Текст книги "Планета вирусов"

Автор книги: Карл Циммер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц) [доступный отрывок для чтения: 2 страниц]

Взгляд со звезд
Вирус гриппа

Инфлюэнца. Если закрыть глаза и произнести это слово вслух, оно звучит очень мило. Так могла бы называться очаровательная древняя итальянская деревня. Слово «инфлюэнца» и в самом деле итальянское, оно означает «воздействие». Кроме того, это средневековое итальянское имя. Но приятные совпадения на этом заканчиваются. Средневековые лекари считали, что звезды оказывают свое влияние на пациентов и вызывают загадочную лихорадку, прокатывающуюся по всей Европе каждые несколько десятков лет. С тех самых пор вирус гриппа не прекращает свирепствовать. В 1918 году небывало мощная эпидемия унесла жизни более пятидесяти миллионов человек. Даже в годы, когда эпидемии обходят человечество стороной, смертельные случаи все равно происходят.

Только в США каждую зиму от гриппа погибает 36 тысяч человек. От четверти до полумиллиона погибает ежегодно во всем мире. Сегодня ученые знают, что грипп вызывают не звезды, а микроскопические вирусы. Как и вызывающему простуду риновирусу, вирусу гриппа для того, чтобы наносить вред здоровью, достаточно всего десяти генов. Он распространяется вместе с крошечными капельками, которые человек выделяет при кашле, чихании или насморке. Ничего не подозревающая жертва может случайно вдохнуть такую капельку или подхватить ее, взявшись за дверную ручку и поднеся уже зараженные пальцы ко рту. Как только вирус гриппа попадает в горло или носовую полость, он проникает в клетки, из которых состоит слизистая оболочка. Распространяясь от клетки к клетке, вирус гриппа сеет разрушение на своем пути. Клетки слизистой оболочки разрушаются, как если бы вирус гриппа был газонокосилкой, оставляющей за собой скошенную траву.

В организме здоровых людей иммунная система способна контратаковать вирус в течение нескольких дней. В таких случаях человек испытывает болевые ощущения, жар и слабость, но большая часть симптомов проходит в течение недели. У небольшого процента зараженных вирус гриппа создает условия для проникновения в организм гораздо более серьезных заболеваний. В нормальном состоянии слизистые оболочки служат защитой от большого числа патогенов. Патогены попадают на слизь, а затем клетки слизистой при помощи ресничек задерживают их, предупреждая иммунную систему о незваных гостях. Как только газонокосилка гриппа выкашивает этот защитный барьер, патогены проникают внутрь и могут вызывать серьезные болезни легких, некоторые из которых даже имеют летальный исход.

О вирусе, вызвавшем столько смертей в прошлом и продолжающем убивать людей, удивительно мало известно. Сезонный грипп наиболее опасен для людей с пониженным иммунитетом, в особенности для детей и пожилых людей, иммунная система которых не способна распознать вирус. Но во время пандемий гриппа в опасности оказываются в первую очередь люди с хорошим иммунитетом. Ученым не известно, почему грипп переключается с одной категории людей на другую. Согласно одной из теорий, некоторые штаммы гриппа вызывают такой резкий отклик иммунной системы, что она наносит больше вреда организму, чем самому вирусу. Другие ученые не согласны с этой теорией и считают, что ответы следует искать в другой области.

Ученым также не известно, когда вирус гриппа начал заражать людей. Конечно, существуют исторические свидетельства, описывающие смертельные эпидемии лихорадки, но доподлинно не известно, были ли они вызваны вирусом гриппа или другим вирусом, имеющим сходные симптомы.

В противоположность всем загадкам, окружающим грипп, его происхождение не является тайной. Он передался людям от птиц. Птицы являются переносчиками всех известных науке штаммов гриппа, а также многих штаммов, не передающихся человеку. Большинство птиц являются носителями гриппа, но не болеют им. Вместо того чтобы воздействовать на дыхательные пути, вирус гриппа поражает пищеварительный тракт птиц и распространяется с их испражнениями. Здоровые птицы, употребляя зараженную воду, становятся переносчиками гриппа.

Иногда птичьи штаммы гриппа преодолевают межвидовой барьер и становятся штаммами человеческого гриппа. Но на каждый удачный переход должно приходиться множество неудавшихся попыток. Вирусы птичьего гриппа отлично приспособлены к тому, чтобы заражать своих летучих носителей и как можно быстрее размножаться. Эта специализация делает их не такими эффективными при заражении людей. Тем не менее, начиная с 2005 года штамм птичьего гриппа H5N1заражает сотни людей. Он намного опаснее, чем штаммы обычного сезонного гриппа, поэтому работники системы здравоохранения приняли беспрецедентные меры для того, чтобы остановить его распространение. В наши дни H5N1передается только от птиц к человеку, но не может передаваться от одного человека к другому.

К несчастью, слабо приспособленный вирус гриппа может эволюционировать в хорошо адаптированный. Вирусы гриппа довольно свободно трактуют генетическую информацию, воспроизводя себя, что приводит к возникновению мутаций у новых вирусов. Эти мутации подобны случайным изменениям в рецепте, по которому «готовится» вирус. Некоторые мутации не оказывают на вирус никакого воздействия. Другие не дают им размножаться. Однако лишь немногие мутации улучшают репродуктивные способности вирусов. Естественный отбор благоволит таким мутациям, и б течением времени они накапливаются, делая вирусы более успешными в заражении людей. Некоторые мутации позволяют вирусу изменить форму его белковой оболочки для того, чтобы интенсивно проникать в клетки-носители. Другие мутации помогают вирусу гриппа выдерживать температуру человеческого тела, которая на несколько градусов ниже, чем у птиц.

Вирус гриппа также выработал новый способ передачи от носителя к носителю. У птиц вирус передается через воду. У человека же он передается при помощи крошечных капелек жидкости. Этот новый способ обуславливает сезонные колебания заболевания гриппом. В местах, подобных США, большинство случаев заболевания гриппом приходится на зиму. Согласно одной теории, воздух зимой более сухой, и это позволяет взвеси из зараженных капелек часами оставаться в воздухе, что увеличивает шанс заражения. В остальные времена года влажность заставляет капельки оседать на землю.

Когда вирус гриппа заражает своего нового носителя, он может проникнуть в клетку, которая уже «занята» другим вирусом гриппа. А когда два разных вируса гриппа воспроизводят себя внутри одной клетки, то дела могут принять неожиданный оборот. Гены вируса гриппа хранятся в восьми отдельных сегментах, а когда клетка начинает воспроизводить вирусы, основываясь на генетической информации двух разных вирусов гриппа, их гены могут перемешиваться. Получившиеся в итоге вирусы могут нести в себе генетический материал обоих вирусов. Это смешение, известное как рекомбинация, является аналогом секса у вирусов. Когда у людей рождаются дети, гены их родителей смешиваются, создавая новые комбинации из двух наборов ДНК. Таким же образом рекомбинация позволяет генам вирусов создавать новые комбинации.

По мере того как ученые более пристально изучают гены вирусов гриппа, они обнаруживают, что рекомбинация играет важную роль в истории развития гриппа. Около четверти птиц несут в себе два или более штаммов гриппа. Вирусы обмениваются генами в процессе рекомбинации, что позволяет им с легкостью переходить от одного вида птиц к другому. А иногда, в очень редких случаях, птичий грипп обменивается генами с человеческим. Это может привести к появлению вируса, который будет легко передаваться от человека к человеку. При том, что у людей еще не выработан иммунитет к данному штамму, который мог бы замедлить распространение вируса.

Рекомбинация играет более важную роль, чем просто преодоление межвидового барьера. Как только птичий штамм гриппа эволюционирует в человеческий, он продолжит обмениваться генами каждый сезон гриппа. Эта непрекращающаяся рекомбинация позволяет вирусам выживать. Чем дольше штамм вируса передается от одного носителя к другому, тем лучше иммунная система человека учится давать ему отпор. Но после сеанса «вирусного секса» старый добрый штамм гриппа может приобрести новые гены и стать более живучим.

Люди не являются единственными, кто перенял вирус гриппа от птиц. Лошади, собаки и некоторые другие млекопитающие также его подхватили. В апреле 2009 года человечество с неприятным удивлением узнало, что гриппом могут болеть и свиньи. Эпидемия так называемого свиного гриппа началась среди свиней, а затем перекинулась на людей. Впервые ее обнаружили в Мексике, и вскоре она распространилась по всей планете.

История этого штамма гриппа, названного свиным гриппом H1N1,является запутанной и полной смешивания генов и достижений сельского хозяйства. Свиньи оказались идеальной «базой» для рекомбинации, так как они принимают как человеческие вирусы гриппа, так и птичьи. На протяжении последней сотни лет свиные фермы резко разрослись в размерах, что облегчило передачу вирусов от носителя к носителю и ускорило процесс редупликации. Старейший известный штамм свиного гриппа появился в 1918 году, в то же время, когда человечество поразила пандемия гриппа. Этот «классический» штамм до сих пор заражает свиней. В 1970-х штамм птичьего гриппа на территории Евразии эволюционировал в новый штамм свиного гриппа. Другой свинно-птичий грипп появился в США. А в конце 1990-х американские ученые обнаружили «тройную смесь» в свиньях, в которых были перемешаны гены всех трех штаммов гриппа (человеческого, птичьего и свиного).

Когда ученые упорядочили гены нового свино-человеческого H1N1 в 2009-м, они обнаружили что он произошел от двух разных штаммов гриппа: «тройной смеси» и евразийского вируса, передавшегося свиньям от птиц. Сравнивая новые мутации штамма, возникающие у разных пациентов, исследователи установили, что новый вирус появился в 2008-м. Он распространялся скрытно, пока не проявил себя весной 2009 года.

Так как штамм H1N1был новым вирусом, система здравоохранения быстро включилась в работу. Мексиканское правительство на некоторое время изолировало страну, надеясь, что вирус не сможет найти новых носителей. Так как вирус H1N1проявил себя и в других странах, то их правительства предприняли собственные шаги по предотвращению его распространения. К маю 2009-го стало ясно, что, несмотря на необычайно быстрое распространение, он оказался не опаснее обычного сезонного гриппа.

Как я уже писал в 2010-м, невозможно предсказать, исчезнет ли новый штамм, не выдержав конкуренции со своими сородичами, или эволюционирует в более опасную форму или же приобретет новые гены путем рекомбинации. Однако мы можем не только покорно ждать, чтобы узнать, что приготовит нам эволюция. Мы можем замедлить распространение гриппа, соблюдая требования гигиены. А ученые уже способны прослеживать эволюцию вирусов гриппа и предсказывать, какой из штаммов будет наиболее опасен во время следующего сезона гриппа. Рано говорить, что мы справились с вирусом гриппа, но нам во всяком случае не приходится в борьбе с ним уповать на помощь звезд.

Рогатый кролик
Вирус папилломы человека

Истории о рогатых кроликах ходили на протяжении столетий. В конечном итоге они приобрели форму мифа о рогатом кролике. Если, пребывая в Вайоминге, вы зайдете в магазин, торгующий открытками, то у вас есть все шансы обнаружить на одной из них рогатого кролика, скачущего через прерию. Он похож на кролика с парой оленьих рогов. Можно даже увидеть рогатого кролика во плоти, правда, только в виде головы, прибитой к стене над обеденным столом.

Конечно, все это чепуха. Большая часть рогатых кроликов – не что иное, как уловки таксидермистов – головы кроликов с приклеенными рогами антилопы. Но, как и большинство мифов, сказание о рогатом кролике несет в себе зерно истины. Иногда действительно встречались кролики с наростами на голове, напоминающими рога.

В начале 30-х годов XX века Ричард Шоуп ( Richard Shope), ученый Университета Рокфеллера, услышал о существовании рогатых кроликов. Он попросил друга поймать одного и отправить ему кусочки рогов, чтобы он мог установить, из чего они состоят. Коллега Шоупа Франсис Ру ( Francis Rous), проводя опыты с цыплятами, сделал предположение, что определенные виды вирусов могут вызывать опухоли. Многие ученые того времени отнеслись к этому заявлению скептически, но Шоуп заинтересовался, могли ли «рога» быть опухолями, вызванными неизвестным вирусом. Чтобы это проверить, Шоуп измельчил рога, сделал из них раствор и процедил полученную жидкость через фарфоровую глину. Через поры в фарфоровой глине могли проникнуть только вирусы. Затем Шоуп втирал отфильтрованный раствор в головы здоровым кроликам. Они также обзавелись рогами.

Опыт Шоупа показал не только то, что рога кроликов содержали в себе вирусы. Он продемонстрировал, что вирусы создали рога из зараженных клеток. После этого открытия Шоуп передал свои образцы зараженных тканей Ру, который продолжал исследовать их на протяжении десятилетий. Ру впрыснул зараженную жидкость в тело кроликов и обнаружил, что это не привело к возникновению безвредных рогов. Вместо этого у кроликов развился рак, и они погибли. Благодаря своему исследованию, связавшему рак и вирус, Ру получил Нобелевскую премию по медицине в 1966 году.

Открытия, совершенные Шоупом и Ру, заставили ученых более пристально изучать опухоли других животных. У коров иногда возникают чудовищные наросты из видоизмененной кожной ткани размером с грейпфрут. У многих млекопитающих, от тигров и дельфинов до человека, появляются бородавки. В редких случаях бородавки могут сделать человека «рогатым кроликом». В 80-х годах XX века мальчик из Индонезии по имени Деде начал обрастать бородавками, которые со временем полностью покрыли кожу на руках и ногах. В итоге он не смог больше работать и оказался в составе шоу уродов под прозвищем «человек-дерево». Сообщения о Деде просочились в СМИ, и в 2007 году врачи удалили больше шести килограммов бородавок с тела Деде. С того момента им пришлось продолжать удалять хирургическим путем все вновь появляющиеся бородавки. Наросты на теле Деде, как и все остальные, возникающие на людях и других млекопитающих, как оказалось, вызваны одним вирусом – тем же самым, от которого у кроликов вырастали рога. Его назвали «вирус папилломы», от латинского papilla (почки или бутоны).

В 1970 году немецкий исследователь Гаральд фон Хаузен ( Harald zur Hausen) выявил, что вирусы папилломы могут представлять гораздо более значительную угрозу здоровью человека, чем просто возникновение бородавок. Он задался вопросом, способны ли вирусы вызывать опухоли в шейке матки. Предыдущие исследования случаев заболевания раком шейки матки выявили, что его протекание было сходно с венерическими заболеваниями. У монахинь, например, рак шейки матки возникает гораздо реже, чем у обычных женщин. Некоторые ученые выдвигали предположения о том, что рак шейки матки вызывает вирус, передающийся половым путем. Хаузен решил выяснить, можно ли винить в этом вызывающие рак вирусы папилломы.

Хаузен доказывал, что если это правда, то гены ДНК вирусов можно обнаружить в раковых опухолях. Он собрал результаты биопсии и не торопясь изучал содержащуюся в них ДНК на протяжении нескольких лет. В 1983 году он обнаружил в образцах ДНК вирусов папилломы. Продолжая исследовать образцы, Хаузен обнаруживал все новые штаммы вируса папилломы. С момента публикации результатов исследования ученые обнаружили сотню разных штаммов вируса папилломы человека (сокращенно – ВПЧ). За свои заслуги Хаузен получил Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 2008 году.

Это исследование Хаузена вирусов папилломы оказалось под пристальным вниманием медиков во многом из-за огромного количества вызываемых раком шейки матки смертей. Опухоли, вызываемые ВПЧ, могут вырастать до таких размеров, что повреждают матку или кишечник. Возникающее вследствие этого кровотечение может привести к смерти. Рак шейки матки убивает примерно, 270 тысяч женщин ежегодно, уступая только раку груди и раку легких.

Все случаи летального исхода имели место у женщин, заразившихся ВПЧ. Заражение начинается, когда вирус внедряет ДНК в клетку-носитель. ВПЧ специализируется на заражении клеток эпителия, из которых состоит большая часть кожи и слизистых ободочек. Гены вирусов в итоге проникают в ядро клетки, в котором содержатся собственные гены клетки. Затем клетка считывает гены ВПЧ и начинает воспроизводить белки вирусов. Эти белки, в свою очередь, начинают видоизменять клетку.

Многие другие вирусы, такие как риновирусы или вирусы гриппа, размножаются очень активно. Они стараются в короткий срок произвести как можно больше себе подобных, пока клетка-носитель не переполнится вирусами. В конце концов оболочка клетки разрывается, и клетка умирает. ВПЧ использует совсем другую стратегию. Вместо того чтобы убивать клетку-носителя, вирус заставляет ее делиться. Чем больше зараженных клеток – тем больше и вирусов.

Ускорение процесса деления клеток – большое достижение для вируса, имеющего всего восемь генов. Нормальный процесс деления клетки безумно сложен. Клетка «решает» начать процесс деления в ответ на внутренние и внешние сигналы, мобилизуя целую армию молекул для своей реорганизации. Ее внутренний, состоящий из нитей, скелет растягивает содержимое клетки к ее противоположным концам. В то же время клетка производит копию своей ДНК – 3,5 миллиарда «букв», организованных в 46 пучках, называемых хромосомами. Клетка затем перемещает эти хромосомы к одному из своих концов и выстраивает внутри себя перемычку. Во время всей этой суеты за процессом деления «наблюдают» молекулы-надзиратели. Если им кажется, что процесс деления клетки пошел неправильно, например, если у клетки имелся дефект, делающий ее раковой, то молекулы-надзиратели вынуждают клетку совершить самоубийство. ВПЧ может управлять всеми этими процессами, производя лишь несколько белков, вмешивающихся в важнейшие стадии цикла деления и ускоряя его без убийства клетки.

Многие клетки растут быстро сразу после появления, но потом их рост замедляется или даже останавливается. Клетки эпителия, которые инфицирует ВПЧ, продолжают расти в течение всей жизни. По мере деления они производят новый слой клеток, который вытесняет слой клеток, расположенный над ним. По мере того как клетки делятся и приближаются к поверхности, они становятся отличными от своих прародителей. Они начинают производить больше твердого белка под названием кератин (из него состоят наши ногти и лошадиные копыта). Наполненные кератином клетки верхнего слоя кожи лучше переносят воздействие Солнца, химикатов и температуры. Однако постепенно верхний слой клеток отмирает, и новый слой занимает его место.

Такая система означает, что ВПЧ приходится жить на конвейерной ленте. По мере того как зараженные ВПЧ клетки делятся, они перемещаются все ближе к поверхности и своей смерти. Вирусы чувствуют, что клетка-носитель приближается к поверхности, и изменяют тактику. Вместо ускорения процесса деления они заставляют клетку производить много новых вирусов. Когда клетка достигает поверхности, она выбрасывает множество вирусов ВПЧ, чтобы те искали новых носителей.

В большинстве случаев заражения человека ВПЧ между вирусом и носителем устанавливается баланс. Быстрорастущие зараженные клетки не успевают нанести вред здоровью, потому что организм сбрасывает их. Вирус в то же самое время использует клетки эпителия как фабрики для новых вирусов, способных передаваться новому носителю при кожном контакте или сексе. Поддерживать баланс помогает и иммунная система, убирая некоторые зараженные клетки. (Древообразные наросты Деде были следствием генетического дефекта, который помешал его организму обуздать вирус.)

Этот баланс между вирусом и носителем существовал сотни миллионов лет. Чтобы реконструировать историю ВПЧ, ученые сравнили генетические последовательности различных штаммов и обратили внимание на то, каких животных они заражали. Выяснилось, что ВПЧ заражают не только млекопитающих, таких как люди, кролики и коровы, но и других позвоночных (птиц и рептилий). Каждый из штаммов обычно заражает только один вид или несколько родственных видов. Основываясь на их родстве, Марк Готтшлинг ( Marc Gottschling) из Мюнхенского университета утверждал, что первые яйцекладущие наземные позвоночные, предки млекопитающих, уже были носителями ВПЧ 300 миллионов лет назад.

По мере того как от этого древнего млекопитающего посредством эволюции происходили новые виды, ВПЧ также видоизменялся. Согласно результатам исследований вирусы начали специализироваться на разных типах тканей своих носителей. Вирусы, вызывающие бородавки, например, адаптировались, чтобы заражать клетки кожи. Другие приспособились к слизистым оболочкам во рту или на других открытых поверхностях. В большинстве случаев эти вирусы мирно сосуществуют со своим носителем. Две трети здоровых лошадей несут в себе штаммы ВПЧ, названные BPV1и BPV2.

Эволюция сделала некоторые вирусы более подверженными формированию раковых клеток, чем другие, но исследователи не могут сказать, чем это обусловлено.

На протяжении тысяч поколений ВПЧ приспосабливались к определенным носителям, но время от времени они передавались новым биологическим видам. Множество человеческих ВПЧ имеют самое близкое родство с ВПЧ, заражающими виды, не имеющие такого родства с людьми, например лошадей, а не с ВПЧ наших близких родственников приматов. Для передачи вируса потребовалось всего лишь соприкосновение кожи.

Когда на территории Африки около 200 тысяч лет назад сформировался наш вид, древние предки предположительно уже являлись носителями нескольких штаммов ВПЧ. Представителей этих штаммов сейчас можно встретить по всему миру. По мере того как люди распространялись по планете, покинув территорию Африки 50 тысяч лет назад и освоив Новый Свет 15 тысяч лет назад, ВПЧ продолжали изменяться. Мы знаем это, так как генеалогия некоторых штаммов ВПЧ отражает генеалогию нашего вида. Вирусы ВПЧ, носителями которых являются современные африканцы, относятся к древнейшим формам ВПЧ, тогда как европейцы и азиаты несут в себе собственные штаммы.

Около 199 950 из последних 200 000 лет мы даже не подозревали о существовании ВПЧ. Не из-за того, что ВПЧ был редким вирусом. В 2008 году проведенное исследование показало, что из 1 797 мужчин и женщин 60 % имели антитела против ВПЧ, что означает, что они были им заражены в какой-то из периодов своей жизни. Для подавляющего большинства людей подобный опыт был безвреден. Ежегодно из 30 миллионов американских женщин, зараженных ВПЧ, рак шейки матки развивается только у 13 тысяч.

У представительниц этого несчастливого меньшинства баланс между вирусом и носителем был нарушен. Каждый раз, когда зараженная клетка делится, есть маленький шанс, что при этом мутации подвергнется один ген, отвечающий за регулирование жизненного цикла клетки. Здоровой клетке такая мутация не нанесет большого вреда. Но клетка, которую ВПЧ вынуждает расти в ускоренном темпе, находится в опасности. То, что в другом случае вызвало бы неопасную мутацию, превращает инфицированную клетку в предопухолевую. Такая клетка размножается намного быстрее, чем раньше. Ее потомки растут так быстро, что скорости обновления кожи не хватает для того, чтобы избавляться от них. Они образуют опухоль, давящую на окружающие ткани.

Лучшим способом уменьшить шанс возникновения рака является избавление от вызывающих опасные мутации привычек: курения, контактов с вредными веществами и употребления пищи, содержащей канцерогены.

Рак шейки матки можно предотвращать по-другому – с помощью вакцины. В 2006 году в США и Европе была одобрена к применению первая вакцина. Она содержит белки из оболочки ВПЧ, которые наша иммунная система учится распознавать. Если после этого человек заражается ВПЧ, его иммунная система имеет возможность нанести незамедлительный удар.

Введение в использование вакцины вызвало множество споров. Разработчики предлагали прививать девочек в начале подросткового периода. Некоторые родители протестовали, утверждая, что это будет способствовать распространению добрачного секса. В 2008 году медицинские эксперты начали серию обсуждений в «Медицинском журнале» Новой Англии. Вирусу ВПЧ требуется много лет, чтобы дать начало зарождению рака, поэтому мы не знаем, оказалась ли вакцина эффективной.

Другой проблемой может стать тот факт, что вакцина нацелена только на два штамма ВПЧ. Такое решение кажется разумным с позиции соотношения ее стоимости и эффективности, так как два этих штамма вызывают до 70 % всех случаев заболевания раком шейки матки. Но люди могут стать носителями еще сотни штаммов ВПЧ, которые непрерывно мутируют и обмениваются генами. Если вакцина истребит два доминирующих штамма, естественный отбор может создать благоприятные условия для других штаммов, которые займут их место. Никогда не стоит недооценивать вирус, превращающий кроликов в рогатых кроликов, а людей – в деревья.