Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы

Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы.

1. Понятие о вирусах:

В 1892 г. русский ботаник Д. И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растений табака, пораженных мозаичной болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, способный задерживать бактерии, отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства. В 1898 г. голландец Бейеринк (Beijerink) придумал новое слово “вирус” (от латинского слова, означающего “яд”), чтобы обозначить этим термином инфекционную природу некоторых профильтрованных растительных жидкостей. Хотя удалось достичь значительных успехов в получении высокоочищенных проб вирусов и было установлено, что по химической природе это нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты, связанные с белками), сами частицы все еще оставались неуловимыми и загадочными, потому что они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью светового микроскопа. Поэтому-то вирусы и оказались в числе первых биологических структур, которые были исследованы в электронном микроскопе сразу же после его изобретения в 30-е годы нашего столетия.

Вирус – это субклеточный инфекционный агент, имеющий геном, окруженный белковой оболочкой. Вирусы не воспроизводятся самостоятельно, они – облигантные внутриклеточные паразиты, репродуцирующиеся только в живых клетках.

По природе вирусы являются автономными генетическими элементами, имеющими внеклеточную стадию в цикле развития.

Вирусы представляют собой частицы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот – ДНК или РНК (мимивирусы имеют оба типа молекул), заключенные в белковую оболочку, способные инфицировать живые организмы. Белковую оболочку, в которую упакован геном, называют капсид. Наличие капсида отличает вируса от вирусоподобных инфекционных нуклеиновых кислот – вироидов.

По Балтимору классифицируют ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы.

Несмотря на довольно простую органическую структуру, вирусы являются полноправными представителями живой природы. Им присущи основные признаки жизни, такие как: способность к самовоспроизведению, изменчивость, наследственность, способность приспосабливаться к условиям окружающей среды, подчинение законам эволюции, определенное место в иерархии живых организмов. Они могут проявлять свойства живых организмов только попав внутрь клетки.

От живых организмов (внутриклеточных паразитов) отличаются полным отсутствием основного и энергетического обмена, и отсутствием сложнейшего элемента живых систем – аппарата трансляции (синтеза белка). Следует также отметить, что вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки-хозяина. Они находятся на самой границе между живыми и неживыми.

Изучением вирусов занимается наука о вирусах – вирусология.

2. Как действуют вирусы?

Вирусы содержат специфические ферменты, участвующие в регуляции жизненного цикла вируса. При проникновении вируса внутрь клетки специальные белки вирусной частицы связываются с белками-рецепторами клеточной оболочки. Далее вирус высвобождает свой генетический материал, который, используя ресурсы зараженной клетки, начинает образовывать новые вирусные частицы.

В животную клетку вирус может проникать при процессах пино- и фагоцитоза, в растительную – при различных повреждениях клеточной стенки. Внутрь клетки проникает только нуклеиновая кислота вируса.

Вирус подавляет существующие в клетке процессы транскрипции и трансляции. Он использует их для синтеза собственных нуклеиновой кислоты и белка, из которых собираются новые вирусы. После этого клеточные оболочки разрушаются, и новообразованные вирусы покидают клетку, которая при этом погибает.

Вирусы способны поражать различные живые организмы. Вирусную природу имеют такие заболевания животных и человека как: натуральная оспа, бешенство, энцефалиты, лихорадки, инфекционные гепатиты, бородавки, многие злокачественные опухоли, СПИД, и др., кроме того вирусы способны вызывать генные мутации.

Вирус, вызывающий заболевание СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита) называемый ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), поражает клетки крови, обеспечивающие иммунитет организма. В результате больной СПИДом может погибнуть от любой инфекции. Вирусы иммунодефицита человека могут проникнуть в организм человека во время половых актов, или во время инъекций или операций при несоблюдении условий стерилизации. Профилактика СПИДа заключается в избегании случайных половых связей, применении одноразовых шприцев.

3. Строение вирусов:

Вирусы устроены очень просто. Они состоят из фрагмента генетического материала, либо ДНК, либо РНК, составляющей сердцевинувируса, и окружающей эту сердцевину защитной белковой оболочки, которую называют капсидом. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов, таких, как вирусы герпеса или гриппа, есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина. В отличие от всех остальных организмов вирусы не имеют клеточного строения.

Оболочка вирусов часто бывает построена из идентичных повторяющихся субъединиц – капсомеров. Из капсомеров образуются структуры с высокой степенью симметрии, способные кристаллизоваться. Это позволяет получить информацию об их строении как с помощью кристаллографических методов, основанных на применении рентгеновских лучей, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине появляются субъединицы вируса, они сразу же проявляют способность к самосборке в целый вирус. Самосборка характерна и для многих других биологических структур, она имеет фундаментальное значение в биологических явлениях. На рис. 1 представлена упрощенная схема, которая показывает общее строение вирусов.

Икосаэдры и додекаэдры (например, у аденовирусов, вируса полиомы/папилломы, вируса полиомиелита). У икосаэдра имеется 20 треугольных граней, 12 вершин и 30 ребер. Правильный икосаэдр показан на рис. 214, А. Ультраструктуру вирусов можно рассмотреть с помощью негативного контрастирования. Краситель проникает между частицами и позволяет рассмотреть все особенности их поверхности. Как видно из рис. 2.14, Б и В, у аденовируса каждая из 20 граней состоит из нескольких капсомеров. В сумме число капсомеров составляет 252 (240 шестиугольных и 12 пятиугольных по вершинам икосаэдра). У разных вирусов это число варьирует. Так, например, у бактериофага φХ174 оно равно 12, у вируса герпеса – 162, у вируса полиомы – 42. У всех этих вирусов по 12 пятиугольных капсомеров, при этом у бактериофага шестиугольных капсомеров нет вообще, и образуется структура, которая называется додекаэдром.

Рис. 1 Схематический разрез вируса, имеющего капсомерное строение

4. Генетический аппарат вирусов:

В природе, носителем генетической информации являются нуклеиновые кислоты. Известно два основных типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

• ДНК содержащие вирусы.

ДНК-содержащие вирусы несут в качестве генетического материала либо одно -, либо двухцепочечную ДНК, которая может быть, как линейной, так и кольцевой. В ДНК закодирована информация о всех белках вируса. Вирусы, заражающие бактерии, называются бактериофагами. К ДНК-содержащим вирусам относятся вирусы гепатита В, герпес, вирусы оспы, паповавирусы, гепаднавирусы, парвовирусы.

По виду цепи ДНК вирусы делятся на 3 группы:

Первая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК.

Репликация ДНК-генома этих вирусов осуществляется при посредстве промежуточных молекул РНК:

Молекулы РНК образуются в результате транскрипции вирусных ДНК в клеточном ядре хозяйским ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой.  Транскрибируется только одна из нитей вирусной ДНК. Синтез ДНК на мРНК происходит в результате реакции, катализируемой обратной транскриптазой: сначала синтезируется (-) нить ДНК, а затем на вновь синтезированной (-) нити ДНК тот же фермент строит (+) нить.

Вторая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК.

В одних случаях производством как мРНК, так и ДНК занимаются клеточные ферменты; в других случаях вирусы используют собственные ферменты. Бывает, что те и другие ферменты обслуживают процесс репликации и транскрипции. К этой группе относятся вирусы герпеса, оспы и др.

Третья группа — вирусы с одноцепочечной ДНК, с негативной, либо с позитивной полярностью.

Попав в клетку, вирусный геном сначала превращается в двуцепочечную форму, это превращение обеспечивает клеточная ДНК-зависимая ДНК-полимераза.

Транскрипция и репликация на последующих этапах происходит так же, как и для вирусов, с (±) ДНК-геномом. Структура вируса: это молекула ДНК в белковой оболочке, называемой капсидом. Однако есть много разных вариантов строения вирусов: от просто покрытой белком ДНК до сложных макромолекулярных комплексов, окруженных мембранными структурами, например, вирус оспы. Если у вируса есть мембрана‚ говорят, что он в оболочке, а если мембраны нет, то вирус называют «раздетым». Различают четыре основных вида капсидов: спиральные, икосаэдрические, сложные без оболочки, сложные с оболочкой. Неизменным итогом заражения клеток ДНК-содержащими бактериофагами является лизис. ДНК-содержащие вирусы животных вызывают лизис редко, однако клетки могут погибнуть из-за возникших при заражении хромосомных повреждений, вследствие иммунологической реакции организма или просто в результате нарушения вирусом нормальных клеточных функций. ДНК-содержащие опухолеродные вирусы разделяются на 5 классов:

• Полиомавирусы – обезьяний вирус SV40, вирус полиомы мышей и вирусы человека ВК и JC.
• Папилломавирусы – 16 вирусов папилломы человека и множество папилломовирусов животных.
• Аденовирусы – 37 вирусов человека, множество аденовирусов животных (например, 24 вируса обезьян и 9 вирусов крупного рогатого скота).
• Герповирусы – вирусы простого герпеса человека, цитомегаловирус человека, вирус Эпштейна–Барр и онкогенные вирусы приматов, лошадей, кур, кроликов, лягушек.
• Вирусы, подобные вирусу гепатита В, – вирус гепатита В человека, гепатита североамериканского сурка, гепатита земляных белок и гепатита уток.

4.2 РНК содержащие вирусы.

РНК-содержащие микроорганизмы представлены гриппом и парагриппом, вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), гепатитом А парамиксовирусами, вирусами гриппа, коронавирусами, аренавирусами, ретровирусами, реовирусами, пикорнавирусами, капицивирусами, рабдовирусами, тогавирусами, флавивирусами и буньявирусами.

РНК-содержащие вирусы не имеют ДНК, генетическая информация закодирована в РНК. Геномы почти всех известных РНК-содержащих вирусов — это линейные молекулы

Геномы РНК-содержащих вирусов можно разделить на 3 группы.

Первая группа — это однонитевые геномы положительной полярности. Такие геномы обозначают как (+)РНК. Вирусные (+)РНК-геномы кодируют несколько белков. С помощью этого фермента синтезируются сначала (-) нити РНК фага, затем при наличии особого белка, называемого «хозяйским фактором», репликаза осуществляет синтез (+) нити РНК. На заключительной стадии из накопившихся вирусных белков и (+) РНК формируются вирионы.

Упрощенная схема этого процесса такова:

(+) РНК (-) РНК

Инфекционный процесс состоит в проникновении вируса в растительную клетку с последующей быстрой утратой им капсида. Затем в результате трансляции непосредственно (+)РНК рибосомами клетки-хозяина образуются несколько белков, часть которых необходима для репликации вирусного генома.

Репликация осуществляется РНК-репликазой, продуцирующей копии РНК для новых вирионов. Синтез белка капсида происходит после того как инфицировавшая клетку РНК подвергается некоторой модификации, делающей возможным присоединение рибосом клетки к тому участку РНК, которым кодируется этот белок. Сборка вириона начинается с образования дисков из белка капсида. Два таких белковых диска образуют структуру, которая после связывания с ней РНК приобретает форму спирали. Присоединение молекул белка продолжается до тех пор, пока РНК не будет покрыта полностью. В окончательной форме вирион представляет собой цилиндр длиной 300 нм.

Вторая группа — это однонитевые геномы с негативной полярностью, т.е. (-)РНК-геномы.

Поскольку (-)РНК не может выполнять функции мРНК, для образования «своих» мРНК вирус внедряет в клетку не только геном, но и фермент, умеющий снимать с этого генома комплементарные копии по схеме:

(-) РНК (+) РНК

Этот вирусный фермент упакован в вирионе в удобной для доставки в клетку форме. Инфекционный процесс начинается с того, что вирусный фермент копирует вирусный геном, образуя (+) РНК, выступающую в качестве матрицы для синтеза вирусных белков, в том числе РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая входит в состав образующихся вирионов. К вирусам с негативным РНК-геномом относятся: вирусы гриппа, кори, бешенства, желтой карликовости картофеля и др.

Третью группу составляют двунитевые геномы, (±) РНК-геномы.

Известные двунитевые геномы всегда сегментированы, т.е. состоят из нескольких разных молекул, сюда относятся реовирусы. Их размножение проходит по варианту, близкому к предыдущему. Вместе с вирусной РНК в клетку попадает и вирусная РНК-зависимая РНК-полимераза, которая обеспечивает синтез молекул (+) РНК. В свою очередь (+) РНК обеспечивает производство вирусных белков на рибосомах хозяйской клетки и служит матрицей для синтеза новых (-) РНК-цепочек вирусной РНК-полимеразой. Цепочки (+) и (-) РНК, комплексируясь друг с другом, образуют двунитевой (±) РНК-геном, который упаковывается в белковую оболочку. Реовирусы поражают респираторные и кишечные пути теплокровных животных (человека, обезьян, крупного и мелкого рогатого скота, летучих мышей,

Инфекционный процесс начинается с проникновения в клетку РНК. После частичного разрушения наружнего капсида ферментами лизосом РНК в образовавшейся таким образом субвирусной частице транскрибируется, ее копии покидают частицу и соединяются с рибосомами. Затем в клетке-хозяине продуцируются белки, необходимые для формирования новых вирусных частиц.

Репликация РНК вирусов происходит по консервативному механизму. Одна из цепей каждого сегмента РНК служит матрицей для синтеза большого числа новых (+) цепей. На этих (+) цепях образуются затем как на матрице (–) цепи, (+) и (–) цепи при этом не расходятся, а остаются вместе в виде двухцепочечных молекул.

К РНК-содержащим вирусы также относятся вирусы, у которых цикл репликации генома можно разбить на две главные реакции: синтез РНК на матрице ДНК и синтез ДНК на матрице РНК. При этом в состав вирусной частицы в качестве генома может входить либо РНК, либо ДНК. Вирусная частица содержит две молекулы геномной одноцепочечной (+)РНК.

В вирусном геноме закодирован необычный фермент, который обладает свойствами как РНК-зависимой, так и ДНК-зависимой ДНК-полимеразы.

5. Характеристика геномов вирусов

Геном – генетический состав клетки, вируса. На молекулярном уровне это индивидуальная нуклеиновая кислота (ДНК или РНК), которая является носителем, хранящем генетическую информацию.

5.1 Химическая природа нуклеиновых кислот вирусов.
По своей химической природе нуклеиновые кислоты вирусов не отличаются от нуклеиновых кислот клеток (организмов) и представляют собой полинуклеотидные цепи, образованные чередованием четырех дезоксирибонуклеотидов в случае ДНК или рибонуклеотидов в случае РНК, соединенных фосфодиэфирными связями. Нуклеотид представляет собой азотистое основание (аденозин (А), гуанозин (G), цитидин (C), тимидин (T) или уридин (U) в случае РНК), связанное с дезоксирибозой (в ДНК), или рибозой (в РНК) гликозидной связью. Фосфорная кислота в нуклеиновых кислотах присоединяется сложноэфирной связью к 3’- и 5’-ОН группам сахаров смежных нуклеотидов. Отличительнойособенностью ДНК целого ряда вирусов бактерий является наличие метилированных оснований (5’-метилцитозина, или 5-МЦ; 6’-метиламинопурина, или 6-МАП), которые могут входить в состав ДНК в качестве минорных или мажорных оснований
5.2 Отличия геномов вирусов от геномов организмов.

• Размеры. Если ориентировочно учесть, что геном эукариот имеет размер 4х109 п.н. и длину, достигающую 1,5-2 метра, а геном прокариот – 6х106 п.н., то размеры геномов вирусов значительно меньше. Так, размер генома крупных ДНК-содержащих вирусов составляет только 2-4х105 п.н. (200-450 т.п.н. у поксвирусов и вирусов герпеса), минимальные вирусы имеют геном длиной 1 мкм и состоящий из 1,2 т.п.н. Самый маленький геном среди вирусов, поражающих человека, имеет вирус гепатита В (3,2 т.п.н.).
• Экономичность. Размеры геномов вирусов определяются емкостью капсида вириона. В связи с этим, вирусы очень экономно хранят генетическую информацию, что проявляется отсутствием многократно повторяющихся генов и, часто, наличием перекрывающихся ОРС.
• Наличие двух типов геномов. Носителем генетической информации у вирусов может быть, как ДНК, так и РНК. Многообразие структурных форм и ДНК и РНК. Природа как бы испробовала на вирусах все возможные варианты структурной организации нуклеиновых кислот. Способ укладки. Способ укладки зависит от вида генома: (+) РНК может быть «голой»; (-) РНК, как правило, ассоциирована с белками нуклеокапсида и образует структуру под названием рибонуклеопротеид (РНП); ДНК вирусов ассоциирована с белками, подобными гистонам эукариот, и организована в виде типичных нуклеосом. Разнообразие стратегий репликации, основанных на ДНК-зависимом синтезе ДНК, РНК-зависимом синтезе РНК и РНК-зависимом синтезе ДНК.
  • Хранение генетической информации вирусами.

Для сохранения генетической информации в окружающей среде и передачи ее новому поколению вирусы упаковывают геномные нуклеиновые кислоты в белковый капсид и часто в суперкапсид (липидсодержащая оболочка), формируя внеклеточную форму вируса – вирион. Как правило, вирионы, попадая в клетку, обеспечивают продуктивный инфекционный цикл, давая вирусное потомство. Однако целый ряд, так называемых интегративных вирусов, встраивают свой геном в хромосомы хозяина, в том числе клеток зародышевой линии, обеспечивая длительное сохранение генетической информации вируса в ряду поколений хозяина.
(+)РНК и (-)РНК геномы.
Различия между положительным и отрицательным РНК-геномами, определяются полярностью нитей, инкапсидированных в вирионы. (+)РНК-геном в начале инфекции использует синтезированные на рибосомах вирусоспецифические белки и клеточные РНК-связывающие белки. (-)РНК-геномы и их антигеномные комплементы остаются связанными с белками нуклеокапсида, как в пределах вирусных частиц, так и в течение всего цикла вирусной репликации.

6. Вирусные заболевания

Эволюция вирусов и вирусных инфекций. Хотя вирусы не являются полноценными живыми организмами, их эволюционное развитие имеет много общего с эволюцией других патогенных организмов. Для того чтобы сохраниться как вид, ни один паразит не может быть слишком опасным для своего основного хозяина, в котором размножается. В противном случае это привело бы к полному исчезновению хозяина как биологического вида, а вместе с ним и самого возбудителя. В то же время любой патогенный организм не сможет существовать как биологический вид, если у его основного хозяина слишком быстро и эффективно развивается иммунитет, позволяющий подавлять репродукцию возбудителя. Поэтому вирус, вызывающий острое и тяжелое заболевание у какого-либо вида животных, обычно имеет еще и другого хозяина. Размножаясь в последнем, вирус не наносит ему (как виду) существенного вреда, однако такое относительно безвредное сосуществование поддерживает циркуляцию вируса в природе. Так, например, вирус бешенства в природе сохраняется среди грызунов, для которых заражение этим вирусом не является смертельным. Природным резервуаром для вирусов лошадиных энцефалитов, особо опасных для лошадей и в несколько меньшей степени для человека, являются птицы. Эти вирусы переносятся кровососущими комарами, в которых вирус размножается без существенного вреда для комара. Иногда вирусы могут передаваться насекомыми пассивно (без размножения в них), однако чаще всего они репродуцируются в переносчиках.

Для многих вирусов, например, кори, герпеса и отчасти гриппа, основным природным резервуаром является человек. Передача этих вирусов происходит воздушно-капельным или контактным путем.

Распространение некоторых вирусных заболеваний, как и других инфекций, полно неожиданностей. Например, в группах людей, проживающих в антисанитарных условиях, практически все дети в раннем возрасте переносят полиомиелит, обычно протекающий в легкой форме, и приобретают иммунитет. Если же условия жизни в этих группах улучшаются, дети младшего возраста обычно полиомиелитом не болеют, но заболевание может возникнуть в более старшем возрасте, и тогда оно часто протекает в тяжелой форме.

Многие вирусы не могут долго сохраняться в природе при низкой плотности расселения вида-хозяина. Малочисленность популяций первобытных охотников и сборщиков растений создавала неблагоприятные условия для существования некоторых вирусов; поэтому весьма вероятно, что какие-то вирусы человека возникли позже, с появлением городских и сельских поселений. Предполагается, что вирус кори первоначально существовал среди собак (как возбудитель лихорадки), а натуральная оспа человека могла появиться в результате эволюции оспы коров или мышей. К наиболее «свежим» примерам эволюции вирусов можно отнести синдром приобретенного иммунодефицита человека (СПИД). «Новые» инфекции обычно протекают в тяжелой форме, нередко со смертельным исходом, но в процессе эволюции возбудителя они могут стать более легкими. Хороший пример – история вируса миксоматоза. В 1950 этот вирус, эндемичный для Южной Америки и довольно безобидный для местных кроликов, вместе с европейскими породами этих животных был завезен в Австралию. Заболевание австралийских кроликов, ранее не встречавшихся с данным вирусом, было смертельным в 99,5% случаев. Несколько лет спустя смертность от этого заболевания значительно снизилась, в некоторых районах до 50%, что объясняется не только «аттенуирующими» (ослабляющими) мутациями в вирусном геноме, но и возросшей генетической устойчивостью кроликов к заболеванию, причем в обоих случаях эффективная природная селекция произошла под мощным давлением естественного отбора.

Вывод.
Таким образом вирусы играют большую роль в жизни человека. Они являются возбудителями ряда опасных заболеваний – оспы, гепатита, энцефалита, краснухи, кори, бешенства, гриппа и др. Вирусы, размножаются только в клетках, это внутриклеточные паразиты. В свободном, активном состоянии они не встречаются и не способны размножаться вне клетки. Если у всех клеточных организмов обязательно имеются две нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, то вирусы содержат только одну из них. На этом основании все вирусы делятся на две большие группы: ДНК, – содержащие и РНК – содержащие. В отличие от клеточных организмов у вирусов отсутствует собственная система, синтезирующая белки. Вирусы вносят в клетку только свою генетическую информацию. С матрицы – вирусной ДНК или РНК – синтезируется матричная (информационная) РНК, которая и служит основой для синтеза вирусных белков рибосомами инфицированной клетки. Молекула ДНК вирусов, или их геном, может встраиваться в геном клетки – хозяина и существовать в таком виде неопределённо долгое время. Таким образом, паразитизм вирусов носит особый характер – это паразитизм на генетическом уровне.