Интерферон — основа противовирусной защиты организма
Интерферон (ИФН, IFN) — часть врожденного иммунитета всех позвоночных животных. Первой система интерферона появилась у рыб. Потом ее наследовали земноводные, пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие. С эволюцией животных развивалась и их система ИФН. Например, у человека уже обнаружен 21 класс интерферонов, отличающихся нюансами функционирования.
Самое важное биологическое свойство интерферона — его противовирусная активность. Молекула ИФН не борется непосредственно с вирусной частицей, но запускает в организме все без исключения механизмы противовирусной защиты.
Чтобы скоординировать усилия по защите от вируса и по его уничтожению, клетки организма обмениваются молекулами интерферона как сигнальными сообщениями. При атаке вирусных частиц почти любая клетка организма может синтезировать молекулы интерферона, которыми она сообщает остальным клеткам, что заражена.
Способность уловить молекулу ИФН есть у всех типов клеток организма. Они улавливают интерферон на своей поверхности с помощью специальных белков, называемых рецепторами. Рецепторы к интерферону — это основной компонент врожденной иммунной системы.
Клетки тканей, получив сигнал ИФН, перестраивают свои биохимические процессы так, чтобы:
- постараться защититься от вирусной атаки;
- замедлить размножение вируса, если защититься не удалось и вирус проник внутрь.
Иммунные клетки, получив сигнал ИФН, движутся в сторону, откуда пришел сигнал. Таким образом, в месте вирусной атаки оказывается много клеток врожденного иммунитета, которые:
- непосредственно уничтожают вирус;
- синтезируют много молекул интерферона (больше, чем клетки тканей) для привлечения других иммунных клеток в зараженную область.
Вирусные атаки чаще всего направлены на эпителиальные (наружные) ткани органов дыхания, пищеварительного тракта, репродуктивного тракта, слизистых глаз. Поэтому плотность иммунных клеток в этих тканях высокая, чтобы в случае атаки быстро синтезировать много молекул интерферона.
Универсальность и быстрота реакции системы интерферонов
Важный эволюционный шаг в развитии системы ИФН позвоночных — ее универсальность по отношению к разным типам вирусов. Интерфероны одинаково эффективно работают как при атаках уже известных вирусов, так и новых вирусов, появившихся в популяции.
Главная задача системы ИФН — защитить организм до тех пор, пока не включится приобретенный иммунитет. Приобретенный (адаптивный) иммунитет — самый совершенный инструмент организма для борьбы с вирусами. Однако для запуска этого высокоточного механизма требуется 3 — 5 дней.
В первые дни болезни только работа системы интерферона защищает организм от смертельного воздействия вируса. Уже через 3 часа после заражения клетки организма начинают вырабатывать молекулы ИФН.
Эволюционная борьба вирусов с системой интерферона
За миллионы лет межвидовой борьбы у вирусов накопилось множество стратегий подавления, обхода или замедления работы системы ИФН. Чем больше у вируса было таких стратегий, тем выше были его шансы выжить.
Например, некоторые вирусы умеют прятать свой генетический материал от сенсорных рецепторов клетки и блокировать синтез интерферона. Такое препятствие врожденному иммунному ответу дает вирусу существенное временное преимущество для беспрепятственного размножения. Наиболее ярко эта способность проявилась во время пандемии коронавирусной инфекции COVID-19, вызванной коронавирусом SARS-CoV-2. У многих пациентов из группы риска этот коронавирус блокировал выработку интерферона, в результате чего вирус успевал поразить почти все жизненно важные органы и приводил к смерти.
Еще одна эволюционная способность вирусов — блокировать само действие интерферона. Например, вирус Эбола побуждает зараженную клетку производить особый белок, который делает клетку невосприимчивой к молекулам интерферона. В этом случае клетка не способна распространять сигнал ИФН.
Несмотря на противодействие вирусов, ИФН все равно вырабатывается клетками, только в меньшем количестве.
Эволюционная борьба вирусов с системой интерферона — это бесконечное состязание. Иммунная система находит очередное эффективное противовирусное решение, а вирусы через какое-то время мутируют так, чтобы это решение обойти.
Но человек нашел способ получить преимущество в этой битве. Он научился синтезировать интерферон и использовать его, когда собственного интерферона организму не хватает для борьбы с болезнью.
Некоторые вирусы, обладающие стратегиями борьбы с системой интерферона:
| Семейство вирусов | Представители семейства |
| коронавирусы | SARS-CoV (атипичная пневмония) |
| MERS-CoV (ближневосточный респираторный синдром) | |
| ортомиксовирусы | вирус гриппа A, В, С, D |
| герпесвирусы | вирус простого герпеса (ВПГ-1, ВПГ-2) |
| цитомегаловирус | |
| гепатовирусы | вирус гепатита С, В |
| ретровирусы | вирус иммунодефицита человека (ВИЧ-1, ВИЧ-2) |
Механизмы противовирусной защиты
1. Когда клетка получает сигнал ИФН, она начинает готовиться ко вторжению вируса. Под воздействием интерферона в клетке изменяется активность около 1000 генов.
Одни гены перестают работать, и прекращается синтез ассоциированных с ними белков. Клетке от этого становится хуже — она перестает расти и размножаться. Но в случае заражения такой механизм позволяет затормозить размножение вируса, поскольку для синтеза новых вирусных частиц используются ресурсы клетки.
Другие гены, наоборот, активируются интерфероном, и клетка начинает производить белки противовирусной защиты. Некоторые белки непосредственно борются с вирусом – они стремятся подавить вирус на каждой из стадий его жизненного цикла. Еще одна группа синтезируемых белков распространяет информацию о вирусном вторжении по организму и координирует противовирусную защиту. В эту группу входит и интерферон.
Все гены, которые активируются в клетке под воздействием интерферона, называются интерферон-стимулированными генами (interferon-stimulated gene, ISG). Их активация критически важна, чтобы не допустить иммунного гипервоспалительного ответа, который может привести к значительному повреждению тканей организма и смерти.
2. Интерферон запускает и другой механизм противовирусной защиты — он активирует несколько типов клеток иммунной системы, которые способны поглощать и переваривать чужеродные частицы. Такие иммунные клетки называются фагоцитами. Они, как и интерферон, – часть врожденного иммунитета.
Следуя сигналам ИФН, фагоциты находят место произошедшей вирусной атаки и стремятся уничтожить чужеродные частицы и зараженные клетки. Интерферон также стимулирует фагоциты усиленно вырабатывать активные формы кислорода, которые нужны для переваривания чужеродных микроорганизмов.
ИФН способствует тому, чтобы зараженные клетки становились более заметными для фагоцитов. В таком случае фагоцит быстрее найдет зараженную клетку и уничтожит ее вместе с новыми вирусными частицами, которые не успели ее покинуть.
3. Еще один механизм интерферона в противовирусной защите — помощь приобретенному иммунитету. Приобретенный иммунитет — самый эффективный эволюционный инструмент защиты от инфекций. Приобретенный иммунитет — это совокупность высокоспециализированных клеток и белков, которые точечно уничтожают возбудителя инфекции и при этом не повреждают ткани организма. Приобретенный иммунитет отвечает за долговременную иммунную память и при повторной встрече с инфекцией не дает развиться заболеванию. Интерфероны способствуют созреванию и обучению клеток приобретенного иммунитета. ИФН способствуют деятельности клеток, производящих специфические маркеры чужеродного гена. Такие маркеры называются антителами.
4. У системы ИФН есть важная особенность, которая стала еще одним механизмом противовирусной защиты. Если организм уже заражен каким-то вирусом, то становится значительно сложнее заразить его другим типом вируса. Этот механизм ученые назвали интерференцией вирусов (interference, англ. — интерференция, помеха, препятствие, взаимовлияние).
Эволюция знаний об интерференции вирусов и об интерферонах
Интерференция вирусов была открыта в 1937 году английскими вирусологами Джорджем Финдли и Фредериком МакКэллумом.
В одном из экспериментов ученые ввели лабораторным обезьянам смертельный вирус, но обезьяны остались живы — у них даже болезнь не развилась. Ученые стали пристально изучать этот феномен, стремясь понять, что же защитило животных от смертельного вируса.
Сопоставив факты, ученые нашли причину: за несколько дней до смертельной инъекции этим же обезьянам вводили ослабленный вирус желтой лихорадки.
Опыт был многократно повторен с тем же результатом. Этот эксперимент стал первым в открытии нового механизма противовирусной защиты.
Объяснить механизм интерференции вирусов в то время не получилось — не было методов для исследования процессов в отдельных живых клетках. Рабочей гипотезой, объясняющей новый феномен, стала конкуренция между разными типами вирусов за питательные ресурсы.
Спустя 10 лет, в 1947 году американский вирусолог Джон Франклин разработал способ выращивать клетки растений и животных в искусственных условиях (in vitro, лат. – в стекле; in vitro, англ. – искусственный). Эта разработка позволила изучить, как клетки живут и взаимодействуют с внешней средой.
Еще через 10 лет, в 1957 году английский ученый Алик Айзекс и швейцарец Жан Линденман открыли белковую молекулу, которую синтезируют клетки в ответ на вирусную атаку. Ученые доказали, что именно появление этих молекул объясняет феномен интерференции вирусов.
Айзекс и Линденман использовали технологию Франклина по искусственному выращиванию клеток для наблюдения за процессом заражения клеток вирусами.
Сначала в культуру клеток добавляли один тип вируса. Спустя некоторое время туда же добавляли другой тип вируса. Здоровых клеток было много, поэтому исследователи ожидали увидеть, что разные вирусы не сильно конкурируют за пищевые ресурсы в виде здоровых клеток. Ученые стремились увидеть менее яркий феномен интерференции вирусов.
Реальность оказалась противоположной — вирус, который добавили вторым, не смог заражать здоровые клетки. Зато в окружающей среде появилось новое белковое вещество, которое вырабатывали клетки в ответ на введение первого вируса. Причем в здоровых клетках этого белка не было. Открытое белковое вещество было названо интерфероном (ИФН, IFN).
Так началась эра изучения нового механизма противовирусной защиты позвоночных животных.
Современный уровень знаний о человеческом интерфероне.