Вирусы

Вирусы

могут быть построены точно по одному плану и быть практически

неразличимыми морфологически.

Крик и Уотсон, исходя из того, что содержащаяся в нуклеиновой кислоте

вируса генетическая информация недостаточна для того чтобы вирус мог

кодировать множество различных белков, пришли к выводу, что капсиды вирусов

должны быть построены из множества идентичных субъединиц. Существуют два

типа организации, при которой идентичные асимметричные субъединицы, такие,

как молекулы белка, могут соединиться друг с другом с образованием

правильного капсида: спиральная сборка и формирование замкнутых белковых

оболочек. Соответственно существуют лишь два типа капсидов : спиральные и

изометрические (или квазисферические); капсиды всех вирусов относятся к

одной из этих двух категорий. Каждый из этих типов структур образуется

белками капсидов в результате процесса, называемого самосборной. Этот

процесс идет лишь в том случае ,если он энергетически выгоден. Это

означает, что из всех возможных форм капсида реализуется именно та, которая

отвечает минимуму свободной энергии специфических белков данного вируса.

Реальная форма и размеры капсида, таким образом, определяются

специфической формой молекул белка, являющихся субъединицами, из которых

строится капсид, и характером связей, которые эти субъединицы образуют друг

с другом. Стабильность структуры, возникающей в конечном счете, зависит от

числа и силы слабых связей, образующихся между белками, входящими в состав

данного капсида. Чем больше свободная энергия, выделяющаяся в процессе

сборки капсида, тем прочнее собранный капсид.

Спиральные капсиды. Вирионы многих вирусов растений и ряда фагов имеют

«голый» спиральный капсид, без внешней оболочки. Наиболее хорошо изученным

вирусом данной группы является ВТМ.

Капсиды ВТМ - это относительно жесткие по структуре палочки. Столь же

жестки по структуре капсиды по крайней мере еще одного фага. Капсиды других

вирусов растений , например вируса желтухи сахарной свеклы и Х-вируса

картофеля, тоже представляет собой спиралеобразные палочки, но палочки эти

гибкие. Гибки также спиральные капсиды ряда обладающих внешней оболочкой

вирусов животных. Гибкость этих палочковидных капсидов свидетельствует о

том, что субъединицы, из которых они построены, образуют друг с другом

менее прочные и более подвижные связи, чем те, которые образуются между

субъединицами палочек типа вирионов ВТМ.

Изометрические (квазисферические) капсиды. Капсиды многих вирусов по форме

почти идентичны сфере, однако электронная микроскопия показывает, что на

самом деле эти капсиды представляют собой не сферы, а правильные

многогранники. Такие капсиды называют изометрическими, так как их линейные

размеры вдоль ортогональных осей идентичны.

Сложные капсиды. Серологические и морфологическое исследование капсидов

показало, что они представляют собой сложные структуры. При детальном

электронно-микроскопическом анализе строения капсидов на их поверхности

части удается обнаружить выступы, иначе называемые шипами, которые обычно

расположены на каждой из 12 вершин икосаэдра. Эти шипы играют важную роль

в инициации инфекции. В литературе описан «волосатый» фаг, у которого от

поверхности головки вириона отходят многочисленные фибриллы.

У самых крупных фагов имеются отростки, «хвосты». Эти отростки являются

органами, при помощи которых фаги прикрепляются к поверхности бактерии-

хозяина. Существует мало биологических объектов, которые были бы более

удивительны, чем Т-четные фаги.

Вирионы этих фагов собраны более чем из 50 видов различных белков и

обладают высокоорганизованной, изумительно сложной и правильной

структурой. Воротничок и базальная пластинка этих фагов обладают

гексагональной симметрией. Белковая оболочка их головки представляет собой

деформированный икосадельтаэдр с дополнительным рядом субъединиц,

вследствие чего в одном направлении она длиннее, чем в других.

Гексагональный отросток такого фага каким-то образом присоединен к макушке

головки по плану пентагональной симметрии. При сборке фага Т4 иногда

образуются вирионы с двумя отростками вместо одного. Многие вирусы

животных, некоторые вирусы растений и, по крайней мере ,один класс

бактериофагов имеют внешнюю оболочку, окружающую их капсиды. Неотъемлемой

структурой этих оболочек, как и всех других биологических мембран, является

двойной слой фосфолипидов, в который погружены молекулы специфических

белков. В тех случаях, когда двойной слой фосфолипидов расположен на

поверхности вириона и, следовательно, легко доступен для эфира или других

растворителей липидов, вирионы легко разрушаются и интактивируются такими

растворителями. Фосфолипиды внешних оболочек вирусов бывают идентичны

липидам клетки-хозяина или сходны с ними, что, например, характерно для

большинства оболочек вирусов животных, в других случаях наблюдаются

достаточно выраженные различия между фосфолипидами. Оболочки вирусов

животных формируются в составе плазматической или ядерной мембраны клетки.

Электронные микрофотографии зараженных вирусами клеток показывают, что

белки вируса появляются на небольших участках плазматической мембраны

клетки, к которой в последствии мигрируют капсиды вируса, что, в конечном

счете, ведет к формированию вириона и его отпочкованию. Следует, однако,

подчеркнуть, что далеко не у всех вирусов животных вирионы имеют

квазисферическую форму. Например, вирионы рабдовирусов по форме напоминают

пулю; их оболочка, так же как и у других вирусов животных, образуется в

результате отпочкования от плазматической мембраны клетки. Оболочки других

вирусов, например вируса оспы, построены значительно сложнее и полностью

формируются в цитоплазме клетки. Такие вирионы нечувствительны к действию

эфира, не дают перекрестных иммунологических реакций с белками клетки-

хозяина и, по-видимому, состоят только из компонентов, специфичных для

вируса.

Проблемы и методология

Вирусная частица, или вирион, - это инертная статическая форма вируса.

Когда вирионы находятся вне клетки, они не размножаются и в них не

происходит никаких метаболических процессов. Все динамические события -

биосинтез вирусных компонентов, повреждение организма-хозяина - начинаются

лишь тогда, когда вирус проникает в клетку. Даже у многоклеточного хозяина

решающие события при вирусной инфекции происходят на клеточном уровне.

Распространение вируса совершается в результате повторных циклов

взаимодействия вируса с клетками и рассеяния вирионов во внеклеточной

среде. Все то, что мы уже знали о различных компонентах вирионов,

заставляет предполагать, что внутри клетки-хозяина организация этих

компонентов должна быть не такой, как в свободной вирусной частице. И

действительно, в зараженных вирусом клетках происходит глубокая

перестройка вирусного материала, а часто также и компонентов клетки-

хозяина. Возникает новая система - комплекс вирус-клетка, функциональная

организация, которой определяется взаимодействием вирусных и клеточных

функций. Активные механизмы этого комплекса существенно отличаются от

механизмов незараженной клетки.

Фазы развития: эллипс, репликация и созревание

С помощью различных методов было обнаружено много разнообразных ситуаций,

которые, однако имеют между собой нечто общее, а именно то, что у каждого

вируса взаимодействие с хозяином представляет собой специфическую

последовательность событий. Каждый вирус - это организм со своими

собственными процессами онтогенеза и морфогенеза, а также со своим

филогенетическим прошлым. Однако циклы развития разных вирусов, если их

рассматривать в широком плане, имеют ряд общих черт.

После прикрепления вируса в клетке происходит ряд событий, ведущих к

освобождению вирусного генетического материала внутри клетки. При этом

инфицирующие вирионы перестают существовать как организованные структуры.

Так как инфекционность свободной вирусной нуклеиновой кислоты, как правило,

намного меньше инфекционности цельного вириона, освобождение вирусного

генома и переход его внутрь клетки-хозяина сопровождаются уменьшением или

исчезновением инфекционности. Это явление получило название эклипса.

Проникновение нуклеиновой кислоты вируса в клетку в процессе ее заражения

может происходить различными способами. Например, у фагов, ингецирующих

свою ДНК, ориентированным образом через оболочку бактериальной клетки,

нуклеиновая кислота освобождается непосредственно у поверхности клетки.

Некоторые фаги прикрепляются к жгутикам или ворсинкам бактерий, после

чего вводят через эти органеллы свой генетический материал или же

используют их для того, чтобы приблизиться к поверхности клетки. Вирусы,

обладающие наружной оболочкой, могут сливаться с клеточной мембраной, и в

цитоплазму клетки проникает весь внутренний капсид вируса, после чего

происходит освобождение вирусного генома. Как только вирусный геном

освободится от белка, он может служить источником информации как для

репликации, так и для транскрипции , действуя как матрица для биосинтеза

соответствующих продуктов. Размножение вирусных геномов идет путем

репликации генетического материала, т.е. ДНК или РНК. Репликация ДНК

происходит в основном с помощью тех же биохимических механизмов, что и

репликация генетического материала клетки. Репликация вирусного ДНК-генома

в клетке хозяина возможна, если геном является репликоном, который

распознается репликационным аппаратом клеточного или вирусного

происхождения. В процессе репликации могут совместно участвовать и

клеточные и вирусные ферменты. В некоторых случаях репликация начинается

лишь после ряда предварительных этапов и создания особых условий. При

вирусной инфекции набор клеточных ферментов может пополняться - иногда за

счет ферментов, привносимых в клетку вирионом (вирусы осповакцины,

везикулярного стоматита и гриппа, ретровирусы), а иногда - за счет

ферментов, вновь синтезируемых как продукты вирусных генов. Последние, в

частности, доказано для некоторых фагов, для репродукции которых нужны

особые компоненты ДНК. Эти фаги содержат информацию, необходимую для

синтеза соответствующих ферментов. Вирусы могут также вызывать синтез

ферментов, катализирующих реакции, которые уже ранее осуществлялись с

помощью клеточных ферментов.

Большинство РНК-содержащих вирусов размножаются путем образования копий

РНК без участия промежуточных ДНК-матриц, и поэтому их репликация может

происходить в клетках с ингибированным синтезом ДНК. Эти вирусы кодируют

собственную РНК-репликазу.

Клетки хозяина такого фермента не имеют. У некоторых групп РНК-содержащих

вирусов РНК реплицируется на промежуточной комплиментарной ДНК,

синтезируемой на вирусной РНК с помощью обратной транскриптазы. Этот

фермент привносится в клетку хозяина вирионом вместе с вирусной РНК.

Введение уже синтезированного вирусного фермента в клетку - явление не

столь редкое.

Число компонентов биосинтетического аппарата, которое мог бы кодировать

вирус, лимитируется величиной вирусного генома. Самые малые вирусы

содержат около 106 дальтон ДНК или РНК. Так как соотношение молекулярных

весов кодирующей нуклеиновой кислоты и кодируемого белка составляет

примерно 9:1 для РНК или одноцепочной ДНК и 18:1 для двухцепочной ДНК, эти

вирусы в состоянии обеспечить синтез лишь нескольких белков, и обычно это

лишь структурные белки вириона. Очевидно, что все вирусы в значительной

степени зависят от ферментного аппарата клеток - хозяев. Некоторые вирусы

нуждаются даже в помощи других вирусов. Например, РНК вируса - сателлита

некроза табака состоит всего из 1200 нуклеотидов, а белковая субъединица

капсида, которую эта РНК кодирует, состоит из 400 аминокислотных

остатков. Очевидно, что ни для какой другой информации в геноме этого

вируса не хватило бы места. Поэтому он способен размножаться только в тех

клетках, которые одновременно заражены вирусом некроза табака. Последний и

служит источником необходимой репликазы. Есть и другие примеры вирусов,

сохраняющихся в естественных условиях только благодаря вирусам -

помощником, инфицирующим те же клетки.

Во время своей репликации вирусная нуклеиновая кислота не связана со

специфическими белками, имеющимися в зрелых вирионах. При определенных

условиях репликация нуклеионовых кислот происходит тогда, когда синтез

белков химическим путем ингибирован. В ходе инфекции, ведущей к

образованию и высвобождению новых вирусных частиц, синтез вирионных белков

обычно начинается после того, как репликация нуклеиновой кислоты уже

развернулась. В результате синтеза этих белков накапливается фонд

предшественников, служащий источником материала, используемого при сборке

капсидов. Созревание - сложный и необратимый процесс: ни нуклеиновая

кислота, ни структурные белки, включенные в полный капсид или его часть,

снова уже не освобождаются в той же клетке. Таким образом, при сборке

капсида вирусный геном исключается из реплицирующейся популяции нуклеиновой

кислоты, а капсидные белки - из фонда белковых предшественников. Если

вирусы имеют наружную оболочку, то она присоединяется к капсиду позднее,

либо в цитоплазме клетки, либо при взаимодействии с клеточной мембраной.

Такой процесс сборки, включающий этапы наполнения предшественников

позволяет объяснить явление фенотипического смешения, когда в клетке,

зараженной двумя различными, но совместимыми вирусами, образуются вирионы с

капсидами, построенными из субъединиц, кодируемых разными геномами.

Вновь образованные вирионы освобождаются во внешнюю среду (нередко вместе

с незрелыми формами) либо в результате лизиса клетки - хозяина,

вызываемого вирусными ферментами, как при инфекции бактерий фагами, либо

путем выталкивания участков цитоплазмы, либо, наконец, путем выхода

отдельных вирионов или небольших их групп. Некоторые вирусы животных с

трудом освобождаются из клеток в культурах in vitro; в живом организме

выходу таких вирусов из клеток и их распространению способствует захват

поврежденных вирусом клеток фагоцитами и их переваривание. Вирусы растений

обычно не освобождаются путем лизиса клеток, а переходят из клетки в

клетку через межклеточные соединения.

Взаимодействие фага с бактериями.

Основные проблемы и явления

Бактериофаги являются паразитами представителей почти всех групп

прокариотических организмов от крошечных Dellovibrios, которые сами

паразитируют на других бактериях, до некоторых крупных сине-зеленых

водорослей. Общие свойства фагов обычно служат отражением свойств клетки

бактерии-хозяина. Наличие жесткой клеточной стенки у большинства

прокариот требует особых механизмов для проникновения или выхода вирусов.

Прокариоты не дифференцируются в стволовые или специализированные клетки, а

являются популяцией более или менее сходных клеток, которые продолжают

размножаться, пока имеется соответствующая питательная среда. Поэтому

взаимодействие фагов с бактериями происходит в бактериальной культуре

циклически, пока не наступит некое равновесное состояние, которое

определяется числом клеток-хозяев и вирусных элементов и скоростью их

воспроизведения. Другая ситуация возникает тогда, когда бактерии способны к

дифференцировке, например при споруляции или смене состояний.

Прикрепление и проникновение

Прикрепление вирионов фага к бактериальной клетке является реакцией

первого порядка и происходит обычно на клеточной поверхности. Последняя

различна по своей структуре у разных типов бактерий. Некоторые фаги

прикрепляются к особым выростам, так называемым F и L-ворсинкам, которые

принимают участие в процессе конъюгации. Вирионы фагов группы х обратимо

прикрепляются к жгутикам бактерий и затем соскальзывают вдоль них к

поверхности клетки, причем этому процессу, по-видимому, способствует

движение самих жгутиков (поскольку неподвижные бактериальные мутанты не

бывают хозяевами этих фагов). На поверхности бактериальной клетки имеются

специфические рецепторы для фагов , однако данные об их природе весьма

ограничены. Тот факт, что фаг неспособен адсорбироваться на бактериальном

мутанте, не обязательно означает, что мутант утратил химические группы,

выполняющие роль рецепторов фага, - последние могут быть просто скрыты

другими компонентами клеточной оболочки. Рецепторы не всегда необходимы

для самой клетки; например, при росте бактерий в определенных температурных

условиях они могут утрачиваться.

Из оболочки бактерий, чувствительных к фагу, удается экстрагировать

специфическое вещество, способное инактивировать фаг. Возможно ,это

вещество является самим рецептором или компонентом рецепторной структуры

на поверхности бактерий. Сами по себе рецепторы, по-видимому, способствуют

лишь первому обратимому этапу адсорбции. Не исключено, что они также

участвуют в других процессах, частности в транспорте ионов железа. После

прикрепления фага бактерия в течение некоторого времени (латентный период)

не претерпевает заметных морфологических изменений даже и в том случае,

если заражение, в конце концов ,приведет к лизису клетки, поскольку лизис

наступает всегда внезапно.

Проникновение фагового генома в клетку сопровождается физическим отделением

нуклеиновой кислоты от большей части капсидных белков, которые остаются

снаружи.

Кроме фаговой нуклеиновой кислоты внутрь бактериальной клетки инъецируется

также небольшое количество белка и некоторые другие вещества, в том числе

олигопептиды и полиамины. Роль этих веществ в процессе развития фага

неизвестна, некоторые из них являются остатками протеолиза капсидных

белков при сборке вирионов. Если бактериальные клетки способны поглощать

свободную ДНК из среды, то и геном фага может проникнуть в них в виде

свободных молекул ДНК. Это явление называют трансфекцией. Способность

бактерий поглощать молекулы ДНК может возникнуть как нормальное явление

на некоторых этапах роста, что наблюдается, например, у В subtilis.

В некоторых случаях такое состояние вызывается искусственно, как,

например, у Е coli.

Процесс развития фага после трансфекции принципиально не отличается от

происходящего при нормальной фаговой инфекции, за исключением того, что в

этих случаях не наблюдается резистентности, вызываемой отсутствием

рецепторов или другими свойствами оболочки клетки.

Проникновение генома фага в чувствительную к нему бактерию приводит либо

к лизогенной, либо к литической инфекции, в зависимости от природы фага

(а иногда и бактерии) и от окружающих условий, например температуры. При

лизогенном типе взаимодействия геном фага в неинфекционной форме

передается бактериальными клетками из поколения в поколение, причем время

от времени в некотором количестве клеток синтезируются соответствующие

вирионы, лизирующие эти клетки и выходящие затем во внешнюю среду.

Лизогенные клетки, повторно зараженные этими вирионами, не лизируются (ибо

они иммунны к этому фагу), так что лизогенная культура продолжает

нормально расти. Присутствие свободных вирионов можно выявить путем

воздействия на клетки каких-либо иных, нелизогенных штаммов бактерий,

лизируемых данным фагом. Фаги, способные лизогенизировать заражаемые ими

бактерии, называются умеренными, а фаги, у которых такая способность

отсутствует, - вирулентными. Следует, однако, помнить, что даже умеренные

фаги при первой инфекции чувствительных к ним бактерий вызывают

продуктивную инфекцию у многих или даже у всех клеток. Возникновение

лизогении и предупреждение созревания вирионов и лизиса клеток требуют

серии определенных событий, которые вовсе не всегда случаются со всякой

зараженной бактерией. Вероятность появления лизогении или продуктивной

инфекции варьирует от фага к фагу и зависит от условий культивирования.

Связь между строением вириона и началом инфекции

Длинные нити (фибриллы) отростка служат для специфического узнавания фагом

определенных участков на поверхности клетки-хозяина, к которым он

прикрепляется. Мутации генов, кодирующих белки нитей, приводят к изменению

или полной утрате способности фага прикрепляться к клетке-хозяину. Еще

одним доказательством важной роли нитей отростков служат эксперименты с

антифаговыми антисыворотками, показавшими что прикреплению фага к клеткам

препятствуют только антитела к белкам дистальных частей концов нитей.

Нити обвиваются вокруг отростка таким образом, что их средняя часть

поддерживается «усиками», прикрепленными к тому месту, где головка

соединяется с отростком. Синтез белка «усиков», вероятно, кодируется геном

wac. Соприкосновение концов нитей с рецептором клетки, возможно,

обусловливает их разворачивание и выпрямление. Отличительное свойство фага

Т4, которое легко утрачивается вследствие мутации и отбора, заключается в

том, что освобождение нитей отростка от «усиков» зависит от L- триптофана

как кофактора. Зависимость выпрямления нитей и последующего прикрепления

фага к клетке от концентрации триптофана указывает на то, что контакт

некоторых нитей с клеткой может способствовать освобождению остальных

нитей. Для следующего этапа взаимодействия фага с бактерией необходимо

правильное пространственное положение базальной пластинки отростка, что в

свою очередь, обеспечивается, вероятно, контактом всех шести нитей с

рецепторами клетки. По-видимому, прикрепление фаговой частицы с помощью

нитей отростка позволяет ей производить определенные скользящие

движения по поверхности клетки, пока не будет найден участок, через который

можно ввести ДНК. В этом отношении весьма важным оказалось наблюдение,

согласно которому необратимое прикрепление фага к клетке и проникновение

в нее его ДНК происходят лишь на определенных участках оболочки (всего их

около 300), где цитоплазматическая и внешняя мембраны образуют прочные

контакты, устойчивые к мягкому осмотическому шоку. Это справедливо,

вероятно, и для других бактериофагов. Весьма важно было бы выяснить,

каково отношение этих участков к местам синтеза мембранных компонентов и

фаговых рецепторов. На следующем этапе взаимодействия фага с клеткой

происходит сокращение чехла отростка, в результате чего стержень проникает

в клеточную оболочку. Сокращение стимулируется базальной пластинкой,

изменяющей свою конформацию под влиянием нитей отростка. В процессе

сокращения принимают участие все 144 субъединицы чехла, и их совместное

перемещение приводит к уменьшению длины чехла в два раза. Было высказано

предположение, что энергия для сокращения чехла поставляется молекулами

АТФ, ассоциированными с фагом, однако окончательно это еще не доказано.

Дистальная часть стержня подводится вплотную к внутренней

цитоплазматической мембране, но не обязательно проникает через нее. ДНК из

обработанных мочевиной фагов, имеющих сокращенные чехлы и экспонированные

стержни, может проникать в сферопласты Е coli, у которых внешние мембраны

и жесткие оболочки либо совсем удалены, либо в значительной мере разрушены.

Заражение сферопластов, осуществляемой в гипертонических средах, приводит

к образованию нормального фагового потомства. В сферопласты можно вводить

цельные или фрагментированные молекулы фаговой ДНК, которые затем

реплицируются и участвуют в рекомбинации.

Естественно, что в процессе заражения сферопластов поверхностные

рецепторы не участвуют. Поэтому обработанные мочевиной фаги Т4 могут

заражать устойчивые к ним мутанты Е. Coli или даже устойчивые бактерии

отдаленных видов. Прикрепление к сферопластам фаговых частиц, обработанных

мочевиной, блокируется фосфатидилглицерином, который, вероятно, является

составной частью мембран, стимулирующей введение ДНК в клетку.

Если бактерию, уже зараженную Т-четным фагом, спустя несколько минут вновь

инфицируют этим же фагом, то второй контингент фага не участвует в

размножении (так называемое исключение при суперинфекции) и не передает

своей ДНК потомству. Было показано, что ДНК фаговых частиц, попавших в

клетку при повторном заражении, разрушается (разрушение при

суперинфекции). Оба этих процесса находятся под контролем активируемых в

клетке-хозяине фаговых генов, функция которых может нарушаться при

соответствующих мутациях.

Сборка вирионов

В отличие от ранних этапов развития фага ход сборки капсидов и полных

вирионов не программируется последовательной экспрессией фаговых генов. По-

видимому, все белки вириона и другие поздние белки, как, например, лизоцим

фага, синтезируются более или менее одновременно и, накапливаясь, образуют

«фонд предшественников». Отсюда они извлекаются путем прямого

специфического взаимодействия с другими белковыми молекулами, в результате

чего возникают субструктуры, которые затем собираются уже в цельные

вирионы. Общий ход сборки стал понятен из результатов опытов in vivo с

мутантными фагами и при изучении лизатов; однако после того, как была

открыта возможность сборки предобразованных фаговых предшественников in

vitro, с помощью этого эффективного метода было получено много новых

данных. Сборка вириона состоит из четырех основных этапов, приводящих к

образованию промежуточных структур, взаимодействующих между собой лишь в

определенных критических точках.

Базальная пластинка фагового отростка построена из 15 белков, в синтезе

которых , кроме основных ,участвуют и некоторые другие гены. Весьма

интересно, что пластинка содержит, по-видимому, несколько молекул двух

кодируемых фагом ферментов - дигидрофолатредуктазы и тимидилатсинтетазы, а

также некоторое количество фолиевой кислоты.

Собранная базальная пластинка после присоединения к ней белка гена Б4

служит затравкой для сборки стержня отростка, состоящего из 144 молекул

продукта гена 19. Вокруг стержня происходит сборка чехла, представляющего

собой полимер, построенный из 144 молекул продукта гена 18. Продукты двух

других генов стабилизируют всю эту структуру. Непонятно, каким образом

достигается постоянство длины стержня при сборке. Возможно, что существуют

еще какие-то линейные белки, отмеряющие нужное расстояние, или контакт с

базальной пластинкой придает субъединицам стержня такую специфическую

конформацию, которая имеет минимум свободной энергии только в случае

определенного размера стержня. Эта последняя гипотеза указывает на то, что

процесс сборки, возможно, не является чисто механическим.

Оболочка фаговой головки, построенная из более чем 10 белков, образуется в

результате активности многих генов. Основной из них представляет собой

продукт гена 23, входящий в состав законченной головки лишь после

отщепления от основного полипептида фрагмента с мол. весом 10000.

Протеолиз осуществляется главным образом продуктом гена 22, а также,

возможно, гена 21, отсутствующим в зрелом вирионе. Однако белок гена 22

представляет собой, по существу, внутренний белок, превращающийся в ,конце

концов, в результате самопереваривания в мелкие пептиды, причем некоторые

из них остаются в головке фага. Здесь присутствуют также и другие

внутренние белки, подвергающиеся частичному перевариванию белком гена 22.

После окончания раздельной сборки головки и отростка они самопроизвольно

объединяются как in vitro, так и in vivo.

Нити отростка состоят из продуктов четырех генов. Их сборка идет

независимо, но прикрепляются они к базальной пластинке только после

соединения головки и отростка. Для этой реакции нужен белок гена 63, а

также взаимодействие с «усиками», которые прикреплены к воротничку,

расположенному между головкой и отростком.

Головка фага имеет специфическую форму, определяемую белком гена 23 и

другими белками. Ее строение изменяется в результате мутаций

соответствующих генов. Нормальная головка фага 74 имеет форму неправильного

икосадельтаэдра, по длинной оси которого расположен дополнительный ряд

субъединиц, состоящих из 840 копий белка гена 23. Субъединицы белка гена

20 располагаются на вершинах. Такая форма головки отражает наличие

определенных пространственных ограничений, накладываемых белок - белковыми

взаимодействиями. При отсутствии этих ограничений строение фага сильно

изменяется.

Бактериофаг (

Бактериофаг ( является умеренным фагом, т.е. он может либо переходить

из клетки в клетку в процессе инфекции, либо передаваться от одного

поколения к другому в ходе размножения данного бактериального штамма. В

последнем случае латентный геном фага называется профагом, а клетки,

несущие такой профаг, - лизогенными. Присутствие генома фага в лизогенной

культуре можно обнаружить при спонтанном освобождении фага из небольшой

части клеточной популяции, в которой произошло спонтанное развитие фага.

Естественным хозяином фага ( служит штамм Е coli K 12, генетика которого

хорошо изучена. Поэтому фаг ( был избран в качестве объекта интенсивных

исследований, направленных на выяснение природы лизогении. Исходный дикий

штамм К 12 является лизогенным по фагу , который не образует бляшек на

этом штамме, обладающем, подобно большинству лизогенных бактерий,

иммунитетом по отношению к фагу, содержащемуся в нем в виде профага.

Обычно фаг ( размножается на вариантах штамма К 12, «извлеченных» от

профага. Такие извлеченные варианты обнаруживаются в небольших количествах

среди клеток, выживших после интенсивного облучения. При образовании

устойчивой лизогенной клеточной линии должны быть выполнены следующие два

условия. Во-первых, профаг должен находиться в клетке в таком состоянии,

чтобы при клеточном делении каждая дочерняя клетка получала по крайней мере

одну его копию. В случае фага ( эта задача решается путем включения его

ДНК в бактериальную хромосому, в результате чего ДНК профага пассивно

реплицируется и сегрегируется с помощью аппарата клетки-хозяина. Во-вторых,

те вирусные гены, продукты которых потенциально способны нарушить

целостность клетки, должны регулироваться таким образом, чтобы клетки

могли благополучно расти и размножаться. Это достигается путем репрессии

транскрипции генов. В клетках, лизогенных по фагу (, не транскрибируется

ни один из вирусных генов, необходимых для продуктивной инфекции. В

лизогенных культурах обнаруживается лишь очень небольшое количество

вирусной м РНК.

Вирусы животных

Адсорбция и проникновение в клетку

Первые этапы вирусной инфекции, независимо от того, о каком вирусек идет

речь, традиционно принято называть адсорбцией, проникновением и

«раздеванием» (разрушением вирусной оболочки). Под адсорбцией принято

понимать первичный контакт вируса с клеткой. Часто этот контакт сначала

бывает очень слабым - обратимая адсорбция. Затем прочность контакта

возрастает - необратимая адсорбция. Эти термины в равной степени приложимы

для описания начальной стадии проникновения в клетки любых вирусов. Термин

«проникновение» ошибочен потому, что он подразкмевает активное

воздействие на атакуемую клетку определенной части вириона, что не было

доказано. Более вероятно, что во многих случаях на самом деле имеет место

совсем другой процесс - прикрепление вируса к клетке вследствие физико-

химической комплементарности между поверхностью вируса и молекулами

рецепторов, находящихся на поверхности клетки, индуцирует в клетке

изменения, необходимые для проникновения в нее вируса.

Общая картина адсорбции вирусов животных

Результаты, полученные при изучении адсорбции на клетках самых различных

вирусов животных (как с оболочкой, так и без нее), создают следующую

общую картину процесса прикрепления вируса к клетке. Процесс начинается со

случайных столкновений мнрожества вирионов с поверхностью клетки, но к

образованию связи между физически комплементарными друг другу участками

поверхности клетки и вириона ведет лишь одно столкновение из каждых 10з

или 104. Возможно, что в образовании таких связей принимают участие и

ионы культуральной среды. Непосредственно реализовать эти связи могут

находящиеся на поверхности вирионов выступы, состоящие из особых вирусных

белков, такие, как «шипы» у вирусов с оболочкой, например микровирусов,

тогавирусов и парамиксовирусов, или белковые нити (фибриллы), отходящие от

вершин икосаэдрических вирионов (например, у некоторых аденовирусов).

Участок связывания на поверхности вириона, непосредственно

взаимодействующий с рецептором клетки, может состоять из индивидуального

структурного вирусного белка, а может и представлять собой мозаику из

нескольких белков капсида (по-видимому, именно так обстоит дело у

пикорнавирусов). Рецептором во всех случаях служит расположенный на

поверхности клетки белок или гликопротеид. На поверхности клетки имеются

различные рецепторы, каждый из которых специфичен для своего вируса.

Специфичность этих рецепторов не абсолютна, что приводит к возможности

группировки вирусов по этому свойству в своеобразные «семейства». Вирусы,

родственные друг другу по данному признаку, могут быть родственны и по

другим признакам, однако это условие не является обязательным. На

поверхности единичной клетки может содержаться от 104 до 105 копий каждого

вида рецептора.

Следует подчеркнуть, что сам факт адсорбции вируса на клетке еще никоим

образом не означает инициации вирусной инфекции. Связи, образующиеся при

адсорбции между вирусом и клеткой, могут быть «слабыми»,, а адсорбция

«обратимой», т.е. вирион может покидать поверхность клетки. Однако

некоторые из адсорбировавшихся на клетке вирионов связываются с ней более

прочными «необратимыми» связями.

Проникновение вирусов животных в клетку и «раздевание».

Следующий этап после прочного прикрепления вириона к поверхности

чувствительной клетки - это проникновение внутрь клетки всего вириона или

его части и начало синтеза вирус-специфического белка или вирусной м РНК. В

основе начального связывания самых различных вирусов с клеткой могут лежать

принципиально сходные процессы. Напротив, проникновение вирионов в клетку

и активация вирусного генома могут происходить у разных вирусов по-разному.

Ясно, что вирусы с оболочкой и «голые» вирусы должны проникать в клетку в

результате разных физико-химических процессов. Уже давно предполагали, что

в основе проникновения в клетку вирусов с оболочкой, вероятно, лежит

процесс, в какой-то мере подобный «плавлению мембраны», или процесс

«слияния». Что же касается таких относительно больших белковых структур,

как голые вирионы, то для них известен только один механизм проникновения в

клетку - это фагоцитоз, и уже давно предполагается, что такие вирусы

проникают в клетки в результате варианта фагоцитоза, названного

«виропексисом». В последние года стала известна еще одна важная

подробность, касающаяся проникновения вирусов в клетки. Действительно, в

ряде случаев единственным компонентом вириона, непосредственно

ответственным за синтез новых компонентов вируса, является его нуклеиновая

кислота, а в других еще и входящая в состав вириона РНК- или ДНК-

полимераза.

Размножение вирусов животных

РНК-содержащие вирусы

Одно из резких различий между вирусами бактерий и вирусами животных

состоит в неодинаковой продолжительности их одиночного цикла репродукции.

Так, одиночный цикл репродукции даже у наиболее быстро размножающихся

вирусов животных продолжается 5-6 г, а у ряда других вирусов - несколько

дней. Кроме того, многие вирусы вызывают лишь персистентные инфекции, при

которых клетки-хозяева не погибают, хотя вирус все время образуется и в них

и в их потомках. Столь длительный цикл репродукции вирусов животных по

сравнению с более коротким циклом репродукции большинства фагов,

вероятно, зависит от относительных размеров соответствующих клеток-хозяев.

Многие особенности вирусов животных связаны со специфическими

особенностями архитектуры эукариотических клеток. ДНК большинства ДНК-

содержащих вирусов синтезируется в ядре клетки. Напротив, белки всех без

исключения вирусов синтезируются в цитоплазме. Заражение клеток вирусами в

принципе может привести к двум последствиям. Зараженная клетка может либо

погибнуть, образовав при этом большое количество вируса (литический тип

взаимодействия вирусов с клетками), либо продолжать жить и делиться,

синтезируя небольшие количества вируса. Культуры размножающихся клеток,

продуцирующих вирус, называют персистентно инфицированными. Почти любой

вирус животных при соответствующих условиях может вызвать персистентную

инфекцию. Более того, многие вирусы лизируют клетки очень редко, и обычно в

зараженных клетках устанавливается состояние устойчивого равновесия -

образуется персистентно инфицированная культура клеток.

Установлено, что при успешной литической инфекции в зараженных клетках

происходит пять четко отличающихся друг от друга событий, реализуемых

функционально активными вирус-специфическими белками. В ходе одиночного

цикла репродукции вируса эти события развиваются либо параллельно, либо

последовательно. Их временная последовательность определяется

специфическими свойствами каждого вируса. Это следующие события: 1)

подавление вирусом ряда клеточных функций; 2) синтез вирусных м РНК; 3)

репликация вирусного генома; 4) морфогенез вирионов; 5) освобождение

вирионов из клетки.

Согласно правилам спаривания оснований по Уотсону и Крику, для каждой

данной молекулы РНК можно записать комплементарную ей нуклеотидную

последовательность. Для удобства классификации вирусов вирусную м РНК

условно обозначают как «плюс»-цепь, а комплементарную ей

последовательность, как «минус»-цепь. Исходя из структурной взаимосвязи

между нуклеиновой кислотой вириона и его м РНК, все вирусы животных можно

разделить на шесть классов. Конечно, эту классификацию можно применить

также и к бактериофагам, и к вирусам насекомых, и растений, но в

настоящее время разумнее всего ограничить ее применение вирусами животных.

К классу I относятся вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК, например вирус

осповакцины

м РНК этих вирусов синтезируется таким же образом, как и клеточные м РНК,

геном вируса - двухцепочечная ДНК - служит матрицей для синтеза м РНК.

Класс II включает вирусы, содержащие одноцепочечную ДНК. Их м РНК по

нуклеотидному составу, вероятно, полностью гомологична ДНК вириона. Поэтому

м РНК должны транскрибироваться с «минус»- цепи ДНК, входящей в состав

репликативного промежуточного комплекса-вируса. К остальным классам

относятся вирусы, у которых геном служит РНК. Класс III включает вирусы,

содержащие двухцепочечную РНК, например реовирусы. Эта РНК служит

мартицей для асимметричного синтеза вирусных м РНК. Оказалось, что у всех

до сих пор обнаруженных вирусов класса III геном сегментирован, т.е.

состоит из множества хромосом, каждая из которых кодирует один полипептид.

Вирусы, относящиеся к классу IV, содержат «плюс»-цепи РНК. Геном этих

вирусов имеет ту же полярность, что и их м РНК. Вирусы данного класса

делятся на два подкласса. У вирусов подкласса Ivа, типичным представителем

которых является вирус полиомиелита, все белки синтезируются при

трансляции одной-единственной молекулы м РНК. Образующийся при этом

полипротеин расщепления затем протеолитическими ферментами с образованием

функционально активных белков. Все м РНК этих вирусов имеют ту же длину,

что и РНК-геном. Вирусы подкласса Ivв называют также тогавирусами. Они

синтезируют в клетке по меньшей мере два вида вирусных м РНК: м РНК одного

вида имеет ту же длину, что и РНК вириона, а м РНК второго вида

представляет собой фрагмент РНК вириона.

Вирусы класса V называют также «минус» - РНК-вирусами. По нуклеотидной

последовательности м РНК этих вирусов комплементарна РНК вирионов.

Следовательно, вирион содержит матрицу для синтеза м РНК, но не для синтеза

белков. Различают два подкласса вирусов класса V. Геном вирусов подкласса

Vа представляет собой одну молекулу РНК, с которой транскрибируется целый

ряд м РНК, причем все до сих пор изученные м РНК этих вирусов

моноцистронные. Вирусы подкласса Vв имеют сегментированный геном. Каждый

из сегментов генома служит матрицей , с которой транскрибируется лишь один

вид молекул м РНК. Один из этих м РНК кодируют мноцистроенные, а другие

- полицистроенные полипротеины. Вирусы, относящиеся к классу VI, называют

также ретровирусами. Это самые необычные из всех известных РНК-содержащих

вирусов, ибо при транскрибировании их РНК синтезируется не РНК, как

обычно, а ДНК, которая в свою очередь служит матрицей для синтеза м РНК.

Следовательно м РНК этих вирусов и РНК их вирионов не отличаются по

полярности друг от друга, а некоторые из них идентичны и по длине. Из

удивительных свойств этих генетических систем вытекает не мало

замечательных следствий.

Плюс - РНК-вирусы:

пикоркавирусы (класс IV а)

Вирусы этого подкласса, из которых наиболее интенсивно изучался вирус

полиомиелита, известны под общим названием «пикоркавирусы». К их числу

относятся также вирус менго, вирус энцефаломиокардита (пикоркавирусы

мышей), риновирусы (вирусы, вызывающие у человека один из видов острых

респираторных заболеваний, - так называемую простуду_ и вирус ящура.

Тогавирусы (класс IV в)

К тогавирусам относятся все плюс - РНК-вирусы, в которых образуются м РНК

двух типов, различающиеся по своим размерам. Название «тогавирусы»

отражает особенности внешней оболочки их вирионов. Синтез этой оболочки

рассматривается в другом разделе, а здесь мы обсудим только механизмы

синтеза РНК и белков, используемые вирусами данного класса. Прежде чем

перейти к рассмотрению молекулярной биологии тогавирусов, интересно

вспомнить, как были обнаружены вирусы этой группы. Эпидемиологи установили,

что многие вирусы, вызывающие заболевания позвоночных животных,

переносятся клещами или комарами.

Тогавирусы, патогенные для человека, обычно эндемичны для различных видов

животных и передаются человеку лишь через укус какого-либо членистоногого

переносчика. Вирусы этой группы были названы арбовирусами (означает

«переносимый членистоногими»). Впоследствии, однако, стало ясно, что под

этим названием объединены вирусы, резко различающиеся по своим

биохимическим свойствам. Общим у них обычно является способность

размножаться как в клетках насекомого-переносчика, так и в клетках тех или

иных позвоночных животных. Основная часть арбовирусов по своим

биохимическим свойствам относится к тогавирусам. Серологически тогавирусы

делятся на две группы (А и В), которые в настоящее время называются

альфавирусами и флавирусами соответственно. К числу тогавирусов относятся

по меньшей мере два вируса, не являющиеся арбовирусами, - вирус краснухи и

Страницы: 1, 2, 3, 4