Домарадский И.В. Основы вирусологии для экологов
Подождите немного. Документ загружается.
И.В. Домарадский
ÎÑÍÎÂÛ ÂÈÐÓÑÎËÎÃÈÈ
ÄËß ÝÊÎËÎÃÎÂ
Под редакцией академика РАЕН
В.А. Алёшкина
Москва
2007
3
ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ
Предлагаемая книга имеет целью ознакомить с основами ви
русологии лиц, занимающихся проблемами экологии. При этом по
понятным причинам главный акцент приходится на отношения
вирусов с клетками и организмами, а глобальные аспекты эколо
гии отодвинуты на второй план. Впрочем, автор надеется, что на
фоне изданных им книг (см. указатель литературы) этот пробел не
будет уж столь разительным.
Исходя из поставленной задачи, автор старался познакомить
читателя со всеми типами вирусов, а именно вирусами животных,
растений, грибов, простейших и бактерий. Однако, поскольку ос
новной прогресс достигнут в изучении вирусов человека и живот
ных, книга содержит сведения главным образом о животных виру
сах, а материалы, касающиеся вирусов других форм живой мате
рии, даются в сжатой форме. Такой подход, как кажется автору,
был вполне оправдан, поскольку позволил избежать повторений,
особенно когда речь шла о структуре вирусов и молекулярнобио
логических аспектах их существования.
К книге придается словарь основных терминов и понятий, а
соответствующие слова в тексте выделены курсивом. В конце дает
ся список использованной литературы, а также работ, которые по
могут читателю расширить сведения по заинтересовавшим его
вопросам.
Книга была начата в 2001 году при участии известного вирусо
лога профессора В.П. Карелина, но после его скоропостижной
кончины осенью того же года работа над ней возобновилась толь
ко летом 2006 года. Вполне понятно, что книгу пришлось допол
нить новыми данными и заново отредактировать. Тем не менее ав
тор далек от мысли, что и сейчас еще избранный им формат книги
является оптимальным и лишен существенных недостатков. Поэ
тому он будет весьма признателен за все критические замечания и
предложения.
И. Домарадский
УДК 578
ББК 28.080+28.3
Д66
Äîìàðàäñêèé È.Â. Îñíîâû âèðóñîëîãèè äëÿ ýêîëîãîâ. Под
редакцией академика РАЕН В.А. Алёшкина. – М.: ЛексЭст, 2007.– 80 с.
ISBN 5–901638–69–7
В книге сделана попытка изложить главные аспекты вирусологии. Рассмотре
ны основные вопросы биологии вирусов, а также взаимоотношений их с пред
ставителями пяти царств живой материи. Книга снабжена кратким глоссарием.
Книга рассчитана на специалистов разных профилей, интересующихся проб
лемами экологии.
Библиогр.: 50 названий. Ил. 13. Табл. 5
© Домарадский И.В. 2007
© Lex est. 2007
Ãëàâà 6. ÏÐÎÒÈÂÎÂÈÐÓÑÍÛÉ ÈÌÌÓÍÈÒÅÒ . . . . . . . . . . .29
6.1. Иммунитет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
6.2. Интерферон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Ãëàâà 7. ËÅ×ÅÍÈÅ È ÏÐÎÔÈËÀÊÒÈÊÀ ÂÈÐÓÑÍÛÕ
ÈÍÔÅÊÖÈÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Ãëàâà 8. ÂÈÐÓÑÛ È ÁÈÎÑÔÅÐÀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
8.1. Общие вопросы экологии вирусов . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
8.2. Членистоногие и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
8.3. Простейшие и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
8.4. Грибы и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
8.5. Растения и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
8.6. Бактерии и вирусы (бактериофаги) . . . . . . . . . . . . . . . . .47
8.7. Человек и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
Ãëàâà 9. ÍÅÊÎÒÎÐÛÅ ÀÑÏÅÊÒÛ ÏÐÎÈÑÕÎÆÄÅÍÈß È
ÝÂÎËÞÖÈÈ ÂÈÐÓÑÎÂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
9.1. Происхождение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
9.2. Эволюция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Ãëàâà 10. ÎÏÓÕÎËÈ È ÂÈÐÓÑÛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
ÑËÎÂÀÐÜ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
5
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ
ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
ÂÂÅÄÅÍÈÅ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Ãëàâà 1. ÌÅÒÎÄÛ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È
ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÂÈÐÓÑÎÂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.1. Методы исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.2. Классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Ãëàâà 2. ÒÈÏÛ ÎÐÃÀÍÈÇÀÖÈÈ ÂÈÐÈÎÍÎÂ . . . . . . . . . . . .11
2.1. Структура вирионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
2.2. Физикохимические особенности. . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Ãëàâà 3. ÐÅÏÐÎÄÓÊÖÈß ÂÈÐÓÑÎÂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1. Адсорбция и проникновение вирусов в клетки . . . . . . . . .13
2. «Раздевание» вирионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3. Экспрессия вирусных геномов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3.1. Транскрипция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
3.2. Трансляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.3. Репликация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.4. Сборка и выход вирионов из клеток . . . . . . . . . . . . . . . . .17
3.5. Некоторые следствия избыточного синтеза белка . . . . .19
Ãëàâà 4. ÑÀÒÅËËÈÒÍÛÅ ÂÈÐÓÑÛ È ÂÈÐÎÈÄÛ . . . . . . . .20
4.1. Сателлитные вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
4.2. Вироиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Ãëàâà 5. ÂÈÐÓÑÍÛÅ ÈÍÔÅÊÖÈÈ ×ÅËÎÂÅÊÀ
È ÆÈÂÎÒÍÛÕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
5.1. Патогенез вирусных инфекций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
5.2. Вирусная инфекция клеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
5.3. Медленные инфекции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
4
Ãëàâà 1
ÌÅÒÎÄÛ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß
È ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÂÈÐÓÑÎÂ
1.1. Методы исследования
Вирусы как облигатные внутриклеточные паразиты не спо
собны расти на искусственных питательных средах. Они могут
размножаться только в организмах восприимчивых хозяев (in vivo)
или в живых чувствительных к вирусу клетках (in vitro).
Организм восприимчивого хозяина для исследования вирусов
используется в тех случаях, когда нет экспериментальных систем in
vitro, для изучения патогенеза вирусных инфекций, при тестирова
нии безопасности вирусных вакцин или специфической безвред
ности вирусных препаратов. Кроме очевидных достоинств, методы
in vivo имеют недостатки и ограничения, связанные с трудностями
стандартизации и воспроизводимости результатов, а также изза
относительно высокой стоимости экспериментов.
Культуры клеток, введенные в исследовательскую практику в
1940х годах, кардинально изменили методический арсенал вирусоло
гии. В настоящее время культуральные методы являются основными в
экспериментальной и практической вирусологии.
Помимо указанных, в вирусологии широко используются дру
гие методы.
Иммунологические методы играют важную роль в исследовани
ях вирусов. Некоторые методы, например агглютинация эритроци
тов вирусом гриппа («гемагглютинация»), отражают специфические
свойства вирусных молекул, другие, например реакция нейтрализа
ции, позволяют исследовать значение тех или иных антигенов для
проявления инфекционности вирусов. Большое значение имеют
также иммуноферментные методы, которые широко применяют как
для диагностики вирусных инфекций, так и для антигенного анали
за их возбудителей. После внедрения в практику моноклональных ан,
тител открылись возможности и для тестирования отдельных эпи
топов вирусных антигенов.
Методы изучения ультраструктуры вирусов. Основной вклад в
исследование морфологии вирионов внесли методы электронной
микроскопии. Сочетание традиционной техники электронной
микроскопии с иммунологическими методами (иммуноэлектрон,
ная микроскопия) позволяет проводить экспрессдиагностику ви
русных инфекций.
7
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Представление о вирусах сложилось в конце ХIХ века, когда
были открыты фильтрующихся формы возбудителей, т. е. агентов,
сохраняющих инфекционность после прохождения через фильт
ры, задерживающие бактерий.
Как нам кажется, наиболее приемлемое определение вирусов
дали Лурия и Дарнелл (1970): «Вирусы – это объекты, геном кото
рых представлен одним типом нуклеиновой кислоты – ДНК или
РНК; эта нуклеиновая кислота репродуцируется в живых клетках
и, используя их синтетический аппарат, заставляет клетки синте
зировать вирионы – специализированные частицы, содержащие
геном вируса и способные передавать его в другие клетки».
Долгое время дискутировался вопрос, являются ли вирусы живы
ми организмами или представляют собой только комбинацию гигант
ских молекул. Однако теперь, когда особенности строения и репро
дукции вирусов оказались выясненными, вопрос о том, являются ли
они живыми, постепенно утратил свое значение, и некоторые относят
их к особому надцарству живой природы с царством «Вирусы».
Вирусы являются самой распространенной формой органичес
кой материи на планете по численности своей популяции и, пови
димому, одной из самых распространенных по биомассе.
Вирусы – внутриклеточные облигатные паразиты. Впрочем,
внутриклеточный паразитизм свойственен не только вирусам, но так
же некоторым бактериям (например, гонококкам, хламидиям или
риккетсиям), грибам и простейшим (например, плазмодиям). Одна
ко в приведенном выше определении вирусов подчеркивается особая
природа их паразитизма – паразитизм на генетическом уровне.
В структуре современной инфекционной заболеваемости число
вирусных инфекций достигает 85 %. В частности, вирусы являются са
мой распространенной причиной респираторных и желудочнокишеч
ных заболеваний. Особое медицинское значение имеют онкогенные
вирусы, они же служат объектами интенсивного научного изучения.
Вирусология как наука сыграла ключевую роль в рождении
новых фундаментальных направлений биологии, например моле
кулярной биологии. Новейшие направления современной биоло
гии, в том числе генная инженерия, активно используют методы,
объекты и научные достижения вирусологии.
6
вирусов зависит именно от них
1
. По этим признакам различают
следующие группы:
вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющие РНК
стадии (напр., герпесвирусы, поксвирусы, мимивирусы);
вирусы, содержащие двуцепочечную РНК (напр., ротавирусы)
(рис. 1);
вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК и имею
щие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице
РНК, ретровирусы (напр., ВИЧ);
вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своем
жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроид
ные вирусы (напр., вирус гепатита B);
вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу ДНК (напр.,
парвовирусы);
вирусы положительной полярности (напр., пикорнавирусы,
флавивирусы);
вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК негативной
или двойной полярности (напр., ортомиксовирусы, филовирусы).
Подразделение вирусов на группы также проводят часто без
указания стратегии репликации, но с учетом типа симметрии и на
личия или отсутствия оболочки (табл. 1).
Таблица 1
Êëàññèôèêàöèÿ âèðóñîâ
(http://schools.keldysh.ru/school1413/bio/vilegzh/str4.htm)
ДЕЗОКСИВИРУСЫ РИБОВИРУСЫ
1.1. К
убический 2.1. Кубический 1.1. Кубический 2.1. Кубический
тип симметрии: тип симметрии: тип симметрии: тип симметрии:
1.1.1. Без внешних 2.1.1. Без внешних 1.1.1. Без внешних 2.1.1. Без внешних
оболочек: оболочек: оболочек: оболочек:
аденовирусы крысиный вирус реовирусы, вирусы вирус полиомие,
1.1.2. С внешними Килхама, раневых опухолей лита, энтерови,
оболочками: аденосателлиты растений русы, риновирусы
герпесвирусы 2.2. Спиральный
1.2. Смешанный тип симметрии:
тип симметрии: 2.2.1. Без внешних
Т,четные оболочек:
бактериофаги вирус табачной
1.3. Без определен% мозаики
ного типа 2.2.2. С внешними
симметрии: оболочками:
оспенные вирусы вирусы гриппа,
бешенства,
онкогенные
РНК,содержа,
щие вирусы
9
В изучении ультраструктуры вирусов большую роль играли и
продолжают играть физические и химические методы исследова
ния, в частности ультрацентрифугирование, гельфильтрационные
технологии, молекулярная гибридизация нуклеиновых кислот и секве
нирование нуклеотидных последовательностей. Но наиболее перс
пективной оказалась полимеразная цепная реакция (ПЦР), которая
позволяет выявлять минимальные количества вирусного генетичес
кого материала (вплоть до единичных генов). Удешевление и авто
матизация ПЦР может повсеместно улучшить диагностику вирус
ных инфекций.
1.2. Классификация
Первоначально, на рубеже XIX–XX веков, единственное от
личие от бактерий усматривали в способности вирусов проходить
через бактериологические фильтры. Затем, вплоть до 50х годов,
классификацию вирусов строили на сведениях об их патогенных
свойствах (вирусы гриппа, гепатита, желтой лихорадки), органопа
тогенности (рино, аденовирусы) или экологической общности
(арбовирусы) и т.п. Но это приводило к появлению у разных иссле
дователей взаимоисключающих классификаций. Поэтому с целью
выработки единого подхода в 1966 году был создан Международ
ный комитет по номенклатуре и таксономии вирусов. Комитет со
бирался каждые 4 года, имел ряд постоянных комиссий, представ
лявших собой научные дискуссионные клубы. В 1991 году был
опубликован пятый доклад этого комитета «Классификация и но
менклатура вирусов», где все известные тогда вирусы были отнесе
ны к 72 семействам или группам. Семейства вирусов обозначили
словами с окончанием «viridae», роды – с окончаниями «virus».
Группы, подгруппы и видовые названия вирусов остались неуни
фицированными и могут обозначаться как буквами и цифрами,
так и своими историческими наименованиями. Сочетание истори
ческих и рациональных наименований характерно даже для выс
ших таксонов – семейств: например, «Picornaviridae» от «pico» –
маленький и «rna» – РНК, «Papovaviridae» – название образовано
первыми буквами родов «Ра»–«Papillomavirus», «ро» –
«Polyomavirus» и «va» – вакуолизирующий вирус SV40 (Toga) или
«Togaviridae» – от морфологического признака (строения внешней
оболочки вирионов, «Toga» – накидка).
Несмотря на значительный вклад эмпирических характерис
тик, основой современной классификации вирусов являются при
рода и основные свойства геномов, поскольку инфекционность
8
1
Впервые это было доказано в 1952 году Херши и Чейзом (A.D. Hershey и M. Chase)
в опытах с бактериофагом Т2.
Ãëàâà 2
ÒÈÏÛ ÎÐÃÀÍÈÇÀÖÈÈ ÂÈÐÈÎÍÎÂ
Как указывали Лурия и Дарнелл (1970), исключительная осо
бенность большинства вирусов состоит в их однородности по фор
ме и величине. Они даже более однородны, чем покоящиеся споры
бактерий. С помощью электронного микроскопа удалось показать,
что эта однородность по форме и размерам сопряжена с подобной
же однородностью организации белков, окружающих вирусную
нуклеиновую кислоту. Несколько менее однородными являются
вирусы, имеющие внешние липидосодержащие оболочки.
2.1. Структура вирионов
Структура вирусов являются наиболее продвинутым разделом
фундаментальной вирусологии. Прорыву в данной области способ
ствовала идея классиков биологии, Уотсона и Крика (J. Watson и
F. Crick) о том, что простейшие вирусы должны быть построены из
идентичных субъединиц и образовывать структуры, имеющие спи
ральный, кубический или смешанный тип симметрии (табл. 1, рис. 2
и 3).
Вирусные частицы (вирионы) представляют собой белковую
капсулу – капсид, содержащую геном вируса, представленный од
ной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид постро
ен из капсомеров – белковых комплексов, в свою очередь состоя
щих из протомеров. Нуклеиновая кислота в комплексе с белком
обозначается термином нуклеокапсид. Некоторые вирусы имеют
также внешнюю липидную оболочку (рис. 4).
Размеры различных вирусов колеблются от 20 (пикорнавиру
сы) до 750 (мимивирусы) и более нанометров. О разнообразии
форм и размеров вирусов можно судить по рис. 5.
2.2. Физико%химические особенности
Изучение анатомии вирионов позволило получить много по
лезной информации о химии и молекулярнобиологических свой
ствах элементарных вирусных компонентов. Иногда эти сведения
позволяли понять предназначение, биологический (физиологи
ческий) смысл образования тех или иных вирусных структур.
11
Приведенная таблица имеет некоторое сходство с таблицей Мен
делеева. В ней тоже есть незаполненные места. Так, например, до сих
пор не известны дезоксивирусы со свойствами 2.2 (однонитчатая ДНК,
спиральный тип симметрии) или рибовирусы со свойствами 1.2 (РНК
двухнитчатая, смешанный тип симметрии). Может быть, таких виру
сов и нет в природе, а может, их еще не открыли. Совсем недавно ри
бовирусы со свойствами 1.1.1 не были известны, но затем оказалось,
что к ним относятся реовирусы и сходные с ними вирусы раневых опу
холей растений. То же самое относится и к дезоксивирусам со свой
ствами 2.1.1.
На практике при классификации вирусов часто используются
традиционные, исторические критерии. Так, одним из них являет
ся круг хозяев. По этому критерию выделяют вирусы грибов, прос
тейших, бактерий, растений и животных.
10
Ãëàâà 3
ÐÅÏÐÎÄÓÊÖÈß ÂÈÐÓÑÎÂ
Цикл размножения вирусов обычно подразделяют на 4 этапа.
1. Адсорбция и проникновение вирусов в клетки.
2. Депротеинизация вирионов («раздевание»).
3. Экспрессия вирусных геномов (транскрипция, трансляция;
репликация вирусных геномов; транспорт вирусных белков и нук
леиновых кислот в места сборки вирионов).
4. Сборка и выход вирионов из клетки.
1. Адсорбция и проникновение вирусов в клетки
Адсорбция начинается с «узнавания» вирусом восприимчивых
клеток. Специфичность процесса определяется наличием рецеп
торов на поверхности клеток и распознающих (комплементарных)
группировок, экспонированных в структуре наружных оболочек
вирионов. Число специфических рецепторов на поверхности клет
ки составляет, например, для парвовирусов 10
5
, для пикорнавиру
сов – 10
4
. Большинство клеточных рецепторов являются глико
протеидами. Установлено, что клеточные липиды также выполня
ют важные функции, даже если не вступают в непосредственное
взаимодействие с вирусными лигандами. Так, вследствие адсорб
ции происходят качественные изменения в липидном бислое кле
точных мембран (например, резкое увеличение текучести), кото
рые повышают эффективность следующего этапа – проникнове
ние вирусов в клетки.
Проникновение вирусов в клетки осуществляется с использова
нием двух механизмов. Основным из них является адсорбционный
эндоцитоз – поглощение макромолекул, для которых на плазмо
лемме имеются рецепторы. При этом жидкости и не связанные с
рецепторами вещества почти не поглощаются. Везикулы, возника
ющие при адсорбционном эндоцитозе, образуются в местах инва
гинаций плазмалеммы, покрытых с цитоплазматической стороны
волокнистым материалом, мембранным белком клатрином. Ин
тернализация вирусов происходит именно такими везикулами.
Подобным образом в клетки поступает большинство безоболочеч
ных («голых») вирусов и некоторые вирусы, покрытые оболочкой.
13
Химическая структура вирусов по элементарному составу не
позволяет выделить какиелибо специфические отличия их от дру
гих биологических объектов. Описанные исключения (например,
замена у Тчетных фагов цитозина на 5оксиметилцитозин) не на
рушают общего правила. Главные выводы, которые можно сделать
на основании изучения химической структуры, это то, что все ви,
рионы – нуклеопротеиды и что вирусные геномы состоят только из
одного типа нуклеиновой кислоты. Особенностью царства вирусов
является наличие РНКгеномов. Размеры вирусных геномов ми
нимальны и одновременно достаточны для обеспечения необходи
мых молекулярных механизмов репродукции вирусов. Следствием
этого является важная особенность вирусных белков – они мини
мизованы как по размерам, так и функциям. Молекулярные массы
вирусных белков варьируют в относительно узких пределах (15–
50 кД), и большинство из них образовано 200–250 аминокислот
ными остатками. Именно из таких небольших по размеру белков и
формируются более крупные и сложные морфологические струк
туры, в том числе крупные комплексные вирионы или гигантские
внутриклеточные включения.
Полисахариды и липиды в составе вирионов и субвирусных
структурах имеют клеточное происхождение, поскольку собствен
ным, автономным арсеналом средств для гликозилирования бел
ков или создания липопротеидных структур (мембран) вирусы не
обладают.
Многие вирусные ферменты широко используются в биохимии и
молекулярной биологии (ревертаза вируса миелобластоза птиц, ней
раминидаза вируса гриппа, тимидинкиназа вируса герпеса и т.п.).
Тропность вирусов к восприимчивым клеткам подразумевает
способность вирионов распознавать такие клетки. Функцию рас
познавания выполняют лиганды вирионов, способные стереоспе
цифически взаимодействовать с соответствующими клеточными
рецепторами. Высокоспециализированные лиганды описаны у бак
териофагов. У вирусов животных (полиовирусы, миксо и парамик
совирусы, ретровирусы) выявлены зоны, способные влиять на раз
витие и течение вирусных инфекций (например, на интерференцию
вирусов). Значение специфических взаимодействий вирусных ли
гандов и клеточных рецепторов, обеспечивающих тропность вируса
к определенному типу клеток, показано на примере вируса иммуно
дефицита человека и рецепторов Т4лимфоцитов CD4.
Вопросы взаимодействия вирусов с клетками растений и гри
бами рассматриваются в главе 8.
12
Стратегия репродукции вирусов определяется природой и осо
бенностями строения их геномов (см. табл. 1). Тем не менее в процес
се экспрессии генома любого вируса различают две стадии – «ран
нюю» и «позднюю». К первой относят синтез белков, которые участ
вуют в транскрипции и репликации НК, а ко второй – синтез белков,
необходимых для образования полноценных дочерних вирионов.
3.1. Транскрипция
Термином транскрипция обычно обозначают процессы синте
за комплементарных геному РНК с информационными функция
ми (иРНК) (рис. 6). Однако у (+)РНКгеномных вирусов функции
иРНК выполняет сам геном, который сразу же после инфицирова
ния клеток начинает использовать рибосомы для синтеза вирус
ных белков. При этом одним из первых образуется фермент РНК,
зависимая РНК,полимераза, необходимая для образования новых
молекул РНК. Следовательно, у (+)РНКгеномных вирусов про
цесса транскрипции как такового нет. То же имеет место в случае
вирусов, геном которых состоит из комплементарных друг другу
(+)РНК и ()РНК; в качестве иРНК у двухнитевых РНКвирусов
выступает (+)РНКнить.
Иначе обстоит дело у вирусов с ()РНКгеномом, который
функциями иРНК не обладает («негативный РНКгеном»). Поэто
му требуется транскрипция ()РНК для образования комплементар
ной (+)РНК. Необходимую для этого РНКзависимую РНКполи
меразу вирусы привносят в составе фрагментов своих капсидов [при
заражении клеток ()РНКгеномные вирусы никогда полностью не
раздеваются].
В случае вирусов с ДНКгеномами транскрипция осуществля
ется по классической схеме, а именно с помощью ДНК,зависимой
РНК,полимеразы, которая отражает нуклеотидную последователь
ность ДНК в нуклеотидной последовательности иРНК. Для этого
часто используется фермент клеткихозяина.
Укажем также на феномен обратной транскрипции, т.е. на син
тез ДНК на матрице РНК. Открытие обратной транскрипции вве
ло поправку в центральную догму молекулярной биологии об од
нонаправленности движения генетической информации от ДНК к
белку (ДНК→РНК→белок).
К вирусам, способным к обратной транскрипции, относятся
некоторые возбудители злокачественных новообразований, а так
же вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Геном этих ретровиру,
сов представлен однонитевой (+)РНК и кодирует, в частности,
15
Второй механизм проникновения – виропексис, при котором
вирион «прилипает» к цитоплазматической мембране, что позво
ляет нуклеокапсиду в случае оболочечных вирусов или нуклеино
вой кислоте безоболочечных вирусов непосредственно проникать
в цитоплазму.
Все, о чем только что говорилось, в значительной мере отно
сится к клеткам животных. В случае же растений и грибов, а также
бактерий, обладающих ригидными клеточными стенками, меха
низмы проникновения вирусов в клетки имеют свои особенности
(см. главу 8).
2. «Раздевание» вирионов
Депротеинизация вирусных геномов – необходимый процесс
для освобождения вирусной нуклеиновой кислоты из капсида в
форме, пригодной для экспрессии генов. Вследствие событий, раз
вертывающихся после проникновения вирусных геномов в цито
плазму клеток, инфицирующие вирионы перестают существовать
как организованные структуры.
Процессы «раздевания» осуществляются у разных вирусов по
разному. В случае большинства бактериофагов и некоторых виру
сов животных нуклеиновые кислоты впрыскиваются внутрь кле
ток уже в депротеинизированном виде (оболочки или капсиды ос
таются на поверхности клеток). Капсиды папова, парво, адено,
герпесвирусов депротеинизируются клеточными протеазами еще
до полного освобождения генома из белкового футляра. У поксви
русов «раздевание» осуществляется в два этапа, причем на втором
этапе для освобождения вирусной ДНК из сердцевины необходи
мо участие вновь синтезированных в данной клетке продуктов ви
русных генов. Наконец, реовирусы никогда не подвергаются пол
ной депротеинизации и вирионная транскриптаза выполняет свои
функции внутри вирусной сердцевины, которая структурно оста
ется относительно интактной.
Как только вирусный геном освободился из белкового чехла,
он может выполнять свои функции, действуя как матрица для
трансляции, транскрипции генов и репликации вирусных гено
мов.
3. Экспрессия вирусных геномов
Репродукция ДНКвирусов за исключением поксвирусов про
исходит в ядрах клеток, а репродукция РНКвирусов, исключая
ортомиксо и ретровирусы, – в цитоплазме.
14
родительской ДНК. Для репликации геномных ДНК большинство
вирусов использует клеточные ферменты репликативного комп
лекса, в частности ДНКзависимые ДНКполимеразы. Однако не
которые вирусы, особенно крупные, кодируют собственные реп
ликазы.
У (+)ДНКвирусов репликация начинается с синтеза компле
ментарной ()ДНКнити. Образовавшаяся двухспиральная репли,
кативная форма (РФ), в свою очередь, выступает в роли матрицы
для синтеза новых (+)цепей, которые затем вытесняются из РФ;
они заключаются в белковую оболочку, превращаясь, таким обра
зом, в вирионы (рис. 9). Принципиальное отличие в репликации
однонитевых ДНКвирусов от репликации двухнитевых заключа
ется в том, что в первом случае для образования дочерних молекул
используется только ()цепь.
Процесс репликации однонитевых РНКвирусов, в общем,
сходен с репликацией однонитевых ДНКвирусов. В начале реп
ликации однонитевая родительская (+)РНК служит матрицей для
синтеза дочерней ()РНК и образуется двухспиральная РФ. Одна
ко задолго до того, как закончится синтез первой дочерней РНК,
на РФ инициируется синтез второй и последующих дочерних (+)
нитей; в результате РФ превращается в новую форму, называемую
репликативным предшественником (РП), которая представляет со
бой двойную спираль РНК и свисающие с нее «хвосты» (+)РНК.
Эти «хвосты» вытесняются из РП вновь синтезируемыми молеку
лами (+)РНК (рис. 10).
У РНКвирусов с двухцепочечным геномом матрицами для
репликации служат только ()нити. Уже на ранних стадиях ин
фекции в клетках накапливаются (+)РНК, одна часть которых ста
новятся матрицами для репликации, а другая, как говорилось вы
ше, используется в качестве иРНК.
Репликация ретровирусов происходит на матрице провирусов
после их индукции. При этом с помощью клеточных ферментов син
тезируются как многочисленные молекулы (+)РНК, так и необходи
мые для сборки вирионов белки и ферменты.
3.4. Сборка и выход вирионов из клеток
В клетке биосинтез вирусных компонентов разобщен, протека
ет в различных структурах ядра и цитоплазмы. Для сборки вирионов
большое значение имеют механизмы внутриклеточного транспорта
вирусных компонентов. Специфичность взаимодействия вирусных
белков и нуклеиновых кислот обеспечивается как стереохимическим
17
фермент ревертазу, которая обладает свойствами как РНКзависи
мой, так и ДНКзависимой ДНКполимеразы. Ревертаза тран
скрибирует (+)РНК вирусов, копируя ее сначала в однонитевую
()ДНК, а затем и двухнитевую ДНК (кДНК) (рис. 7). Важной осо
бенностью этого транскрипта, т.е. кДНК, является его превраще
ние в провирус, т.е. способность встраиваться в хромосому клетки.
Интеграция вирусной ДНК (провируса) является уникальным со
бытием в жизненном цикле ретровирусов и абсолютно необходима
для их последующей репликации и персистенции в зараженных
клетках. Специфические последовательности на концах LTR (так
называемые attсайты), так же как и кодируемая вирусным геном
pol интеграза, необходимы для процесса интеграции (рис. 8).
3.2. Трансляция
Трансляция – синтез белков, осуществляемый на рибосомах по
программе, задаваемой молекулами информационных РНК
(иРНК).
Механизмы трансляции принципиально одинаковы при син
тезе клеточных и вирусных белков. Тем не менее имеются и неко
торые важные особенности трансляции вирусных иРНК и ее регу
ляции.
Поскольку геном вирусов кодирует несколько белков, то реа
лизуется один из двух способов их экспрессии: либо транслируется
гигантский полипептидпредшественник, который затем специфи
чески нарезается на функциональные белки; либо иРНК сразу
транслируются с образованием дискретных вирусных белков. Син
тез белковпредшественников с их последующим нарезанием ха
рактерен для (+)РНКвирусов, а синтез индивидуальных белков –
для ()РНКвирусов с фрагментированными геномами. Однако оба
процесса часто переплетаются.
Вирусы, использующие клеточный аппарат трансляции, часто
прибегают к подавлению синтеза клеточных белков. В таких случа
ях синтез клеточных белков не происходит, а транслируются ви
русные матрицы, находящиеся в гораздо меньших концентрациях.
3.3. Репликация
Термином репликация, или репродукция, обычно обозначают
собственно процесс размножение вирусов. Как и при транскрип
ции, механизм репликации зависит от типа геномной НК вирусов.
При репликации двухнитчатых ДНКвирусов матрицей для
синтеза комплементарных дочерних цепей служит каждая из цепей
16
3.5. Некоторые следствия избыточного синтеза белка
При репродукции вирусов в избытке образуются структурные,
морфологические, единицы и субвирусные компоненты более вы
сокого порядка. В принципе все эти процессы хорошо сбалансиро
ваны, но все же, пусть даже небольшие, дефекты в структуре белков
(вследствие мутаций или рекомбинаций) всегда имеют место, что
приводит к отбраковке измененных элементов. Отбраковка проис
ходит на всех уровнях морфогенеза, вплоть до вирионов. Главным
образом в результате этого в популяцию морфологически полно
ценных вирионов включается только 0,1–1,0 % синтезированного в
клетке вирусного белка. Остальная масса избыточно синтезирован
ного белка выводится из клеток или идет на образование дефектных
капсидов и вирионов, которым присущ ряд функций. В частности,
одной из них является интерференция – запрет на проникновение в
зараженные клетки других вирусов. Другая же функция – захват де
фектными капсидами фрагментов клеточных нуклеиновых кислот и
перенос их в другие клетки (как в случае общей трансдукции, см.
раздел 8.6).
В зараженных клетках вирусы часто накапливают дефектные
капсиды или структурированные поверхностные белки (HBsAg,
«розетки» из поверхностных белков и т.п.). Клеточные включения,
которые обнаруживаются в световом микроскопе и имеют диаг
ностическое значение при некоторых заболеваниях (например,
тельца Бабеша–Негри при бешенстве), являются продуктами того
же избыточного синтеза (и внутриклеточного складирования) суб
вирусных структур.
19
соответствием взаимодействующих группировок, так и особыми ме
ханизмами формирования вирионов в специализированных субкле
точных структурах.
Распространенным способом формирования вирионов явля
ется почкование. При этом белки наружных оболочек вирионов
пенетрируют цитоплазматические мембраны таким образом, что
формируют вирусоспецифический молекулярный слой на внеш
ней поверхности клеточной мембраны, раздвигая собственно кле
точные белки. К таким модифицированным участкам клеточных
мембран переносятся другие вирусные компоненты (матриксный
белок, нуклеокапсиды), которые распознают модифицированные
участки клеточных мембран, взаимодействуют друг с другом и
формируют специфические выпячивания. Такие выпячивания на
заключительной стадии морфогенеза вирионов отшнуровываются
от клеточной мембраны, не нарушая целостности клетки. Как
правило, в процессе сборки происходит «дозревание» вирионов.
Например, для вируса гриппа необходимым является внутриви
рионный процессинг основного белка наружной оболочки – гем
агглютинина. Происходит протеолитическое расщепление едино
го полипептида на два фрагмента. При этом шесть Nконцевых
аминокислотных остатков малой субъединицы гемагглютинина
образуют специализированную группировку («шип»). Эта группи
ровка вызывает прободение клеточной мембраны после адсорб
ции вирионов на восприимчивых клетках и обеспечивает слияние
наружной оболочки вирионов с клеточной мембраной. Если рас
щепления гемагглютинина не происходит, то вирионы становятся
неинфекционными. Они распознают восприимчивые клетки,
связываются со специфическими рецепторами, но не способны
сливаться с цитоплазматическими мембранами и проникать
внутрь клеток.
Выход вирионов из клеток может осуществляться различными
способами, в том числе за счет лизиса клеткихозяина. В вирусоло
гической лабораторной практике часто используются такие лити
ческие экспериментальные системы. Они удобны для обнаружения
вирусов, их титрования, иммунологических исследований. Однако в
природе большинство вирусов предпочитает не убивать клеткухо
зяина, а вступать с ней в более мягкие взаимоотношения, используя
механизмы симбиотического характера. Почкование является од
ним из примеров использования вирусами таких щадящих клетку
механизмов.
18