Все знают, что вирусы очень малы и могут вызывать заболевания. Менее известно, как разнообразен мир этих мельчайших существ-иждивенцев, неспособных к самостоятельной жизни вне заражаемых ими клеток. Впервые наблюдать вирусы и выяснить их структуру удалось только после изобретения электронного микроскопа. По своим габаритам вирусы занимают место между самыми мелкими бактериальными клетками и самыми крупными органическими молекулами. Их размер варьирует от 0,02 до 0,3 мкм. Для сравнения размеры большинства клеток человека колеблются в пределах — от 3 до 30 мкм.
Хотя разнообразие вирусов весьма велико, по образному выражению академика В. М. Жданова, коллекция, собранная из всех известных типов вирусов, «поместилась бы в коробочке размером с маковое зернышко». Нет сомнения, что в природе уже существуют и могут появиться в дальнейшем еще много совершенно не известных нам сегодня вирусов. Как подметил еще Сенека, multum egerunt, quiante nos fuerunt, sed non peregerunt (жившие до нас много совершили, но ничего не завершили).
Долгие годы продолжался спор: вирусы — это живые существа или часть неживой природы? Невозможность существования и размножения вирусов вне клетки, их способность к самосборке и кристаллизации говорили скорее о том, что вирус ведет себя как «неживая» материя. После установления природы гена и обнаружения в вирусах генетического материала, присущего живым организмам, вирусы стали относить к живой природе. Энциклопедические словари стыдливо признают — современная наука пока не смогла понять природы этих странных созданий, мало знает о путях их эволюции. Ученые даже не смогли прийти к единому мнению: вирус — это существо или вещество? Безжалостные убийцы настолько чужды всему земному, что изучающие их специалисты иногда в отчаянии предполагают, что они попали к нам из дальнего Космоса. До сих пор сохраняет актуальность определение, данное А. Львовым: «вирусы — это вирусы».
Сегодня в оценках превалирует «дуализм». Согласно современным представлениям, вирусы лежат на границе «живого» и «неживого», это внеклеточные формы жизни, способные проникать в определенные живые клетки и размножаться только внутри них.
Генетический аппарат вирусов представлен различными формами нуклеиновых кислот, такого разнообразия нет ни у одной из других форм жизни. У всех живых организмов, кроме вирусов, генетический аппарат состоит из двунитевой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), а рибонуклеиновая кислота (РНК), выполняющая в нормальных клетках роль переносчика информации, всегда однонитевая. У вирусов же природа будто бы опробовала все возможные варианты устройства генетического аппарата: одно— и двунитевая РНК, одно— и двунитевая ДНК. При этом и вирусная РНК, и вирусная ДНК могут быть либо линейными, либо замкнутыми в кольцо.
Постепенно пришли к пониманию, что вирусы могут быть основной причиной многих хронических заболеваний у человека. К началу XXI в. было открыто и исследовано свыше тысячи разнообразных вирусов, вызывающих такие заболевания, как грипп, герпес, гепатит, оспа, полиомиелит, цитомегаловирусная инфекция, энцефалит, корь и др. Сколько же существует вирусов всего — не знает никто. Ведь невесть откуда постоянно появляются все новые их разновидности, порой угрожающие нам смертельной опасностью. В целом около 80 % инфекционных заболеваний, регистрируемых в настоящее время, вызывают вирусы. Первые места по массовости поражения занимают острые респираторные заболевания, грипп, вирусный гепатит, теперь к ним прибавился и СПИД.
Широко распространены вирусные заболевания и у животных. Хорошо известны эпидемии вирусов у птиц, овец, коров. В результате эпидемии вируса висны в 30—40-е гг. прошлого века исландцы были вынуждены забить более 150 тыс. животных. Вирус лейкоза птиц причинил убыток птицеводству США в 1955 г. в размере свыше 60 млн. долларов. Известна широкая пораженность крупного рогатого скота вирусом лейкоза. В некоторых странах мира им заражено свыше 80 % коров и быков.
Чтобы читатель далее более четко понимал, как устроены вирусы, каковы молекулярные механизмы их взаимодействия с клеткой, необходимо сделать небольшое напоминание о том, как хранится и используется генетическая программа в обычной нормальной клетке высших организмов. Основу генетического аппарата (генома) подавляющего большинства организмов составляет высокополимерная молекула ДНК, состоящая из двух полимерных цепей, закрученных в правильную двойную спираль. B ней закодирована вся наследственная информация о формировании организма и его дальнейшем функционировании. ДНК, как из кирпичиков, строится из четырех видов молекул, которые называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин или тимин, сокращенно А, Г, Ц и Т), соединенных с углеводом — дезоксирибозой и еще остатком фосфорной кислоты. Последовательность нуклеотидов в ДНК и является тем, что называют генетическим кодом, в котором зашифрованы структуры различных белков. Участок длинной молекулы ДНК, кодирующий определенный белок (иногда только РНК), получил название «ген». Однако одного наличия гена недостаточно для синтеза белка. Чтобы это произошло, требуется посредник, который обеспечивает перенос информации от ДНК, расположенной в ядре клеток, в цитоплазму, где и происходит синтез белка. Таким посредником служит другая специальная молекула — рибонуклеиновая кислота (РНК). В ней вместо дезоксирибозы присутствует рибоза (отсюда и название). РНК синтезируется на ДНК (процесс называется транскрипцией), а затем переходит из ядра в цитоплазму. Там на специальных «машинах» — рибосомах на этой РНК, как на матрице, и синтезируется белок (процесс синтеза белка по-научному называют трансляцией). Такая последовательность молекулярных событий получила название основной догмы молекулярной биологии.
Первоначально основная догма молекулярной биологии была сформулирована как
Однако детальное изучение устройства вирусов показало, что у некоторых из них геномом служит не ДНК, как обычно, а РНК. Такие необычные вирусы были названы ретровирусами (ретро — обратный). Как же реализуется генетическая информация, заложенная в РНКовом геноме? Благодаря изучению жизненного цикла ретровирусов в 1970 г. стало ясно, что основная догма требует существенного дополнения. Два американских вирусолога — Дэвид Балтимор и Ховард Мартин Темин — открыли в это время реальный механизм передачи информации от вирусной РНК к ДНК, т. е. прямо обратное тому, что имеет место в клетках высших организмов. Такой процесс получил название обратной транскрипции, а фермент, его осуществляющий, был назван обратной транскриптазой или ревертазой. Оба первооткрывателя обратной транскриптазы получили в 1975 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся взаимодействия между опухолевыми вирусами и генетическим материалом клетки».
После этого основная догма молекулярной биологии в окончательном виде изображается сегодня следующим образом:
