Как именно наш иммунитет справляется с захватчиками? Что происходит на клеточном уровне?
Для начала стоит отметить, что поражение организма вирусом – это не что-то необычное. Именно такую инфекцию чаще всего называют скромным словом “простуда”. Вокруг нас с вами бесчисленное множество вирусов.
Как правило, наша защитная система справляется с ними самостоятельно. Причём симптомы заболевания проходят быстрее, чем врачи успевают определить, что его вообще вызвало. Поэтому большинство вирусов остаются неопознанными. Обозначение важно только в отношении самых серьёзных, вызывающих эпидемии или даже пандемии.
Что происходит с нашим организмом?
Сначала вирус проникает в наш организм. Это происходит воздушно-капельным путём или через грязные руки. Заражение возможно и через кровь, а также через обмен биологическими жидкостями.
Вирус стремится проникнуть внутрь наших клеток, чтобы наладить там самовоспроизводство. Дело в том, что вирус как таковой отдельно от человеческого организма (или от организма животных) существовать не может. Это не полноценный микроорганизм: он на самом деле намного меньше даже бактерии. По факту, это кусочек патогенной РНК или ДНК. И вирусы находятся на грани живого и неживого. Многие учёные спорят о том, куда их вообще можно отнести.
После проникновения вируса внутрь нашего организма начинается реакция. Если наша иммунная система быстро распознаёт захватчика, и у неё достаточно сил, то она моментально вырабатывает антитела. Это специальные белки, которые уничтожают патоген.
Проблема в том, что далеко не все вирусы распознаются нашим организмом с достаточной скоростью. Дело в том, что эти захватчики тоже постоянно мутируют и приспосабливаются. Если бы их было легко уничтожить, то в природе такие вирусы просто-напросто не выжили бы. То есть в наш организм уже изначально попадают самые сильные, пройдя естественный отбор.
Очень часто вирус успевает проникнуть внутрь клетки. И достать его там проблематично. Вирус тем временем начинает использовать ресурсы клетки, чтобы наладить производство других вирусов.
Но даже в этом случае наш иммунитет может справиться с заболеванием. У нас есть специальные клетки, которые называются натуральными киллерами. Это особые лимфоциты. Они обучены распознавать клетки, заражённые вирусом, чтобы их уничтожать.
Собственно, проблем у нашего организма с вирусами преимущественно две: распознание и борьба с патогеном, когда он уже находится внутри клетки. Большинство лекарств помогают организму справиться с этими двумя задачами.
Почему возникают симптомы?
Поражение вирусом организма многие люди распознают довольно легко: кашель, отёк в горле, высокая температура. Часто возникают неприятные ощущения. Некоторые считают, что так вредно на нас влияет вирус. На самом деле это проявления работы иммунной системы.
Т-лимфоциты — одни из основных клеток, которые борются с вирусом. Их появление связано с активизацией лимфатических узлов в районе горла и лёгких, что сопровождается отёком и болезненными ощущениями. Слизь в бронхах и в лёгких тоже связана с деятельностью этих самых клеток, только уже по защите дыхательной системы. А кашель — просто рефлекс для очистки дыхательных путей, чтобы мы могли дышать.
Т-лимфоцит
Повышенная температура появляется потому, что в кровотоке оказываются в большом количестве иммунные клетки. Они влияют на работу гипоталамуса. А именно этот участок и отвечает за регулирование температуры тела.
Фактически, неприятные симптомы заболевания, которые часто наблюдаются при гриппе — это проявление работы нашего иммунитета. И чаще всего людям нужно не мешать ему работать. Когда количество иммунных клеток достигает пика, они просто уничтожают вирус в организме. Тогда человек выздоравливает.
Важность профилактики
Несмотря на то, что у нашего организма есть действительно мощная защитная система, с некоторыми вирусами иммунитету бороться трудно. Как правило, это мутировавшие патогены.
Наш организм за миллиарды лет эволюции научился противостоять вирусам. Однако и они не стоят на месте и очередная мутация может сделать нас беззащитными перед смертельной опасностью от невидимых глазу врагов.
Именно поэтому проще всего не допустить заражение, чем справляться с последствиями. Важно не забывать соблюдать правила гигиены.
Тень жизни: гипотезы о происхождении вирусов
Ученые до сих пор не знают, что было первым — вирусы, или клетки, на которых они паразитируют.
Вряд ли вирусы можно назвать живыми. Однако их происхождение и эволюция понятны даже хуже, чем возникновение «нормальных» клеточных организмов. До сих пор неизвестно, кто появился раньше, первые клетки или первые вирусы. Возможно, они сопровождали жизнь всегда, словно гибельная тень.
Проблема в том, что вирусы представляют собой не более чем фрагменты генома (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку. В палеонтологической летописи они не оставляют никаких следов, и все, что остается для изучения их прошлого — это современные вирусы и их геномы. Сравнивая, находя сходства и различия, биологи обнаруживают эволюционные связи между разными вирусами, определяют их древнейшие черты. К сожалению, вирусы необычайно изменчивы и разнообразны. Достаточно вспомнить, что их геномы могут быть представлены цепочками не только ДНК (как у нас и, например, герпесвирусов), но и родственной молекулы РНК (как у коронавирусов). Молекула ДНК/РНК у вирусов может быть единой или сегментированной на части, линейной (аденовирусы) или кольцевой (полиомавирусы), одноцепочечной (анелловирусы) или двухцепочечной (бакуловирусы).
Visual scienceВирус гриппа A/H1N1
Не менее разнообразны структуры вирусных частиц, особенности их жизненного цикла и прочие характеристики, по которым можно было бы проводить обычное сопоставление. Подробнее о том, как ученые обходят эти сложности, вы можете прочесть в самом конце этой заметки. А пока давайте вспомним, что же у всех вирусов общего: все они — паразиты. Не известно ни одного вируса, который мог бы проводить метаболизм самостоятельно, без использования биохимических механизмов клетки-хозяина.
Ни один вирус не содержит рибосом, которые могли бы синтезировать белки, и ни один не несет систем, позволяющих вырабатывать энергию в форме молекул АТФ. Все это делает их облигатными, то есть безусловными внутриклеточными паразитами: существовать сами по себе они неспособны. Неудивительно, что, согласно одной из первых и самых известных гипотез, сперва появились клетки, и лишь затем на этой почве развился весь разнообразный вирусный мир.
Регрессивно. От сложного к простому
Взглянем хотя бы на риккетсий — тоже внутриклеточных паразитов, хотя и бактерий. При этом некоторые участки их генома близки к ДНК, которая содержится в митохондриях эукариотических клеток, включая человека. По‑видимому, те и другие имели общего предка, однако основатель «линии митохондрий», заразив клетку, не убил ее, а случайно сохранился в цитоплазме. В итоге потомки этой бактерии лишились массы более ненужных генов и деградировали до клеточных органелл, поставляющих хозяевам молекулы АТФ в обмен на все остальное. «Регрессивная» гипотеза происхождения вирусов считает, что такая деградация могла случиться и с их предками: некогда бывшие вполне полноценными и самостоятельными клеточными организмами, за миллиарды лет паразитической жизни те просто растеряли все лишнее.
Эта старая идея получила свежее дыхание благодаря недавнему открытию вирусов-гигантов, таких как пандоравирусы или мимивирусы. Они не только весьма велики (диаметр частицы мимивируса достигает 750 нм — для сравнения, размер вируса гриппа оставляет 80 нм), но и несут исключительно длинный геном (1,2 млн звеньев-нуклеотидов у мимивируса против нескольких сотен у обычных вирусов), кодирующий многие сотни белков. В их числе встречаются и белки, необходимые для копирования и «ремонта» (репарации) ДНК, для производства матричной РНК и белков.
Эти паразиты куда менее зависимы от своих хозяев, и их происхождение от свободноживущих предков выглядит куда более убедительным. Впрочем, многие специалисты полагают, что главной проблемы это не решает — все «дополнительные» гены могли появиться у вирусов-гигантов позднее, заимствованные у хозяев. В конце концов, трудно представить паразитическую деградацию, которая могла бы зайти настолько далеко и затронуть даже форму носителя генетического кода и привести к появлению РНК-вирусов. Неудивительно, что не меньшим уважением пользуется и другая гипотеза о происхождении вирусов — совершенно противоположная.
Прогрессивно. От простого к сложному
Взглянем хотя бы на ретровирусы, геном которых представляет собой одноцепочечную молекулу РНК (например, ВИЧ). Оказавшись в клетке хозяина, такие вирусы используют специальный фермент, обратную транскриптазу, превращая ее в обычную двойную ДНК, которая затем проникает в «святая святых» клетки — в ядро. Здесь в действие вступает другой вирусный белок, интеграза, который осуществляет «врезку», встраивая вирусные гены в ДНК хозяина. Затем с ними начинают работать собственные ферменты клетки: производят новые РНК, синтезируют на их основе белки и т. д.
Visual scienceВирус иммунодефицита человека (ВИЧ)
Такой механизм напоминает воспроизводство мобильных генетических элементов — фрагментов ДНК, которые не несут нужной нам информации, но сохраняются и накапливаются в нашем геноме. Некоторые из них, ретротранспозоны, способны даже размножаться в нем, распространяясь все новыми копиями (ДНК человека состоит из таких «мусорных» элементов более чем на 40 процентов). Для этого в них могут содержаться фрагменты, кодирующие оба ключевых фермента — и обратную транскриптазу, и интегразу. По сути, это почти готовые ретровирусы, лишенные лишь белковой оболочки. Но ее приобретение — дело времени.
Встраиваясь в геном то тут то там, мобильные генетические элементы вполне способны захватывать новые гены хозяев. Некоторые из них могли оказаться подходящими для образования капсида. Многие белки склонны к «самосборке» в более сложные структуры. Например, белок ARC, который играет важную роль в работе нейронов, в свободной форме самопроизвольно складывается в вирусоподобные частицы, которые даже могут нести внутри РНК. Предполагается, что включение таких белков могло происходить около 20 раз, дав начало крупным современным группам вирусов, различающихся структурой своей оболочки.
Параллельно. Тень жизни
Однако самая молодая и перспективная гипотеза снова переворачивает все с ног на голову, предполагая, что вирусы появились ничуть не позже первых клеток. Давным-давно, когда жизнь еще не зашла так далеко, в «первичном бульоне» протекала прото-эволюция самореплицирующихся — способных к копированию самих себя молекул. Постепенно такие системы усложнялись, превращаясь во все более крупные молекулярные комплексы. И как только одни из них приобрели способность синтезировать мембрану и стали прото-клетками, другие — предки вирусов — сделались их паразитами.
Произошло это еще на заре существования жизни, задолго до разделения бактерий, архей и эукариот. Поэтому свои (и очень разные) вирусы поражают представителей всех трех доменов живого мира, а среди вирусов может быть так много РНК-содержащих: именно РНК считаются «предковыми» молекулами, саморепликация и эволюция которых привела к возникновению жизни. Первые вирусы могли представлять собой такие «агрессивные» молекулы РНК, которые лишь позднее приобрели гены, кодирующие белковые оболочки. В самом деле, показано, что некоторые типы оболочек могли появиться еще до последнего общего предка всех живых организмов (LUCA).
Однако эволюция вирусов — область еще более запутанная, чем эволюция всего мира клеточных организмов. Весьма вероятно, что по‑своему справедливы все три взгляда на их происхождение. Эти внутриклеточные паразиты настолько просты и вместе с тем разнообразны, что разные группы могли появиться независимо друг от друга, в ходе принципиально разных процессов. Например, те же гигантские ДНК-содержащие вирусы могли возникнуть в результате деградации предковых клеток, а некоторые РНК-содержащие ретровирусы — после «обретения независимости» мобильными генетическими элементами. Но возможно, что появлению этой вечной угрозы мы обязаны совершенно иному механизму, пока еще не открытому и неизвестному.
Геномы и гены. Как изучают эволюцию вирусов
К сожалению, вирусы невероятно изменчивы. У них отсутствуют системы починки (репарации) повреждений ДНК, и любая мутация сохраняется в геноме, подвергаясь дальнейшему отбору. К тому же, разные вирусы, заразившие одну и ту же клетку, легко обмениваются фрагментами ДНК (или РНК), порождая новые рекомбинантные формы.
Наконец, смена поколений происходит необычайно быстро — например, продолжительность жизненного цикла ВИЧ составляет всего 52 часа, и он далеко не самый короткоживущий. Все эти факторы и обеспечивают стремительную изменчивость вирусов, которая сильно затрудняет прямой анализ их геномов.
Вместе с тем, оказавшись в клетке, вирусы зачастую не запускают своей обычной паразитической программы — одни так устроены, другие — из-за случайного сбоя. При этом их ДНК (или РНК, заранее превращенная в ДНК) может встраиваться в хромосомы хозяина и затаиться здесь, затерявшись среди множества генов самой клетки. Иногда вирусный геном реактивируется, а иногда сохраняется в таком скрытом виде, передаваясь из поколение в поколение.
Считается, что на такие эндогенные ретровирусы приходится до 5−8 процентов нашего собственного генома. Изменчивость их уже не так велика — клеточная ДНК меняется не столь стремительно, да и жизненный цикл многоклеточных организмов достигает десятков лет, а не часов. Поэтому фрагменты, которые сохраняются в их клетках, служат ценным источником информации о прошлом вирусов.
Отдельную и еще более юную область представляет собой протеомика вирусов — изучение их белков. Ведь, в конце концов, любой ген — это всего лишь код для определенной белковой молекулы, необходимой для выполнения определенных функций. Одни «стыкуются», словно детали Lego, складывая вирусную оболочку, другие могут связывать и стабилизируют вирусную РНК, третьи использоваться для атаки на белки зараженной клетки.
За выполнение этих функций отвечают активные сайты таких белков, и их структура может быть очень консервативна. Она сохраняет большую устойчивость на протяжении эволюции. Меняться могут даже отдельные участки генов, но форма белкового сайта, распределение в нем электрических зарядов — все, что критически важно для выполнения нужной функции — остается почти прежней. Сравнивая их, можно находить самые отдаленные эволюционные связи.
Являются ли вирусы формой жизни?
Если обратиться к общепринятому определению, то вирус является неклеточным инфекционным агентом, который может воспроизводиться исключительно внутри живых клеток в качестве паразита. На сегодня известно, что вирусы поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей (бактериофаги). Последними из обнаруженных являются ещё более простые по строению вирусы, способные реплицироваться лишь в присутствии других вирусов (вирусы-сателлиты), используя для собственного размножения белки (ферменты или структурные белки), производимые другим вирусом.
Визуализация того, как бактериофаг инъецирует свою ДНК в бактерию.
Человечество смогло увидеть вирусы и начать изучать их структуру лишь с появлением электронного микроскопа. До этого выдвигались самые разнообразные предположения об их устройстве, вплоть до того, что они представляют собой жидкость. На сегодняшний день существует три гипотезы происхождения вирусов. Согласно регрессивной, изначально вирусы были полноценными клетками-паразитами, избавляясь в ходе эволюции от ненужных для подобного образа жизни функций. Сегодня известны, к примеру хламидии и риккетсии, являющиеся одноклеточными бактериями, но размножающиеся исключительно внутри других клеток за счёт их белковых структур, как и вирусы.
Гипотеза клеточного происхождения говорит о том, что вирусы, являясь ранее молекулами ДНК, способными перемещаться между клетками, появились вследствие мутаций таких молекул. Последняя, но не по значимости, гипотеза гласит, что вирусы появились в одно время с зарождением жизни в качестве своеобразной альтернативы (коэволюция), войдя, в последствие, в симбиоз с ней. Как итог, на сегодняшний день вирусы считаются организмами на границе жизни, имея собственный набор генов, размножаясь и эволюционируя в соответствии с правилом естественного отбора. Живыми вирусы долгое время не считались в основном из-за того, что осуществлять всё вышеописанное они способны исключительно за счёт клетки-хозяина. Но в 2013 году была опубликована научная работа, в которой говорилось о том, что у некоторых бактериофагов есть собственная иммунная система, способная к адаптации. Это очередной факт в копилку того, что вирусы вполне могут быть формой жизни. В основном же вне клетки-хозяина вирус представляет собой частицу биополимера, не проявляющую признаков живого существа.
Стоит помнить, что на сегодняшний день не существует действительно эффективных способов борьбы с вирусами, а все противовирусные препараты лишь дополняют работу иммунной системы. Именно поэтому необходимо соблюдать правила личной гигиены и рекомендации по избеганию массовых скоплений людей во время опасности повсеместного заражения. А ещё, недопустимо применение антибиотиков во время вирусного заболевания. Так что мойте руки с мылом и будьте здоровы. Подписывайтесь на канал, чтобы первыми узнавать новости из мира науки, и делитесь ссылкой на него с друзьями и в социальных сетях. Ещё у меня есть канал в Telegram и уютный чатик для дискуссий на научные темы. Спасибо, что читаете.
