Вирусы - на грани живого и неживого

7.Все вирусы существуют в  двух качественно разных формах: внеклеточной- вирион и внутриклеточной- вирус. Таксономия этих представителей микромира основана на характеристике вирионов- конечной фазы развития вирусов.

Строение вирусов.

Строение вирусов совершенно в такой степени, что они выживают в самых невероятных условиях, где умирает все живое. Они могут кристаллизовываться и пребывать в таком состоянии до тех пор, пока не встретятся с живой клеткой. Они очень терпеливы, могут веками находится в пограничном состоянии между жизнью и смертью, пока не попадут в нужную среду. Они запрограммированы на размножение. И, конечно же, размножаясь, нести вред.

Строение вирусов очень простое. Они состоят из следующих структур:

1) сердцевины — генетического  материала, представленного либо  ДНК, либо РНК; ДНК или РНК может  быть одноцепочечной или двухцепочечной;

2) капсида — защитной белковой оболочки, окружающей сердцевину;

3) нуклеокапсида — сложной структуры, образованной сердцевиной и капсидом;

4) оболочки — у некоторых  вирусов, таких как ВИЧ и вирусы  гриппа, имеется дополнительный  липопротеиновый слой, происходящий  из плазматической мембраны клетки-хозяина;

5) капсомеров — идентичных повторяющихся субъединиц, из которых часто бывают построены капсиды.

Общая форма капсида отличается высокой степенью симметрии, обусловливая способность вирусов к кристаллизации. Это дает возможность исследовать их как методом рентгеновской кристаллографии, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине образуются субъединицы вируса, они сразу же могут путем самосборки объединиться в полную вирусную частицу. Упрощенная схема строения вируса показана на рисунке.

Для структуры капсида вируса характерны определенные типы симметрии, особенно полиэдрическая и спиральная. Полиэдр — это многогранник. Наиболее распространенная полиэдрическая форма у вирусов — икосаэдр, у которого имеется 20 треугольных граней, 12 углов и 30 ребер.

Основные этапы взаимодействия вируса с клеткой хозяина.

Микроскопические, невидимые глазом вирусы сопсобны в прямом смысле вызвать болезнь, свалить с ног человека, который в миллионы раз больше них по весу и размеру, более того, привести к смерти человека.

Взаимодействие вируса с клеткой хозяина - это сложный «многоступенчатый процесс, который начинается с адсорбции вирусных частиц на рецепторах клетки хозяина и продолжается после их проникновения внутрь клетки. В результате такого взаимодействия развивается либо продуктивная, либо абортивная, либо интегративная форма клеточной инфекции. При продуктивной форме происходит размножение, точнее, репродукция (лат. reproduce - воспроизводить) вируса, при абортивной - ее нарушение на одном из этапов, при интегративной - интеграция вирусной нуклеиновой кислоты в клеточный геном.

Продуктивная инфекция. Репродукция вирусов

Как отмечалось выше, вирусы являются самореплицирующейся формой, неспособной к бинарному делению, в отличие от микроорганизмов с клеточной организацией. В 50-х годах было установлено, что размножение, или репродукция, вирусов происходит путем репликации их нуклеиновой кислоты и биосинтеза белков с последующей самосборкой вириона. Этот процесс происходит в разных частях клетки - ядре или цитоплазме, вследствие чего получил название дизъюнктивного, т.е. разобщенного размножения.

Вирусная репродукция представляет собой уникальную форму выражения чужеродной (вирусной) информации в клетках человека и животных, насекомых, растений и бактерий, которая состоит в подчинении клеточных матрично-генетических механизмов вирусной информации.

1-я стадия - адсорбция - характеризуется  прикреплением вириона к клеточным  рецепторам, представляющим собой  гликопротеины клеточной мембраны, содержащей нейраминовую кислоту. Такие рецепторы имеются у ряда клеток, в частности эритроцитов, на которых адсорбируются многие вирусы. Для орто- и парамиксовирусов специфическими рецепторами являются гликолипиды, содержащие сиаловую кислоту (ганглиозиды), для других - белки или липиды клеточной мембраны. Рецепторами вирусов являются так называемые прикрепительные белки, располагающиеся в составе капсидов простых вирионов и суперкапсидов сложных вирионов. Они могут иметь форму нитей (фибры у аденовирусов) или шипов (гликопротеиновые образования на внешней оболочке орто- и парамиксо-, рабдо-, арено- и буньявирусов). Первый этап адсорбции определяется неспецифическими силами межмолекулярного притяжения, второй - специфической структурной гомологией или комплементарностью рецепторов чувствительных клеток и вирусов.

2-я стадия - проникновение вируса  в клетку хозяина - происходит  несколькими путями.

• Рецепторно-опосредованный эндоцитоз характеризуется образованием в месте взаимодействия вириона с клеточным рецептором окаймленных пузырьков, в формировании которых принимают участие белки-клатрины.
• Виропексис. Этим путем в клетку проникают сложноустроен-ные вирусы. Он заключается в слиянии мембран - вирусного суперкапсида с клеточной или ядерной мембраной. Данный процесс происходит при помощи специального бека слияния - F-белка, который находится в суперкапсиде. В результате виропексиса капсид оказывается в клетке хозяина, а суперкапсид вместе с белком встраивается в ее плазматическую мембрану (вследствие чего клетка приобретает способность сливаться с другими клетками, что приводит к передаче вируса этим клеткам).
• Фагоцитоз. Данным путем вирус проникает в фагоцитирующие клетки, что приводит к незавершенному фагоцитозу.

3-я стадия - транспорт вируса  внутри клетки. Он происходит  с помощью внутриклеточных мембранных  пузырьков, в которых вирус переносится  на рибосомы, эндоплазматическую  сеть или в ядро.

4-я стадия - «раздевание» вириона - заключается в их деп-оотеинизадии и освобождении от суперкапсида и капсида, препятствующих репликации вирусной нуклеиновой кислоты. «Раздевание, вириона начинается сразу же после его прикрепления к клеточным рецепторам продолжается в эндоцитарной вакуоли и ее слиянии с лизосомами при участии протеолитических ферментов, а также в ядерных порах околоядерном пространстве при слиянии с ядерной мембраной.

5-я стадия называется эклипс-фазой, которая характеризуется исчезновением вириона, поскольку он перестает обнаруживаться при элданой микроскопии. В эту стадию начинается синтез компонентов вириона, т.е. его репродукция. Она носит дизъюнктивный (раздельный) характер, поскольку компоненты вириона синтезируются в разных частях клетки: белки на рибосомах, нуклеиновые кислоты в ядре или цитоплазме. Вирус использует для этого генетический аппарат клетки, подавляя необходимые ей самой синтетические реакции.

Эта стадия начинается с транскрипции и репликации вирусного генома. Транскрипция вирусного генома двунитевых ДНК-содержащих вирусов происходит, так же как и клеточного генома, по триаде ДНК- иРНК- белок. Различия касаются только происхождения фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы, необходимой для данного процесса. У вирусов, геном которых транскрибируется в цитоплазме клетки хозяина (например, вирус оспы), имеется собственная вирусспецифическая РНК-полимераза. Вирусы, геномы которых транскрибируются в ядре (папова- и аденовирусы, вирусы герпеса), используют содержащуюся там клеточную РНК-полимеразу II или III.

У РНК-содержащих вирусов транскрипция их генома осуществляется несколькими путями:

1. Вирусы с негативным геномом (минус-нитевые), к которым относятся  орто-, парамиксо- и рабдовирусы, имеют в своем составе вирусспецифическую РНК-полимеразу или транскриптазу. Они синтезируют иРНК на матрице геномной РНК. Подобный фермент отсутствует в нормальных клетках, но синтезируется клетками, зараженными вирусами. Он находится в составе как однонитевых, так и двунитевых РНК-содержащих вирусов.

2. У вирусов с положительным  геномом (плюс-нитевые), к которым  относятся пикорна-, тогавирусы и др., функцию иРНК выполняет сам геном, который транслирует содержащуюся в нем информацию на рибосомы клетки хозяина.

3. Особняком стоит группа РНК-содержащих ретровирусов, в составе которых имеется обратная транскриптаза, или ревертаза. Уникальность этого фермента состоит в его способности переписывать информацию с РНК на ДНК. Этот процесс называется обратной транскрипции.

Как отмечалось выше, количество генов в вирусном геноме весьма ограничено. Поэтому для увеличения количества вирусной информации существует своеобразный трансляционный механизм, функционирующий через иРНК, который передает значительно больше информации, чем записано в вирусной нуклеиновой кислоте. Это достигается разными путями, например при транскрипции информации с переписывающихся участков ДНК на иРНК путем сплайсин-г а (вырезание бессмысленных кодонов и сшивание концов), а также при считывании антикодонами тРНК одной и той же молекулы иРНК с разных нуклеотидов. При этом образуются новые триплеты, увеличивающие количество транслируемой информации.

Регуляция транскрипции осуществляется клеточными и вирусспецифическими механизмами. Она заключается в последовательном считывании информации с так называемых «ранних» и «поздних» генов. В первых закодирована информация для синтеза вирусспеци-фических ферментов транскрипции и репликации, во вторых - для синтеза капсидных белков.

Вирусспецифическая информация транслируется на рибосомы клетки хозяина, которые предварительно освобождаются от клеточных белков и собираются в вирусспецифические полисомы.

Репликация вирусных геномов заключается в синтезе молекул ДНК или РНК, которые накапливаются в фондах этих нуклеиновых кислот, использующихся при сборке вирионов.

Репликация вирусной ДНК происходит на обеих нитях при участии клеточной ДНК-полимеразы. У однонитевых вирусов вначале образуется вторая нить (репликативная форма).

Репликация вирусных РНК происходит только при участии того же вирусспецифического фермента, который катализирует транскрипцию вирусного генома. У плюс-нитевых вирусов репликация РНК практически не отличается от их транскрипции. У минус-нитевых вирусов репликация отличается от транскрипции длиной образовавшихся дочерних молекул РНК. При репликации они полностью соответствуют по своей протяженности материнской нити, а при транскрипции образуются укороченные молекулы иРНК.

У ретровирусов репликация, так же как и транскрипция ДНК, происходит в составе клеточного генома при участии клеточной ДНК-полимеразы.

6-я стадия - сборка вириона - состоит прежде всего в образовании нуклеокапсидов. Поскольку синтез вирусных нуклеиновых кислот и белков в клетке происходит в разных ее структурах, необходима транспортировка составных частей вириона в одно место сборки. При этом вирусные белки и нуклеиновые кислоты обладают способностью узнавать и самопроизвольно соединяться друг с другом. В основе самосборки простых вирионов лежит способность вирусных полипептидов соединяться в капсомеры, которые, располагаясь вокруг осей симметрии, образуют многогранник. В других случаях полипептиды в виде спирали окружают вирусную нуклеиновую кислоту.

Многие простые вирионы собираются на репликативных комплексах  мембранах эндоплазматического ретикулума. У сложных вирионов сборка нуклеокапсида начинается на репликативных комплексах, а затем продолжается на плазматической мембране, с наружной стороны которой располагаются суперкапсидные гликопротеиды. Затем гликопротеидные и примыкающие к ним с другой стороны нуклеокапсидные участки выпячиваются через клеточную мембрану, образуя почку, как это имеет место у орто- и парамиксовирусов, рабдовирусов. После отделения почки, содержащей нуклеокапсид и суперкапсидные белки, образуются свободные вирионы. Они либо через клеточную плазматическую мембрану проходят во внеклеточное пространство, либо через мембрану эндоплазматического ретикулума проникают в вакуоль эндоплазматической сети. При этом мембранные липиды обволакивают почку, вытесняя из нее белки. Многие ДНК-содержащие вирусы, например вирус герпеса, собираются в ядре клетки на ее мембране, где образуются нуклеокапсиды. Затем они отпочковываются в перинуклеарное пространство, приобретая внешнюю оболочку. Дальнейшее формирование вириона происходит в мембранах цитоплазматического ретикулума и в аппарате Гольджи, откуда вирус транспортируется на поверхность клетки.

7-я стадия - выход вирусных частиц  из клетки - происходит двумя путями. Простые вирусы, лишенные суперкапсида, например пикорнавирусы, аденовирусы и др., вызывают деструкцию клетки и попадают во внеклеточное пространство. Другие вирусы, имеющие липопротеидную внешнюю оболочку, выходят из клетки путем почкования, в результате чего в течение длительного времени она сохраняет свою жизнеспособность. Такой путь характерен для вируса гриппа и др.

Исходы взаимодействия вирусов с клеткой хозяина.

1.Абортивный процесс- когда клетки освобождаются от вируса:

- при инфицировании дефектным  вирусом, для репликации которого  нужен вирус- помощник, самостоятельная репликация этих вирусов невозможна ( так называемые вирусоиды). Например, вирус дельта (D) гепатита может реплицироваться только при наличии вируса гепатита B, его Hbs - антигена, аденоассоциированный вирус- в присутствии аденовируса);

- при инфицировании вирусом  генетически нечувствительных к  нему клеток;

- при заражении чувствительных  клеток вирусом в неразрешающих условиях.

2.Продуктивный процесс- репликация (продукция) вирусов: 

- гибель (лизис) клеток (цитопатический эффект)- результат интенсивного размножения и формирования большого количества вирусных частиц - характерный результат продуктивного процесса, вызванного вирусами с высокой цитопатогенностью. Цитопатический эффект действия на клеточные культуры для многих вирусов носит достаточно узнаваемый специфический характер;