MedBookAide - путеводитель в мире медицинской литературы
Разделы сайта
Поиск
Контакты
Консультации

Жданов В. М., Ершов Ф. И. - Укрощение строптивых: рассказы о вирусах и вирусологии

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
<<< НазадСодержаниеДальше >>>

Глава 2 Как устроены мельчайшие из мелких

(составные части вирусов, чем они отличаются от настоящих организмов, есть ли что-нибудь, стоящее ниже вирусов на эволюционной лестнице)

До недавнего времени вопрос о природе вирусов ни у кого не вызывал сомнений. Вирусы — мельчайшие микроорганизмы, внутриклеточные паразиты, неспособные размножаться вне клетки. Будучи мельчайшими организмами, они обладают всеми свойствами существующих форм органической жизни — наследственностью и способностью размножаться, изменчивостью и способностью приспосабливаться к условиям окружающей среды. На них распространяются законы эволюции всего органического мира. Книга одного из основателей современной вирусологии — австралийского ученого Ф. М. Бернета, вышедшая в Англии в 1945 г., а в русском переводе в 1947 г., так и называлась «Вирус как организм».

В начале 50-х годов степень и уровень паразитизма вирусов были уточнены. Оказалось, что вирусы не имеют собственных белоксинтезирующих систем, а используют таковые тех клеток, в которых размножаются. Этим вирусы отличаются от самых мелких паразитических бактерий, неспособных расти на искусственных питательных средах вне клетки — риккетсий и хламидий, являющихся возбудителями сыпнотифозных лихорадок и трахомы.

Утрата органов и систем паразитическими организмами не есть что-то необычное, наоборот, она вполне закономерна. Например, многие виды глистов не имеют кишечника, утратив его в ходе эволюции паразитов, за ненадобностью: глисты всасывают из кишечника человека и животных уже переваренные питательные вещества в виде составляющих их аминокислот, углеводов и жирных кислот.

У риккетсий и хламидий паразитизм выражен еще сильнее: если у глистов он реализуется на уровне организма, то у риккетсий и хламидий — на клеточном уровне. Тем не менее обе группы мельчайших бактерий имеют собственные белоксинтезирующие системы. Правда, у хламидий паразитизм зашел дальше, чем у риккетсий, и они, имея собственные белоксинтезирующие системы, используют энергетические ресурсы клетки, необходимые для синтеза белка. Поэтому хламидий называют энергетическими паразитами.

У вирусов паразитизм достиг вершины: для синтеза своих белков они используют белоксинтезирующие системы клеток, программируя с помощью своих нуклеиновых кислот — вирусного генетического материала — вирусспецифические синтезы. Таким образом, паразитизм вирусов осуществляется на генетическом уровне, иными словами, вирусы являются генетическими паразитами.

Мы не будем останавливаться на химической эво-тюиии (об этом написано много книг), отметим лишь, что конечным результатом первого этапа эволюции явитесь образование клетки, основными частями которой являются нуклеиновые кислоты и белки, а также углеводы липиды (жиры), соли и, конечно, вода, составляющая 70—80% живой материи.

Нуклеиновые кислоты — это длинные нити, состоящие из нуклеотидов, представляющих собой соединения 5-атомного сахара (рибозы или дезоксирибозы), фосфорной кислоты и пуринового или пиримидинового основания. Чтобы не перегружать нашу книгу сложными химическими формулами, приведем лишь некоторые из них. Формула одного из четырех нуклеотидов (гуани-дина) выглядит так:

Схематически ее можно изобразить так:

Экскурс первый: как синтезируются белки

Прежде всего мы хотим напомнить читателю, как осуществляется в клетке синтез белков и заодно поговорить о великом открытии XX века — расшифровке генетического кода.

Считается, что эволюция жизни на Земле началась около 4 млрд лет назад и прошла два этапа: первый длился около 1 млрд лет (химическая эволюция), 3 млрд лет назад начался второй этап (биологическая эволюция).

и тогда участок нуклеиновой кислоты будет выглядеть следующим образом:

На схеме четыре основания представлены символами- А - аденин, Г — гуанин, Ц — цитозин и Т - тимин. Это участок дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В качестве сахара, образующего последовательную цепь с фосфатом, здесь служит дезоксирибоза — отсюда и название. В состав рибонуклеиновой кислоты (РНК) входит рибоза и вместо тимина другое основание — ура-цил. Итак, «нить жизни» — наследственное вещество представляет собой длинную спираль, состоящую из чередующихся остатков фосфорной кислоты и сахара, на который «навешены» пуриновые (аденин, гуанин) и пиримидиновые (цитозин, тимин, урацил) основания. В клетке ДНК существует в виде двойной (двунитча-той) спирали, которая образуется вследствие комплементарного взаимодействия пуриновых и пиримидино-вых оснований. Это взаимодействие подчиняется строгому правилу: аденин взаимодействует с тимином (А — Т), а гуанин — с цитозином (Г — Ц). Поэтому вторая нить спирали ДНК отличается от первой тем, что соответствующими звеньями в ней являются тимин вместо аденина, цитозин вместо гуанина, аденин вместо тимина и гуанин вместо цитозина.

В клетках бактерий нет обособленного ядра (их называют прокариотами, т. е. доядерными) и «нить жизни» — ДНК — располагается в цитоплазме. У более высокоорганизованных организмов, начиная с дрожжей (грибов) и кончая человеком, клетки имеют обособленное ядро (их называют эукариотами, т. е. имеющими ядро), в котором и размещается ДНК в виде нескольких дискретных единиц-хромосом. Молекулы нуклеино-16 вых кислот — это крупные полимеры. У наиболее простых организмов (бактерии) их молекулярная масса составляет около 2,5Х Ю% что соответствует 4 млн пар нукле-отидов, а у млекопитающих, включая человека, — около 70 X 1012. что составляет 10 млрд пар нуклеотидов.

Белки также являются линейными молекулами. Они состоят из аминокислот, которых насчитывается 20. Схематически формула аминокислоты может быть представлена следующим образом:

Символом R (радикал) обозначены те части молекулы, которыми отличаются разные аминокислоты.

Молекула белка представляет собой полипептид, в котором аминокислоты связаны своими аминогруппами NH2 и кислотными группами СООН, образуя пептидную связь СО—NH, что можно схематически изобразить следующим образом:

Вследствие больших различий радикалов в разных аминокислотах полипептид белковой молекулы представляет собой не прямую цепь, а сложную вторичную структуру, в формировании которой важную роль играют S — S-мостики, образующиеся при взаимодействии двух цистеиновых остатков: вместо изолированных групп, оканчивающихся, как было видно из формулы цистеина, группами SH, при их окислении образуются связи S — S, скрепляющие отдаленные части полипептидной цепи белка. На рис. 1 показано, как может выглядеть вторичная структура белковой молекулы.

Цепь нуклеотидов в молекуле ДНК и цепи аминокислот в молекуле белка преемственно связаны между собой, так как каждой молекуле белка, образующейся в клетке, соответствует участок ДНК, который кодирует этот белок (ген). Следовательно, ДНК клетки содержит генетический код для синтеза всех образующихся в клетке белков.

Рис. 1. Структура одной из белковых молекул.

ящие нуклеотида на нити РНК являются кодом для определенной аминокислоты. Например, триплету (кодо-ну) ЦГА соответствует аминокислота аргинин (арг), триплету ААА — лизин (лиз), триплету ГЦА — аланин (ала) и т. д. При подсчете числа возможных триплетов их окажется 64, в то время как число аминокислот всего 20, т. е. каждой аминокислоте может соответствовать более одного кодона. Обычно они различаются по последним нуклеотидам. Так, для аргинина кодонами являются не только упоминавшийся триплет ЦГА, но и ЦГЦ, ЦГГ и ЦГУ. Кроме этого, имеются кодон, с которого начинается синтез полипептидной цепи (инициирующий кодон АУГ), и кодоны, которыми заканчивается синтез полипептидной цепи (терминирующие кодоны УАА, УАГ и УГА).

Генетический код на ДНК не передается непосредственно на рибосомы — фабрики синтеза белка, а предварительно на участке ДНК, образующем ген, синтезируется комплементарная копия РНК (так называемая информационная РНК, или иРНК), непосредственно кодирующая синтез белков.

Что же представляют собой рибосомы? Это весьма сложные образования, состоящие из рибонуклеиновых кислот и белков, которые при электронной микроскопии имеют вид двух тел неправильной формы, приближающейся к шарообразной или овоидной. В работающей рибосоме ее составные части (субъединицы) объединены. Однако для функционирования рибосом, т. е. для синте-

Рис. 2. Схема синтеза белка:

1 большая субъединица рибосомы; 2 — малая субъединица рибосомы; 3 — информационная РНК; 4 — кодоны; 5 — ААп тРНК на рибосоме; 6 — их анти-кодоны; 7 — свободная ААп тРНК.

за полипептидной цепи, необходимы еще несколько компонентов: транспортная РНК, ферменты активизации аминокислот и источники энергии.

Транспортные РНК (тРНК), или РНК-адапторы,— это сравнительно небольшие молекулы РНК, содержащие около 80 нуклеотидов и имеющие сложную структуру. Каждая из тРНК (а их число превышает 60) содержит петлю, на которой размещен триплет нуклеотидов, комплементарный соответствующему кодону; он поэтому и называется антикодоном. Концевой частью РНК-адап-тора является участок, к которому прикрепляется аминокислота, соответствующая антикодону. Прикрепление аминокислоты обеспечивается специальными ферментами.

Рассмотрим теперь, как проходит этот синтез (рис. 2). Информационная РНК «садится» на малую субъединицу рибосомы, размещая на ней один из своих кодонов. С этим кодоном взаимодействует антикодон, а конечная ее часть, содержащая присоединенную аминокислоту, идет на большую субъединицу рибосомы, где находится уже растущая цепь нового белка. Здесь ферментные системы большой субъединицы рибосомы соединяют свободный кислотный участок последней присоединенной аминокислоты с аминоучастком вновь присоединяемой аминокислоты, образуя пептидную связь CO-NH.

Во время этого процесса информационная РНК передвигается на один кодон, освобождая теперь уж «разряженную» т РНК и давая возможность следующему кодону взаимодействовать с антикодоном соответствующей АА-тРНК.

Мы видим, насколько сложна клеточная система синтеза белка. Этот синтез называется матричным, так как он программируется матрицей нити информационной РНК (иРНК), а весь процесс называют экспрессией генов. При этом генетический код ДНК и образующейся комплементарной иРНК реализуется в виде строго определенных белков. Транспортная РНК (тРНК), или РНК-адаптор, является посредником, обеспечивающим перевод 4-буквенного генетического кода (так как нуклеиновая кислота построена из четырех нуклеотидов) в 20-буквенный алфавит белков (так как все белки строятся из 20 аминокислот).

Разгадка тайны генетического кода принадлежит большой группе ученых и является величайшим достижением науки XX века. Она была осуществлена в начале 60-х годов и основным ее исследователям (X. Хорана, Р. Холли, М. Ниренберг, С. Очоа) была присуждена Нобелевская премия. Генетический код оказался универсальным для всех форм органического мира, включая вирусы, хотя вирусы, как уже указывалось, не имеют собственных белоксинтезирующих систем.

Экскурс второй: снова о вирусах

Описывая главные свойства вирусов, мы остановились на том, что это — своеобразные организмы, характеризующиеся такой степенью паразитизма, при которой они не имеют собственных белоксинтезирующих систем. Итак, наиболее примитивные огранизмы... Такими их признавали до начала 60-х годов нынешнего столетия. А затем эта стройная концепция стала давать трещины. Началось с изучения способа размножения вирусов, который оказался непохожим на способ размножения всех других известных организмов. Детально мы его рассмотрим в одной из последующих глав, здесь же отме-20 тим его основную особенность — разобщенный характер репродукции (это слово чаще применяется к вирусам вместо обычного термина «размножение»).

Представьте на минуту такую картину. Дана зада- чаразмножить какой-либо животный организм. Как это происходит на самом деле, мы хорошо знаем. Но попробуем заменить реальный процесс следующей схемой: производится массовая заготовка голов, туловищ, конечностей, внутренних органов, а затем все эти детали монтируются, образуя сразу сотни животных-потомков. Не правда ли, это напоминает фантастику самого дурного тона, потому что такой способ репродукции непригоден даже для амебы, дрожжевой клетки или бактерии, т.е. наиболее просто устроенных организмов? Тем не менее он характерен для вирусов: после проникновения вируса в клетку происходит массовый синтез компонентов потомства вируса — нуклеиновой кислоты, белков, обычно в разных местах клетки, поэтому репродукция вирусов и обозначается как разобщенная в пространстве и времени. После заготовки составных частей вируса происходит монтаж их в виде ви-рионов — вирусных индивидуумов. Все это мало вяжется с понятием о вирусах как организмах.

Следующим ударом по концепции «вирус как организм» явилось открытие интеграбельных (встроенных) вирусов. Сначала это были так называемые умеренные фаги (вирусы бактерий, не вызывающие их разрушения и гибели), затем — онкогенные вирусы, а еще позже — обычные инфекционные вирусы. Мы снова отсылаем читателя к последующим главам, где эти вирусы будут рассмотрены более подробно, а сейчас лишь вкратце опишем процесс интеграции. Суть его заключается в том, что некоторые вирусы, вместо того чтобы репродуцироваться в зараженных ими клетках, становятся частью клетки.

Впервые этот процесс был изучен на умеренных фагах — вирусах, поражающих бактерии. После проникновения в бактериальную клетку вирусной ДНК последняя встраивается в определенный участок клеточной ДНК, становясь таким образом частью клеточного генома. В процессе размножения бактериальной клетки происходит удвоение ее генома — двунитчатой ДНК, и две расходящиеся молекулы становятся геномами дочерних делящихся бактериальных клеток, включая и те участки, которые ранее были геномами бактериальных вирусов, а теперь называются провирусами. Такое состояние провируса может сохраняться неопределенно долго, но под действием некоторых факторов, например ультрафиолетового облучения, провирус может отделиться от генома бактерии и начать реплицироваться, дав начало потомству бактериофага, т. е. данного бактериального вируса. Но может случиться и так, что произойдет мутация провируса, делающая невозможным «вырезывание» его из бактериальной ДНК. Тогда этот провирус останется навеки погребенным в геноме бактериальной клетки. Он перестанет быть вирусом, а превратится в группу клеточных генов. Все это также мало вяжется с представлением о вирусах как организмах, пусть даже мельчайших.

Еще одна группа вирусов плохо укладывается в критикуемую концепцию. Речь идет о вирусах с так называемым мультипартитным геномом, т. е. геномом, фрагменты которого заключены в разные полые структуры, внутри которых находится вирусная РНК, окруженная чехлом из белковых молекул. Эти вирусы распространены в растительном царстве, они вызывают заболевания растений. Здесь вирион (вирусный индивидуум) как бы разорван на две или три части, совокупность которых и является полноценным вирусом.

Чем дальше в лес, тем больше дров

До сих пор речь шла о вирусах, способных размножаться, пусть необычным способом, включая даже временное (а иногда и постоянное) превращение в часть клеточного генома. Теперь поговорим о вирусах, неспособных размножаться: их размножает либо вирус-помощник, либо сама клетка.

При изучении аденовирусов — группы вирусов, вызывающих гриппоподобные или острые респираторные заболевания, были обнаружены их необычные спутники, которые так и были названы — аденосателлиты. Их особенность заключается в том, что они неспособны к размножению, если ими заразить восприимчивые клетки. Их размножение происходит лишь в присутствии других вирусов — аденовирусов или вирусов герпеса, причем в последнем случае аденосателлиты проделывают неполный цикл репродукции. Эти вирусы имеют и другую особенность. Их генетическим материалом является одно-22 нитчатая ДНК- В ходе ее репликации (матричного синтеза), осуществляемой ферментами вируса-помощника, образуются как обычные нити вирусной ДНК (плюс-нити), так и комплементарные им минус-нити. Соответственно и вирионы аденосателлитов бывают двух видов: плюс-вири-оны и минус-вирионы. Представьте себе одновременное существование тигра и его зеркального отображения или даже плюс-амебы и минус-амебы, в которой все наоборот. Сюжет для фантастического рассказа!..

В настоящее время известно большое число вирусов-сателлитов. К ним следует добавить большое число вирусов, потерявших способность размножаться вследствие мутаций и эволюционных процессов. Детально изучены дефектные онкогенные вирусы. Многие из них способны вызывать злокачественное перерождение нормальных клеток, но неспособны размножаться и даже не имеют части собственных белков, так как соответствующие гены этих вирусов повреждены. В этих случаях вирусы-помощники (тоже онкогенные вирусы) не только реплицируют генетический материал дефектных вирусов, но и «одевают» их геном собственными белками.

Уже давно известен класс образований, называвшихся раньше эписомами или эпивирусами, а теперь — плазмидами или экстрахромосомными факторами наследственности. Обычо это кольцевые двунитчатые ДНК с относительной молекулярной массой от нескольких миллионов до десятков миллионов, не имеющие собственных белков и не способные самостоятельно размножаться: их размножают клетки, и в этом их сходство с вирусами-сателлитами и дефектными вирусами, хотя роль помощника в этом случае выполняет сама клетка, а не полноценные вирусы. Плазмиды, или экстрахромосомные факторы наследственности, были так названы потому, что находятся в цитоплазме и изолированы от хромосом — генетического аппарата клетки. Многие из них, как и умеренные фаги, способны интегрироваться с бактериальным геномом.

Плазмиды выполняют разные функции. Одни из них являются носителями генов, обеспечивающих устойчивость к антибиотикам, другие выделяются в окружающую среду и убивают родственные бактерии, третьи играют роль полового фактора у бактерий и т. д. Еще 'едавно их никто не относил к вирусам, да и сейчас имеются противники такой точки зрения. Но постепенно стал накапливаться материал, свидетельствующий о вероятности происхождения плазмид от бактериофагов -, бактериальных вирусов.

Прямым доказательством такого происхождения, по крайней мере многих плазмид, является получение их из бактериофагов генно-инженерными методами. Оказалось возможным, взяв в качестве исходного материала один из хорошо изученных бактериофагов (фаг ламбда), путем вырезания значительных участков фаговой ДНК и замыкания оставшейся ДНК в кольцо получить плазми-ду, которую реплицирует клетка, накопляя сотни экземпляров ее в цитоплазме и передавая затем потомству при делении бактериальных клеток.

Вопрос о вирусной природе плазмид теперь уже мало у кого вызывает сомнения, так как некоторые типичные инфекционные вирусы животных или их фрагменты могут существовать в виде плазмид. Например, вирус бычьей папилломы может существовать в виде плазмиды, т. е. в виде лишенной собственных белков кольцевой ДНК, которую размножает клетка. Генно-инженерными операциями в эту плазмиду вставили чуждый ей ген человеческого интерферона. После введения этой плазмиды в культуру клеток фибробластов мыши они начали продуцировать человеческий интерферон.

Итак, есть веские основания предполагать, что плазмиды являются дериватами вирусов, своего рода дефектными вирусами, происхождение которых иногда легко проследить (фаги, онкогенные и инфекционные вирусы животных). Но это еще не все. В некоторых случаях показано, что митохондриальная ДНК некоторых рас маиса в Латинской Америке может вести себя как плаз-мида, т. е. персистировать в клетках в виде свободной ДНК и реплицироваться клеточными ферментами. А совсем недавно из генетических элементов дрожжевой клетки генно-инженерными методами была получена рекомби-нантная кольцевая ДНК, которая после введения в дрожжевые клетки стала вести себя как плазмида: клетки размножали эту искусственно созданную плазмиду в количестве 150—200 копий на клетку, передавая дочерним дрожжевым клеткам. Таким образом, плазмиды могут быть дериватами, группами клеточных генов как хромосомных, так и экстрахромосомных.

<<< НазадСодержаниеДальше >>>

medbookaide.ru