Вирусология

Вирусология (от лат. vīrus - «яд» и греч. logos — слово, учение) - наука о вирусах, раздел биологии.

Вирусология выделилась в самостоятельную дисциплину в середине XX века. Она возникла как ветвь патологии – патологии человека и животных с одной стороны, и фитопатологии – с другой. Первоначально вирусология человека, животных и бактерий развивалась в рамках микробиологии. Последующие успехи вирусологии в значительной мере основаны на достижениях смежных естественных наук – биохимии и генетики. Объектом исследования вирусологии являются субклеточные структуры – вирусы. По своему строению и организации они относятся к макромолекулам, поэтому с того времени, когда оформилась новая дисциплина, молекулярная биология, объединившая различные подходы к изучению структуры, функций и организации макромолекул, определяющих биологическую специфичность, вирусология стала также составной частью молекулярной биологии. Молекулярная биология широко применяет вирусы как инструмент исследования, а вирусология для решения своих задач используют методы молекулярной биологии.

↑История вирусологии

Вирусные болезни, такие как оспа, полиомиелит, желтая лихорадка, пестролистность тюльпанов известны с давних времен, однако о причинах, их вызывающих долгое время никто ничего не знал. В конце XIX столетия, когда удалось установить микробную природу ряда инфекционных заболеваний, патологи пришли к заключению, что многие из распространенных болезней человека, животных и растений нельзя объяснить заражением бактериями.

Открытие вирусов связано с именами Д.И.Ивановского и М.Бейеринка. В 1892 г. Д.И.Ивановский показал, что заболевание табака – табачная мозаика – может быть перенесено от больных растений к здоровым, если их заразить соком больных растений, предварительно пропущенным через специальный фильтр, задерживающий бактерии. В 1898 году М.Бейеринк подтвердил данные Д.И.Ивановского и сформулировал мысль о том, что заболевание вызывается не бактерией, а принципиально новым, отличным от бактерий, инфекционным агентом. Он назвал его contagium vivum fluidum - живое жидкое заразное начало. В то время для обозначения инфекционного начала любой болезни употребляли термин «virus» - от латинского слова «яд», «ядовитое начало». Сontagium vivum fluidum стали называть фильтрующимся вирусом, а позже – просто «вирусом». В том же, 1898 году Ф.Лефлер и П.Фрошш показали, что через бактериальные фильтры проходит возбудитель ящура крупного рогатого скота. Вскоре после этого было установлено, что и другие болезни животных, растений, бактерий и грибов вызываются подобными агентами. В 1911 году П.Раус открыл вирус, вызывающий опухоли у кур. В 1915 году Ф.Туорт, а в 1917 году Ф.Д’Эрель независимо друг от друга открыли бактериофаги – вирусы, разрушающие бактерии.

Природа этих возбудителей болезней, оставалась непонятной более 30 лет - до начала 30-х годов. Это объяснялось тем, что к вирусам нельзя было применить традиционные микробиологические методы исследования: вирусы, как правило, не видны в световой микроскоп и не растут на искусственных питательных средах.

В 1935 году У.Стэнли применил для выделения вируса табачной мозаики (ВТМ) химические методы выделения и очистки ферментов и впервые получил очищенный препарат вируса табачной мозаики в кристаллическом состоянии. Стало возможным изучать структуру и химический состав вирусов in vitro. Успехи электронной микроскопии в 30-х годах позволили показать существование инфекционных агентов, представляющих собой дискретные частицы и детально описать структуру вирионов. В 1936 г. английские биохимики Ф.Боуден и Н.Пири показали, что ВТМ представляет собой не чистый белок, а нуклеопротеид – устойчивое соединение белка (95%) и нуклеиновой кислоты (5%). Роль этих компонентов у вирусов была выяснена сначала на бактериофагах, а затем на ВТМ. В 1952 году А.Д.Херши и М.Чейз показали, что генетическая информация бактериофага Т-2 связана с его ДНК. В 1956 году в лабораториях Г.Шрама (ФРГ) и Х.Фрэнкеля-Конрата (США) частицы вируса табачной мозаики (ВТМ) удалось разделить на составляющие компоненты – белок и РНК, in vitro вновь реконструировать из этих компонентов вирионы и показать, что для проявления инфекционности ВТМ достаточно только РНК.

В 1962 году вирусная РНК была впервые была использована в качестве матрицы для синтеза белков в бесклеточной белок-синтезирующей системе (Д.Натанс и др.), в 1965году была осуществлена репликация фаговой РНК in vitro (И.Харуна и С.Спигелман), а в 1967 году – репликация фаговой ДНК in vitro (М.Гулиан и др.).

Большое значение для становления вирусологии имели начавшиеся в 40-х годах XX века работы М.Дельбрюка, А.Д.Херши, Луриа и др., которые использовали бактериофаги для генетических исследований. Они показали, что к бактериофагам применимы положения классической генетики и уточнили понятие мутации, а также выяснили механизм репликации бактериофагов.

Относительная простота строения интактных вирусных частиц – вирионов - и сложность их внутриклеточной судьбы и способа размножения сделали вирусы одним из самых удобных объектов для изучения всех явлений, связанных с процессами репликации и передачи генетической информации, мутационного процесса и многих других аспектов молекулярной биологии. Вирус использует или блокирует механизмы функционирования нормальной здоровой клетки и, таким образом, служит своеобразным «зондом», позволяющим эти механизмы изучать. Кроме того, вирусы являются удобной экспериментальной модельной системой для изучения механизмов ассоциации субъединиц белков и формирования сложных биологических структур клетки, таких как жгутики, ядерные поры, центриоли, компоненты мышечных филаментов. В 60-х годах XX века вирусы стали любимыми объектами молекулярной биологии, а методы молекулярной биологии стали одновременно и методами вирусологии. Общая вирусология стала составной частью молекулярной биологии.

Именно в процессе изучения вирусов была окончательно доказана роль нуклеиновых кислот в наследственности (А. Д. Херши и М. Чейз, 1952; А. Гирер и Г. Шрамм, 1956, Х.Френкель-Конрат, 1956), окончательно подтвержден полуконсервативный характер репликации ДНК (М. Мезельсон и Ф. Сталь, 1957), сделан важный вклад в расшифровку генетического кода (Ф. X. К. Крик и др., 1961), выявлена временная регуляция работы генов (Р. Б. Хесин-Лурье и др., 1963), установлена прерывистая структура эукариотических генов (Р. Дж. Роберте и Ф. Шарп, 1979). Наличие полиадениловой последовательности на 3’-конце мРНК (Кэйтс, 1970) и сплайсинг у эукариот (Зифф, 1980) впервые также выявили у вирусов. В 1970 X. М. Темин и Д.Балтимор открыли РНК-зависимый синтез ДНК, или обратную транскрипцию, у ретровирусов. Выяснение механизма рестрикции и модификации у бактериофагов привело к открытию ферментов рестриктаз, что сделало возможным создание первой гибридной (рекомбинантной) ДНК (П.Берг, 1972) и ознаменовало рождение молекулярной технологии - генетической инженерии.

К числу важнейших достижений вирусологии относится установление роли вирусов в возникновении опухолей у животных (Ф. Раус, 1911) и человека (X. цур Хаузен, 1980-е гг.). В 1961 Л. А. Зильбер предложил вирусогенетическую теорию возникновения рака. Были описаны особые вирусные, а затем и клеточные гены - онкогены, ответственные за превращение нормальных клеток в опухолевые а также гены, ответственные за подавление этого процесса (антионкогены, или супрессоры) (Г. Мартин, 1970; Д. Стелен; X.Вармус и Дж.М.Бишоп, 1976).

В процессе изучения вирусов был описан механизм интеграции вирусного генома в геном клетки-хозяина (А.Львов, А Херши, Ф.Жакоб, Ж.Л.Моно, 50-е годы, Дульбекко, 1966) и обнаружены эндогенные вирусы человека и животных (П. Бентвельцен, 1968; Р. Хюбнер и Дж. Тодаро, 1970).

Развитие вирусологии привело к открытию инфекционных агентов, по сути не являющихся вирусами. В 1971 году Т.О.Динер описал вироиды, представляющие собой инфекционную низкомолекулярную одноцепочечную кольцевую РНК, не кодирующую собственные белки. Крупным успехом вирусологии явилось открытие и выяснение природы прионов – инфекционных белков с нарушенной трехмерной структурой, возбудителей нейро-дегенеративных заболеваний человека и животных, принципиально отличающихся от вирусов (Д. К. Гайдушек, 1950-60-е гг.; С. Прузинер, 1980-90-е гг.).

↑Области исследования в вирусологии

Вирусологию можно разделить на общую вирусологию и прикладную вирусологию.

Предметом общей вирусологии являются основные принципы строения, размножения вирусов, механизм их взаимодействия с клеткой-хозяином, происхождение и распространение вирусов в природе. Общая вирусология преимущественно является молекулярной вирусологией, изучающей структуру вирусных частиц, структуру и функции вирусных нуклеиновых кислот, механизмы экспрессии вирусных генов, особенности строения и функции вирусных белков, особенности репликации вирусов, молекулярную природу устойчивости организмов к вирусным заболеваниям, эволюцию вирусов.

Прикладная вирусология исследует особенности определенных групп вирусов человека (медицинская вирусология), животных (ветеринарная вирусология) и растений (фитовирусология) и разрабатывает меры борьбы с вызываемыми этими вирусами болезнями. Очень важным направлением прикладной вирусологии является также использование знаний о вирусах и их геномах для решения задач биотехнологии.

↑Природа вирусов

Чтобы определить предмет, которым занимается вирусология, т.е. ответить на вопрос что такое вирусы, нельзя пользоваться обычными критериями, которые применяются для определения живых организмов – животных, растений, грибов, бактерий. В 1935 году сообщение Стэнли о выделении кристаллического жизнеспособного вируса вызвало ожесточенные споры - "живой" кристалл казался чем-то невероятным. Споры о том, cчитать ли вирус живым, продолжаются до сих пор, но этот вопрос лежит за рамками самой вирусологии.

Вирусы, как все живое, могут размножаться, адаптироваться, эволюционировать, но не имеют клеточного строения, не растут и не развиваются (в традиционном понимании этих слов), не обладают обменом веществ, гомеостазом, раздражимостью. Многие вирусы образуют кристаллы, что свойственно неживой материи. Свойства живого вирус проявляет только внутри клетки. Вопрос о том, считать ли вирусы живыми организмами, упирается в сложность определения самих понятия «живой» и «организм».

↑Происхождение и эволюция вирусов

Происхождение вирусов неясно. Существует несколько гипотез. Одна из них предполагает, что вирусы – это дегенеративная форма жизни, потерявшая в ходе эволюции многие функции, оставив лишь генетическую информацию, необходимую для паразитической формы существования. Согласно другой гипотезе, вирусы имеют клеточное происхождение и представляют собой субклеточный комплекс макромолекул, который смог стать в определенной степени автономным от клетки и покинул её. И, наконец, еще одна точка зрения состоит в том, что вирусы развивались параллельным курсом с клеточными организмами из самореплицирующихся молекул.

↑Методы вирусологии

До 1930 методы вирусологии основывались на фильтруемости инфекционного агента и заражении им различных чувствительных организмов – животных, растений, бактерий. В 1930-50-е гг. для культивирования вирусов животных и человека стали использовать лабораторных мышей, куриные эмбрионы и изолированные ткани.

Биологические методы исследования основаны на биологических свойствах вируса (способности к гемагглютинации, гемолизе, ферментативной активности) и особенностях взаимодействия вируса с клеткой-хозяином (характере цитопатического эффекта, образовании внутриклеточных включений и т.д.). Для количественного учёта вируса и динамики его размножения применяют различные методы титрования. Важнейшие из них основаны на том, что вирус, размножаясь в клетках, вызывает видимые простым глазом поражения. Бактериальные вирусы (бактериофаги) титруют по числу стерильных пятен, вирусы растений — по числу некрозов на зараженном вирусом листе, вирусы животных и человека — по числу поражений на однослойных культурах тканей.

Иммунологические методы исследования вирусов основаны на иммунологических процессах (взаимодействии антигена с антителами) и имеют исключительное значение, как для научных исследований, так и для диагностики вирусных заболеваний. Разнообразные иммунологические методы, как классические, так и современные (иммуноферментный анализ, иммуноблотинг, иммунофлюоресценция), являются важнейшим инструментом вирусологии.

С помощью биохимических методов определяют химический состав вирионов.

Для изучения вирусов используются также разнообразные физико-химические методы. Ультацентрифугирование позволяет сконцентрировать вирусные препараты и определить массу вирусных частиц, градиентное центрифугирование в растворах сахарозы или солей металлов дает возможность "рассортировать" вирусные частицы, так как даже при незначительном различии их веса они распределяются слоями на разных уровнях раствора. Применение радиоактивных изотопов позволяет проследить, из каких источников черпает вирус вещества для построения вириона. Для определения концентрации вирусных препаратов и изучения особенностей строения вирусных частиц применяют оптические методы. Электронная микроскопия позволяет увидеть вирусные частицы в препаратах и в тканях. Для изучения вирусных структур используется рентгеноструктурный анализ.

Современная вирусология использует все методы молекулярной биологии – бесклеточные системы синтеза белка и нуклеиновых кислот, секвенирование нуклеиновых кислот, молекулярную гибридизацию, генную инженерию, искусственную экспрессию и нокаут генов, и т.д.

Неотъемлемой частью современных методов является компьютерный анализ.

↑Современная вирусология

К началу XXI века описано более 6 тыс. вирусов, принадлежащих к более, чем 2000 видам, 287 родам, 73 семействам и 3 порядкам. Для многих вирусов изучены их структура, биология, химический состав и механизмы репликации. Продолжается открытие и исследование новых вирусов, которые не перестают поражать своим разнообразием. Так в 2003 году был открыт самый большой из известных вирусов – мимивирус.

Открытие большого числа вирусов потребовало создания их коллекций, и музеев. Наиболее крупные среди них - в России (государственная коллекция вирусов в Институте вирусологии им. Д.И.Ивановского в Москве), США (Вашингтон), Чехии (Прага), Японии (Токио), Великобритании (Лондон), Швейцарии (Лозанна) и ФРГ (Брауншвейг). Результаты научных исследований в области вирусологии публикуются в научных журналах, обсуждаются на международных конгрессах организуемых каждые 3 года (впервые состоялся в 1968). В 1966 на 9-м Международном конгрессе по микробиологии впервые избран Международный комитет по таксономии вирусов (International Committee on Taxonomy of Viruses – ICTV).

В рамках общей, то есть молекулярной вирусологии продолжается изучение фундаментальных основ взаимодействия вирусов и клеток. Достижения молекулярной биологии, вирусологии, генетики, биохимии и биоинформатики  показали, что значение вирусов не ограничивается только тем, что они вызывают инфекционные заболевания.

Было показано, что особенности репликации некоторых вирусов приводят к захвату вирусом клеточных генов и переносу их в геном другой клетки – горизонтальному переносу генетической информации, что может иметь последствия, как в эволюционном плане, так и в плане злокачественного перерождения клеток.

При секвенировании генома человека и других млекопитающих было выявлено большое число повторяющихся нуклеотидных последовательностей, представляющих собой дефектные вирусные последовательности – ретротранспозоны (эндогенные ретровирусы), которые могут содержать регуляторные последовательности, влияющие на экспрессию соседних генов. Их обнаружение и изучение привело к активному обсуждению и исследованию роли вирусов в эволюции всех организмов, в частности в эволюции человека.

Открытие вирусологами вирусов-сателлитов, сателлитных РНК и вироидов расширило понимание явления молекулярного паразитизма, изначально описанного для вирусов, и заставило предположить, что оно играло существенную роль в эволюции макромолекул.

Новым направлением вирусологии является экология вирусов. Обнаружение вирусов в природе, их идентификация и оценка их количества представляют собой очень сложную задачу. В настоящее время выработаны некоторые методические приемы, позволяющие оценить количество некоторых групп вирусов, в частности бактериофагов, в природных образцах и проследить их судьбу. Получены предварительные данные, свидетельствующие о том, что вирусы оказывают существенное влияние на многочисленные биогеохимические процессы и эффективно регулируют численность и видовое разнообразие бактерий и фитопланктона. Однако изучение вирусов в этом аспекте только началось, и нерешенных проблем в этой области науки еще очень много.

Достижения общей вирусологии дали мощный толчок развитию ее прикладных направлений. Вирусология превратилась в обширную область знаний, важную для биологии, медицины и сельского хозяйства.

Вирусологи осуществляют диагностику вирусных инфекций человека и животных, изучают их распространение, разрабатывают методы профилактики и лечения. Крупнейшим достижением явилось создание вакцин против полиомиелита, оспы, бешенства, гепатита В, кори, жёлтой лихорадки, энцефалитов, гриппа, паротита, краснухи. Создана вакцина против вируса папилломы, с которым связано развитие одного из видов рака. Благодаря вакцинации полностью ликвидирована натуральная оспа. Осуществляются международные программы полной ликвидации полиомиелита и кори. Разрабатываются методы профилактики и лечения гепатитов и иммунодефицита (СПИД) человека. Накапливаются данные о веществах с антивирусной активностью. На их основе создан ряд лекарственных препаратов для лечения СПИДа, вирусных гепатитов, гриппа, заболеваний, вызванных вирусом герпеса.

Изучение вирусов растений и особенностей их распространения по растению привело к созданию нового направления в сельском хозяйстве – получению безвирусного посадочного материала. Меристемные технологии, позволяющие вырастить растения, свободные от вирусов, в настоящее время применяются для картофеля, ряда плодовых и цветочных культур.

Исключительное значение на данном этапе имеют знания, накопленные о структуре вирусов и их геномов для развития генной инженерии. Ярким примером этого является использование бактериофага лямбда для получения библиотек клонированных последовательностей. Кроме того, на основе геномов разных вирусов создано и продолжает создаваться большое количество генно-инженерных векторов для доставки чужеродной генетической информации в клетки. Эти векторы используются для научных исследований, для накопления чужеродных белков, особенно в бактериях и растениях, и для генной терапии. В генной инженерии применяются некоторые вирусные ферменты, которые теперь производятся на коммерческой основе.

Малые размеры и способность к образованию регулярных структур открыли перспективу использования вирусов в нанотехнологии для получения новых бионеорганических материалов: нанотрубок, нанопроводников, наноэлектродов, наноконтейнеров, для инкапсидации неорганических соединений, магнитных наночастиц и неорганических нанокристаллов строго контролируемых размеров. Новые материалы могут быть созданы при взаимодействии регулярно организованных белковых вирусных структур с металлосодержащими неорганическими соединениями. «Сферические» вирусы могут служить наноконтейнерами для хранения и доставки в клетки лекарственных препаратов и терапевтических генов. Поверхностно модифицированные инфекционные вирионы и вирусные субструктуры могут быть использованы в качестве наноинструментов (например, в целях биокатализа или получения безопасных вакцин).

↑Рекомендуемая литература

1. Alan Cann, Principles of Molecular Virology, Fourth Edition, ELSEVIER, Academic Press, 2005.
2. Fields Virology 5th edition. Edited by: Fields BN, Knipe DM, Howley. Lippincott-Williams & Wilkins Publishers: Philadelphia; 2007
3. Агол В.И., Атабеков И.Г., Крылов В.Н., Тихоненко Т.И.Молекулярная биология вирусов. Изд-во «Наука», 1971.
4. Агол В.И., Богданов А.А., Гвоздев В.А. и др.; под ред. А.С.Спирина. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. М., Высшая школа, 1990.
5. Атабеков И.Г. Применение вирусных структур в качестве инструментов нанотехнологий. Российские нанотехнологии, 2008, т.3, стр.132-141. http://www.nanoru.ru
6. Вирусология (в 3- томах), под ред. Б.Филдса, Д.Найпа при участии Р.Ченока и др.; Москва : Мир, 1989.
7. Лурия С., Дарнелл Дж. и др. Общая вирусология. Москва, Мир. 1981
8. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. В 2-х т. Москва, Мир. 1998.
9. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М., Мир, 1981
10. Френкель-Конрат Х. Химия и биология вирусов. М.: Мир, 1972