Наши гены имеют неоднородную структуру: они состоят из экзонов – участков, которые можно транслировать в белки, и интронов – промежуточных участков, которые удаляют, для чего их отрезают и сращивают (вновь соединяют) концы РНК. Гены человека в среднем имеют примерно 7–9 экзонов, между которыми расположены интроны. Представьте себе садовую изгородь, состоящую из столбов, чередующихся с пустым пространством, – это напоминает экзоны и интроны, хотя экзоны и интроны расположены с менее выраженной регулярностью. Более того, некоторые интроны могут оказаться очень большими (представьте себе калитку в изгороди).
Можно комбинировать различные связи между интронами и экзонами, в которых интроны, как правило, являются удаляемыми участками. На самом деле интроны не пустые, как промежутки между столбами забора. Что за информацию они несут в себе? Они не содержат последовательности генов для кодирования белков, но направляют и регулируют производство белка; интроны являются хранилищем регуляторной информации и определяют время и локализацию производства белка. Таким образом, интроны контролируют экзоны. Среди ученых было принято считать, что экзоны важнее, однако в настоящее время признано, что они зависят от интронов. Экзоны кодируют белки, в то время как интроны являются некодирующими (НК). Каталог известных нкРНК представляет собой быстро расширяющееся семейство очень важных регуляторных РНК – только в последнее время было открыто около десятка таких РНК. Поэтому, дорогой читатель, пожалуйста, запомните понятие «нкРНК». Соответствующая ДНК называется нкДНК, а ее транскрипция приводит к образованию нкРНК. Для меня особенно интересен тот факт, что вирус и человек – непревзойденные «специалисты» по сплайсингу. Почему вирусы? Потому, что они при их малых размерах проявляют столь незаурядные способности (они – наши предки!). Матрос понятия не имел, как много стоит за сращенной веревкой, которую он мне подарил.
В качестве примера получения «месседжей» из одного всеохватывающего «месседжа» давайте посмотрим, какое количество слов можно получить из «комбинированных экзонов» после «сплайсинга» слова с учетом пробелов. Supercalifragilisticexpialidocious – это не самое длинное, но одно из самых известных английских слов. Слова из него получают путем удаления (а не перестановки) букв, и они получились следующими: super (супер), supercilious (излишне волосяной), perfidious (вероломный), precious (драгоценный), serious (серьезный), superficial (поверхностный), fragile (хрупкий), pallid (бледный), series (серии), focus (фокус). И таких слов намного больше, можете сами попробовать. У вирусов сплайсинг осуществляется только в пределах одного «слова», поскольку они в силу своего минималистского строения содержат только экзоны и не имеют интронов. Так совершенно по-разному человек и вирусы научились оптимальным образом использовать свой генетический материал. Именно эта сложность лежит в основе сложности организмов человека и вируса. Вот почему я вдвойне благодарна матросу за подарок.
Вирусы – живые или неживые?
Вирусы не лишены признаков жизни – по крайней мере они более живые, нежели камень или кристалл. Можно слишком упростить понимание этого вопроса, сказав, что любые микроорганизмы, которые по размеру меньше вируса, – неживые, а более крупные микроорганизмы – живые. Вирусы находятся на границе между живым и неживым или же являются тем и другим одновременно. Я не усматриваю никакой сингулярности, не ставлю точки и не определяю четкую границу; речь, скорее, идет о постепенном переходе от отдельно взятой биомолекулы к клетке. На заре зарождения жизни на Земле РНК-содержащие вирусы были самыми крупными биомолекулами и существуют до сих пор.
«Что такое жизнь?» – этот вопрос в 1944 г. был вынесен в заголовок очень известной книги физика Эрвина Шрёдингера и побудил целое поколение физиков заниматься биологическими исследованиями. Жизнь подчиняется законам термодинамики и сохранения энергии. Для живых клеток характерна отрицательная энтропия, основанная на организованных структурах, в силу чего энтропия зачастую называется «мерой неупорядоченности». Например, если не убирать рабочий стол, беспорядок на нем будет усиливаться, а если постараться и навести порядок, стол станет чистым, без признаков беспорядка. Жизнь и второй закон термодинамики основаны на этом правиле: питание и энергия позволяют вести упорядоченную жизнь. Следует признать, что Шрёдингер задавался вопросом о законах жизни, а не о законах ее происхождения.
Я полагаю, что НАСА должно иметь более четкое определение жизни, поскольку агентство пытается найти жизнь за пределами нашей планеты. Безусловно, они знают, что ищут. Джерри Джойс, работавший в свое время в Институте Солка (Калифорния), возможно, внес свой вклад в это определение, поскольку ему удалось получить в пробирке самореплицирующуюся РНК, способную мутировать и эволюционировать. Это был его подход к «повторению происхождения жизни». Вполне возможно, что это вдохновило космическое агентство США, которое дало следующее определение жизни: самовоспроизводящаяся система, содержащая генетическую информацию и способная эволюционировать. (В этом определении я бы опустила слово «генетическую», поскольку структурная информация тоже может эволюционировать. Я имею в виду вироиды.)
Вирусы можно сравнить с яблоками. Яблоко, лежащее на столе, не может себя продублировать и превратиться в два яблока – то же самое относится и к вирусу. Яблоку нужна земля, чтобы стать яблоневым деревом, дающим новые яблоки. Яблоки ведь живые? А как же вирусы? Может ли в данном случае чем-то помочь Чарлз Дарвин? Он считал, что жизнь, возможно, зародилась в «маленьком теплом пруду», и предполагал, что сначала все было просто, на этом его предположения закончились. Вирусу нужен пруд или хотя бы пробирка – среда с питательными веществами для репликации и производства потомства. Вирусы – просто организованные организмы. Поэтому они более «живые», чем камни, а вот камни действительно неживые. Как это ни странно, некоторые вирусы способны к агрегации и образованию симметричных квазикристаллических структур, которые чрезвычайно стабильны, резистентны к теплу и в этом смысле действительно напоминают камни. У кристаллов неправильной формы может даже сохраняться неправильное сворачивание, что почти напоминает репликацию. Так же могут себя вести, например, некоторые белковые агрегаты в тканях головного мозга – например, прионы. Может быть, у них есть нечто схожее с вирусами? Предполагаю, что да, и мы увидим это далее.
Бактерии принято считать живыми микроорганизмами. Они обладают способностью к делению и, таким образом, к самовоспроизведению, а, что самое главное, они синтезируют белок. Синтез белка считается важным пограничным маркером, разделяющим живое и неживое. Бактериям тоже нужны поступающие извне питательные вещества, то есть они не полностью независимые микроорганизмы. Кроме того, они вовсе не так просты! Не существует биологического «вечного двигателя» – механизма, способного работать без помощи энергии. Но источником энергии необязательно является клетка. При отсутствии солнечных лучей это может быть энергия химических реакций, как в случае с «черными курильщиками», находящимися на дне океана.
К великому удивлению, недавно обнаруженные гигантские вирусы содержат компоненты, необходимые для синтеза белка. Они очень похожи на живые бактерии, являясь «квазибактериями». Соответственно гигантские вирусы также называют мимивирусами, поскольку они, похоже, мимикрируют под бактерии. Будучи почти бактериями, эти гигантские вирусы являются хозяевами для более мелких вирусов, которые реплицируются внутри них. Все это вызвало чрезвычайно сильное раздражение у классических вирусологов, поскольку гигантские вирусы никак не вписываются в устоявшиеся представления о вирусах и их определения. Открытие этих вирусов в 2013 г. было прокомментировано в журнале Nature с точки зрения места вирусов в процессе возникновения жизни. В этом материале указывалось, что гигантские вирусы нужно поместить в основание древа жизни – вот на что надеялись ученые, открывшие этот вирус! В самом начале не было клеток и мимивирусов – и те, и другие слишком большие по сравнению с вирусами, поэтому они не могли быть у истоков жизни. Вероятно, ранние вирусы не нуждались в клетках. Это довольно смелое заявление и единственное, что не очень вписывается в мое утверждение «Сначала были вирусы». Современные вирусы нуждаются в клетках, но, возможно, это результат длительной эволюции. На самом деле существуют вироиды, «голые молекулы РНК», способные к репликации и эволюции, которые, возможно, изначально не зависели от клеток, как сейчас. Они могут делать все это как в пробирке Джойса – без клеток. Их можно было бы назвать «голые вирусы».
Вирусы – изобретатели и поставщики генетических инноваций. Они формируют наши геномы. Я так считаю и готова повторить это много раз, это мое кредо, мое «ceterum censeo»[5].
Вирусы действительно внесли свой вклад в образование клеток. Это очевидный факт, а не предположение. Современные вирусы – паразиты, они зависят от клеток. Вирус-паразит может передать свои функции хозяину и покинуть его с меньшим количеством генов, чем если бы он был сам по себе или ему приходилось бы выживать вне клетки-хозяина. Все выявляемые в настоящее время вирусы – паразиты, зависящие от клеток. Эволюция идет не только от простых структур к сложным, она может идти и в обратном направлении. Сложные структуры могут становиться проще, могут терять гены, делегировать свои функции и становиться специализированными. В зависимости от условий окружающей среды способности могут быть приобретены или утрачены. Примером тому служат митохондрии. Подождите, вот дойдем до последней главы этой книги!
Как же вирусы взаимодействуют со своей клеткой-хозяином? Существуют клетки-хозяева, не имеющие ядра, из которых состоят бактерии и археи, – это прокариоты, и клетки, содержащие ядра, – это эукариоты. Из них состоят насекомые, черви, растения, млекопитающие и т. д. Все эти организмы содержат вирусы, а бактериальные вирусы носят также специальное название «бактериофаги» или просто «фаги». Тем не менее нет необходимости разделять вирусы и фаги. В клетке-хозяине они ведут себя одинаково. Их «жизненные циклы» или циклы репликации описываются следующими характеристиками: вирус проникает в клетку в целях ее инфицирования, после чего он остается в клетке, интегрируется, реплицируется и/или разрушает ее. Иметь способность сохраняться в клетке – причем клетка-хозяин часто не замечает присутствия вируса – значит обеспечить себе постоянное или, другими словами, долговременное пребывание в клетке. Герпесвирусы прячутся в нейронах, где они могут оставаться годами. Многие вирусы растений остаются в клетках навсегда, так как никогда не приобретают оболочку, никогда не становятся активными (или вирулентными) и всегда размножаются вместе с растительной клеткой. Фаги сохраняются в клетках в форме интегрированных фагов, что называется лизогенным состоянием. Помимо этого, ретровирусы и некоторые другие ДНК-вирусы интегрируются в ДНК генома клетки-хозяина. В этом случае клетка-хозяин приобретает несколько дополнительных генов. Вместе с тем такая интеграция может обусловить генотоксический или мутагенный эффект и причинять вред клетке. Фаги и вирусы способны разрушить клетку-хозяина, высвобождая свое многотысячное «потомство», причем часто это бывает реакцией на стресс, примерно так, как реагирует на стресс наш организм: мы не находим себе места и теряем аппетит! Такой же эффект может вызвать прием у стоматолога. В таких ситуациях герпесвирусы выползают из своего убежища и оказываются у нас на губах, образуя очаг поражения.
Запомните общее правило: вторжение захватчиков может привести к объединению всех защитных сил или к поражению, вызванному чрезмерным стрессом, что относится и к человеческому обществу!
Уничтожат ли вирусы своих хозяев и может ли это привести к уничтожению человечества? Нет, все это небылицы, этого просто не может быть. Это нонсенс с точки зрения эволюции, поскольку в этом случае вирусы уничтожат саму основу своего существования или выживания и сами погибнут. Если большинство клеток исчезнет, их останется так мало, что вирусы просто не найдут последнюю клетку. Поэтому при недостатке клеток-хозяев вирусы приспосабливаются к новым типам хозяев. Речь идет о таком опасном явлении, как зооноз, вследствие которого человеческий организм инфицируется совершенно новыми для себя вирусами животных. До того, как исчезнут все клетки-хозяева, вирусы найдут им замену. Происходит переход от паразитической модели поведения к сосуществованию, что зачастую взаимовыгодно, то есть пользу от такого взаимодействия получает как вирус, так и хозяин. Если вирус поддерживает выживание клетки-хозяина, он повышает шансы на собственное выживание и выживание своего потомства. В процессе коэволюции вирус может стать менее агрессивным и менее вирулентным. Это происходит двумя путями: либо у хозяина повышается резистентность к вирусу, либо вирус перестает быть патогенным. Последнее достигается путем эндогенизации последовательности генов вируса в геноме хозяина. В нашем геноме очень много таких последовательностей – целое «кладбище» бывших вирусов. На вопросе эндогенизации мы остановимся ниже.
В процессе эволюции многие вирусы стали менее патогенными по отношению к своим «хозяевам». Например, вирус Эбола перешел к человеку от летучих мышей (это его основной хозяин), с вирусом атипичной пневмонии произошло то же самое. Аналогичным образом ВИЧ у обезьян (ВИО) больше не вызывает заболевание у обезьян. Поэтому, если немного подождать, может быть, организм человека тоже подружится с ВИЧ? Предполагаю, что это вполне возможно, только ждать, вероятно, придется очень долго.
2. Вирусы: как они заставляют нас болеть
Вирусы творят историю
Одним из величайших достижений медицины стала победа над вирусом оспы. Вспышек этого заболевания больше не должно быть, так как человечество изобрело вакцину от этого вируса и вакцинация вирусом коровьей оспы является профилактикой заражения натуральной оспой человека. Это открытие сделал Эдвард Дженнер, который в 1796 г. первым протестировал вакцину на собственном сыне. Он спас больше людей, чем кто-либо другой. Дженнер вывел принцип разработки вакцин: использовать сходный вирус, вызывающий заболевание лишь в легкой форме, чтобы защитить от опасного вируса. Использование вируса коровьей оспы вместо вируса натуральной оспы – пример эффективной вакцины, разработанной на основе более слабого вируса. Вирус оспы считался вымершим. Но, как это ни удивительно, время от времени все же возникают вспышки оспы – вирусы никогда не исчезают полностью.
В мире осталось всего несколько лабораторий – в России и США, где вирусы натуральной оспы хранятся в безопасных условиях. Насколько они защищены от угрозы биотерроризма? Эта угроза, похоже, стала вполне реальной после того, как в 2001 г. в США произошел биотеррористический акт с использованием вируса сибирской язвы, в результате которого погибло несколько человек. Тогда начались лихорадочные поиски остатков вакцины от оспы, которые хранились несколько десятилетий. Для производства этих вакцин использовали кожу животных, что совершенно не соответствовало приемлемым стандартам безопасности. Тогда вакцины все же приготовили в пятикратном разведении, чтобы увеличить количество доз! В моем диагностическом центре в Цюрихе мы быстро разработали методику тестирования вируса оспы. Необходимую информацию о последовательности генов вируса можно было без труда найти в интернете! Мы даже отрабатывали действия на случай возникновения угрозы появления вируса оспы и методики приготовления образцов для высокоточных методов диагностики. Существовала угроза биотеррористической атаки на участников ежегодного Международного экономического форума в Давосе. Мы надевали специальные защитные костюмы, включая маски, наподобие тех, что показаны в фильме «Эпидемия» с Дастином Хоффманом в главной роли. Строжайше соблюдая требования техники безопасности, мы использовали барокамеру, которая должна была предотвратить утечку вируса из лаборатории, однако из-за того, что кто-то из сотрудников по ошибке открыл не тот клапан, мы оказались на грани провала. Нам повезло: никаких опасных ситуаций не возникло. А потом все постепенно забыли об угрозе.
За двадцать лет до этого мне пришлось стать свидетелем последней чрезвычайной ситуации, связанной с заражением вирусом оспы в Берлине. Пациент находился в карантинном отделении, которое снаружи охранял полицейский, сидя на высоком стуле. Его задача заключалась в том, чтобы наблюдать за выходом и не допустить, чтобы этот пациент покинул палату. В это время рядом, в Институте Роберта Коха, работал единственный специалист, который знал, как тестировать вирус оспы. Этот человек обрабатывал куриные яйца, чтобы инокулировать вирус и поместить их в инкубатор для размножения. В то время это был единственный известный тест. Опасная ситуация, вызванная заражением вирусом оспы, показана в документальном фильме «Империя вирусов – убийц-невидимок». Этот чрезвычайно информативный фильм был снят экспертами как учебный материал. Когда я читала в Берлинском университете лекции по вирусологии, то в конце цикла всегда показывала слушателям этот фильм. Цикл лекций заканчивался в воскресенье, но студентам было интересно, и они приходили в университет даже в выходной. Во второй части фильма показана смоделированная чрезвычайная ситуация в Берлине, связанная с заражением оспой.