Эволюция вируса гриппа

Гамбарян А.С.

pic_1999_03_22.jpg

Художник Г.Гончаров

Название этой статьи не совсем корректно. Мы привыкли говорить об эволюции организма как единого целого, но такой эволюции для вируса гриппа не существует. Этим и объясняются его удивительные свойства, которые держали человечество в вечном напряжении, а ученых ставили в тупик до самых последних десятилетий. Как любая инфекция, грипп вызывает иммунную реакцию — однако мы болеем гриппом из года в год. Болезнь имеет постоянные характерные симптомы — однако вызывающий ее вирус настолько изменчив, что подчас неузнаваем при стандартных вирусологических методах тестирования.


В ларце утка, а в утке — грипп

Как же эволюционирует этот вирус? У него давно подметили два типа изменчивости: либо небольшие мутационные изменения, которые накапливаются в генах и соответственно в белках вируса от одного сезона заболеваний к другому, либо резкое изменение иммунологических признаков, более похожее на появление нового вируса. На нашей памяти такое происходило в 1957 году (азиатский грипп), в 1968 году, когда по миру прокатилась эпидемия гонконгского гриппа, затем в 1977 году пандемию вызвал «русский» вирус. (Его научное название — А/СССР/90/77.)
Совсем недавно, в 1997 году, возникла угроза серьезнейшей эпидемии, и опять из Гонконга, где зарегистрировали около 20 случаев тяжелейшего гриппа (из них семь смертельных). Но на сей раз научная общественность была наготове — вирус «опознали» после первой же смерти. Как выяснилось, именно он второй сезон косил в Гонконге кур. После того как в Гонконге уничтожили всех сельскохозяйственных птиц, заболевания прекратились.

Постепенно стало ясно: новую серьезную пандемию обычно вызывает новый вирус, к которому у людей нет иммунитета. Причем каждый раз он оказывается ближайшим родственником вирусов птиц. Необходимо помнить, что грипп — достояние не только нашего биологического вида. Вирус гриппа и его исходные хозяева, дикие и домашние утки, с давних времен хорошо приспособились друг к другу: первый размножается в кишечнике вторых без всякого для них вреда. Неприятности обычно возникают только тогда, когда вирус «перепрыгивает» в нового хозяина; вспомним, что и вирус СПИДа вполне безобиден для своего исходного хозяина — мартышки. 

Между разными видами вирус обычно передается не воздушно- капельным путем, а, например, через воду или пыль. У нового хозяина он часто вызывает тяжелые заболевания, и в самых острых случаях, переморив всю популяцию хозяина, погибает и сам вирус. (Такова судьба вирусов гриппа, вызывавших куриные моры, смертельные эпидемии у чаек, у тюленей.)


К такой бы сердцевине да другую оболочку...

В 1997 году птичий вирус, не претерпев практически никаких изменений, набросился на людей. Но бывает и по-другому: вирус, вызвавший пандемию азиатского гриппа в 1957 году, резко отличался в иммунологическом отношении от своего предшественника 1956 года — он унаследовал его «сердцевину», сменив белки оболочки.
Такое возможно благодаря особому строению вируса гриппа. На рис. 1 показана электронная микрофотография и упрощенная схема строения вирусной частицы. Липидная оболочка с двумя типами поверхностных белков (ферментом нейраминидазой и рецепторным белком гемагглютинином) окружает внутреннюю часть, содержащую носитель информации — РНК в комплексе с белками. Важно, что каждый вирусный белок кодирует отдельная цепочка РНК, и эти цепочки никак между собой не связаны. Если клетку инфицируют две разные вирусные частицы, при сборке дочерних частиц родительские РНК могут перемешаться произвольным образом. Это явление называется реассортацией.

pic_1999_03_23.jpg

1. Электронная микрофотография и схема строения частицы вируса гриппа

Вот мы и вернулись к вопросу о том, почему некорректно говорить об эволюции вируса гриппа. Благодаря реассортации у каждого из девяти белков одного вируса своя эволюционная история. На рис.2 построены два «генеалогических древа» двенадцати вирусов гриппа. (Над номером изображен хозяин каждого вируса.) Нижнее древо построено по данным об эволюции внутреннего белка, а верхнее — по данным об эволюции поверхностного белка, который в первую очередь определяет иммунологические свойства вируса, а следовательно, и иммунитет людей к этому вирусу. (Такие древа строят, сравнивая аминокислотные последовательности белков. Точка, из которой растут ветви, — гипотетический общий предок.)

pic_1999_03_24-1.jpg

2. Эволюция гриппа

Видно, до какой степени не совпадают эти древа. Так, если судить по нижнему рисунку, вирусы лошадей отделились от прочей компании раньше всех, а на верхнем рисунке они оказываются оторванными друг от друга, причем один из них в теснейшей близости с вирусами человека и утки, а другой — цыпленка и утки. Три вируса гриппа человека, ответственные за «испанку» 1918 года (10), азиатский грипп 1957 года (11) и гонконгский грипп 1968 года (12), — на нижнем древе происходят один из другого. Если же об их родственных связях судить по поверхностному белку, то все три вируса произошли от утиных вирусов независимо.
Все это результаты реассортации. Гонконгский грипп 1968 года (12) образовался путем смешения предшествующего вируса человека и весьма отдаленного в родственном отношении утиного вируса. Этот же утиный вирус «одарил» своим поверхностным белком и вирус лошадей (2). А поскольку, простите за повторение, иммунологические свойства вируса в первую очередь зависят от поверхностного белка, такой смешанный вирус воспринимается страждущим человечеством как новый и вызывает пандемию — ведь у людей нет к нему иммунитета.


Гриппа в природе много

До сих пор новый вирус гриппа человека появлялся в среднем три- четыре раза в столетие. Часть пандемий были чрезвычайно тяжелыми, некоторые (например, «испанка» 1918 года) — просто катастрофичными. Если бы не удалось подавить в зародыше «птичий» грипп 1997 года, нам грозила бы пандемия тяжелейшей болезни — этот вирус за годы существования в курах (куда он, опять же, попал от уток) приобрел способность поражать внутренние органы.

pic_1999_03_24-2.jpg

3. Вирус находит новых хозяев

Сколько еще разновидностей гриппа спрятано в утке? Известно 15 антигенных вариантов (субтипов) гемагглютинина, главного поверхностного белка птичьих вирусов гриппа. Задача гемагглютинина — присоединиться к клеточному рецептору и помочь вирусу проникнуть внутрь. Попав в клетку, вирус убивает ее — так повреждается слизистая оболочка дыхательных путей. Отсюда и все последующие несчастья, начиная с насморка.
Чтобы птичий вирус стал полноценным вирусом гриппа человека, гемагглютинин должен перенастроиться на новый клеточный рецептор, который в клетках дыхательных путей человека конечно же не такой, как в клетках кишечника уток. Для трех субтипов вирусов, ответственных за грипп людей в нашем столетии, механизм этой перенастройки детально изучен. Оказалось, что перенастройка на новый рецептор может происходить в результате одной аминокислотной замены! Причем у двух максимально различающихся между собой утиных вирусов переход к человеку вызвал одну и ту же аминокислотную замену в том участке гемагглютинина, который отвечает за связывание с клеточным рецептором. (Поверхностные белки разных субтипов утиных вирусов различаются очень сильно, но участок, ответственный за рецепцию, у них совершенно одинаковый.) Из всего этого следует, что любой из 15 субтипов птичьего вируса может перейти к человеку с тем же успехом, что и те три, которые уже перешли. Это дело времени и случая На рисунке 3 схематически показаны некоторые примеры перехода вируса гриппа от уток к другим хозяевам. Чаще всего вирус от уток попадает к чайкам и к домашней птице, иногда к свиньям, лошадям и другим животным. К человеку вирус может передаваться не прямо от уток, а с участием промежуточного хозяина. В 1997 году, как мы уже говорили, таким промежуточным хозяином стали гонконгские куры. Относительно трех главных субтипов вируса гриппа человека непонятно, был ли промежуточный хозяин, но известны случаи, когда людей заражал свиной вирус.

Короче, пока еще неясно, откуда грозит человеку новая пандемия гриппа, но исключить нельзя ни один из вариантов. Недаром Всемирная организация здравоохранения рекомендовала на всякий случай готовиться к производству вакцин против любого из субтипов гриппа.


Что у них общего?

Вакцина — это хорошо, но такая стратегия защиты имеет свои слабые стороны. Вакцины нельзя готовить заранее, так как вирус сильно изменчив. И их нельзя приготовить быстро, так как процесс производства и контроля новой вакцины — очень сложное дело. Поэтому в мире активизировались разработки новых препаратов против гриппа.
Всем хорошо известны лекарства ремантадин и амантадин, мешающие вирусу пересечь клеточную мембрану. А сейчас проходит испытания новый препарат занамивир, ингибитор вирусного фермента нейраминидазы. Но у всех этих препаратов есть общий недостаток: очень быстро появляются устойчивые к ним формы вируса. Это и неудивительно, учитывая высокую изменчивость и очень быстрое размножение вируса.
Для того чтобы избежать появления форм вирусов, устойчивых к препарату, он должен нарушать такую функцию вируса, которая не допускает изменений, например его связывание с рецепторами хозяйской клетки. Рецептор хозяина — вещь неизменная, и вирус обязан сохранять в неизменном виде способность связываться с ним.
Если точно сымитировать клеточный рецептор, то такие молекулы будут забивать рецептор-связывающий участок вируса и не дадут ему связаться с клеткой. Лекарства с таким принципом действия сейчас разрабатывает коллектив сотрудников Института полиомиелита и вирусных энцефалитов и Института биоорганической химии в Москве.
Первым делом надо было определить точное строение клеточного рецептора, с которым взаимодействует вирус гриппа. Исследовав около сотни штаммов всех субтипов, мы установили строение человеческого рецептора и его отличия от птичьих.
Затем нужно было создать молекулу, которая могла бы успешно конкурировать с клеткой за связывание с вирусом. На вирусной частице имеются сотни молекул гемагглютинина, и на каждой молекуле есть рецептор-связывающий участок. Рецепторов на клетке тоже много. Связывание вируса с клеткой поливалентное (один вирус прикрепляется к клетке в нескольких точках). Чтобы обезвредить вирус, лекарство должно действовать так же.

Идея полимерного лекарства принадлежит М.Н.Матросовичу. Эту идею сумели осуществить в лаборатории химии углеводов Института биоорганической химии (заведующий лабораторией Николай Владимирович Бовин). Александру Борисовичу Тузикову удалось навесить на длинную полиакриловую цепочку небольшие молекулы, представляющие собой активную часть клеточного рецептора. Цепочка обвивает вирус и не дает ему инфицировать клетку, и вирус через некоторое время погибает. В культуре клеток микромолярные концентрации такого препарата подавляют вирусный рост. Сейчас лекарство испытывают на животных.
У читателя, естественно, возникнет вопрос: когда же универсальный антигриппозный препарат появится в аптеках? Ответа на этот вопрос мы, к сожалению, пока не знаем.

Разные разности
Женщина изобретающая
Пишут, что за последние 200 лет только 1,5% изобретений сделали женщины. Не удивительно. До конца XIX века во многих странах женщины вообще не имели права подавать заявки на патенты, поэтому частенько оформляли их на мужей. Сегодня сит...
Мужчина читающий
Откуда в голове изобретателя, ученого вдруг возникает идея, порой безумная — какое-нибудь невероятное устройство или процесс, которым нет аналогов в природе? Именно книги формируют воображение юных читателей, подбрасывают идеи, из которых выраст...
Пишут, что...
…археологи обнаружили на стоянке мамонтов Ла-Прель в округе Конверс бусину, сделанную из кости зайца, возраст которой составляет около 12 940 лет… …астрофизики впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероидов Ирис и Массалия… ...
Слезы как оружие
Женщины прекрасно знают, что стоит пустить в ход слезы, как еще секунду назад грозный, орущий и злобный мужчина вдруг обмякает, теряется и становится похожим на кроткую овечку. Откуда такая обезоруживающая сила женских слез? В чем здесь дело?