Репродукция вирусов в клетке - продуктивная инфекция – единый процесс, условно подразделяемый на несколько этапов:
1.адсорбция вирионов на летке
2. Проникновение вирусов в клетку
3. Депротеинизация вириона и освобождение его нуклеиновой кислоты (генома)
4. Экспрессия вирусного генома, синтез компонентов вириона (транскрипция, трансляция, репликация)
5. формирование вирионов
6. Выход нового поколения вирионов из клетки

Первые 3 этапа – подготовительные. Собственно репродукция – с 4 этапа.

1. Адсорбция вирионов на клетке – осуществляется при наличии специфических рецепторов. У простых вирусов – поверхностные прикрепительные белки, у сложных – прикрепительных белков роль играют гликопротеины, образующие шипики на суперкапсиде.
Рецепторы на поверхности клеточной мембраны могут иметь различную природу, их количество достигает 10 4 и более на клетку. Адсорбция начинается как неспецифическая, а продолжается как специфическая (вирус «узнается» и связывается комплементарным рецептором). Тропизм вирусов – избирательное поражение клеток и тканей у определенных видов организмов (наличие комплементарных рецепторов на них).

2. Проникновение вирионов в клетку

Путем рецепторного эндоцитоза (виропексиса ) – в месте адсорбции вируса образуется эндосома (впячивание), содержащая вирус. Она объединяется с клеточной лизосомой и вакуолью, образует рецептосому (проникают и простые и ложные вирусы этим путем).
- путем слияния мембран суперкапсида вируса и клетки. Осуществляется белками слияния. Нуклеокапсид оказывается в цитоплазме клетки. Характерно для сложных вирусов, обладающих F-белками слияния или другими гликопротеинами (например, гемагглютинин вируса гриппа).
- Возможно сочетание.

3. депротеинизация вирусов («раздевание»). Цель- освобождение нуклеиновой кислоты для индукции репродукции вируса.
Вирусы, проникшие в клетку рецепторным эндоцитозом, покидают рецептосому путем слияния мембран (сложные вирусы) или при участии капсидных поверхностных белков (простые вирусы). При этом лизосомальными ферментами и ферментами мембраны рецептосомы проводится частичная депротеинизация. Продолжается «раздевание» в цитоплазме протеазами и другими клеточными ферментами.
Если вирус проникает в клетку способом слияния мембран, депротеинизация начинается при уже при проникновении с помощью ферментов клеточной мембраны. Продолжается в цитоплазме.

Освобождение генома может быть полным, а может неплным (остаются внутренние белки или капсидные, которые в дальнейшем защищают нуклеиновую кислоту от нуклеаз цитоплазмы).

4. экспрессия вирусного генома. Иногда требует транспортировки в ядро.

А) транскрипция – образование на матрице генома комплементарных и-РНК

Б) трансляция – перевод генетической информации с и-РНК в последовательность аминокислот. Проводится и-РНК на клеточных рибосомах с подавлением синтеза клеточных белков. Вирусные белки могут формироваться: с коротких моноцистронных и-РНК (отдельные белки, на рибосомах), с длинных полицистронных и-РНК (гигантский полипептид, на полисомах, впоследствие нарезается на отдельные белки).

Особенности:
- вирусы с двунитевой ДНК: геномная ДНК -> транскрипция -> и-РНК -> трансляция -> белок (сперва ранние неструктурные, потом поздние структурные)

Осуществляется в ядре (у большинства вирусов) – клеточная транскриптаза, в цитоплазме – вирусная транскриптаза.

РНК – геномная РНК одновременно и-РНК: геномная +РНК > трансляция > белок (гигантский полипептид, который нарезается протеазами)
- минус-РНК: геномная –РНК > транскрипция > и-РНК > трансляция > белок
осуществляется собственными транскриптазами

Ретровирусы (онкогенные вирусы и возбудители ВИЧ-инфекции) – диплоидный геном из двух идентичных однонитевых +РНК и ревертазой (обратной транскриптазой) (такой же путь передачи возможно у вируса гепатита В и клещевого энцефалита: геномная РНК > провирус (комплементарная ДНК) > транскрипция > и-РНК > трансляция > белок

Репликация: синтез на матрице исходного генома вируса множества идентичных копий. В ядре (у большинства) и в цитоплазме. Процесс начинается после накопления неструктурных ранних белков. Осуществляется вирусными клеточными полимеразами. Осуществляется сразу полностью.

У двунитевых ДНК-геномов – с помощью репликазы по полуконсервативному типу, подобно клеточным ДНК

Однонитевые +РНК геном - с помощью вирус-индуцированной РНК-полимеразы. На исходной +РНК формируется –РНК (двунитевый промежуточный репликативный комплекс), которая отщепляется, на ней формируется +РНК, идентичная исходной. происходит накопление множества копий генома.

Однонитевые –РНК геном – с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы, тоже через двунитевый промежуточный репликативный комплекс

У ретровирусов – те же стадии, что и при транскрипции, с обязательной репликацией провирусной ДНК в хромосому клетки. На матрице провирусной ДНК реплицируются копии однонитевых +РНК.
Для ретровирусов характерно сочетание интегративной и продуктивной инфекции (при преобладании интегративной наблюдается персистенция вируса).

В результате экспрессии в клетке накапливаются копии вирусных геномов и структурные белки. Эти процессы происходят в разных частях клетки, и такой способ репродукции называется разобщенным (дизъюнктивным).

5. Формирование вирионов из компонентов вируса. В цитоплазме.

Простые вирусы: пустеем самосборки, капсид по спиральному или кубическому типу формируется. Получается нуклеокапсид.

Сложные вирусы формируются в несколько этапов. Образуется нуклеокапсид, затем они взаимодействуют с модифицированными мембранами клетки, одеваются суперкапсидной оболочкой, у некоторых вирусов под суперкапсидом формируется М-слой.

6. Выход вирионов из клетки

При лизисе клетки («по взрувному типу», характерен для простых вирусов)

Путем почкования (сложные вирусы, одновременно приобретают суперкапсид). Клетка погибает не сразу, успевает выделить новые поколения вирусов до истощения ее ресурсов.

Отношения вируса с клеткой хозяина могут складываться по-разному. Условно эти отношения можно свести к трем типам.

Продуктивная инфекция: цикл репродукции вируса в клетке хозяина завершается образованием нового, многочисленного поколения вирусов, обычно сопровождается гибелью клетки хозяина.

Абортивная инфекция имеет место, если цикл репродукции вируса в клетке хозяина внезапно прерывается. Клетка хозяина сохраняет свою жизнедеятельность.

Вирогения характеризуется интеграцией (встраиванием) вирусной нуклеиновой кислоты в геном клетки хозяина, что приводит в дальнейшем к синхронной репликации ДНК клетки и нуклеиновой кислоты вируса. Клетка хозяина продолжает жить.

Размножение вирусов осуществляется путем репродукции их в клетке хозяина. Цикл репродукции представляет собой процесс подчинения клеточных механизмов чужеродной вирусной информации.

Функционально ферменты вирусов можно подразделить на 2 группы: ферменты, способствующие проникновению вирусной нуклеиновой кислоты в клетку и выходу образовавшихся вирионов в среду, и ферменты, участвующие в процессах транскрипции и репликации вирусной нуклеиновой кислоты.

Цикл репродукции можно подразделить на отдельные стадии.

1 стадия – хемосорбция вирусов на поверхности клетки хозяина

Хемосорбция возможна лишь при условии, если клетка несет на своей поверхности чувствительные рецепторы, комплементарные рецепторам данного вируса. В клетках животных и человека функцию рецепторов для пикорно- и арбовирусов выполняют липопротеиды, для миксо- и парамиксовирусов и аденовирусов – мукопротеиды.

У простоорганизованных вирусов рецепторами являются уникальные сочетания белковых субъединиц, находящихся на поверхности капсида. У более сложноорганизованных вирусов функцию рецепторов выполняют выросты суперкапсида в виде шипов или ворсинок.

2 стадия – проникновение вируса в клетку хозяина.

Пути проникновения вирусов в клетку могут быть различны. Предполагается, что многие вирусы проникают в клетку путем пиноцитоза , иливиропексиса . При пиноцитозе в районе хемосорбции вируса клеточная мембрана образует инвагинацию и заглатывает вирус. В составе пиноцитарной вакуоли вирус попадает в цитоплазму.

Некоторые вирусы проникают в клетку за счет слияния клеточных и вирусных мембран.

Проникновение фаговой ДНК в бактериальную клетку происходит за счёт частичного разрушения оболочки клетки фаговым лизоцимом и сократительной реакции остатка фага.

3 стадия – депротеинизация вируса.

Процесс депротеинизации вируса предусматривает освобождение его нуклеиновой кислоты от белков капсида. Как только вирусная нуклеиновая кислота освобождается от белков капсида, наступает так называемый скрытый период – периодэклипса . Предполагается, что в период эклипса вирусная нуклеиновая кислота проходит по цитоплазме клетки в район ядра.

4 стадия – синтез компонентов вируса.

Совокупность процессов этой стадии можно подразделить на три этапа:

Первый этап – подготовительный. Он предусматривает две цели: подавить функционирование генетического аппарата клетки, прекратить синтез клеточных белков и нуклеиновых кислот, перевести белок-синтезирующий аппарат клетки под контроль генома вируса; подготовить условия для репликации нуклеиновой кислоты и синтеза белков капсида вируса.

Второй этап – репликация нуклеиновой кислоты вируса. Для двухцепочечных ДНК – геномных вирусов характерен такой же путь реализации генетической информации, как и для других живых организмов. Процессу репликации ДНК предшествует транскрипция иРНК. Информационная РНК вируса транслируется рибосомами клетки и на вирус – полисоме по матрице иРНК идет синтез ранних вирусспецифических белков.

Как только синтезировались ранние вирусспецифические белки, начинается процесс репликации ДНК вируса. Репликация двух – цепочечной ДНК вируса идет по принципу репликации ДНК клеточных организмов полуконсервативным путем.

Процесс репликации одноцепочечной ДНК начинается с синтеза ее комплементарной пары. В результате образуется двухцепочечная кольцевая родительская ДНК.

Изучение механизма репликации РНК – геномных вирусов началось с 1961., когда были открыты РНК-геномные фаги.

У РНК-геномных вирусов молекула РНК одновременно является генетическим материалом и выполняет функцию иРНК и ДНК.

В 1970 г. в составе одноклеточных РНК-вирусов был обнаружен фермент РНК-зависимая ДНК-полимераза, свидетельствующая о наличии процесса обратной транскрипции. Позднее было доказано, что у онкогенных РНК-вирусов по матрице их РНК с участием РНК-зависимой
ДНК-полимеразы, содержащейся в вирионе, траскрибируется ДНК-копия. ДНК-копия из одноцепочечной переходит в репликативную двуцепочечную форму, которая обеспечивает репликацию РНК вируса и синтез необходимых ферментов.

Третий этап – синтез белков капсид.

Этот процесс отстает во времени от процесса репликации нуклеиновой кислоты вируса и начинается, когда репликация в полном разгаре. Синтез белков капсида происходит как в ядре, так и в цитоплазме клетки. Вирусспецифическая иРНК транслируется рибосомами клетки, и на вирус-полисоме идет синтез белков-предшественников. Из этого «фонда» белков-предшественников и формируются белки капсида вируса.

5 стадия – сборка вирионов, или морфогенез вируса.

У простоорганизованных вирусов белковые субъединицы капсида в строго упорядоченном соединении располагаются вокруг нуклеиновой кислоты. У сложноорганизованных вирусов в процессе сборки вирионов принимают участие и клеточные структуры – ядерная и цитоплазматическая мембраны.

6 стадия – выход вируса из клетки.

Этот процесс у разных вирусов осуществляется по-разному. Выход ДНК-геномных фагов происходит при полном лизисе клетки фаговым лизоцимом. Сложноорганизованные вирусы человека и животных выходят из клетки с участком цитоплазмы путем почкования через цитоплазматическую мембрану и оболочку, одновременно приобретая суперкапсид. Нередко выходу вирусов из клетки способствует переваривание ее фагоцитами крови. Вирусы растений из клетки в клетку могут переходить через межклеточные соединения – плазмодесмы.

Наиболее часто цикл репродукции вируса завершается продуктивной инфекцией – образованием многочисленной популяции (100–200) полноценных вирионов, что обычно сопровождается гибелью хозяина.

Для вирусов характерен дизъюнктивный (от disjuncus - разобщенный) способ репродукции-размножения. Потомство вируса возникает в результате сборки нуклеиновых кислот и белковых субъединиц, которые синтезируются раздельно клеткой хозяина.

Проникновение вируса в клетку и воспроизведение себе подобных проходит в несколько фаз:

1.проникновение в клетку хозяина,

2.синтез ферментов, необходимых для репликации вирусных нуклеиновых кислот,

3.синтез вирусных частей,

4.сборка и композиция зрелых вирионов,

5.выход зрелых вирионов из клетки.

Стадии репродукции вирусов.

1 - адсорбция вириона на клетке; 2 - проникновение вириона в клетку путем виропексиса;

3 - вирус внутри вакуоли клетки; 4 - `раздевание вириона вируса; 5 - репликация вирусной нуклеиновой кислоты; 6 - синтез вирусных белков на рибосомах клетки; 7 - формирование вириона; 8 - выход вириона из клетки путем почкования.

Фаза I - адсорбция вириона на поверхности клетки .

Протекает в две стадии: первая - неспецифическая , когда вирус удерживается на поверхности клетки при помощи электростатических сил, т. е. благодаря возникновению противоположных зарядов между отдельными участками мембраны клеток и вируса. Эта фаза взаимодействия вируса с клеткой обратима, на нее оказывают влияние такие факторы, как рН и солевой состав среды.

Вторая стадия - специфическая , когда взаимодействуют специфические рецепторы вируса и рецепторы клетки, комплементарные друг другу. По химической природе рецепторы клетки могут быть мукопротеидами (или мукополисахаридами) и липопротеидами. Разные вирусы фиксируются на разных рецепторах: вирусы гриппа, парагриппа, аденовирусы - на мукопротеидах, а вирусы клещевого энцефалита, полиомиелита - на липопротеидах.

Фаза II - проникновение вируса в клетку. Электроноскопические наблюдения за процессом проникновения вирусов в чувствительные к ним клетки показали, что оно осуществляется посредством механизма, напоминающего пиноцитоз, или, как чаще называют, виропексис. В месте адсорбции вируса клеточная стенка втягивается внутрь клетки, образуется вакуоль, в которой оказывается вирион. Параллельно клеточные ферменты (липазы и протеазы) вызывают депротеинизацию вириона - растворение белковой оболочки и освобождение нуклеиновой кислоты.

Фаза III - скрытый период (период эклипса - исчезновения). В этот период в клетке невозможно определить наличие инфекционного вируса ни химическими, ни электронно-микроскопическими, ни серологическими методами. О сущности этого явления и его механизмов пока известно мало. Предполагается, что в скрытой фазе нуклеиновая кислота вируса проникает в хромосомы клетки и вступает с ними в сложные генетические взаимоотношения.

Фаза IV - синтез компонентов вириона . В этой фазе вирус и клетка представляют единое целое, вирусная нуклеиновая кислота выполняет генетическую функцию, индуцирует образование ранних белков и изменяет функцию рибосом. Ранние белки подразделяются на:

а) белки-ингибиторы (репрессоры), подавляющие метаболизм клеток

б) белки-ферменты (полимеразы), обеспечивающие синтез вирусных нуклеиновых кислот.

Синтез нуклеиновых кислот и белков протекает неодновременно и в разных структурных частях клетки. У вирусов, содержащих ДНК или РНК, эти процессы имеют некоторые различия и особенности.

Фаза V - формирование зрелых вирионов . Процесс «сборки» вируса осуществляется в результате соединения компонентов вирусной частицы. У сложных вирусов в этом процессе принимают участие клеточные структуры и происходит включение в вирусную частицу липидпых, углеводных, белковых компонентов клетки хозяина.

Процесс формирования вирионов начинается спустя определенное время после того, как начал осуществляться синтез составляющих их компонентов. Продолжительность этого периода довольно вариабельна и предопределяется природой вируса - для РНК-содержащих обычно короче, чем для ДНК-вирусов. Например, продукция полных вирусных частиц осповакцины начинается приблизительно спустя 5-6 ч после инфицирования клеток и продолжается в течение последующих 7-8 ч, т. е. после того как синтез вирусной ДНК уже завершен.

Между нуклеиновой кислотой и соответствующим белковыми субъединицами образуются очень прочные связи, о чем свидетельствуют трудности отделения белка от вирусной нуклеиновой кислоты. Большую прочность вирусной частице придают входящие в ее состав углеводы и особенно липиды.

Формирование вирионов, так же как и синтез компонентов вируса, происходит в разных местах клетки, при участии различных клеточных структур. После завершения процесса формирования образуется зрелая дочерняя вирусная частица, обладающая всеми свойствами родительского вириона. Но иногда наблюдается образование так называемых неполных вирусов , которые состоят или только из нуклеиновой кислоты, или из белка, или из вирусных частиц, формирование которых остановилось в какой-то промежуточной стадии.

Фаза VI - выход зрелых вирионов из клетки . Существуют два основных механизма выхода зрелых вирионов из клетки:

1) выход вириона с помощью почкования. В этом случае наружная оболочка вириона происходит из клеточной мембраны, она содержит как материал клетки хозяина, так и вирусный материал;

2) выход зрелых вирионов из клетки через бреши в мембране. Эти вирусы не имеют наружной оболочки. При таком механизме выхода вирусов клетка, как правило, погибает и в среде появляется большое количество вирусных частиц.

Причиной гибели зараженной клетки могут быть три механизма:

1.работа вируса, «истощающая» клетку;

2.защитная реакция клетки, запускающая генетическую программу ее гибели (апоптоз);

3. иммунная система организма, уничтожающая зараженную клетку.

Кроме продуктивного типа взаимодействия вируса и клетки возможно интегративное сосуществование или вирогения. Вирогения характеризуется интеграцией (встраиванием) нуклеиновой кислоты вируса в геном клетки, а также репликацией и функционированием вирусного генома как составной части генома клетки. Для интеграции с клеточным геномом необходимо возникновение кольцевой формы двунитевой ДНК вируса. Встроенная в состав хромосомы клетки вирусная ДНК называется провирусом. Провирус реплицируется в составе хромосомы и переходит в геном дочерних клеток, т.е. состояние вирогении наследуется. Под влиянием некоторых физических или химических факторов провирус может переходить в автономное состояние с развитием продуктивного типа взаимодействия с клеткой. Дополнительная генетическая информация провируса при вирогении сообщает клетке новые свойства, что может быть причиной развития опухолей, аутоиммунных и хронических заболеваний. На способности вирусов к интеграции с геномом клетки основаны персистенция (от лат. persisto - постоянно пребывать, оставаться) вирусов в организме и развитие персистентных вирусных инфекций. Например, вирус гепатита В способен вызывать персистирующие поражения с развитием хронического гепатита и часто опухолей печени.

Вирусы воспроизводят себе подобные частицы в таком огромном количестве и столь своеобразным способом, что это явление стали именовать репродукцией, так как здесь копируются молекулы нуклеиновых кислот и, согласно заключенной в них генетической информации, синтезируются вирусные белки.

При большом разнообразии механизмов репродукции вирусов общим для всех видов является:

1. источником мономеров для синтеза нуклеиновых кислот служат нуклеотиды клетки;
2. источником мономеров для синтеза вирусных белков служат аминокислоты (аминоацил тРНК) клетки;
3. синтез белков всех вирусов осуществляется на клеточных рибосомах;
4. источник энергии для биосинтетических процессов при репродукции всех вирусов - аденазинтрифосфорная кислота (АТФ), вырабатываемая в митохондриях клетки;
5. дисъюнктивный (разобщенный во времени и в пространстве) биосинтез структурных компонентов вирусов. Так, нуклеиновая кислота вируса может реплицироваться, например, в ядре клетки, вирусный белок синтезируется в цитоплазме, а сборка цельных вирионов или нуклеокапсидов может происходить на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны. Наконец, сложный липопротеиновый суперкапсид может приобретаться вирусами в процессе почкования;
6. репликацию нуклеиновых кислот вирусов осуществляют ферменты - полимеразы (ДНК-полимеразы и РНК-синтетазы), которые могут быть клеточными полимеразами, присутствующими в клетке до ее заражения вирусом, либо вирусспецифическими, появляющимися после заражения клетки вирусом, так как биосинтез их закодирован в структуре нуклеиновых кислот самих вирусов или они находятся в вирионе вируса;
7. точность копирования молекул нуклеиновых кислот при их репликации обеспечивается матричным механизмом и принципом комплементарности.

Взаимодействие вируса с клеткой хозяина - сложный и многостадийный процесс. В результате такого взаимодействия могут развиваться три основные формы клеточной инфекции: продуктивная, абортивная и интегративная.

Продуктивная форма чаще носит литический характер, т. е. заканчивается гибелью и лизисом инфицированной клетки, что происходит после полной сборки дочерней популяции инфицированных вирусных частиц. Гибель клетки могут вызвать следующие факторы: раннее подавление синтеза клеточных белков, накопление повреждающих клетку вирусных компонентов; повреждение лизосом и высвобождение их ферментов в цитоплазму. Такая форма инфекции наблюдается у многих вирусов.

Абортивная форма не завершается образованием инфекционных вирусных частиц или они образуются в гораздо меньшем количестве, чем при продуктивной инфекции. Абортивная инфекция может возникать при следующих обстоятельствах: заражение чувствительных клеток дефектным вирусом, заражение чувствительных клеток в неразрешающих условиях, т. е. при резком изменении условий, при которых происходит инфекционный процесс, заражение нечувствительных клеток стандартным вирусом. В результате клетка либо погибает без продукции инфекционного вируса, либо инфекция прерывается на определенном этапе.

Дефектным называется такой вирус, который не способен проявить все генетические функции, необходимые для образования инфекционного потомства. Существуют дефектные вирусы и дефектные вирусные частицы. Дефектными называют такие вирусы, которые репродуцируются лишь в присутствии вируса-помощника, например аденоассоциированный вирус (семейство парвовирусов), дающий потомство только в присутствии аденовируса - помощника. Дефектные вирусные частицы лишены части генетического материала (от 10 до 90 % генома). Дефектные частицы интерферируют при репродукции с инфекционными вирусными частицами и поэтому их называют дефектными интерферирующими частицами (ДИЧ). Попадая в клетку вместе с инфекционными вирусными частицами, они конкурируют с ними за факторы репродукции и препятствуют образованию инфекционного потомства. Большое количество ДИЧ проявляется при серийном пассивировании вируса с высокой множественностью заражения.

Интегративная форма не приводит к гибели клетки. Нуклеиновая кислота вируса, встроенная в геном клетки-хозяина, функционирует как составная часть клеточного генома. Клетка может сохранить нормальные функции и при ее делении вирусные последовательности могут переходить в геном дочерних клеток. Интеграция может привести к неопластической трансформации клеток. Такие клетки приобретают способность к неограниченному делению.

Интегративная форма инфекции возможна для нескольких семейств: ретровирусов, аденовирусов, вирусов герпеса, паповавирусов и др.

Процесс репродукции вирусов может быть условно разделен на две фазы. Первая фаза охватывает события, которые ведут к адсорбции и проникновению вируса в клетку, освобождению его внутреннего компонента и модификации вируса таким образом, что он способен вызвать инфекцию. Соответственно первая фаза включает три стадии.

I. Адсорбция вируса на клетках.

II. Проникновение в клетки.

III. Раздевание вируса в клетке.

Эти стадии направлены на то, чтобы вирус был доставлен в соответствующие клеточные структуры и его внутренний компонент был освобожден от защитных оболочек. Как только эта цель достигнута, начинается вторая фаза репродукции, в течение которой происходит экспрессия вирусного генома. Эта фаза включает в себя пять стадий:

I. Транскрипция.

II. Трансляция иРНК.

III. Репликация генома.

IV. Сборка вирусных компонентов.

V. Выход вируса из клетки.

Первая фаза репродукции . I. Адсорбция вирионов на поверхности клетки . Прикрепление вирусных частиц к поверхности клетки-хозяина - первая стадия инфекционного процесса. Начальный контакт вируса с клеткой происходит в результате случайного столкновения по типу броуновского движения.

В основе адсорбции лежат два механизма.

Первый из них - неспецифический. Определяется силами электростатического взаимодействия, возникающими между разнозаряженными группами, расположенными на поверхности клетки и вируса. В этом процессе участвуют заряженные положительно аминные группы вирусного белка и кислые фосфатные, сульфатные и карбоксильные группы клеточной поверхности, имеющие отрицательный заряд.

Второй - специфический. Специфичность связи между вирусом и клеткой обусловлена комплементарными клеточными и вирусными рецепторами.

Процесс адсорбции возможен при наличии соответствующих рецепторов на поверхности клетки и «узнающих» их субстанций на поверхности вируса. Узнавание клеточных рецепторов вирусными белками (рецепторами), ведущее к прикреплению вирусной частицы к клетке, является высокоспецифическим процессом. Белки на поверхности вируса, узнающие специфические группировки на плазматической мембране клетки и обусловливающие прикрепление к ним вирусной частицы, называются прикрепительными белками (рецепторами). Рецепторы могут иметь разную химическую природу и представлять собой белки, углеводный компонент белков и липидов. Рецепторами для вирусов гриппа и парамиксовирусов является сиаловая кислота в составе гликопротеидов и гликолипидов, для рабдо — и реовирусов - также углеводный компонент в составе белков и липидов, для пикорна — и аденовирусов - белки, для некоторых вирусов - липиды. Специфические клеточные рецепторы играют роль не только в прикреплении вирусной частицы к клеточной поверхности. Они определяют дальнейшую судьбу вирусной частицы, ее внутриклеточный транспорт и доставку в определенные участки цитоплазмы и ядра, где вирус способен инициировать инфекционный процесс. Вирус может прикрепиться и к неспецифическим рецепторам и даже проникнуть в клетку, однако только прикрепление к специфическому рецептору приведет к возникновению инфекции.

Прикрепление вирусной частицы к клеточной поверхности вначале происходит путем образования единичной связи вирусной частицы с рецептором. Однако такое прикрепление непрочно, и вирусная частица может легко оторваться от клеточной поверхности (обратимая адсорбция). Для того чтобы наступила необратимая адсорбция, должны появиться множественные связи между вирусной частицей и многими молекулами рецепторов, т. е. должно произойти стабильное мультивалентное прикрепление. Количество молекул клеточных рецепторов в участках адсорбции может доходить до 3000.

Количество специфических рецепторов на поверхности клетки колеблется между 10 4 и КР на одну клетку. Рецепторы ряда вирусов могут быть представлены лишь в ограниченном наборе клеток-хозяев, и этим может определяться чувствительность организма к данному вирусу. Например, вирусы полиомиелита адсорбируются только на клетках приматов. Рецепторы для других вирусов, напротив, широко представлены на поверхности клеток различных видов, как, например, рецепторы для ортомиксо — и ларамиксовирусов, представляющие собой сиалилсодержащие соединения, имеют относительно широкий диапазон клеток, на которых может происходить адсорбция вирусных частиц. Рецепторами для ряда тогавирусов обладают клетки широкого круга хозяев: эти вирусы могут адсорбироваться и инфицировать клетки как позвоночных, так и беспозвоночных. Вирусные ДНК и РНК обладают способностью заражать более широкий круг хозяев, чем вирусы. Максимальная скорость адсорбции вируса наблюдается лишь при определенном соотношении концентрации вируса и клеток, влиянии pH, температуры, ионного состава среды.

Адсорбция вируса на клетках происходит в широком диапазоне температур. Она протекает нормально в присутствии катионов и подавляется веществами, несущими высокий отрицательный заряд (сульфатированные полисахариды, гепарин). Для ряда оболочечных вирусов известна обратная закономерность.

Процесс адсорбции состоит из двух быстро следующих друг за другом периодов: обратимого и необратимого. Период обратимого прикрепления может закончиться десорбцией. При длительном контакте вируса с клеткой никакие воздействия не позволяют освободить адсорбированный вирус, наступает стадия необратимой адсорбции. Вирус ящура, например, адсорбируется клетками культуры почки свиней при 2-4 и 37 °С, однако при низкой температуре адсорбция вируса обратима и инфицирования клеток не происходит, так как вирус находится на поверхности клеток и легко может быть десорбирован раствором версена без нарушения целостности клеток, тогда как при 37 °С через 80-90 мин наступала полная необратимая адсорбция вируса. Количество адсорбированного вируса и число инфицированных клеток в основном зависят от множественности заражения и продолжительности адсорбции.

Адсорбированные вирусные частицы могут иметь различную судьбу: большая часть их элюируется, при этом они повреждаются, так как теряют способность к реадсорбции другими клетками и не инфицируют их; другая часть вирусных частиц проникает в клетку и подвергается дезинтеграции; небольшая часть инфекционных вирусных частиц, связанных с клеткой, остается интактной.

Прикрепительные белки могут находиться в составе уникальных органелл, таких, как структуры отростка у Т-бактериофагов или фибры у аденовирусов, которые хорошо видны в электронном микроскопе; могут формировать морфологически менее выраженные, но не менее уникальные структуры белковых субъединиц на поверхности вирусных мембран, как, например, шипы у оболочечных вирусов, «корону» у коронавирусов.

Просто организованные вирусы животных содержат прикрепительные белки в составе капсида. У сложно организованных вирусов эти белки входят в состав суперкапсида и представлены множественными молекулами. Например, у вируса леса Семлики (α-вирус) имеется 240 молекул гликопротеида в одном вирионе, у вируса гриппа - 300-450 гемагглютинирующих субъединиц, у аденовируса - 12 фибров.

Спектр чувствительности клеток к вирусам в значительной степени определяется наличием соответствующих рецепторов. Прикрепление вируса к клетке - непременное, но недостаточное условие для инфицирования, которое определяется прохождением последующих стадий репродукции вируса.

II. Проникновение вируса в клетку . В настоящее время известно два механизма проникновения вируса в клетку: путем рецепторного эндоцитоза и путем слияния вирусной и клеточной мембран. Оба эти механизма не исключают, а дополняют друг друга.

Рецепторный эндоцитоз происходит в специализированных участках плазматической мембраны, где имеются специальные ямки, на дне которых находятся специальные рецепторы. Ямки обеспечивают быструю инвагинацию и образование внутриклеточных вакуолей (за 1 мин образуется более 2 тыс. вакуолей), которые сливаются с цитоплазматическими вакуолями, образуя рецептосомы, а они могут сливаться с лизосомами. Эндоцитоз обеспечивает внутриклеточный транспорт вириона в составе вакуоли, освобождая вирусную частицу в соответствующих внутриклеточных участках. Так, например, ядерные вирусы попадают в ядро, а реовирусы - в лизосомы. Большинство вирусов животных проникает в клетку путем эндоцитоза.

Слияние вирусных и клеточных мембран . У оболочечных вирусов слияние обусловлено точечным взаимодействием вирусного белка путем слияния с липидами клеточной мембраны, в результате вирусная липопротеидная оболочка интегрирует с клеточной мембраной.

У безоболочечных вирусов один из поверхностных белков также взаимодействует с липидами клеточных мембран, в результате внутренний компонент проходит через мембрану и вовнутрь клетки проникает только нуклеопротеид вириона. При данном способе проникновения функционально активный вирусный нуклеопротеид освобождается из вириона в период его прохождения внутрь клетки через плазматическую мембрану, т. е. одновременно происходит проникновение и «раздевание» вириона. Белком слияния у вирусов является один из поверхностных белков, так, у парамиксовирусов это белок (F-белок), у вируса гриппа функцию белка слияния выполняет малая гемагглютинирующая субъединица (НА2).

Большинство вирусов вызывает слияние мембран при низком значении pH - от 5,0 до 5,75.

III. Раздевание - депротеинизация вируса . Проникшие в клетку вирусные частицы должны раздеться для того, чтобы вызвать инфекционный процесс. Смысл раздевания заключается в удалении вирусных защитных оболочек, которые препятствуют экспрессии вирусного генома. В результате раздевания освобождается внутренний компонент вируса, который способен вызвать инфекционный процесс. Раздевание сопровождается рядом характерных особенностей: в результате распада вирусной частицы исчезает инфекционная активность, в ряде случаев появляется чувствительность к нуклеазам, возникает устойчивость к нейтрализующему действию антител, теряется фоточувствительность при использовании ряда препаратов.

Конечными продуктами раздевания являются сердцевины, нуклеокапсиды или нуклеиновые кислоты. Для ряда вирусов было показано, что продуктом раздевания являются не голые нуклеиновые кислоты, а связанные с внутренним вирусным белком. Например, конечный продукт раздевания пикорнавирусов - РНК, ковалентно связанная с белком VPg, конечный продукт раздевания аденовирусов, вируса полиномы и SV40 - ДНК, ковалентно связанная с одним из внутренних вирусных белков.

В ряде случаев способность вирусов вызвать инфекционный процесс определяется возможностью их раздевания в клетке данной системы. Тем самым эта стадия является одной из ограничивающих инфекцию.

Раздевание ряда вирусов происходит в специализированных участках внутри клетки (лизосомах, структурах аппарата Гольджи, околоядерном пространстве, ядерных порах на ядерной мембране). При слиянии вирусной и клеточной мембран проникновение в клетку сочетается с раздеванием.

Раздевание и внутриклеточный транспорт - взаимосвязанные процессы: при нарушении правильного внутриклеточного транспорта к местам раздевания вирусная частица попадает в лизосому и разрушается лизосомальными ферментами.

Раздевание вирусной частицы осуществляется постепенно в результате серии последовательных реакций. Например, в процессе раздевания пикорнавирусы проходят ряд стадий с образованием промежуточных субвирусных частиц с размерами от 156S до 12S. Раздевание аденовирусов происходит в цитоплазме и ядерных порах и имеет по крайней мере три стадии: 1) образование субвирусных частиц с большей плотностью, чем вирионы; 2) образование сердцевин, в которых отсутствует 3 вирусных белка; 3) образование ДНК-белкового комплекса с терминальным белком.

Вирусы оспы раздеваются в две стадии: на первой - ферменты хозяина удаляют наружное покрытие, а на второй - для освобождения вирусной ДНК из сердцевины требуется участие продуктов вирусных генов («раздевающий фермент»), синтезированных после заражения.

Вторая фаза репродукции . I. Транскрипция . Это переписывание информации с ДНК на РНК по законам генетического кода. Осуществляется с помощью специального фермента (РНК-полимеразы), который связывает нуклеотиды путем образования 3’-5′-фосфодиэфирных мостиков. При инициации транскрипции РНК-полимераза связывается со специальным участком ДНК (промотором), удвоенные спирали ДНК разъединяются и функционируют как матрицы, к которым присоединяются комплементарные нуклеотиды благодаря спариванию комплементарных оснований (аденин с тимином, урацил с аденином, гуанин с цитазином и цитазин с гуанином). Таким образом, происходит постепенное удлинение (элонгация) цепи НИК. Терминация (прекращение роста) цепи ГПК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами. При этом процессе принимают участие и специальные белки.

Стратегия вирусного генома в отношении синтеза иРНК у разных вирусов различна. У ДНК-содержащих вирусов иРНК синтезируется на матрице одной из нитей ДНК. Формула переноса генетической информации у них такая же, как и в клетке:

ДНК →(транскрипция)→ РНК →(трансляция)→ белок.

ДНК-содержащие вирусы, репродукция которых происходит в ядре, используют для транскрипции клеточную полимеразу. К этим вирусам относятся папова-, аденовирусы, вирусы герпеса. ДНК-содержащие вирусы, репродукция которых происходит в цитоплазме, не могут использовать клеточные ферменты, находящиеся в ядре. Транскрипция их генома осуществляется вирусспецифическим ферментом - ДНК-полимеразой, которая проникает в клетку в составе вириона. К этим вирусам относятся вирусы оспы и иридовирусы.

РНК → белок.

К этой группе вирусов относятся пикорна-, тога-, коронавирусы. У них нет необходимости в акте транскрипции для синтеза вирусспецифических белков. Поэтому транскрипцию как самостоятельный процесс у этих вирусов не выделяют.

Б. У вирусов, геном которых не может выполнять функцию иРНК (минус-нитевые вирусы). В клетке синтезируется комплементарная геному РНК, которая и является информационной. Передача генетической информации у этих вирусов осуществляется по формуле:

РНК → РНК → белок.

У этих вирусов транскрипция выделена как самостоятельный процесс в инфекционном цикле. К ним относятся две группы вирусов животных:

• вирусы, геном которых представлен односпиральной РНК: ортомиксо-, парамиксо-, рабдо-, буньявирусы;
• вирусы, геном которых представлен двуспиральной РНК. Среди вирусов животных к ним относятся реовирусы.

В клетке нет фермента, который может полимеризовать нуклеотиды на матрице РНК. Эту функцию выполняет вирусспецифический фермент - РНК-зависимая PHK-полимераза, или транскриптаза, которая находится в составе вирионов и вместе с ними проникает в клетку.

В. Среди РНК-содержащих вирусов животных есть семейство ретровирусов, которые имеют уникальный путь передачи генетической информации. РНК этих вирусов переписывается на ДНК, ДНК интегрирует с клеточным геномом и в его составе переписывается на РНК, которая обладает информационными функциями. Путь передачи генетической информации в этом случае осуществляется по более сложной формуле: РНК → ДНК → PHК → белок

В составе этих вирусов есть уникальный вирусспецифический фермент, который переписывает РНК на кДНК. Этот процесс называется обратной транскрипцией, а фермент - обратная транскриптаза, или ревертаза. Тот же фермент синтезирует нить ДНК на матрице ДНК. Двуспиральная ДНК после замыкания в кольцо интегрирует с клеточным геномом, и транскрипцию интегрированной ДНК в составе клеточных геномов осуществляет клеточная ДНК-зависимая РНК-полимераза.

Транскрипция вирусного генома строго регулируется на протяжении инфекционного цикла. Регуляция осуществляется как клеточными, так и вирусспецифическими механизмами. У некоторых вирусов, в основном ДНК-содержащих, существует три периода транскрипции: сверхранний, ранний и поздний. К ним относятся вирусы оспы, герпеса, папова-, адено — и иридовирусы. В результате сверхранней и ранней транскрипции избирательно считываются сверхранние и ранние гены с образованием сверхранних или ранних иРНК. При поздней транскрипции считывается другая часть вирусного генома - поздние гены с образованием поздних и PHК. Количество поздних генов обычно превышает количество ранних генов. Многие сверхранние гены являются генами для неструктурных белков (ферментов и регуляторов транскрипции) и репликации вирусного генома. Напротив, поздние гены обычно являются генами для структурных белков. Обычно при поздней транскрипции считывается весь геном, но с преобладанием транскрипции поздних генов.

Фактором регуляции транскрипции у ядерных вирусов является транспорт транскриптов из ядра в цитоплазму, к месту функционирования иРНК - полисомам.

Продуктом сверхранней транскрипции вирусов герпеса являются α-белки. Функция одного или нескольких из них необходима для транскрипции следующей группы генов, кодирующих β-белки. В свою очередь, β-белки включают транскрипцию последней группы поздних генов, кодирующих γ-белки. Такой тип регуляции получил название «каскадный».

II. Трансляция . Эго - процесс перевода генетической информации, содержащейся в иРНК на специфическую последовательность аминокислот в синтезируемых вирусспецифических белках. Синтез белка в клетке происходит в результате трансляции иРНК на рибосомах. В рибосомах идет слияние потока информации (в иРНК) с потоком аминокислот, которые приносят транспортные РНК (тРНК). В клетке существует большое количество разнообразных тРНК. Для каждой аминокислоты должна быть своя тРНК.

Молекула тРНК представляет собой односпиральную РНК со сложной структурой в виде кленового листа.

Связывание конкретной тРНК и аминокислоты осуществляет фермент аминоацилсинтетаза. Один конец тРНК связывается с аминокислотой, а другой - с нуклеотидами иРНК, которым они комплементарны. Три нуклеотида на иРНК кодируют одну аминокислоту и называются «триплет» или «кодон», а комплементарные кодону три нуклеотида на тРНК называются «антикодоном».

Процесс транскрипции состоит из трех фаз: инициации элонгации, терминации.

Инициация трансляции - наиболее ответственный этап в процессе трансляции, основанный на узнавании рибосомой иРНК и связывании с ее особыми участками. Рибосома узнает иРНК благодаря «шапочке» (кэп) на 5′-конце и скользит к 3′-концу, пока не достигнет инициаторного кодона, с которого начинается трансляция. В эукариотической клетке инициаторными кодонами являются кодоны АУГ (аденин, урацил, гуанин), кодирующие метионин. С метионина начинается синтез всех полипептидных цепей. Специфическое узнавание рибосомой вирусной и РНК осуществляется за счет вирусспецифических инициаторных факторов.

Вначале с иРНК связывается малая рибосомальная субъединица. К комплексу иРНК с малой рибосомальной субъединицей присоединяются другие компоненты, необходимые для начала трансляции. Это - несколько молекул белка, которые называются «инициаторные факторы». Их, по крайней мере, три в прокариотической клетке и более девяти в эукариотической клетке. Инициаторные факторы определяют узнавание рибосомой специфических иРНК. В результате формируется комплекс, необходимый для инициации трансляции, который называется «инициаторным комплексом». В инициаторный комплекс входят: иРНК; малая рибосомальная субъединица; аминоацил-тРНК, несущая инициаторную аминокислоту; инициаторные факторы; несколько молекул ГТФ (гуанозинтрифосфат).

В рибосоме осуществляется слияние потока информации с потоком аминокислот. Вхождение аминоацил-тРНК в А-центр большой рибосомальной субъединицы является следствием узнавания, а ее антикодон взаимодействует с кодоном иРНК, находящейся в малой рибосомальной субъединице. При продвижении иРНК на один кодон тРНК перебрасывается в пептидильный центр (П-центр), и ее аминокислота присоединяется к инициаторной аминокислоте с образованием первой пептидной связи. Свободная от аминокислоты тРНК выходит из рибосомы и может опять функционировать в транспорте специфических аминокислот. На ее место из A-центра в П-центр перебрасывается новая тРНК, и образуется новая пептидная связь. В A-центре появляется вакантный кодон иРНК, к которому немедленно присоединяется соответствующая тРНК, и происходит присоединение новых аминокислот к растущей полипептидной цепи.

Элонгация трансляции - процесс удлинения, наращивания полипептидной цепи, основанный на присоединении новых аминокислот с помощью пептидной связи. Происходит постоянное протягивание нити иРНК через рибосому и «декодирование» заложенной в ней генетической информации. Часто иРНК функционирует одновременно на нескольких рибосомах, каждая из которых синтезирует одну и ту же полипептидную нить, кодируемую данной иРНК.

Терминация трансляции происходит в тот момент, когда рибосома доходит до терминирующего кодона в составе иРНК (УАА, УГА, УАГ). Трансляция прекращается, и полипептидная цепь освобождается из полирибосомы. После окончания трансляции полирибосомы распадаются на субъединицы, которые могут войти в состав новых полирибосом.

Каждая и PHК функционирует на нескольких рибосомах. Группу рибосом, работающих на одной молекуле иРНК, называют полирибосомой или полисомой. Полисомы могут состоять от 4-6 до 20 и более рибосом.

Вирусспецифические полисомы могут быть как свободными, так и связанными с мембранами. Внутренние белки обычно синтезируются на свободных полисомах, гликопротеиды всегда синтезируются на полисомах, связанных с мембранами.

Поскольку геном вируса животных представлен молекулой, кодирующей более чем один белок, вирусы поставлены перед необходимостью синтеза либо длинной иРНК, кодирующей один гигантский полипептид-предшественник, который затем должен быть нарезан в специфических точках на функционально активные белки, либо коротких моноцистронных иРНК, каждая из которых кодирует один белок. Таким образом, существуют два способа формирования вирусных белков:

первый - иРНК транслируется в гигантский полипептид-предшественник, который после синтеза последовательно нарезается на зрелые функционально активные белки;

второй - иРНК транслируется с образованием зрелых белков или белков, которые лишь незначительно модифицируются после синтеза.

Первый способ трансляции характерен для РНК-содержащих плюс-нитевых вирусов - пикорнавирусов и тогавирусов. Их иРНК транслируется в гигантскую полипептидную цепь, так называемый полипротеид, который сползает в виде непрерывной ленты с рибосомного «конвейера» и нарезается на индивидуальные белки нужного размера. Нарезание вирусных белков - многоступенчатый процесс, осуществляемый как вирусспецифическими, так и клеточными протеазами.

Второй способ формирования белков характерен для ДНК-содержащих вирусов и большинства РНК-содержащих вирусов. При этом способе синтезируются короткие моноцистронные иРНК в результате избирательной транскрипции одного участка генома (гена). Однако эти вирусы широко используют механизм посттрансляционного нарезания белка.

В эукариотической клетке многие белки, в том числе вирусные, подвергаются посттрансляционным модификациям, зрелые функционально активные белки часто неидентичны их вновь синтезированным предшественникам. Широко распространены такие посттрансляционные ковалентные модификации, как гликозилирование, ацилирование, метилирование, сульфирование (образование дисульфидных связей), протеолитическое нарезание и, наконец, фосфорилирование. В результате вместо 20 генетически закодированных аминокислот из различных клеток разных органов эукариотов выделено около 140 дериватов аминокислот.

Гликозилирование . В составе сложно устроенных PHК — и ДНК-содержащих вирусов имеются белки, содержащие ковалентно присоединенные боковые цепочки углеводов, - гликопротеиды. Гликопротеиды расположены в составе вирусных оболочек и находятся на поверхности вирусных частиц.

Гликозилирование полипептидов - сложный многоступенчатый процесс, первые этапы которого начинаются уже в процессе синтеза полипептидов, и первый углеводный остаток присоединяется к полипептидной цепи, еще не сошедшей с рибосомы. Последующие этапы гликозилирования происходят путем последовательного присоединения углеводных остатков к углеводной цепочке в процессе транспорта полипептида к плазматической мембране. Углеводные остатки присоединяются по одному, и только при инициации синтеза олигосахаридной цепи переносится «блок». Окончательное формирование углеводной цепочки может завершаться на плазматической мембране перед сборкой вирусной частицы.

Гликозилирование влияет на транспорт, более того, транспорт неразрывно связан для гликопротеидов со стадийным гликозилированием. Убедительным доказательством этого служит влияние на вирусную репродукцию ингибиторов гликозилирования; они полностью подавляют транспорт полипептидов, не нарушая и не ингибируя их синтеза.

При подавлении гликозилирования соответствующими ингибиторами (аналоги сахаров типа 2-дезоксиглкжозы, антибиотик туникамицин) блокируется сборка вирионов миксо-, рабдо-, α-вирусов или образуются неинфекционные вирионы вирусов герпеса и онковирусов.

Сульфирование . Некоторые белки сложно устроенных РНК — и ДНК-содержащих вирусов сульфируются после трансляции. Чаще всего сульфированию подвергаются гликопротеиды, при этом сульфатная группа связывается с углеводными остатками гликопротеида.

Ацилирование . Ряд гликопротеидов сложно устроенных РНК-содержащих вирусов (НА2 вируса гриппа, белок G вируса везикулярного стоматита, белок HN вируса ньюкаслской болезни и др.) содержат ковалентно связанные 1-2 молекулы жирных кислот.

Нарезание . Многие вирусные белки, и в первую очередь гликопротеиды, приобретают функциональную активность лишь после того, как произойдет их нарезание в специфических точках протеолитическими ферментами. Нарезание происходит либо с образованием двух функциональных белковых субъединиц (например, большая и малая субъединицы гемагглютинина вируса гриппа, два гликопротеида (Е2 и ЕЗ) вируса леса Семлики), либо с образованием одного функционально активного белка и неактивного фермента, например белки F и HN парамиксовирусов. Нарезание обычно осуществляется клеточными ферментами. У многих сложно устроенных вирусов животных, имеющих гликопротеиды, нарезание необходимо для формирования активных прикрепительных белков и белков слияния и, следовательно, для приобретения вирусами способности инфицировать клетку. Лишь после нарезания этих белков вирусная частица приобретает инфекционную активность. Таким образом, можно говорить о протеолитической активации ряда вирусов, осуществляемой с помощью клеточных ферментов.

Фосфорилирование . Фосфопротеиды содержатся практически в составе всех вирусов животных - РНК — и ДНК-содержащих, просто и сложно устроенных. В составе большинства вирусов обнаружены протеинкиназы, однако фосфорилирование может осуществляться как вирусными, так и клеточными ферментами. Обычно фосфорилируются белки, связанные с вирусным геномом и осуществляющие регулирующую роль в его экспрессии. С процессом фосфорилирирования связан механизм активного действия интерферона.

Фосфорилирование белков играет регулирующую роль в транскрипции и трансляции вирусных и PHК, специфическом узнавании вирусных иРНК рибосомой, белок-нуклеиновом и белок-белковом узнавании на стадии сборки вирусных частиц.

III. Репликация . Это - синтез молекул нуклеиновой кислоты, гомологичных геному.

Различные вирусы имеют разные типы вирусного генома. Так, у ДНК-содержащих вирусов различают: двуспиральную линейную ДНК (адено-, герпес-, поксвирусы;), двуспиральную кольцевую ДНК (паповавирусы); односпиральная линейная ДНК (парвовирусы). У РНК-содержащих вирусов различают: двуспиральную сегментированную РНК (реовирусы); односпиральную плюсРНК (пикорна-, кальци-, тога-, флави-, коронавирусы); односпиральную минусРНК (ортомиксо-, парамиксо-, рабдо-, фило-, бунья — вирусы); односпиральную плюсРНК-матрицу для синтеза ДНК-провируса (ретровирусы). Особенности механизма репликации вирусов зависят от типа вирусного генома.

Репликация вирусов в двуспиральной ДНК сходна с репликацией клеточной ДНК. Репликация происходит на расплетенных участках ДНК и идет одновременно на обеих нитях от 5′-конца к 3′-концу. Репликацию осуществляют ДНК-полимеразы. Каждая вновь синтезированная молекула ДНК состоит из одной родительской и одной вновь синтезированной нити.

При репликации вирусов с односпиральной ДНК происходит образование двуспиральных форм, которые представляют собой промежуточные репликативные формы, на минус-нитях которых синтезируются дочерние плюс-нити ДНК.

У вирусов, геном которых представлен односпиральной РНК, ее репликация происходит по следующей схеме: на вирионной РНК синтезируется комплементарная ей РНК (образуется репликативная форма РНК), затем на комплементарной РНК синтезируется комплементарная ей, но идентичная исходной вирусная РНК.

В клетках нет ферментов, способных осуществлять репликацию РНК, поэтому ферменты, участвующие в репликации, всегда вирусспецифические.

Репликация двуспиральных вирусных РНК происходит следующим образом: на минус-нити геномной двуспиральной РНК синтезируются односпиральные плюс-нити, которые являются и PH К и матрицей для синтеза минус-нитей, в результате образуются двуспиральные вирусные РНК.

Репликация односпиральной РНК ретровирусов происходит с участием фермента обратной транскриптазы. Вначале на вирусной РНК синтезируется комплементарная ей минус-нить ДНК, а затем (после разрушения РНК) на ней синтезируется плюс-нить ДНК. Двуспиральная ДНК интегрирует в хромосому клетки. Вирусспецифическая ДНК, встроенная в клеточный геном, транскрибируется с образованием вирусной РНК, которая вначале выполняет функции иРНК, направляя синтез вирусспецифических белков, а затем соединяется с ними, формируя новое поколение вирионов.

Синтез РНК может осуществляться по одному из двух механизмов: 1) консервативному, при котором полинуклеотидные цепи, входящие в состав репликативной формы РНК, сохраняются (консервируются) и не переходят в односпиральную форму; 2) образование плюс-нитей может происходить асимметрическим полуконсервативным путем, когда вновь строящаяся плюс-нить вытесняет ранее синтезированную плюс-нить из репликативной формы РНК.

IV. Сборка вирусных частиц . Синтез компонентов (нуклеиновых кислот и белков) вирусных частиц в клетке разобщен и может протекать в разных структурах ядра и цитоплазмы. Как только их концентрация достигнет определенного уровня, начинается сборка вирионов. При таком дисъюнктивном способе репродукции образование вирусных частиц возможно лишь при специфическом узнавании вирусных нуклеиновых кислот и белков и самопроизвольного их соединения друг с другом, т. е. вирусные компоненты способны к самосборке в результате гидрофобных, ионных, водородных связей и стерического соответствия.

Разнообразие структуры вирусов отражается на способе их формирования и выходе из клетки. У просто устроенных вирусов формируются провирионы, которые затем в результате модификаций белков превращаются в вирионы. У сложно устроенных вирусов сборка осуществляется многоступенчато - сначала формируются нуклеокапсиды, или сердцевины, с которыми взаимодействуют белки наружных оболочек. Сборка нуклеотидов, сердцевин, провирионов и вирионов происходит в специальных структурах клетки («фабриках»).

Различают две стратегии, используемые вирусами при сборке, созревании и выходе из зараженной клетки. Первая заключается в сборке и созревании вирионов внутри клетки (пикорна-, адено-, реовирусы и др.). Вторая состоит в сочетании завершающей стадии сборки вириона с выходом его из зараженной клетки. Она используется обычно вирусами, имеющими оболочку (тога-, ретро-, герпесвирусы и др.). Образование зрелых вирионов у оболочечных вирусов осуществляется при почковании их нуклеопротеидов через модифицированные участки цитоплазматических или ядерных (герпесвирусы) мембран, в которых клеточные белки заменены вирусспецифическими. Во время этого процесса вновь образовавшийся вирион отпочковывается от клетки.

Дозревание ретровирусов происходит после отпочковывания от плазматической мембраны клетки.

Число инфицированных вирусных частиц, образуемых в одной клетке, зависит от типа вируса, вида клеток, и количество их варьирует очень широко. Считают, что на долю вирусспецифических продуктов приходится от 0,1 до 5 % массы клетки животного, а на бактериофаги - до 40 % массы клетки хозяина. В инфицированных клетках вирусные нуклеиновые кислоты и вирусспецифические белки синтезируются в значительно большем количестве, чем включаются в вирионы.

V. Выход вирусных частиц из клетки . Существует два способа выхода вирусного потомства из клетки: путем взрыва и путем почкования. Выход из клетки путем взрыва связан с деструкцией клетки, нарушением ее целостности, в результате чего находящиеся внутри клетки зрелые вирусные частицы оказываются в окружающей среде. Такой способ выхода из клетки присущ вирусам, не содержащим липопротеидной оболочки (пикорна-, рео-, парво-, папова-, аденовирусы). Однако некоторые из этих вирусов могут транспортироваться на клеточную поверхность до гибели клетки.

Выход из клетки путем почкования присущ вирусам, содержащим липопротеидную мембрану, которая является дериватом клеточных мембран. При этом способе клетка может длительное время сохранять жизнеспособность и продуцировать вирусное потомство, пока не произойдет полное истощение ее ресурсов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Принципы классификации вирусов:

Вирусы составляют царство Vira, которое подразделено по типу нуклеиновой кисло­ты на два подцарства - рибовирусы и дезоксирибовирусы. Подцарства делятся на семейства, которые в свою очередь подразделяются на роды. Понятие о виде вирусов пока еще четко не сформулировано, так же как и обозначение раз­ных видов.

В качестве таксономических характеристик первостепенное значение придается типу нуклеиновой кислоты и ее молекулярно-биологическим признакам: двунитевая, однонитевая, сегменти­рованная, несегментированная, с повторяющимися и инверти­рованными последовательностями и др. Однако в практической работе прежде всего используются характеристики вирусов, по­лученные в результате электронно-микроскопических и иммуно­логических исследований: морфология, структура и размеры вириона, наличие или отсутствие внешней оболочки (суперкапсида), антигены, устойчивость к высокой температуре, рН, детергентам и т. д.

В настоящее время вирусы человека и животных включены в состав 18 семейств. Принадлежность вирусов к определенным семействам определяется типом нуклеиновой кис­лоты, структурой, целостностью или фрагментацией генома, а также наличием или отсутствием внешней оболочки. При определении принадлежности к семейству ретровирусов обязательно учитывается наличие обратной транскриптазы.

Репродукция вирусов

Репродукция вируса в клетке происходит в несколько фаз:

Первая фаза - адсорбция вируса на поверхности клетки, чувстви­тельной к данному вирусу.

Вторая фаза - проникновение вируса в клетку хозяина путем виропексиса.

Третья фаза - «раздевание» вирионов, освобождение нуклеи­новой кислоты вируса от суперкапсида и капсида. У ряда вирусов проникновение нуклеиновой кислоты в клетку происходит путем сли­яния оболочки вириона и клетки-хозяина. В этом случае вторая и тре­тья фазы объединяются в одну.

В зависимости от типа нуклеиновой кислоты этот процесс совер­шается следующим образом.

1. Репродукция происходит в ядре: аденовирусы, герпес, паповавирусы. Используют ДНК-зависимую РНК - полимеразу клетки.

2. Репродукция происходит в цитоплазме: вирусы имеют свою ДНК-зависимую РНК полимеразу.

1. Рибовирусы с позитивным геномом (плюс-нитиевые): пикорна-, тога-, коронавирусы. Транскрипции нет.

РНК ->белок

2. Рибовирусы с негативным геномом (минус- нитевые): грипп, корь, паротит, орто-, парамиксовирусы.

(-)РНК -> иРНК -> белок (иРНК комплементарная (-)РНК ). Этот процесс идет при участии специального вирусного фермен­та - вирионная РНК-зависимая PHK-полимераза (в клетке такого фермента быть не может).

3. Ретровирусы

(-)РНК -> ДНК -> иРНК ->белок (и РНК гомологична РНК ). В этом случае процесс образования ДНК на базе (-)РНК возмо­жен при участии фермента - РНК-зависимой ДНК-полимеразы (об­ратной транскриптазы или ревертазы)

Четвертая фаза - синтез компонентов вириона. Нуклеиновая кис­лота вируса образуется путем репликации. На рибосомы клетки транс­лируется информация вирусной иРНК, и в них синтезируется вирус-специфический белок.

Пятая фаза - сборка вириона. Путем самосборки образуются нуклеокапсиды.

Шестая фаза - выход вирионов из клетки. Простые вирусы, на­пример, вирус полиомиелита, при выходе из клетки разрушают ее. Сложноорганизованные вирусы, например, вирус гриппа, выходят из клетки путем почкования. Внешняя оболочка вируса (суперкапсид) формируется в процессе выхода вируса из клетки. Клетка при таком процессе на какое-то время остается живой.

Описанные типы взаимодействия вируса с клеткой называются продуктивными, так как приводят к продукции зрелых вирионов.

Иной путь - интегративный - заключается в том, что после проник­новения вируса в клетку и "раздевания" вирус­ная нуклеиновая кисло­та интегрирует в клеточ­ный геном, то есть встраивается в опреде­ленном месте в хромосо­му клетки и затем в виде так называемого прови-руса реплицируется вме­сте с ней. Для ДНК- и РНК-содержащих виру­сов этот процесс совер­шается по-разному. В первом случае вирусная ДНК интегрирует в кле­точный геном. В случае РНК-содержащих виру­сов вначале происходит обратная транскрипция: на матрице вирусной РНК при участии фермента "обратной транскриптазы" образуется ДНК, которая встраи­вается в клеточный геном. Провирус несет дополнительную генетичес­кую информацию, поэтому клетка приобретает новые свойства. Виру­сы, способные осуществить такой тип взаимодействия с клеткой, на­зываются интегративными. К интегративным вирусам относятся неко­торые онкогенные вирусы, вирус гепатита В, вирус герпеса, вирус им­мунодефицита человека, умеренные бактериофаги.

Кроме обычных вирусов, существуют прионы - белковые инфек­ционные частицы, не содержащие нуклеиновую кислоту. Они имеют вид фибрилл, размером до 200 нм. Вызывают у человека и у животных медленные инфекции с поражением мозга: болезнь Крейтцфельда-Якоба, куру, скрепи и другие.

20. Фаги (вирусы микробов): морфология и ультраструктура. Фазы взаимодействия вирулентного и умеренного фагов с бактериальной клеткой. Определение активности (титра) бактериальной клетки. Профаг. Фаготипирование микроорганизмов, значение. Практическое использование фагов.

Явление бактериофагии открыл и изучил французский микробио­лог д"Эррель. В 1917 г. он наблюдал лизис культуры бактерий дизентерии после внесения в нее фильтрата испражнений больного, выздоравлива­ющего от дизентерии. При многократных пассажах, то есть переносе из одной культуры в другую, фильтраты сохраняли свою лизирующую ак­тивность и даже усиливали ее. Ученый сделал из этого правильный вы­вод о том, что лизирующий агент - живой и при пассажах размножается в бактериях. Д"Эррель назвал этот агент бактериофагом (лат. phagos -пожирающий), а само явление лизиса - бактериофагией.

Позже было подтверждено, что бактериофаг - живой. Это вирус бак­терий, он размножается в бактериях, вызывая их лизис. Добавление бак­териофага в культуру бактерий на жидкой питательной среде вызывает просветление среды. На плотных питательных средах при посеве смеси бактерий и бактериофага на фоне сплошного роста бактерий появля­ются стерильные пятна или негативные колонии фагов.

Бактериофаги специфичны, то есть лизируют определенные виды бактерий. Отсюда их названия: дизентерийный бактериофаг, стафи­лококковый бактериофаг. Обнаружены фаги не только бактерий, но и актиномицетов.

В практической медицине бактериофаги нашли применение как лечебные и профилактические средства,

Важное значение имеет то, что на примере бактериофагии были открыты и изучены многие проблемы общей вирусологиии и молекуляр­ной генетики.

Структура бактериофагов

Размеры бактериофагов колеблются от 20 нм до 200 нм. Как все вирусы, содержат ДНК, или РНК, и белковый капсид. Чаще всего встре­чаются и лучше изучены бактериофаги, имеющие форму сперматозои­да или головастика. Состоят они из головки, хвостового отростка, батальной пластинки с короткими шинами и хвостовыми нитями. Внутри головки располагается спи­рально скрученная пить ДНК, по­крытая белковым капсидом. Хвостовой отросток - что полый цилиндрический стержень, окру­женный сократительным чехлом. Базальная пластинка и нити осу­ществляют процесс адсорбции бактериофага на бактериальной клетке. Существуют бактериофаги, имеющие другое строе­ние: с короткими отростком, с отростком без сократительного чехла, без отростка, нитевидной формы.

Взаимодействие бактериофага с бактериальной клеткой

Как все вирусы, бактериофаги не размножаются на питательных средах. Их размножение происходит только в чувствительных к ним бактериальных клетках, в процессе взаимодействия, в котором наб­людаются те же фазы, что при взаимодействии других вирусов с клет­кой.

Адсорбция бактериофага . Как все вирусы, фаги неподвижны, и стол­кновение с бактерией происходит случайно, затем адсорбция стано­вится прочной, если у клетки имеются на поверхности фагоспецифические рецепторы. Фаги, имеющие сократительный чехол, ад­сорбируются с помощью хвостового отростка.

Внедрение фага внутрь клетки . Под дей­ствием фермента лизоцима, который находится в хвостовом сегменте, в клеточной стенке бакте­рии образуется отверстие. Через это отверстие в ре­зультате сокращения хво­стового чехла внутрь бак­териальной клетки переходит ДНК фага. Белковый капсид остает­ся снаружи.

Синтез ДНК и белка бактериофага . В клетке прекращается синтез бактериальных белков. Образуются фаговые ДНК, а на рибосомах бактерий синтезируются молекулы фагового белка.

Формирование фага. Сборка зрелых фагов из ДНК и капсида про­исходит в цитоплазме клетки. Выход зрелых фагов из клетки происхо­дит при разрушении бактерий с помощью лизоцима, а затем зрелые фаги внедряются в новые клетки.

"Урожай" фага, в зависимости от его вида, составляет от 20 до 200 частиц. Весь цикл взаимодействия, занимающий от 10 минут до нескольких часов, называется литическим циклом, а фаг при таком вза­имодействии - вирулентным .

В отличие от вирулентных, умеренные фаги не лизируют бактерии. Их геном, проникнув в клетку, встраивается в хромосому бактерии и в дальнейшем остается в хромосоме в виде профага и реплицируется вме­сте с ней. Бактерии, несущие профаг, называются лизогенными, а само явление - лизогенией. Лизогенные бактерии встречаются очень часто. Профаг, находясь в геноме бактерии, придает ей какие-либо новые свой­ства. Так, например, продукция экзотоксина у палочек дифтерии и бо­тулизма связана с наличием профага.

В определенных условиях (воздействия температуры, химических веществ и др.) профаги могут превратиться в вирулентные бактерио­фаги. Размножаясь, они лизируют бактерии и могут переходить в дру­гие бактериальные клетки. При выходе из хромосомы профаг может захватить соседние гены бактериальной хромосомы и при заражении другой бактерии, встроившись в ее хромосому, передать эти гены. Пе­редача генетического материала от одной бактерии к другой с помо­щью умеренного бактериофага называется трансдукцией. Таким об­разом, могут передаваться такие признаки, как устойчивость к антиби­отикам, способность продуцировать какие-либо ферменты. Умеренные бактериофаги применяются в генетической инженерии в качестве век­тора - переносчика генов.

Практическое значение бактериофагов

Препараты бактериофагов применяются для диагностики, профи­лактики и лечения. Фагодиагностика основана на специфичности бак­териофагов: видоспецифические бактериофаги лизируют только опре­деленные виды бактерий. Более того, бактерии одного и того же вида различаются по чувствительности к разным типовым бактериофагам, Таким образом можно с помощью набора типовых бактериофагов определять фаговары стафилококков, сальмонелл, вибрионов. Фаготипирование помогает установить источник инфекции и пути передачи.

Лечебно-профилактическое действие фагов основано на их литической активности.

Для получения препарата бактериофага культуру бактерий зара­жают бактериофагом. На следующий день лишрованную культуру фильтруют через бактериальный фильтр. К фильтрату в качестве кон­серванта добавляют хинозол.

Для количественной характеристики бактериофагов используют такой критерий, как титр бактериофага. Титр фага можно выразить двумя показателями:

1) наибольшее разведение препарата, при котором бактериофаг лизирует соответствующие бактерии:

2) количество активных корпускул бактериофага в 1 мл препарата. Методы титрования бактериофага:

1) метод серийных разведении в пробирках с жидкой питательной средой по Аппсльману;

2) двуслойный агаровый метод, при котором подсчитывают число негативных колоний фага на фоне сплошного роста бактерий – метод Грациа.

Готовый жидкий препарат бактериофага должен быть совершен­но прозрачным. При кишечных инфекциях препарат применяют вмес­те с раствором питьевой соды, так как кислое содержимое желудка разрушает бактериофаг. Препараты некоторых бактериофагов для инъекций и местного применения выпускают в ампулах. Для приема внутрь препараты бактериофагов выпускаются также в виде таблеток с кислотоустойчивым покрытием, которое в щелочной среде тонкого кишечника растворяется. В качестве покрытия применяется пектин или ацетилфталилцеллюлоза (ЛФП).

В нашей стране выпускаются препараты дизентерийного, сальмонеллезного, коли-протейного, стафилококкового и других бакте­риофагов, а также наборы типовых фагов для фаготипирования ста­филококков, брюшнотифозных и других бактерий.