История вирусологии

История вирусологии

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

ИСТОРИЯ ВИРУСОЛОГИИ.

                                                                                  Реферат

                                                                            студента 3 курса 6 группы

                                                                   КОВАЛЬЧУКА К.В.

Минск 2003г.

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 белых первопроходцев в тропической Африке и моряков. Первые описания вирусных болезней у растений относятся к живописной пестролепестности тюльпанов, которые уже около 500 лет выращивают голландские цветоводы.

Началом становления вирусологии как науки можно считать конец XIX века. В 80-х годах XIX века, работая над созданием вакцины против бешенства, Луи Пастер (1822-1895) впервые применил термин вирус (от лат.virus, яд) для обозначения инфекционного агента. Пастер был первым, кто начал использовать лабораторных животных в работах по изучению вируса. Он проводил исследования по инокуляции  материала, полученного от больных бешенством, в мозг кролика. Однако Пастер не  делал различия между вирусами как таковыми и другими инфекционными агентами.

 Первым, кто выделил вирусов как конкретную группу инфекционных агентов, был  русский учёный Дмитрий Иванович Ивановский (1864-1920). В 1892 году в результате проведённых исследований Д.И.Ивановский пришёл к выводу, что мозаичная болезнь табака вызывается бактериями, проходящими через фильтр Шамберлана, которые кроме того  не способны расти на искусственных субстратах. Представленные данные о возбудителе табачной мозаики (ВТМ) затем длительное время являлись критериями для отнесения возбудителей болезней к «вирусам»: фильтруемость через «бактериальные» фильтры, неспособность расти на искусственных средах, воспроизведения картины заболевания фильтратом, освобожденным от бактерий и грибов.

В 1898 году Мартин Бейеринк (1851-1931) подтвердил и расширил исследования Ивановского над ВТМ и сформулировал  первую полноценную теорию о вирусах как о новом классе микроорганизмов и возбудителей. Несмотря на то, что многие зарубежные ученые приписывали ему честь открывателя вирусов, Бейеринк признал  приоритет Ивановского.

Фильтруя через бактериологические свечи патологический материал, взятый от больных людей и животных, в котором с помощью светового микроскопа не удавалось обнаружить каких-либо патогенных бактерий и грибов, микробиологи и врачи в считанные годы установили вирусную этиологию многих антропонозных и зоонозных болезней. Так, уже в 1898 году Ф.Лефлер и П.Фрош установили фильтруемость возбудителями ящура коров. Таким образом, они были первыми, кто показал, что вирусы могут поражать не только растения, но и животных. Это первое открытие вирусной природы широко распространенной и очень опасной зоонозной болезни парнокопытных позволило признать, что описанные в 1892-1906 гг. автономные элементарные тельца Э. Пашена и цитоплазматические включения Г.Гуарниери в эпителиальных клетках содержимого везикул и пустул (пузырьков) при натуральной оспе человека тоже вирусы – вне- и внутриклеточно располагающиеся, обособленные и сгруппированные в колонии. Такие же включения-колонии вирусов обнаружили в 1898-1903 гг. В.Бабеш и А.Негри в цитоплазме нейронов мозга погибших от бешенства животных.

Серия открытий новых вирусов пришлась на первое десятилетие XX века. Началась она с исследований Уолтера Рида (1851-1902), установившего в 1901 г. вирусную природу тропической желтой лихорадки. Рид руководил исследованиями, проводимыми Военной комиссии США по жёлтой лихорадке. В ходе них было установлено, что вирус жёлтой лихорадки присутствует в крови больного в течение первых трёх дней лихорадки и что вирус может передаваться при укусе комара; таким образом, впервые было показано, что вирусы может передаваться насекомыми. Кроме того, было выявлено, что прежде чем комар приобретает способность передавать инфекцию, должно пройти определённое время. Так появилось представление о внешнем инкубационном периоде.

 Семь лет спустя было доказано, что вирусными болезнями являются также полиомиелит (К. Ландштейнер и Э. Поппер), денге (П. Ашбери и Ч. Крейч) и лейкоз кур (В. Эллерман и О. Банг), который в то время считали простым «системным разрастанием кроветворной ткани». Через 3 года в 1911 г. Фрэнсис Раус (1879-1970)  , использовав все тот же метод фильтрации вытяжки тканей саркомы кур, привел неопровержимые доказательства наличия в ней онкогенного вируса, способного вызывать аналогичную опухоль у здоровых птиц. Это великое открытие было отмечено Нобелевской премией только спустя 55 лет в 1966 году. Благодаря исследованиям X. Арагана и Э Пашен (1911-1917) была признана вирусная природа ветряной оспы, при которой в кожных высыпаниях закономерно выявляются элементарные тельца Арагана. Одновременно с ними Т. Андерсон и Дж. Гольдберг (1911) установили вирусную этиологию кори.

В 1915 г. Фредериком Туортом (1877-1950) были открыты вирусы бактерий. В 1917 г. независимо от него вирусы бактерий были открыты Феликсом Д’Эрелем (1873-1949), он же ввёл термин ‘бактериофаг.

Вторая волна продолжающихся открытий вирусов антропонозных болезней приходится на 30-е гг. прошлого века. В 1933 году У.Смит, К.Эндрюс и П.Лейдлоу установили, что грипп вызывается не бактерией (Bacterium influenzae), а вирусом (ортомиксовирусом). К началу Второй мировой войны к вирусным болезням были причислены эпидемический паротит (К.Джонсон и Э.Гудпасчур, 1934), японский летне-осенний комариный энцефалит (М.Хаяши и А.С.Смородинцев, 1934-1938), дальневосточный клещевой весенне-летний энцефалит (Л.А.Зильбер, М.П.Чумаков, В. Д. Соловьев и др., 1937), краснуха (Дж. Хиро, С. Тасака, 1938). Предположение о вирусной этиологии гепатитов высказали в 1937 г. Г. Финдли и Ф. Мак-Каллум, подтвердили его в экспериментах на обезьянах и людях-добровольцах в 1943-1944 гг. Д. Камерон, Ф. Мак-Каллум и В. Хавенс.

Первый шаг в направлении описания молекулярной структуры вирусов был сделан в 1935 году, когда В.Стенли получил кристаллы вируса тобачной мозаики (Нобелевской премия, 1946). Детально изучить тонкую структуру вирусов стало возможно в 50-60 гг. после усовершенствования электронного микроскопа.

В 1938 г. М.Тэйлор (M. Theiler, 1899-1972) получил ослабленную живую вакцину против жёлтой лихорадки (Нобелевская премия, 1951). 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-хозяев мышей. Развитие его подхода в конечном итоге привело к получению других вирусов, причём кульминацией в этом цикле работ стало выделение Далдорфом и Сайклзом в 1948 г. группы вирусов эпидемической миалгии  на мышах-сосунках. В начале тридцатых годов кроме мышей стали использовать также куриные эмбрионы, т.е. появился ещё один источник тканей, чувствительных к заражению вирусами и способных поддерживать их размножение, особенно подходящий для группы поксвирусов.

По мере того как появлялись и совершенствовались все эти экспериментальные системы, развивались количественные методы исследований. К ним относится тестирование на людях лимфы, содержащей вирус осповакцины, которое начали проводить с 1920 л., а также методы определения других вирусов, разработанные после появления работы Гарви и Актона с вирусом бешенства в 1923 г. однако первый точный и быстрый метод подсчёта эукариотических вирусов был разработан только в 1941 г., когда Хирст (G.Hirst) продемонстрировал, что вирус гриппа вызывает агглютинацию эритроцитов.

Развитие вирусологии очень сильно зависело от разработки метода культур клеток, которые сначала появились в конце 20-х годов, а затем в 40-х годах были применены для исследования вирусов энцефалитов. В 1949 г. в ключевом эксперименте Эндерса, Уеллера и Роббинса было показано, что культуры клеток способны поддерживать рост вируса полиомиелита (Нобелевская премия, 1954). 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 годы были выделены ряд энтеровирусов (Коксаки, ECHO) и респираторных (адено-, респираторно-синцитального) вирусов, что привело к тому, что были установлены причины большого числа болезней, вирусное происхождение которых до того момента лишь предполагали. Так, например, в 1953 году Блумберг открыл вирус гепатита B (Нобелевская премия, 1976) и создал против него первую вакцину. Параллельно с этими медицинскими исследованиями после 1952 г., когда Дульбекко применил к вирусам животных метод бляшек (Нобелевская премия, 1975), в количественную вирусологию вошли системы культур тканей. Метод бляшек был прямым продолжением исследований, проводившихся на бактериях и бактериофагах.

Открытие бактериофагов было оценено лишь в конце 30-х годов, когда группа учёных занялась исследованием бактериофагов, используя их как удобную модель для изучения взаимодействия вирус-клетка в точных генетических и биохимических терминах. В 1939 Э. Эллис  и М. Дельбрюк  выдвинули концепцию 'одноэтапного цикла роста вируса’ ("one step virus growth cycle") (Нобелевская премия, 1969). Эта работа заложила основы для понимания характера репродукции вирусов – понимания того, что вирусные частицы не ‘растут’, а собираются из образованных до сборки компонентов. В 1945 г. С.Лурия и А. Херши продемонстрировали, что бактериофаги способны мутировать (Нобелевская премия, 1969). Так было доказано, что генетические механизмы генетических процессов одинаковы у клеточных организмов и у вирусов. Также эта работа заложила основу для понимания антигенной изменчивости вирусов.

В 1950 г. А.Львов с сотрудниками открыл в Bacillus megaterium лизогенный бактериофаг и ввёл термин профаг (Нобелевская премия, 1965), Таким образом выяснилось, что существуют умеренные и вирулентные фаги. Эта работа привела к  исследованиям контроля экспрессии генов в прокариотических организмах, вылившихся в конце концов в концепцию оперона Жакоба и Моно. В 1952 г. А.Херши и М.Чейз  показали, что генетический материал бактериофагов представлен ДНК.   

Все эти исследования фагов находились в центре той революции в биологии, которая привела к возникновению молекулярной биологии. Если до сих пор в классических генетических работах биохимические приёмы не использовались, то именно применение бактериофагов в качестве генетического инструмента позволило объединить генетику и биохимию в молекулярную биологию. После открытия структуры ДНК в 50-х годах бактериофаги неоднократно играли ключевую роль в разработке новых представлений и методов для изучения организации генома, генетического кода, процессов транскрипции и трансляции. Так, в 1961 году Бренер, Жакоб и Мезельсон продемонстрировали, что бактериофаг T4 использует    для синтеза вирусных белков рибосомы клетки-хозяина, что помогло расшифровать фундаментальный механизм процесса трансляции. В 1967 году Пташне (Ptashne) выделил и изучил белок-репрессор фага λ. Существование репрессорных белков было сначала постулировано Жакобом и Моно. Работы Пташне и Гилберта (открытие lacI репрессора E.coli) показали, что репрессорные белки являются ключевыми элементами в регуляции экспрессии генов. В 1975 году Мосс, Шаткин (Shatkin) работая с реовирусами и вирусом коровьей оспы показали, что мРНК содержит на 5΄ конце  кэп. В последующем кэпы были обнаружены у мРНК эукариот.

Важные для молекулярной биологии открытия были сделаны также при использовании в качестве объектов исследований вирусов животных. Так в 1970 году Тёмин и Балтимор независимо друг от друга открыли у ретровирусов обратную транскриптазу (Нобелевская премия, 1975), способную осуществлять синтез ДНК на РНК-матрице, что послужило опровержением так называемой ‘центральной догмы’ молекулярной биологии. В 1976 году Бишоп и Вармус обнаружили, что онкоген src вируса саркомы Рауса присутствует также в геномах нормальных клеток животных, в том числе человека (Нобелевская премия, 1989). В 1977 году  Робертс и Шарп независимо друг от друга показали прерывистую структуру генов аденовирусов (наличие интронов) и сплайсинг (Нобелевская премия, 1993). В последующем прерывистость структуры была продемонстрирована для клеточных генов.

Как уже упоминалось, в 50-60 гг. было открыто большое количество вирусов как эукариотических, так и прокариотических организмов. К концу 60-х уже было открыто порядка 500 вирусов человека и животных, более 300 вирусов растений, а также множество вирусов насекомых и бактериофагов.

В 50-60 гг. также проводились исследования по изучению нетипичных вирусных агентов. В 1957 году Гайдушек (Gajdusek) предположил, что болезнь куру вызывается одним из вирусов медленных инфекций (Нобелевская премия, 1976). Он показал, что протекание болезни куру похоже на скрейпи, что куру можно передать шимпанзе и  агент, вызывающий заболевание не является типичным вирусом. Однако только в 1982 году была выявлена природа  вирусов медленных инфекций ("slow virus"), когда  Прузинер продемонстрировал, что скрейпи вызывается инфекционными белками, названными им прионами (англ, proteinaceus infections particle) (Нобелевская премия, 1997). В 1967 году  Дайнер открыл вироиды, инфекционные агенты представляющие собой «голые» суперспирализованные кольцевые молекулы РНК, вызывающие заболевания у растений.

В последующие годы список известных вирусов ещё немного пополнился: в 1981 году выделен вирус лейкемии Т-лимфоцитов человека – первый вирус, для которого была достоверно установлена способность вызывать рак у человека; в 1983 году Монтанье и Галло выделили вирус иммунодефицита человека, вызывающего СПИД; в 1989 году выделен вирус гепатита С; в 1994 году выделен  герпесвирус человека 8 (HHV-8), вызывающий саркому Капоши. Тем временем природа чуть не лишилась одного из своих творений: в 1979 году было официально объявлено об искоренении вируса оспы; последний случай заболевания был зарегистрирован двумя годами ранее в Сомали. Первоначально предполагалось также полностью уничтожить и лабораторные штаммы вируса после завершения секвенирования его генома, однако затем решение было отложено.

Между тем вирусы продолжали оставаться важнейшими объектами при проведении молекулярно-генетических исследований. В 1972 г. Берг создал первые рекомбинантные молекулы ДНК, построенные на основе кольцевого ДНК-генома вируса SV40 с  включением генов фага λ и галактозного оперона E.coli (Нобелевская премия, 1975). Эта работа дала начало технологии рекомбинантных ДНК. В 1977 стала известна первая полная нуклеотидная последовательность генома биологического объекта: Сэнгер с сотрудниками определили нуклеотидную последовательность генома фага ØX174 (5375 нуклеотидов) (Нобелевская премия, 1980). В 1985 году в продажу поступил первый коммерческий генетически модифицированный организм: модифицированный вирус коровьей оспы для вакцинации против свиного герпеса (псевдобешенства). В 1990 году 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.  

ЛИТЕРАТУРА.

1. Вирусология / Под.ред. Б.Филдса, Д.Найпа: В 3 т.-М.:Мир, 1989.

2. Павлович С. А. / Основы вирусологии.- Минск, Вышэйшая школа, 2001.

3. Alan J. Cann / Principles of molecular virology. Academic Press, 2000.