После более чем двухлетней пандемии COVID-19 вы можете представить вирус в виде отвратительного шарика с шипами – безмозглого убийцы, который проникает в клетку и захватывает ее механизмы, создавая миллионы копий самого себя, прежде чем вырваться наружу. Для многих вирусов, включая коронавирус, вызывающий COVID-19, эпитет “безмозглый убийца”, по сути, верен.
Но в биологии вирусов есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд.
Возьмите ВИЧ, вирус, вызывающий СПИД. ВИЧ - это ретровирус, который не убивает непосредственно при попадании в клетку. Вместо этого они встраиваются в ваши хромосомы и замирают, ожидая подходящего момента, чтобы дать команду клетке сделать свои копии и вырваться наружу, чтобы заразить другие иммунные клетки и в конечном итоге вызвать СПИД.
Вопрос о том, какого именно момента ждет ВИЧ, все еще является областью активного изучения. Но исследования других вирусов уже давно намекают на то, что эти патогены могут весьма “вдумчиво” относиться к убийству. Конечно, вирусы не могут мыслить так, как мы с вами. Но, как выясняется, эволюция наделила их некоторыми довольно сложными механизмами принятия решений. Некоторые вирусы, например, предпочтут покинуть клетку, в которой они находились, если обнаружат повреждение ДНК. Похоже, даже вирусам не нравится оставаться на тонущем корабле.
лаборатория My более двух десятилетий изучает молекулярную биологию бактериофагов, или сокращенно фагов, вирусов, которые заражают бактерии. Недавно мы с моими коллегами показали, что фаги могут прислушиваться к ключевым клеточным сигналам, которые помогают им в принятии решений. Что еще хуже, они могут использовать собственные “уши” клетки, чтобы та подслушивала за них.
Избегая повреждения ДНК
Если враг вашего врага - ваш друг, то фаги, безусловно, ваши друзья. Фаги контролируют популяции бактерий в природе, и клиницисты все чаще используют их для лечения бактериальных инфекций, которые не реагируют на антибиотики.
Наиболее изученный фаг, лямбда, действует немного подобно ВИЧ. При попадании в бактериальную клетку lambda решает, реплицироваться ли и убивать клетку сразу, как это делает большинство вирусов, или интегрироваться в хромосому клетки, как это делает ВИЧ. В последнем случае lambda безвредно реплицируется со своим хозяином каждый раз, когда бактерии делятся.
Но, как и ВИЧ, lambda не сидит сложа руки. Он использует специальный белок, называемый CI, как стетоскоп, чтобы выискивать признаки повреждения ДНК внутри бактериальной клетки. Если ДНК бактерии скомпрометирована, это плохая новость для вложенного в нее лямбда-фага. Поврежденная ДНК ведет прямиком на свалку эволюции, потому что она бесполезна для фага, которому она нужна для размножения. Таким образом, lambda включает свои гены репликации, создает собственные копии и вырывается из клетки в поисках более неповрежденных клеток для заражения.
Подключение к системе связи клетки
Некоторые фаги, вместо того чтобы собирать информацию с помощью своих собственных белков, подключаются к собственному датчику повреждения ДНК инфицированной клетки: LexA.
Такие белки, как CI и LexA, являются факторами транскрипции, которые включают и выключают гены, связываясь с определенными генетическими паттернами в книге инструкций ДНК, то есть хромосоме. Некоторые фаги, такие как Колифаг 186, выяснили, что им не нужен собственный вирусный белок CI, если в их хромосомах есть короткая последовательность ДНК, с которой бактериальный LexA может связываться. При обнаружении повреждения ДНК LexA активирует гены репликации и уничтожения фага, по сути, дважды скрещивая клетку с целью совершения самоубийства, в то же время позволяя фагу сбежать.
Ученые впервые сообщили о роли CI в принятии решений фагами в 1980-х и о контрразведывательной уловке колифага 186 в конце 1990-х. С тех пор было несколько других сообщений о том, что фаги подключаются к бактериальным системам коммуникации. Одним из примеров является фаг phi29, который использует фактор транскрипции своего хозяина, чтобы определить, когда бактерия готовится к образованию споры или своего рода бактериальной яйцеклетки, способной выживать в экстремальных условиях. Phi29 инструктирует клетку упаковывать свою ДНК в спору, убивая зарождающиеся бактерии, как только споры прорастают.
В нашем недавно опубликованном исследовании мы с моими коллегами показываем, что несколько групп фагов независимо развили способность подключаться к еще одной бактериальной системе коммуникации: белку CtrA. CtrA объединяет множество внутренних и внешних сигналов, чтобы запустить различные процессы развития бактерий. Ключевым среди них является производство бактериальных придатков, называемых жгутиками и ворсинками. Оказывается, эти фаги прикрепляются к ворсинкам и жгутикам бактерий, чтобы заразить их.
Наша основная гипотеза заключается в том, что фаги используют CtrA, чтобы приблизительно определить, когда поблизости окажется достаточно бактерий с ворсинками и жгутиками, которые они могут легко заразить. Довольно умный трюк для “бездумного убийцы”.
Это не единственные фаги, которые принимают сложные решения – и все это без преимущества даже наличия мозга. Некоторые фаги, которые заражают бактерии Bacillus, производят небольшую молекулу каждый раз, когда они заражают клетку. Фаги могут чувствовать эту молекулу и использовать ее для подсчета количества фаговых инфекций, происходящих вокруг них. Подобно инопланетным захватчикам, этот подсчет помогает решить, когда им следует включить свои гены репликации и уничтожения, убивая только тогда, когда хозяев относительно много. Таким образом, фаги гарантируют, что у них никогда не закончатся хозяева для заражения, и гарантируют свое собственное долгосрочное выживание.
Противодействие вирусной контрразведке
Возможно, вам интересно, почему вас должны волновать контрразведывательные операции, проводимые бактериальными вирусами. Хотя бактерии сильно отличаются от людей, вирусы, которые их заражают, не так уж сильно отличаются от вирусов, которые заражают людей. Позже было показано, что практически все до единого трюки, разыгрываемые фагами, используются вирусами человека. Если фаг может подключаться к коммуникационным линиям бактерий, почему бы вирусу человека не подключиться к вашим?
Пока исследователи не знают, к чему могут прислушиваться вирусы человека, если они перехватывают эти линии, но на ум приходит множество вариантов. Я полагаю, что, подобно фагам, человеческие вирусы потенциально могут быть способны подсчитывать их количество для выработки стратегии, обнаружения роста клеток и формирования тканей и даже мониторинга иммунных реакций. На данный момент эти возможности являются лишь предположениями, но научные исследования продолжаются.
То, что вирусы подслушивают личные разговоры ваших клеток, - не самая радужная картина, но нет худа без добра. Как хорошо известно разведывательным агентствам всего мира, контрразведка работает только тогда, когда она скрыта. После обнаружения систему можно очень легко использовать для передачи дезинформации вашему врагу. Аналогичным образом, я полагаю, что будущие противовирусные терапии смогут сочетать обычную артиллерию, такую как противовирусные препараты, предотвращающие репликацию вируса, с уловками информационной войны, такими как убеждение вируса в том, что клетка, в которой он находится, принадлежит другой ткани.
Но, тише, никому не говорите. Вирусы могут подслушивать!
Вирусы,они уникальны!