Вирус, который сломал планету. Почему SARS-CoV-2 такой особенный и что нам с ним делать

Выход из клетки

Новые вирусные частицы собираются не просто в цитоплазме: SARS-CoV-2 организует фабрику по их производству в особом отделе клетки – эндоплазматическом ретикулуме. Это огромный лабиринт, стенки которого сделаны из той же мембраны, что и клеточная оболочка. В эндоплазматическом ретикулуме клетка синтезирует часть белков и снабжает их особыми метками-«пропусками», направляющими эти белки в разные клеточные «департаменты». В том числе упакованные в мембранные пузырьки экспортные белки отправляются во внешнюю среду. Ферменты вируса приостанавливают синтез собственных клеточных белков и оккупируют эндоплазматический ретикулум. Свежесинтезированные структурные белки SARS-CoV-2 встраиваются в мембранные пузырьки, внутрь загружается намотанная на N-белок вирусная РНК – и новая вирусная частица готова. Множество вирусов набиваются в большой мембранный пузырек – такой же, в который в норме клетка упаковывает свои «экспортные» белки, – и плывут к наружной мембране. Пузырек сливается с ней, и паразиты выходят в межклеточное пространство искать новых жертв. Жизненный цикл коронавируса повторяется.

Рис. 4. После того как спайк-белок вируса связывается с рецепторами ACE2 (1), клеточная протеаза фурин или TMPRSS2 разрезает спайк (не показано на рисунке) и вся частица подтягивается ближе к поверхности клетки. Изначально предполагалось, что после этого ее мембрана сливается с клеточной ((2), верхняя стрелка), но позже появились данные, что вирус попадает внутрь клетки путем эндоцитоза ((2), нижняя стрелка). Оказавшись в клетке, вирус выпускает наружу свою геномную РНК, которая выходит из эндосомного пузырька в цитоплазму, где клеточные рибосомы начинают синтезировать с нее длинную полипептидную цепь (3). Один из входящих в нее белков – протеаза, и она разрезает цепь на отдельные белки (4). В том числе протеаза высвобождает РНК-зависимую РНК-полимеразу, которая немедленно начинает синтезировать новые копии вирусной геномной РНК (5.а) и оставшиеся вирусные сервисные и структурные белки (5.б). Последние отправляются в эндоплазматический ретикулум, где происходит сборка новых вирусных частиц (6). Она продолжается в аппарате Гольджи, а затем в заготовки будущих вирусов загружается геномная РНК и уплотняется, наматываясь на пришедший из цитоплазмы новосинтезированный N-белок (7). В мембранных (эндосомных) пузырьках готовые частицы подплывают изнутри к клеточной мембране, пузырьки сливаются с ней, и новые вирусные частицы оказываются снаружи клетки (8)

Почему SARS-CoV-2 такой особенный

Описанные выше трюки коронавируса выглядят весьма хитроумными, но в действительности примерно так ведут себя очень многие вирусы. За миллиарды лет гонки вооружений со своими хозяевами они идеально отточили навыки захвата и порабощения чужих клеток^[9]. И все же у некоторых вирусов это получается лучше остальных. Например, из семи известных коронавирусов, которые способны заражать человека, только три – SARS, MERS и нынешний SARS-CoV-2 – представляют серьезную опасность, остальные же вызывают банальные простуды. SARS убил 10 % всех заразившихся, MERS – 34 %, от SARS-CoV-2 умирает, видимо, около 1 % инфицированных (точнее подсчитать можно будет только после того, как закончится активная фаза эпидемии). При этом пандемию устроил самый безобидный из «суровых» коронавирусов – SARS-CoV-2, – потому что научился отлично передаваться от человека к человеку. SARS и тем более MERS делали это существенно хуже.

Почему именно эти три вируса выбились в печальные лидеры и что такого особенного есть в SARS-CoV-2? Как минимум частично на эти вопросы ответил^{15} один из самых цитируемых биоинформатиков мира Евгений Кунин. Он и его группа решили выяснить, чем смертельные коронавирусы отличаются от остальных. Исследователи сравнили геномные последовательности всех семи «человеческих» коронавирусов и обнаружили 11 участков, которые отличают высоколетальные штаммы от нелетальных. Эти участки находились в N-белке – на него в вирусной частице намотана РНК – и шиповидном S-белке, том самом, который отвечает за связывание вируса с клеточным рецептором ACE2. По сравнению с безобидными коронавирусами, N-белок у опасных штаммов лучше проникает в ядро, так как у него «прицельно» изменяется особая последовательность (NLS-участок, nuclear localization sequence), которую узнают белки, насквозь пронизывающие ядерную мембрану и избирательно пропускающие в и из ядра те или иные соединения.

То, что коронавирусные N-белки несут NLS-участки и умеют проникать в ядро клетки, которую они заразили, известно давно. Но вот зачем им это нужно – до сих пор не ясно. Геном коронавирусов записан в молекуле РНК, и для его прочтения и тем более намотки на нуклеокапсидный белок проникать в ядро не нужно: все необходимые клеточные ферменты есть в цитоплазме. Одна из гипотез предполагает, что, попав в ядро, N-белки каким-то образом влияют на считывание собственных клеточных генов – например, мешают зараженной клетке привлекать клетки иммунной системы. Косвенно эту гипотезу подтверждает факт повышенной патогенности свиных коронавирусов, чьи белки тоже проникают в ядро.

Другие изменения затрагивают непосредственно «хватательную» часть S-белка. Замена нескольких аминокислот делает ее более пластичной – то есть эта область может немного изменять свою трехмерную укладку. Не исключено, что именно повышенная гибкость позволяет ей хорошо прикрепляться не только к летучемышиному рецептору, но и к человеческому. Благодаря такой универсальности уханьский коронавирус мог легко преодолеть межвидовой барьер и перепрыгнуть с летучей мыши на человека. Для сравнения: хватательная часть спайк-белка MERS куда более неповоротлива. Именно поэтому, вероятно, он лишь изредка может перескочить с верблюда на человека и очень плохо передается между людьми.

НЕИСПОЛНИМОЕ ЖЕЛАНИЕ

Очень многие, в том числе и подкованные в биологии, люди уверены, что со временем все паразиты приспосабливаются к хозяевам и перестают убивать их направо и налево. Увы, но это утверждение не имеет под собой оснований. Начать с того, что эта логика работает только в ситуации, когда хозяев ограниченное количество – а это точно не наш случай. Кроме того, коронавирус лучше всего передается до появления симптомов, пока хозяин в любом случае еще жив (мы подробно обсудим этот вопрос в следующих главах). Ну и наконец, мы в основном видим вокруг себя приспособившиеся друг к другу пары паразит – хозяин (то есть первый использует последнего, но не убивает) не потому, что это обязательный конечный результат паразитизма. Просто пары, которые не приспособились, вымерли. Как вымерли 99,9 % всех видов, которые когда-либо существовали на планете. Во Вселенной нет органа, который бы выдавал гарантии эволюционного успеха, и, если паразит «выбирает» слишком агрессивную стратегию, он вымирает (вместе с хозяевами). Считать, что раз мы наблюдаем в основном умеренный паразитизм, то это и есть эволюционная норма, – классическая ошибка выжившего.

Понимание, какие именно места в белках нового коронавируса определяют его самые опасные черты, может помочь в разработке лекарств или вакцины против него. Пока ученые и медики тестируют в основном уже давно известные вещества, часть из которых обладает общим противовирусным действием (точнее, его вроде бы удается обнаружить в культурах клеток), а часть и вовсе была разработана для борьбы с другими вирусами и для лечения нынешнего их пробуют применять, так сказать, по аналогии. Очевидно, что специфический препарат, прицельно созданный для нейтрализации конкретного патогенного механизма конкретного коронавируса, будет куда эффективнее. И теперь у исследователей есть зацепки, в какую сторону думать для разработки такого препарата. Подробнее поговорим об этом в главах «Где лекарство?» и «Где вакцина?».

Благодаря приличной заразности и относительно высокой летальности SARS-CoV-2 достиг куда больших успехов на пандемической ниве, чем его более смертельные родственники. Можно сказать, что уханьский паразит – «гибрид» опасных и безобидных коронавирусов, удачно сочетающий их лучшие черты. Окажется ли он при этом победителем по вирусному гамбургскому счету – покажет время. Эволюционный успех для вируса определяется его способностью как можно шире распространиться и сохраняться в популяции хозяев как можно дольше. Пока простудные коронавирусы с этой точки зрения выглядят более удачливыми. Они не только куда более распространены, но еще и не подвергаются гонениям, так как почти никогда не убивают хозяев. А на уничтожение SARS-CoV-2 брошены невиданные денежные и человеческие ресурсы. Впрочем, чем окончится предприятие по изведению коронавируса, пока не ясно.

Глава 3. Откуда он взялся

Как бы ни казалось странным, но большинство вирусов мы получили от животных. Впрочем, странным это кажется лишь на первый взгляд. Если поразмышлять еще немного, странной как раз покажется идея уникальных человечьих вирусов. Люди всего лишь один вид из примерно 5,3 млн обитающих на планете эукариот^[10] – грубо говоря, всех, кроме вирусов, бактерий и архей^{16}. По другим оценкам^{17}, число видов на Земле ближе к 8,7 млн. А если вспомнить, что примерно 99,9 % всех когда-либо живших видов вымерло, счет пойдет на миллиарды. И даже если отбросить совсем далеких от нас существ вроде растений, грибов, простейших и так далее и оставить только млекопитающих и птиц, цифры все равно будут космическими. И у каждого из этих миллионов видов есть вирусы. С одной стороны, как мы убедились в прошлой главе, раз вцепившись в какого-нибудь хозяина, вирус изо всех сил старается приспособиться к нему, шаг за шагом обходя всевозможные защитные механизмы. Это часто приводит к узкой специализации. Однако, если в результате случайного события патоген окажется в другом организме, который не сможет сразу дать отпор и позволит вирусу хоть немного размножиться, у него появляется колоссальное преимущество перед остальными за счет расширения кормовой базы. Поэтому перескоки вирусов с одного хозяина на другого случаются, хотя и не очень часто. Но, учитывая гигантское число потенциальных хозяев и самих вирусов, даже такие редкие прыжки приводят к тому, что множество вирусов не ограничиваются одним носителем, а умеют заражать сразу несколько порой довольно далеких видов. Уникальная способность вирусов стремительно изменяться дополнительно помогает им, позволяя быстро подстроиться под особенности биохимии нового хозяина.

Такие перескоки порой происходят буквально у нас на глазах. Например, долгие годы ученые были уверены, что парвовирус FPLV (от английского feline panleukopenia virus, вирус панлейкопении кошек) заражает только кошек и енотов. Однако в середине 1940-х болезнь, аналогичная той, что вызывается FPLV, была обнаружена у детенышей норок, причем летальность составила 80 %, примерно столько же, сколько у непривитых котят. Через 30 лет очень похожее заболевание выявили уже у собак, и это была настоящая пандемия, распространившаяся по всему миру за несколько месяцев^{18}. Вирус норок назвали MEV, а собачью разновидность – CPV-2. Генетический анализ показал, что MEV и CPV-2 – потомки исходного вируса FPLV: мутации, которые отличают их от предка, позволяют «молодым» вирусам проникать в клетки новых хозяев и уходить от их иммунного ответа^{19}.

Так что смена вирусом хозяина вполне рядовое событие. И вероятность, что этим новым хозяином окажется человек, очень немаленькая. По крайней мере, именно так было до тех пор, пока люди не отдалились от остальных обитателей планеты. В наши дни, когда самое дикое животное, которое большинство детей встречают в жизни – домашняя кошка, – кажется, что перенос инфекций из нетронутой природы людям маловероятен. Это в корне ошибочное представление.

Несмотря на урбанизацию, люди и животные продолжают тесно общаться. Более того, в последние годы шансы получить неприятные подарки от зверей и птиц только растут^{20}. У этой контринтуитивной тенденции множество причин. Человечество увеличивается, и ему нужно место для жизни и выращивания сельскохозяйственных растений и животных. Освобождая территорию для новых деревень, полей и пастбищ, люди вырубают леса и встречаются с их обитателями, которые в норме избегают человека. Благодаря развитой торговле животные и птицы, как мертвые, так и еще нет, попадают в страны, отделенные друг от друга горами, океанами и огромными расстояниями. Еще 100 лет назад таких перевозок было намного меньше. Наконец, изменение климата заставляет множество видов массово мигрировать в новые места обитания. Из 335 новых инфекционных болезней, появившихся в период с 1940 по 2004 год, 60,3 % пришли к нам от животных^[11]. Такие болезни называют зоонозами, и 71,8 % из них перескочили на людей от диких животных^{21}.

Но разные вирусы перепрыгивают с хозяина на хозяина с неодинаковой вероятностью. Среди животных «талант» выращивать способные к межвидовым прыжкам вирусы тоже распределен неравномерно. В случае нынешней эпидемии оба этих фактора максимально благоприятствовали появлению нового человеческого вируса – в том смысле, что сочетание коронавирусов и летучих мышей уже очень давно обещало породить что-нибудь этакое. Впервые об этом всерьез забеспокоилась группа китайских исследователей под руководством Ши Чжэнли из Института вирусологии в Ухане. Исследовательница уже долгие годы изучает вирусы летучих мышей, Ши и ее коллеги регулярно отправляются в экспедиции в самые глухие пещеры Китая, где водятся разные виды этих млекопитающих. Ученые ловят их, привозят в лабораторию, выделяют из крови вирусы и исследуют. За любовь к рукокрылым коллеги прозвали Ши Чжэнли Batwoman, то есть «Женщина – летучая мышь».

В 2005 году Ши и соавторы опубликовали статью^{22} в Science, одном из самых авторитетных журналов, где печатаются работы ученых, занимающихся естественными науками. В своем исследовании Ши и коллеги сравнили фрагменты расшифрованных геномов вирусов, выделенных из 408 летучих мышей девяти разных видов, которых они отловили в четырех китайских провинциях. Авторы установили, что, хотя глобально геномы вирусов разных рукокрылых схожи, несколько участков очень сильно отличаются друг от друга. Один из вариабельных фрагментов находился в последовательности S-белка, того самого, который необходим для связывания с рецептором клетки-хозяина и проникновения в нее. Если в общем геномы вирусов разных летучих мышей схожи более чем на 90 %, то в этой части доля отличий возрастала до 40 %. Как отметили Ши и коллеги, столь значительная вариабельность хватательной части S-белка указывает, что мышиные коронавирусы обладают большим потенциалом по части смены хозяев. Главными подозреваемыми, работающими как инкубатор новых вирусов, ученые назвали насекомоядных подковоносых летучих мышей, которые встречаются практически по всему миру. Более того, авторы предложили возможный механизм перескока мышиных вирусов на человека.

Местом встречи коронавирусов подковоносых мышей и их потенциальных хозяев-людей исследователи назвали китайские рынки, где торгуют живностью (в блюдах китайской кухни в качестве ингредиентов используются, кажется, все известные представители флоры и фауны). Сами подковоносы не очень популярны, а вот разнообразные крыланы расходятся в буквальном смысле как горячие пирожки. В дикой природе (а также в вольерах и клетках) крыланы встречаются с подковоносами и могут заражаться их вирусами. Дальнейшее только вопрос времени: через укус, помет или плохо прожаренное мясо паразиты могут относительно легко проникнуть в организм человека. А учитывая склонность коронавирусов к мутациям, и особенно к мутациям в S-белке, вполне может случиться, что любитель экзотических блюд, охотник или продавец получит вирусный штамм, способный цепляться не только за мышиные, но и за человечьи рецепторы.

И хотя точное место, откуда летучемышиные коронавирусы перескочили на людей, неизвестно (версию про уханьский рынок морепродуктов поддерживают не все ученые), само по себе предсказание, что однажды какой-нибудь из сожителей рукокрылых захочет сменить партнера, сбылось с пугающей точностью. Более того, за два года до эпидемии другая группа китайских исследователей привела веские доказательства того, что коронавирусы летучих мышей регулярно предпринимают попытки найти себе новый дом. Изучив образцы крови людей, живущих поблизости от крупных мышиных колоний, исследователи обнаружили у 2,7 % жителей антитела к летучемышиным коронавирусам^{23}. Но эти штаммы, очевидно, были не слишком удачливыми и не смогли закрепиться в человеке. В отличие от SARS-CoV-2.

Но почему именно летучие мыши? Что заставило Ши и других ученых сосредоточиться на этих странных животных? Причин сразу несколько. Первая: рукокрылых страшно много. Они составляют около 20 % от всех известных видов млекопитающих. То есть каждый пятый вид млекопитающих на планете – какая-нибудь летучая мышь. Больше видов только у грызунов. Если считать в штуках, цифры тоже впечатляют: рукокрылые любят жить колониями, многие из которых насчитывают десятки миллионов особей, как, например, крупнейшее из известных общежитий летучих мышей в пещере Брэкен возле техасского Остина, где обитают около 30 млн этих животных. Пол и стены мышиных убежищ покрыты густым слоем помета, поэтому в пещеры регулярно наведываются фермеры. Экскременты рукокрылых – ценное (и, главное, бесплатное) удобрение для полей. Версия, что первыми заразившимися были не продавцы летучих мышей, а китайские фермеры, жаждущие удобрять поля биопродуктом, также рассматривается как одна из приоритетных.

Вторая причина – это, похоже, способность летать^[12]. Полет – один из самых ресурсоемких видов движения у живых существ. Чтобы получать дополнительную энергию, необходимую для перемещений по воздуху, мыши разогнали свой метаболизм до максимальных оборотов. Биохимически это означает усиленную работу митохондрий – внутриклеточных органелл, ответственных за выработку энергии^{24}. Такой режим сопровождается серьезным побочным эффектом – выделением большого количества свободных радикалов (в народе больше известных как активные формы кислорода) – метаболически активных веществ, которые портят все, к чему приближаются. В числе прочего они повреждают ДНК как в самих митохондриях – эти органеллы когда-то были свободноживущими бактериями и сохранили часть генома, – так и в ядре клетки. Предполагается, что в результате этого фрагменты ДНК могут попадать в цитоплазму. В норме этого никогда не происходит, и с точки зрения клетки появление ДНК вне ядра или митохондрий – однозначный признак того, что внутрь пробрался вирус. Обнаружив подобное безобразие, клетка моментально запускает защитный интерфероновый ответ, который, помимо прочего, останавливает синтез белка, чтобы вирус не мог размножиться.

Сенсором, который включает тревожную кнопку в ответ на появление в цитоплазме ДНК, служит белок под названием STING (от английского Stimulator of Interferon Genes, стимулятор интерфероновых генов). И оказалось, что у летучих мышей в последовательности этого белка имеется мутация, из-за которой он работает не так активно^{25}. У других млекопитающих такой мутации нет. Измененный STING все равно запускает интерфероновый ответ, но гораздо менее мощный. Кажется, что это должно вредить мышам, но на самом деле ровно наоборот. Излишне интенсивная выработка интерферонов и провоцируемый ею запуск других защитных реакций зачастую вредят организму куда больше собственно вируса. Сегодня мы знаем, что основная причина смертей людей от COVID-19 – гиперактивация иммунной системы и ее последствия. Если бы STING у летучих мышей работал так же, как у других млекопитающих, плохо контролируемая реакция воспаления запускалась бы у них после каждого вылета на охоту. Благодаря мутации в белке STING выработка интерферонов в ответ на подозрительные нуклеиновые кислоты сохраняется, однако поддерживается на умеренном уровне, недостаточном для запуска чрезмерного воспалительного ответа. И это не единственный механизм, защищающий мышей от атаки собственного иммунитета, обнаружившего в цитоплазме ДНК. Недавний анализ показал, что у рукокрылых отсутствует целое семейство генов, участвующих в развитии реакции воспаления в ответ на куски нуклеиновых кислот в неположенном месте^{26}.

Вероятно, изначально эти приспособительные механизмы возникли как способ обеспечить мышам возможность летать в обход базовых реакций иммунной системы. Но у этих механизмов обнаружился интересный побочный эффект. Научившись игнорировать ДНК в цитоплазме и приглушать защитный ответ, рукокрылые невольно сделали свой организм настоящим курортом для вирусов. Зная о том, что клетки атакуют подозрительные нуклеиновые кислоты, вирусы старательно прячут их в белковую обертку. Но рано или поздно геномную ДНК приходится распаковывать, чтобы с нее могли считываться короткие РНК, на основе которых потом будут синтезироваться вирусные белки – и тут-то ее и замечают клеточные защитные механизмы. Но только не в клетках летучих мышей: в них вирусы могут «оголяться» совершенно спокойно, не опасаясь гнева иммунной системы.

Тариф «безопасное размножение» действует и для РНК-содержащих вирусов. Хотя сами они не содержат ДНК^[13], на определенной стадии заражения из-за вызванного вирусами разбаланса клеточного метаболизма начинает повреждаться собственная ДНК клетки-хозяина^{27}. Но из-за сниженной чувствительности STING и других защитных механизмов организм мыши долгое время не обращает внимания на странные клетки или атакует их не столь интенсивно, как организм других млекопитающих. Так что РНК-вирусы тоже могут вольготно размножаться в летучемышиных клетках. Благодаря этой и еще некоторым особенностям иммунной системы рукокрылых, они являются бесконечным источником всевозможных смертельно опасных вирусов (а РНК-вирусы обычно обгоняют ДНК по смертельности). Вирус Эбола и родственный ему вирус Марбург, лишь немногим менее смертельный, вирус Нипах (вызывает приводящий к смерти энцефалит), вирусы SARS и MERS, а теперь новый коронавирус SARS-CoV-2 лишь малая часть огромного списка вирусов, пестуемых летучими мышами.

При этом сами рукокрылые от большинства переносимых ими вирусов не страдают. Ученые связывают такую удивительную устойчивость опять же с измененными механизмами иммунного ответа. Так, в одной из работ было показано, что клетки летучих мышей в ответ на заражение вирусами демонстрируют очень быстрый интерфероновый ответ, который заставляет паразитов очень быстро перемещаться из клетки в клетку. В итоге вирусы быстро распространяются по организму, но их количество всегда остается умеренным^{28}. Очевидно, этот результат противоречит описанному выше смазанному интерфероновому ответу из-за мутаций в белке STING. Вероятно, дело в том, что у мышей работают разные интерфероновые пути (их, как и самих интерферонов, очень много). В каких ситуациях включается та или иная цепочка реакций, нам только предстоит выяснить: следует думать, что после нынешней пандемии исследования летучих мышей, до сих пор уныло прозябавшие где-то на обочине науки, заметно интенсифицируются.