Джерела формування і поповнення генофонду вірусних популяцій
Джерела |
Діють у популяціях |
Забезпечують у них |
Внутрішні 1. Мутації 2. Рекомбіна- ції |
Усіх вірусів
РНК-вирусов із сегментованим геномом і ДНК-вірусів з дволанцюговим геномом |
Поява генів з новими функціями. Перерозподіл наявного генетичного матеріалу й утворення дочірніх популяцій, що сполучають властивості батьківських форм. |
Зовнішні 1. Включення в геном генетичного матеріалу клітини-хазяїна 2. Потік генів |
ДНК- і онкогенних РНК-вірусів, та інших (при інтеграції в геном хазяїна)
Усіх вірусів |
Збагачення генофонду популяції за рахунок появи нових геномів, що містять новий матеріал
Збагачення генофонду за рахунок надходження генів з інших вірусних популяцій |
Генетичні взаємодії між вірусами можуть носити кооперативний і интерферуючий характер.
Кооперативні взаємодії. Рекомбінації і перерозподіли генів між фрагментованими геномами призводять до перерозподілу генетичного матеріалу в дочірніх популяціях. Вони відзначені у всіх групах ДНК-вмістних вірусів, у всіх РНК-вірусів із сегментованим геномом і в деяких РНК-вірусів з несегментованим геномом (поліовірус, вірус ящура).
Рівень рекомбінації дволанцюгових ДНК-вмістних вірусів прямо пропорційний розмірам генома.
У РНК-вірусів при копіюванні “+” ланцюга в “-” ланцюг як матрицю для реплікації полимераза може “перестрибнути” з одного ланцюга на іншу, утворюючи гібридну матрицю РНК Подібний механізм обумовлює появу генетичної мінливості у ВІЛ. Геном ВІЛ утворений двома ланцюжками “-” РНК, при транскрипції прогеномной вірусної ДНК на матриці вірусної РНК зворотня транскриптаза може “перестрибувати” з одного ланцюжка РНК на іншу. Якщо обидві ланцюги ідентичні, це явище не призводить до наслідків, але при наявності двох вірусів-мутантів можлива поява рекомбинантів з іншими геномами. Високий рівень перерозподілу фрагментованими геномами спостерігається як в одно-, так і в двониткових РНК-вірусів. Обмін фрагментами геномів у штамах вірусів грипу обумовлює одержання нових типів поверхневих гемагглютинінів і нейрамінідаз у вірусів грипу (антигенний шифт).
Функціональна взаємодія двох дефектних вірусів, за умови, коли кожний з їх не може розмножуватися роздільно, забезпечує можливість їх спільної реплікації і горизонтальної передачі.
Наступну форму генетичних взаємодій складають фенотипічне змішування і фенотипічне маскування (псевдотипірування). Фенотипічне змішування спостерігається при одночасному зараженні клітини близькоспорідненими вірусами. Результатом може бути утворення віріонів з гібридними капсидами, що кодуються геномами двох вірусів (наприклад, поліпро- і Коксаки-вірусів).
При фенотипічному маскуванні процес може розвиватися й у зворотному напрямку при коінфікуванні вірусами ідентичного псевдотипу. Якщо віріони містять капсид і геном ІІ типу й укладені в капсид 1 типу, то дочірні популяції будуть включати капсид і геном ІІ типу, тому що утворення всіх їхніх структурних компонентів кодує геном ІІ типу.
Інтерференцією вірусів позначають стан несприйнятливості до вторинного зараження клітини, уже інфікованої вірусом. За гетерологічної інтерференції інфікування одним вірусом цілком блокує можливість реплікації іншого вірусу в межах однієї клітини. Механізми гетерологічної інтерференції зв'язані з блокуванням чи руйнуванням специфічних клітинних рецепторів або з інгібуванням трансляції будь-якої гетерологічної іРНК в інфікованій клітини.
При гомологічній інтерференції реплікація вірусу з дефектним геномом можлива при спільному з нормальним вірусом зараженні; у подібних взаємодіях останній визначається як вірус-помічник. Однак дефектний вірус може втручатися в репликативний цикл вірусу-помічника й утворювати дефектні інтерферируючі (ДІ) вірусні частки. ДІ-частинки містять лише частину геному повного вірусу, і хоча експресуют окремі гени, їхня основна властивість - здатність до інтерференції з гомологічним вірусом. Циркулювання ДІ-часток і коінфекція з “нормальним” вірусом” викликає явище в’ялотекучих, тривалих форм захворювання.
Взаємодія між вірусом, що первинно заразив клітину, і вірусом, що вдруге інфікував неї, може йти по двох напрямках:
1) Заражена клітина може втрачати чутливість до повторного зараження (первинне зараження може індукувати синтез інтерферонів, що інгібують реплікацію іншого вірусу; у зараженій клітини може блокуватися синтез білків, що служать рецепторами для інших вірусів; можливе блокування трансляції іРНК другого вірусу, обумовлене змінами 5-кінців іРНК; при репродукції первинного вірусу в зараженій клітці можуть формуватися дефекти регуляції експресії клітинних генів, необхідної для ранніх етапів реплікації другого вірусу, що призводить до інгібуванню транскрипції нуклеїнової кислоти вторинного вірусу;
2) Репродукція вірусу може робити раніше резистентну клітину чуттєвою до повторного зараження вірусом, що обумовлено здатністю першого вірусу підсилювати трансляцію іРНК другого вірусу.
Різноманіття вірусів багато в чому обумовлене змінами структури геномів; біологічна ефективність мінливості оцінюється за наступними критеріями:
зміни не повинні впливати на здатність вірусів репродукуватися в чуттєвих клітинах;
вірус-мутант, що утворився, повинний мати переваги над “нормальним” вірусом.
Найбільш перспективні для вірусів мутації, що уводять вірус від захисних систем організму-хазяїна.
Стійкість вірусів поза клітиною
Велике число вірусів зберігають патогенні властивості тривалий час і поза організмом. Так, багато вірусів - збудників захворювань рослин, натуральної віспи людини - здатні зберігати свою інфекційну активність у природних умовах протягом декількох місяців. Високою стійкістю відрізняються ентеровіруси, що виявляються у забруднених природних і побутових стічних водах. У той же час віруси, що передаються через кров і, у меншому ступені, збудники респіраторних інфекцій, швидко гинуть під дією природного ультрафіолетового випромінювання й у результаті висушування.
Усі роботи з вірусовмістним матеріалом і живими вірусами проводяться винятково в боксі, ізольованому від інших приміщень лабораторії і обладнаному кварцовими бактерицидними лампами, а в окремих випадках і пристроями подачі стерильного повітря і знезаражування вихідного з лабораторії повітря і стічних вод.
Типи вірусних інфекцій
При нетривалому перебування вірусу в організмі розглядяють безсимптомні та гострі інфекції:
Безсимптомні (иннапарантні інфекції) |
Гострі інфекції |
Завершуються видужанням, формуванням набутого імунітету і звільненням від збудника. |
Протікають без виражених клінічних проявів, завершуються набуванням імунітету і звільненням від збудника |
При тривалому перебування вірусу в організмі розрізняють латентні, хронічні та повільні інфекції:
Латентні інфекції |
Хронічні інфекції |
Повільні інфекції |
Протікають безсимптомно, характеризуються репродукцією вірусу в зовні здоровому організмі і виділенні його в навколишнє середовище. Цей тип інфекцій супроводжується тривалою присутністю вірусів у організмі |
Відрізняються періодично повторюваними станами видужання і рецидивів захворювання при поза- і внутрішньоклітинній локалізації вірусу, виділенням вірусу з організму |
Характеризуються тривалим (іноді протягом декількох років) інкубаційним періодом, тривалим прогресуючим перебігом хвороби при відсутності виділення вірусу, що закінчується важкими розладами чи, частіше, смертю |
Шляхи проникнення вірусу в організм людини й інших хребетних тварин
Повітряно-краплинний. Вірус попадає в дихальні шляхи з краплями, що потрапили в повітря з дихальних шляхів хворого. Чим менше краплі, тім глибше їхнє проникнення в дихальні шляхи. Віруси можуть попадати сюди і з часточками пилку. Для того, щоб викликати інфекцію, досить декількох віріонів у краплі чи частці аерозолю. Повітряно-краплинним шляхом в організм потрапляють віруси двох груп:
1) респіраторні, до яких чуттєві клітки епітелію слизової оболонки дихальних шляхів (грип);
2) віруси (віспи, вітряної віспи, корі, паротиту й ін.), що потрапляють в організм хазяїна через дихальні шляхи і кровоносну систему та поширюються по організму
Збудники респіраторних інфекцій зазвичай мало стійкі в зовнішнім середовищі і тому більш істотну роль грають у суспільних тварин.
Аліментарний (фекально-оральный). Цим шляхом в організм проникають також віруси двох груп:
1) Кишкові віруси, що вражаючі клітини епітелію слизової оболонки кишечнику і обумовлюютьі гастроентерит та ентероколіт (ротавірусы, кишкові аденовіруси, вірус Норфолка, корона-, астро-, каліцивіруси;
2) Віруси, що призводять до генерализованного процесу в організмі (ентеровіруси, у тому числі - вірус гепатиту А, деякі флаві-, парвовіруси і т.д.) і звичайно не призводять до місцевої поразки слизової оболонки кишечнику. Можливе тривале виділення з фекаліями (ентеровіруси) і зі слиною (вірус простого герпесу типу 1 і цитомегаловірус).
Парентеральний. Цим шляхом в організм попадають віруси гепатиту В, З, D, віруси імунодефіциту людини (ВІЛ), збудники пріонових інфекцій. Вірус гепатиту B, C, D із крові попадають у печінку й уражають гепатоцити. Чуттєвими до ВІЛ є клітини крові - іммуноциты (Т-хелпери і макрофаги) і, крім того, клітки нейроглії. Зараження може відбутися під час різних парентеральных маніпуляцій, переливання крові, стоматологічних маніпуляцій тощо.
Статевий. Таким шляхом в організм проникають віруси, що містяться в спермі. Статевим шляхом може передаватися вірус простого герпесу, що викликає місцеві поразки статевих органів, деякі віруси папіломи, що викликають кандилломи і злоякісні пухлини статевих органів, статевим шляхом передається вірус гепатиту В і ВІЛ, хоча для них характерний парентеральный шлях передачі - з статевих органів віруси повинні потрапити в кров.
Через шкіру і конъюнктиву. У випадку незначних поразок шкіряних покривів через них можуть проникати віруси і розмножуватися в клітинах шкірного епітелію. Подібним шляхом проникають віруси віспи (коров'ячої віспи, натуральної віспи, віспи мавп, контагіозного молюска), віруси гепатиту В, папіломи, простого герпесу (1-го і 2-го типів). Через конъюнктиву проникають аденовіруси, ВІЛ і деякі пікорнавіруси (ентеровірус 70). Віруси можуть проникати в організм через уражену шкіру в результаті укусів м'ясоїдних тварин чи кажанів (при сказі), мавп (при герпесі В).
Трансмісійний. У цьому випадку віруси проникають через шкіру внаслідок укусу комах - мух, комарів, кліщів, москітів. Такий шлях проникнення в організм більшості арбовирусов, (від arthropod-borne - членистоногі) приналежних до сімейств тога-, флаві-, бунья- і реовірусів. Це дуже ефективний спосіб подолання вірусом міжвидових бар'єрів, оскільки один і той самий переносник може харчуватися на таких різноманітних тваринах, як птахи, плазуни та ссавці, які в природі контактують дуже рідко (або не контактують взагалі). Розмноження вірусів в організмі членистоногих створює в природі резервуар, що не залежить від зараження хребетних. За допомогою членистоногих передаються кліщові енцефаліти, кримська геморрагічна лихоманка, жовта лихоманка й ін.
Вертикальний. Вірус трансплацентарно проникає в організм плоду від хворої матері. Також вірус може передаватися через геном статевих клітин (для вірусів, гени яких інтегровані з геномом клітини), цитоплазму яйця, навколоплідну рідину і через молоко матери при вигодовуванні. Інфекції з таким способом зараження викликаються вірусами краснухи, цитомегалії, паротиту, гепатиту В, ВІЛ, вірусами пухлин молочних залоз мишей, вірусами Т-клітинних лейкозів і деякими іншими.
Шляхи проникнення вірусів у рослини
Передача вірусу від рослини рослині механічним шляхом в експерименті може бути здійснена доволі просто, але маловірогідно, щоб цей шлях передачі був основним способом поширення вірусу в природних умовах. Незначна частина вірусів може поширюватися від рослини до рослини при контакті их листів, Щепленням можна передати майже будь-який вірус. Подібним же чином віруси можуть передаватися паразитарною рослиною, наприклад, повиликой.
У природних умовах найбільшу роль у передачі вірусу від однієї рослини до іншого грають тварини, що харчуються на цих рослинах. Найбільш значна роль у передачі вірусів рослин належить членистоногим, особливо комахам, але іноді також і кліщам. Членистоногі - переносники з колючим хоботком, що всмоктують сік рослин та дуже ефективно переносять віруси, оскільки вони здатні уводити вірус у глибоко розташовані тканини рослини – ксилему чи флоему. Найбільше число вірусів рослин переноситися попелицями, наприклад Myrus persicae, що є переносником більш 50 різних вірусів картоплі, квасолі та інших рослин. Розрізняють кілька типів передачі вірусів рослин комахами:
1) При зовнішньому переносі за допомогою стилета комахи вірус адсорбуеться на вершині стилета комахи, коли вона харчується на одній рослині і може бути негайно переданий іншій рослині. Здатність комахи передавати вірус зберігається до чергового линяння.
2) Регургитивна передача. Вірус зберігається в передній кишці комах (попелиці і жуків) протягом досить тривалого часу і передається здоровій рослині шляхом відригування вмісту кишки.
3) Можливий також перенос, при якому має місце циркуляція вірусу в організмі переносника, що зберігається протягом тривалого часу і не втрачаеться при линьці. Вірус передається іншій рослині не відразу після харчування переносника на хворій рослині, а лише по закінченні визначеного латентного періоду з тривалістю від декількох часів до декількох днів.
4) Пропагативна передача. Вірус дійсно розмножується в тканинах комахи, перш ніж досягає його ротових частин. Тривалість латентного періоду визначається часом, необхідним для розмноження вірусу в організмі комахи. У кінцевому рахунку вірус попадає в слинні залози комахи і зі слиною переноситися в рослину. Запобігти ж розмноженню вірусу в організмі комах може підвищення температури. У деяких переносників, наприклад, цикадок, вірус може розмножуватися в тканинах протягом невиразно довгого часу і попадати в гемолімфу.
Здатність комахи переносити той чи інший вірус контролюється генетично і може визначатися розходженням в одному гені, що, мабуть, контролює проникність кишечнику для вірусу.
Захворювання рослин, що передаються через ґрунт, відомі давно. Однак роль нематод у переносі деяких вірусів рослин, у тому числі вірусу кільцевої плямистості тютюну і вірусу погремковости тютюну, була установлена відносно недавно.
У відношенні мікроміцетів – переносників вірусів рослин нам поки відомо небагато. Мікроскопічний гриб фікоміцет переносить віруси некрозу тютюну і ще декілька видів вірусів рослин. Переноситися вірус, очевидно, зооспорами грибу.
Вірусні інфекції одноклітинних найпростіших організмів
Частки, морфологічно ідентифіковані як віруси, були виявлені в амеб - шизопіренід у США (1969). Сферичні, діаметром 100 нм частки репродукуються в ядрі амеб, блокуючи утворення цисти та викликаючи швидкий лізис амебофлагеллят Відзначається, що по ряду ознак (стійкості до заморожування – відтавання, дії детергентів, стійкості до УФ) вірусоподібні часткии близькі до пріонових білків.
Присутність вірусу було встановлено в лабораторній культурі амеб після переносу їх зі стерильного висококалорійного середовища на середовище, що містить як джерело їжі лише бактерії Klebsiella pneumoniae. Такий же ефект був отриманий і з іншими бактеріями.
У розмноженні вірусоподібних частинок в організмі амеб виділяють чотири стадії:
1 – внутрішньоядерне розмноження;
2 – утворення цитоплазматичних включень;
3 – вихід вірусу з амеб;
- поглинання вірусу іншими особами в культурі.
В інфузорії Paramecium aurella відомі симбіотичні частки (каппа частки), продукуючі згубний для хазяїна токсин. Токсиноутворення тісно зв'язано з наявністю в цитоплазмі каппа-частинок вірусів. Вірусні частки сферичні, ДНК-вмістні, діаметром 50 – 120 нм. Деякі з них мають відростки, нагадуючи по морфології бактеріофаг. Вірус присутній у всіх каппа-частинок у формі профага і легко индукується ультрафіолетом. При цьому поряд з фагоподібними частками виробляються R-тіла, що складаються тільки з білка, що має форму стрічки шириною 20 – 25 нм і довжиною 20 – 150 нм. Товщина стрічки складає 13 нм. Ця стрічка може скручуватися в товсті рулони, введення яких інфузоріям викликає загибель чуттєвих особин (Бучацкий, 1994).
Вірусні інфекції водних організмів
Вірусоподібні частки были виділені від представників практично всіх систематичних груп морських і прісноводних організмів. Однак, у більшості випадків, ступінь вивченості цих вірусів дуже невисока. У декілько більшій ступені дослідженнь віруси – збудники захворювань промислових видів (креветок, крабів, риб) або віруси, що могли бути використані для боротьби з комахами – переносниками збудників захворювань (комарами, москітами).
Таблиця 5
Віруси гідробіонтів
Віруси, представники родин |
Організми, у яких виявлені вірусні захворювання |
Пікорнавіруси |
Трематоди, ізоподи, краби, мідії |
Рабдовіруси |
Краби, риби |
Бірнавіруси |
Мокриці, устриці, акваріумні і промислові риби.
|
Онкорнавіруси |
Риби |
Ірідовіруси |
Поліхети, дафнії, креветки, краби. мошки, мокриці, личинки хірономід, малий прудовик, устриці, восьминоги, жаби, карасі, сом. |
Аденовіруси |
Губки,турбеллярії, темноцефали, личинки хірономід, крокодили |
Віспа |
Крокодили, , личинки хірономід |
Тогавіруси |
Черепахи, алігатори |
Буньявіруси |
Краби |
Папілома |
Темноцефалы, устриці, жемчужницы, жаби |
Реовіруси |
Дафнії, комарі, краби, мошки, личинки хірономід, устриці |
Бакуловіруси |
Креветки , краби, комарі |
Парвовіруси |
Комарі |
Ретровіруси |
Устриці, піщана черепашка |
Каліцивіруси |
Тюлені |
Морбілівіруси |
Тюлені |
Відношення комах до вірусів
Вірусні захворювання, мабуть, відіграють важливу роль при контролі чисельності популяцій комах - шкідників. Однієї з характерних рис багатьох вірусних захворювань комах є утворення в клітинах заражених тварин поліедричних включень. Тому такі захворювання були названі поліедрозами.
Ядерні поліедрози описані в чешуекрилих, перепончатокрилих, двокрилих. Типовим прикладом може слугувати поліедроз шовковичного шовкопряду. Через кілька днів після ін'єкції гусениці вірусу чи поїданні ними інфікованого корму в ядрах клітин більшості тканин з'являються дрібні включення. Поступово їхнє число і розміри зростають і деякі з їх можуть досягати 10-15 мкм. В одному ядрі може міститися до 100 поліедрів. Ядерний хроматин зникає, клітини гинуть і поліедри з'являються в гемолімфі. Поліедри шовковичного шовкопряду – кристали, що складаються з білка з великою молекулярною вагою (близько 300000), що складається із субодиниць з молекулярною вагою близько 20000. Білок поліедрів дуже стійкий до дії протеолітичних ферментів. Білки поліедрів, мабуть, кодовані вірусним геномом. Усередині поліедрів лежать вірусні частки, розташовані поодинці чи групами.
При деяких вірусних захворюваннях комах у клітинах утворюються не поліедри, а гранули. Такі захворювання звуться гранулези. При ряді вірусних інфекцій комах внутрішньоклітинні включення не виявляються.
У латентному стані віруси комах здатні зберігатися в організмі протягом багатьох генерацій, не викликаючи будь-яких виразних симптомів. Индукуючим розвиток вірусу впливом можуть бути зміна їжі, тепловий шок чи обробка деякими хімічними препаратами.
Крім летального результату, деякі віруси можуть викликати в комах “нетрадиційні” ефекти. Прикладом може служити надбання дрозофілою підвищеної чутливості до З2 (загибель мух) після зараження вірусом. Потрібно уточнити, що в нормі, у безвірусних мух, та ж сама концентрація вуглекислого газу викликає лише стан оборотного паралічу.
Слід зазначити несподіваний і важливий факт – морфологічна подібність вірусу дрозофіл з рабдовирусами. Більш того, один з рабдовирусов – вірус везикулярного стоматиту, - при введенні дрозофілі, може викликати персистентную інфекцію й обумовлювати чутливість до З2.
Зафіксований також випадок сприятливого впливу вірусу рослини на організм цикадки - переносника: кукурудзяна цикадка, штучно заражена вірусом жовтяниці астр, здобуває здатність харчуватися як на астрах, так і на інших рослинах. Цю здатність цикадки зберігають доти, поки в їхньому організмі міститься вірус (явище конверсії).
Репродукція вірусів
Загальні закономірності розмноження вірусів полягають у наступних положеннях:
усі РНК-геномні віруси, крім вірусу грипу і ретровірусів, розмножуються в цитоплазмі;
всі ДНК-вмістні віруси, крім вірусу віспи, розмножуються в ядрі;
нуклеокапсидні вірусні білки синтезуються на вільних (не зв'язаних із клітинною мембраною) полірибосомах, а вільні білки - на мембранах шорсткуватої ендоплазматичної сітки;
білки деяких вірусів піддаються каталітичному процессингу і глікозиліруванню; суперкапсидні білки гликозиліруются в процесі свого транспортування на зовнішню поверхню клітинної мембрани.
Схематично можна виділити два типи взаємодії вірусу і чуттєвої до нього клітини: продуктивний та интегративный. При продуктивному типі взаємодії вірусний геном функціонує в зараженій клітині більш-менш автономно, що виявляється в незалежній від клітинного генома репродукції генома вірусу. Цей тип взаємодії завершується утворенням нового покоління вірусних часток і загибеллю зараженої клітки. Таку реакцію на вірусну інфекцію називають літичною. В інших випадках клітина, у якій розмножується вірус, може тривалий час зберігати свою життєздатність, а вірус при цьому виділяється з клітини шляхом відбруньковування.
При принципово іншому шляху взаємодії комплексу “вірус - клітина” відбувається об'єднання, інтеграція геномів цих двох організмів. Нова клітина з об'єднаним геномом може бути цілком життєздатною і дочірні клітини, що утворяться при розподілі, будуть також володіти інтегрованим клітинним і вірусним геномами. Одним з найважливіших проявів такої взаємодії вірусу і клітини є зміна деяких спадкоємних властивостей клітини. Якщо мова йде про взаємодію вірусу з бактеріальною клітиною, то такий окремий випадок носить назви лізогенія. Віруси, здатні викликати вірогенію (лізогенію), відносяться до групи помірних. Прикладом помірних вірусів є онковіруси.
Між двома групами вірусів відсутня нездоланна грань. У ряді випадків помірні віруси здатні до автономної репродукції в клітині чи втрачають здатність до вірогенії в результаті мутації і здобувають властивості типово вірулентних вірусів.
У розмноженні вірусів виділяють ранні стадії, під час яких здійснюється підготовка вірусних структур до відтворення потомства, і пізні, що включають синтез вірусоспецифічних молекул, збірку віріонів і вихід вірусу з клітини. До ранніх стадій відносять адсорбцію вірусу на поверхні клітки, проникнення його в клітину і роздягання (депротеїнезацію) вірусу, що супроводжується відділенням захисних оболонок і деяких білків.
Адсорбція. В основі адсорбції лежать два механізми:
1) неспецифічний, оборотний - віріони утримуються на поверхні клітини за допомогою електростатичних і ван-дер-ваальсових сил і
2) специфічний, в основі якого лежить взаємодія специфічних рецепторів вірусу з відповідними рецепторами клітини.
Клітинні рецептори різні для різних груп вірусів. Рецепторними функціями для ряду вірусів володіють глікопротеїди клітинних плазматичних мембран і істотним компонентом у них є вуглеводи. Рецептором для вірусів грипу є глікопротеїд, що містить нейрамінову кислоту. Рецепторними функціями володіють також клітинні ліпіди (табл.7 ).
Клітина може бути заражена вірусом і в тому випадку, коли в неї відсутні специфічні вірусні рецептори (шляхом обробки клітини інфекційними вірусними нуклеїновими кислотами, наприклад, РНК вірусу поліомієліту; зараження вірусами клітинних протопластів; використання “гібридних” вірусних часток, що містять нуклеінову кислоту одного вірусу, а білкову оболонку (тобто рецептори) іншого.
Рецептори слугують не тільки для прикріплення вірусів до клітинної поверхні, але і для їхнього подальшого транспортування усередині клітини.
Таблиця 7
Рецептори, що забезпечують взаємодію вірусу з кліткою
Вірус |
Клітинний рецептор |
Тканина |
ВІЛ |
CD4 |
Т-хелпери; Моноцити; Макрофаги |
Риновіруси |
Молекули внутрішньоклітинної адгезії 1-го типу |
Слизова оболонка носа |
Вірус Эпштейна-Барр |
Рецептори до комплементу |
Лімфоцит^-в-лімфоциті |
Вірус сказу |
Ацетилхолінові рецептори |
Нервова тканина |
Парвовірус У19 |
Р-антени еритроцитів |
Клітини-попередники еритроїдного ряду |
Вірусні рецептори можуть являти собою унікальні органелли, видимі в електронному мікроскопі (хвостові структури в Т-фагів, грибоподібні вирости оболонки вірусу імунодефіциту людини) або морфологічно менш виражені структури, що складаються з глікопротеїдів на поверхні вірусних оболонок (гемагглютинін в ортоміксовірусів). Рецепторні ділянки звичайно розташовуються на дні заглиблень і щілин на поверхні віріону, що в такий спосіб захищає їх від дії специфічних противірусних блокуючих антитіл, діаметр яких більше діаметра щілини.
На ефективність адсорбції вірусу на клітинній мембрані впливає концентрація вірусів, температура і стан клітини, наявність у середовищі електролітів (катіонів) і вільних амінокислот - кофакторцв адсорбції, видова специфічність (мал. 4).
Звичайно тваринна клітка містить близько 500000 рецепторів і на клітці можуть сорбуватися безліч віріонів. Тим, як правило, клітка стійка до повторного зараження вірусом того ж типу. Доволі часто на ранніх етапах інфекції віруси заражають клітини ретикуло-ендотеліальної системи (через фагоцитарні реакції, спрямовані проти вільних вірусних часток або при поглинанні их у складі вільних імунних комплексів і наступному вивільненні у фаголізосомах).
Проникнення вірусу в клітину відбувається слідом за адсорбцією і містить у собі “роздягання”, тобто депротеїнезацію віріонів і зміна структури їх нуклеопротеїда. Проникнення віріона в клітину здійснюється у відповідність з тім же механізмом, что і проникнення в клітину позаклітинних живильних речовин, деяких гормонів, факторів росту та ін., тобто шляхом рецепторного ендоцитозу. Механізм цього явища полягає в тім, что після прикріплення вірусів до клітинних рецепторів утворюються ендоцитарні вакуолі, що, зливаючись з іншими внутрішньоклітинними вакуолями, формують рецептосому - велику вакуоль з коротким періодом життя, що містить зв'язану з рецепторами вірусну частку.
У рецептосомі відбувається взаємодія поверхневих білків віріонів з ліпідами стінки вакуолі, що призводить до злиття ліпопротеїнової оболонки (пеплосу) оболонкових вірусів із плазмолемою і виходу внутрішнього компоненту вірусів у цитоплазму. Цей механізм проникнення в клітину є універсальним як для багатьох оболонкових, так і для безоболонкових вірусів, що належать до різних таксономічних груп.
Взаємодія вірусної і клітинної мембран відбувається в більшості випадків при низьких (5,0 - 5,5) значеннях рН, що необхідно для придбання білками злиття необхідної конформації.
Проникнення вірусів може здійснюватися через злиття мембран вірусу і клітини. Злиття обумовлене наявністю відповідних вірусних глікопротеїнів, у результаті чого внутрішні структури вірусів виявляються в цитоплазмі заражених клітин, а вірусні оболонки - на поверхні клітин.
Інший шлях проникнення реалізується у випадку бактерій і вірусів бактерій - бактеріофагів. Цей шлях - проникнення в клітину тільки нуклеїнової кислоти - досить добре вивчений на моделях Т- парних (Т-2, Т-4 і т.д.) фагів кишкової палички. Фагова ДНК попадає в клітину в результаті скорочення білкового чохла-відростка вірусу (феномен мікрошприца), чому передує адсорбція вірусу на клітинній стінці бактерії, активація вірус-кодованого ферменту - лізоциму і часткове руйнування їм полісахаридного комплексу клітинної стінки бактерій (мал.5).
Зараження клітин рослинних організмів відбувається шляхом проникнення вірусу через частково травмовані ( механічно чи під впливом членистоногих, ґрунтових нематод, мікроскопічних грибів) тканини в провідні судини і далі, через плазмолеми, у здорові клітинин.
Роздягання. Для придбання інфекційної активності вірусна частка повинна позбавитися ліпопротеїдної оболонки і частково - білків капсида. Роздягання вірусу - багатоетапний процес, причому в деяких вірусів останні етапи роздягання проходять у ядрі зараженої клітини.
Рис. 5. Проникнення ДНК фага Т2 у бактерію кишкової палички після адсорбції вірусу.
Пізні стадії. Інформація, записана у вірусному геномі, реалізується шляхом переключення клітини на синтез вірусоспецифічних молекул, що здійснюється двома способами:
1) утворенням коротких інформаційних РНК для індивідуальних білків (віруси герпеса, віспи, ВІЛ і ін.);
2) використанням вірусом власних геномів як інформаційних РНК із наступною трансляцією гігантських поліпептидів - попередників функціонально активних білків віруси поліоміелиту, гепатиту й ін.).
Перший спосіб характерний для ДНК-вмістних вірусів, а також для вірусів, що містять РНК з негативним геномом і вірусів із фрагментованим геномом, у яких кожен фрагмент є окремим геном.
Другий спосіб - для РНК-вірусів з позитивним геномом.
У першому випадку інфекційний цикл у зараженій клітини починається з утворення і-РНК, а в другому випадку - із синтезу білка. Поліпептид, що утворився - посередник розрізається клітинними і вірус-специфічними протеазами на функціонально активні . Подібна стратегія властива пікорна-, корона-, флаві-, тога і ретровірусам.
В оболонкових РНК-вірусів нарізаються Нарешті,звичайно поверхневі білки - глікопротеїди, що беруть участь в проникненні в клітину (гемагглютинін вірусу грипу, білок злиття параміксовірусів і ін.), тому протеолітична активація зв'язана зі здатністю вірусу проникати в клітину.
Важливою особливістю розмноження вірусів є те що компоненти вірусу синтезуються в клітині роздільно і лише потім з'єднуються в зрілу вірусну частку (диз'юнктивний спосіб розмноження). Синтез вірусних нуклеїнових кислот і вірусних білків може відбуватися не одночасно й у різних частинах клітини.
Нарешті, після інфікування клітини вірусом настає різке придушення синтезу клітинних нуклеїнових кислот і білка. Подальші етапи зв'язані з процесами транскрипції і трансляції вірусної нуклеїнової кислоти.
Транскрипція. Експресія вірусних геномів регулюється на рівні транскрипції, що призводить до утворення інформаційних РНК. Транскрипція вірусоспецифічної інформації здійснюється як за допомогою клітинних (більшість ДНК-вмістних вірусів), так і за допомогою вірусних ферментів-транскриптаз (віруси віспи, гепатиту В, грипу). Транскрипція РНК-вмістних вірусів здійснюється при участі транскриптаз, кодованих вірусним геномом, що можуть бути як структурними, так і неструктурними білками. Наступна особливість полягає в тому, що синтетичний апарат еукаріотичних клітин не пристосований для трансляції поліцистронних іРНК. Віруси обходять цю перешкоду або шляхом синтезу іРНК, що включає кілька генів і кодує великий “поліпротеїн”, що потім розрізається на індивідуальні білки, або шляхом розподілу генетичної інформації з фрагментів геному, кожний з який є окремим геном і транскрибується в окрему іРНК.
У ДНК-вміщуючих вірусів іРНК синтезується у визначеній послідовності: спочатку відбувається транскрипція генів, що кодують не структурні гени – регулятори та ферменти, а в останню чергу – гени, що кодують синтез структурних білків
У ДНК вірусів ранні і пізні гени транскрибуються в різних напрямках на різних нитках кільцевої двох ланцюгової ДНК. Багато генів під час транскрипції перекривають один одного. Деякі ділянки ДНК прочитуються в різних рамках зчитування, у результаті чого можуть утворитися два різних білкових продукти. Ці особливості транскрипції сприяють значної економії генетичного матеріалу і збільшенню ємності генетичної інформації вірусу.
Для багатьох ДНК вірусів є характерним синтез білків-трансактиваторів, що включають транскрипцію і стимулюють експресію генів. Характерною рисою вірусних трансактиваторов є відсутність специфічності: смороду здатні активувати як експресію генів інших вірусів, так і генів кліток еукаріотів..
Одним зі способів регуляції транскрипції є фосфорілювання та дефосфорілювання білків, що впливає на зв'язування їх з нуклеїновою кислотою.
Механізм реплікації забезпечує відтворення дочірніх вірусних геномів, що є точною копією материнських.
Механізм реплікації в різних вірусів неоднаковий. У ДНК-вміщуючих вірусів у реплікації беруть участь клітинні ДНК-полімерази.
Реплікація кільцевих двохланцюгових ДНК починається з однієї точки і йде одночасно в обох напрямках з однаковою швидкістю. Как і у випадку реплікації клітинних ДНК відбувається переривчастий синтез ініціаторів - коротких ділянок РНК (РНК-праймерів) і коротких фрагментів ДНК (фрагменти Окадзаки), що потім ковалентно зв'язуються в зростаючий ланцюжок. При утворенні лінійних дволанцюгових ДНК (напр.. у аденовіруси) вони синтезуються з обох кінців у напрямку від 51- до 31-кінця, використовуючи вірус специфічні ДНК- полімерази.
Реплікація вірусних РНК-геномов відбувається тільки при участі вирусспецифических РНК-полимераз (тобто ферментів, синтез яких кодується вірусним геномом) і має потребу в утворенні антигеному - повної дзеркальної комплементарної копії вірусного геному:
Р
НК
вірусна
РНК
копія
(антигеном)
РНК
вірусна
(дочірня)
поліпротеїд РНК-полимераза
(процесінг)
самозбирання
с
труктурні
вірусу
білки
Одночасно на одній РНК матриці функціонує декілько репліказ і структура, що має утворитися має назву «реплікативного попередника». Запалом для реплікації у пікорна- і каліці вірусів таку функцію виконує геномний білок VРg, ковалентно зв'язаний із РНК(-) і РНК(+), а у ВІЛ (Вірусу Імунодефіциту Людини) – тРНК(лиз), захоплена вірусом під час зборки вірусу в ушкодженій клітці.
Незначна маса вірусної нуклеінової кислоти (106-107D) приводить до того, що ємності вірусного геному недостатньо для запису інформації про синтез усіх необхідних при циклі вірусної реплікації білків. У цих випадках віруси використовують ферментний апарат клітки-хазяїна, а у ряді випадків удаються до допомоги й інших вірусів.
Наприклад, РНК вірусу-сателіта некрозу тютюну складається тільки з 1200 нуклеотидов, а кодируемая цієї РНК білкова суб'одиниця включає 400 амінокислотних залишків. Очевидно, що ні для якої іншої інформації в геномі цього вірусу не вистачає місця, Томові вірус-сателіт некрозу тютюну здатний розмножуватися тільки в тихнув клітках, що одночасно заражені вірусом некрозу тютюну.
Цікавим прикладом сателлитных вірусів людини служити вірус гепатиту D, реплицирующийся в гепатоцитах только в присутності вірусу сироваткового гепатиту В и використовує в якості капсида зовнішню білкову оболонку вірусу гепатиту В. Спільне розмноження вірусів гепатиту двох типів обумовлює особливо важкий характер інфекції з високою імовірністю переходу в цироз печінки й у гепатокарциному.
Трансляція. Термін трансляція означає переклад генетичної інформації з матричної (інформаційної) РНК у послідовність амінокислотних залишків у споруджуваній білковому поліпептидному ланцюзі.
Молекула іРНК через “шапочку” (кеп), розташовану на 5'-кінці іРНК, зв'язується з малої рцбосомальною суб'одиницею, що рухається уздовж молекули РНК. По досягненні першого ініціюючого кодона АУГ з нею зв'язується велика рибосомальна суб'одиниця з транспортноб РНК і потім починається синтез білка. Трансляція продовжується доти, поки на рибосомі не з'явиться термінуючий кодон. Вірусні білки синтезуються на рибосомах, зв'язаних із клітинними мембранами і приєднання залишків глюкози (глікозілювання) до білків здійснюється клітинними ферментами і відбувається одночасно із синтезом поліпептиду. Синтезовані вірусні белки мігрують у різні ділянки клітки, наприклад у ядро, у випадку інфекції, обумовленої ядерними вірусами (наприклад, вірусом герпесу). Багато вірусних белки модифікуються (глікозилюються, ацетилюються
Фосфорилюються, протеолітично нарізаються і т.д.), как у процесі трансляції, так і після її.
Формування зрілих вірусних часток і вихід их із клітки. У результаті синтезу вірусних білків і нуклеїнових кислот у клітині накопичуються складові, необхідні для збирання зрілих вірусів. Найбільш простий механізм формування характерний для ірусів з спіральним типом структури оболонки, яка кладається з білкових молекул одного типу та лінійної молекули нуклеїнової кислоти. Класичним представником таких вірусів вважається вірус тютюнової мозаїки (ВТМ). У ВТМ формування зрілої вірусної частки здійснюється шляхом самозборки, тобто спонтанного об'єднання молекул у більш великі агрегати, в основі якого лежить специфічна взаємодія молекул білків і нуклеїнових кислот.
У зв'язку з розмаїтістю структури вірусів тварин різноманітні і способи формування віріонів.
Процес формування зрілих складних вірусів можна розглянути на прикладі Т- фагів кишкової палички. Морфогенез Т- фагов здійснюється через ряд послідовних стадій. При цьому три основних компоненти фага - голівка, відросток і фібріли (рис.. 6) утворяться незалежно друг від друга. У складних вірусів кожен наступний етап зборки вірвону ініціюється завершенням попереднього етапу.
1. Утворрюється голівка фага, що складається з більш ніж 10 типів білків і заповнюється довгою ниткою ДНК. Можливо, у цьому процесі беруть участь поліаміни (путресцин і спермідин), що входять до складу голівки зрілого вірусу.
2. Фундаментом формування фагового відростка служити базальна пластинка, побудована з 15 типів білків.
3. Після завершення зборки голівки і відростка вони поєднуються.
4. Нитки відростка, що складаються з продуктів 4 генів, збираються незалежно від інших вірусних структур, але прикріплюються до базальної пластинки тільки після об'єднання головки із шийкою.
20
нм
95
нм
1
2
3
4
20 нм
5
Рис. 6. Схематичне зображення віріону фага Т4 - бактеріофаги кишкової
палички.
1 - комірець; 2 –чохол відростка, що складає з 24 витків довгої білкової молекули; 3 - білковий стрижень з центральним каналом; 4 - базальна пластинка із шипами, здатними до рецепторної взаємодії із специфічними ділянками на поверхні оболонки бактеріальної клітини; 5 - фібрили
У складних вірусів людини і тварин спочатку формується нуклеокапсид і, взаємодіючий потім з белками вірусних оболонок. Більшість оболонкових вірусів (вірусів із суперкапсидними оболонками) здобувають свої оболонки на шляху відбруньковування через плазмолему або мембрану цитоплазматичної вакуолі вакуолі, ядерну мембрану. Таким чином, ліпопротеїдна оболонка більшості вірусів є фрагментом плазмолемы клітки-хазяїна і по складу ліпідів дуже близька до неї. Лімітуючим фактором у збиранні вірусної частки є матриксний білок - гідрофобний білок вірусного походження (кодування), здатний до взаємодії з вірусними оболонками і з ліпідами клітинної мембрани. Матриксний білок, виявленио у вірусів грипу, сказу, ретровірусів.
Відразу ж після свого синтезу матриксний білок вбудовується в плазмолему з внутрішньої, цитоплазматичної, сторони ліпідного шару. Включення матриксного білку у плазмолему є сигналом у зборці вірусної частки.
Синтез матриксного білка є різним для клітин різного походження і, у зв'язку з чим, швидкість розмноження вірусів у клітках різних типів помітно відрізняється, або розмноження вірусів стає зовсім неможливим.
Незначна продукція матриксного бцлка приводити до формування абортивних інфекцій, що характеризуються відсутністю або незначною кількістю інфекційного потомства і персистентных інфекцій, при яких вірус специфічні компоненти, що накопичуються у клітинах, переходять у дочірні клітини.
Вихід вірусів із тваринних клітин здійснюється шляхом відбрунькування та шляхом “вибуху”, при якому прості. безоболонкові віруси тварин і бактеріофаги виходять у позаклітинний простір після руйнування клітки. У руйнуванні бактерій під впливом фагцв (рис. 7) бере участь вірус-кодований фермент лізин, що розщеплює бактеріальні пептидоглікани зсередини..
Віруси рослин і ряд вірусів людини і тварин (віруси герпесу, респіраторно-сінцітіальні віруси) можуть проникати з інфікованої клітки в інтактну через плазмодесми. .
Починаючи від моменту адсорбції на клітинній мембрані цикл розмноження вірусів займає від 20 - 40 хвилин (віруси бактерій) до 40-60 годин (віруси людини і тварин). Настільки велика різниця в часі, необхідному для вірусної репродукції можливо зв'язана як з біохімічними розходженнями між мікроорганізмами і клітинами еукаріотив, так і з різницею у відстані, яку повинні подолати складові частини вірусів від місця, де вони синтезуються до місця самозбирання.
Якщо вірус передається від одного покоління кліток до іншого в ході клітинного поділу, латентний вірусний геном иає назву провирус або, у випадку вірусів бактерій, профагом. Клітини, що несуть такий профаг – мають назву лізигенних клітин.. Присутність геному вірусу в лізогенній культурі можна знайти при спонтанному (без вивільненні вірусу з популяції клітинє.
У лізигенних клітинах не проходить транскрипція жодного з вірусних генів, необхідних для вірусної інфекції. Транскрибуються лише гены-репресори. В лізигенних культурах виявляється дуже невелика кількість вірусної іРНК, велика частина якої синтезується на опероні, до складу якого входить ген, який кодує синтез білка, що репресує транскрипцію усього вірусного геному. Інактивація репресора за допомогою опромінення ультрафіолетовими промцнями, температурного шоку або обробки різними хімічними речовинами призводить до розмноження вірусу, тобто до переходу з лізигенного шляху розвитку вірусів на продуктивний.
Рис. 7. Частковий лвзвс клітини Escherichia coli B (кишкової палички), до поверхні якої приєднані вібріони фага Т4.
Явище лизогении є одним з механізмів формування латентних вірусних інфекцій і лежить в основі перетворення нормальної клітини в пухлинну, у випадку індукованої вірусом онкопатологвї. Інтеграція вірусного геномн в геном клітинии і його наступне виключення зі складу клітинного геному створює умови для захоплення і переносу (явище трансдукції) у нову клітину частини генетичного апарату клітини-хазяїна з інформацією, що не має безпосереднього відношення до життєвого циклу вірусу (явище конверсії). У ході конверсії, наприклад, бактерії роду Salmonella здобувають нові полісахаридні антигени в складі клітинної оболонки, а здатність збудників дифтерії (бактерій Corinebacterium diphtheriae) продукувати токсин залежить від бактеріофага, що знаходиться в бактеріальній клітині в стані профага.
Спсобность бактеріофага переносити в ході трансдукції завжди ті самі ділянки (сайты) бактеріального генома одержала назву сайт-специфической трансдукції. Прикладом такого роду трансдуцирующего агента є бактеріофаг кишкової палички – фаг . Геном фага завжди вбудовується в область генома кишкової палички між галактозным gal і , биотиновым bio оперонами. Результатом інактивації белка-репрессора бактеріофага яляется виключення фагового генома з хромосоми клітки-хазяїна і, найчастіше, це виключення відбувається з захопленням близько розташованих до фаговому геному ділянок хромосоми бактерії. Таким чином, що знову утворилися частки фага несуть не тільки генетичний апарат вірусу, алі і частина клітинних генів, здатних рекомбинировать з геномом іншим, ураженим вірусом бактерії.
Інші бактеріофаги, наприклад, фаг Р1, здатні до переносу будь-яких областей клетчного генома, розташованих біля ділянки прикріплення фаговой ДНК. А з огляду на, что геном фага Р1 здатний вбудовуватися в практично в будь-якому сайте бактеріального генома, таке явище було назване «загальної чи генерализованной трансдукцією».
З'ясувалося також, що перенос клітинної ДНК фагами – явище не тільки достатнє розповсюджене, алі і дуже незвичайне з погляду концепції про віруси. Класичним прикладом такої незвичайності є вже згадуваний фаг Р1. Потрапивши в клітку фаг Р1 розвивається по класичному литическому циклі. Хазяйська (бактеріальна) хромосома при цьому деградує. Далі починається щось незвичайне. Фрагменти бактеріальної хромосоми придатних розмірів упаковуються у фаговые оболонки і строго по канонічних законах вірусного переносу (адсорбція на рецепторах, ін'єкція усередину клітки що міститься усередині вірусу ДНК) привносяться в інші клітки, викликаючи потім їхню трансформацію. При цьому якоюсь мірою у фаговые оболонки, поряд із фрагментами хазяйської ЛНК, упаковувався і вірусний геном, завдяки чому відбувалася його мультиплікація. Однак значна частина вірусних оболонок «упаковувала» винятково фрагменти клітинного генома, без домішки генома вірусного.
Фактично деградація і перенос бактеріального генома за допомогою фага Р1 - це не більш ніж організована до досконалості трансформація. Аналогічна ситуація стала відома й у світі эукариот у широкому діапазоні: від дріжджів і до людини.
Вірус Сендай при репродукції в клітці масово утворить капсиды без власної нуклеиновой кислоти, однак упаковані клітинної ДНК.
У вищих представників эукариот інформаційні потоки виявилися навіть більш різноманітні, чим у прокаріот. Геном ретровирусов кодує ревертазу – фермент синтезуючий у клітці ДНК на матриці вірусної РНК. Цей фермент входити до складу вирионов ретровирусов. В ураженої ретровирусами клітці, з різною імовірністю для різних ретровирусов, у капсиды упаковується і невірусна – клітинна РНК. У результаті в інформаційні потоки в эукариот утягує, крім ДНК, ще і РНК .