Параграф 2. Дифференциация у прокариот

Дифференциация – это образование клеток (или их структур), осуществляющих специализированные функции и часто отличающихся строением от обычных вегетативных клеток.

У одноклеточных микроорганизмов она выражена уже на уровне почкующихся форм (например, у Hyphomicrobium).

У цианобактерий в трихомах есть специализированные клетки. Это осуществляющие азотфиксацию гетероцисты, которые имеют толстую оболочку, не способны к делению и не содержат фотосистему ІІ, и акинеты – покоящиеся клетки с плотной оболочкой. Актинобактерии образуют два вида мицелия: погруженный в среду субстратный и находящийся на поверхности воздушный мицелий. Иногда выделяют поверхностный, стелящийся по субстрату.

Размеры плодовых тел варьируются от 50 до 500 мкм, обычно содержат яркие каротиноидные пигменты. Различаются по сложности: от простых глобул, окруженных стенками (Myxococcus) до сложных древовидных структур (Chondromyces).

Дифференциация включает формирование покоящихся форм клеток. Целый ряд грамположительных бактерий, принадлежащих к родам Bacillus, Sporolactobacillus, Clostridium, Desulfotomaculum и др., образует специальные устойчивые к внешним воздействиям покоящиеся структуры, называемые эндоспорами. Известны случаи сохранения жизнеспособности эндоспор возбудителя сибирской язвы (Bacillus anthracis) в течение 500 лет, термоактиномицетов – до 7500 лет и бациллярных эндоспор из кишечника древней пчелы, замурованной в куске янтаря, возраст которого 25-30 млн. лет.

Споруляция (образование эндоспоры) происходит в несколько стадий. После удвоения генетического материала в материнской клетке ее содержимое претерпевает неравное деление. Меньшая клетка (преспора) обволакивается со всех сторон большей клеткой (спорангием) и оказывается окруженной двойным мембранным слоем. Между этими мембранами формируются споровые оболочки. Цикл спорообразования завершается лизисом спорангия и выходом зрелой споры. Споруляция обычно начинается при истощении питательных веществ в среде и длится от 7 до 10 ч.

Как правило, в клетке закладывается одна спора, хотя известны случаи формирования до 5 спор в одной бактериальной клетке.

Циста – это потерявшая подвижность клетка с утолщенной, ослизненной оболочкой, устойчивая к высушиванию и перепадам температур. Метаболическая активность цисты значительно снижена. Образование цист характерно для азотфиксирующих свободноживущих микроорганизмов из рода Azotobacter, некоторых метанотрофов и олиготрофов.

Глава 3. Элементы общей вирусологии

Параграф 1. Вирусы – не живые!

Для упорядочения наименований вирусов выработан ряд правил. Название семейств оканчивается на «viridae» (примеры – Herpesviridae, ), подсемейств — «virinae», рода — «virus». В названиях допускаются привычные латинизированные обозначения, цифры и обозначения типов, сокращения, буквы и их сочетания. Правила номенклатуры вирусов дают определения виду, роду и семейству.

Вид - это класс вирусов, характеризующийся большим числом критериев, образующий реплицирующуюся линию и занимающий особую экологическую нишу.

Род - это группа видов с определенными общими характеристиками и отличающаяся от вирусов других родов. Критерии для выделения родов различаются у разных семейств.

Семейство - это группа родов с общими характеристиками, отличающаяся от других семейств. Основные критерии, использующиеся для деления на семейства, включают фундаментальные свойства вирионов:

Ø тип и структуру нуклеиновой кислоты;

Ø наличие липопротеиновой оболочки;

Ø стратегию вирусного генома; размер и морфологию вирионов.

Таблица 2.1 Классификация вирусов по строению генома

Тип НК	Тип нуклеоида	Семейства вирусов
ДНК	Двухцепочечная линейная	Герпес-, иридо- и аденовирусы
	Двухцепочечная линейная с замкнутыми концами	Поксвирусы
	Двухцепочечная кольцевая со сверхзавитками	Паповавирусы
	Двухцепочечная кольцевая, в одной нити на четверть недостроенная	Гепаднавирусы
	Одноцепочечная линейная	Парвовирусы
РНК 80% вирусов	Одноцепочечная линейная цельная (несегментированная)	Большинство (в.т.ч. флави-, ретра-, тогавирусы): цельно-линейная геномная РНК наделена функцией иРНК («+» - геном). Геном ретровирусов диплоидный. У меньшинства «–» - геном. Независимо от того, сегментированы РНК или нет, функцией иРНК выполняют комплементарные им цепи, транскрипция которых осуществляется в клетке с помощью вирусоспецифических транскриптаз. на 8 сегментов у ортомиксовирусов на 2 сегмента у ареновирусов.
	Одноцепочечная линейная, фрагментированная:
	Одноцепочечная кольцевая фрагментированная	Буньявирусы. Фрагментирована на 3 участка
	Двухцепочечная фрагментированная	Реовирусы. Фрагментирована на 10-12 участков.

Стадия образования кольцевой формы обязательна для процесса интеграции ДНК с клеточным геномом. Кольцевые формы представляют собой удобный и эффективный способ регуляции транскрипции и репликации ДНК, и обеспечивают защиту от клеточных эндонуклеаз.

ДНК-вирусы. Группа ДНК-содержащих вирусов представлена 7 семействами, четыре из них - вирусы позвоночных, а в остальных трех имеются подсемейства, роды и виды, вызывающие болезни у насекомых.

В составе вирионов всех вирусов одного вида, содержащих одноцепочечную ДНК, обычно содержатся молекулы ДНК одной полярности. Исключение составляют аденоассоциированные вирусы, вирионы которых содержат ДНК либо одной полярности (условно называемой «плюс»), либо ДНК с противоположным знаком (условно — «минус»). Тотальный препарат вируса состоит из двух типов частиц, содержащих по одной молекуле плюс- или минус-ДНК. Инфекционный процесс при заражении этими вирусами возникает лишь при проникновении в клетку частиц обоих типов.

РНК-вирусы. Группа РНК-содержащих вирусов включает 12 классифицированных и 2 предполагаемых семейства. У них, не считая семейств рео- и бирнавирусов, геномные РНК - одноцепочечные структуры.

Существуют вирусы, содержащие как плюс-нитевые, так и минус-нитевые РНК гены (амбисенс-вирусы). К ним относятся аренавирусы.

Параграф 2. Структура вириона

Отдельная вирусная частица получила название «вирион». Белковый чехол у изометрического вириона или белковая трубка у вириона со спиральной симметрией называется капсидом. Если капсид (чаще спиральный и реже изометрический) содержит нуклеиновую кислоту, такой комплекс называется нуклеокапсидом. У большинства изометрических и у всех сложных вирионов капсид заключает в себе внутренний белок и нуклеиновую кислоту (вирусный геном), называемые сердцевиной.

Вирусы имеют два типа симметрии строения капсида: кубический и спиральный (трубчатый капсид). Структурными единицами капсида являются белковые субъединицы, состоящие из одной или нескольких молекул белка. Структурная единица вируса табачной мозаики состоит из молекул одного белка, вируса полиомиелита — из четырех молекул белка.

Многие сложно устроенные вирусы имеют внешнюю липопротеидную болочку (пеплос), представляющую собой липидный бислой со встроенными в него суперкапсидными белками. Как уже понятно, в совокупности белковый и липидный слои образуют суперкапсид. Форма таких вирионов приближается к сферической.

Параграф 3. Репродукция вирусов:

При осуществлении жизненного цикла РНК-геномные и ДНК-геномные вирусы реализуют различные молекулярные механизмы и стратегии. В связи с этим особенности репликации этих геномов и их экспрессии будут рассмотрены раздельно.

Пункт1. РНК-вирусы

Эти вирусы копируют свои геномы с использованием одного из двух уникальных биохимических путей: или путем РНК-зависимого синтеза РНК (репликация РНК) или, как ретровирусы, РНК-зависимого синтеза ДНК (обратная транскрипция), который сопровождается репликацией ДНК и транскрипцией.

Изменчивость РНК. Полимеразы, катализирующие репликацию РНК, и обратная транскриптаза имеют минимальные возможности для исправления ошибок синтеза. В результате, частота возникновения ошибок при синтезе РНК приблизительно в 10 тысяч раз выше, чем при репликации ДНК, и она зависит от числа нуклеотидов, составляющих вирусный геном. Это означает, что геном любой индивидуальной частицы РНК-содержащего вируса будет содержать одну или несколько мутаций, отличающих его от последовательности дикого типа данной вирусной разновидности.

Как следствие, РНК-содержащие вирусы могут эволюционировать в миллион раз быстрее чем, ДНК-организмы.

Основная масса РНК-содержащих вирусов реплицируется в цитоплазме. Однако известен ряд исключений из этого правила. В дополнение к ретровирусам, которые синтезируют ДНК копии своих геномов и встраивают их в клеточные хромосомы, ортомиксо- и борнавирусы, чей геном представлен линейной (-)РНК, и кольцевая РНК вируса гепатита дельта, подобная вироидам растений, также реплицируются в ядре.

(-)РНК-геномы и их антигеномные комплементы остаются связанными с белками нуклеокапсида, как в пределах вирусных частиц, так и в течение всего цикла вирусной репликации. Эти фундаментальные адаптационные различия основаны на том, что геномы положительной полярности должны удовлетворять трансляционным критериям, которые диктуются клеткой-хозяином, в то время как негативные геномы и антигеномы должны удовлетворять только матричным требованиям вирусоспецифической RdRp, в связи с тем, что они копируются, но никогда не транслируются.

Тип РНК генома вируса в значительной степени определяет, является ли первым шагом макромолекулярного синтеза трансляция, транскрипция или репликация РНК.

Вирусы с (+)РНК-геномом (кроме ретровирусов) поставляют геномные последовательности непосредственно клеточным рибосомам и начинают инфекционный цикл с процесса трансляции

Вирусные геномы, которые состоят из (-)РНК, (+/-)РНК или из днРНК – не инфекционны, потому что они начинают жизненный цикл с транскрипции вирусных мРНК,

Сателлитные РНК и дефектные РНК геномы. Иногда в инфицированных клетках обнаруживаются молекулы РНК, которые не являются ни независимо инфекционными, ни существенными для инвазионной способности вируса, но однако содержат действующие сis-аcting сигналы, активирующие их собственную репликацию и/или упаковку в белки, кодируемые другим вирусом. Такие спутниковые (сателлитные) РНК, паразитирующие на материнском вирусе, могут модулировать его репликацию и вирулентность. Среди РНК-содержащих вирусов животных основным примером вируса сателлита является вирус гепатита дельта, который упаковывает свой геном в белки, кодируемые вирусом гепатита B, и может существенно усиливать его патогенность. Паразитирование РНК-сателлита на ДНК-содержащем вирусном родителе необычно.

Пункт 2. ДНК-вирусы

В процессе репликации ДНК-содержащие вирусы осуществляют некоторые шаги, которые отсутствуют у РНК-геномных вирусов. Для большинства ДНК-содержащих вирусов генетические стратегии включают: транспорт ДНК вириона в ядро клетки, инициирование транскрипции с этой ДНК, индукцию транскрипции дополнительных вирусных генов, подготовку клетки для репликации ДНК вируса, дублирование ДНК-генома, упаковку ДНК в вирионы и выход вирусных частиц из ядра.

Репликация некоторых ДНК-вирусов происходит только в клетках, которые естественно реплицируют свою собственную ДНК, обеспечивая тем самым необходимую клеточную среду для репликации вирусной ДНК. Другие ДНК-вирусы также в значительной степени полагаются на клеточные системы репликации ДНК, но эти вирусы кодируют белки, стимулирующие клеточный цикл деления. Наконец, некоторые из самых больших ДНК-содержащих вирусов ограничено используют клеточный репликативный аппарат, т.к. сами кодируют вирусные версии многих из необходимых белков.

См. слайд и доп. литературу

Первая фаза репродукции

1. Адсорбция вирионов на поверхность клетки

2. Проникновение вирусов в клетку

3. Раздевание вируса в клетке (в случае фагов – раздевание на поверхности)

1. Вторая фаза репродукции

   1. Транскрипция

Два типа ферментативных активностей так важны, что их полезно выделить отдельно;

1) РНК-зависимая РНК-полимеразная активность. Эту функцию выполняют структурные белки всех вирусов, в вирионах которых содержится РНК, не играющая роль мРНК;

2) РНК-зависимая ДНК-полимеразная активность. Эту функцию выполняют специальные белки ретровирусов, именуемые ревертазами, или обратными транскриптазами. Кроме этих ферментов в сложно организованных вирионах, например, покс-, герпес- и иридовирусов содержатся киназы, нуклеазы, протеазы, фосфорилазы, трансферазы и др.;

2. Трансляция иРНК

3. Репликация генома вирусов

4. Синтез вирусных белков

5. Сборка вирионов

6. Выход вирусных частиц их клетки

Пункт 3. Типы взаимодействия клетки с вирусом

Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой: продуктивный, абортивный и интегративный.

Продуктивный тип — завершается обра­зованием нового поколения вирионов и ги­белью (лизисом) зараженных клеток (цитолитическая форма). Некоторые вирусы выходят из клеток, не разрушая их (нецитолитическая форма).

Абортивный тип — не завершается обра­зованием новых вирионов, поскольку инфек­ционный процесс в клетке прерывается на одном из этапов.

Интегративный тип, или вирогения — характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и их совместным сосуществованием (совместная репликация).