1.6.Особые случаи репликации и транскрипции у вирусов

Молекулярные события, лежащие в основе репликации и транскрипции в клетках прокариот и эукариот, в своих главных чертах достаточно однотипны. Значительно более разнообразны варианты протекания этих процессов при воспроизводстве генетического материала вирусов. В данном параграфе рассматриваются некоторые наиболее существенные и широко представленные в мире вирусов особые пути протекания матричного биосинтеза нуклеиновых кислот. Вследствие самой природы вирусов эти процессы протекают в клетках хозяина, инфицированных вирусами.

Ряд специфических особенностей наблюдается даже у вирусов, генетический материал которых, как и у клеток, представлен двунитевой ДНК. Например, у аденовирусов — возбудителей широкого спектра заболеваний у человека и животных — инициация репликации не требует создания РНК-праймера. Зрелая частица (вирион) аденовируса содержит на 5'-концах каждой из цепей двунитевой вирусной ДНК специальный белок, который фосфодиэфирной связью через гидроксигруппу одного из остатков серина связан с 5'-концевым остатком дезоксицитидин-5'-фосфата. Этот белок синтезируется в инфицированных клетках по программе, заложенной в вирусной ДНК. Новосинтезированные молекулы белка присоединяют dCMP и связываются с 3'-концом одной из материнских цепей вирусной ДНК, причем dCMP взаимодействует с 3'-концевым остатком dGMP этой цепи. В таком виде остаток dCMP выступает в роли праймера для синтеза новой дочерней цепи. Благодаря этому вся цепь синтезируется в один прием, образования фрагментов Оказаки не требуется, и ДНК-лигаза в создании новых молекул вирусной ДНК не участвует. Одновременно или с некоторым запозданием совершенно аналогичный процесс может начаться на второй материнской нити.

Особенно много нетрадиционных процессов связано с воспроизводством вирусов, вирионы которых в качестве генетического материала содержат либо кольцевую однонитевую ДНК, либо одно- (двунитевую) РНК.

Для вирусов, вирионы которых содержат однонитевую ДНК, первой стадией репликации является синтез в инфицированной клетке комплементарной цепи, т.е. образование двунитевой репликативной формы ДНК. При этом цепь ДНК, входящая в вирион, называется плюс-цепью, а создаваемая на ней, как на матрице, комплементарная ДНК — минус-цепью. Инициация и элонгация синтеза минус-цепи идут с участием ферментов клеток хозяина

Большая часть обычных РНК-содержащих вирусов имеет в составе вириона РНК, которая одновременно является информационной РНК, программирующей на рибосомах хозяина синтез структурных и неструктурных вирусных белков, и генетической структурой, способной к самовоспроизведению. Для выполнения последней функции в этих РНК, которые принято квалифицировать как плюс-цепи, запрограммирован специальный фермент, катализирующий синтез РНК на матрицах РНК. Этот фермент называют РНК-зависимой РНК-полимеразой или сокращенно РНК-репликазой. Вирусные плюс-РНК, попав в клетку, прежде всего начинают функционировать в качестве мРНК, чтобы обеспечить производство необходимого числа молекул репликазы. Затем с помощью РНК-репликазы на вирионной РНК производится минус-цепь, которая далее используется в качестве матрицы для создания новых плюс-цепей. У вирусов, содержащих в составе вириона плюс-РНК, репликаза является неструктурным белком, т.е. в состав вирионных частиц не входит.

Наряду с только что описанными вирусами, содержащими в составе вириона плюс-РНК, известна группа вирусов, содержащих в зрелой частице минус-РНК. К их числу относится вирус гриппа. Его дополнительной особенностью является то обстоятельство, что геном разрезан по большей части на отдельные гены — в состав вириона входит восемь разных полирибонуклеотидных цепей. Само по себе попадание в клетку минус-РНК к развитию инфекции привести не может, так как они не являются программами для синтеза вирусных белков. Для появления этих программ необходимо образование плюс-цепей, однако они не могут возникнуть в отсутствие РНК-репликазы, поскольку в клетках хозяина такой фермент не производится. Поэтому в состав вирионов этой группы вирусов наряду с минус-РНК входят ферменты репликации (у вируса гриппа таких ферментов три), т. е. у таких вирусов РНК-репликазы являются структурными белками.

Эти ферменты попадают в клетку хозяина во время вирусной инфекции вместе с вирусом РНК, на которой, как на матрице, начинается синтез плюс-цепей. По мере их появления в инфицированной клетке развивается синтез вирусных белков, в том числе новых молекул репликаз, синтез новых минус-цепей на плюс-цепях, и в конечном итоге возникают новые частицы вируса.

Совершенно иначе функционируют ретровирусы. Их вирионы содержат РНК-зависимую ДНК-полимеразу (обратную транскриптазу), катализирующую обратную транскрипцию — синтез новых молекул ДНК по программе, задаваемой вирусной РНК. С помощью этого фермента в зараженной клетке производится единственная однонитевая ДНК-копия вирусной РНК, которая при участии ферментов хозяина превращается в двунитевую ДНК. По ходу обратной транскрипции в качестве промежуточных образований возникают гибридные ДНК-РНК-структуры, одна цепь которых происходит из РНК вириона, а другая — из продукта обратной транскрипции. Постепенно вирионная РНК в этом гибриде разрушается, поскольку РНК-зависимой ДНК-полимеразе свойственна активность РНКазы Н — способность катализировать гидролиз полирибонуклеотидной цепи в составе РНК-ДНК-гибрида. По мере разрушения РНК синтезированная однонитевая ДНК становится матрицей для формирования комплементарной ДНК-цепи. Полученная двунитевая ДНК встраивается с помощью специальных рекомбинационных механизмов в ДНК хозяина, т. е. становится частью его хромосомы. В дальнейшем новые молекулы вирусной РНК и вирусных белков, необходимые для образования новых вирусных частиц и развития инфекции, производятся с участием общих систем транскрипции и трансляции клеток хозяина.

39