Вирусы

     Оглавление 

     Введение 

     Вирусы  – это особая группа организмов с неклеточным строением.

     Вирусы  резко отличаются от других форм жизни. Они способны существовать в двух формах: вне клеток и внутри клеток. Вне клеток существуют свободные  вирусы – вирионы. Вирионы не проявляют свойств биологических систем: у них отсутствует обмен веществ, и они неспособны к самовоспроизведению. Вирионы состоят из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую оболочку – капсид. В состав капсида входит строго определенное количество повторяющихся белковых субъединиц – капсомеров. Например, у вируса полиомиелита в состав капсида входит 60 капсомеров, у аденовируса – 252,  у вируса табачной мозаики – 2000. Размеры вирусов колеблются от 20 до 350 нм. По морфологии различают следующие формы вирусов: сферическую, палочковидную, кубоидальную, сперматозоидную. По характеру симметрии капсида различают вирусы со спиральным, кубическим (икосаэдрическим) и комбинированным типом симметрии. Степень сложности вириона может быть различной. У простых вирусов в состав вириона входит только нуклеиновая кислота и белки, которые связаны в единую нуклеопротеиновую структуру – нуклеокапсид. У сложных вирусов имеется дополнительная липопротеиновая оболочка – суперкапсид. В состав сложных вирионов могут входить углеводы и некоторые ферменты. Однако вирусы никогда не содержат метаболических систем, обеспечивающих обмен веществ. Для собственного воспроизведения вирусы должны проникнуть в клетку. Поверхность капсида включает химические вещества, способствующие прикреплению вириона к поверхности клетки и проникновению всего вириона или нуклеиновой кислоты в клетку. Сначала происходит адсорбция (фиксация) вирионов на поверхности клетки, а затем внутрь клетки проникает или весь вирион или только вирусная нуклеиновая кислота. В большинстве случаев вирусы проникают в клетку путем виропексиса (этот механизм проникновения вирусов в клетку сходен с фагоцитозом). Как и любое чужеродное вещество, нуклеиновые кислоты вирусов, проникшие в клетку, должны разрушаться защитными системами клетки. Основу защитных систем составляют нуклеазы – ферменты, расщепляющие нуклеиновые кислоты. Однако существует множество способов защиты вирусных нуклеиновых кислот от разрушения ферментными системами клетки. Например, у крупных ДНК-содержащих бактериофагов в состав вирусной ДНК входят модифицированные основания: окисленные и метилированные. Такая модифицированная ДНК не разрушается клеточными нуклеазами. После проникновения в клетку вирусы вступают в вегетативно-репродуктивную фазу, то есть приобретают способность к обмену веществ и воспроизведению, причем, метаболизм вирусов неразрывно связан с метаболизмом клетки-хозяина. Таким образом, вирусы являются облигатными (обязательными) специализированными внутриклеточными паразитами на молекулярно-генетическом уровне. Многие вирусы приступают к репродукции сразу же поле проникновения в цитоплазму клетки-хозяина. Однако в ряде случаев нуклеиновые кислоты вирусов встраиваются (интегрируются) в состав хромосом хозяина. В интегрированном состоянии вирус называется провирусом. Провирусы неотличимы от генетического материала хозяина и воспроизводится вместе с ним. В интегрированном (вирогенном) состоянии вирусы могут находиться долгое время. Но в ряде случаев (при изменении физиологического состояния клетки, например, при облучении) начинается репродукция вируса. С помощью ферментов и пластических веществ клетки идет репликация вирусных нуклеиновых кислот и вирусных белков. Путем самосборки из этих молекул формируется множество вирионов, которые покидают клетку. При этом клетка может погибнуть или сохраниться.  

     Ротавирус

     Многообразие  и значение вирусов

     В настоящее время известно свыше 800 видов вирусов (вероятно, миллионы видов еще не открыты). Вирусы классифицируются по носителям наследственной информации (ДНК-содержащие и РНК-содержащие) и по хозяевам (вирусы растений, вирусы грибов, вирусы животных и вирусы прокариот, или бактериофаги). Биномиальная номенклатура в вирусологии не привилась, и обычно каждый вид вируса получает собственное имя. Вирусы – возбудители многих инфекционных заболеваний растений, животных и человека. В то же время, вирусы – возбудители заболеваний у нежелательных для человека организмов («враги наших врагов»). Вирусы широко используются как объекты молекулярно-генетических исследований. В генной инженерии вирусы применяются для переноса генетического материала. 

     Происхождение вирусов. Существует ряд теорий происхождения вирусов. Согласно одной из теорий, вирусы – крайне упрощенные прокариотические организмы, утратившие цитоплазму. Противоположные теории рассматривают вирусы как часть генетического материала клетки, вынесенного за ее пределы. Биологическое значение вирусов в первую очередь связывается с их патогенностью – способностью вызывать заболевания. Различают острые вирусные заболевания (например, грипп), хронические и латентные (скрытые). Борьба с вирусными заболеваниями человека и животных ведется с использованием неспецифических препаратов (например, интерферона), специфических сывороток и препаратов, подавляющих репродукцию вирусов. Для профилактики вирусных заболеваний применяют различные вакцины. Антибактериальные препараты (сульфаниламиды, антибиотики) на вирусы не действуют. Существуют инфекционные агенты, которые не являются вирусами. К одной из этих групп относятся вироиды – мелкие одноцепочечные кольцевые молекулы РНК длиной до 300 нуклеотидов, не кодирующие собственных белков (не имеющие собственного капсида). Вироиды вызывают многие болезни растений, например, веретеновидность клубней картофеля. К вироидам близки вирусоиды. Это молекулы РНК, которые способны к самовоспроизведению в присутствии вируса-помощника. Вирусоиды также вызывают заболевания растений, например, преходящую полосатость люцерны. К другой группе инфекционных агентов относятся регуляторные белки прионы. Прионы включают те гены, которые не должны функционировать в данное время и в данной ткани. Это нарушает нормальное функционирование клеток, что приводит к развитию тяжелых заболеваний, например, энцефалопатии («бешенство коров»). Некоторые вирусы (аденовирусы, ретровирусы) могут нарушать нормальное функционирование генетического аппарата клетки хозяина, что приводит к развитию онкологических заболеваний. 

Особенности организации генома вирусов  

Геном вирусов включает:

ü       Структурные гены, которые кодируют белки. Занимают примерно 95 % вирусной хромосомы. Белки вирусов можно разделить на несколько групп: структурные, ферменты, регуляторы.

ü       Регуляторные последовательности, которые не кодируют белки: промоторы, операторы и терминаторы.

ü       Прочие некодирующие участки (сайты), в том числе:

-                участок attP, обеспечивающий интеграцию вирусной хромосомы в хромосому клетки–хозяина;

-                участки cos – липкие концевые участки линейных вирусных хромосом, обеспечивающие замыкание линейной хромосомы в кольцевую форму.

     Гены, кодирующие рРНК и тРНК, в геноме вирусов обычно отсутствуют. Однако в геноме крупного фага Т4 имеются гены, кодирующие несколько тРНК. Геном вирусов отличается высокой плотности упаковки информации. Например, у фага φ Х174 в пределах одного гена может располагаться еще один ген (на рисунке кольцевая ДНК представлена в линейной форме). В частности, ген В находится в пределах гена А, а ген Е – в пределах гена D.  У мелкого РНК–содержащего фага f2 ген регуляторного белка, блокирующего лизис (созревание вирионов и разрушение клетки), перекрывается с двумя другими генами, удаленными друг от друга. Экспрессия (транскрипция и трансляция) вирусных генов происходит в том случае, если геном вируса представлен двунитевой ДНК (у РНК–содержащих вирусов необходим перевод информации в ДНК). Из-за полярности ДНК транскрипция идет только в одном направлении, то есть ген имеет начало и конец. Тогда «правые» гены не будут транскрибироваться РНК–полимеразой, движущейся влево, и наоборот. При этом один и тот же ген может транскрибироваться с разных промоторов; в этом случае экспрессия генов контролируется разными механизмами.   

      Особенности вирусов эукариот

     У вирусов эукариот обнаружены следующие  особенности:

     1. Перекрывание генов (обезьяний вирус SV 40, вирус гриппа).

     2. Интрон-экзонная структура генов.

     3. Модификация белков после синтеза  полипротеинов: весь геном транскрибируется  в виде одной молекулы иРНК, которая служит матрицей для  синтеза полипротеина – одного  гигантского инертного белка, и лишь затем происходит расщепление полипротеина на белки, выполняющие определенные функции.  

ДНК-содержащие вирусы

     К ДНК-содержащим вирусам относятся  многие вирусы бактерий – бактериофаги (или просто фаги). Некоторые мелкие фаги (например, фаг М13) при репродукции не разрушают клетку. Репродукция крупных фагов (например, фага Т–4) приводит к гибели клетки. Фаг Т–4 – это один из наиболее сложно организованных вирусов. Белковый капсид включает не менее 130 белков, образующих головку, воротничок, сократимый хвост, базальную пластинку и хвостовые нити. Такое строение капсида позволяет впрыскивать ДНК в бактериальную клетку через толстую оболочку, поэтому подобные вирусы образно называют «живыми шприцами». Т–фаги могут существовать в виде профага длительное время. К ДНК-содержащим вирусам относятся возбудители многих заболеваний человека и животных: вирусы оспы, герпеса, гепатита В,  аденовирусы млекопитающих и человека (вызывают желудочно-кишечные заболевания, ОРВИ, конъюнктивиты), вирусы бородавок человека. К ДНК-содержащим вирусам относятся и некоторые вирусы растений (вирус золотистой мозаики фасоли, вирус мозаики цветной капусты). Некоторые вирусы используются в генной инженерии для переноса генов от одних организмов к другим, например, обезьяний вирус SV 40. Вирионы ДНК-содержащих вирусов содержат ДНК. Объемом ДНК определяется количество белков в вирионе: один полипептид кодируется отрезком ДНК длиной примерно 1 тысяча нуклеотидов (нуклеотидных пар). После проникновения в клетку вирусная ДНК становится матрицей для синтеза ДНК и РНК. Примеры организации генома ДНК-содержащих вирусов

1. Кольцевая  двухцепочечная ДНК длиной около  5 тпн. 

– Обезьяний  вирус SV 40. Мелкий эукариотический вирус. Вирионы в виде икосаэдра. Капсид белковый. Используется в генной инженерии как вектор переноса генов. Кодирует 5 белков.

– Вирусы бородавок человека.

2. Кольцевая  одноцепочечная ДНК длиной около  5 тн; может быть как кодирующей, так и антикодирующей.

– Мелкие бактериофаги типа М13. Не разрушают  клетку. Капсид включает 8 белков.

– Вирус  золотистой мозаики фасоли.

3. Линейная  двухцепочечная ДНК длиной 30-150 тпн. 

– Бактериофаги типа Т4. Вирионы крупные. Белковый капсид из 130 белков включает: головку, хвостовой  отдел и хвостовые нити. Эти  вирусы могут существовать в виде профага длительное время.

– Аденовирусы  млекопитающих и человека. Вирионы  средних размеров в виде икосаэдра. Капсиды белковые. Вызывают ОРВИ, конъюнктивиты, желудочно-кишечные заболевания, иногда обладают онкогенными свойствами.

– Вирусы оспы, герпеса и им подобные. Вирионы крупные. Имеется липопротеиновая оболочка.

4. Линейная  одноцепочечная ДНК длиной около  5 тн; ДНК может быть как кодирующей, так и антикодирующей. У человека  известны как спутники аденовирусов.

5. Двухцепочечная  ДНК, замкнутая в кольцо из перекрывающихся сегментов. Длина ДНК – 3-8 тн.

– Вирус  гепатита В. Вирион сферический, средних  размеров. Имеется дополнительная оболочка из вирусных и клеточных белков. Кодирует 5 белков.

– Вирус  мозаики цветной капусты. 

РНК-содержащие вирусы

     К РНК-содержащим вирусам относятся  многие вирусы растений, возбудители  заболеваний человека и животных: вирус полиомиелита, вирусы гриппа А, В и С, вирусы паротита (свинки), кори, чумы плотоядных животных (чумки), бешенства, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). В отдельную группу выделяются арбовирусы, которые переносятся членистоногими (клещами, москитами), например, вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки. Многие РНК-содержащие вирусы вызывают ОРВИ (например, коронавирусы), желудочно-кишечные заболевания (реовирусы птиц, млекопитающих и человека). Некоторые РНК-содержащие вирусы используются в биотехнологии, например, вирусы полиэдроза насекомых. Вирионы РНК-содержащих вирусов содержат РНК. После проникновения в клетку вирусная РНК становится матрицей для синтеза ДНК и РНК. Примеры организации генома РНК-содержащих вирусов:

1. Линейная  одноцепочечная мРНК (плюс–цепь)  длиной около 4 тн; в виде единой  молекулы или в виде нескольких  разных молекул. Плюс-цепь сразу  же может использоваться для  трансляции. Вегетативно-репродуктивная фаза этих вирусов протекает в цитоплазме. В плюс-цепи закодирована РНК-репликаза (РНК-зависимая РНК-полимераза). Представители:

– Вирус  табачной мозаики (ВТМ) – сегментированная РНК. Вирион нитевидный (18х300 нм). ВТМ открыт Д.И. Ивановским в 1982 г.

– Вирус  полиомиелита – несегментированная РНК. Вирионы мелкие, в виде икосаэдра. Капсид белковый. 

– Вирус  бешенства. Нитевидный вирион. Имеется  дополнительная липопротеиновая оболочка.

– Арбовирусы (переносятся членистоногими: клещами, москитами) – вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки. Морфология и размеры вирионов разнообразны, например, вирус энцефалита содержит 9 белков. Имеется дополнительная липопротеиновая оболочка.