Текст книги "Имя ему СПИД: Четвертый всадник Апокалипсиса"

Как уже говорилось, все ретровирусы имеют одну особенность – их генетический аппарат (геном) состоит из молекулы РНК, что отличает их от высших организмов и бактерий, у которых гены закодированы в молекулах ДНК. Поэтому, прежде чем размножиться и оказать влияние на клетки, ретровирусу требуется перевести информацию, записанную в молекуле РНК, в форму ДНК. Ретровирусы сами по себе это сделать не могут, для своего развития они используют элементы клетки, в которую проникают. По этой причине их иногда называют «молекулярными пиратами».

Как же выглядит этот страшный смертоносный пират по имени ВИЧ? В общих чертах строение ВИЧ подобно другим представителям подсемейства лентивирусов. Строение вируса оказалось не слишком сложным, но с помощью нескольких «хитроумных» механизмов, о которых мы поговорим позднее, вирус беспрепятственно проникает в организм человека и успешно там распространяется. Первоначальные данные были получены с помощью электронного микроскопа. В микроскопе вирусная частица (вирион) ВИЧ выглядит как некая шарообразная микрочастица диаметром около 100 нм, что составляет 1/10000 миллиметра (т. е. в тысячи раз меньше обыкновенной клетки), которая имеет форму икосаэдра (двадцатигранника). Для сравнения на линии длиной 1 см могут разместиться до 100 тыс. вирусных частиц, а на площади с копеечную монету – несколько десятков миллионов возбудителей.

ВИЧ представляет собой простой «футляр» (капсид), в котором хранятся две молекулы РНК (вирусный генетический аппарат) (рис. 6). Вся поверхность «футляра» покрыта шиповидными выростами, общее число которых равно 72. Поэтому обычно ВИЧ изображают похожим на противолодочную мину времен Второй мировой войны, на поверхности которой расположены белковые «грибы», служащие вирусу отмычкой для проникновения в клетку крови человека. Иногда вирус сравнивают еще с подушкой, утыканной иголками.

Наружная оболочка ВИЧ состоит из двойного слоя липидов, который происходит из мембраны клетки хозяина. «Шляпка» гриба, встроенного в мембрану, состоит из четырех молекул белка по имени gp120 (gp – сокращенно от англ. слова гликопроте-ин, а цифра – его молекулярный вес в тысячах дальтон). «Ножка» гриба формируется из четырех молекул другого гликопро-теина – gp41, которые встроены в мембрану. Так как мембрана имеет клеточное происхождение, то на ее поверхности и внутри нее сохраняется множество клеточных белков. Под наружной оболочкой располагается сердцевина вируса (кор), которая имеет форму усеченного конуса и образована двумя тысячами молекул белка р24. Внутренная поверхность мембраны выстлана так называемым матриксным белком р17. Кроме того, в коре присутствуют три фермента, которые необходимы для осуществления важнейших стадий в жизненном цикле вируса после заражения им клетки: обратная транскриптаза, интеграза и протеаза.

У ВИЧ, как и у других ретровирусов, вся генетическая информация закодирована в молекуле РНК. Внутри сердцевины

Рис. 6. Общий план строения вируса иммунодефицита человека (BB4) напоминает устройство других ретровирусов. Необходимые пояснения даны в тексте

вируса располагаются две однонитевые молекулы вирусной РНК, связанные с двумя низкомолекулярными белками (р6 и р7). Генетический аппарат BB4-1 – его РНК – имеет длину чуть меньше 10 тыс. нуклеотидов и содержит всего девять генов (рис. 7а). Для сравнения: у человека в геноме присутствует свыше 35 тыс. генов! Строение генетического аппарата BB4-2 слегка отличается от BB4-1 (рис. 7б) и больше напоминает устройство генома BИO (рис. 7в). Примечательная особенность генов всех этих вирусов состоит в том, что они перекрываются друг с другом, т. е. одни и те же вирусные нуклеотидные последовательности РНК могут участвовать в кодировании разных белков. Достигается это за счет использования разных точек начала считывания информации с нуклеотидной последовательности ДНК и благодаря разнообразной комбинаторике отдельных фрагментов из разных участков генома. Ряд генов «разорван», т. е. белок кодируется не одной непрерывной последовательностью нук-леотидов, а двумя участками вирусной РНК, порой далеко отстоящими друг от друга. Таким образом, небольшой по размерам геном вирусов за счет использования всевозможных «хитростей» кодирует довольно большое число разнообразных белков. Для сравнения: средний размер гена, кодирующего белок у человека, составляет около 27 тыс. пар нуклеотидов (п.н.), т. е. почти в три раза превышает размер всего генома BИЧ.

Рис. 7. Прямоугольниками на рисунке обозначены отдельные вирусные гены или их фрагменты, тонкими линиями указаны, из каких фрагментов устроены «разорванные» гены. Внутри прямоугольников дано название генов. Шкала – в парах нук-леотидов (п.н.). LTR – одинаковые концевые участки вирусного генома

Теперь дадим краткую характеристику отдельных генов ВИЧ и кодируемых ими белков (табл. 1). У вируса, так же как и у всех других известных ретровирусов, имеются гены, называемые gag, env и pol, которые, однако, отличаются по размерам у ВИЧ-1 и ВИЧ-2. Первые два из них кодируют структурные белки оболочки вируса. Сначала образуются белки-предшественники, которые затем разрезаются на меньшие по размеру белки. Так, например, ген gag у ВИЧ-1 кодирует первоначально большой белок-предшественник р53. Затем этот белок расщепляется в клетке на три меньших по размерам белка (р15, р 17 и р24). Некоторые гены кодируют один белок, другие несколько. Так, единичный ген по имени pol обеспечивает вирус такими тремя специфическими белками-ферментами, как ревертаза, интеграза и протеаза.

Два других гена ВИЧ – tat и rev – кодируются разными не связанными между собой участками генома ВИЧ (такие гены иногда называют разорванными). Они обеспечивают синтез ре-гуляторных белков, которые стимулируют транскрипцию вирусной ДНК и трансляцию РНК. Продукты этих генов способны влиять на работу не только вирусных, но и клеточных генов.

Еще один регуляторный ген – ген rief – выполняет, по-видимому, много различных функций (не все они еще хорошо изучены), в частности, его продукт может понижать содержание CD4-лимфоцитов, влияет на активность Т-лимфоцитов. Продукт гена vpr ингибирует размножение клеток, важен для размножения вируса в отдельных (неделящихся) типах клеток, ген vpu необходим для «почкования» вирусных частиц, а продукт гена vif осуществляет транспорт компонентов вируса в клетке. У BИЧ-1 имеется ген, которого нет у BИЧ-2 (ген vpu), и, наоборот, у BИЧ-2 имеется один ген, которого нет у BИЧ-1 (ген vpx). Функция гена vpx BИЧ-2 пока малоизучена.

Кроме того, на концах каждой нити РНК содержатся нуклео-тидные последовательности, которые осуществляют регуляцию работы вирусных генов.

Bот, собственно, и все. Тем не менее такого короткого генетического текста, записанного всего в 9 генах, вирусу вполне достаточно, чтобы обмануть человеческую клетку, влезть в нее и воспользоваться всеми возможностями, которые в ней имеются, для достижения своих корыстных целей.

Таблица 1

Гены и кодируемые ими белки у ВИЧ-1 и ВИЧ-2

Примечание: p – (от англ. – protein), белок; gp – (от англ. – glycoprotein), гликопротеин, т. е. белок, соединенный с остатками сахара. Цифрами указан молекулярный вес белков (в тысячах дальтон)

Если какая-нибудь маленькая песчинка попадет в наш организм и проникнет даже в кровь, она, несмотря на огромные по сравнению с вирусом размеры, ничего существенного сделать в клетке не сможет. Все дело в том, что неживая природа на владеет «генетическим языком», она не умеет разговаривать с живой и поэтому остается безмолвной. А вот вирус умеет «говорить» с клеткой, он способен без труда подложить ей свою лжепрограмму, которую клетка начинает воспринимать как свою собственную. Это подобно тому, как компьютерные вирусы, вероломно влезая в компьютеры и «говоря» с ними на общем языке, способны все испортить. Здесь также нормальная генетическая программа заменяется привнесенной извне лжепрограммой.

По мнению известного борца с компьютерными вирусами нашего бывшего соотечественника, проживающего в Америке, Е. Касперского, первый компьютерный вирус появился где-то в самом начале 70-х или даже в конце 60-х гг., хотя «вирусом» его тогда никто еще не называл. Термин «компьютерный вирус» появился позднее – официально считается, что его впервые употребил американец Ф. Коэн в 1984 г. на конференции по безопасности информации, проходившей в США. Здесь просматривается определенная аналогия с появлением ВИЧ в человеческой популяции и официальным его названием. Удивительно еще одно сходство. Компьютерные вирусы, как и ВИЧ, способны мутировать, для многих из них характерен полиморфизм. Наконец, несколько лет назад был зафиксирован случай, когда компьютерный вирус стал причиной гибели человека – в одном из госпиталей Нидерландов пациент получил летальную дозу морфия по той причине, что компьютер был заражен компьютерным вирусом и выдавал неверную информацию.

Жизненный цикл ВИЧ (круговорот вич в клетке)

Vices superbae

(Неумолимый круговорот судьбы)

Еще со школы всем нам хорошо известно такое понятие, как круговорот веществ в природе. Так вот у ВИЧ тоже есть свой круговорот, а точнее, его жизненный цикл, который связан только с человеком, с определенными его клетками. В окружающей среде без человека вирус совершенно беспомощен и быстро погибает. Если случилось бы такое, что все человечество исчезло с планеты Земля, то тут же исчез бы и ВИЧ. На сегодняшний день это единственно возможный, хотя, понятно, совершенно нереальный, чисто фантастический способ освобождения нашей планеты от ВИЧ. ВИЧ подобен огню, существующему только, если есть горючий материал, сжигающему этот материал дотла и вместе с ним погибающему.

Сейчас уже хорошо известно, как вирус проникает в клетки и как его генетическая программа реализуется в пораженном им организме. Как же ведет себя ВИЧ в своем единственно возможном месте обитания – в человеке? Общая схема поведения вируса в клетках изображена на рис. 8 (см. вклейку после с. 64). В целом эта схема сходна у всех ретровирусов, отличия здесь только в деталях, но именно эти детали и делают ВИЧ тем, что он есть – смертельно опасным.

Все вирусы для того, чтобы поразить организм, в первую очередь прикрепляются к клеткам хозяина, связываясь со специфическими белками, которые называются рецепторами. Однако рецепторы для разных типов вирусов совершенно различны (табл. 2). Этим и предопределяется, какие клетки могут быть заражены (инфицированы) данным вирусом, а какие нет. Так, рецептор для вируса полиомиелита имеется только на нейронах; они-то и инфицируются в первую очередь при попадании вируса в организм. А вот риновирус «любит» соединяться с белком по имени ICAM-1, который присутствует на мембранах многих типов клеток, в результате все они могут быть заражены этим вирусом. На сегодняшний день далеко не для всех вирусов обнаружены рецепторы, но это не означает, что их нет. И поиск их продолжается.

Таблица 2

Вирусы человека и рецепторы клеток, с которыми они взаимодействуют

Какова же ситуация в случае BИЧ? Попав на слизистую оболочку или прямо в кровяное русло человека и циркулируя там, вирус занят только одним: он ищет то место, куда он мог бы проникнуть и где мог бы нормально существовать, чтобы в дальнейшем размножиться. Иначе BИЧ погибнет. Как видно из табл. 2, BИЧ способен проникать далеко не во все виды клеток крови, а только в те, которые несут на своей поверхности специальный белок-рецептор – CD4, к которому вирус легко и охотно присоединяется. Белок вируса под названием gp120 (см. рис. 6), расположенный на его поверхности, как радар, находит белок-рецептор CD4 на поверхности клетки и плотно связывается с ним по принципу «ключ-замок». Этому взаимодействию способствуют и некоторые дополнительные белки, которые поэтому называют корецепторами. Имена основных корецепторов для BИЧ – CCR5 и CXCR4. B нормальных клетках они служат полноценными рецепторами для специфических клеточных белков-регуляторов – хемокинов. А для взаимодействия клеток с BИЧ они играют всего лишь роль помощников для основного рецептора CD4. Однако без этих белков-корецепторов, так же как без С4-рецептора, вирус проникнуть в клетку не может.

Рис. 9. Схемы взаимодействия ВИЧ с разными типами клеток с участием рецептора (CD4) и корецепторов (CCR5 и CXCR4)

Рецепторы и корецепторы для ВИЧ имеются на поверхности нескольких типов клеток иммунной системы. Наличие С4-ре-цептора позволяет называть все эти клетки С4-лимфоцитами. В частности, на мембране уже упоминавшихся Т-лимфоцитов-хел-перов имеется С4-рецептор и CXCR4-корецептор. С4-рецеп-тор содержится также на поверхности макрофагов и дендритных клеток, которые также одновременно несут и корецептор CCR5 (рис. 9). На ранней стадии ВИЧ-инфекции вирусы обычно имеют большее сродство с макрофагами, поэтому их называют М-троп-ными. Белок оболочки этих вирусов gp120 способен связываться одновременно с С4-рецептором и CCR5-корецептором. На более поздних стадиях ВИЧ приобретает сродство с Т-клетками, поскольку белок gp120 видоизменяется и становится способным связываться с клетками, содержащими как С4-рецептор, так и CXCR4-корецептор. По этой причине такие вирусы называют Т-тропными.

Понятно, что ключевой для взаимодействия ВИЧ и клетки С4-белок-рецептор когда-то возник и существует сейчас в некоторых типах клеток совсем не для того, чтобы вирусу было удобно в них проникать. Это очень важный клеточный белок, который обычно участвует на самых первых этапах сложного процесса передачи сигналов при активации Т-клеток. А ВИЧ просто сумел подобрать «ключ» именно к этому «замку». В результате в организме человека атака вируса идет главным образом именно на С4-содержащие клетки. Основным способом попадания BИЧ внутрь таких клеток человека является его физическое связывание как с белком-рецептором, так и белком-корецептором, расположенными на клеточной оболочке (рис. 9). Bирус иногда сравнивают с гаечным ключом фиксированного размера: за гайки меньшего размера он не сможет зацепиться, а гайки большего размера вообще не войдут в его паз. Как уже говорилось, взаимодействие вируса и рецептора на поверхности клеток можно также сравнить с ключом и замком. Когда ключ входит в замок – стыковка вируса и клетки произошла, после чего дверь открывается. Происходящее за этим слияние внешней оболочки вируса с мембраной клетки-мишени обеспечивает легкое проникновение (перетекание) вируса внутрь клетки. При этом BИЧ «раздевается» там: освобождается от своей оболочки.

Затем вирусу, чтобы жить и развиваться, необходимо перевести свою генетическую информацию на понятный клетке-хозяину язык, т. е. информацию, записанную в форме полимерной молекулы РНК, превратить в ДНКовую форму (рис. 8, см. вклейку после с. 64). Для этого клетка синтезирует белок-фермент, закодированный в вирусном геноме, под названием «обратная транскриптаза». Этот фермент и осуществляет образование на РНК однонитевой ДНК-копии. Затем с помощью того же фермента достраивается вторая нить ДНК. И, наконец, новоиспеченная двунитевая ДНК-копия вируса с помощью специального вирусного фермента интегразы встраивается внутрь ДНК клетки-хозяина. Такое состояние вируса получило название прови-руса. ДНК провируса имеет размер около 10 тыс. пар нуклеоти-дов (п.н.) и окружена с обеих сторон одинаковыми последовательностями нуклеотидов, называемыми длинными концевыми повторами (LTR – сокращенно от англ. long terminal repeats), размером по 600–700 п.н. каждый (рис. 7). B этих длинных концевых повторах содержатся все необходимые для регуляции работы генов элементы, которые и управляют работой вирусных генов в новом для них месте.

Места встраивания вируса в геном человека хотя в целом и случайные, но тем не менее есть определенное предпочтение к тем участкам, которые не «молчат» в клетках, а активно работают. После внедрения в ДНК клетки-хозяина провирус становится для клетки «родным», как и собственные гены. ДНК-про-вирус, по сути дела, представляет собой небольшой новый текст (программу) в огромном «старом» клеточном ДНКовом тексте. Так вирусная лжепрограмма проникает в главный информационный центр – аппарат клетки. Хотя в человеческой клетке в 100 тыс. раз больше генетической информации, чем в геноме провируса, который влезает в человеческий геном, маленький, но хитрый и проворный ВИЧ в конечном итоге одерживает победу над человеком.

Считалось, что вирус, превратившись в провирус, успокаивается; эту форму иногда называют «покоящимся вирусом». Но в действительности в большинстве случаев дело обстоит скорее всего не совсем так. Что же происходит после образования про-вируса? Завладев «штаб-квартирой» клетки-хозяина, ВИЧ (теперь уже в форме провируса) вскоре начинает отдавать приказы, которым клетка вынуждена подчиняться. Этот момент называют активацией провируса. Насколько неизбежно он наступает? Ответ на этот вопрос, по сути дела, тот же, что и на наивный вопрос, поставленный перед детишками С. Маршаком:

 
Можно ль козам не бодаться,
Если рожки есть?
В пляс девчонкам не пускаться,
Если ножки есть?
 

Провирус, имеющий и «рожки» и «ножки», без долгих сомнений и размышлений вступает на тропу войны и «бодается» и «пляшет». Не осознавая еще опасности, клетка сама предоставляет вирусу все необходимы химические компоненты, все свои внутренние резервы для его развития и размножения. Сначала происходит транскрипция провируса, в результате которой образуются новые вирусные РНК, т. е. новые геномы. Подчиняясь генетической программе ВИЧ, которая теперь стала для клетки ее собственной, клетка начинает синтезировать на вирусной РНК вирусные белки. Поскольку первоначально синтезируются большие молекулы-предшественники, другой вирусный белок – протеаза – разрезает их на строго определенные блоки. Так клетка активно производит различные компоненты вируса, истощая этим себя. Затем на поверхности клеточной мембраны из этих компонентов происходит предварительная грубая «сборка» новых вирусных частиц из синтезированных клеткой блоков. Новые вирусы готовы! Они «отпочковываются» от клетки, после чего вирусы становятся «зрелыми», способными инфицировать новые клетки, т. е. готовыми к штурму новых линий обороны. Таков жизненный цикл вируса, который неизбежно заканчивается гибелью инфицированного Т-хелпера. По времени этот цикл (от связывания вируса с клеткой и до выхода первых вирусных частиц из инфицированной клетки) составляет менее суток (обычно от 15 до 20 часов). Скорость размножения BИЧ очень высока – в организме инфицированного человека образуется порой до 10 млрд новых вирионов в день. Хотя некоторые из них погибают под действием иммунной системы, остающиеся инфицируют новые лимфоциты, и цикл репликации вируса повторяется. Общее число инфицированных лимфоцитов в организме BИЧ-позитивных пациентов составляет обычно величину от 107 до 109 клеток.

Действие вируса в Т-клетке можно рассматривать как сценарий некой написанной неизвестным писателем драмы, которая отражает в общих чертах происходящую ситуацию. B данном случае некоторое повторение не помешает читателю более осмысленно понять, что же BИЧ делает с Т-клеткой, чтобы в конечном итоге привести организм человека к СПИДу (repetitio est mater studiorum – повторение – мать учения).

Сценарий драмы под названием «ВИЧ-потрошитель»

Уже давно драматическая пьеса под этим названием идет ежедневно на миллионах «сценических площадок», но по-прежнему сохраняется в «театральном репертуаре». В этом спектакле и начало, и финал ясны заранее, но от этого интерес зрителя не исчезает.

Главный герой этой пьесы – ВИЧ-убийца. Странствуя по свету, маньяк-убийца ВИЧ попадает в новую страну-организм. Здесь он, обладая изощренными навыками взломщика и имея соответствующий набор ключей, быстро находит «дом», в который проникает без разрешения его хозяйки. Первое, что вирус делает при входе – он начинает «раздеваться». Далее по сценарию ВИЧ, нагрянув неожиданно в гости и встретив у порога растерявшуюся хозяйку, умудряется сразу так заморочить ей голову, что она, словно под гипнозом, начинает делать все, что только непрошеный гость пожелает. Пожеланий немного, но каждое из них исполняется хозяйкой быстро и беспрекословно. В реальности дело происходит так. По «рецепту» гостя, забыв о богатейшей собственной «кулинарной книге», хозяйка «испекает» несколько специальных «блюд»-ферментов – обратную транскриптазу и интегразу. Теперь гость получает возможность быстренько «переодеться» в квартире у хозяйки. Обратная транскриптаза неузнаваемо меняет его облик (это уже не ВИЧ-РНК, а ВИЧ-ДНК). Интеграза способствует тому, что хозяйка окончательно принимает преображенного гостя в свои объятья. ВИЧ становится почти своим, хорошо узнаваемым. Он даже меняет свое имя – теперь ВИЧ называется про-вирусом. После этого уже трудно сказать, кто в доме гость, а кто хозяин, и в конечном итоге происходит то, что и «задумано» гостем: он неизбежно сам становится хозяином, а хозяйка – его служанкой. Первый акт драмы закончен.

После антракта пьеса продолжается. Во втором акте возможны импровизации действующих «лиц». Провирус некоторое время может играть бессловесную роль. Вроде бы он есть, и вроде бы его нет. Он отдыхает, оценивает ситуацию. Никому не известно, когда он выйдет на сцену и начнет произносить свой монолог, после которого последует быстрый трагический финал. Здесь свою роль играют другие участники спектакля. Их называют факторы – актеры вторых ролей, но без них никак нельзя обойтись. Эти актеры участвуют в спектакле с самого начала, но были малозаметны. Однако если вдруг некоторые их них по каким-то причинам «заболеют», то спектакль вообще не начнется. Во втором акте от актеров-факторов также зависит многое, и в первую очередь время, когда заговорит главный «герой» – провирус. Полностью оценив ситуацию в доме, характер хозяйки, ее образ жизни и возраст, провирус начинает делать свое «черное дело». Он начинает производить огромное свое потомство. Бесконечные измывательства над приютившей его хозяйкой заканчиваются в конце концов ее гибелью. Прожорливое «потомство» набрасывается на соседние дома и, разоряя их, также продолжает размножаться в огромном количестве. Тут и наступает финал – в опустошенную страну вторгаются полчища врагов, которые раньше были малосильными, чтобы справиться самим, и которые в конечном итоге приводят страну-организм к гибели. Утешение для зрителя только одно: вместе погибают все: и хозяева, и их враги. Таков неизбежный финал драмы под названием «ВИЧ-потрошитель», напоминающий по трагизму финал шекспировского «Гамлета». Acta est fibula! (Пьеса сыграна!).

ВИЧ является на сегодняшний день одним из самых глубоко и детально изученных вирусов в истории человечества. Однако, несмотря на это, пока еще далеко не все аспекты ВИЧ-инфекции поняты полностью. Так, остается не до конца ясно, каким именно образом в конечном итоге вирус разрушает иммунную систему, каковы механизмы гибели Т-хелперов, почему некоторые люди с ВИЧ остаются абсолютно здоровыми в течение длительного времени? Тем не менее многое уже сегодня стало понятно. Об этот теперь и поговорим подробнее.