается с человеком, невозможно, поэтому должно быть какое-то другое объяснение».
«Другое» объяснение приводит в своей работе известный специалист по ВИЧ, микробиолог Михаил Супотницкий. По его мнению, причина того, что антивирусные системы человека бессильны против ВИЧ, носит эволюционный характер: «Почему так работают антиретровирусные системы человека? Причина, скорее всего та же, что заставляет иммунную систему человека участвовать в размножении и распространении ВИЧ — эти системы созданы самими ретровирусами» [25]. Когда-то, несколько сотен миллионов лет назад, древние ретроэлементы, от которых произошли все ретровирусы, участвовали в процессе эволюции в формировании иммунной системы позвоночных, передав для ее генов некоторые свои элементы. И потому наша иммунная система, созданная ретроэлементами, иногда может по старой памяти воспринимать вирусы как «своих».
Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.
Также известно, что ВИЧ в своем жизненном цикле задействует множество белков организма хозяина (рис. 7). В 2008 году ученые из Гарвардской медицинской школы и Института Говарда Хьюза посредством механизма РНК-интерференции провели исследование генома человека на предмет обнаружения белков-«коллаборационистов», сотрудничающих с ВИЧ [20]. В ходе работы ими были обнаружены 273 белка, так или иначе связанных с циклом ВИЧ [26]. Но и это еще не всё. Оказалось, что наши внутренние, эндогенные ретровирусы, тихо сидящие в нашей ДНК, могут в случае надобности предоставлять «чужим» ретровирусам (в том числе и ВИЧ) свои ферменты, необходимые для вирусного жизненного цикла. То есть внутренние и внешние вирусы взаимодействуют между собой: американскими исследователями был зафиксирован феномен, когда в ответ на прием ингибиторов протеаз протеаза эндогенного ретровируса человека HERV-К компенсировала своим действием отсутствие этого фермента у ВИЧ-1 [27]. Получается такая «дружеская взаимопомощь» между вирусами. Hе случайно авторитетный вирусолог, академик РАН Е.Д. Свердлов назвал наши эндогенные ретровирусы «пятой колонной» ВИЧ [2]. В свою очередь, ВИЧ может активизировать «дремавшие» эндогенные ретровирусы: наблюдали усиление экспрессии генов ретровируса HERV-K10 у ВИЧ-инфицированных и появление в сыворотке крови таких людей вирусных частиц HERV-K [28, 29].
Существует одна схожая особенность многих опасных вирусов, затрудняющая вакцинацию и лечение: они чрезвычайно быстро меняются. У ВИЧ это обусловлено тем, что фермент обратная транскриптаза делает массу ошибок при копировании вируса в организме — такая у этого фермента особенность. И потому вирусные копии отличаются одна от другой, и вирус становится неуловимым. Это похоже на то, как если бы полиция искала преступника по фотороботу и отпечаткам, а он каждый день менял свой облик, да еще и делал себе двойников. У других вирусов есть свои механизмы изменчивости. К примеру, два знаменитых филовируса — Эбола и Марбурга — с момента открытия изменились по составу аминокислот в некоторых белках более чем на 20%! Вирус гриппа постоянно меняется благодаря двум своим специфическим особенностям: «антигенному дрейфу» и «антигенному шифту» — мутации антигенов вируса и полной замене одного из генов* [31].
* — Разным аспектам, связанным с вирусом гриппа, биомолекула посвятила целую серию статей, первая из которых — «Гонки с вирусом: эпидемиология и экология вируса гриппа» [32].
Эпидемии «медленных» вирусов и вирусная эволюция
Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].
* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.
** — О строении и свойствах другого вируса, вируса гепатита А, читайте в статье «Вирус гепатита А: новое — это хорошо забытое старое» [35].
Конечно, атипичная пневмония, «птичий» грипп, коронавирус MERS и другие, неизвестные пока инфекции при определенных обстоятельствах могут вызвать эпидемии с большими человеческими жертвами. Природный резервуар «запасных» частей для вирусов огромен, и они могут складываться в опасные формы. Этот процесс носит название рекомбинация вирусов — вирусы обмениваются своими «запасными» частями (генами) друг с другом и с носителями, создавая новые виды. И именно после этого появляются новые опасные формы вирусов, о которых мы регулярно узнаем из новостных лент СМИ.
Причем больших изменений для возникновения опасной формы вируса не требуется. Так, «испанский» грипп, от которого в 1918-1920 гг. погибло более 20 млн человек, был вызван вирусом типа H1N1 (рис. 8), доставшимся человеку от птиц. В конце 90-х гг. американские ученые из Armed Forces Institute of Pathology исследовали этот вирус, выделив его из тел, похороненных на Аляске, и нашли всего лишь одно существенное изменение, сделавшее его смертельным: изменение в гене поверхностного белка — нейраминидазы [36]. В 2008 году ученые из Массачусетского технологического института — Т. Тампи и его коллеги — дополнили эти исследования, обнаружив еще две возможные мутации, которые могли сделать этот вирус «массовым убийцей»: мутации в структуре второго поверхностного белка вируса гриппа — гемагглютинина, — которые позволили ему связываться со специфическими гликанами человеческих эпителиальных клеток (рецепторами α2—6)* [37].
Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г. Рисунок с сайта phil.cdc.gov.
Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.
Всё тот же научный прогресс стал причиной односторонней миграции населения из сёл и малых городов в крупные города, что привело к возникновению компактных многомиллионных поселений. Чего не было за всю длинную эволюцию человека. И такая скученность населения в крупных городах создает все условия для возникновения и распространения новых форм вирусов: ослабление иммунитета как следствие загрязненной среды обитания и стрессов и возможность скорейшего инфицирования всё новых и новых хозяев. Академик В.А. Кордюм (Институт молекулярной биологии и генетики, Киев) приводит пример с вирусом герпеса человека 7-го типа (ВГЧ-7) и цитомегаловирусом. Эти два инфекционных агента распространены повсеместно: ими инфицировано большинство населения Земли. И пока человек живет в нормальных условиях, они никак себя не проявляют. Но стоит лишь иммунитету ослабеть — вследствие стресса или других факторов — ВГЧ-7 и цитомегаловирус активизируются, еще более угнетая иммунную систему и «открывая ворота» для других, более опасных вирусов [39].
Ясно, что мы пока не до конца понимаем причины стремительной эволюции вирусов и те природные механизмы, которые способствуют этому. Очевидно, что наш современный «урбанистический» образ жизни играет в этих процессах не последнюю роль. Человек, устраивая свою жизнь с комфортом и переделывая всё вокруг на свой вкус и под свои нужды, вдруг забыл, что он обычный биологический вид и перестал жить по законам природы. А вирусы напоминают нам об этом.
Первоначальный вариант статьи был опубликован в журнале «Популярная механика» [40].
