История иммунной системы

У истоков вирусологии стояли растения

Когда английский врач Эдвард Дженнер создал в 1796 году первую вакцину от оспы, он еще ничего не знал о существовании и свойствах вирусов. Первый вирусный возбудитель болезни был открыт лишь столетие спустя, в 1892 году, ботаником Дмитрием Ивановским из России и Мартинусом Бейеринком из Нидерландов. Поначалу считалось, что болезнь вызывает чрезвычайно маленькая бактерия, и лишь в 1898 году Бейеринк впервые употребил слово «вирус». Речь шла о возбудителе болезни табака — табачной мозаики[12]. Этот возбудитель повреждает сосуды растений, по которым, как и по нашим кровеносным сосудам, транспортируются жидкости с питательными веществами. Внешне это заболевание проявляется в виде желтых пятен и узоров на листьях. Затем, по мере развития инфекции, листья начинают сворачиваться. Похожие мозаичные вирусы заражают также тыкву, цукини, огурцы, бобовые и другие сельскохозяйственные растения. Ивановский и Бейеринк считаются первооткрывателями вирусов и основоположниками вирусологии, которая в самом начале занималась исключительно болезнями растений.

Первый человеческий патогенный вирус был открыт в 1901 году. Речь шла о возбудителе желтой лихорадки из семейства флавивирусов, которые, как и вирус гриппа, коронавирусы и растительные мозаичные вирусы, относятся к РНК-вирусам. Все они являются причиной заболеваний, носящих характер пандемий.

Табак и кукуруза: модельные растения вирусологии

Вирусы, инфицирующие растения, не могут заражать людей, но представляют собой угрозу для продуктов, которыми мы питаемся. Так, ущерб, причиняемый вирусом полосчатости кукурузы в Африке, регулярно принимает катастрофические масштабы. Возбудитель атакует зеленые части растений и уничтожает хлорофилл, необходимый для фотосинтеза. При этом на листьях появляются бледные пятна, которые впоследствии приобретают форму продольных полос. Из-за этого порой уничтожается урожай на больших площадях, так как возбудитель активно переносится насекомыми, в частности карликовыми цикадами. В условиях монокультуры вирус распространяется как лесной пожар, так как отсутствуют естественные барьеры в виде насаждений других культур. Вирус опасен еще и тем, что наряду с кукурузой он повреждает и другие сельскохозяйственные культуры, имеющие для Африки большое значение, в том числе ячмень, пшеницу и рожь. В континентальных областях южнее Сахары этот возбудитель является эндемиком. Правда, в последнее время он распространился также на восток вплоть до Мадагаскара и Маврикия.

Симптомы мозаичного вируса

Растительные вирусы и иммунная система растений часто изучаются с помощью такого модельного растения, как рис. Рис имеет огромное значение во всем мире как продукт питания человека. Известны 15 хорошо изученных в генетическом плане видов вирусов, которые заражают рисовые культуры и способны причинить большой экономический ущерб. По этой причине рис часто становится предметом изучения со стороны эпидемиологов растений[13]. Так, биологи исследовали процесс РНК-индуцируемого механизма подавления экспрессии генов (так называемого РНК-сайленсинга), в том числе и на рисе[14]. Этот механизм относится к числу важнейших защитных мер мира растений против РНК-вирусов.

После заражения клетки вирус начинает разворачивать в ней свою генетическую программу. РНК вируса высвобождается и транспортируется к рибосомам — клеточным белковым фабрикам. Там по замыслу вируса должен подвергнуться перепрограммированию процесс производства белков растения, чтобы рибосомы вместо них начали вырабатывать белки вируса. Этот процесс всегда протекает одинаково в любых зараженных вирусом организмах — бактериях, растениях, грибках, животных и людях.

Растения завоевали сушу как минимум 475 миллионов лет назад — в палеозойскую эру, а точнее, в кембрийский и ордовикский периоды. В соответствии с широко распространенной эволюционно-биологической гипотезой наземные растения образовались из водорослей, которые жили в прибрежной приливной зоне и поэтому время от времени вынуждены были находиться вне воды. Таким образом, наземные растения, по-видимому, являются потомками водорослей и поэтому унаследовали их основные иммунные функции. Позднее они выработали собственную сложную иммунную систему, которая лучше отвечала условиям существования многоклеточных форм жизни. Растения, как правило, отличаются оседлостью, то есть привязаны к одному месту произрастания, и поэтому нуждаются в эффективных стратегиях борьбы с потенциально вредными воздействиями окружающей среды.

Механизм РНК-сайленсинга уже очень давно стал частью генома растений и постоянно совершенствуется в процессе совместной эволюции растений и вирусов. Он основывается на том, что вирусы, проникнув в клетку, преобразуют свой генетический материал в матричную РНК (мРНК), поскольку только ее можно успешно внедрить в рибосому растительной клетки. Дело в том, что эта фабрика белков принципиально считывает только «рецепты», записанные в виде мРНК. Вирусы, у которых генетическая информация содержится в ДНК, также должны сначала транскрибировать ее в мРНК, чтобы можно было провести операцию по перепрограммированию производства белков в растительной клетке.

Для дублирования и транскрипции своего генетического материала вирусы используют биологическую инфраструктуру зараженной клетки, и этот процесс не проходит мимо ее внимания. Растительные организмы научились этому в ходе эволюции. Они реагируют на продукты расщепления вирусной РНК, которые неизбежны в ходе репликации и транскрипции. Этот процесс сложен и включает различные стадии, следующие друг за другом. Нам для понимания происходящего достаточно знать, что в результате этого процесса образуется продукт расщепления — малая интерферирующая РНК (миРНК).

Если вирус уже знаком данному растению, то растительная клетка распознает его присутствие через миРНК, а затем начинает вырабатывать вещества, которые способны разрушить или хотя бы блокировать вирус. Для этого используются так называемые белки-аргонавты. Их название происходит от моллюска Argonauta argo. При чем тут этот обитатель морей? Возможно, дело в том, что эти белки при определенных условиях окрашивают листья в сине-фиолетовый цвет, свойственный многим головоногим моллюскам. Любопытно, что и в греческой мифологии тоже есть аргонавты — так именовался экипаж корабля «Арго».

Нам же важно для понимания устройства иммунной системы растений знать, что аргонавты способны разрезать вирусную РНК и тем самым обезвреживать ее. Малая интерферирующая РНК берет аргонавтов за руку и целенаправленно приводит к РНК вируса, которую необходимо уничтожить. Вторым элементом этого процесса являются белки-дайсеры (от англ. dice — нарезать кубиками). Они разрезают генетический материал вируса, словно кухонный нож морковку. Интересно, что эта борьба идет между растениями и вирусами на протяжении всей истории. Вирусы ищут обходные маневры, а растения вновь приспосабливаются к их уловкам. В идеале между ними должно складываться эволюционное равновесие, которое не позволяет растениям вымереть под натиском вирусов. Обе стороны учатся сосуществовать друг с другом. Тот же самый процесс происходит и между людьми и вирусами (или бактериями).

Аргонавты и дайсеры по своим функциям являются иммунопротеинами врожденного механизма защиты растений. Они борются с генами вирусов, и им принадлежит решающая роль на очень ранней стадии иммунного ответа, когда растение еще только пытается противодействовать размножению вируса. Кроме этого, у растений есть иммунопротеины, которые распознают определенные структуры и вещества непосредственно в составе возбудителей и борются с ними, когда вирус уже успешно размножился в организме растения. Иммунная система растений строится в основном на иммунопротеинах. Ими мы сейчас и займемся, так как не раз еще столкнемся с этими белками, когда будем изучать защитные механизмы человека.