Бактериофаги и ретровирусы: строение и размножение вирусов

Летом 1917 года франко-канадский микробиолог Феликс д’Эрелль в Институте Пастера изучал испражнения больных дизентерией. Он пропускал их через фарфоровый фильтр, задерживающий бактерии, и добавлял фильтрат к культуре дизентерийных палочек. Однажды утром мутная культура в пробирке оказалась прозрачной: бактерии исчезли. На чашке с бактериями фильтрат оставлял круглые «пятна» пустоты. Д’Эрелль понял, что в фильтрате есть невидимый «пожиратель бактерий», и назвал его бактериофагом. Вспоминая этот день, он писал, что в одно мгновение понял: причина прозрачных пятен — паразит бактерий. Двумя годами раньше похожее явление описал англичанин Фредерик Туорт [1], но именно д’Эрелль доказал, что агент размножается, и стал лечить им больных.

Это седьмая статья серии о реализации наследственной информации (начало — «Матричный синтез и реализация наследственной информации»). В ней разобраны строение простых и сложных вирусов, бактериофаги и ретровирусы — две группы вирусов, сыгравшие особую роль в истории биологии. Общий обзор вирусов, их систематики и происхождения — в статье «Вирусы: строение, размножение, систематика».

• 1. Вирусы — неклеточная форма жизни
• 2. Как увидели невидимое
• 3. Насколько малы вирусы
• 4. Простые и сложные вирусы
• 5. Как вирус находит «свою» клетку
• 6. Строение бактериофага
• 7. Опыт Херши — Чейз: что вводит фаг в клетку
• 8. Литический цикл
• 9. Лизогенный цикл: фаг, который «засыпает»
• 10. Разнообразие фагов
• 11. Жить или убить: как фаг выбирает путь
• 12. Фаги переносят гены: трансдукция
• 13. Фаги делают бактерии опасными
• 14. Фаги и рождение молекулярной биологии
• 15. Фаготерапия: старый метод против новых бактерий
• 16. Иммунитет бактерий: CRISPR
• 17. Фаги в биотехнологии
• 18. Фаги и пищевая промышленность
• 19. Фаги в природе: самые многочисленные существа на Земле
• 20. Ретровирусы: от куриной саркомы до Нобелевской премии
• 21. Строение ретровируса
• 22. Жизненный цикл ретровируса
• 23. Почему ретровирусы так изменчивы
• 24. Ретровирусы и рак: открытие онкогенов
• 25. Ретровирусы животных
• 26. Ретровирусы в нашем геноме
• 27. Ретротранспозоны: «прыгающие» гены с обратной транскриптазой
• 28. Вирусы как двигатель эволюции
• 29. Как клетки животных защищаются от вирусов
• 30. Ретровирусы на службе медицины
• 31. Как остановить вирус: мишени лекарств
• 32. Матричные реакции у вирусов
• 33. Итог: фаги и ретровирусы
• 34. Частые ошибки
• 35. Интересные факты
• 36. Частые вопросы
• 37. ЕГЭ
• 38. Для олимпиад
• 39. Задания с разбором
• Литература

1. Вирусы — неклеточная форма жизни

Вирусы — мельчайшие неклеточные инфекционные агенты, способные размножаться только внутри живых клеток. Вне клетки вирус существует в виде частицы — вириона, — которая не питается, не дышит, не растёт и не размножается. Попав в подходящую клетку, вирус использует её рибосомы, ферменты, нуклеотиды, аминокислоты и АТФ для синтеза собственных нуклеиновых кислот и белков. Поэтому вирусы называют облигатными (обязательными) внутриклеточными паразитами.

Вирусы — граница живого: вне клетки они похожи на сложные молекулы, а внутри клетки проявляют главные свойства жизни — наследственность, изменчивость, размножение. Для реализации наследственной информации у них нет собственного аппарата, и они полностью используют матричные системы клетки, которым посвящена эта серия статей.

2. Как увидели невидимое

Существование вирусов долго оставалось догадкой. В 1892 году русский ботаник Дмитрий Ивановский, изучая мозаичную болезнь табака, обнаружил, что сок больных растений остаётся заразным после пропускания через фарфоровый фильтр, задерживающий бактерии. В 1898 году голландский микробиолог Мартинус Бейеринк повторил опыт и пришёл к выводу, что возбудитель — не бактерия, а «заразная живая жидкость», способная размножаться только в живых тканях. Так появилось понятие «фильтрующийся вирус» (от латинского virus — яд).

Что такое вирус физически, оставалось неясным до 1935 года, когда американский биохимик Уэнделл Стэнли получил вирус табачной мозаики в виде кристаллов [2]. Кристаллы, долго хранившиеся в склянке, снова вызывали болезнь, если их растворить и нанести на лист. Существо, которое можно кристаллизовать, как соль, потрясло биологов и философов. В 1946 году Стэнли получил Нобелевскую премию по химии, а вскоре выяснилось, что его кристаллы содержат не только белок, но и РНК.

Увидеть вирусы позволил электронный микроскоп. В 1939 году немецкие исследователи, среди которых был брат изобретателя электронного микроскопа Хельмут Руска, получили первые снимки палочек вируса табачной мозаики, а вскоре — и бактериофагов. Оказалось, что фаги действительно похожи на крошечные шприцы, прикреплённые к бактерии, — то, о чём д’Эрелль мог только догадываться.

3. Насколько малы вирусы

Большинство вирусов меньше предела разрешения светового микроскопа (около 200 нм), поэтому их увидели только с помощью электронного микроскопа. Исключение — гигантские вирусы, открытые в 2003 году: мимивирус крупнее некоторых бактерий, и именно поэтому его десять лет принимали за бактерию.

4. Простые и сложные вирусы

Любой вирион содержит нуклеиновую кислоту (геном), защищённую белковым капсидом. Капсид собирается из множества одинаковых белковых субъединиц — так вирусу нужно закодировать лишь один или несколько белков оболочки, а не сотни. Субъединицы укладываются либо по спирали вокруг нуклеиновой кислоты (вирус табачной мозаики — палочка), либо в многогранник — икосаэдр с двадцатью треугольными гранями (аденовирусы, вирус полиомиелита).

• Простые вирусы состоят только из нуклеиновой кислоты и капсида. Это вирус табачной мозаики, аденовирусы, вирус полиомиелита, большинство бактериофагов.
• Сложные вирусы поверх капсида имеют ещё одну оболочку — суперкапсид. Это участок мембраны клетки-хозяина, захваченный вирусом при выходе, в который встроены вирусные белки-гликопротеины — «шипы», с помощью которых вирус узнаёт новые клетки. Сложные — вирусы гриппа, кори, бешенства, герпеса, ВИЧ, коронавирусы.

Различие имеет практическое значение. Мытьё рук с мылом и спиртовые антисептики хорошо уничтожают сложные вирусы — грипп, коронавирус, — потому что разрушают их липидную оболочку. Простые вирусы, например норовирусы и вирус полиомиелита, к ним гораздо устойчивее, и против них нужны хлорсодержащие средства или кипячение.

5. Как вирус находит «свою» клетку

Каждый вирус заражает только определённые организмы, а внутри организма — определённые клетки. Это объясняется прежде всего тем, что первый шаг заражения — связывание вирусного белка с определённой молекулой-рецептором на поверхности клетки. Вирус гриппа связывается с остатками сиаловой кислоты на поверхности клеток дыхательных путей, коронавирус SARS-CoV-2 — с белком АПФ2, ВИЧ — с белком CD4 и вспомогательными рецепторами Т-лимфоцитов, бактериофаги — с белками и углеводами клеточной стенки бактерий. Нет рецептора — нет заражения.

Удивительный пример — устойчивость к ВИЧ. У части европейцев есть мутация, при которой в гене одного из вспомогательных рецепторов ВИЧ, CCR5, отсутствуют 32 пары нуклеотидов. Рецептор не образуется, и люди, получившие мутантный ген от обоих родителей, почти полностью устойчивы к самым распространённым штаммам ВИЧ [3]. Пересадка костного мозга от донора с такой мутацией позволила излечить от ВИЧ-инфекции нескольких пациентов, которым пересадка понадобилась для лечения лейкоза (подробнее — в статье «ВИЧ и СПИД»).

Специфичность к рецепторам объясняет и то, почему вирусы редко переходят от животных к человеку: для этого вирусный белок должен научиться связываться с человеческим рецептором. Но когда это случается — при птичьем гриппе, ВИЧ (от шимпанзе), коронавирусах (от летучих мышей), — новые болезни распространяются среди людей, не имеющих к ним иммунитета.

6. Строение бактериофага

Бактериофаги — вирусы бактерий. Они очень разнообразны: есть нитевидные фаги, фаги-шарики, фаги с липидной оболочкой. Но в учебниках изображают самую знаменитую форму — фаги с «головкой» и «хвостом», например фаг T4 кишечной палочки. Его устройство напоминает шприц.

• Головка — белковый капсид в форме вытянутого многогранника. Внутри плотно, под большим давлением упакована двуцепочечная ДНК длиной около 170 тысяч пар нуклеотидов — она примерно в 500 раз длиннее самой головки.
• Хвостовой отросток — полый стержень, окружённый сократимым белковым чехлом.
• Базальная пластинка с хвостовыми нитями на конце отростка. Нити узнают рецепторы на поверхности бактерии и прикрепляют фаг.

Когда фаг прикрепился, чехол сокращается, и стержень, как игла шприца, прокалывает оболочку бактерии. Белок на конце стержня разрушает участок клеточной стенки, и ДНК фага переходит в клетку. Белковая оболочка — «пустой шприц» — остаётся снаружи.

7. Опыт Херши — Чейз: что вводит фаг в клетку

В начале 1950-х годов многие биологи всё ещё считали, что наследственная информация записана в белках, а ДНК — лишь «подставка». Решающий опыт поставили в 1952 году американские генетики Альфред Херши и Марта Чейз [4]. Они пометили фагов радиоактивными изотопами двух элементов. Сера входит в белки (в аминокислоты цистеин и метионин), но не в ДНК; фосфор входит в ДНК, но почти не входит в белки фага. Одних фагов вырастили на бактериях со средой, содержащей радиоактивную серу, других — с радиоактивным фосфором.

Мечеными фагами заражали бактерий, а через несколько минут встряхивали смесь в кухонном миксере, чтобы оторвать оболочки фагов от поверхности бактерий, и центрифугировали. Радиоактивная сера (белок) оставалась в жидкости с пустыми оболочками, а радиоактивный фосфор (ДНК) — в осадке с бактериями. Новые фаги, вышедшие из заражённых бактерий, содержали часть меченого фосфора и почти не содержали меченой серы. Вывод: в клетку проникает ДНК фага, и именно она несёт программу построения новых фагов. В 1969 году Херши получил Нобелевскую премию вместе с Максом Дельбрюком и Сальвадором Лурией.

За восемь лет до этого Освальд Эйвери с коллегами уже показал, что очищенная ДНК одного штамма пневмококков может передавать его свойства другому штамму. Но многие сомневались: вдруг в препарате ДНК осталась примесь белка? Опыт Херши и Чейз на совсем другом объекте — вирусе — убедил большинство скептиков. Через год Уотсон и Крик опубликовали модель двойной спирали ДНК, и началась эпоха молекулярной биологии.

8. Литический цикл

Самый простой путь развития фага — литический цикл (от греческого lysis — растворение), который заканчивается гибелью бактерии.

1. Адсорбция — хвостовые нити узнают рецепторы на поверхности бактерии, и фаг прикрепляется.
2. Проникновение ДНК — чехол сокращается, ДНК вводится в клетку, белковая оболочка остаётся снаружи.
3. Синтез компонентов — фаг перестраивает работу клетки: РНК-полимераза бактерии транскрибирует гены фага, рибосомы бактерии синтезируют его белки, ферменты фага разрушают ДНК бактерии, а её нуклеотиды идут на репликацию ДНК фага. Используются рибосомы, ферменты, АТФ, нуклеотиды и аминокислоты бактерии.
4. Сборка — в клетке собираются головки, хвосты, ДНК упаковывается в головки, хвосты присоединяются.
5. Лизис и выход — фермент фага разрушает клеточную стенку, бактерия лопается, и наружу выходят 100–200 новых фагов, которые заражают соседние клетки.

У фага T4 весь цикл занимает около 25 минут при 37 °C. Когда фаги заражают бактерий, растущих сплошным слоем на чашке, каждая заражённая клетка становится центром «эпидемии»: вокруг неё возникает пятно погибших бактерий — бляшка. Подсчитывая бляшки, можно точно определить число фагов в образце, — это классический метод вирусологии, придуманный ещё д’Эреллем.

9. Лизогенный цикл: фаг, который «засыпает»

Не все фаги сразу убивают бактерию. Ещё в 1920-е годы заметили, что некоторые бактерии несут фага скрытно: культура растёт нормально, но время от времени выделяет фагов, убивающих другие, чувствительные штаммы. Такие бактерии назвали лизогенными. Многие не верили в это явление, пока в 1950 году Андре Львов в Институте Пастера не проследил под микроскопом отдельные лизогенные бактерии: они делились, не выделяя фагов, но иногда одна из клеток лопалась, и из неё выходили фаги. А облучение ультрафиолетом заставляло почти все бактерии культуры одновременно лопаться и выделять фагов.

Объяснение оказалось таким. «Умеренный» фаг, например фаг лямбда, после проникновения в клетку может встроить свою ДНК в хромосому бактерии. Встроенная ДНК фага — профаг — не работает: её гены выключены белком-репрессором фага. Профаг реплицируется вместе с хромосомой и передаётся всем дочерним клеткам, а бактерия живёт и делится как обычно. Это лизогенный цикл. Если бактерия «в опасности» — например, её ДНК повреждена ультрафиолетом, — репрессор разрушается, профаг вырезается из хромосомы и переходит к литическому циклу: фаг «покидает тонущий корабль» (подробнее о генетическом переключателе фага — в статье «Оперон»).

Лизогенный цикл похож на жизнь ретровирусов в клетках животных: в обоих случаях вирусный геном становится частью генома хозяина. Но есть различие: ДНК фага встраивается в хромосому как готовая ДНК, а ретровирусу сначала нужно переписать свою РНК в ДНК.

10. Разнообразие фагов

Фаг T4 с головкой и хвостом — лишь один из множества типов бактериофагов. Фаг φX174 — крошечный многогранник с кольцевой одноцепочечной ДНК всего из 5386 нуклеотидов; его геном стал первым полностью прочитанным геномом в истории (1977). Фаг MS2 содержит РНК, которая служит иРНК; именно его ген в 1972 году стал первым прочитанным геном (подробнее — в статье «Задачи на биосинтез белка»). Нитевидные фаги, к которым относится фаг холерного токсина, выходят из бактерии, не убивая её. А «джамбо-фаги» имеют геномы больше 200 тысяч пар нуклеотидов — крупнее, чем геномы некоторых бактерий.

Самый многочисленный вирус в кишечнике человека долгое время оставался неизвестным. В 2014 году его обнаружили, анализируя последовательности ДНК из образцов кишечного содержимого: оказалось, что почти у половины людей в кишечнике живёт один и тот же фаг, заражающий кишечных бактерий-бактероидов [5]. Его назвали crAss-фагом по названию программы, с помощью которой его нашли. В кишечнике каждого человека — триллионы фагов, и они влияют на состав микрофлоры.

11. Жить или убить: как фаг выбирает путь

Умеренный фаг лямбда, проникнув в бактерию, «решает», пойти ли по литическому или по лизогенному пути. Решение зависит от условий. Если бактерия хорошо питается и быстро растёт, в ней разрушается один из белков фага, необходимых для лизогении, и фаг чаще выбирает литический путь: сытая бактерия даст много потомства фага. Если бактерия голодает или одну клетку одновременно заразили несколько фагов, лизогенный путь становится вероятнее: в голодной клетке мало ресурсов для сборки сотен фагов, а большое число фагов на одну клетку «сообщает», что бактерий вокруг мало и выгоднее переждать внутри хозяина.

В 2017 году израильские исследователи обнаружили у фагов, заражающих сенную палочку, ещё более удивительный механизм: заражённые клетки выделяют короткий пептид-сигнал, и когда его в среде становится много (то есть фаг уже заразил многих), следующие фаги выбирают лизогению [6]. Фаги «общаются» между собой, чтобы не истребить всех хозяев, — это похоже на чувство кворума у бактерий (подробнее — в статье «Оперон»).

12. Фаги переносят гены: трансдукция

При сборке новых фагов в головку иногда по ошибке упаковывается кусок ДНК бактерии вместо ДНК фага. Такая частица может заразить другую бактерию и «впрыснуть» в неё чужой бактериальный ген. Этот способ переноса генов между бактериями открыли в 1952 году американские генетики Нортон Зиндер и Джошуа Ледерберг на сальмонеллах и назвали трансдукцией [7].

Трансдукция — один из путей горизонтального переноса генов у бактерий, наряду с конъюгацией и захватом свободной ДНК (трансформацией). Благодаря ей между бактериями могут распространяться, например, гены устойчивости к антибиотикам. А генетики бактерий использовали трансдукцию для построения генетических карт: чем ближе два гена, тем чаще они переносятся одним куском.

13. Фаги делают бактерии опасными

Профаг может не только «спать», но и приносить бактерии новые свойства. Самые грозные примеры — бактериальные токсины. Возбудитель дифтерии вырабатывает свой токсин, только если несёт профаг с геном этого токсина: штаммы без профага безвредны. Похожая история с холерой: в 1996 году американские микробиологи Мэттью Уолдор и Джон Мекаланос показали, что гены холерного токсина находятся в ДНК нитевидного бактериофага, встроенного в хромосому холерного вибриона [8]. Безвредный вибрион, заразившись этим фагом, превращается в возбудителя холеры. Изменение свойств бактерии под действием профага называют фаговой (лизогенной) конверсией.

Эти примеры показывают, что граница между «паразитом» и «частью генома» у вирусов размыта: фаг, встроившись в хромосому, становится источником новых генов для бактерии, и естественный отбор может поддерживать такие сочетания, если они выгодны бактерии.

14. Фаги и рождение молекулярной биологии

В 1940-х годах физик Макс Дельбрюк, бежавший из нацистской Германии в США, решил, что бактериофаги — идеальная модель для изучения основ наследственности: они простые, быстро размножаются, а результат опыта виден через день. Вокруг него сложилась «фаговая группа», из которой вышли многие основатели молекулярной биологии. Именно в этой группе работал молодой Джеймс Уотсон до открытия двойной спирали.

Одним из первых знаменитых результатов стал «флуктуационный тест» Сальвадора Лурии и Дельбрюка 1943 года [9]. Они хотели узнать, как у бактерий появляется устойчивость к фагам: возникает ли она под действием фага, как приспособление, или существует заранее, как случайная мутация. Лурия, по преданию, придумал опыт, глядя на игровой автомат на танцевальном вечере. Бактерий выращивали во множестве отдельных маленьких культур, а затем высевали каждую на чашку с фагами и считали устойчивые колонии. Если бы устойчивость вызывалась фагом, на всех чашках было бы примерно одинаковое число колоний. Вместо этого на большинстве чашек их почти не было, а на некоторых — сотни: в этих культурах мутация случайно произошла рано, и все потомки мутантной клетки оказались устойчивыми. Вывод: мутации возникают случайно, до встречи с фагом, а фаг лишь отбирает устойчивых. Этот опыт стал одним из главных доказательств того, что изменчивость бактерий подчиняется тем же законам, что и изменчивость других организмов.

15. Фаготерапия: старый метод против новых бактерий

Д’Эрелль сразу понял, что фаги можно использовать как лекарство. В 1919 году он вылечил фагами нескольких детей от дизентерии, а позже — больных холерой в Индии. В 1930-х годах он работал в Тбилиси вместе с грузинским микробиологом Георгием Элиава, который основал там институт бактериофагов, существующий до сих пор. На Западе после появления антибиотиков фаготерапию почти забыли, а в СССР и Грузии продолжали применять; в Грузии и России фаговые препараты до сих пор продаются в аптеках.

Сегодня из-за распространения устойчивых к антибиотикам бактерий интерес к фагам возродился. В 2019 году английские и американские врачи сообщили о лечении девочки-подростка с муковисцидозом, у которой после пересадки лёгких развилась тяжёлая инфекция микобактериями, не поддававшимися антибиотикам. Ей ввели смесь из трёх фагов, два из которых были генетически изменены, чтобы надёжно убивать бактерию, и состояние больной значительно улучшилось [10]. Преимущество фагов — высокая специфичность: каждый фаг поражает только определённые бактерии и не трогает полезную микрофлору и клетки человека. Недостаток — та же специфичность: для каждого больного нужно подбирать фаги, и бактерии быстро становятся устойчивыми к отдельному фагу.

16. Иммунитет бактерий: CRISPR

У бактерий есть собственный «приобретённый иммунитет» против фагов. В их хромосоме находятся участки CRISPR — повторяющиеся короткие последовательности, между которыми вставлены фрагменты ДНК фагов, когда-то заражавших предков бактерии. Эти фрагменты транскрибируются в короткие РНК, которые вместе с белками-нуклеазами (например, Cas9) находят по принципу комплементарности ДНК того же фага при новом заражении и разрезают её. Так бактерия «помнит» своих врагов, и эта память передаётся потомкам.

В 2007 году сотрудники датской компании, производящей заквасочные культуры для йогуртов и сыров, показали это прямо [11]. Они заражали молочнокислую бактерию, используемую в производстве, фагами и обнаружили, что выжившие бактерии добавили в свой участок CRISPR новые фрагменты ДНК этого фага и стали к нему устойчивы. А если фрагмент удалить, устойчивость исчезала. Для производителей йогуртов, у которых фаги порой губят целые чаны закваски, это было очень практическое открытие.

Вскоре французский микробиолог Эмманюэль Шарпантье и американский биохимик Дженнифер Даудна показали, что систему CRISPR-Cas9 можно перепрограммировать короткой РНК так, чтобы она разрезала любую нужную последовательность ДНК. Так появился самый удобный метод редактирования генов, а Шарпантье и Даудна получили Нобелевскую премию по химии 2020 года. Защитная система бактерий против вирусов стала одним из главных инструментов современной биологии и медицины.

17. Фаги в биотехнологии

Фаги дали биотехнологии немало инструментов. В 1985 году американский биохимик Джордж Смит придумал встраивать в ген белка оболочки нитевидного фага чужой фрагмент ДНК, так чтобы чужой белок «выставлялся» на поверхности фаговой частицы [12]. Получив огромную библиотеку фагов, каждый из которых несёт свой вариант белка, можно «выловить» тот, который связывается с нужной мишенью, и сразу узнать его ген — он находится внутри того же фага. Этот метод, фаговый дисплей, британский биохимик Грег Уинтер применил для получения человеческих антител-лекарств. В 2018 году Смит и Уинтер получили Нобелевскую премию по химии; сегодня на основе их работ созданы лекарства против ревматоидного артрита и некоторых опухолей.

РНК-полимераза бактериофага T7 работает очень быстро и узнаёт только свои промоторы. Поэтому её используют, чтобы заставить кишечную палочку синтезировать большие количества нужного белка: ген ставят под промотор фага T7, и полимераза фага «перекачивает» на него ресурсы клетки. Именно так в первые месяцы пандемии COVID-19 синтезировали иРНК для вакцин — РНК-полимеразой фага T7 в пробирке.

18. Фаги и пищевая промышленность

Для сыроваров и производителей йогуртов фаги — давняя беда. Молочнокислые бактерии закваски заражаются фагами, и за несколько часов целый чан молока перестаёт сквашиваться. Поэтому на молочных заводах строго следят за чистотой, чередуют штаммы заквасочных бактерий и отбирают устойчивые к фагам штаммы — именно в такой работе и было открыто значение системы CRISPR.

Но фаги могут и помогать. Некоторые фаговые препараты разрешены для обработки продуктов: ими опрыскивают мясные полуфабрикаты, сыры, овощи, чтобы уничтожить болезнетворных бактерий, например листерий и сальмонелл. Фаги не меняют вкус продукта, безвредны для человека и поражают только «свои» бактерии, не трогая полезную микрофлору.

19. Фаги в природе: самые многочисленные существа на Земле

Фаги — самые многочисленные биологические объекты на планете. Вирусы находят повсюду, где есть клетки: в горячих источниках, в солёных озёрах, в глубинах океанского дна, в многолетней мерзлоте. В литре морской воды обычно содержится больше миллиарда вирусных частиц, и большинство из них — фаги морских бактерий. По оценкам канадского вирусолога Кертиса Саттла, всего в океане около 10³⁰ вирусов: выложенные в цепочку, они протянулись бы примерно на десять миллионов световых лет [13]. Ежесекундно в океане происходит около 10²³ заражений, а фаги ежедневно убивают заметную долю (по разным оценкам, до 20 %) бактерий и одноклеточных водорослей морской воды.

Это имеет огромное значение для круговорота веществ. Когда фаг разрушает бактерию, её органические вещества выходят в воду и используются другими микробами, а не попадают по пищевой цепи к рыбам. Фаги влияют на круговорот углерода в океане и даже на климат. Кроме того, фаги — главная причина разнообразия бактерий: в «гонке вооружений» с фагами у бактерий возникли разнообразные системы защиты, одна из которых — CRISPR — стала основой самого известного метода редактирования генов (подробнее — в статье «Вирусы»).

20. Ретровирусы: от куриной саркомы до Нобелевской премии

В 1910 году к молодому американскому патологу Пейтону Раусу принесли курицу породы плимутрок с опухолью — саркомой — на груди. Раус измельчил опухоль, пропустил экстракт через фильтр, задерживающий клетки и бактерии, и ввёл здоровым курам. У них развились такие же опухоли [14]. Значит, рак у кур вызывает фильтрующийся агент — вирус. Открытие встретили скептически: считалось, что рак не заразен, а результаты на курах к людям неприменимы. Раус надолго оставил эту тему, и лишь в 1966 году, в 87 лет, получил Нобелевскую премию — через 55 лет после открытия, что остаётся одним из самых долгих сроков ожидания в истории премии.

Вирус саркомы Рауса оказался РНК-содержащим, но размножался необычно: заражённые клетки устойчиво передавали вирус потомкам, а вещества, подавлявшие синтез ДНК, блокировали заражение. Говард Темин предположил, что РНК вируса переписывается в ДНК, а в 1970 году он и Дэвид Балтимор независимо открыли обратную транскриптазу (подробнее — в статье «Матричный синтез»). Вирусы с этим ферментом назвали ретровирусами.

21. Строение ретровируса

Ретровирусы — сложные вирусы. Их вирион (около 100 нм) устроен так:

• суперкапсид — липидная оболочка из мембраны клетки-хозяина с вирусными гликопротеинами, которые узнают рецепторы на поверхности клеток-мишеней;
• капсид — белковая оболочка, у ВИЧ конусовидная;
• геном — две одинаковые молекулы одноцепочечной РНК (около 9–10 тысяч нуклеотидов каждая);
• ферменты, упакованные в вирион: обратная транскриптаза (синтезирует ДНК на матрице РНК, а затем вторую цепь ДНК), интеграза (встраивает вирусную ДНК в хромосому клетки), протеаза (разрезает длинные вирусные белки-предшественники на рабочие части при созревании новых вирионов).

Почему ферменты должны быть в самом вирионе? В клетке нет фермента, который переписал бы вирусную РНК в ДНК (обратные транскриптазы теломеразы и ретротранспозонов работают только со «своими» РНК), поэтому вирус приносит его с собой. Без собственной обратной транскриптазы ретровирус не смог бы начать размножение.

22. Жизненный цикл ретровируса

1. Связывание и проникновение. Гликопротеины суперкапсида связываются с рецепторами клетки (у ВИЧ — с белком CD4 на поверхности Т-лимфоцитов-помощников и дополнительным рецептором). Суперкапсид сливается с мембраной клетки, и капсид с РНК и ферментами попадает в цитоплазму.
2. Обратная транскрипция. В цитоплазме обратная транскриптаза синтезирует на РНК вируса комплементарную цепь ДНК, затем разрушает РНК и достраивает вторую цепь ДНК. Получается двуцепочечная ДНК — копия вирусного генома.
3. Интеграция. ДНК проникает в ядро, и интеграза встраивает её в хромосому клетки. Встроенную вирусную ДНК называют провирусом. Теперь она реплицируется вместе с ДНК клетки и передаётся дочерним клеткам.
4. Транскрипция и трансляция. РНК-полимераза клетки транскрибирует провирус, образуются вирусные РНК: одни служат иРНК для синтеза вирусных белков на рибосомах клетки, другие — геномами новых вирионов.
5. Сборка и выход. Вирусные РНК и белки собираются у мембраны, и вирионы отпочковываются, захватывая участок мембраны с вирусными гликопротеинами. Протеаза вируса разрезает белки-предшественники, и вирион становится заразным.

Главная особенность ретровирусов — провирус. Встроившись в хромосому, вирус становится частью генома клетки, и избавиться от него почти невозможно: никакой фермент не умеет «вырезать» его обратно. Поэтому ВИЧ-инфекция пожизненна: лекарства подавляют размножение вируса, но провирус остаётся в «спящих» клетках (подробнее — в статье «ВИЧ и СПИД»).

23. Почему ретровирусы так изменчивы

Обратная транскриптаза, в отличие от ДНК-полимераз клетки, не умеет исправлять свои ошибки: по разным оценкам, она ошибается от одного раза на десять тысяч до одного раза на несколько десятков тысяч нуклеотидов. Геном ВИЧ — около 10 тысяч нуклеотидов, значит, значительная часть новых копий генома несёт хотя бы одну новую мутацию. В организме больного ежедневно образуются миллиарды новых вирионов, поэтому за сутки возникают все возможные одиночные замены нуклеотидов. Кроме того, обратная транскриптаза может «перескакивать» между двумя молекулами РНК вириона, создавая новые сочетания мутаций.

Высокая изменчивость позволяет вирусу ускользать от иммунитета и быстро приобретать устойчивость к лекарствам. Поэтому ВИЧ лечат сразу несколькими препаратами, действующими на разные ферменты: вероятность того, что в одном вирионе одновременно возникнут мутации устойчивости ко всем трём, ничтожна. По той же причине так трудно создать вакцину против ВИЧ.

24. Ретровирусы и рак: открытие онкогенов

Почему вирус саркомы Рауса вызывает опухоль? Оказалось, что в его геноме есть ген src, белок которого заставляет клетку бесконтрольно делиться. Откуда у вируса такой ген? В 1976 году американские исследователи Майкл Бишоп, Гарольд Вармус и их сотрудники обнаружили, что почти такой же ген есть в нормальной ДНК здоровых кур, а также других птиц и млекопитающих [15]. Значит, вирус когда-то «украл» нормальный клеточный ген, участвующий в регуляции деления, и в составе вируса этот ген, изменённый мутациями и вышедший из-под контроля, стал вызывать рак.

Так было открыто, что в клетках есть протоонкогены — нормальные гены регуляции деления, которые при мутациях превращаются в онкогены (подробнее — в статье «Регуляция генов у эукариот»). Это изменило понимание рака: большинство опухолей человека вызывают не вирусы, а мутации собственных генов, но первыми эти гены нашли именно в ретровирусах. В 1989 году Бишоп и Вармус получили Нобелевскую премию.

У человека есть и ретровирусы, вызывающие рак напрямую. В 1980 году группа американского вирусолога Роберта Галло выделила первый ретровирус человека — Т-лимфотропный вирус, вызывающий одну из форм лейкоза взрослых [16]. Он распространён в Японии, Карибском бассейне, Африке. Через три года был открыт второй, гораздо более известный ретровирус человека — ВИЧ.

25. Ретровирусы животных

Ретровирусы широко распространены у позвоночных. Вирус лейкоза кошек вызывает у них опухоли кроветворной системы и подавление иммунитета; против него созданы вакцины. Вирус лейкоза крупного рогатого скота распространён во многих странах и наносит ущерб животноводству; его передача через молоко и кровь — одна из причин обязательной ветеринарной проверки стад. Ретровирус овец вызывает у них опухоли лёгких, а вирус лейкоза птиц — опухоли у кур, как и вирус Рауса. Ретровирусы обезьян — вирусы иммунодефицита обезьян — стали предками ВИЧ: вирус перешёл к человеку от шимпанзе в Центральной Африке в начале XX века (подробнее — в статье «ВИЧ и СПИД»).

26. Ретровирусы в нашем геноме

Если ретровирус заражает половую клетку и провирус встраивается в её хромосому, он передаётся потомкам по наследству, как обычный ген, и со временем может распространиться во всей популяции. Такие провирусы называют эндогенными ретровирусами. Около 8 % генома человека — остатки ретровирусов, заражавших наших предков в течение десятков миллионов лет. Почти все они испорчены мутациями и неспособны образовывать вирионы.

Процесс можно наблюдать прямо сейчас. Австралийские исследователи в 2006 году показали, что ретровирус коал в настоящее время встраивается в половые клетки и становится эндогенным: у коал на севере Австралии провирус есть у всех животных и передаётся по наследству, а у некоторых южных популяций его ещё нет [17]. Это первый пример, когда учёные застали «одомашнивание» ретровируса в процессе.

Некоторые вирусные гены организм «приручил». Самый удивительный пример — белок синцитин. Он синтезируется по гену оболочки древнего эндогенного ретровируса и вызывает слияние клеток. В плаценте человека он заставляет клетки сливаться в многоядерный слой — синцитиотрофобласт, через который идёт обмен веществами между матерью и плодом [18]. Ретровирусный белок, когда-то служивший для слияния вирусной оболочки с клеткой, теперь необходим для развития плаценты. У разных групп млекопитающих синцитины произошли от разных ретровирусов: похоже, «приручение» происходило независимо несколько раз.

27. Ретротранспозоны: «прыгающие» гены с обратной транскриптазой

Обратная транскрипция встречается не только у вирусов. В геноме человека есть подвижные элементы — ретротранспозоны, — которые размножаются внутри генома по принципу «копировать и вставить»: их ДНК транскрибируется, РНК переписывается обратно в ДНК собственной обратной транскриптазой, и новая копия встраивается в другое место хромосомы. Самые многочисленные из них — элементы LINE-1: их копии составляют около 17 % генома человека, а элементы Alu, которые используют их фермент, — ещё около 10 %. Почти все копии давно неактивны, но несколько десятков сохранили способность «прыгать».

Иногда прыжок попадает в важный ген. В 1988 году у мальчика с гемофилией A обнаружили, что ген фактора свёртывания крови разрушен свежей вставкой элемента LINE-1, которой не было у его родителей [19]. Это было первое доказательство того, что ретротранспозоны активны у человека и могут вызывать болезни.

Обратная транскриптаза есть и в нормальном аппарате клетки — это теломераза, достраивающая концы хромосом по матрице своей РНК (подробнее — в статье «Теломеры и теломераза»). Ретровирусы, ретротранспозоны и теломераза — родственники: их обратные транскриптазы похожи по строению. Возможно, все они — наследие древнего мира РНК, когда генетическая информация впервые переходила из РНК в ДНК.

28. Вирусы как двигатель эволюции

Вирусы не только вредят, но и переносят гены между организмами и создают новые. Фаги переносят гены между бактериями (трансдукция, фаговая конверсия). Эндогенные ретровирусы дали млекопитающим синцитины, а их регуляторные участки стали энхансерами многих генов, в том числе генов иммунитета. Даже РНК-полимераза наших митохондрий по строению похожа не на бактериальную, а на РНК-полимеразу бактериофагов — видимо, она досталась предку митохондрий от фага.

Вирусы — главная причина постоянной «гонки вооружений» в живой природе: клетки вырабатывают защиту, вирусы её обходят. Многие системы иммунитета, от CRISPR у бактерий до интерферонов у позвоночных, возникли именно в этой гонке. Некоторые учёные считают, что и сама ДНК как носитель информации могла впервые появиться у вирусов, а потом была «заимствована» клетками, — но это пока одна из гипотез (подробнее о происхождении вирусов — в статье «Вирусы»).

29. Как клетки животных защищаются от вирусов

У клеток позвоночных есть собственная противовирусная защита, похожая по смыслу на CRISPR у бактерий, но устроенная иначе. В 1957 году британский вирусолог Алик Айзекс и швейцарский исследователь Жан Линденман обнаружили, что клетки, заражённые вирусом гриппа, выделяют вещество, которое защищает соседние клетки от заражения любыми вирусами. Его назвали интерфероном — от слова «интерференция», вмешательство.

Клетка «замечает» вирус по необычным для неё молекулам — например, по длинной двуцепочечной РНК, которой в здоровой клетке почти нет, но которая образуется при размножении многих вирусов. В ответ она синтезирует интерферон. Он связывается с рецепторами соседних клеток и включает в них сотни генов противовирусной защиты: ферменты, разрушающие вирусную РНК, белки, останавливающие трансляцию, белки, мешающие сборке вирионов. Заражённая клетка часто жертвует собой, а соседи успевают подготовиться. Поэтому многие вирусы, чтобы выжить, синтезируют белки, подавляющие образование интерферона. Препараты интерферона применяют при некоторых вирусных гепатитах, а нарушения интерфероновой защиты связаны с тяжёлым течением гриппа и COVID-19.

30. Ретровирусы на службе медицины

Способность ретровирусов надёжно встраивать гены в хромосомы клеток используют в генной терапии. Из вируса удаляют гены, необходимые для размножения и болезни, и вставляют на их место нужный ген. Такой «вектор» может войти в клетку и встроить ген в её хромосому, но не может размножиться. Особенно часто используют векторы на основе лентивирусов — группы ретровирусов, к которой относится ВИЧ: они умеют заражать и неделящиеся клетки.

Так, например, создают CAR-T-клетки для лечения некоторых лейкозов: у больного берут Т-лимфоциты, с помощью лентивирусного вектора встраивают в них ген искусственного рецептора, узнающего опухолевые клетки, и вводят обратно. Изменённые лимфоциты находят и уничтожают раковые клетки. Ещё один инструмент из мира ретровирусов — сама обратная транскриптаза: без неё невозможны ПЦР-тесты на РНК-вирусы и чтение транскриптомов клеток.

31. Как остановить вирус: мишени лекарств

Поскольку вирус использует аппарат клетки, создать лекарство, вредящее вирусу и не вредящее клетке, трудно. Мишенями служат этапы и ферменты, которых нет у клетки.

Против бактериофагов лекарства не нужны, а вот против ретровирусов используют сочетания препаратов, действующих на разные этапы. Подробнее о вирусных болезнях, вакцинах и лечении — в статье «Вирусные болезни человека, животных и растений».

32. Матричные реакции у вирусов

Вирусы используют все варианты матричного синтеза, которые встречаются в природе, и некоторые из них есть только у вирусов.

Эту классификацию по способу получения иРНК предложил в 1971 году Дэвид Балтимор, один из открывателей обратной транскриптазы (подробнее — в статье «Вирусы»). Задачи на матричные реакции вирусов — обратную транскрипцию и «плюс»-РНК — разобраны в статье «Задачи на биосинтез белка».

33. Итог: фаги и ретровирусы

34. Частые ошибки

• «Фаг проникает в бактерию целиком». В клетку вводится только ДНК фага; белковая оболочка остаётся снаружи.
• «Вирусы содержат и ДНК, и РНК». Вирион содержит нуклеиновую кислоту одного типа — ДНК или РНК.
• «Суперкапсид синтезирует сам вирус». Липидная основа суперкапсида — участок мембраны клетки-хозяина, в который встроены вирусные белки.
• «Ретровирус встраивает в хромосому свою РНК». Встраивается ДНК, синтезированная на РНК обратной транскриптазой.
• «Обратную транскрипцию осуществляют ферменты клетки». Обратная транскриптаза — фермент вируса, принесённый в вирионе.
• «При лизогенном цикле бактерия погибает». При лизогенном цикле бактерия живёт и делится, передавая профаг потомкам; гибнет она при переходе к литическому циклу.
• «Вирусы размножаются делением». Вирусы размножаются сборкой новых частиц из компонентов, синтезированных клеткой.
• «Все вирусы разрушаются спиртом и мылом». Хорошо разрушаются сложные вирусы с липидной оболочкой; простые вирусы гораздо устойчивее.

35. Интересные факты

• ДНК фага T4 упакована в головке так плотно, что её длина в 500 раз больше размера головки, а давление внутри в десятки раз выше атмосферного.
• Опыт Херши и Чейз, доказавший роль ДНК, поставили с помощью обычного кухонного миксера.
• Пейтон Раус получил Нобелевскую премию через 55 лет после своего открытия.
• В литре морской воды больше миллиарда вирусов, и большинство из них — фаги.
• Гены холерного и дифтерийного токсинов принесены бактериям фагами.
• Белок, без которого не может образоваться плацента человека, — бывший белок оболочки древнего ретровируса.
• Институт бактериофагов в Тбилиси, основанный в 1923 году, работает до сих пор и принимает пациентов из многих стран.
• Ретровирус коал прямо сейчас становится частью их генома.
• Интерферон открыли в 1957 году как вещество, которым заражённые клетки защищают соседей от любых вирусов.
• Вирус табачной мозаики можно кристаллизовать, как соль, и кристаллы годами сохраняют заразность.
• Почти у половины людей в кишечнике живёт один и тот же фаг — crAss-фаг, открытый только в 2014 году.
• Около 17 % генома человека — копии ретротранспозонов LINE-1, размножающихся через обратную транскрипцию.

36. Частые вопросы

Можно ли считать вирусы живыми?

Вопрос спорный. Вне клетки вирус не проявляет признаков жизни: не питается, не обменивается веществами, не размножается. Внутри клетки он размножается, изменяется и подвергается естественному отбору. Поэтому вирусы называют неклеточной формой жизни, существующей на границе живого и неживого.

Почему фаги не заражают клетки человека?

Фаг прикрепляется к определённым рецепторам на поверхности бактерий — белкам или углеводам клеточной стенки, которых нет у клеток человека. Кроме того, программа размножения фага рассчитана на аппарат бактериальной клетки. Поэтому фаги безопасны для человека и могут использоваться как лекарства.

Чем профаг отличается от провируса?

Оба — вирусная ДНК, встроенная в хромосому хозяина. Профаг — ДНК бактериофага в хромосоме бактерии; его геном и в частице был ДНК. Провирус — ДНК ретровируса в хромосоме клетки животного; она получена из вирусной РНК обратной транскрипцией.

Почему ВИЧ нельзя полностью уничтожить лекарствами?

Лекарства блокируют ферменты вируса и прекращают образование новых вирионов, но провирус, встроенный в хромосомы «спящих» клеток памяти, остаётся. Если прекратить лечение, провирус снова начинает транскрибироваться, и вирус размножается.

Как бактерии защищаются от фагов?

Они изменяют рецепторы, к которым прикрепляются фаги, разрезают чужую ДНК ферментами рестрикции, «запоминают» фагов системой CRISPR, а иногда заражённая клетка совершает «самоубийство», чтобы фаг не успел размножиться и заразить соседей.

Опасны ли эндогенные ретровирусы?

Почти все они испорчены мутациями и не способны образовывать вирусы. Некоторые их участки работают как регуляторные последовательности генов, а некоторые гены, как ген синцитина, стали необходимы организму. У мышей и некоторых других животных отдельные эндогенные ретровирусы ещё активны и могут вызывать опухоли.

Зачем ретровирусу две молекулы РНК в вирионе?

Две копии генома повышают надёжность: при обратной транскрипции фермент может переходить с одной молекулы на другую и обходить повреждённые участки. Кроме того, такие перескоки создают новые сочетания мутаций, увеличивая изменчивость вируса.

Можно ли вылечить бактериальную инфекцию фагами вместо антибиотиков?

В отдельных случаях — да, особенно при инфекциях, устойчивых к антибиотикам. Но фаги действуют очень избирательно, их нужно подбирать к конкретной бактерии, а бактерии быстро становятся устойчивыми к отдельному фагу. Поэтому фаготерапию чаще рассматривают как дополнение к антибиотикам.

Почему вирусы не размножаются на питательных средах, как бактерии?

У вирусов нет рибосом, ферментов синтеза АТФ и большинства ферментов обмена веществ. Им нужен аппарат живой клетки, поэтому вирусы выращивают на культурах клеток, куриных эмбрионах или, в случае фагов, на культурах бактерий.

Что такое CRISPR и как он связан с вирусами?

Это система защиты бактерий от фагов: бактерия хранит в своём геноме фрагменты ДНК фагов и с их помощью узнаёт и разрезает ДНК фага при повторном заражении. Учёные приспособили эту систему для редактирования генов любых организмов.

Почему вирусы гриппа и коронавирусы появляются у человека «из животных»?

Многие вирусы постоянно циркулируют у птиц, летучих мышей и других животных. Если в результате мутаций или обмена генами вирусный белок начинает связываться с рецептором клеток человека, вирус может перейти к людям. Такие переходы — источник новых эпидемий.

Почему фаг лямбда иногда убивает бактерию, а иногда «засыпает»?

Выбор зависит от условий: в сытой быстрорастущей бактерии фаг чаще выбирает литический путь, а в голодной клетке или при заражении одной клетки сразу многими фагами — лизогенный. Так фаг повышает свои шансы на выживание.

Почему против вирусов так мало лекарств, по сравнению с антибиотиками против бактерий?

Бактерии — самостоятельные клетки со своими рибосомами, стенкой и ферментами, отличающимися от наших, и их легко поразить, не задев клетки человека. Вирусы же используют аппарат наших клеток, и мишенями могут служить только немногие вирусные белки. Поэтому противовирусные лекарства создают для каждого вируса отдельно.

Почему вирусы такие маленькие?

Вирусу не нужны рибосомы, ферменты обмена веществ, запасы — всё это даёт клетка. Ему достаточно генома и защитной оболочки, а небольшой размер позволяет быстро собирать много частиц и легко распространяться. Минимальный размер ограничен объёмом генома, который нужно упаковать.

Сколько генов у вирусов?

От нескольких до сотен. У фага MS2 — четыре гена, у ВИЧ — девять, у фага T4 — около трёхсот, у гигантских вирусов — больше тысячи. Даже самым «богатым» вирусам не хватает генов рибосом, поэтому все они зависят от клеток.

Что такое интерферон?

Это белок, который заражённые вирусом клетки выделяют, чтобы предупредить соседние клетки. Соседи, получив сигнал, включают гены противовирусной защиты и становятся устойчивыми к заражению самыми разными вирусами.

Как обратная транскриптаза помогает диагностировать болезни?

Многие опасные вирусы — РНК-содержащие. Чтобы найти их РНК в анализе методом ПЦР, её сначала переписывают в ДНК обратной транскриптазой, а затем многократно копируют. Так работают тесты на коронавирус, грипп, ВИЧ, гепатит C.

Почему опыт Херши и Чейз поставили именно на фагах?

Фаг устроен предельно просто: снаружи белок, внутри ДНК, и при заражении эти части физически разделяются — ДНК входит в клетку, белок остаётся снаружи. Это позволило с помощью разных изотопов проследить судьбу каждой части отдельно.

37. ЕГЭ

Тема проверяется заданиями на выбор утверждений о вирусах, на соответствие «структура — функция» по рисункам бактериофага и вируса, на последовательность этапов размножения вируса, а во второй части — вопросами на объяснение и задачами линии 27 с ретровирусами и «плюс»-РНК-вирусами (подробнее — в статье «Задачи на биосинтез белка»).

Разбор типичного задания второй части

Задание: «Какой цикл развития бактериофага изображён на рисунке (адсорбция, проникновение ДНК, синтез, сборка, лизис)? Какие компоненты бактериальной клетки используются для синтеза фагов? Что изменилось бы, если бы ДНК фага встроилась в хромосому бактерии?» Полный ответ: 1) изображён литический цикл, при котором бактерия погибает; 2) для синтеза ДНК и белков фага используются рибосомы, ферменты, АТФ, нуклеотиды и аминокислоты бактерии; 3) клетка разрушается, и вышедшие фаги заражают другие бактерии; 4) при встраивании ДНК фага в хромосому образовался бы профаг — развитие пошло бы по лизогенному циклу, бактерия осталась бы живой и передавала профаг потомкам.

38. Для олимпиад

Рост числа фагов. Если один фаг заражает бактерию, через 25 минут выходят 150 фагов, каждый из которых сразу заражает новую бактерию, то через три цикла (75 минут) из одного фага получится 150³ ≈ 3,4 миллиона фагов — при условии, что бактерий достаточно. Так одна бляшка за ночь вырастает до видимых размеров.

Флуктуационный тест. Если бы устойчивость к фагу возникала под действием фага, число устойчивых колоний в параллельных культурах распределялось бы как случайная величина с небольшим разбросом (дисперсия примерно равна среднему). Лурия и Дельбрюк наблюдали огромный разброс — дисперсия во много раз превышала среднее, — что соответствует случайным мутациям, возникшим в разное время роста культур.

Почему устойчивых к фагу мутантов мало. Если вероятность мутации устойчивости — около 10⁻⁸ на клетку за деление, то в культуре из 10⁹ бактерий в среднем около 10 устойчивых мутантов. Посеяв такую культуру на чашку с избытком фагов, мы увидим около десятка колоний — потомков этих мутантов.

Разведения и бляшки. Если 0,1 мл образца, разведённого в 10⁶ раз, дал на чашке 85 бляшек, то в 1 мл исходного образца 85 · 10 · 10⁶ = 8,5 · 10⁸ фагов.

39. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Вирусы: 1) не имеют клеточного строения; 2) размножаются только в клетках хозяина; 3) содержат нуклеиновую кислоту одного типа; 4) имеют собственные рибосомы; 5) размножаются делением; 6) синтезируют АТФ при дыхании.

Задание 2

Установите соответствие между вирусами и их типом. Вирусы: А) вирус табачной мозаики; Б) вирус гриппа; В) ВИЧ; Г) вирус полиомиелита; Д) коронавирус SARS-CoV-2; Е) аденовирус. Типы: 1) простой; 2) сложный.

Задание 3

Установите последовательность этапов литического цикла бактериофага: А) сборка фаговых частиц; Б) прикрепление фага к бактерии; В) лизис клетки; Г) введение ДНК фага в клетку; Д) синтез ДНК и белков фага.

Задание 4

Найдите ошибки в тексте. (1) Бактериофаги — вирусы бактерий. (2) Фаг проникает в бактерию целиком. (3) Для синтеза белков фаг использует рибосомы бактерии. (4) При лизогенном цикле бактерия сразу погибает. (5) Встроенная в хромосому бактерии ДНК фага называется профагом.

Задание 5

Выберите три верных ответа. Ретровирусы: 1) содержат РНК; 2) имеют обратную транскриптазу; 3) встраивают свою ДНК в хромосому клетки; 4) содержат и ДНК, и РНК в вирионе; 5) являются бактериофагами; 6) не имеют белковой оболочки.

Задание 6

Установите соответствие между ферментами ВИЧ и их функциями. Функции: А) синтез ДНК на матрице РНК; Б) встраивание вирусной ДНК в хромосому; В) разрезание белков-предшественников при созревании вириона. Ферменты: 1) обратная транскриптаза; 2) интеграза; 3) протеаза.

Задание 7

Объясните, как опыт Херши и Чейз доказал, что наследственная информация фага содержится в ДНК, а не в белке.

Задание 8

Установите соответствие между характеристиками и циклами развития фага. Характеристики: А) бактерия погибает; Б) ДНК фага встраивается в хромосому; В) профаг передаётся дочерним клеткам; Г) новые фаги образуются сразу; Д) гены фага выключены репрессором. Циклы: 1) литический; 2) лизогенный.

Задание 9

Почему спиртовые антисептики эффективны против вируса гриппа, но хуже действуют на вирус полиомиелита?

Задание 10

Выберите три верных ответа. Для размножения бактериофага используются: 1) рибосомы бактерии; 2) нуклеотиды бактерии; 3) АТФ бактерии; 4) митохондрии бактерии; 5) хлоропласты бактерии; 6) рибосомы фага.

Задание 11

Объясните, почему ВИЧ-инфекция пожизненна и почему ВИЧ быстро становится устойчивым к лекарствам.

Задание 12

Установите последовательность этапов размножения ретровируса: А) интеграция ДНК в хромосому; Б) обратная транскрипция; В) слияние суперкапсида с мембраной клетки; Г) транскрипция провируса; Д) отпочковывание новых вирионов.

Задание 13

Что такое трансдукция и какое значение она имеет для бактерий?

Задание 14

Выберите три верных ответа. Суперкапсид сложных вирусов: 1) содержит липиды; 2) образуется из мембраны клетки-хозяина; 3) содержит вирусные гликопротеины; 4) есть у вируса табачной мозаики; 5) состоит только из нуклеиновых кислот; 6) находится внутри капсида.

Задание 15

Почему дифтерийная палочка опасна, только если несёт определённый профаг?

Задание 16

Рассмотрите рисунок строения бактериофага в статье. Какими цифрами обозначены структуры, отвечающие за узнавание бактерии и за хранение наследственной информации?

Задание 17

Как синцитин, белок древнего ретровируса, стал нужен человеку?

Задание 18

Выберите три верных ответа. Эндогенные ретровирусы: 1) передаются по наследству; 2) составляют около 8 % генома человека; 3) в большинстве испорчены мутациями; 4) все активно размножаются; 5) есть только у бактерий; 6) не содержат генов.

Задание 19 (олимпиадное)

В опыте Лурии и Дельбрюка в 20 параллельных культурах бактерий число устойчивых к фагу колоний было: в 15 культурах — 0, в 3 — по 2, в одной — 30, в одной — 120. Какой вывод следует из этих данных о происхождении устойчивости? Каким было бы распределение при другой гипотезе?

Задание 20 (олимпиадное)

Образец воды развели в 10⁵ раз и смешали 0,1 мл разведения с бактериями на чашке; выросло 64 бляшки. Сколько фагов было в 1 мл исходного образца? Почему метод бляшек позволяет считать именно заразные частицы?

Литература

1. Twort F. W. An investigation on the nature of ultra-microscopic viruses // The Lancet. 1915. Vol. 186. P. 1241–1243.
2. Stanley W. M. Isolation of a crystalline protein possessing the properties of tobacco-mosaic virus // Science. 1935. Vol. 81. P. 644–645.
3. Samson M., Libert F., Doranz B. J. et al. Resistance to HIV-1 infection in Caucasian individuals bearing mutant alleles of the CCR-5 chemokine receptor gene // Nature. 1996. Vol. 382. P. 722–725.
4. Hershey A. D., Chase M. Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage // Journal of General Physiology. 1952. Vol. 36. P. 39–56.
5. Dutilh B. E., Cassman N., McNair K. et al. A highly abundant bacteriophage discovered in the unknown sequences of human faecal metagenomes // Nature Communications. 2014. Vol. 5. Article 4498.
6. Erez Z., Steinberger-Levy I., Shamir M. et al. Communication between viruses guides lysis–lysogeny decisions // Nature. 2017. Vol. 541. P. 488–493.
7. Zinder N. D., Lederberg J. Genetic exchange in Salmonella // Journal of Bacteriology. 1952. Vol. 64. P. 679–699.
8. Waldor M. K., Mekalanos J. J. Lysogenic conversion by a filamentous phage encoding cholera toxin // Science. 1996. Vol. 272. P. 1910–1914.
9. Luria S. E., Delbrück M. Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance // Genetics. 1943. Vol. 28. P. 491–511.
10. Dedrick R. M., Guerrero-Bustamante C. A., Garlena R. A. et al. Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus // Nature Medicine. 2019. Vol. 25. P. 730–733.
11. Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes // Science. 2007. Vol. 315. P. 1709–1712.
12. Smith G. P. Filamentous fusion phage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virion surface // Science. 1985. Vol. 228. P. 1315–1317.
13. Suttle C. A. Marine viruses — major players in the global ecosystem // Nature Reviews Microbiology. 2007. Vol. 5. P. 801–812.
14. Rous P. A sarcoma of the fowl transmissible by an agent separable from the tumor cells // Journal of Experimental Medicine. 1911. Vol. 13. P. 397–411.
15. Stehelin D., Varmus H. E., Bishop J. M., Vogt P. K. DNA related to the transforming gene(s) of avian sarcoma viruses is present in normal avian DNA // Nature. 1976. Vol. 260. P. 170–173.
16. Poiesz B. J., Ruscetti F. W., Gazdar A. F. et al. Detection and isolation of type C retrovirus particles from fresh and cultured lymphocytes of a patient with cutaneous T-cell lymphoma // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1980. Vol. 77. P. 7415–7419.
17. Tarlinton R. E., Meers J., Young P. R. Retroviral invasion of the koala genome // Nature. 2006. Vol. 442. P. 79–81.
18. Mi S., Lee X., Li X. et al. Syncytin is a captive retroviral envelope protein involved in human placental morphogenesis // Nature. 2000. Vol. 403. P. 785–789.
19. Kazazian H. H., Wong C., Youssoufian H. et al. Haemophilia A resulting from de novo insertion of L1 sequences represents a novel mechanism for mutation in man // Nature. 1988. Vol. 332. P. 164–166.
20. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.