Вирусология. История развития вирусологии как науки

В. занимает значительное место в биологии и медицине, т. к. вирусы вызывают многие заболевания людей, животных, растений, поражают плесневые грибы, простейшие организмы и бактерии, а также в связи с тем, что на модели вирусов изучаются основные проблемы генетики и молекулярной биологии.

История

Основоположник В.- русский ученый Д. И. Ивановский. Изучая мозаичную болезнь табака и использовав при этом метод фильтрации, он установил в 1892 г., что фильтрат из растертой взвеси листьев, пораженных этой болезнью, не содержал видимых в микроскоп микроорганизмов, однако вызывал типичные признаки мозаичной болезни у здоровых растений. На основании этих опытов Ивановский сделал вывод, что мозаичная болезнь табака вызывается мельчайшими микроорганизмами, проходящими через керамические фильтры, задерживающие все известные в то время бактерии, что они не способны расти на искусственных питательных средах, применяемых в бактериологии, и передаются в серии последовательных пассажей (прививок). В 1902 г. Ивановский обнаружил кристаллические включения в клетках табачных растений, пораженных мозаичной болезнью, в дальнейшем другими учеными было подтверждено, что это скопление вирусных частиц.

Использование метода фильтрации позволило в дальнейшем установить прохождение через керамические фильтры возбудителей других известных заболеваний человека и животных: ящура [Ф. Леффлер и Фрош (P. Frosch), 1898], желтой лихорадки [Рид (W. Reed, 1901) с сотр.]. В 1911 г. Ф. Раус доказал вирусную этиологию саркомы кур, т. е. впервые экспериментально установил, что вирусы могут вызывать неопластические процессы.

Для изучения вирусов, поражающих животных и растения, использовались в качестве модели соответствующие виды животных и растений. Для изучения и выделения вирусов, вызывающих заболевания человека, применялись восприимчивые к этому вирусу лабораторные животные (мыши, крысы, морские свинки, кролики, хорьки и т. д.). Широко использовались приемы введения различного инфекционного материала в роговицу глаза, кожу, мозг, дыхательные пути, а также принцип повторных пассажей на различных видах животных. Так, используя экспериментальных животных, выделили и изучили вирусы бешенства, оспы, герпеса, ящура, гриппа, энцефалитов, полиомиелита, хориоменингита и др. Однако к концу 30-х годов возможности этого метода были исчерпаны, т. к. не удавалось выделить многие вирусы, к к-рым экспериментальные животные были невосприимчивы, или нельзя было получить большого количества вирусов, очищенных от тканевых элементов, и в высоких концентрациях.

В 1931 г. был предложен метод культивирования вирусов на 8-13-дневном курином эмбрионе Вудраффом (М. F. Woodruff) и Э. Гудпасчером. В 40-х годах метод получил широкое распространение в вирусологии, т. к. имел ряд преимуществ: простота применения, большая чувствительность, возможность накопления большого количества вируса, относительная герметичность, предохраняющая от контаминации, относительная простота очистки от примесей, возможность быстрого определения наличия вируса в жидкостях эмбриона по данным реакции гемагглютинации.

Методом культивирования в курином эмбрионе (в клетках амниотической оболочки, в отдельных органах зародыша и клетках желточного мешка) были изучены вирусы гриппа человека и животных, чумы птиц, коровьей оспы, герпеса человека, энцефаломиелита лошадей и др. Эндерс, Роббинс, Уэллер (J. F. Enders, F. С. Robbins, Т. H. Weller, 1948-1952) применили для выделения и изучения вирусов метод культур клеток и тканей. Этот метод стал широко использоваться в различных вирусологических исследованиях и за несколько лет обогатил науку не только открытием сотен неизвестных ранее вирусов, но расширил возможности производства более качественных вирусных вакцин и диагностических препаратов; метод тканевых культур открыл новые возможности изучения различных аспектов и этапов процесса взаимодействия вируса и клетки (см. Культивирование вирусов , Культуры клеток и тканей).

Дальнейший прогресс В., и в частности изучение структуры, физиологии, биохимии и генетики вирусов, зависел от получения их в концентрированном и очищенном виде и был связан с внедрением новых физ.-хим. методов исследования: дифференциального и градиентного центрифугирования, молекулярно-адсорбционной и ионообменной хроматографии, электрофореза на бумаге и в полиакриламидном геле, радиоактивных изотопов и ряда других.

Быстрый прогресс В. был обусловлен применением электронных микроскопов с высокой разрешающей способностью (до 1,0-0,5 нм, в сочетании с методами оттенения и двойного оттенения, ультратонких срезов, позитивного и негативного контрастирования, а также авторадиографии, цитохим. и иммунохим. методов исследования. Использование комплекса перечисленных методов позволило изучить структурную организацию вирионов различных вирусов, предложить новую классификацию вирусов, основанную на их строении и биохим, составе, изучить закономерности репродукции вирусов и определить детали их онтогенеза, охарактеризовать основные параметры субвирусных компонентов (нуклеиновых кислот, белков и др.), начать углубленные исследования по генетике вирусов и приступить к разработке рациональных подходов к химиотерапии вирусных инфекций.

Развитие В. способствовало изучению и решению общебиол. проблем: доказательству генетической функции нуклеиновых кислот, расшифровке генетического кода, пониманию важнейших механизмов регуляции синтеза клеточных макромолекул, установлению передачи информации от клетки к клетке и др.

Практическое здравоохранение получило ряд надежных вакцин для специфической профилактики не только оспы, что было известно еще задолго до рождения В. как науки, но и желтой лихорадки, полиомиелита, кори; появились новые средства для неспецифического воздействия на вирусные инфекции, напр, интерферон (см.).

Основные направления современной вирусологии

Основные направления современной общей и мед. вирусологии: дальнейшее изучение тонкой структуры вирусов, их биохимии и генетики, репликации вирусных нуклеиновых кислот, взаимодействия вируса с клеткой, углубленное изучение противовирусного иммунитета, совершенствование методов выделения вирусов и диагностики вирусных заболеваний, разработка основ химиотерапии и химиопрофилактики вирусных инфекций; изучение экологии вирусов, разработка более совершенных методов профилактики, поиски и испытание препаратов для лечения вирусных заболеваний.

Особое внимание будет сосредоточено на изучении вирусов, вызывающих неопластические процессы, а также латентных вирусных инфекций и скрытого вирусного носительства, поисках возбудителей инфекционного и сывороточного гепатита, разработке профилактики гриппа.

В 30-х годах в СССР были созданы первые вирусологические лаборатории: по изучению вирусов растений- при Украинском ин-те защиты растений (1930), по изучению вирусов животных - в Ин-те экспериментальной ветеринарии в Москве в 1930 г. (Н. Ф. Гамалея), Центральная вирусологическая лаборатория НКЗ РСФСР в Москве (Л. А. Зильбер) и отдел вирусологии в Ин-те эпидемиологии и микробиологии им. Л. Пастера в Ленинграде (А. А. Смородинцев) в 1935 г. В послевоенные годы в СССР созданы и функционируют профильные научно-исследовательские, научно-производственные и практические учреждения. По данным на 1-е января 1973 г., в СССР исследования по общей и мед. В. проводились в 60 научных, научно-производственных учреждениях и учебных заведениях. Наиболее значительные: Ин-т вирусологии им. Д. И. Ивановского АМН СССР, Ин-т полиомиелита и вирусных энцефалитов АМН СССР, Ин-т эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи АМН СССР, Ин-т экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР, Ин-т молекулярной биологии АН СССР, Ин-т микробиологии АН СССР, Всесоюзный ин-т гриппа М3 СССР, Московский научно-исследовательский ин-т вирусных препаратов М3 СССР, Свердловский научно-исследовательский ин-т вирусных инфекций М3 РСФСР, Ин-т вирусологии и микробиологии АН Украинской ССР, Одесский научно-исследовательский ин-т вирусологии и эпидемиологии им. И. И. Мечникова М3 Украинской ССР, Ин-т инфекционных болезней М3 Украинской ССР, Ин-т микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латвийской ССР; во всех научно-исследовательских ин-тах микробиологии и эпидемиологии союзных республик созданы вирусологические лаборатории и отделы.

Наиболее крупные зарубежные учреждения, проводящие научные исследования по общей и мед. В.: National Institute for Medical Research (Лондон), National Communicable Disease Centre (Атланта, США), National Institute of Health (Токио), National Institute of Health (Бетесда, США), Institute of Epidemiology and Microbiology (Прага), Institute of Virology (Братислава), Institute Pasteur (Париж), Institute Inframicrobiology (Бухарест), Institute of Virology (Глазго, Англия), State Institute of Hygiene (Будапешт), Virus Research Centre (Пуна, Индия), Queensland Institute of Medical Research (Брисбейн, Австралия).

Результаты научных исследований по общей и мед. В. публикуются в следующих научных журналах: Доклады АН СССР (Москва), Бюллетень экспериментальной биологии и медицины (Москва), Вопросы вирусологии (Москва), Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунологии (Москва), Вестник АМН СССР (Москва), Archiv fur die gesamte Virusforschung (Вена), Acta Virologica (Прага), Virology (Нью-Йорк), Ann. Institute Pasteur (Париж), Revue Romanine de Virologie (Бухарест), Inter. Journal of Cancer (Хельсинки), Journal of Virology (Вашингтон), Advances Virus Research (Питтсбург, США), Journal of the National Cancer Institute (Бетесда, США), Intervirology (Берн).

В 1950 г. Советом Министров СССР была учреждена премия им. Д. И. Ивановского, присуждаемая АМН СССР раз в три года за лучшие работы в области В. За последние годы этой премии были удостоены следующие ученые: в 1969 г.- В. М. Жданов и С. Я. Гайдамович за руководство «Вирусология»; в 1973 г.- В. Д. Соловьев и Т. А. Бектемиров за монографию «Интерферон в теории и практике медицины».

Первые монографии по вирусологии: Rivers Т., Filterable Viruses, Baltimore, 1928; Hauduroy P., Les Ultra Virus, Paris, 1929; Гамалея H. Ф. Фильтрующиеся вирусы, М., 1930.

Результаты научных исследований по В. обсуждаются на конференциях, сессиях, проводимых профильными ин-тами, а такя^е на международных конгрессах.

В СССР первая научная конференция по вирусным болезням растений состоялась в марте 1935 г. в Харькове, первая научная конференция по ультрамикробам, фильтрующимся вирусам и бактериофагам - в декабре 1935 г. в Москве. В 1966 г. на 9-м Международном конгрессе по микробиологии впервые был избран Международный комитет по номенклатуре вирусов.

1-й Международный конгресс по В. состоялся в 1968 г. в Хельсинки, 2-й - в 1971 г. в Будапеште (был принят устав секции вирусологов, учрежденной в рамках Международной ассоциации микробиологов), 3-й в 1975 г. в Мадриде.

Развитие В. привело к открытию новых вирусов, количество которых быстро возрастало, в связи с чем создавались коллекции вирусов - музеи, где хранились вирусы, выделенные как в данной стране, так и полученные из других стран. Наиболее крупные коллекции вирусов: в СССР (Москва, Ин-т вирусологии АМН СССР) - Государственная коллекция вирусов, основана в 1956 г. как филиал Всесоюзного музея живых культур и условнопатогенных микроорганизмов; в США (Вашингтон) - коллекция вирусов и риккетсий, основана в 1959 г. на базе коллекции типовых культур (American type culture collection, Washington 7, Rockville, Maryland, USA); в ЧССР (Прага, Ин-т эпидемиологии и микробиологии) - Чехословацкая национальная коллекция типовых культур, основана в 1969 г. (Czechoslovak National collection of type cultures of the Institute Epidemiology and Microbiology, Prague); в Японии (Токио) - Японская коллекция культур микроорганизмов, основана в 1962 г. (The Japanes Federation of Culture collection of Microorganisms, Tokyo, Japan); в Англии (Лондон) - каталог национальной коллекции типовых культур, основан в 1936 г. (Medical Research Council, Catalog of the National collection of Type cultures, London, England); в Швейцарии (Лозанна, Международный центр живых культур) имеется международный каталог вирусов.

Преподавание В. в мед. вузах СССР проводится кафедрами микробиологии на II и III курсах, а по вирусным инфекциям лекции и клинические занятия проводят кафедры инфекционных болезней на V курсе.

На биол, ф-тах Московского и Киевского ун-тов созданы в течение последних 10 лет кафедры В., где готовят специалистов-вирусологов и ведется преподавание В. в течение одного семестра студентам других ф-тов.

Прогресс мед. В. в СССР сопровождался ростом числа специалистов высокой квалификации: с 1946 по 1960 г. подготовлено 16 докт, наук, с 1961 по 1972 г.- 140, кандидатов наук соответственно 217 и 836 (из них 54% путем обучения в аспирантуре). Важное значение в подготовке кадров вирусологов (специализация и усовершенствование) сыграла созданная в 1955 г. кафедра В. при ЦИУ, к-рая подготовила с октября 1955 г. по 1964 г.- 688 специалистов, а с 1965 г. по январь 1974 г.- 933, гл. обр. для обеспечения вирусологической работы в сан.-эпид, станциях.

Библиография: Авакян А. А. и Быковский А. Ф. Атлас анатомии и онтогенеза вирусов человека и животных, М., 1970, библиогр.; Бешенство, под ред. В. Д. Соловьева, М., 1954, библиогр.; Гаврилов В. И., Семенов Б. Ф. и Жданов В. М. Хронические вирусные инфекции и их моделирование, М., 1974, библиогр.; Гамалея Н. Ф. Фильтрующиеся вирусы, М.-Л., 1930; Гендон Ю. 3. Генетика вирусов человека и животных, М., 1967, библиогр.; Жданов В. М. и Гайда мо-вич С. Я. Вирусология, М., 1966; Жданов В.М.,Соловьев В. Д. и Эпштейн Ф. Г. Учение о гриппе, М., 1958; Зильбер Л. А. Учение о вирусах (общая вирусология), М., 1956; Иванове-к и й Д. И. О двух болезнях табака, Сельское хоз. и лесоводство, т. 169, № 2, с. 104, 1892; Косяков П. Н. и P о в н о в а 3. И. Противовирусный иммунитет, М., 1972; Морозов М. А. и Соловьев В. Д. Оспа, М., 1948; Першин Г. Н. и Б огдановаН. С. Химиотерапия вирусных инфекций, М., 1973, библиогр.; С о-ловьев В. Д. Весенне-летний клещевой энцефалит, М., 1944, библиогр.; С о-ловьев В. Д. и Баландин PI. Г. Биохимические основы взаимодействия вируса и клетки, М., 1969, библиогр.; они же, Клетка и вирус, М., 1973, библиогр.; Соловьев В. Д. и Б ек-темиров Т. А. Интерферон в теории и практике медицины, М., 1970, библиогр.; Тихоненко Т. И. Биохимия вирусов, М., 1965, библиогр.; Ш у б л а д- з e А. К. и Г а й д а м о в и ч С. Я. Краткий курс практической вирусологии, 2-е изд., М., 1954; Шубладзе А. К., Бычкова E. Н. и Баринский И. Ф. Вирусемия при острых и хронических инфекциях, М., 1974; Comprehen sive virology, ed. by H. Fraenkel-Conrat a. R. R. Wagner, v. 1 - 4, N. Y., 1974, bibliogr.; Starke G. u. HlinakP. Grundriss der allgemeinen Virologie, Jena, 1974, Bibliogr.

В. Д. Соловьев, А. М. Жуковский.

В данном обзоре мы обратим Ваше внимание на то, что является предметом вирусологии, вкратце обозначив основные аспекты.

Прежде всего, необходимо обозначить, что предметом вирусологии являются вирусы - это микроскопические организмы. Например, размер вируса полиомиелита равен 20 нанометрам (одной тысячной миллиметра).

Природа вирусов

Строение вирусов настолько примитивно, что их принадлежность к живым организмам вызывает сомнение. Практически все вирусы состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), покрытой белковой оболочкой. Эти кислоты являются носителями генетической информации, передаваемой из поколения в поколение. Именно ДНК поддерживает процесс воспроизводства и содержится в ядрах всех живых клеток. Она посылает сигналы «химическим фабрикам», находящимся внутри клеток, инициируя выработку ими различных видов белков. Сигналы передаются через РНК.

Таким образом, чертой, доказывающей принадлежность вирусов к живым организмам, является их способность передавать свои свойства из поколения в поколение посредством генетического материала. Два вида нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, являются основой жизни, и, даже будучи заключенными лишь в тонкую оболочку, они представляют собой живой организм.

Строение вирусов

Размеры вирусов чрезвычайно малы: ширина мельчайших из них составляет 20-30 нанометров, а самых крупных - в 10 раз больше. Большинство вирусов по своей форме приближается к сфере. Исключение составляют вирусы бешенства и родственные им, имеющие палочковидную форму, а также вирусы оспы и родственные им, напоминающие кирпич.

Вирусы классифицируются в основном по типу образующей их нуклеиновой кислоты. Нуклеиновые кислоты, формирующие ядро вируса, называют геномом, а белковую капсулу - капсидом. Капсид состоит из множества одинаковых белковых молекул - капсомеров. Расположение капсомеров вокруг генома определяет форму отдельно взятой вирусной частицы.

Различные группы вирусов имеют разную форму, самая распространенная из которых - икосаэдр, который состоит из 20 плоских граней одинакового размера, образующих сферу. Капсид других вирусов имеет форму полого цилиндра. Эти различия в структуре можно определить исключительно при исследовании вирусов под мощным электронным микроскопом (с помощью электронной микрофотографии). Некоторые вирусы имеют иную форму капсида, которую иногда сравнивают с конвертом.

История развития вирусологии

Вирусология зародилась в недрах микробиологии.

Конец XIX века принес научному миру открытия вирусов. Это эпохальное открытие связано с именем русского ученого Д.Й.Ивановского.

Первый вирус, который обнаружили и научно доказали его инфекционность нашли не у животных или людей, а у растений.

Это был вирус так называемой "Табачной мозаики" потому что вызвал так называемую мозаичную болезнь табака - листья покрывались бурыми пятнами.

Д.Й.Ивановський дал такую характеристику вирусов, которая до сих пор не утратила своего значения:

1. Вирусы не задерживаются бактериальными фильтрами.

2. Вирусы и не видимые в обычном световом микроскопе.

3. Вирусы не растут на обычных искусственных средах.

К концу 40-х годов было открыто около 40 вирусов, которые вызывали болезни у людей, а к 1980 у животных и людей описано более 500 вирусов. Это не значит, что были открыты новые вирусы. Просто была выяснена вирусная причина многих болезней.

Кроме классических вирусов существуют вирусоподобные структуры:

Есть вироиды (тоже представлены только аминокислотами) - возбудители инфекционных болезней растений.

Совсем необычны прионы , состоящие только из белка - возбудители трансмиссивной губчатой энцефалопатии человека и животных.

Вирусам присущи основные свойства других форм жизни:

• способность размножаться,
• наследование генетических признаков,
• изменчивость,
• способность приспосабливаться к окружающей среде, то есть занимать соответствующую нишу в биосфере.

Достижения современной вирусологии

Первая в Советском Союзе кафедра Вирусологии была открыта в Москве - в МВА- зав.кафедрой - академик, доктор ветеринарных и биологических наук - Сюрин В.М.

Вторая - в Советском Союзе - но первая в Украине кафедра Вирусологии создана в Сумах в университете - зав. кафедрой профессор, доктор ветнаук, лауреат Государственной премии Украины - Паникар И.И.

Связь вирусологии с другими биологическими науками

Вирусология имеет связь с такой наукой как микробиология. Так, в бактериологии и вирусологии есть ряд методов исследований общих для обеих наук, например, микроскопия, фильтрация, стерилизация .

Эти науки изучают одинаковый объект - бактерии и вирусы относятся к группе патогенных микроорганизмов.

Изучение изменений, которые вызывают вирусы в организме связывает вирусологию с патологией человека, животных и растений. Для врачей ветеринарной медицины - такие науки как патологическая анатомия, эпизоотология и инфекционные болезни.

При изучении свойств и функции вирусов используются методы химии, физической химии, молекулярной химии.

Вирусология (от лат. vīrus - «яд» и греч. logos — слово, учение) - наука о вирусах , раздел биологии.

Вирусология выделилась в самостоятельную дисциплину в середине XX века. Она возникла как ветвь патологии - патологии человека и животных с одной стороны, и фитопатологии - с другой. Первоначально вирусология человека, животных и бактерий развивалась в рамках микробиологии. Последующие успехи вирусологии в значительной мере основаны на достижениях смежных естественных наук - биохимии и генетики . Объектом исследования вирусологии являются субклеточные структуры - вирусы. По своему строению и организации они относятся к макромолекулам, поэтому с того времени, когда оформилась новая дисциплина, молекулярная биология , объединившая различные подходы к изучению структуры, функций и организации макромолекул, определяющих биологическую специфичность, вирусология стала также составной частью молекулярной биологии. Молекулярная биология широко применяет вирусы как инструмент исследования, а вирусология для решения своих задач используют методы молекулярной биологии.

История вирусологии

Вирусные болезни, такие как оспа, полиомиелит, желтая лихорадка, пестролистность тюльпанов известны с давних времен, однако о причинах, их вызывающих долгое время никто ничего не знал. В конце XIX столетия, когда удалось установить микробную природу ряда инфекционных заболеваний, патологи пришли к заключению, что многие из распространенных болезней человека, животных и растений нельзя объяснить заражением бактериями.

Открытие вирусов связано с именами Д.И.Ивановского и М.Бейеринка . В 1892 г. Д.И.Ивановский показал, что заболевание табака - табачная мозаика - может быть перенесено от больных растений к здоровым, если их заразить соком больных растений, предварительно пропущенным через специальный фильтр, задерживающий бактерии. В 1898 году М.Бейеринк подтвердил данные Д.И.Ивановского и сформулировал мысль о том, что заболевание вызывается не бактерией, а принципиально новым, отличным от бактерий, инфекционным агентом. Он назвал его contagium vivum fluidum - живое жидкое заразное начало. В то время для обозначения инфекционного начала любой болезни употребляли термин «virus» - от латинского слова «яд», «ядовитое начало». Сontagium vivum fluidum стали называть фильтрующимся вирусом, а позже - просто «вирусом». В том же, 1898 году Ф.Лефлер и П.Фрошш показали, что через бактериальные фильтры проходит возбудитель ящура крупного рогатого скота. Вскоре после этого было установлено, что и другие болезни животных, растений, бактерий и грибов вызываются подобными агентами. В 1911 году П.Раус открыл вирус, вызывающий опухоли у кур. В 1915 году Ф.Туорт, а в 1917 году Ф.Д’Эрель независимо друг от друга открыли бактериофаги - вирусы, разрушающие бактерии.

Природа этих возбудителей болезней, оставалась непонятной более 30 лет - до начала 30-х годов. Это объяснялось тем, что к вирусам нельзя было применить традиционные микробиологические методы исследования: вирусы, как правило, не видны в световой микроскоп и не растут на искусственных питательных средах.

Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

ВИРУСОЛОГИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебно-методическое пособие для студентов биологического факультета

Вирусология. Методические материалы:Учеб.-метод. пособие для студ. биол. фак. / Авторы-сост. Е. В. Глинская, Е. С. Тучина, С. В. Петров.

– Саратов, 2013. 84 с.: ил.

ISBN 978-5-292-03935-8

Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с «Программой по вирусологии для студентов биологических факультетов университетов».

Оно содержит теоретический материал, касающийся истории развития вирусологии, природы и происхождения вирусов, химического состава, морфологии и репродукции вирусов, разнообразия вирусов, патогенеза и лабораторной диагностики вирусных инфекций, особенностей противовирусного иммунитета. В конце пособия приведены план проведения лабораторных работ, словарь основных терминов и тестовые задания для самоконтроля.

Для студентов биологического факультета, обучающихся по направлению подготовки 020400 «Биология».

Кафедра микробиологии и физиологии растений биологического факультета

(Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского)

Доктор биологических наук Л. В. Карпунина (Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова)

ВВЕДЕНИЕ

Вирусология занимается исследованием природы и происхождения вирусов, их химического состава, морфологии, механизмов размножения, биохимических и молекулярно-генетических аспектов их взаимоотношений с клеточными организмами, проблемами противовирусного иммунитета и разработкой мер и средств предупреждения, диагностики и лечения вирусных заболеваний.

Актуальность вирусологии на настоящий момент не вызывает сомнений. Вирусы являются одними из главных возбудителей многих инфекционных и онкологических заболеваний человека, животных и растений. Вирусы представляют собой идеальный объект для молекулярных биологов и генетиков.

Пособие предназначено для подготовки студентов к семинарским и практическим занятиям по курсу «Вирусология». В пособии рассмотрены теоретические вопросы общей вирусологии, представлен детальный план проведения практических работ, приведен перечень необходимой литературы, а также тестовые задания для самоконтроля.

Хочется надеяться, что учебное пособие «Вирусология. Методические материалы» окажется полезным как студентам и преподавателям вузов, так и специалистам-вирусологам.

Раздел 1. Вирусология как наука. История развития вирусологии. Природа и происхождение вирусов.

ВИРУСОЛОГИЯ КАК НАУКА

Вирусология – наука, изучающая природу и происхождение вирусов, особенности их химического состава, генетики, строения, морфологии, механизмов размножения и взаимодействия с клеточными организмами.

Вирусология занимает важное место среди биологических наук. Велико ее теоретическое и практическое значение для медицины, ветеринарии и сельского хозяйства. Вирусные болезни широко распространены у человека, животных и растений; кроме того, вирусы служат моделями, на которых изучаются основные проблемы генетики и молекулярной биологии. Изучение вирусов привело к пониманию тонкой структуры генов, расшифровки генетического кода, выявлению механизмов мутации.

Современная вирусология включает следующие разделы:

- общая вирусология, изучающая основные принципы строения и размножения вирусов, их взаимодействие с клеткой-хозяином, происхождение и распространение вирусов в природе.

- частная (медицинская, ветеринарная и сельскохозяйственная) вирусология изучает особенности различных систематических групп вирусов человека, животных и растений и разрабатывает методы диагностики, профилактики и лечения вызываемых этими вирусами болезней.

- молекулярная вирусология исследует молекулярно-генетическую структуру вирусов, строение и функции вирусных нуклеиновых кислот, механизмы экспрессии вирусных генов, процессы взаимодействия с клеткой, природу устойчивости организмов к вирусным заболеваниям, молекулярную эволюцию вирусов.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВИРУСОЛОГИИ

Первые упоминания о вирусных болезнях людей и животных встречаются в дошедших до нас письменных источниках древних народов. В них, в частности, содержатся сведения об эпизоотиях бешенства у волков, шакалов и собак и полиомиелите в Древнем Египте (II–III тыс. лет до н. э.). О натуральной оспе было известно в Китае за тысячу лет до нашей эры. Давнюю историю имеет также желтая лихорадка, на протяжении столетий косившая первопроходцев в тропической Африке и моряков. Первые описания вирусных болезней растений относятся к живописной пестролепестности тюльпанов, которые уже около 500 лет выращивают голландские цветоводы.

Началом становления вирусологии как науки можно считать конец XIX века. Работая над созданием вакцины против бешенства, Л. Пастер в 80-х гг. XIX века впервые применил термин «вирус» (от лат. «virus» – яд) для обозначения инфекционного агента. Пастер был первым, кто начал использовать лабораторных животных в работах по изучению вирусов. Он инокулировал материал, полученный от больных бешенством, в мозг кролика. Однако Пастер не делал различия между вирусами как таковыми и другими инфекционными агентами.

Первым, кто выделил вирусы как самостоятельную группу инфекционных агентов, был русский учёный Д. И. Ивановский. В 1892 г. в результате собственных исследований он пришёл к выводу, что мозаичную болезнь табака вызывают бактерии, проходящие через фильтр Шамберлана, которые, кроме того, не способны расти на искусственных субстратах. Представленные данные о возбудителе табачной мозаики длительное время являлись критериями для отнесения возбудителей болезней к «вирусам»: фильтруемость через «бактериальные» фильтры, неспособность расти на искусственных средах, воспроизведение картины заболевания фильтратом, освобожденным от бактерий и грибов.

В 1898 г. М. Бейеринк подтвердил и расширил исследования Д. И. Ивановского о вирусе табачной мозаики и сформулировал первую полноценную теорию о вирусах как о новом классе микроорганизмов и возбудителей болезней. Несмотря на то что многие зарубежные ученые приписывали ему открытие вирусов, М. Бейеринк признал приоритет Д. И. Ивановского.

В последующие годы микробиологи и врачи установили вирусную этиологию многих антропонозных и зоонозных болезней. Так, уже в 1898 г. Ф. Леффлер и П. Фрош установили фильтруемость возбудителя ящура коров. Они первыми показали, что вирусы могут поражать не только растения, но и животных.

Серия открытий новых вирусов пришлась на первое десятилетие XX века. Началась она с исследований У. Рида, установившего в 1901 г. вирусную природу тропической желтой лихорадки. У. Рид руководил исследованиями, в ходе которых было установлено, что вирус жёлтой лихорадки присутствует в крови больного в течение первых трёх дней заболевания и что он может передаваться при укусе комара; таким образом, впервые было показано, что вирусы могут передаваться насекомыми. Семь лет спустя, было доказано, что вирусными болезнями являются также полиомиелит (К. Ландштейнер и Э. Поппер), лихорадка денге (П. Ашбери и Ч. Крейч) и лейкоз кур (В. Эллерман и О. Банг). В 1911 г. Ф. Раус привел неопровержимые доказательства наличия в вытяжке тканей саркомы кур онкогенного вируса, способного вызывать опухоль у здоровых птиц. Благодаря исследованиям X. Арагана и Э. Пашена (1911–1917 гг.) была при-

знана вирусная природа ветряной оспы. Одновременно с ними Т. Андерсон

и Дж. Гольдберг установили вирусную этиологию кори.

В 1915 г. Ф. Туортом были открыты вирусы бактерий. В 1917 г. независимо от него вирусы бактерий были открыты Ф. Д’Эрелем, который ввёл термин «бактериофаг».

Вторая волна открытий вирусов антропонозных болезней приходится на 30-е гг. прошлого века. В 1933 г. У. Смит, К. Эндрюс и П. Лейдлоу установили, что грипп вызывают не бактерии, а вирусы. К началу Второй мировой войны к вирусным болезням были причислены эпидемический паротит (К. Джонсон, Э. Гудпасчур, 1934 г.), японский летне-осенний комариный энцефалит (М. Хаяши, А.С. Смородинцев, 1934–1938 гг.), даль-

в 1937 г. Г. Финдли и Ф. Мак -Каллум, а подтвердили это в экспериментах на обезьянах и людях-добровольцах в 1943–1944 гг. Д. Камерон, Ф. МакКаллум и В. Хавенс.

Первый шаг в направлении описания молекулярной структуры вирусов был сделан в 1935 г., когда В. Стенли получил кристаллы вируса т а- бачной мозаики. Детально изучить тонкую структуру вирусов стало возможным в 50–60 гг. XX века после усовершенствования электронного микроскопа.

В 1938 г. М. Тэйлор получил ослабленную живую вакцину против жёлтой лихорадки. Разработанная вакцина оказалась такой надёжной и эффективной, что используется до сегодняшнего дня. Она спасла миллионы жизней и послужила моделью для разработки многих последующих вакцин. Кроме того, Тейлор усовершенствовал и ввёл в систему использование в качестве восприимчивых животных мышей. В начале 30-х гг. кроме мышей стали использовать также куриные эмбрионы, т.е. появился ещё один источник тканей, чувствительных к заражению вирусами и способных поддерживать их размножение.

По мере совершенствования экспериментальных систем развивались количественные методы исследований. Первый точный и быстрый метод подсчёта пораженных вирусом клеток был разработан в 1941 г., когда Г. Хирст продемонстрировал, что вирус гриппа вызывает агглютинацию эритроцитов.

Развитию вирусологии способствовала разработка метода культур клеток. В 1949 г. в ключевом эксперименте Дж. Ф. Эндерса, Т. Х. Уеллера и Ф. С. Роббинса было показано, что культуры клеток способны поддерживать рост вируса полиомиелита. Это открытие возвестило о приходе эры современной вирусологии и послужило толчком к ряду исследований, которые в конечном итоге привели к выделению многих вирусов, вызывающих серьёзные заболевания у человека. В 50-е и 60-е гг. ХХ века были вы-

делены некоторые энтеровирусы и респираторные вирусы, установлены причины большого числа болезней, вирусное происхождение которых до того момента лишь предполагали. Так, например, в 1953 г. М. Блумберг открыл вирус гепатита B и создал против него первую вакцину. В 1952 г. Р. Дюльбекко применил к вирусам животных метод бляшек.

Открытие бактериофагов было оценено лишь в конце 30-х гг., когда вирусы бактерий начали использовать в качестве удобной модели для изучения взаимодействия вирус-клетка в генетических и биохимических исследованиях. В 1939 г. Э. Эллис и М. Дельбрюк выдвинули концепцию «одноэтапного цикла роста вируса». Эта работа заложила основы для понимания характера репродукции вирусов, заключающейся в сборке отдельных компонентов.

Важные для молекулярной биологии открытия были сделаны при использовании в качестве объектов исследований вирусов животных. В 1970 г. Х. М. Темин и Д. Балтимор независимо друг от друга открыли у ретровирусов обратную транскриптазу, способную осуществлять синтез ДНК на матрице РНК. В 1976 г. Д. Бишоп и Х. Вармус обнаружили, что онкоген вируса саркомы Рауса присутствует также в геномах нормальных клеток животных и человека. В 1977 г. Р. Робертс и Ф. Шарп независимо друг от друга показали прерывистую структуру генов аденовирусов. В 1972 г. П. Берг создал первые рекомбинантные молекулы ДНК, построенные на основе кольцевого ДНК-генома вируса SV40 с включением генов фага λ и галактозного оперонаEscherichia coli . Эта работа дала начало технологии рекомбинантных ДНК. В 1977 г. стала известна первая полная нуклеотидная последовательность генома биологического объекта: Х. Э. Сэнгер с сотрудниками определили нуклеотидную последовательность генома фага ØX174. В 1990 г. была осуществлена первая успешная попытка применения генотерапии в клинической практике: ребёнку, страдающему тяжёлым комбинированным иммунодефицитом, заболеванием, связанным с дефектом гена аденозиндезаминидазы, была введена нормальная копия гена с использованием вектора, построенного на основе генома ретровируса.

В 50–60 гг. также проводились исследования по изучению нетипичных вирусных агентов. В 1957 г. Д. Гайдушек предположил, что болезнь куру вызывается одним из вирусов медленных инфекций. Однако только в 1982 г. была выявлена природа вирусов медленных инфекций («slow virus»), когда С. Прузинер продемонстрировал, что скрепи вызывается инфекционными белками, названными им прионами.

В 1967 г. Т. О. Дайнер открыл вироиды, инфекционные агенты, представляющие собой кольцевые молекулы РНК, вызывающие заболевания у растений.

В последующие годы список открытых вирусов продолжал пополняться. В 1981 г. выделен вирус лейкемии Т-лимфоцитов человека – пер-

вый вирус, для которого была достоверно установлена способность вызывать рак у человека.

ПРИРОДА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ

Представления о природе вирусов со времени их открытия претерпели значительные изменения.

Д.И. Ивановский и другие исследователи того времени подчеркивали два свойства вирусов, позволившие выделить их в отдельную группу живых организмов: фильтруемость и неспособность размножаться на исскуственных питательных средах. Позже выяснилось, что эти свойства не абсолютны, так как были обнаружены фильтрующиеся формы бактерий (L-формы) и микоплазмы, не растущие на искусственных питательных средах и по размерам приближавшиеся к наиболее крупным вирусам (вирус оспы, мимивирус, мегавирус, пандоравирус).

К уникальным свойствам вирусов относится их способ размножения, который резко отличается от способа размножения всех других клеток и организмов. Вирусы не растут, их размножение обозначается как дизъюнктивная репродукция, что подчеркивает разобщенность в пространстве и времени синтеза вирусных компонентов с последующей сборкой и формированием вирионов.

В связи с вышеизложенным не раз возникали дискуссии по поводу того, что же такое вирусы – живое или не живое, организмы или не организмы? Безусловно, вирусы обладают основными свойствами всех других

форм жизни – способностью размножаться, наследственностью, изменчивостью, приспособляемостью к условиям внешней среды. Они занимают определенную экологическую нишу, на них распространяются законы эволюции органического мира. К середине 40-х гг. ХХ века сложилось представление о вирусах как о наиболее примитивных микроорганизмах. Логическим развитием этих взглядов было введение термина «вирион», обозначавшего внеклеточный вирусный индивидуум. Однако с развитием исследований по молекулярной биологии вирусов стали накапливаться факты, противоречащие представлению о вирусах как организмах. Отсутствие собственной белок-синтезирующей системы, дизъюнктивный способ репродукции, интеграция с клеточным геномом, существование вирусных саттелитов и дефектных вирусов, феноменов множественной реактивации и комплементации – все это мало укладывается в представление о вирусах как организмах.

Все вирусы, включая саттелиты и дефектные вирусы, вироиды и прионы, имеют нечто общее, их объединяющее. Все они являются автономными генетическими структурами, способными функционировать и репродуцироваться в восприимчивых к ним клетках различных групп бактерий, грибов, растений и животных. Это наиболее полное определение, позволяющее очертить царство вирусов.

Согласно второй гипотезе, вирусы являются потомками древних, доклеточных форм жизни – протобионтов, предшествовавших появлению клеточных форм жизни, с которых и началась биологическая эволюция.