Вирусолог Сергей Альховский: "Вирусы - это вторая ветвь жизни на Земле"

Как известно, в живой природе вирусы окружают нас повсюду. Каждая клетка любого 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. Вирусолог Сергей Альховский называет их реликтами древнего РНК-мира. По сути, вирусы — это вторая ветвь жизни на Земле после клеточной. Как вирусы участвуют в эволюции? Рассказывает Сергей Альховский. 

— Что собой представляют вирусы?

— Существует множество разных определений. Я предпочитаю следующее: вирусы — это автономные геномы, которые способны упаковываться в капсид. В этом проявляется их природная суть: вирус — это нечто живое, обладающее своим геномом, но при этом отличающее от клеточных организмов, у которых геном всегда упакован в клетку.

Также их определяют как облигатные внутриклеточные генетические паразиты. Ведь вирус может реплицироваться исключительно внутри клетки, которую он инфицирует.

— Когда они впервые были открыты?

— Первые работы, посвященные изучению вирусов, начались еще в конце XIX века, когда уже зародилась  микробиология, были известны постулаты Коха, связанные с инфекциями, выделены некоторые микроорганизмы на чистой культуре.

Всё началось с исследований по поиску этиологических агентов разных болезней. Отечественный основоположник вирусологии — Дмитрий Иванович Ивановский проводил эксперименты с табаком, пытаясь найти возбудителя табачной болезни, которая губила плантации табака. Он брал сок больных растений и переносил их на здоровые. Последние заражались, подтверждая предположение о том, что болезнь носит инфекционный характер.

Уже тогда существовали специальные фильтры, через которые бактерии проходить не могли. Дмитрий Иванович применял такие фильтры и доказал, что инфекционный агент, который распространяется среди растений, меньше чем бактерия. Так были открыты первые вирусы, изначально носившие название — фильтрующиеся элементы.

Вскоре вирусная природа была открыта и у других заболеваний, например у бешенства или желтой лихорадки в начале ХХ века. Между тем сами вирусы были открыты намного позднее— в 40-х годах ХХ века. Именно тогда появились технологии кристаллизации белка, благодаря которым ученые увидели непосредственно вирусные частицы, которые имели строгую, упорядоченную структуру.

— Что говорят теоретики об их эволюционной природе?

— Происхождение вирусов относят к древним временам, когда жизнь на Земле только зарождалась — к периоду до появления клеточной формы жизни. Считается, что первые этапы жизни на планете связаны с появлением так называемых самореплицирующихся молекул. Вероятнее всего, этими молекулами были длинные молекулы РНК, которые синтезировались абиотическим путем из разных химических компонентов под влиянием факторов окружающей среды.

Однажды эти молекулы приобрели способность самореплицироваться. Это связано, прежде всего, с тем, что некоторые молекулы РНК обладают ферментными свойствами, в том числе способностью реплицировать себя или друг друга. Эти молекулы в дальнейшем эволюционировали в протогеномы. А они, в свою очередь, отделились от внешней среды с использованием клеточных стенок, формируя клеточную жизнь. Вирусы же избрали другой путь — они отказались от формирования клеточных стенок и избрали свой — паразитический образ жизни.

То есть вирус — это реликт древнего РНК-мира. По сути, это вторая ветвь жизни на Земле после клеточной.

— То есть вирусы избрали некий легкий путь?

— Его нельзя назвать легким — он просто другой. Это путь взаимоотношений паразита и хозяина. Как только появляется некий организм, обязательно найдется тот, кто захочет жить за его счет. Между тем, вирус нельзя рассматривать исключительно как паразита.

Дело в том, что вирусы представляют собой важный фактор эволюции. При взаимодействии с клетками они переносят гены. Заражая клетку, они могут вносить в неё новые наборы генов. А выходя из нее, могут забирать часть генетической информации из этой клетки и переносить ее в другую. Получается, что вирусы — переносчики генетического материала и важный элемент эволюции клеточной жизни.  

— Почему вирусы так быстро меняются и могут переходить от животных к человеку?

— Большинство вирусов, которые поражают животных и человека — РНК-содержащие вирусы. РНК-вирусы — очень изменчивые существа. Их геном представлен нитью РНК. Когда вирус размножается в клетке, его РНК реплицируется, то есть постоянно воспроизводит саму себя с использованием вирусной РНК-полимеразы — фермента, осуществляющего синтез молекул РНК.

Характерное свойство РНК-полимеразы состоит в том, что при копировании она делает много ошибок. К примеру, у человека есть подобный фермент — ДНК-полимераза, которая также может совершать ошибки. Так появляются мутации, в том числе вызывающие различные заболевания. Но в случае ошибки ДНК-полимеразы включается специальная система репарации, которая исправляет ошибку. Именно поэтому человеческий геном достаточно стабилен.

У вирусов такой системы нет. Поэтому РНК-полимераза всё время делает ошибки. Она может произвести миллиард копий, каждая из которых будет отличаться от предыдущей. Эти ошибки образуются, в том числе в значимых местах, которые отвечают за кодирование белков. В результате происходит аминокислотная мутация, и вирус приобретает дополнительные свойства.

При переходе вируса от животных к человеку основное значение имеет так называемая рецепторная специфичность. Тропизм вируса — набор клеток и виды живых организмов, которые он может инфицировать, определяется способностью вируса связывать клеточные рецепторы.

Например, клеточные рецепторы мыши будут отличаться от клеточных рецепторов человека, хотя типы белков могут быть одинаковыми. Поэтому вирус сможет связаться с рецептором мыши и заразить ее клетки. При этом с человеческим рецептором он связаться не сможет, поскольку структура белка будет отличаться.

Но может случиться так, что в процессе репликации вируса возникнут мутации, которые изменят структуру рецептор-связывающего домена, и вирус приобретет способность связываться с рецептором человека. Так можно описать механизм межвидового перехода.

— Получается, что во многом, это процесс носит случайный характер?

— Да. Но важно отметить, что эти домены, непосредственно связывающие рецептор, являются мишенью для иммунного ответа хозяина. Обычно они несут на себе так называемые нейтрализующие антигенные детерминанты — те участки поверхности, с которыми могут связываться антитела, продуцируемые иммунной системой. Если антитела свяжутся с этим участком, вирус не сможет проникнуть в клетку. Этот гнет иммунной системы требует от вируса постоянных изменений, чтобы избегать иммунного ответа. И, как правило, поверхностные белки вируса, особенно рецептор-связывающие домены и антигенные эпитопы — самые изменчивые места вируса.

— Сколько клеток с вирусами может содержаться в организме после заражения?

— Когда вирус инфицирует клетку, он может продуцировать огромное количество себе подобных. Новые частицы могут выпочковываться миллионами. Но не все они будут инфекционными — часть из них будут дефектными. Ведь ряд мутаций, о которых мы говорили, приводит к тому, что вирус становится нежизнеспособен. Однако из всех дефектных клеток может быть одна инфекционная, которая продолжит и дальше заражать другие клетки, пока не отреагирует иммунная система.

— Как врачи определяют наличие вируса в организме?

— Существует несколько методов детекции возбудителя. Первый основан на серологических реакциях, то есть антигенных свойствах конкретного возбудителя, а второй на генетических методах.

Серологический метод основан на высокой специфичности связывания антител с антигеном. Специалисты могут взять, например, мазок из носоглотки, создать условия для реакции с использованием специфических антител. Если антиген есть в пробе, то реакция положительная, если нет — отрицательная.

При генетическом методе используются специальные реагенты для выделения генетического материала из клинической пробы. С помощью метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) специалисты диагностируют — есть ли генетический материал вируса в пробе.

В основе метода ПЦР лежит многократное удвоение определённого участка ДНК при помощи ферментов в искусственных условиях (in vitro). В результате нарабатываются количества ДНК, достаточные для визуальной детекции. При этом происходит копирование только того участка, который удовлетворяет заданным условиям, и только в том случае, если он присутствует в исследуемом образце.

— Как вирус SARS-CoV-2 поведет себя дальше? Сможет ли человечество победить его?

— Сейчас распространена точка зрения, согласно которой, коронавирус SARS-CoV-2 в конце концов  превратится в сезонный вирус, вызывающий ОРВИ — острую респираторную вирусную инфекцию. С этим сложно не согласиться, если бы не одно «но». Если бы эта инфекция появилась лет 10 назад, то так бы всё и осталось.

Но сегодня мы наблюдаем за тем, как научное и медицинское сообщество вовлечено в борьбу с вирусом. И я бы предположил, что человечество сможет победить COVID-19. Об этом говорят и меры, принимаемые во многих государствах. Карантинные меры и массовое тестирование действительно могут быть эффективны.

Когда будет разработана вакцина, а также противовирусные лекарства, у нас будут все шансы превратить COVID-19 во вторую инфекцию после оспы, которая была полностью ликвидирована усилиями человечества.

Интервью осуществлено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

Фото из личного архива