какое строение имеют вирусы
Особенности строения и жизнедеятельности вирусов
Вопрос 1. Какое строение имеют вирусы?
Вирион (или вирусная частица) состоит из одной или нескольких молекул ДНК или РНК, заключенных в белковую оболочку (капсид). Некоторые более сложные вирусы (вирус герпеса, гриппа и др.) могут содержать мембрану, построенную из липидов и белков, углеводы и ряд ферментов.
Вопрос 2. На основании чего вирусы относят к живым организмам?
Вирусы размножаются только после инфицирования живых клеток. Различные вирусы проникают в животные и растительные клетки, а также бактерии (вирусы бактерий называются бактериофагами). Вирусы являются внутриклеточными паразитами на генетическом уровне и используют для своего размножения белок, синтезирующий аппарат клетки хозяина. Вне клетки они не проявляют никаких свойств живого. Они не потребляют пищи и не вырабатывают энергии, не растут, у них нет обмена веществ. Многие из них во внешней среде имеют форму кристаллов. Вирусы настолько малы, что их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа.
Так как вирусы обладают наследственностью и изменчивостью, а также способностью к размножению, их можно отнести к живым организмам. Кроме того, в состав вируса входят нуклеиновые кислоты и белки, свойственные именно живым организмам. От неживой материи вирусы отличаются двумя свойствами: способностью воспроизводить себе подобные формы (размножаться) и обладанием наследственностью и изменчивостью.
Вопрос 3. Какие особенности отличают вирусы от других живых организмов?
Вирусы имеют ряд особенностей, которые отличают их от других живых организмов. Во-первых, они не имеют клеточного строения, не растут, не обмениваются с окружающей средой веществом и энергией, не способны самостоятельно синтезировать белки. Многие из вирусов имеют форму кристаллов. Во-вторых, вирусы начинают проявлять свойства живого организма только после того, как попадут в клетки-хозяина. Проникнув в клетку, вирус изменяет в ней обмен веществ, направляя всю ее деятельность на производство вирусной нуклеиновой кислоты и вирусных белков. Внутри клетки происходит самосборка вирусных частиц из синтезированных молекул нуклеиновой кислоты и белков. До момента гибели в клетке успевает синтезироваться огромное число вирусных частиц. В конечном итоге клетка гибнет, оболочка ее лопается, и вирусы, выходят из клетки-хозяина. Таким образом, паразитизм вирусов проявляется на генетическом уровне. Поселяясь в клетках живых организмов, вирусы вызывают многие опасные заболевания: у человека — грипп, оспу, корь, полиомиелит, паротит, бешенство, СПИД и многие другие заболевания (например, коронавирус SARS-CoV-2) ; у растений — мозаичную болезнь табака, томатов, огурцов, скручивание листьев, карликовость и др.; у животных — ящур, чуму свиней и птиц, инфекционную анемию лошадей и др.
Что мы знаем о вирусах и методах защиты от них?
Что такое вирус?
Как устроен вирус?
В центре агента находится генетический материал РНК или ДНК, вокруг которого располагается белковая структура — капсид.
Капсид служит для защиты вируса и помогает при захвате клетки. Некоторые вирусы дополнительно покрыты липидной оболочкой, т.е. жировой структурой, которая защищает их от изменений окружающей среды.
Вирусолог Дэвид Балтимор объединил все вирусы в 8 групп, из которых некоторые группы вирусов содержат 1-2 цепочки ДНК. Другие же содержат 1 цепочку РНК, которая может удваиваться или достраивать на своей матрице ДНК. При этом каждая группа вирусов производит себя в различных органеллах зараженной клетки.
Вирусы имеют определенный диапазон хозяев, т.е. он может быть опасен для одних видов и абсолютно безвреден для других. Например, оспой болеет только человек, а чумкой только некоторые виды плотоядных. Вирус не способен выжить сам по себе, поэтому активируется только в хозяйской клетке, используя ее ресурсы и питательные вещества. Цель вируса — создание множества копий себя, чтобы инфицировать другие клетки!
Вирусы. Цикл развития бактериофага. Скачать наглядное пособие в большом разрешении можно здесь.
Как вирус попадает в организм?
Геном вируса встраивается в одну из органелл или цитоплазму и превращает клетку в настоящий вирусный завод. Естественные процессы в клетке нарушаются, и она начинает заниматься производством и сбором белка вируса. Этот процесс называется репликацией. И его основная цель — это захват территории. Во время репликации генетический материал вируса смешивается с генами клетки хозяина — это приводит к активной мутации самого вируса, а также повышает его выживаемость. Когда процесс репликации налажен, вирусная частица отпочковывается и заражает уже новые клетки, в то время как инфицированная ранее клетка продолжает производство.
«Для проникновения в клетку белки поверхности вируса связываются со специфическими поверхностными белками клетки. Прикрепление, или адсорбция, происходит между вирусной частицей и клеточной мембраной. В мембране образуется дырка, и вирусная частица или только генетический материал попадают внутрь клетки, где будет происходить размножение вируса. Сегодня ученые всего мира сделали важное открытие о том, что заражение коронавирусом людей преклонного возраста объясняется тем, что у пожилых людей накапливается специфический белок, который помогает COVID-19 проникать внутрь клетки эпителия».
Выход вируса
Скорость распространения вирусной инфекции
Вирусная латентность
Как вирус распространяется?
Почему с вирусами так тяжело бороться?
Сегодня людям уже удалось победить некоторые вирусы, а некоторые взять под жесткий контроль. Например, Оспа (она же черная оспа). Болезнь вызывается вирусом натуральной оспы, передается от человека к человеку воздушно-капельным путем. Больные покрываются сыпью, переходящей в язвы, как на коже, так и на слизистых внутренних органов. Смертность, в зависимости от штамма вируса, составляет от 10 до 40 (иногда даже 70%), На сегодняшний день вирус полностью истреблен человечеством.
Кроме того, взяты под контроль такие заболевания, как бешенство, корь и полиомиелит. Но помимо этих вирусов существует масса других, которые требуют разработок или открытия новых вакцин.
Коронавирус
К наиболее распространенным симптомам COVID-19 относятся повышение температуры тела, сухой кашель и утомляемость. К более редким симптомам относятся боли в суставах и мышцах, заложенность носа, головная боль, конъюнктивит, боль в горле, диарея, потеря вкусовых ощущений или обоняния, сыпь и изменение цвета кожи на пальцах рук и ног. Как правило, эти симптомы развиваются постепенно и носят слабо выраженный характер. У некоторых инфицированных лиц болезнь сопровождается очень легкими симптомами.
Поскольку пока не изобретено вакцины от COVID-19, в целях защиты от инфекции самым важным для нас является соблюдение гигиены.
Гигиена — раздел медицины, изучающий влияние жизни и труда на здоровье человека и разрабатывающая меры (санитарные нормы и правила), направленные на предупреждение заболеваний, обеспечение оптимальных условий существования, укрепление здоровья и продление жизни.
Сегодня следует соблюдать определенные правила гигиены:
«Мы пытались рассказать Вам не только о существующих научных фактах о вирусах, но и показать, что определенные знания помогают нам в нынешней практической ситуации сохранить свое здоровье и здоровье своих близких. Мы понимаем, что сегодня коронавирус может находиться практически везде: на поверхностях любых предметов, в окружающей среде и т.д. Поэтому самоизоляция – это один из важнейших способов защиты от инфекции. Находясь дома, вы защищаете не только свое здоровье, но и помогаете медикам и ученым, которые сражаются с этим вирусов и день и ночь. Ведь, чем меньше шансов у нас с вами заболеть, тем больше шансов появляется у них, чтобы победить коронавирус. Пожалуйста, оставайтесь дома и соблюдайте режим самоизоляции и нормы гигиены».
Вирусы
Анастасия Шунаева
«Квантик» №10, 2013
Рис.1. Мумия Рамзеса V
Что нам в первую очередь приходит в голову, когда мы слышим про вирусы? Вы наверняка подумали о компьютерных вирусах — вредоносных программах, которые портят компьютер. Но ведь не просто так говорят заболевшему, скажем, гриппом: «Это вирусное, потому и температура 39!». Наверное, настоящие вирусы связаны с болезнями и эпидемиями, а компьютерные так назвали по аналогии. А вот кто такие эти настоящие — сейчас будем разбираться.
Кстати, первую вакцинацию провели именно против оспы, в 1796 году. Английский врач Эдвард Дженнер заметил, что доярки, переболевшие коровьей оспой (это не смертельное для человека заболевание), от чёрной оспы никогда не умирали. Тогда ему в голову пришло привить от этого смертельного заболевания восьмилетнего мальчика, Джеймса Фиппса, никогда не болевшего чёрной оспой (рис. 2). У заболевших коровьей оспой на коже образуются пустулы, или, по-другому, гнойные пузырьки. Дженнер внёс в ранку мальчика жидкость из пустул больной доярки. Пустулы появились и у Джеймса, но скоро исчезли. Тогда врач заразил мальчика чёрной оспой. «Смелый», надо сказать, поступок — результат был непредсказуем! Но Джеймс выжил и приобрёл иммунитет, а Эдвард Дженнер и термин «вакцинация» (от лат. «vacca», что означает «корова») вошли в историю.
Но и Дженнер не имел представления о том, что является причиной заболевания оспой. В XIX веке все болезнетворные организмы и вещества без разбора называли вирусами. Лишь благодаря опытам отечественного биолога Дмитрия Иосифовича Ивановского прекратилась эта путаница! Он пропускал экстракт заражённых табачной мозаикой 1 растений через бактериальные фильтры, сквозь которые не проходят даже самые мелкие бактерии. Выяснилось, что экстракт оставался по-прежнему заразным для других растений. Значит, возбудителями табачной мозаики были организмы, меньшие по размеру, чем бактерии; их назвали фильтрующимися вирусами. Вскоре бактерии перестали называть вирусами, а сами вирусы выделили в отдельное царство живых организмов. Дмитрий Ивановский же во всём мире по праву считается основателем вирусологии — науки о вирусах.
Рис. 2. Дженнер прививает Джеймса Фиппса от оспы
Но что мы пока поняли про вирусы? Только то, что они меньше бактерий. Чем же вирусы так не похожи на другие организмы? И почему понадобилось вдруг их выделять в отдельное царство? А вот почему. В отличие от других живых организмов, вирусы не имеют клеточного строения, а значит, и всех характерных для клетки структур. А ещё они единственные, кто не умеет самостоятельно производить белок, главный строительный материал всего живого. Поэтому их размножение невозможно вне заражённой клетки. Из-за этого многие учёные не без оснований считают вирусы внутриклеточными паразитами.
Жертвами различных вирусов становятся представители всех без исключения существующих царств живых организмов! Так, есть вирусы растений — вирус табачной мозаики (рис. 3, слева), вирус мозаики костра (это растение изображено на рисунке 3, справа), вирус желтухи свёклы, вызывающий иногда даже эпидемии. Кстати, в растение вирус просто так не проникнет. Заражение происходит при травмах растительных тканей. Типичный пример: тля пьёт сок из стебля и для этого протыкает покровные ткани — а вирус тут как тут.
Рис 3. Слева: листья табака, поражённые вирусом табачной мозаики. Справа: костёр (лат. Brómus) — род многолетних травянистых растений семейства Злаки. Если посмотреть на заросли костра в ветреную погоду, его крупные метёлки, склоняясь под ветром то в одну, то в другую сторону, отсвечивают красноватым светом в солнечных лучах, очень напоминая языки пламени. Отсюда, вероятно, и произошло русское название этого растения
Грибы тоже поражаются вирусами, вызывающими, например, побурение плодовых тел у шампиньонов или изменение окраски у зимнего опёнка. Причиной многих опасных заболеваний животных и человека тоже служат вирусы: вирус гриппа, ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), вирус Эбола, вирус бешенства, герпеса, клещевого энцефалита и т. д.
Как же «живёт» вирус? В действительности, среди учёных до сих пор ведутся споры по поводу того, считать ли вирусы живыми организмами или нет. Сейчас поймём, почему. Вирус существует в двух формах. Вне хозяйской клетки все части вируса собраны в устойчивую конструкцию — вирион. Он не проявляет признаков жизни, однако «переживает» неблагоприятные условия среды, и довольно успешно. Если такой вирион проникает в клетку-мишень, то он там «раздевается». Раздевается — значит разваливается на части и эксплуатирует клетку для создания новых частиц — своего потомства. «Собранные» клеткой новые вирусные частицы затем покидают её в виде тех самых вирионов.
Рис. 4. Слева: вирус табачной мозаики. В центре: вирус мозаики костра похож на футбольный мяч (справа)
Рис. 5. Слева направо: вирус герпеса, аденовирус А человека, бактериофаг
Такая затейливая оболочка должна, наверно, служить защитой для чего-то? И правда, за ней скрывается наследственная информация вируса — её он передаёт потомству. Заражая клетку, некоторые вирусы не только размножаются там, но и безнадёжно её «портят». В итоге клетка или погибает, или ведёт себя неправильно. Пример такого неправильного поведения — раковая опухоль. Клетки в ней бесконтрольно делятся, тогда как нормальные клетки всегда способны вовремя остановиться. Вирусы могут служить причиной развития рака.
Рис. 6. Маленькие вирусы-спутники внутри гигантского мимивируса
Но не стоит думать, что вирусы причиняют исключительно вред другим организмам! Так, исследователи из Пенсильванского университета показали, что безвредный для человека вирус AAV2, встречающийся почти у всех людей, убивает самые разные виды раковых клеток. При этом здоровые клетки организма вирус не заражает.
А совсем недавно стало известно, что вирусы тоже болеют. Мимивирус, поражающий амёбу Acanthamoeba polyphaga, сам страдает от другого вируса-спутника (рис. 6). Он, кстати, так и называется — Спутник. Этот вирус-спутник использует механизмы воспроизводства мимивируса для собственного размножения, мешая ему нормально развиваться в клетке амёбы. По аналогии с бактериофагами, он был назван вирофагом, то есть пожирающим вирусы. Можно сказать, что присутствие вируса-спутника в амёбе обеспечивает ей больше шансов на выживание в борьбе с мимивирусом.
Уф. на этом месте предлагаю пока остановиться. Итак, узнав чуть больше про вирусы, мы, надеюсь, не станем судить их очень строго, понимая, что иногда они могут быть полезны, и не только нам! А вообще вирусология — молодая наука. Многое, конечно, уже известно, но сколько всего ещё предстоит узнать! Присоединяйтесь!
1 Распространённое вирусное заболевание растений табака.
2 Бактериофáги, или фáги (от др.-греч. φαγω — «пожираю») — вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки.
Вирусы. Общие характеристики.
Вирусы – это особая группа организмов, которая представляет собой неклеточную форму жизни. Вирусы являются внутриклеточными паразитами и могут функционировать только в клетке. Вне клетки вирусы не выказывают признаков жизни и имеют кристаллическую форму.
Строение вирусов.
Простейшие вирусы представляют собой нуклеопротеид, который состоит из нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) и капсида – белковой оболочки. Более сложные вирусы имеют дополнительную липидную оболочку. Существует тип вирусов – бактериофаги, которые имеют специальное строение, позволяющее им внедрять свой геном в клетки бактерий. Бактериофаги имеют тело, состоящее из головки с геномом, хвостик (трубка, которая транспортирует геном в клетку) и отростки.
Вирусы могут попадать в клетку путем растворения оболочки клетки или с помощью погружения фрагментов оболочки вместе с вирусом в цитоплазму или вместе с пиноцитозными пузырьками.
Попадая в клетку, вирус начинает размножаться с помощью клетки, которая синтезирует ДНК или РНК вируса. Клетка повреждается, а после гибнет, а вирусы получают возможность поразить другие клетки. Таким образом, вирус может существовать и размножаться практически бесконечно. Существует огромное количество различных вирусов, которые вызывают опасные болезни: грипп, гепатит, СПИД и другие.
Самым опасным и неизученным до конца является вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), который вызывает синдром приобретенного иммунодефицита человека (СПИД), который попадает в организм при половом контакте или через кровь. Этот вирус поражает клетки иммунитета человека, делая его уязвимым перед любой болезнью, из-за чего человек может умереть даже от насморка.
Вирусы, поражающие организм человека и животных, имеют способность мутировать очень быстро размножаться. Этот факт делает вирусные болезни предельно устойчивыми для лечения.
ВИРУСЫ
Вирусы (лат. virus яд) — неклеточные формы жизни, обладающие собственным геномом и способные к воспроизведению лишь в клетках более высокоорганизованных существ. Для Вирусов в целом характерны две формы существования: внеклеточная, или покоящаяся, и внутриклеточная, размножающаяся (репродуцирующаяся), или вегетативная. Синонимами первого названия являются также термины «вирусная частица», «вирусный корпускул», «вирион», синонимами второго — «комплекс вирус—клетка».
Вирусы существуют в природе, передаваясь от одного хозяина к другому. Репродукция Вирусов может происходить только внутриклеточно, в связи с чем Вирусы являются облигатными внутриклеточными паразитами животных, растений, насекомых, бактерий, грибов и других классов живых существ. Внутриклеточный паразитизм Вирусов обусловлен тем обстоятельством, что они в силу крайней простоты своей организации используют для своего воспроизведения клеточный синтетический аппарат (рибосомы, мембраны), ферменты и энергогенерирующие системы. Связь между двумя формами существования В. осуществляется через нуклеиновую к-ту вириона, к-рая индуцирует в зараженной клетке вирусоспецифические синтезы и, в конечном счете, формирование дочерних вирусных частиц. Различные виды В. на внеклеточной стадии существования характеризуются сравнительно большой вариабельностью размеров (от 15—18 до 3000—3500 нм). Наиболее крупные сложно устроенные В. из рода поксвирусов (Poxvirus), к к-рому принадлежат возбудители оспы и В. осповакцины, различимы в обычном световом микроскопе, но большая часть В. обладает субмикроскопическими размерами и различима лишь в электронном микроскопе.
Содержание
Химический состав вирионов и свойства вирусных компонентов
Вирусные частицы характеризуются простотой своего хим. состава, хотя между различными представителями царства вирусов имеются значительные различия. По этому признаку В. в целом разделяются на две большие группы: простые и сложные. В типичном случае первые В. состоят только из белка и нуклеиновой к-ты, тогда как В. сложные наряду с этими компонентами содержат в своем составе липиды и углеводы, как правило, в форме гликопротеидов.
В свою очередь в пределах этих двух групп также существуют градации. Так, в пределах первой группы В. можно выделить две подгруппы, различающиеся по степени сложности своего белкового компонента. Одна подгруппа образована В., белок которых состоит из одного вида пептидных цепей. К таковым относится большая часть В. растений, и в частности В. табачной мозаики (род Tobamovirus), белок к-рого состоит из 2320 идентичных полипептидов, образованных 158 аминокислотами. Во вторую подгруппу входят В., белок которых образован несколькими типами полипептидных цепей. Различные представители этой подгруппы в свою очередь отличаются по количеству и виду полипептидных цепей. Наиболее просто организованные В. животных, принадлежащие к роду Parvovirus, содержат три вида полипептидных цепей, напр, аденосателлитные В., латентные В. Килхема и др. У сложно устроенных В. типа осповакцины (род Poxvirus) в вирионе насчитывается до 20 различных белков, в т. ч. собственные ферменты. Как правило, сложность состава белка коррелирует со сложностью структурной организации вириона.
Т. о., в типичном случае вирионы представляют собой нуклеопротеиды, т. е. комплекс белка и нуклеиновой к-ты. Исключением из этого правила являются различные дефектные мутанты В., как естественные, так и искусственно полученные, которые вообще не способны синтезировать собственный белок или синтезируют дефектный белок, неспособный образовать нормальную оболочку вирусной частицы. К числу таких дефектных В. можно отнести варианты Вируса погремковости табака, некоторые штаммы В. табачной мозаики, которые в естественных условиях в зараженных клетках существуют в форме комплекса с клеточными белками, а также дефектные варианты В. саркомы Рауса, неспособные синтезировать свою наружную оболочку, формирование к-рой обеспечивается вирусом-помощником (В. птичьего лейкоза).
Вирусы в противоположность клеточным формам жизни содержат в составе вирионов лишь один из двух типов нуклеиновой к-ты: РНК или ДНК, представляющих собой геном вирусной частицы. Т. о., РНК, за к-рой в клетке закрепились лишь функции структурно-метаболические, у В. может выполнять, как и ДНК, функции генетические.
Для В. характерно большое разнообразие форм нуклеиновых кислот, в т. ч. наличие таких форм РНК и ДНК, которые отсутствуют у клеточных форм жизни.
При этом первичная структура РНК и ДНК других В. не обнаруживает каких-либо аномалий по сравнению с клеточными формами нуклеиновых к-т. Однако у многих
В., содержащих ДНК, последняя представлена не линейной, а ковалентно-замкнутой кольцевой молекулой. Такая форма ДНК обнаружена у представителей родов полиомавирусов (Polyomavirus), папиллома-вирусов (Papillomavirus) и липовирусов (Lipovirus).
Из аномалий, связанных со вторичной структурой нуклеиновых кислот В. и не встречающихся среди клеточных нуклеиновых кислот, интересно отметить существование однонитчатых ДНК и двухспиральных РНК. Первая обнаружена у представителей родов Bullavirus и Inovirus, а также среди парвовирусов (Parvovirus): мелкого В. мышей, латентного В. крыс Килхема и аденосателлитных В. Двухспиральная РНК присутствует у реовирусов (род Reovirus) и В. раневых опухолей растений, карликовости риса и цитоплазменного полиэдроза, родовая принадлежность которых пока точно не установлена.
Нуклеиновые кислоты практически всех просто организованных В. обладают инфекционностью. При заражении чувствительных хозяев депротеинизированными препаратами ДНК или РНК этих В. наблюдается типичный инфекционный процесс, заканчивающийся формированием зрелых вирионов потомства. Спектр хозяев и клеток, зараженных препаратами инфекционных нуклеиновых кислот, шире по сравнению с естественным кругом хозяев данного В., т. к. в этом случае нет ограничений, накладываемых специфическим взаимодействием рецепторов В. и клетки. Инфекционность отсутствует у препаратов РНК, выделенных из сложных В. (миксо-, парамиксо-, Рабдовирусы).
Некоторые Вирусы, неспособные синтезировать белки своей оболочки, могут существовать даже в естественных условиях в форме свободной РНК. Обнаруженные этиологические агенты, вызывающие веретеновидность клубней картофеля и экзокортисное заболевание цитрусовых и получившие специальное название «вироиды», представляют собой свободные низкомолекулярные РНК, сходные по размерам с тРНК или 5sPHK. Заражение растений картофеля и цитрусовых препаратами этой РНК вызывает типичную картину заболеваний и репликацию вироидной РНК.
Липидный компонент В. исследован сравнительно хорошо лишь у ортомиксовирусов, парамиксовирусов и арбовирусов (роды Orthomyxovirus, Paramyxovirus, Fiavivirus и Alphavirus). Источником происхождения липидов в этом случае является клеточная мембрана, откуда В. в процессе созревания заимствует свой липидный компонент. Глико-протеиды входят в состав поверхностных образований вирусных частиц, напр. гемагглютининов у миксовирусов и парамиксовирусов. Пути их синтеза пока не изучены.
Структура вирусных частиц
Белок вирионов выполняет двоякую функцию. Во-первых, он образует наружную оболочку (капсид), защищающую нуклеиновую к-ту вирусной частицы. Нуклеиновая к-та с окружающим ее белком обозначается термином «нуклеокапсид», или «нуклеоид». Последний термин обычно применяется морфологами для обозначения внутренних структурных образований, содержащих нуклеиновую к-ту у сложно устроенных В. позвоночных. У просто организованных В. термины «нуклеокапсид» и «вирион» по существу тождественны, но у многих сложно устроенных В. наряду с белковым капсидом имеется еще одна или несколько внешних оболочек, чаще всего липидных или белковых, для обозначения которых пользуются термином «суперкапсид». Так, у В. гриппа имеется внутренний нитевидный нуклеопротеид (нуклеокапсид), известный под названием внутреннего антигена, или S-антигена, заключенный внутри белковой базальной мембраны и внешней липопротеиновой оболочки (суперкапсид).
Для выполнения своих защитных функций капсид В. должен обладать достаточно высокой стабильностью, особенно по отношению к таким факторам внутриклеточной среды, как деструктивные ферменты. В связи с этим нативные неповрежденные вирионы устойчивы к высоким концентрациям протеолитических ферментов. Исключение из этого правила составляют лишь немногие, сложно устроенные В., как, напр., арбовирусы группы Б (род Flavivirus). Эта устойчивость обусловлена высокоупорядоченной третичной и четвертичной структурой белковых субъединиц (капсомеров) в составе капсида, благодаря чему пептидные связи, чувствительные к протеазам, стерически недоступны для действия ферментов. После частичной денатурации или деградации белковый капсид В. легко гидролизуется протеазами.
Вторая функция капсида заключается в обеспечении адсорбции В. только на тех клетках, где может происходить их размножение. Такая специфичность взаимодействия В. с ограниченным кругом хозяев обеспечивается наличием на поверхности вирионов специфических рецепторов, которые соответствуют определенным рецепторам на поверхности клеток. В тех случаях, когда В. лишены специализированных рецепторов, как, напр., В. растений, их попадание в клетки природных хозяев обусловливается определенными переносчиками.
К числу простых относятся все Вирусы, представляющие собой «голый» нуклеокапсид, хотя их оболочка может состоять из нескольких видов полипептидных цепей. В этом случае структура вирусных частиц подчиняется строгим правилам симметрии (см. Симметрия). У сложно устроенных В., имеющих высоко-дифференцированную структуру и суперкапсиды, симметрия, как правило, становится более сложной.
Серологические свойства вирусов
Поскольку Вирусы содержат белки, а в ряде случаев гликопротеиды и липопротеиды, то вирионы несут определенные антигенные детерминанты, вызывающие образование специфических антител как при естественных формах инфекции, так и в опытах по иммунизации лабораторных животных. Просто устроенные В., содержащие один вид белка, вызывают образование одного вида антител, сложно устроенные В., содержащие различные виды белков и разные структурно-морфологические компоненты, несут несколько типов антигенов.
Внеклеточные В. при контакте с антителами против наружных антигенов теряют свою инфекционность (нейтрализуются), но из неинфекционного комплекса вирус—антитело снова можно получить инфекционные вирионы после диссоциации такого комплекса при воздействии кислых pH, температуры и высокой ионной силы. В. внутриклеточные к нейтрализующему действию анти-сыворотки устойчивы, и такой прием нередко используется для изучения адсорбции и проникновения В. в клетки.
По вопросу о роли антител в иммунитете к вирусным инфекциям единой точки зрения нет, что, по-видимому, связано с различиями в биологии разных В., путей их распространения и циркуляции в организме, местах синтеза, доступности для антител и т. п. (см. Иммунитет противовирусный).
Комплекс вирус — клетка и основные закономерности репродукции вирусов
Для В. в целом характерен так наз. дизъюнктивный (лат. disjunctus разобщенный) путь репродукции, означающий, что в процессе репликации В. родительский вирион как таковой исчезает.
В зараженной клетке присутствие вирусных частиц не обнаруживается ни с помощью серологических, ни с помощью электронномикроскопических методов вплоть до поздних стадий инфекции, когда появляются первые дочерние вирионы (так наз. латентный период инфекции, синонимами к-рого являются термины «эклипс-период», «период маскировки», фаза смены информаций — «си-фаза»).
Проникновение В. в клетку происходит по механизму, близкому к пиноцитозу (см.), но конечный результат остается тем же (рис. 1). В этом случае инфицирующий вирион после адсорбции на клеточных рецепторах захватывается клеточной мембраной, к-рая впячивается внутрь клетки, образуя вакуоль. В процессе взаимодействия вириона с клеточной мембраной его капсид претерпевает деструктивные изменения и приобретает чувствительность к клеточным протеазам, которые и разрушают вирусный белок, освобождая вирусную нуклеиновую к-ту. У сложно устроенных В. из родов Poxvirus, Paramyxovirus, Orthomyxovirus и Rhabdovirus течение этого процесса осложняется тем, что удаление суперкапсида и капсида нуклеоида разобщено во времени и проходит в две стадии. При этом нуклеиновая к-та может быть транскрибирована непосредственно в составе нуклеокапсида или нуклеоида, освободившихся от суперкапсида. Процесс транскрипции в этом случае осуществляется с помощью вирусных РНК-полимераз, входящих в состав нуклеоида (см. Транскрипция).
Следующая особенность дизъюнктивного способа репродукции В. состоит в том, что синтез элементов вирусного корпускула осуществляется в виде пулов (обменных фондов), которые разобщены и в пространстве, и во времени. Нуклеиновая к-та вируса может реплицироваться, напр., в ядре или ядрышке, белок может синтезироваться в цитоплазме, а сборка целых вирионов или нуклеокапсидов может происходить на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны. Наконец, сложный липопротеиновый суперкапсид может приобретаться В. в процессе отпочкования.
Последующей стадией репродукции (после проникновения вирусной нуклеиновой к-ты в клетку) является синтез вирусоспецифических ферментов и белков, необходимых для репликации В. (так наз. ранние белки, не входящие в состав вирионов). Детали этого процесса у разных В. различаются в зависимости от того, какой тип нуклеиновой к-ты входит в состав вирионов. У большей части В., которые содержат однонитчатую РНК, последняя способна выполнять одновременно и функции генетической детерминанты, и функции собственной информационной РНК — так наз. (+) цепи. Эти родительские (+) цепи РНК непосредственно связываются с рибосомами и транслируются, т. е. наводят в них синтез вирусоспецифических белков. В этом случае первым актом вирусоспецифических синтезов в зараженной клетке будет трансляция вирусной (+) матрицы. У В., содержащих ДНК как однонитчатую, так и двунитчатую, а также однонитчатую РНК, неспособную к трансляции (—) цепи, или двунитчатую РНК, первым синтетическим актом должно быть формирование комплементарной полинуклеотидной цепи, т. е. синтез вирусоспецифических ранних информационных РНК.
Естественно, что этот процесс должен осуществляться с помощью вирусных либо клеточных РНК-полимераз. Если в клетке имеются ДНК-зависимые РНК-полимеразы, способные транскрибировать вирусную ДНК, то РНК-зависимых РНК-полимераз в нормальной клетке нет. В связи с этим последний фермент для осуществления первичного акта транскрипции РНК должен проникать в клетку вместе с инфицирующей вирусной РНК, как правило, в составе нуклеоида или нуклеокапсида. В дальнейшем, после трансляции инфекционных РНК в зараженной клетке появляются и дочерние, т. е. вновь синтезированные РНК-зависимые РНК-полимеразы.
На третьей стадии вирусной репродукции происходит репликация вирусной нуклеиновой к-ты, к-рая в случае двухспиральных нуклеиновых кислот осуществляется по известному симметричному полуконсервативному механизму, а в случае однонитчатых нуклеиновых кислот — по асимметричному полуконсервативному механизму, через стадию репликативной (РФ) и репликативной промежуточной (РПФ) форм. Как видно из схемы, представленной на рис. 2, на матрице родительской (+) цепи синтезируется комплементарная ей (—) цепь, в результате чего возникает двухспиральная РФ.
Затем на матрице (—) или (+) цепей начинается одновременный синтез нескольких (+) или (—) полинуклеотидных цепей, соответственно и возникает РПФ.
Четвертая стадия репродукции — это синтез информационных РНК, кодирующих поздние белки, к-рыми являются конститутивные белки, входящие в состав вирионов. Одновременно начинается и формирование вирионов.
Как показали работы Шрамма (G. Schramm) и Фреккель-Конрата (H. Fraenkel-Conrat), индивидуальные полипептидные цепи таких простых В., как В. табачной мозаики, при нейтральных или слабокислых значениях pH способны спонтанно агрегировать в растворе, образуя вирусоподобные частицы (белковые капсиды). При наличии в растворе нуклеиновой к-ты этих В. происходит автоматическая сборка инфекционных вирусных частиц, протекающая как чисто физ.-хим. реакция агрегации и не требующая участия дополнительных факторов. Аналогичным образом происходит и сборка вирионов в зараженных клетках после того, как концентрация вирусных РНК и белка в соответствующих пулах достигнет критического уровня. У сложно устроенных В. принципы самосборки сохраняются лишь на уровне отдельных компонентов вирусных частиц, тогда как сборка этих компонентов в единое целое требует участия многих дополнительных факторов и ферментов, которые сами по себе в состав зрелых вирионов не включаются. Такого рода морфопоэтические факторы В. синтезируются на этой стадии инфекции вместе с конституционными вирусными белками. (См. ниже Морфогенез вирусов.)
Заключительная стадия вирусной инфекции, смыкающаяся с формированием зрелых вирионов, заканчивается освобождением дочерних вирусных частиц в среду. В зависимости от структурной организации и сложности вирионов, а также биологии данного В. и его взаимоотношения с клеткой хозяина этот процесс может осуществляться по-разному у разных групп В. Вирусы могут либо тем или иным способом лизировать клетки, обусловливая цитопатическое действие (патогенные, или литические, вирусы), либо освобождаться из клетки, не разрушая ее (бессимптомная инфекция). У литических, патогенных В. позвоночных и беспозвоночных разрушение клетки достигается либо за счет активации лизосом, либо путем интенсивного повреждения клеточных мембран в процессе отпочкования.
Многие вирусные штаммы и даже виды обладают тем или иным генетическим дефектом и способны репродуцироваться лишь в присутствии других В.— помощников. Классическими примерами являются: штамм Брайена В. саркомы Рауса, реплицирующийся лишь в присутствии В. птичьего лейкоза; аденосателлитный В., способный размножаться в присутствии полноценного аденовируса, мелкий сателлитный Вирусов некроза табака, нуждающийся для успешной репродукции в присутствии крупных частиц В. некроза табака. ДНК аденосателлитного В. и РНК В. некроза табака содержат информацию для синтеза собственного капсидного белка и не содержат полной информации для репликации в клетке.
Наряду с этим имеется также и весьма большая группа РНК-содержащих В. растений с фрагментированным геномом, который распределен среди нескольких видов частиц, образующих инфекционный препарат лишь при наличии всех компонентов.
Так, инфекционный препарат В. мозаики коровьего гороха состоит из трех типов вирионов с коэффициентами седиментации 58S, 95S и 115S, В. мозаики люцерны — из пяти различных компонентов с коэффициентами седиментации 99S, 83S, 76S, 68S, 61S и 53S. Многокомпонентными системами являются также В. мозаики костра, В. стрика табака и некоторые другие. Каждый из компонентов этих В. с фрагментированным геномом сам по себе не инфекционен и содержит лишь определенную часть генетической информации, необходимой для успешного функционирования всей системы в целом.
Взаимоотношения между вирусами и клетками отличаются большой сложностью и определяются как типом вируса, так и геномом клетки и ее физиологическим состоянием.
Вирусный геном в зараженной клетке может вступать в определенные генетические отношения с геномом клетки. По этому признаку В. можно разделить на две большие группы: с автономной репликацией геномов (инфекционные вирусы) и В., способные тем или иным образом взаимодействовать с клеточным геномом (интеграционные вирусы). Последняя группа включает опухолеродные В., нуклеиновая к-та которых способна встраиваться (интегрироваться) тем или иным образом в клеточную хромосому в форме провируса, вызывая трансформацию клеток (см. Трансформация). Границы между этими группами весьма условны, и один и тот же В. в зависимости от вида клеток может вести себя либо как инфекционный, либо как интеграционный. В. с автономной репликацией геномов в свою очередь могут быть по отношению к одним хозяевам патогенными, а по отношению к другим хозяевам нейтральными. Все интеграционные В. в той или иной мере вступают в симбиотические отношения с клеткой хозяина.
Литический, или патогенный, путь развития инфекции определяется тем, что клетки, где происходит репродукция В., в конечном счете погибают.
Летальный исход инфекции для клетки может вызываться рядом независимых причин: 1) специфической и необратимой блокировкой деятельности клеточного генома на ранних стадиях инфекции; 2) неспецифическими повреждениями клеточного генома в процессе инфекции; 3) переключением метаболических ресурсов клетки на вирусоспецифические синтезы; 4) специфическим лизисом клетки, связанным с необходимостью освобождения дочерних вирусных частиц в среду; 5) нарушением структуры клеточных мембран в результате интенсивного выхода вирусных частиц в среду, особенно в процессе отпочкования, и некоторыми другими.
Как видно из этого перечня, лишь первая и третья причины связаны со специфическим цитотоксическим или цитопатогенным действием, запрограммированным в вирусном геноме и реализующимся в процессе инфекции. Остальные из перечисленных причин, приводящих к гибели клеток, строго не детерминированы и обусловлены в основном интенсивностью вирусоспецифических синтезов. Поэтому при некоторых ограничениях в скорости синтеза и освобождения зрелых вирусных частиц в среду клетка может сохранять свою жизнеспособность и длительное время продуцировать вирусные частицы. Несомненно, что такой нейтральный тип взаимоотношений, лежащий в основе бессимптомных инфекций, безусловно, выгоден для В. как вида и представляет собой наименьшее зло для хозяина.
Наконец, между В. и клетками могут существовать и вполне симбиотические отношения, когда несомненные выгоды получают оба партнера комплекса. Примеры такого рода можно найти у онкогенных В. Как известно, трансформация клеток онкогенными В. создает также помехи для суперинфекции в виде феномена интерференции (см. Интерференция вирусов).
Выгоды, которые получают В. при таком интеграционном пути развития инфекции, также несомненны. Прежде всего репликация нуклеиновой к-ты В. целиком обеспечивается клетками, поскольку провирус является частью клеточной хромосомы. Поэтому каждая дочерняя клетка, образовавшаяся в результате деления родительской клетки, несет в себе провирус, что обеспечивает вертикальную передачу В. и его распространение в пределах данного вида хозяев.
Классификация и номенклатура вирусов
В 1966 г. на IX Международном конгрессе микробиологов в Москве был создан Международный комитет по номенклатуре вирусов (МКНВ), который был позже переименован в Международный комитет по таксономии вирусов (МКТВ). МКТВ является органом вирусол. секции Международной ассоциации микробиологов и состоит из представителей национальных обществ. При МКТВ образованы подкомитеты по
В. позвоночных, беспозвоночных, растений и бактерий, которые имеют в своем составе так наз. группы изучения отдельных разделов; напр., в подкомитете В. позвоночных имеются группы изучения энтеровирусов, реовирусов, арбовирусов и др.
Сбор информации о В. и систематизация ее осуществляются в соответствии с характеристикой В. по следующим основным показателям: а) нуклеиновой к-те, белкам, липидам, углеводам, морфологии и физ.-хим. свойствам; б) репликации; в) феноменам генетических взаимодействий; г) кругу хозяев; д) патогенности; е) географическому распространению; ж) способу передачи; з) антигенным свойствам. Значимость каждого из показателей в построении иерархической системы пока еще не до конца определена, но, по-видимому, первая послужит основой формирования крупных таксономических групп (семейства и выше).
Общность антигенной структуры является обязательным признаком при определении вида.
В современной классификации В. (таблица) рассматриваются как единая система, независимо от круга основных хозяев (позвоночных, беспозвоночных, растений, бактерий). Предполагается создание полной иерархической системы, подобной классификации животных, включающей такие таксономические группы, как вид, род, семейство, порядок, класс, и, возможно, еще более высокие категории. Пока не удалось достигнуть четкого определения понятий «вид» и «род». Под видом разумеют группу В. с идентичными свойствами, а род представляет собой группу В., сходных по ряду общих свойств.
К В. применяется биноминальная номенклатура, в соответствии с к-рой наименование вида состоит из родового и видового названий. В силу сложившихся привычек в номенклатуре В. в основном сохраняются уже существующие названия, в т. ч. буквенные и цифровые, если они общеупотребительны. Новые названия создаются по правилам словообразования в латинском и греческом языках. Название порядков оканчивается на «-ales», семейств — на «-idae», родовое название включает слово «virus». Название семейств и родов пишется с прописной буквы, видовое — со строчной. Для некоторых определяющих свойств В. применяется кодированная запись в виде криптограммы (надпись, сделанная знаками), что облегчает восприятие свойств каждого В. или отдельных групп и сопоставление их между собой.
Криптограмма состоит из четырех пар символов, разделенных двоеточием, имеющих следующее значение:
1. Тип нуклеиновой к-ты / число нитей.
2. Молекулярный вес нуклеиновой к-ты / процентное содержание в вирионе.
3. Внешние очертания вириона / очертания нуклеокапсида.
4. Хозяин / переносчик.
Для выражения свойств первой пары употребляют следующие символы: РНК — R, ДНК — D, однонитчатая — 1, двунитчатая — 2.
Молекулярный вес выражают в миллионах дальтон. Если нуклеиновая к-та фрагментирована и состоит из нескольких кусков, то в случае, когда различные куски находятся вместе в одном типе частиц, указывают общий мол. вес со знаком 2. Если же фрагменты нуклеиновой к-ты находятся в различных частицах, то состав и мол. вес в каждой перечисляются отдельно.
Форму вириона и нуклеокапсида обозначают: S — сферическая; E — продолговатая с параллельными сторонами, концы не закруглены; U — продолговатая с параллельными сторонами и закругленным(и) концом(ами); X — комплексная структура.
Для примера приводим криптограмму рода Rhabdovirus, R/1 : 4/2 : U/U:V,I, S/O, Ac, Ap, Di, к-рая расшифровывается так: однонитчатый РНК-содержащий вирус, мол. вес РНК—4 млн. дальтон, что составляет 2% веса вириона. Наружные очертания В. и нуклеокапсида — продолговатые с закругленным концом. Для разных представителей хозяевами являются позвоночные, беспозвоночные, семенные растения. Распространяются через окружающую среду, а также с помощью переносчиков клещей, тлей, двукрылых.
Формирование отдельных таксономических групп идет в зависимости от полноты информации и пока находится на стадии образования родов и семейств. Предложения об образовании таксономических групп и их номенклатуры, исходящие от официально созданных групп изучения или отдельных ученых, рассматриваются соответствующими подкомитетами и приобретают законную силу лишь после утверждения МКТВ.
Морфогенез вирусов
В. проходят сложный строго специфичный для каждой группы В. онтогенетический цикл развития. Морфогенез, или морфопоэз, В. представляет собой основной и наиболее важный этап его онтогенетического цикла развития, который состоит из комплекса последовательных формообразовательных (морфогенетических) процессов, приводящих к образованию вириона — заключительной формы развития В. Процесс индивидуального развития и репродукции В. контролируется его автономной генетической системой — макромолекулярной ДНК или РНК. Геном простейших В. состоит из 1—2 генов, геном сложных ДНК-содержащих В.— из 100 и более генов. Сборка вирионов — заключительный этап морфогенеза В., представляет собой процесс упорядоченной агрегации структурных вирусных компонентов (макромолекул нуклеиновых кислот, структурных белков и т. д.). Сборка вирионов сложных В. регулируется так наз. морфогенетическими генами. Вирионы простейших В. (напр., В. табачной мозаики) или отдельные компоненты сложных вирионов формируются в результате самосборки, к-рая представляет собой процесс спонтанной упорядоченной молекулярной агрегации и определяется в основном структурой белковых субъединиц. Существует определенная зависимость между степенью сложности архитектуры вирионов и сложностью их морфогенеза, т. е. чем сложнее организация вириона, тем больший путь дифференцировки проходит В. в онтогенетическом цикле развития и тем большее число морфогенетических генов контролирует этот процесс.
Структура вириона является специфическим признаком каждой группы В. (рис. 3). Вирионам ДНК- и РНК-содержащих вирусов или отдельным их компонентам могут быть присущи два основных типа симметрии: спиральная (винтовая — рис. 4,2—4) и кубическая (рис. 4,2 и 5 и рис. 5 1—3). У некоторых сложно организованных вирионов обнаружен комбинированный тип симметрии (рис. 4, 6 и 7 и рис. 5, 4 и б).
Спиральная укладка макромолекул характеризуется шагом спирали, величиной винтового смещения, длиной спиральной цилиндрической частицы, а также числом субъединиц на один оборот спирали. Если форма белковых субъединиц приближается к сфере, то при их спиральной укладке вдоль оси спирали образуется полость (канал). Подобную организацию имеют все нуклеокапсиды и рибонуклеопротеидные тяжи со спиральной симметрией.
Вирионы с кубическим типом симметрии обнаружены у многих В. человека, животных, растений и бактерий. Эти вирионы характеризуются величиной, группой симметрии, числом и типом осей вращения, числом и морфологией капсомеров. Большая часть вирионов с кубическим типом симметрии построена по типу двадцатигранника (икосаэдра), который имеет оси симметрии второго, третьего и пятого порядков. Кубический тип симметрии характерен или для всего вириона, или для внутреннего компонента сложных вирионов.
В 1967—1970 гг. было показано (А. А. Авакян и А. Ф. Быковский), что цикл развития каждого В. состоит из пяти стадий, к-рым соответствуют пять форм существования В.
Т. о., цикл развития В. можно представить следующим образом. Проникший в чувствительную клетку виронуклеон индуцирует образование полигеномного виропласта, который представляет собой комплекс структур, обеспечивающих репликацию нуклеиновой к-ты В., синтез специфических антигенов, а также скопления этих компонентов. Виропласты обнаружены в цикле развития всех ДНК- и многих РНК-содержащих В. человека и животных.
Некоторые из них локализуются в цитоплазме (В. группы оспы, реовирусы, энтеровирусы), другие — в ядре инфицированной клетки (В. группы герпеса, паповавирусы и др.). Конечный этап дифференцировки полигеномного виропласта — формирование моногеномных виропластов, каждый из которых является начальной стадией онтогенеза нового поколения В. и включает в себя геном В., набор специфических ферментов и структурных белков. Развитие моногеномного виропласта завершается синтезом (формированием) de novo оболочки В. Затем В. (провирион) отделяется от виропласта, и последующая дифференцировка его структуры идет в морфологически изолированной от внешней среды (органоидов клетки) полости. При этом наблюдается строгая последовательность и преемственность морфогенетических процессов.
В результате сборки и самосборки происходит не только увеличение массы структурных компонентов провириона до определенной (строго постоянной для каждого вида В.) величины, но и наблюдается последовательное чередование роста и дифференцировки структур В. По-видимому, окончание формирования ряда структур (напр., первичной оболочки В. оспы) является своеобразным сигналом, включающим следующий этап дифференцировки провириона. В результате этих динамических морфогенетических процессов образуется вирион — споровая форма В., обеспечивающая сохранение генома, следовательно, и вида В. После освобождения генома В. из вириона начинается новый цикл развития В.
Морфогенез простейших РНК-содержащих Вирусов можно описать как процесс самосборки. Это характерно не только для такого простого В. как спутник В. табачного некроза, геном к-рого — молекула РНК — имеет мол. вес ок. 400 000 дальтон и может кодировать только один белок, но и для В. табачной мозаики, геном к-рого состоит из 5—6 генов. Более сложен морфогенез у РНК-содержащих В. животных и человека, вирионы которых, кроме нуклеокапсида, имеют внешнюю оболочку (миксовирусы, онкорнавирусы, арбовирусы и пр.).
Геном таких В. является полицистронным и программирует синтез не одного-двух, а многих белков, в т. ч. и тех, которые не входят в структуру вириона. Синтез РНК некоторых из этих В. происходит в цитоплазме, других — в ядре клетки; синтез же вирусных белков идет только в цитоплазме на полирибосомах в зоне виропласта. Отдельные компоненты этих В., напр, рибонуклеопротеидные тяжи миксовирусов, формируются в процессе самосборки, однако композиция вириона требует более сложных морфогенетических процессов, в субмикроскопической морфологии которых выявляется ряд последовательных этапов: проникновение в клетку, внутриклеточный морфогенез и выделение из клетки (рис. 6—8).
В процессе морфогенеза тогавирусов, миксовирусов, онкорнавирусов, рабдовирусов в состав вирионов входят компоненты мембранных клеточных структур (цитоплазматической оболочки, эндоплазматического ретикулума, ядерной оболочки, комплекса Гольджи, мембран митохондрий), модифицированных в процессе инфекции.
Морфогенез ДНК-содержащих В. также весьма различен у разных групп этих В. и зависит от сложности архитектуры вириона (рис. 9 и 10).
Морфогенез В., так же как и структура вириона, является специфическим признаком каждой группы В.
Генетика вирусов позвоночных
Геном В. позвоночных может быть представлен различными формами нуклеиновых кислот (см. выше).
В структуре генома В. позвоночных, как и других живых организмов, различают отдельные участки: гены, цистроны, мутоны, реконы. В геномах В. позвоночных может быть закодировано от 6—8 (пикорнавирусы) до нескольких сотен (поксвирусы) белков. Попытки построить генетические карты В. позвоночных пока не дали положительных результатов. Лишь в опытах с полиовирусом удалось установить, что на 51 конце РНК располагается генетическая информация на капсидные белки вириона, и определить последовательность цистронов, кодирующих эти белки [Рекош (D. Rekosh)].
Свойства В., передающиеся по наследству, называются генетическими признаками. Совокупность всей наследственной информации В. определяет его генотип (см.). В результате взаимодействия генотипа и окружающей среды формируется фенотип, под к-рым понимается совокупность всех проявляемых в конкретных условиях генетических признаков. Среди генетических признаков В. позвоночных чаще всего изучают вирулентность, характер и размер бляшек, образуемых В. на культуре ткани под агаром, характер и размер поражений на хорионаллантоисной мембране куриных эмбрионов, способность размножаться при измененной температуре. Изучают также такие генетические признаки, как характер цитопатических изменений, способность к размножению в различных видах клеток, способность индуцировать образование интерферона и чувствительность к нему, способность образовывать бляшки при особых условиях (измененная концентрация соды, в присутствии декстрана и пр.), размножение в присутствии ряда ингибиторов и пр. Изучают также генетические признаки, отражающие особенности вириона, напр, морфологию вириона, константу седиментации его, устойчивость инфекционности или других биол, свойств вириона к температуре, ультрафиолетовым лучам и т. п., способность к адсорбции на биол, и хим. субстанциях (эритроциты, ДЭАЭ-целлюлоза и пр.) и т. д. Предполагается, что отдельный генетический признак В. связан с функцией какого-либо одного вирусоспецифического белка. Необходимо учитывать, однако, что мутационные повреждения в одном участке генома нередко приводят к изменению нескольких генетических признаков, имеющих различное фенотипическое проявление (плейотропия). В то же время в основе изменения генетического признака, имеющего одно и то же фенотипическое выражение (напр., способность размножаться при повышенной температуре), могут лежать мутационные повреждения различных генов.
Получено большое количество мутантов вирусов позвоночных, т. е. вирусов, у которых в результате мутационного повреждения участка генома изменилось определенное наследственное свойство. В последние годы особое внимание привлекают условно летальные мутанты, использование которых позволило изучить ряд важных особенностей строения генома и выявить некоторые новые стадии репродукции. Условно летальные мутанты — мутанты, у которых жизненно важный белок в результате мутационного повреждения утрачивает способность функционировать при определенных неразрешающих условиях, но нормально осуществляет свою функцию в обычных условиях репродукции. У В. позвоночных известны два вида условно летальных мутантов: 1) температурочувствительные (ts) мутанты, неспособные, в отличие от ts+ штаммов (диких), в условиях повышенной температуры образовывать инфекционные вирусные частицы, и 2) зависимые от хозяина hd-мутанты, утерявшие способность размножаться на некоторых видах клеток. Температурочувствительные мутанты получены в опытах с пикорнавирусами, тогавирусами, миксовирусами, рабдовирусами, ретровирусами, реовирусами, паповавирусами, аденовирусами и В. группы оспы; hd-мутанты обнаружены у пикорнавирусов, В. оспы и вируса герпеса.
В процессе одновременного размножения нескольких вирусных частиц в одной клетке между этими частицами могут происходить генетические взаимодействия и обмен генетическим материалом. Известно несколько видов генетических взаимодействий В. позвоночных. Множественная реактивация — процесс, который имеет место при заражении клеток В., частично инактивированными ультрафиолетовыми лучами, при множественности инфекции более одной вирусной частицы на клетку. Поскольку при ультрафиолетовом облучении происходит разрушение лишь отдельных участков генома, в основе феномена множественной реактивации лежит рекомбинация сохранивших нативность участков генетического материала нескольких проникших в клетку вирусных частиц с образованием полноценного генома. Такой феномен удалось наблюдать в опытах с В. гриппа и В. группы оспы. Рекомбинация — обмен генетическим материалом между размножающимися в одной клетке вирусными частицами, различающимися по нек-рым наследственным признакам. В результате образуются рекомбинанты (гибриды), обладающие частью свойств одного, а частью свойств другого родительского штамма (см. Рекомбинация). Рекомбинанты В. позвоночных удается получать только при скрещивании близких по свойствам В., принадлежащих к одной группе. Частота возникновения рекомбинантов широко варьирует и существенно зависит от используемой системы (клетки, вирус), а также от того, какое наследственное свойство стремятся рекомбинировать. Рекомбинация с высокой частотой наблюдается у РНК-содержащих В. (ортомиксовирусов, реовирусов, онкорнавирусов) и у всех ДНК-содержащих В., геном которых представлен двунитчатой ДНК. Кросс-peактивация (спасение маркера) — феномен, сходный с рекомбинацией, однако один из участвующих В. используют в нативном виде, а другой инактивируют путем частичного разрушения генетического материала (ультрафиолетовое облучение, слабое нагревание). С помощью кросс-реактивации удалось получить рекомбинанты при скрещивании В. гриппа и В. оспы. Гетерозиготность — феномен, заключающийся в том, что при одновременном размножении в клетке нескольких частиц В., различающихся по наследственным свойствам, могут образовываться вирионы, содержащие полный геном одного родительского штамма и, кроме того, часть генома (или полный геном) другого В. (диплоидные или полиплоидные вирионы). Хотя такого рода объединение генетического материала в одной вирусной частице не наследуется, оно позволяет такому вириону дать потомство, в к-ром будет содержаться часть вирусных частиц со свойствами одного, а часть — другого родителя. Вирусные частицы, дающие описанный феномен, получили название гетерозигот, в отличие от обычных гомозиготных частиц, все потомство которых обладает одинаковыми свойствами. Феномен гетерозиготности обнаружен в опытах с В. гриппа и В. ньюкаслской болезни. Транскапсидация — феномен, при к-ром часть чужеродного генетического материала, заключенного внутри капсида другого неродственного В., способна переноситься в стабильной форме в чувствительные к основному В. клетки. Наблюдается при одновременном выращивании в клетках аденовируса и обезьяньего вируса SV40, в процессе к-рого часть генетического материала вируса SV40 ковалентно связывается с ДНК аденовируса и при последующем проникновении такой частицы в клетки этот участок генома вируса SV40 способен индуцировать образование трансформирующего антигена.
Из дополнительных материалов (том 29)
Генетика вирусов позвоночных является одним из важнейших разделов вирусологии, в задачу к-рого входит изучение наследственности и изменчивости вирусов человека и животных, а также установление функции вирусных генов и кодируемых ими белков.
Исследования в области генетики вирусов позвоночных значительно интенсифицировались в последние годы. Полученные результаты были использованы не только для понимания механизмов репродукции, строения генома и функции отдельных генов, но и в практической медицине. Так, выявление функции вирусных генов помогло выяснить механизмы патогенности вирусов, их способность преодолевать иммунные барьеры организма. Изучение мутационной и рекомбинационной изменчивости вирусов способствовало выяснению механизмов возникновения новых вариантов вирусов, обладающих резко выраженной вирулентностью, а также резистентностью к противовирусным ингибиторам. Генетические исследования вирусов помогают также установить причины возникновения персистентных и вялотекущих вирусных инфекций, выяснить влияние вируса на геном клетки-хозяина (с одной стороны, интеграция генома вируса в геном клетки как возможная причина возникновения злокачественных опухолей, с другой — повреждения хромосом, ведущие к генетическим заболеваниям). Создание современных живых и инактивированных вирусных вакцин оказалось возможным лишь на основе знания генетики вирусов и освоения методов генетических исследований.
Примерно у 80% известных вирусов генетическим материалом является РНК, а у 20% — ДНК. У РНК-содержащих вирусов геном может быть представлен в нескольких формах: линейной одноцепочечной молекулой РНК, обладающей инфекционными свойствами и способной служить матрицей для синтеза вирусных белков; такой же молекулой РНК, но не обладающей инфекционными свойствами и матричной активностью (так наз. вирусы с негативным геномом); несколькими молекулами одноцепочечной линейной РНК, содержащими сходную генетическую информацию; сегментированной линейной одноцепочечной РНК, большинство сегментов к-рой кодирует один вирусный белок; сегментированной линейной двуцепочечной РНК, каждый сегмент к-рой кодирует один вирусный белок. У ДНК-содержащих вирусов геном может быть представлен одноцепочечной линейной ДНК, двуцепочечной циркулярной ДНК, двуцепочечной линейной ДНК. Обнаружено, что у нек-рых вирусов, геном к-рых представлен как ДНК (паповавирусы), так и РНК (ортомиксовирусы), один и тот же ген может кодировать не один, а несколько белков (в результате сдвига рамки кода с одного гена).
Благодаря развитию генетической инженерии удалось синтезировать ДНК-копии отдельных генов или всего генома РНК-содержащих вирусов позвоночных, вставить (с помощью плазмид) участки вирусных генов в геном кишечной палочки и получить клоны этих бактерий, в к-рых происходит интенсивный синтез ДНК-копий генов РНК-co держащих вирусов или отдельных генов ДНК-содержащих вирусов. Это позволило провести анализ полной последовательности нуклеотидов многих генов и даже всего генома вирусов позвоночных. Применение рестрикционных эндонуклеаз, способных расщеплять нуклеиновые к-ты в строго определенных участках, способствовало построению генетических карт большинства ДНК-содержащих вирусов позвоночных и определению количества генов, их взаиморасположения в геноме, а также выявлению белков, кодируемых конкретным геном, у многих РНК-co держащих вирусов (пикорнавирусы, рабдовирусы, парамиксовирусы, ретровирусы, буньявирусы, ортомиксовирусы, аренавирусы, реовирусы).
Из мутантов вирусов позвоночных, как правило, исследуют условно-летальные мутанты — температурно-чувствительные (ts) и зависимые от хозяина (hd), а также жизнеспособные делеционные мутанты, т. е. мутанты, у к-рых в результате мутации произошло выпадение определенного участка генома. У словно-летальные мутанты вирусов позвоночных получают различными способами: селекцией так наз. спонтанных мутантов; селекцией мутантов из вирусной популяции, обработанной мутагенами; в результате пассажей вирусов в условиях пониженной температуры или в нечувствительной к данному вирусу системе к леток-хозяев.
Значительный прогресс достигнут в построении генетических карт генома ряда вирусов позвоночных. Сегменты генома различных штаммов одного и того же рода вирусов, имеющих сегментированный геном, удается дифференцировать, используя метод молекулярной гибридизации, при к-ром гибридизация РНК-рекомбинанта, обладающего фенотипом вируса дикого типа, с обоими родителями (мутантом и вирусом дикого типа) позволяет четко картировать сегмент РНК, содержащий мутацию. Таким путем были локализованы мутации и определены белки, кодируемые большинством сегментов геномной РНК, у реовирусов, ортомиксовирусов, буньявирусов, аренавирусов, ротавирусов.
В опытах с ДНК-co держащими вирусами позвоночных для картирования мутаций и построения физических и генетических карт с успехом используют фрагменты геномной ДНК, полученные при обработке последней рестрикционными эндонуклеазами, способными разрывать ДНК в определенных участках, характерных для каждой индивидуальной рестриктазы, в результате чего удается получать набор фрагментов (рестриктов) ДНК. При картировании мутаций определяют ре-стрикт ДНК-вируса дикого типа, способный заменить в инфицированных клетках мутантный ген, в результате чего образуется вирус, к-рый в отличие от исходного мутанта может размножаться в неблагоприятных для этого условиях («спасение» мутанта). Поскольку для большинства ДНК-co держащих вирусов построены физические карты геномов, в к-рых определены позиции каждого из рестриктов, получаемых при обработке различными рестриктазами, метод «спасения» мутантов рестриктами ДНК вируса дикого типа позволяет точно локализовать мутацию в геноме и создавать генетические карты. Этот способ можно применять при анализе мутаций паповавирусов, аденовирусов, вирусов герпеса и ортопокс-вирусов. В наст, время разработаны методы анализа отдельных генов вирусов позвоночных — молекулярная гибридизация, пептидное и о лигонуклеотидное картирование, использование моноклональных антител. Они позволяют выявить точечные мутационные изменения в генах вирусов, у к-рых каких-либо фенотипических проявлений мутаций не обнаруживается.
При изучении изменчивости вирусов в природе особое внимание обращают на популяционную изменчивость, т. е. изменчивость не единичных вирионов, а всей вирусной популяции в целом. В основе популяционной изменчивости вирусов лежит первоначальное изменение наследственного материала индивидуальной вирусной частицы, к-рое может быть обусловлено мутацией или рекомбинацией с последующей селекцией тех изменивших наследственные свойства вирионов, к-рые оказались наиболее приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. В результате возникает популяция вируса, обладающая новыми наследственными свойствами. Примером такой изменчивости является возникновение популяций вирусов, устойчивых к противовирусным химиотерапевтическим препаратам, нашедшим достаточно широкое применение, а также появление новых эпидемических и пандемических штаммов вируса гриппа, способных преодолевать иммунитет к ранее циркулировавшим в популяции людей штаммам этого вируса. С помощью новых методов, позволяющих анализировать отдельные гены вирусов, было показано, что у людей могут одновременно циркулировать вирусы, принадлежащие к одному и тому же подтипу, но отличающиеся по ряду генов, причем, как это обнаружено для вируса гриппа, во время одной и той же эпидемии могут циркулировать вирусы, отличающиеся как по антигенной специфичности гемагглютинина, так и по генам, кодирующим внутренние белки вириона. Изучение взаимосвязи между функцией отдельных генов и патогенностью вирусов позвоночных для человека показало, что патогенность является комплексным свойством, в проявлении к-рого участвуют продукты нескольких вирусных генов. Возможность получения патогенных рекомбинантов при скрещивании непатогенных исходных штаммов, так же как и непатогенных рекомбинантов при скрещивании патогенных вирусов, свидетельствует в пользу того, что для проявления патогенности важны не только особенности индивидуальных генов, но и их определенное сочетание в составе генома.
Усовершенствование методов анализа генетических взаимоотношений между вирусами позволило выявить наличие рекомбинации между ts-мутантами пикорнавирусов (вирусы полиомиелита и ящура), хотя частота этой рекомбинации невелика. В результате опытов с РНК-содержащими вирусами, геном к-рых сегментирован, показано, что в основе рекомбинации между этими вирусами, достигающей очень высокой частоты, лежит обмен и перераспределение сегментов генома в процессе совместного культирования скрещиваемых партнеров; в то же время обнаружено, что у этих вирусов может происходить внутригенная рекомбинация по классическому механизму (кроссинговер), частота к-рой, однако, весьма низка. Показана возможность рекомбинации между ортомик-совирусами типа А человека и животных, что имеет особое значение для понимания механизмов возникновения эпидемических штаммов вируса гриппа. У вирусов позвоночных с сегментированным геномом, в частности реовирусов и ортомиксовирусов, в 1979 г. Рамиг и Филдс (R. Ramig, В. Fields) обнаружили феномен, получивший название экст-рагенной супрессии. Суть феномена заключается в том, что продукт определенного сегмента генома, унаследованного рекомбинантом, способен влиять на функцию другого гена, входящего в состав генома рекомбинанта, напр, супрессировать проявление ts-фенотипа. Т. о., при анализе свойств рекомбинантов вирусов позвоночных, особенно обладающих сегментированным геномом, необходимо учитывать, что измененные свойства рекомбинантов могут быть обусловлены не только непосредственно функцией продукта гена, унаследованного от одного из родителей, но также влиянием продукта одного из унаследованных генов на функцию других генов, входящих в состав генома.
Успехи в изучении процессов рекомбинации вирусов позвоночных позволили использовать эти результаты для получения вакцинных вирусных штаммов, в частности вируса гриппа. Так, разработан метод получения высокопродуктивных рекомбинантных вакцинных штаммов для инактивированных вакцин путем рекомбинации высокопродуктивного штамма-донора с новыми антигенными вариантами эпидемических штаммов вируса гриппа. Предложены также способы быстрого получения рекомбинантных вакцинных штаммов для живых гриппозных вакцин. При этом вирус — холодоадаптированный донор рекомбинируют с новыми антигенными вариантами эпидемических штаммов вируса гриппа. Рекомбинанты, унаследовавшие от холодоадаптированного донора 5—6 генов, кодирующих внутренние белки, а от нового эпидемического штамма гемагглютинин и нейраминидазу, после соответствующей проверки используют для приготовления живых вакцин.
В последнее время ведутся исследования по созданию вакцин с помощью методов генетической инженерии. При этом получают клоны кишечной палочки или дрожжей, содержащие соответствующую ДНК-копию вирусного гена, кодирующего белок, ответственный за иммунитет. Этот белок, продуцируемый бактериальным клоном, предполагают использовать в качестве инактивированной вакцины. Другой метод заключается в введении ответственного за иммунитет гена одного вируса в геном крупного ДНК-со-держащего вируса (напр., вируса осповакцины), имеющего делецию определенной области генома, не являющейся жизненно важной для вируса (вирус-вектор). Такой гибридный вирус, размножаясь в вакцинированном организме, может вызвать иммунитет и к тому чужеродному вирусу, ген к-рого содержится в геноме этого вируса-вектора. Следует, однако, отметить, что пока вирусные вакцины, получаемые с помощью методов генетической инженерии, не нашли практического применения, хотя исследования в этом направлении ведутся во многих странах.
Вирусы беспозвоночных
составляют большую группу В., поражающих гл. обр. представителей класса насекомых (Insecta). В последнее время стали известны также вирусные заболевания наукообразных клещей (класс Arachnoidea) и ракообразных (класс Crustacea). Имеются сообщения о наличии вирусоподобных частиц у амебы и парамеций (Protozoa).
Группа В. цитоплазменного полиэдроза относится к сем. Reoviridae. Вирионы с диам. 60 нм представлены икосаэдрами и содержат 21—23% двунитчатой РНК. Они заключены в крупные полиэдры и локализуются в цитоплазме клеток средней кишки пораженного насекомого. Поражаются насекомые из отряда чешуекрылых и сетчатокрылых (Neuroptera). Трупы погибших гусениц затвердевают, кишечник приобретает беловатый оттенок. Типичный представитель — В. цитоплазменного полиэдроза тутового шелкопряда. РНК этого В. имеет мол. вес 12,7—21 X 10 6 и состоит из двух фрагментов — 12S и 15S.
К сем. Poxviridae относятся «энтомопоксвирусы». Они содержат ДНК, локализуются в цитоплазме и имеют овальные вирионы размером 300— 400 нм. Вирионы заключены в веретенообразные или яйцевидные включения (до 15 мкм). Характерна ребристая поверхность вирионов. Типичный представитель — В. майского хруща (Melolontha melolontha).
Одна из групп В. насекомых близка по свойствам к энтеровирусам. Представителем этой группы является В. острого паралича пчел. Вирионы — изометрические сферические частицы с диам. 20—30 нм, содержат однонитчатую РНК и локализуются в цитоплазме клеток жирового тела. Паралич и гибель пчел наступают через 2—4 дня после инфицирования.
В. насекомых широко распространены в природе. Из 300 В. насекомых ок. 200 принадлежат к В. полиэдрозов и гранулезов, остальные — к В., не образующим включений. Характерно латентное вирусоносительство. Активация латентного В. под действием различных стрессоров приводит к эпизоотиям среди вредных и полезных насекомых, снижая их численность. Поражаются гл. обр. личиночные стадии насекомых. Заражение происходит через пищу, поврежденные покровы, трансовариально. Инфекционным материалом служат трупы погибших гусениц, загрязненная ими пища, фекалии, гемолимфа. В. могут распространяться больными гусеницами, ветром, водой, через почву, птицами. Инкубационный период зависит от дозы В., возраста гусениц и внешних факторов (особенно температуры). В пораженном насекомом В. накапливается в количестве 10—30% от веса тканей. Чаще наблюдается групповая специфичность: один В. поражает обычно близкие виды, но некоторые В. могут поражать различные виды, роды и даже отряды насекомых. Так, радужный В. Tipula экспериментально передан 7 видам двукрылых (Diptera), И видам чешуекрылых (Lepidoptera) и 3 видам жесткокрылых (Coleoptera).
Благодаря значительному накоплению В. в теле гусениц, образованию эпизоотий и безвредности для человека и животных В. беспозвоночных используются в биол, борьбе с вредными насекомыми. Они используются также как чрезвычайно удобные модели для исследования вопросов общей вирусологии.
Вирусы растений
По морфологии вирионов В. растений относятся к четырем группам: 1. Спиральные палочковидные В., имеющие жесткую структуру, напр. ВТМ (300X18 нм), В. штриховатой мозаики ячменя (130X19 нм). 2. Спиральные нитевидные В., отличающиеся значительной длиной и эластичностью вирионов, напр. Х-вирус картофеля (520 X 12 нм), В. желтухи сахарной свеклы (1250X 10 нм), В. мозаики плевела (1725X18 нм). 3. Сферические или икосаэдрические В., напр. В. некроза табака (20 нм), желтой мозаики турнепса (30 нм). 4. Бацилловидные или пулевидные В., содержащие мембраны и внутренний нуклеокапсид, напр. В. карликовости кукурузы (240X48 нм), желтой карликовости картофеля (380X75 нм), мозаики озимой пшеницы (260X60 нм). Структура жестких палочек известна только у В. растений, нитевидные формы, несущие РНК, также найдены только у В. растений, сферические вирионы известны у бактериофагов и В. животных, бацилловидные — у В. животных.
Представитель первой группы — ВТМ — имеет вирион в форме жесткого цилиндра с размерами 300 X 18 нм и мол. весом 39 X 106 дальтон. Стенка цилиндра образована спирально уложенными одинаковыми белковыми молекулами — субъединицами, число которых составляет ок. 2130. Мол. вес субъединицы ок. 18 000 дальтон. Витки спирали плотно прилегают друг к другу и каждый из них включает 161/3 субъединиц.
Тяж вирусной РНК, состоящий приблизительно из 6400 нуклеотидов и имеющий мол. вес 2Х10 6 дальтон, проходит между рядами белковых субъединиц, следуя их спиральному расположению, на расстоянии 4 нм от центра поперечного сечения частицы. При таком расположении на каждые три нуклеотида тяжа РНК приходится одна белковая субъединица. Внутри цилиндра, по всей его длине, проходит полость с диам. 4 нм. Вирусная РНК защищена белком от действия клеточных нуклеаз, но низкомолекулярные вещества, в т. ч. мутагены, могут проникать в область локализации РНК, оказывая на нее инактивирующее или мутагенное действие. В экспериментальных условиях вирионы некоторых палочковидных и сферических В. растений удалось дезагрегировать на белковые субъединицы и РНК с сохранением их нативного состояния и затем вновь вызвать агрегацию этих компонентов с восстановлением структуры, инфекционности и других свойств вирионов.
У большинства В. растений геном представлен однотяжной РНК, но В. раневых опухолей растений и карликовости риса имеют двутяжную РНК. ДНК найдена пока только у сферического вируса мозаики цветной капусты. Известны В. растений, РНК-геном которых фрагментирован, каждый из фрагментов несет часть генетической информации и заключен в отдельный капсид. Только объединенное действие всех фрагментов обеспечивает функции полного генома. К таким В. растений относятся возбудители погремковости табака, мозаики люцерны и др. У некоторых В. растений геном настолько мал, что не обеспечивает репликацию вирусной РНК. Так, у сателлита В. некроза табака мол. вес РНК составляет всего лишь 0,4х10^6 дальтон, он индуцирует синтез собственного оболочечного белка, но не имеет цистрона синтетазы и паразитирует за счет неродственного В. некроза табака, используя его синтетазу.
В. растений проникают в клетки растений путем пиноцитоза (см.) при повреждениях, обнажающих участки плазматической мембраны. В природе они распространяются гл. обр. сосущими насекомыми, клещами, нематодами и зооспорами некоторых низших грибов — корневых паразитов. Известны В. растений, размножающиеся в организме насекомых-переносчиков, часть из них передается потомству переносчиков через яйцо. Некоторые В. распространяются семенами больных растений. Вегетативное размножение растений особенно способствует распространению В.
Внутриклеточное развитие В. растений следует тем же закономерностям, какие известны для репродукции РНК-содержащих В. вообще. Многие В. растений образуют в клетках кристаллические включения, состоящие из вирионов, и аморфные, содержащие В. и компоненты цитоплазмы. Болезни растений, вызванные В., хронические, выздоровления не наступает. Интенсивное размножение В. происходит в растущих листьях и других органах. В меристеме точки роста В. немного, в апикальной ее части он может отсутствовать, на этом основан прием стерильного выращивания здоровых растений из кусочков меристемы. Некоторые В. инактивируются в зараженных растениях при тепловой обработке. Химиотерапия против В. растений не разработана.
Одни В. поражают растения многих видов, другие узко специализированы. ВТМ, напр., в опытных условиях способен заразить растения многих видов типа цветковых, нескольких видов типа папоротниковидных, он инфицирует протопласты дрожжей, а его РНК реплицируется и транслируется in vitro даже во фракции митохондрий, изолированной из клеток печени крысы.
Отдельные группы вирусов — см. статьи по названию группы вирусов (напр., Аденовирусы, Ареновирусы, Кишечные вирусы, Онкогенные вирусы, Парвовирусы и др.).