Сизенцов А.Н. Общая вирусология с основами таксономии вирусов позвоночных

Изменчивость РНК. Полимеразы, катализирующие репликацию РНК, и об-

ратная транскриптаза имеют минимальные возможности для исправления ошибок синтеза. В результате, частота возникновения ошибок при синтезе РНК приблизи-

тельно в 10 тысяч раз выше, чем при репликации ДНК, и она зависит от числа нук-

леотидов, составляющих вирусный геном. Это означает, что геном любой индиви-

дуальной частицы РНКсодержащего вируса будет содержать одну или несколько мутаций, отличающих его от последовательности дикого типа данной вирусной раз-

новидности. Этот простой факт имеет далеко идущие последствия для биологии и эволюции РНК-содержащих вирусов, потому что потомство РНК-вируса (природное или лабораторное) представляет собой не совокупность однородных двойников, а

скорее молекулярный рой родственных нуклеотидных последовательностей, сгруп-

пированных в месте синтеза последовательностей. Этот молекулярный рой или

“квази-разновидность” обеспечивает источник фенотипических вариантов, которые могут быстро ответить на изменяющееся давление естественного отбора. Как след-

ствие, РНК-содержащие вирусы могут эволюционировать в миллион раз быстрее чем, ДНК-организмы. В тоже время высокая изменчивость РНК не обеспечивает быструю эволюцию РНК-содержащих вирусов, так, как размеры генома вирусов на-

лагают верхние пределы на высокую норму ошибок полимеразы. Комбинация уров-

ня репликационных ошибок и размера генома определяют“порог ошибки”, выше которого вирус не может поддерживать целостность последовательности квази-

разновидностей. В результате, немногие РНК вирусы имеют размер генома более 30

килобаз (kb), чаще всего он колеблется в пределах 5-15 kb.

Принимая во внимание, что генетически разнообразное потомство может не-

сти летальные мутации, что снижает потенциал для быстрого эволюционного отве-

та, РНК-геномы этого размера сбалансированы ниже их порогов ошибки.

Детально рассмотрим особенности организации вирусных ДНК и РНК.

Вирусные ДНК

Молекулярная масса вирусных ДНК варьирует в широких пределах от1×106

до 250×106. Самые большие вирусные геномы содержат несколько сотен генов, а

самые маленькие содержат информацию, достаточную для синтеза лишь нескольких

51

белков.

В геномах, представленных двунитчатыми ДНК, информация обычно закоди-

рована на обеих нитях ДНК. Это свидетельствует о максимальной экономии генети-

ческого материала у вирусов, что является неотъемлемым свойством их как генети-

ческих паразитов. В связи с этим оценка генетической информации не может быть проведена по молекулярной массе молекул.

Хотя в основном структура ДНК уникальна, т. е. большинство нуклеотидных последовательностей встречаются лишь по одному разу, однако на концах молекул имеются повторы, когда в концевом фрагменте линейной ДНК повторяется ее -на чальный участок. Повторы могут быть прямыми и инвертированными.

Способность к приобретению кольцевой формы, которая потенциально-

заложена в концевых прямых и, инвертированных повторах, имеет большое значе-

ние для вирусов. Кольцевая форма обеспечивает устойчивость ДНК к экзонуклеа-

зам. Стадия образования кольцевой формы обязательна для процесса интеграции ДНК с клеточным геномом. Наконец, кольцевые формы представляют собой удоб-

ный и эффективный способ регуляции транскрипции и репликации ДНК.

В составе вирионов, содержащих однонитчатую ДНК, обычно содержатся мо-

лекулы ДНК одной полярности. Исключение составляют аденоассоциированные ви-

русы, вирионы которых содержат ДНК либо одной полярности (условно называемой

«плюс»), либо ДНК с противоположным знаком(условно – «минус»). Поэтому то-

тальный препарат вируса состоит из двух типов частиц, содержащих по одной моле-

куле «плюс» – ДНК или «минус» – ДНК.

Инфекционный процесс при заражении этими вирусами возникает лишь при проникновении в клетку частиц обоих типов.

Вирусные РНК

Из нескольких сотен известных в настоящее время вирусов человека и живот-

ных РНК-геном содержит около 80% вирусов. Способность РНК хранить наследст-

венную информацию является уникальной особенностью вируса.

У просто организованных и некоторых сложно организованных вирусов -ви русная РНК в отсутствие белка может вызвать, инфекционный процесс. Впервые

52

В соответствии с разными свойствами вирусных РНК между двумя группами вирусов есть и структурные различия. Поскольку РНК «плюс-нитевых» вирусов вы-

полняет функцию иРНК, она имеет специфические структурные особенности, ха-

рактерные для 5'- и 3'-концов этих РНК. 5'-Конец клеточных и вирусных РНК обыч-

но имеет структуру так называемой шапочки (по-английски «cap»):

5'm7GpppGm С…АAААЗ',

где m7G представляет собой 7-метилгуанин, присоединенный через пирофос-

фатную связь к гуаниловому нуклеотиду, сахарный остаток которого также метили-

рован по второму углеродному атому. Эти модификации концов иРНК, осуществ-

ляемые после синтеза долинуклеотидной цепи, имеют существенное значение для функции иРНК: «шапочка» нужна для специфического узнавания иРНК рибосома-

ми, функции поли (А) менее точно определены и, по-видимому, заключаются в при-

дании стабильности молекулам иРНК. Такими же модифицированными концами обладают геномные РНК «плюс-нитевых» вирусов. Исключение составляет 5'-конец геномной РНК вируса полиомиелита, которая не содержит «шапочку», и вместо нее имеет на 5'-конце ковалентно присоединенный к остатку урацила низкомолекуляр-

ный терминальный белок. Геномные РНК «минус-нитевых» вирусов не имеют ни

«шапочки», ни поли (А); модифицированные концы характерны для иРНК этих ви-

русов, синтезирующихся в клетке на матрице вирионной РНК и комплементарных ей. Геномная РНК ретровирусов, хотя и является «плюс-нитевой», однако не содер-

жит «шапочку»; эту структуру содержит гомологичная РНК, синтезируемая на мат-

рице интегрированной провирусной ДНК.

Существуют вирусы, содержащие как «плюс-нитевые», так и «минус-

нитевые» РНК гены (амбисенс-вирусы). К ним относятся аренавирусы.

В основном однонитчатые РНК являются линейными молекулами, однако РНК-фрагменты буньявирусов обнаружены в виде кольцевой формы. Кольцевая форма возникает за счет образования водородных связей между концами молекул.

Двунитчатые РНК. Этот необычный для клетки тип нуклеиновой кислоты,

впервые обнаруженный у реовирусов, широко распространен среди вирусов живот-

ных, растений и бактерий. Вирусы, содержащие подобный геном, называют диплор55

навирусы.

Общей особенностью диплорнавирусов является фрагментированное состоя-

ние генома. Так, геном реовирусов состоит из10 фрагментов, ротавирусов – из 11

фрагментов.

3.6.2 Хранение генетической информации. Способы увеличения информационной емкости вирусного генома

Как и в других живых системах, у вирусов соответствие между аминокислот-

ной последовательностью белка и нуклеотидной последовательностью геномной нуклеиновой кислоты устанавливается с помощью универсального вырожденного генетического кода, где кодирующей единицей является триплет нуклеотидов(ко-

дон). В вирусных системах используются те же наборы кодоновых значений, что и в бактериальных, архейных и эукариотических системах. Однако у вирусов генетиче-

ская информация может храниться, как в смысловой полинуклеотидной цепи, так и в последовательности матричной цепи.

Для сохранения генетической информации в окружающей среде и передачи ее новому поколению вирусы упаковывают геномные нуклеиновые кислоты в белко-

вый капсид и часто в суперкапсид(липидсодержащая оболочка), формируя внекле-

точную форму вируса – вирион. Как правило, вирионы, попадая в клетку, обеспечи-

вают продуктивный инфекционный цикл, давая вирусное потомство. Однако целый ряд так называемых интегративных вирусов встраивают свой геном в хромосомы хозяина, в том числе клеток зародышевой линии, обеспечивая длительное сохране-

ние генетической информации вируса в ряду поколений хозяина.

Несмотря на микроскопические размеры, нуклеиновые кислоты вирусов несут информацию не только о капсидных белках, но и о ферментах, необходимых для синтеза ДНК, РНК и их модификации, для синтеза РНК транскриптов и их процес-

синга, для обеспечения синтеза белков и их посттрансляционной модификации и воздействия на биосинтетические процессы клетки-хозяина. Данный факт объясня-

ется наличием разнообразнейших механизмов увеличения генетической информа56

других и, следовательно, не перекрывается лишь один из фаговых генов.

В составе иРНК обычно встречается несколько инициирующих кодонов. В со-

ответствии с принятой в настоящее время гипотезой«сканирующей модели» малая рибосомальная субъединица связывается с иРНК около5'-конца и скользит вниз до встречи с инициирующим кодоном. Однако инициация в большинстве случаев про-

исходит не с первого инициирующего кодона, а с последующих АУГ-кодонов. «Пра-

вильный» функционирующий АУГ-кодон узнается рибосомой благодаря окружаю-

щим его последовательностям («фланкирующим нуклеотидам»). В том случае, если первый инициирующий кодон находится в менее благоприятном окружении, чем последующие АУГ-кодоны, большинство малых рибосомальных субъединиц прой-

дут этот кодон и начнут инициацию трансляции с последующих АУГ-кодонов, од-

нако некоторые субъединицы начнут инициацию с первого АУГ-кодона. В этом слу-

чае одна иРНК может направить синтез двух белков разной длины. Такие иРНК имеются у многих вирусов: SV40, герпеса, аденовирусов, буньявирусов, реовирусов и др.

Трансляция может происходить без сдвига рамки и со сдвигом рамки. Генети-

ческий код является триплетным, это означает, что три нуклеотида, составляющих триплет, или кодон, кодируют одну аминокислоту. В том случае, если триплеты со-

хранены и генетический код не изменился, то при трансляции с двух разных ини-

циирующих кодонов будут синтезироваться полипептиды, представляющие собой укороченную копию первого полипептида (трансляция без сдвига рамки).

В том случае, если произошел сдвиг на один или два нуклеотида, образуются новые триплеты (кодоны) и появляется новый генетический код. В этом случае одна молекула иРНК может транслироваться с образованием двух уникальных белков, т.е.

таких белков, у которых нет идентичных аминокислотных последовательностей.

Сплайсинг со сдвигом рамки широко используется у ряда вирусов(вирусы гриппа, парамиксовирусы, буньявирусы, аденовирусы, паповавирусы, парвовирусы и др.). Например, все три иРНК аденоассоциированного вируса образуются при транскрипции одного гена и имеют общий З'-конец, самая короткая иРНК образует-

ся путем сплайсинга и транслируется с образованием трех структурных белков, ос58