История вирусологии. Принципы классификации вирусов

История вирусологии. Принципы классификации  вирусов

Вирусология - наука, изучающая  морфологию, физиологию, генетику, экологию и эволюцию вирусов

Слово «вирус» означало яд. Этот термин применил ещё Л. Пастер для обозначения заразного начала. В настоящее время под вирусом подразумеваются мельчайшие реплицирующиеся микроорганизмы, находящиеся всюду, где есть живые клетки.

Открытие вирусов принадлежит  русскому учёному Дмитрию Иосифовичу Ивановскому, который в 1892 году опубликовал  работу по изучению мозаичной болезни табака. Д. И. Ивановский показал, что возбудитель этой болезни имеет очень малые размеры и не задерживается на бактериальных фильтрах, являющихся непреодолимым препятствием для мельчайших бактерий. Кроме того, возбудитель мозаичной болезни табака не способен культивироваться на искусственных питательных средах. Д. И. Ивановский открыл вирусы растений.

В 1898 году Леффлер и  Фрош показали, что широко распространённая болезнь крупного рогатого скота - ящур вызывается агентом, который также  проходит через бактериальные фильтры. Этот год считается годом открытия вирусов животных.

В 1901 году Рид и Кэррол показали, что фильтрующиеся агенты можно выделить из трупов людей, умерших  от жёлтой лихорадки. Этот год считается  годом открытия вирусов человека.

Д'Эррель и Туорт в 1917-1918 г.г. обнаружили вирусы у бактерий, назвав их «бактериофагами». Позднее были выделены вирусы из насекомых, грибов, простейших.

Вирусы до сих пор  остаются одними из главных возбудителей инфекционных и неинфекционных заболеваний человека. Около 1000 различных болезней имеют вирусную природу. Вирусы и вызываемые ими болезни человека являются объектом изучения медицинской вирусологии.

Вирусы имеют кардинальные отличия от других прокариотических микроорганизмов:

1. Вирусы не имеют  клеточного строения. Это доклеточные микроорганизмы.

2. Вирусы имеют субмикроскопические  размеры, варьирующие у вирусов  человека от 15-30 нм до 250 и более нм.

3. Вирусы имеют в  своём составе только один  тип нуклеиновой кислоты: или  ДНК, или РНК, где закодирована вся информация вируса.

4. Вирусы не обладают  собственными метаболическими и  энергетическими системами.

5. Размножение вирусов  происходит с использованием  белоксшггезирующих и энергетических  систем клетки-хозяина, поэтому  вирусы облигатные внутриклеточные паразиты.

6. Вирусы не способны  к росту и бинарному делению.  Они размножаются путём репродукции их белков и нуклеиновой кислоты в клетке хозяина с последующей сборкой вирусной частицы.

В силу своих особенностей вирусы выделены в отдельное царство Vira, включающее вирусы позвоночных и беспозвоночных животных, растений и простейших. В основу современной классификации вирусов положены следующие основные критерии:

1. Тип нуклеиновой  кислоты (РНК или ДНК), её структура  (одно- или двунитчатая, линейная, циркулярная, непрерывная или фрагментированная).

2. Наличие липопротеидной  оболочки (суперкапсида).

3. Стратегия вирусного  генома (т.е. используемый вирусом  путь транскрипции, трансляции, репликации).

4. Размер и морфология  вириона, тип симметрии, число  капсомеров.

5. Феномены генетических  взаимодействий.

6. Круг восприимчивых  хозяев.

7. Патогенность, в том  числе патологические изменения  в клетках и образование внутриклеточных включений,

8. Географическое распространение.

9. Способ передачи.

10. Антигенные свойства.

На основании 1 и 2 критериев  вирусы делятся на подтипы и семейства, на основании нижеперечисленных  признаков - на роды, виды, серовары. Название семейства оканчивается на «viridae», некоторые  семейства делятся на подсемейства (оканчивается «virinae»), рода - «vims». Вирусы человека и животных распределены в 19 семействах: 13- РНК-геномных и 6 - ДНК-геномных. Классификация и некоторые свойства вирусов человека и животных представлены в табл. 1.

Таблица 1

КЛАССИФИКАЦИЯ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ВИРУСОВ

ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ

ЦАРСТВО V1RA
Семейство вирусов	Тип нуклеиновой кислоты	Наличие суперкапсида	Размер вириона. нм	Типовые представители
ДНК-ГЕНОМНЫЕ ВИРУСЫ
Adenoviridae	Линейная, двунитчатая	-	70-90	Аденовирусы млекопитаюших  и птиц
Herpesviridae	линейная двунитчатая	+	220	Вирусы простого герпеса, цитомегалии, ветряной оспы, инфекционного  мононуклеоза
Hepadnaviridaе	Двунитчатая, кольцевая  с однонитчатым участком	+	1 45-50	Вирус гепатита В
Papovaviridae	двунитчатая, кольцевая	-	45-55	Вирусы папилломы, полиомы
Poхviridae	Двунитчатая с замкнутыми концами	+	130-250	Вирус осповакцины, вирус  натуральной оспы
Parvoviridae	линейная, однонитчатая	-	18-26	Аденоассоциированный  вирус
РНК-ГЕНОМНЫЕ ВИРУСЫ
Areoaviridae	фрагментированная однонитчатая	+	50-300	Вирусы Ласса, Мачупо
Bunyaviridae	фрагментированная однонитчатая кольцевая	+	90-100	Вирусы геморрагических  лихорадок и энцефалитов
Caliciviridae	однонитчатая	-	20-30	Вирус гепатита Е, калицивирусы человека
Coronaviridae	однонитчатая +РНК	+	80-130	Коронавирусы человека
Orthomyxoviridae	однонитчатая, фрагментированная -- РНК	+	80-120	Вирусы гриппа
Paramyxoviridae	Однонитчатая, линейная -РНК	+	150-300	Вирусы парагриппа, кори, эпидпаротита, PC-вирус
Picornaviridae	однонитчатая +РНК	-	20-30	Вирусы полиомиелита, Коксаки, ЭКХО, гепатита А риновирусы
Reoviridae	двунитчатая РНК	-	60-80	Реовирусы, ротавирусы
Retroviridae	однонитчатая РНК	+	80-100	Вирусы рака, лейкоза, саркомы, ВИЧ
Togaviridae	однонитчатая +РНК	+	30-90	Вирусы Синдбис. Лошадиных Энцефатитов. крастхи
Flaviviridae	однонитчатая +РНК	+	30-90	Вирусы клещевого знцефштига, жёлтой лихорадки, Денге, японского  энцефалита, гепатита С, G
Rhabdoviridae	однонитчатая -РНК	+	30-40	Вирус бешенства, вирус  везикулярного стоматита
Filoviridae	однонитчатая +РНК	+	200-4000	Вирусы лихорадки Эбола, Марбург

 

Морфология и ультраструктура  вирусов

По строению различают 2 типа вирусных частиц: простые и  сложные.

Внутренняя структура  простых и сложных вирусов  сходна.

Сердцевина вируса - вирусная нуклеиновая кислота вирусный геном. Вирусный геном может быть представлен  одной из 4 молекул РНК или ДНК: однонитчатыми и двунитчатыми РНК  и ДНК. Большинство вирусов имеют один цельный или фрагментированный геном, имеюший линейную или замкнутую форму. Однонитчатые геномы могут иметь 2 полярности: 1) позитивную, когда вирионная нуклеиновая кислота одновременно служит и матрицей для синтеза новых геномов и выполняет роль и-РНК; 2) негативную, выполняющую только функцию матрицы. Геном вирусов содержит от 3 до 100 и более генов, которые делятся на структурные, кодирующие синтез белков, входящих в состав вириона, и регуляторные, которые изменяют метаболизм клетки хозяина и регулируют скорость размножения вирусов.

Ферменты вирусов также  закодированы в геноме. К ним относятся: РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза), которая обнаружена у всех РНК-содержащих вирусов с негативной полярностью. Поксвирусы содержат ДНК-зависимую РНК-полимеразу. Ретровирусы имеют уникальный фермент - РНК-зависимую ДНК-полимеразу, называемую обратной транскриптазой. В геноме некоторых вирусов имеются гены, кодирующие РНК-азы, эндонуклеазы, проте-инкииазы.

Снаружи нуклеиновая  кислота покрыта белковым чехлом - капсидом, образуя комплекс - нуклеокапсид (в химическом смысле - нуклеопротеид). Кап-сид состоит из отдельных белковых субъединиц - капсомеров, которые представляют уложенную определённым образом полипептидную цепь, создающую симметричную конструкцию. Если капсомеры укладываются по спирали, такой тип укладки капсида носит название спиральной симметрии. Если капсомеры укладываются по граням многогранника (12-20-гранника), такой тип укладки капсида носит название икосаэдрической симметрии

Капсид представлен a-спиральными белками, способными к полимеризации, которые выполняют защиту генома от различных воздействий, выполняют рецепторную функцию у этой группы вирусов, обладают антигенными свойствами.

Сложные вирусы имеют  внешнюю оболочку - суперкапсид, расположенную поверх капсида. В состав суперкапсида входят внутренний белковый слой - М-белок, затем более объёмный слой липидов и углеводов, извлечённых из клеточных мембран клетки-хозяина. Вирусспецифические гликопротеиды проникают внутрь суперкапсида, образуя снаружи фигурные выпячивания, которые выполняют рецепторную функцию. Вирусы существуют в трёх формах:

1) вирион (вирусная частица) - внеклеточная форма;

2) внутриклеточный (вегетативный) вирус;

3) интегрированный с  ДНК хозяина вирус (провирус).

 

 

Взаимодействие  вируса с клеткой. Репродукция (размножение) вирусов

Вирусы - облигатные внутриклеточные  паразиты, способные размножаться только в живой клетке. В отличие от прокариотических и эукариотических микроорганизмов вирусы не размножаются бинарным делением. Размножение вирусов происходит путём репродукции (англ, "reproduce" - воспроизво-аить, делать копию), то есть воспроизведение их нуклеиновых кислот и белков z последующей сборкой вирионов. Синтез нуклеиновых кислот и белков вируса происходит в разных частях клетки (ядре и цитоплазме). Такой способ репродукции получил название дизъюнктивного (разобщённого).

Процесс репродукции  вирусов условно можно разделить  на 2 фазы. Первая фаза включает 3 стадии: 1) адсорбцию вируса на чувствительных клетках; 2) проникновение вируса в клетку; 3) депротеинизацию вируса. Вторая фаза включает стадии реализации вирусного генома: 1) транскрипцию, 2) трансляцию, 3) репликацию, 4) сборку, созревание вирусных частиц и 5) выход вируса из клетки.

Взаимодействие вируса с клеткой начинается с процесса адсорбции, т. е. с прикрепления вируса к поверхности клетки.

Адсорбция представляет собой специфическое связывание вирионного белка (антирецептора) с комплементарной структурой клеточной поверхности - клеточным рецептором. По химической природе рецепторы, на которых фиксируются вирусы, относятся к двум группам: мукопротеидным и липопротеидным. Вирусы гриппа, парагриппа, аденовирусы фиксируются на мукопротеидных рецепторах. Энтеровирусы, вирусы герпеса, арбовирусы адсорбируются на липопротеидных рецепторах клетки. Адсорбция происходит лишь при наличии определённых электролитов, в частности ионов Са2+, которые нейтрализуют избыточные анионные заряды вируса и клеточной поверхности и уменьшают электростатическое отталкивание Адсорбция вирусов мало зависит от температуры  Начальные процессы адсорбции носят неспецифический характер, являются результатом электростатического взаимодействия положительно и отрицательно заряженных структур на поверхности вируса и клетки, а затем наступает специфическое взаимодействие прикрепительного белка вириона со специфическими группировками на плазматической мембране клетки. Простые вирусы человека и животных содержат прикрепительные белки в составе капсида. У сложно организованных вирусов прикрепительные белки входят в состав супер-капсида. Они могут иметь форму нитей (фибры у аденовирусов), либо шипов, грибоподобных структур у миксо-, ретро-, рабдо- и других вирусов. Вначале происходит единичная связь вириона с рецептором - такое прикрепление непрочное - адсорбция носит обратимый характер. Чтобы наступила необратимая адсорбция, должы появиться множественные связи между рецептором вируса и рецептором клетки, т. е. стабильное мультивалентное прикрепление. Количество специфических рецепторов на поверхности одной клетки составляет 10⁴-10⁵. Рецепторы для некоторых вирусов, например, для арбовирусов. содержатся на клетках как позвоночных, так и беспозвоночных, для других вирусов     только на клетках одного или нескольких видов.

Проникновение вирусов человека и животных в клетку происходит двумя путями: 1) виропексисом (пиноцитозом); 2) слиянием вирусной суперкапсидной оболочки е клеточной мембраной. Бактериофаги имеют свой механизм проникновения, так называемый шприцевои, когда в результате сокращения белкового отростка фага нуклеиновая кислота как бы впрыскивается в клетку.

Депротеинизация вируса освобождение геиома вируса от вирусных защитных оболочек происходит либо с помощью вирусных ферментов, либо с помощью клеточных ферментов. Конечными продуктами депротеинизации являются нуклеиновые кислоты или нуклеиновые кислоты, связанные с внутренним вирусным белком. Затем имеет место вторая фаза вирусной репродукции, ведущая к синтезу вирусных компонентов.

Транскрипция - переписывание  информации с ДНК или РНК вируса на и-РНК по законам генетического кода.

Трансляция - процесс  перевода генетической информации, содержащейся в и-РНК, на специфическую последовательность аминокислот.

Репликация - процесс  синтеза молекул нуклеиновых  кислот, гомологичных вирусному геному.

Реализация генетической информации у ДНК-содержащих вирусов  идёт так же, как и в клетках:

                                         ДНК  ^{транскрипция}   и-РНК   ^{трансляция}    белок

У РНК-содержащих вирусов  с негативным геномом (вирусы гриппа, пара-гриппа и др.) формула реализации генома следующая:

                                -РНК  ^{транскрипция}   и-РНК ^{трансляция}     белок

У вирусов с позитивным РНК-геномом (тогавирусы, пикорнавирусы) транскрипция отсутствует:

                                              +РНК  ^{трансляция}     белок  

У ретровирусов - уникальный путь передачи генетической информации:

РНК ^{обратная транскрипция}  ДНК ^{транскрипция}   и-РНК   ^{трансляция}    белок

ДНК интегрируется с  геномом клетки-хозяина (провирус).

После наработки клеткой вирусных компонентов наступает последняя стадия вирусной репродукции сборка вирусных частиц и выход вирионов из клетки. Выход вирионов из клетки осуществляется двумя путями: 1) путём «взрыва» клетки, в результате чего клетка разрушается. Этот путь присущ простым вирусам (пикорна-, рео-, папова- и аденовирусам), 2) выход из клеток путём почкования. Присущ вирусам, содержащим суперкапсид. При этом способе клетка сразу не погибает, может дать многократное вирусное потомство, пока не истощатся её ресурсы.

Методы культивирования вирусов