Тайны вирусов

...тысячи лет идет эта тихая невидимая война человека и вирусов...

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Вирусы и тайны наследственности

Все знают, что исследовать свойства электричества на рамке в магнитном поле значительно проще, чем на огромной гидроэлектростанции. Так и генетикам гораздо легче изучать наследственные свойства на фагах и бактериях, чем на сложных организмах. Даже такой излюбленный объект генетиков, как плодовая мушка-дрозофила, имеющая в своих клетках всего четыре пары хромосом, несет в них сотни и тысячи различных генов, в то время как вирус состоит всего из нескольких.

Кроме того, как известно, размножение фагов и бактерий-хозяев происходит очень быстро и за короткий отрезок времени удается проследить сотни новых поколений. Наконец, бактериофаг впрыскивает в бактериальную клетку очищенную нуклеиновую кислоту, а это немаловажное условие для проведения экспериментов на молекулярном уровне. Не случайно за два-три десятка последних лет на модели бактерия - фаг сделано много важных генетических открытий. Каким же образом вирусы помогают пролить свет на природу наследственных свойств организма?
Наиболее популярная модель состоит из культуры кишечной палочки (она хорошо растет на твердой питательной среде - агаре) и так называемых Т-четных бактериофагов, способных в ней размножаться. Первоначально было установлено, что при заражении бактерии фаг каким-то образом не допускал проникновения в клетку чужих "пожирателей", но охотно мирился с появлением в микроорганизме своих ближайших родственников. Оба ведут себя как члены одной банды, и в бактериальной клетке образуются частицы обоих типов, но иногда формируются фаги с общими для них свойствами - рекомбинанты. Этот процесс родственной терпимости не случаен и выработался, очевидно, в течение длительной эволюции. Родственная выручка особенно помогает дефектным фагам, которые, потеряв по какой-либо причине часть наследственной информации, увязают в клетке и не могут самостоятельно из нее выбраться. Родственный фаг привносит в бактерию необходимую информацию и в конечном итоге разрушает ее.
Если тщательно изучать гибридные фаги - рекомбинанты, то можно сделать вывод о том, какой фаговый ген пострадал, насколько и какой необходимый белок он кодирует. Это напоминает работу филолога, в распоряжении которого имеется несколько поврежденных рукописей древнего текста. В одной не хватает страниц, в другой оказались ошибки при переписывании, в третьей добавлены не относящиеся к делу записи. Но при тщательном их сопоставлении можно с большой вероятностью воссоздать первоначальный текст.
Для специалистов по молекулярной генетике положение усугубляется еще и тем, что здесь текст записан неизвестным языком. Но для его расшифровки есть свой Розеттский камень - сопоставление порядка аминокислот в белке и чередования нуклеотидных оснований - букв в молекуле нуклеиновой кислоты, которыми записан текст этого белка. В нашу задачу не входит рассказывать о том, как расшифровывается генетический код, но хотелось бы показать, как много для этого дает вирусология.
С помощью фагов можно выяснить не только их собственные наследственные свойства, но и получить представление о записях в ДНК самой бактерии. Происходит это благодаря еще одному удивительному и полезному для нас свойству бактериофагов. Речь идет о так называемой трансдукции. Дело в том, что умеренные фаги в некоторых случаях могут активизироваться и вызвать гибель клетки. При этом они вырываются из нее "с мясом", то есть прихватывают с собой кусочки хромосомы хозяина. Когда же они после этого попадают в другую, еще не зараженную клетку, то вместе со своей ДНК привносят в нее информацию от погибшей бактерии. Внешне это выглядит следующим образом. Дефектные кишечные палочки, которые не могут самостоятельно образовывать аминокислоту после обработки умеренным фагом, приобретают способность расти в среде, не содержащей эту аминокислоту. Следовательно, необходимую информацию этим палочкам доставил из нормальных бактерий не кто иной, как вирус, выполняющий в данном случае роль почтальона.
Таким же образом фаг может передать "секрет" устойчивости к пенициллину от клеток, знающих этот "секрет", чувствительным палочкам, после чего они будут спокойно размножаться в присутствии этого препарата.
Все это позволяет постепенно собрать необходимые знания о строении бактериальной хромосомы и составить ее генетические карты. Такое возможно потому, что в обработанных фагом клетках изредка происходят изменения сразу по двум свойствам. Значит, информация о них располагается где-то рядом, в одном обрывке хромосомы. Например, в ходе опытов исследовали ряд свойств А, Б, В, Г, Д... и получили, что фаг переносит их в комбинациях: ВГ, АБ, АД, БВ, ГД, - на основании чего можно предположить, что в бактериальной хромосоме они стоят в таком порядке: А, Б, В, Г, Д... а сочетание АД позволяет сделать вывод о ее кольцевом строении. Так как вирус вырывает тот или иной участок непреднамеренно, то часто встречаемые комбинации признаков можно на карте отложить ближе друг к другу, а редко встречаемые - пропорционально дальше.
Долгое время бактерии считались сугубо бесполыми существами, однако при тщательном их изучении оказалось, что среди кишечных палочек, например, существуют "мужчины" и "женщины". В мужских особях оказался так называемый фактор F+, который представляет собой кусок хромосомы, способный переходить через специальную узенькую трубочку на поверхности бактериальной клетки в женскую особь. Дальнейшее изучение этого полового фактора показало, что в нем среди прочих генов содержится ген, подавляющий развитие одного из кишечных фагов. Действительно, этот бактериофаг избирательно разрушал женские кишечные палочки, но стоило им от бактерии-мужчины получить фактор F+, как они оказывались такими же устойчивыми.
И все-таки каким образом клеткам бактерий удается хотя бы на время обуздать проникающих в них молекулярных паразитов? Результаты многочисленных опытов свидетельствуют о том, что торможение фаговой активности происходит на регуляторном уровне, так же как и латентных вирусов животных. Встраиваясь в геном бактерии, вирус попадает под ее контроль и, очевидно, репрессируется геном-регулятором. Но стоит ослабить этот бдительный надзор, как начинается считывание фаговой информации, а это в конечном итоге приводит клетку к распаду - лизису.
Было замечено, что процесс распада клеток (лизогения) можно специально спровоцировать, облучая клетку рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами. Успех этой процедуры зависит от так называемого мутагенного эффекта. Лучи, проникающие в тело бактерии, производят обстрел наследственного вещества и вызывают в нем необратимые изменения. Случайно они могут повредить ген, удерживающий фаг "в рамках приличия". Освободившись от своего надзирателя, бактериофаг начинает действовать и приводит микроорганизм к гибели.
Такие лизогенные культуры бактерий чрезвычайно полезны в биологии и медицине, где они используются в качестве своеобразных индикаторов. Допустим, получен новый лекарственный препарат, который хорошо лечит какое-либо заболевание и легко переносится организмом. Казалось бы, все в порядке, его можно запускать в массовое производство. Но нет, новое средство необходимо проверить на мутагенную активность - не вызовет ли оно изменений в наследственном веществе клеток? С этой целью различные дозы нового препарата добавляют в культуру лизогенных бактерий. Если не наступит увеличения гибели клеток от фага, то все в порядке. В противном случае необходимы дополнительные исследования. Такая осторожность и тщательное изучение лекарственного средства на мутагенную активность необходимы, чтобы не повторилась трагедия, которую вызвал на Западе снотворный препарат - талидомид. Употребление его беременными женщинами привело к появлению на свет большого числа детей с врожденными уродствами.
Модель лизогенных культур необходима и для контроля обратного процесса - защиты от мутагенных действий. Допустим, разрабатывается новый препарат от лучевой болезни. Чтобы оценить эффективность, его добавляют в среду роста лизогенных бактерий. Затем проводят облучения и сопоставляют, насколько лучше сохранились клетки в опыте, чем в контроле, куда исследуемое вещество не добавлялось. Преимущество таких экспериментов - простота, быстрота и математическая точность. Не случайно культуры лизогенных бактерий оказались одними из первых "космонавтов", ведь безопасность полетов человека в космос определяется в значительной мере защитой от космических лучей.