Несмотря на вековую историю развития учения о вирусах, до сих пор нет общепринятого определения вирусов. Вирусы оказались одной из величайших загадок биологии. Д.И. Ивановский выявил два кардинальных свойства вирусов: они проходят через фильтры, задерживающие бактерии, и не растут на искусственных питательных средах. Однако, как оказалось в дальнейшем, этими свойствами обладают не только вирусы. Например, проходить через фильтры с диаметром пор lt; 300 нм могут бактерии, находящиеся на некоторых стадиях развития (L-формы), и микоплазмы. Были открыты наиболее мелкие микроорганизмы — риккетсии и хламидии, которые не растут, подобно вирусам, на искусственных питательных средах, а размножаются лишь внутриклеточно. Первые вызывают сыпной тиф и риккетсиозы у млекопитающих и птиц, вторые — трахому, паховую лимфогранулему и другие заболевания человека и животных. Также внутриклеточное размножение присуще некоторым простейшим (малярийный плазмодий, тейлерии и др.). Ответить на вопрос, что такое вирусы, кратко охарактеризовав как свойства вирусных частиц (вирионов), так и свойства вирусов на внутриклеточной стадии размножения, оказалось сложной задачей. При ответе на этот вопрос обычные критерии, применяемые для определения животных и растений, оказались неприемлемыми. Определение вирусов само по себе несколько произвольно, и в разное время было предложено много его вариантов (А. Львов, С. Лу- рия, Ф. Феннер, Б. Филдс и др.). Согласно одному из них, «вирусы — реплицирующиеся микроорганизмы, одни из мельчайших представителей существующего многообразия форм жизни» (Б. Филдс, Д. Найп, 1986).
Положение А. Львова о том, что «вирусы — это вирусы», имело важное теоретическое и практическое значение. С одной стороны, оно подчеркивало сходство всех вирусов, несмотря на большое разнообразие, с другой — выделяло их в самостоятельное царство живой природы. Главная особенность этих наиболее просто устроенных, не имеющих клеточной организации мельчайших существ, состоит в том, что они размножаются только внутри клеток хозяев и находятся в исключительной зависимости от их структуры и метаболизма. Вирусы, подобно
другим живым существам, способны размножаться, они циркулируют в природе как виды, обладающие наследственностью и изменчивостью.
Первоначально А. Львов (1957 г.) предложил определять вирусы как «строго внутриклеточные, потенциально патогенные агенты с инфекционной фазой развития: 1) содержащие нуклеиновую кислоту только одного типа 2) репродуцирующиеся в форме генетического материала 3) неспособные к росту и бинарному делению 4) лишенные «системы Липмана» (т.е. одной из ферментных систем, участвующих в производстве энергии). В другом определении (С. Лурия, Дж. Дарнелл, 1967) вирусы рассматриваются как «объекты, геномы которых состоят из нуклеиновой кислоты и репродуцируются в живых клетках, используя их синтетический аппарат, они вызывают синтез специализированных структур, способных переносить геном вируса в другие клетки».
В первом определении сделан акцент на внутриклеточной природе вирусов, их исключительной зависимости от метаболизма клетки-хозяина и на том, что на определенной стадии репродуктивного цикла специфический материал вируса представлен генетическим материалом — нуклеиновой кислотой. Во втором определении подчеркнуто два существенных качества вируса: 1) наличие у вируса собственного генетического материала, использующего биохимический аппарат клетки-хозяина 2) существование у вирусов внеклеточной инфекционной формы, представленной вирионами, которые служат для введения генома вируса в другие клетки или в другой организм.
Таким образом, в отличие даже от самых мелких микроорганизмов, таких как риккетсии, хламидии и микоплазмы, вирусы не имеют клеточной организации, хромосомных генов, рибосомальной системы и митохондриального аппарата (или его эквивалента для производства энергии). Способность риккетсий и хла- мидий размножаться только внутри клеток, вероятно, связана скорее с потребностью поступления готовых питательных веществ из клетки-хозяина, нежели с использованием его биохимического аппарата для экспрессии генома паразита. Микоплазмы являются свободно живущими внеклеточными паразитами и представляют собой бактерии, лишенные жесткой клеточной стенки.
Приведенные выше определения подчеркивают существенные различия между внутриклеточными и внеклеточными формами существования вирусов. Проникая внутрь клетки-хозяина, вирионы разрушаются, освобождая вирусную нуклеиновую кислоту, которая включается в метаболический аппарат клетки, приводя в конечном счете к репликации вирусного генома. Херши и Чейз (1953 г.) впервые показали, что в бактериальную клетку при заражении проникает только нуклеиновая кислота бактериофага, которая является единственным носителем генетической информации вируса.
Решающая роль вирусного генома в процессе вирусной инфекции была доказана Гирером и Шраммом (1956 г.) на примере вируса табачной мозаики. Они первыми доказали способность вирусной РНК вызывать инфекцию. Правильность этого вывода впоследствии подтверждена установлением инфекционное - ти РНК и ДНК многих вирусов.
Образование зрелых вирионов стало рассматриваться как завершающий этап цикла репродукции вируса, определяемый вирусным геномом. Некоторые гены вирусов кодируют синтез вирусспецифических белков, из которых формируется капсид, заключающий внутри себя вирусный геном. У некоторых вирусов кап- сид покрывается оболочкой, по составу и строению сходной с клеточными мембранами, но содержащей также и некоторые вирусспецифические белки. Несмотря на простоту организации, вирусы отличаются от животных и растений большим разнообразием генома. Животные и растения содержат одновременно две формы нуклеиновой кислоты: двухцепочную ДНК и одноцепочную РНК. Вирусы содержат только одну форму нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК, которые могут быть представлены одно- или двухцепочными молекулами. В случае с РНК-содержащими вирусами вся генетическая информация содержится в РНК, что является уникальным явлением в биологии. Все вирусы животных, за исключением ретровирусов, гаплоидны, т.е. содержат наследственную информацию в одном экземпляре.
Вирусные ДНК или РНК могут иметь линейную или кольцевую форму. Геном РНК-содержащих вирусов может быть представлен одной единой молекулой или молекулой, разделенной на 2—12 фрагментов (фрагментированный геном), а также двумя идентичными молекулами нуклеиновой кислоты (диплоидный геном). Вирусы также значительно различаются между собой по стратегии реализации генетической информации и репродукции вирусных частиц.
Вирусные нуклеиновые кислоты реплицируются с помощью полимераз, которые синтезируются в инфицированной клетке и кодируются вирусным геномом или привносятся в клетку в виде вирионных компонентов. В некоторых случаях в процессе репликации вирусного генома принимают участие предсущест- вующие клеточные полимеразы.
Репродукция вирусов состоит из репликации вирусного генома с образованием многочисленных копий родительской ДНК или РНК и индуцированного ими синтеза вирусных белков. Из вновь синтезированных вирусных компонентов путем самосборки формируются вирусные частицы (вирионы). В основе самосборки вирусных частиц лежит процесс, связанный с уменьшением свободной энергии системы, ибо упорядоченный капсид обладает меньшей свободной энергией, чем вирионные пептиды. Самосборка вирусных частиц, как и всякий процесс, ведущий к уменьшению свободной энергии системы, протекает самопроизвольно. Строгая упорядоченность в формировании капсида является следствием взаимодействия вирусной нуклеиновой кислоты и вирионных полипептидов с образованием максимального количества стабильных нековалентных связей между субъединицами. Нуклеиновая кислота (вирусный геном) выполняет роль морфопоэтического фактора, направляющего процесс самосборки в сторону образования капсида и формирования вирусных частиц.
Если попытаться расположить вирусы по степени их сложности в гомологичный ряд, то они, по существу, могут легко заполнить пропасть между неживой органической материей и клеточными формами жизни. В самом начале это-
Таблица 1. Отличительные свойства одноклеточных микроорганизмов и вирусов
а — некоторые вирусы, содержащие ДНК или РНК.
го ряда будут стоять простые минимальные вирусы, состоящие только из белка и нуклеиновой кислоты одного типа (ДНК или РНК). Далее следуют сложные вирусы, содержащие кроме этого углеводы и липиды. За ними следуют одноклеточные микроорганизмы - хламидии, в составе которых, как и у клеточных форм жизни, присутствуют одновременно оба типа нуклеиновой кислоты и имеется рибосомальный аппарат. Наконец, группа хламидий плавно смыкается с другими одноклеточными микроорганизмами из царства бактерий — микоплазмами и риккетсиями. Последних роднит с вирусами отсутствие собственного синтетического аппарата и облигатный внутриклеточный паразитизм. Риккет- сии всего лишь вдвое больше самых крупных вирусов. Подобно вирусам, они способны размножаться только в живых клетках. Они отличаются от вирусов более сложным химическим строением и способностью синтезировать некоторые простые питательные вещества. Отличительные свойства мельчайших одноклеточных микроорганизмов и вирусов приведены в таблице 1.
Положение А. Львова о том, что «вирусы — это вирусы», имело важное теоретическое и практическое значение. С одной стороны, оно подчеркивало сходство всех вирусов, несмотря на большое разнообразие, с другой — выделяло их в самостоятельное царство живой природы. Главная особенность этих наиболее просто устроенных, не имеющих клеточной организации мельчайших существ, состоит в том, что они размножаются только внутри клеток хозяев и находятся в исключительной зависимости от их структуры и метаболизма. Вирусы, подобно
другим живым существам, способны размножаться, они циркулируют в природе как виды, обладающие наследственностью и изменчивостью.
Первоначально А. Львов (1957 г.) предложил определять вирусы как «строго внутриклеточные, потенциально патогенные агенты с инфекционной фазой развития: 1) содержащие нуклеиновую кислоту только одного типа 2) репродуцирующиеся в форме генетического материала 3) неспособные к росту и бинарному делению 4) лишенные «системы Липмана» (т.е. одной из ферментных систем, участвующих в производстве энергии). В другом определении (С. Лурия, Дж. Дарнелл, 1967) вирусы рассматриваются как «объекты, геномы которых состоят из нуклеиновой кислоты и репродуцируются в живых клетках, используя их синтетический аппарат, они вызывают синтез специализированных структур, способных переносить геном вируса в другие клетки».
В первом определении сделан акцент на внутриклеточной природе вирусов, их исключительной зависимости от метаболизма клетки-хозяина и на том, что на определенной стадии репродуктивного цикла специфический материал вируса представлен генетическим материалом — нуклеиновой кислотой. Во втором определении подчеркнуто два существенных качества вируса: 1) наличие у вируса собственного генетического материала, использующего биохимический аппарат клетки-хозяина 2) существование у вирусов внеклеточной инфекционной формы, представленной вирионами, которые служат для введения генома вируса в другие клетки или в другой организм.
Таким образом, в отличие даже от самых мелких микроорганизмов, таких как риккетсии, хламидии и микоплазмы, вирусы не имеют клеточной организации, хромосомных генов, рибосомальной системы и митохондриального аппарата (или его эквивалента для производства энергии). Способность риккетсий и хла- мидий размножаться только внутри клеток, вероятно, связана скорее с потребностью поступления готовых питательных веществ из клетки-хозяина, нежели с использованием его биохимического аппарата для экспрессии генома паразита. Микоплазмы являются свободно живущими внеклеточными паразитами и представляют собой бактерии, лишенные жесткой клеточной стенки.
Приведенные выше определения подчеркивают существенные различия между внутриклеточными и внеклеточными формами существования вирусов. Проникая внутрь клетки-хозяина, вирионы разрушаются, освобождая вирусную нуклеиновую кислоту, которая включается в метаболический аппарат клетки, приводя в конечном счете к репликации вирусного генома. Херши и Чейз (1953 г.) впервые показали, что в бактериальную клетку при заражении проникает только нуклеиновая кислота бактериофага, которая является единственным носителем генетической информации вируса.
Решающая роль вирусного генома в процессе вирусной инфекции была доказана Гирером и Шраммом (1956 г.) на примере вируса табачной мозаики. Они первыми доказали способность вирусной РНК вызывать инфекцию. Правильность этого вывода впоследствии подтверждена установлением инфекционное - ти РНК и ДНК многих вирусов.
Образование зрелых вирионов стало рассматриваться как завершающий этап цикла репродукции вируса, определяемый вирусным геномом. Некоторые гены вирусов кодируют синтез вирусспецифических белков, из которых формируется капсид, заключающий внутри себя вирусный геном. У некоторых вирусов кап- сид покрывается оболочкой, по составу и строению сходной с клеточными мембранами, но содержащей также и некоторые вирусспецифические белки. Несмотря на простоту организации, вирусы отличаются от животных и растений большим разнообразием генома. Животные и растения содержат одновременно две формы нуклеиновой кислоты: двухцепочную ДНК и одноцепочную РНК. Вирусы содержат только одну форму нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК, которые могут быть представлены одно- или двухцепочными молекулами. В случае с РНК-содержащими вирусами вся генетическая информация содержится в РНК, что является уникальным явлением в биологии. Все вирусы животных, за исключением ретровирусов, гаплоидны, т.е. содержат наследственную информацию в одном экземпляре.
Вирусные ДНК или РНК могут иметь линейную или кольцевую форму. Геном РНК-содержащих вирусов может быть представлен одной единой молекулой или молекулой, разделенной на 2—12 фрагментов (фрагментированный геном), а также двумя идентичными молекулами нуклеиновой кислоты (диплоидный геном). Вирусы также значительно различаются между собой по стратегии реализации генетической информации и репродукции вирусных частиц.
Вирусные нуклеиновые кислоты реплицируются с помощью полимераз, которые синтезируются в инфицированной клетке и кодируются вирусным геномом или привносятся в клетку в виде вирионных компонентов. В некоторых случаях в процессе репликации вирусного генома принимают участие предсущест- вующие клеточные полимеразы.
Репродукция вирусов состоит из репликации вирусного генома с образованием многочисленных копий родительской ДНК или РНК и индуцированного ими синтеза вирусных белков. Из вновь синтезированных вирусных компонентов путем самосборки формируются вирусные частицы (вирионы). В основе самосборки вирусных частиц лежит процесс, связанный с уменьшением свободной энергии системы, ибо упорядоченный капсид обладает меньшей свободной энергией, чем вирионные пептиды. Самосборка вирусных частиц, как и всякий процесс, ведущий к уменьшению свободной энергии системы, протекает самопроизвольно. Строгая упорядоченность в формировании капсида является следствием взаимодействия вирусной нуклеиновой кислоты и вирионных полипептидов с образованием максимального количества стабильных нековалентных связей между субъединицами. Нуклеиновая кислота (вирусный геном) выполняет роль морфопоэтического фактора, направляющего процесс самосборки в сторону образования капсида и формирования вирусных частиц.
Если попытаться расположить вирусы по степени их сложности в гомологичный ряд, то они, по существу, могут легко заполнить пропасть между неживой органической материей и клеточными формами жизни. В самом начале это-
Таблица 1. Отличительные свойства одноклеточных микроорганизмов и вирусов
|
Свойство |
Микоплазмы |
Риккетсии |
Хламидии |
Вирусы |
|
Диаметр lt;300 нм |
+ |
- |
+ |
+ |
|
Рост на искусственных средах |
+ |
— |
— |
- |
|
Бинарное деление |
+ |
+ |
+ |
- |
|
Содержание ДНК и РНК |
+ |
+ |
+ |
- |
|
И нфекционность нуклеиновой кислоты |
— |
- |
— |
+а |
|
Рибосомы |
+ |
+ |
+ |
- |
|
Метаболизм |
+ |
+ |
+ |
- |
|
Чувствительность к антибиотикам |
+ |
+ |
+ |
— |
а — некоторые вирусы, содержащие ДНК или РНК.
го ряда будут стоять простые минимальные вирусы, состоящие только из белка и нуклеиновой кислоты одного типа (ДНК или РНК). Далее следуют сложные вирусы, содержащие кроме этого углеводы и липиды. За ними следуют одноклеточные микроорганизмы - хламидии, в составе которых, как и у клеточных форм жизни, присутствуют одновременно оба типа нуклеиновой кислоты и имеется рибосомальный аппарат. Наконец, группа хламидий плавно смыкается с другими одноклеточными микроорганизмами из царства бактерий — микоплазмами и риккетсиями. Последних роднит с вирусами отсутствие собственного синтетического аппарата и облигатный внутриклеточный паразитизм. Риккет- сии всего лишь вдвое больше самых крупных вирусов. Подобно вирусам, они способны размножаться только в живых клетках. Они отличаются от вирусов более сложным химическим строением и способностью синтезировать некоторые простые питательные вещества. Отличительные свойства мельчайших одноклеточных микроорганизмов и вирусов приведены в таблице 1.