Вирус табачной мозаики
Когда более 30 лет назад возникло Общество вирусологии, в Германии не было ни одного специалиста по вирусам растений, который мог бы стать членом этого общества. Вироиды не считались вирусами! Поэтому исследователи вироидов в члены общества не допускались. Это еще более удивительно потому, что первым открытым вирусом растений был вирус табачной мозаики (ВТМ). В 1898 г. Мартин Бейеринк показал, что фильтрат из листьев табака, зараженных этим вирусом, содержит агент, который инфицирует здоровые листья. Он ввел понятие «вирус», чтобы отличить его от более крупных бактерий. Он всегда ссылался на своего учителя русского ученого Дмитрия Ивановского, который начал это исследование на несколько лет раньше, но всегда считал, что имеет дело с бактериями, а не с новым агентом. ВТМ внутри клеток похож на штабель бревен, уложенных параллельно друг другу. Вирусы образуют паракристаллические агрегаты и немного похожи на кристаллы. В 1930 г. Хельмут Руска при помощи электронного микроскопа впервые наблюдал длинные «кристаллиновые» структуры. Но не он, а его брат Эрнст много лет спустя получил Нобелевскую премию за усовершенствование конструкции электронного микроскопа за счет использования магнитных линз вместо стеклянных. Здание его института в Берлине-Далеме построено на толстых фундаментных плитах для нейтрализации вибрации от проходящих поездов подземки. Вирус табачной мозаики кристаллизуется почти самостоятельно и является примером эффективной самоорганизации вирусов. В 1946 г. Уэнделл Стэнли из Нью-Йорка получил Нобелевскую премию за структурный анализ.
Он также показал, что кристаллы вируса сохраняют инфицирующую способность даже после 40 лет пребывания в высушенном кристаллообразном состоянии на поверхности – это интересный пример «почти мертвого» кристаллического вещества, обладающего биологической активностью. Инфицирующая РНК находится внутри жесткой белковой структуры, где она хорошо защищена. Одной из студенток Стэнли была Розалинд Франклин. Она предположила, что РНК должна находиться внутри вируса, в канале внутри спирального стержня белка, и оказалась права: одноцепочечная РНК в спиралях окружена белком. Позднее Франклин получила «фотографию 51», рентгеновский снимок спирали ДНК, не подозревая, что он ляжет в основу двуспиральной модели ДНК.
Исследования Стэнли побудили Адольфа Бутенандта, бывшего в то время президентом Общества Макса Планка, начать исследования в новой для Германии области – вирусологии. В Общество Макса Планка входили институты, занимавшиеся проблемами, которые, казалось, не имели никакого шанса на продолжение после Второй мировой войны. Одним из них был Институт антропологии, человеческой генетики и евгеники им. кайзера Вильгельма в Берлине. У меня до сих пор есть микроскоп с выгравированным на нем названием института. Преемником этого института стал Институт молекулярной генетики Общества Макса Планка. Затем у этого института появилось новое научное направление – молекулярная генетика. Хайнц Шустер, вернувшийся в Германию из Пасадены, и Хайнц-Гюнтер Виттманн из Тюбингена были назначены директорами. Они оба исследовали вирус табачной мозаики и способствовали идентификации генетического материала – не белков, как тогда полагали, а нуклеиновых кислот, РНК, наличие которых они доказали в ходе исследований мутагенеза, используя нитрозамины. Не привели ли эти эксперименты к мутации генетического материала самих исследователей? Весьма возможно, они не пользовались одноразовыми перчатками, а может быть, у них их даже не было? Оба исследователя умерли от рака в довольно молодом возрасте. У Шустера диагностировали рак, связанный с профессиональной деятельностью.
Вирус табачной мозаики был первым открытым вирусом, так как он очень широко распространен и чрезвычайно стабилен. Он может существовать 50 лет в сухом состоянии, а затем снова активироваться и обладать инфицирующими свойствами. В Беркли Хайнц Френкель-Конрат мог «разоружить» вирус и восстановить его инфицирующую способность – невероятный эксперимент! Все настолько оптимизировано, что он может автоматически реорганизовать свои фрагменты путем самоорганизации! Это важная черта мира вирусов. ВТМ выявили в табаке (отсюда такое название), но он может инфицировать около 35 видов растений, и эти вирусы имеют обобщенное название «тобамовирусы». Эти вирусы воздействуют главным образом на культивированные растения, которым могут причинить серьезный вред. Какое-то время считали, что эти вирусы поражают только культивированные растения, но не дикорастущие. До чего же абсурдная мысль. Вирусы находятся везде.
Вирусы растений «продвинулись» чуть дальше по пути эволюции, чем вироиды. Они более не являются некодирующими и безоболочечными, а продуцируют собственную оболочку на основе собственных генов. Вот что я называю прогрессом! Мы не представляем себе происхождение генетического кода. Может быть, его создали вирусы, перепробовав все что можно, и вот однажды «это просто случилось». Оболочка защищает вирус и повышает его подвижность. В то время как некодирующие нкРНК генетически «неграмотны», тобамовирус использует триплетный код для белков. Исследования растительных ВТМ-вирусов помогли ученым разобраться в триплетах, генетическом коде и соответствующих аминокислотах. ВТМ кодирует четыре архетипических белка, минимальный набор вирусов: один – для репликации, это РНК-зависимая РНК-полимераза – «матерь» всех репликационных ферментов. Еще один белок представляет собой оболочку, третий способствует перемещению вируса из одной клетки в другую, то есть является белком движения. Четвертый белок небольшой и «поддерживает» полимеразу. Следует помнить, что все это невероятно мощные вироиды могут выполнить без информации для белков – все функции спрятаны в некодирующих нкРНК.
Концы тРНК образуют структуры типа «лист клевера» для защиты одноцепочечной РНК вируса табака ВТМ от нуклеаз. Для получения дополнительной информации вирус табачной мозаики использует трюк, известный многим вирусам. Их девиз: за счет ошибки из одного белка делаем два! Полимераза осуществляет «незаконное» удлинение небольшого белка, содержащего 136 аминокислот, до белка, содержащего 186 аминокислот. Трюк заключается в том, что вирусы «не обращают внимания» на стоп-сигнал. Игнорируется один нуклеотид, что приводит к смещению кода триплета, к так называемому сдвигу рамки считывания генетической информации. В этом случае возникает два белка с одинаковым началом, но с разными концами. Вирусы являются чемпионами мира по поиску таких минималистичных решений, а конкретно это еще и чрезвычайно полезно, и ВИЧ использует такой же принцип для удлинения структуры белка Gag, а сдвиг рамки считывания ведет к образованию белка Gag-Pol с «прочитанным» терминатором. Игнорирование стоп-кодона происходит в 1% случаев и приводит не только к изменению длины белка, но и к автоматическому сокращению количества более крупных белков в сто раз. Как элегантно!
Еще одним специфическим свойством тобамовирусов является их генетическая стабильность. Эти вирусы содержат одноцепочечные РНК и должны быть чрезвычайно вариабельными. Но это не так, и их низкая вариабельность резко контрастирует с высокой вариабельностью РНК-содержащих вирусов, в частности вирусов гриппа и ВИЧ. Возможно, это объясняется тем, что вирусы растений не являются автономными и в большей степени зависят от растения как своего хозяина. Они адаптируются к клетке вместо того, чтобы модифицировать и покинуть ее, как это делает ВИЧ. Вирусы растений относятся к персистирующим вирусам, которые сохраняются в растениях, не образуя и не высвобождая вирусные частицы. Они очень резистентны и выдерживают температуры выше 90 °С, выживают в соке растений или на сухих поверхностях, например на земле, в воде и даже в облаках! Они также переносят ультрафиолетовое излучение, которое обычно инактивирует нуклеиновые кислоты, – но все это не относится к вирусу табачной мозаики.
Даже если растение-хозяин погибает, ВТМ может существовать в долгоживущей форме много лет или десятилетий. Тобамовирусы «живут» на неживом! Затем на фоне улучшения условий они реактивируются и вновь обретают инфицирующие свойства. Высокая стабильность тобамовирусов является одним из признаков устойчивости очень старых с точки зрения эволюции вирусов во враждебном мире. Вероятно, они вместе с вироидами представляют самые древние вирусы. Продолжительная коэволюция вирусов и цветов сильно развела их с людьми, поскольку эти вирусы не могут функционировать в клетках млекопитающих и поэтому не являются возбудителями заболеваний у людей. Вирус табачной мозаики можно получать в граммовых количествах, он стал почти химическим соединением, в связи с чем подходит для исследований. Палочки ВТМ в настоящее время тестируются на предмет использования в качестве кабелей в наноэлектронике или контактов в батареях.
Тобамовирусы в сельском хозяйстве считаются патогенами, и именно в таком качестве их изучают – пока в слишком ограниченных масштабах, принимая во внимание их вклад в формирование здоровых экосистем. Насекомые, в частности кузнечики, и люди-курильщики распространяют этот вирус. Люди непреднамеренно способствуют распространению вируса, перенося его на руках и инструментах при посадке и выращивании растений. Тобамовирусы являются возбудителями мозаичной болезни листьев. Вирусы растений медлительны, и у них длинный период репликации. Вирусолог Экард Уиммер из университета в Стоуни-Брук (США) во время награждения его медалью Роберта Коха в Берлине отметил, что предпочитал изучать полиовирусы, поскольку вирусы растений для него слишком медлительны. Мой восьмидесятилетний швейцарский друг помнит, как вручную изготавливали сигары Baeumli-Stumpen (это толстые короткие сигары). Не допускалось наличие на них каких бы то ни было цветных пятен, свидетельствующих об инфицировании вирусом табачной мозаики. Поверхность сигар даже присыпали соответствующим порошком. Он ничего не знал о том, что ВТМ, вирус табачной мозаики, вызывает мозаичную болезнь – просто крапинки не очень хорошо смотрелись на сигарах!
