Что такое вирус? Краткая история вирусов и канцерогенные вирусы

Что такое вирус?

Вирус — небольшой инфекционный агент, способный размножаться только в живых клетках других организмов. Вирусы заражают любые формы жизни — животных, растения, бактерии, водоросли.

В 1892 Dmitri Ivanovsky описал заражающий табак, но небактериальный патоген по своей природе. В статье Martinus Beijerinck 1898 года его назвали вирусом табачной мозаики: так в конце 19-го века открыли вирусы. Сегодня известно миллионы видов вирусов; они встречаются почти в каждой экосистеме и являются самыми разнообразными биологическими сущностями. Их изучает вирусология, подраздел микробиологии.

• По теме: Как передается и вызывает болезнь новый коронавирус (SARS-CoV-2)? Последние научные достижения 

Если вирус не находится внутри зараженной клетки и не заражает ее, он существует отдельными частицами. Эти частицы, также называемые вирионами, состоят из двух или трех частей:

1. ДНК или RNA — генетический материал, длинные молекулы с генетической информацией;
2. белковая оболочка капсид, окружающая и защищающая материал;
3. в некоторых случаях (iii) липидная оболочка вокруг белковой.

Формы частиц варьируют от простых до очень сложных. Большинство слишком мало для обычного микроскопа. Средний вирус составляет около одной сотой средней бактерии. Размеры вирусов измеряются нанометрами: например, грипп (influenza A) имеет размер 80-120 нанометров. 1 нанометр — миллиардная метра. То есть средний диаметр вируса — от 1 метра одна 10-миллионная.

Происхождение вирусов в эволюции неясно: одни могли возникнуть из плазмид — перемещающихся между клетками фрагментов ДНК, другие — из бактерий. В эволюции они важны для горизонтального переноса генов, увеличивающего разнообразие. Некоторые считают вирусы формой жизни: они несут генетический материал, размножаются и эволюционируют естественным отбором, но лишены основных признаков жизни, например клеточной структуры. Из-за такого сочетания их называют «организмами на границе жизни» и репликаторами.

Как передаются / распространяются вирусы?

Вирусы распространяются разными способами:

• У растений обычно переносятся между растениями питающимися ими насекомыми, например тлями.
• У животных и людей переносчиками могут быть кровососущие насекомые. Эти переносящие болезнь организмы называются векторами по терминологии. Грипп распространяется кашлем и чиханием. Норовирус и ротавирус, частые причины вирусного гастроэнтерита (кишечной инфекции), передаются фекально-орально и между людьми, попадая с пищей или водой. HIV — один из нескольких вирусов, передаваемых половым путем и жидкостями тела.

- Рак и другие заболевания, связанные с HIV-инфекцией

Вирусные инфекции обычно вызывают иммунный ответ, устраняющий вирус. Ответ могут создавать и обеспечивающие искусственный приобретенный иммунитет против определенной инфекции вакцины как средство. Некоторые вирусы AIDS и вирусного гепатита избегают ответа и вызывают хроническую инфекцию. Антибиотики не действуют на вирусы, но разработаны некоторые противовирусные препараты.

На рисунке нижепоказаны известные вирусы, демонстрирующие разнообразие их строения.

Вехи истории вирусов

Изобретатель вакцины бешенства Louis Pasteur (1822-1895), найдя вакцину, не нашел возбудителя и предположил патоген, слишком малый для микроскопа. В 1884 французский микробиолог Charles Chamberland изобрел фильтр с порами меньше бактерии, полностью удалявший бактерии из раствора. В 1892 русский биолог Dmitri Ivanovsky использовал его для изучения ныне известного вируса табачной мозаики как объекта. Фильтрация раствора измельченных зараженных листьев сохраняла возбудителей в фильтрате. Ivanovsky предположил бактериальный токсин, но не продолжил идею. Тогда считали все инфекционные агенты задерживаемыми фильтрами и способными расти в питательной среде (часть микробной теории болезней). В 1898 голландец Martinus Beijerinck повторил опыты и убедился в новой форме инфекционного агента в фильтрате. Наблюдал размножение лишь в делящихся клетках, но не видел частиц, назвав агенты contagium vivum fluidum (растворимые живые микробы), позднее переименованные в вирус по термину. Beijerinck считал вирусы жидкими в природе; позднее теорию отверг Wendell Stanley, считавший их частицами.

В начале 20-го века британский бактериолог Frederick Twort открыл группы заражающих бактерии вирусов, теперь называемые бактериофагами (или фагами). Франко-канадец Félix d'Herelle описал убивающие бактерии вирусы при добавлении суспензии в культуру. Фаги предлагали для лечения тифа и холеры, но отложили после пенициллина. Исследования помогли понять включение и выключение генов и перенос чужих генов в бактерии; при изучении отношений фагов с бактериями возникла одна из крупнейших современных технологий — генетическая технология CRISPR-CAR9 по своему происхождению.

В 1949 John Franklin Enders, Thomas Weller и Frederick Robbins вырастили полиовирус в культуре эмбриональных клеток человека, впервые вне целой животной ткани и эмбрионированного яйца. Эту работу выполнил Jonas Salk для эффективной вакцины полиомиелита (детского паралича).

Первые изображения вирусовполучены после изобретения немецкими инженерами Ernst Ruska и Max Knoll в 1931 электронного микроскопакак прибора. Подумайте: вирусы увидели только через 40 лет после теоретического подтверждения существования.

Во второй половине 20-го века наступил золотой век открытий: более 2000 видов вирусов животных, растений и бактерий. В 1963 Baruch Blumberg открыл гепатит B, в 1965 Howard Temin описал первый ретровирус. Обратную транскриптазу, копирующую ДНК из RNA ретровирусов, независимо описали Howard Martin Temin и David Baltimore в 1970. В 1983 команда Luc Montagnier в парижском институте Pasteur впервые выделила ретровирус, теперь известный как HIV.

Связь вирусов с раком тоже изучалась бесчисленными работами. Самая примечательная — связь HPV и рака шейки маткипо своему значению. Из более 100 известных типов HPV примерно 40 заражают гениталии, а 15 высокорисковы для рака шейки матки. Предполагается связь около %5 всего рака с HPV.

Хотя значение велико, большинство знаний о связи HPV и рака ново и основано на пионерских работах получившего Нобелевскую премию в 2008 за открытие причины рака шейки матки HPV Harald zur Hausenкак исследователя.

В 1970-х Harald zur Hausen предложил прежде не высказанную мысль: «Причиной рака шейки матки может быть вирус папилломы человека (HPV)!». Он считал, что вирус интегрирует свою ДНК в ДНК клеток шейки матки и использует их для размножения. Нужно было показать ДНК HPV в раковых клетках. Он исследовал разные типы более 10 лет; мешали интеграция лишь части вирусной ДНК и более 100 подтипов HPV. В 1983 наконец показал ДНК HPV в биопсиях и главную роль типов 16 и 18 (HPV 16 и 18 обнаружены примерно в % 70 биопсий рака шейки матки).

Ценное открытие позволило создать защищающие от высокорисковых HPV16 и 18 на % 95 вакцины HPVпо своему назначению. Профилактическая вакцина в 2006 получила одобрение FDA и уже заметно снизила рак шейки матки в странах регулярного применения; даже серьезнее всего относящаяся к вакцине страна Австралия близка к полному устранению рака шейки матки.

- Что такое HPV (human papillomavirus) и как вызывает рак?

Каково строение вирусов?

Все вирусы в основе состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или RNA) и капсида(белковой оболочки). Структура называется нуклеокапсид по своему названию. Некоторые вирусы имеют окружающую липидную оболочку как компонент. Выступающие наружу структуры называются гликопротеиновыми единицами. Гликопротеины обеспечивают прикрепление вируса к клеточному рецептору мишени. Между оболочкой и капсидом пространство тегумент, где находятся матриксные (M) белки, обеспечивающие выход оболочечных вирусов почкованием из клетки хозяина.

Вирусы не производят энергию и для размножения обязательно нуждаются в живой клетке. Поэтому являются облигатными внутриклеточными микроорганизмами. При размножении возникают тысячи вирусных частиц.

Структуры из вирусной нуклеиновой кислоты и белка в инфицированной клетке называют тельцами включения по своей терминологии.

Канцерогенные вирусы — онковирусы / онкогенные вирусы

Известно, что вирусы вызывают разные опухоли у людей и других видов. Даже %16 всех случаев рака возникает вследствие вирусных и бактериальных инфекций, по расчетам. Раздел науки об онкогенных микроорганизмах называется метагеномикой по своему названию. Но вирусный рак развивается лишь у малого числа зараженных. Например, %70-90 инфекций HPV не вызывают жалоб и проходят самостоятельно за 1-2 года; небольшая часть проявляется бородавками.

Канцерогенные вирусы относятся к разным семействам, включая RNA- и ДНК-вирусы, то есть единого вида нет. Развитие рака определяют иммунитет, способность репарации ДНК и вызванные вирусом мутации и другие факторы.

Какие вирусы вызывают рак у людей?

Вирус Epstein Barr (EBV): Самая распространенная вирусная инфекция человека. Предполагается заражение 95 процентов населения мира. Исследования связали вирус с лимфомой, раком желудка и носоглотки как локализациями. Но вероятность EBV-зависимого рака у инфицированных очень мала. Вакцины против EBV нет.

Вирус гепатита C (HCV): Связан с хроническим воспалением печени и раком печени по своему действию. У 20 процентов HCV-положительных известны серьезные поражения печени, у 4–7 процентов развивается связанный с HCV рак печени. Эффективной вакцины нет.

Вирус гепатита B (HBV): Ключевой участник развития рака печени — 5-го по частоте вида рака. Исследования показали, что стойкая инфекция вызывает хроническое воспаление печени и рак. Существуют очень эффективные вакцины.

Т-лимфотропный вирус человека (HTLV): Первый открытый ретровирус по виду. Ретровирусы получают ДНК из RNA и легко встраивают гены в клетки. У 10 процентов зараженных HTLV наблюдался Т-клеточный лейкоз взрослых. Профилактической вакцины нет, но разработаны лекарства.

Вирус папилломы человека (HPV): Один из наиболее изученных вирусов. Выявлено более 100 подгрупп и связь с раком шейки матки. Последние исследования даже показывают, что причина %99 рака шейки матки — HPV. У 10- 20 процентов инфицированных наблюдался рак шейки матки, ануса / заднего прохода, вульвы, полового члена, головы и шеикак заболевания. Эффективные вакцины Gardasil и Cervarix уже на рынке.

Герпесвирус, связанный с саркомой Капоши (KSHV): Предположительно имеет наибольшее число онкогенов (генов, вызывающих рак) среди онковирусов. Саркома Капоши — вызываемый им рак, встречающийся чаще у пациентов с AIDS и подавленным иммунитетом.

Полиомавирус клеток Меркеля (MCV): Его способность вызывать рак открыта недавно. Карцинома клеток Меркеля — очень редкий агрессивный вид рака, который он вызывает. Но в последних исследованиях у 20 процентов пациентов вирус не обнаружен. Вакцины или лекарства против него нет. Исследования причинной роли в раке продолжаются.

Как вирусы или бактерии вызывают рак?

Вирусы-микроорганизмы после проникновения атакуют клетки, могут случайно встроить генетический материал в ДНК ядра и вызвать избыточное производство способствующих опухоли онкогенов или включить их в собственную генетическую структуру и быстро распространяться, стимулируя опухоль. При нормальном производстве эти гены участвуют в размножении клеток, но после мутации мешают функциям опухоль-подавляющих генов. Клетки, которым следовало умереть, избегают механизмов смерти, бесконтрольно размножаются и способствуют опухоли, как и другие микроорганизмы. Все это достаточно объясняет, как микроорганизмы вызывают рак.

Как отвечает иммунитет после заражения вирусом?

1. Интерфероновый ответ: Первая иммунологическая реакция хозяина на вирусную инфекцию. Но некоторые вирусы, например HIV и EBV, устойчивы к интерферону.
   Интерфероны входят в семейство цитокинов. Они не действуют прямо на вирус: выделяемые зараженными клетками интерфероны прекращают производство нужных вирусам белков в других клетках. Эффективны только против внутриклеточных вирусов.
   Существуют 3 вида: альфа, бета и гамма. Альфа-интерферон применяется при HHV-8-связанной саркоме Капоши, раке почки, HPV-бородавках и хроническом активном гепатите из-за вирусов B-C.
2. Естественные киллеры (natural killer, NK) и цитотоксические Т-лимфоциты (Tc): NK и Tc убивают не вирус, а зараженную клетку. Поскольку NK является клеткой иммунитета, не направленной на определенную мишень, она включается раньше Tc при вирусной инфекции. Некоторые клетки могут менять структуру зараженной клетки для уклонения от иммунитета (похожие тактики используют раковые клетки). Некоторые эффекты инфекций, например сыпь кори, возникают из-за частично слепой атаки наших защитных клеток на зараженные ткани.
3. Антитела: Ответ антител на вирус имеет 3 результата:
   1. Нейтрализация покрытием антителами: препятствует взаимодействию вируса с рецепторами и заражению новых клеток, но не действует на внутриклеточные вирусы. Поэтому вакцинные антитела защищают от новых инфекций, но неэффективны против старой установленной.
   2. Антителозависимая клеточная цитотоксичность: покрытые антителами вирусы легче обнаруживаются и уничтожаются иммунными клетками.
   3. Активация комплемента: при виролизисе частично разрушается липидная оболочка вируса.

Заключение

Теперь ясно известно, что часть самых малых форм жизни — вирусов с миллионами видов — вызывает рак и как именно. Но связанный с вирусом рак развивается лишь у небольшой доли инфицированных. Также в последние годы создано много вакцин против канцерогенных вирусов (профилактические противораковые вакцины).

Открыв тесную связь вирусов с раком, ученые начали создавать противораковые вакцины с вирусами. Например, в одобренной FDA вакцине для меланомы кожи Lmlygicиспользован вирус герпеса. Таким образом, вирусы могут и вызывать болезнь, и лечить ее. Конечно, для получения лечебных свойств они должны пройти ряд высокотехнологичных процедур.

*

СВЯЗАННЫЕ ТЕМЫ

- Новое лечение рака сочетанием иммунотерапии и онколитической вирусной вакцины

- George Papanicolaou, спасший миллионы женщин Pap-мазком

- Обновлено руководство по вакцинации HPV! Узнаем, что такое вакцина HPV