§ 2. Структурная организация вирусных геномов.

Различия в источниках происхождения и длительности эволюции обусловливают многообразие генетической организации вирусов. Вместе с тем, в наследственном аппарате всех вирусов используется неперекрывающийся триплетный генетический код. Три нуклеотида в односпиральных молекулах нуклеиновых кислот кодируют одну аминокислоту. Моноцистронный ген – это участок РНК или ДНК, кодирующий только один структурный или функциональный полипептид (белок). Полицистронный ген – это ген, в пределах которого закодирована информация о двух или более структурных или функциональных полипептидах.

В отличие от строго моноцистронных геномов эукариотов, геномы вирусов являются полицистронными, либо же, в случае сегментарного генома, представляют собой совокупность моно- и полицистронных фрагментов нуклеиновой кислоты (например, ортомиксовирусы). Полицистронный геном функционирует в строго определенной последовательности: вначале транскрибируются сверхранние гены, затем ранние, промежуточные и в последнюю очередь – поздние гены. Ферменты репликации кодируются ранними генами, структурные белки – поздними.

Вирусные геномы могут содержать либо только структурные гены, либо совокупность структурных и регуляторных генов. Структурные гены кодируют структурные вирусные белки и ферменты – полимеразы. Регуляторные гены контролируют функцию структурных генов с помощью своих белковых продуктов. Гены, усиливающие транскрипцию, называются энхенсорами (enhancer – ген-усилитель), гены, подавляющие транскрипцию – репрессорами (repressor).

Все вирусные геномы имеют промоторы – участки, предшествующие структурным генам и определяющие место специфического связывания ДНК- или РНК-зависимой РНК-полимеразы.

Вирусные геномы могут иметь как мозаичную, так и непрерывную организацию генов.

При транскрипции мозаичных генов с целью их трансляции считываются и экзоны, и интроны. В последующем образовавшаяся иРНК подвергается процессингу (processing - созревание), который заключается в вырезании и удалении интронов и сшивании (сплайсинг - splicing) экзонов. При транскрипции мозаичных генов с целью репликации вирусного генома интроны сохраняются.

Структура геномов мелких ДНК-вирусов и гаплоидных РНК-вирусов (парво-, папиллома-, полиома-, пикорна-, ортомиксо-, парамиксо-, рабдо-, буньявирусы и др.). Геномы этих вирусов целиком состоят из структурных генов и не имеют в своем составе специальных регуляторных генов. Регуляция структурных генов осуществляется структурными полифункциональными белками, обладающими регуляторными функциями.

Принципиальная схема геномов данной группы вирусов имеет следующий вид:

5’-

- 3’

P r – промотор, A, B, C, D – структурные гены, Ф – функциональный ген, кодирующий вирусную полимеразу, - направление рамки считывания.

Полицистронность геномов подобной организации выражается в том, что вначале образуется, как продукт одного общего гена, один гигантский полипептид, который в последующем нарезается на несколько небольших полипептидов, каждый из которых соответствует своему гену. В случае сегментированного генома каждый из сегментов имеет свою рамку считывания. Геномы мелких ДНК-вирусов и гаплоидных РНК-вирусов могут иметь незначительное количество участков нуклеиновой кислоты с неясной функцией, которые непосредственно не кодируют определенные белки.

Структура геномов крупных ДНК-вирусов (герпес-, покс-, адено-, гепаднавирусы). Геномы данных вирусов, наряду с уникальными неповторяющимися структурными генами, имеют специфические регуляторные гены, на долю которых может приходиться до 80 % генома. Регуляторные гены представлены как энхенсорами, так и репрессорами. Их регуляторное влияние на структурные гены опосредовано специфическими белками. У крупных ДНК-вирусов гены имеют полицистронную организацию. Количество рамок считывания может достигать двух десятков (герпесвирусы имеют 16 рамок считывания). Каждой рамке считывания соответствует свой промотор, в связи с чем промоторы могут располагаться не только в начале, но и внутри вирусного генома.

Принципиальная структура геномов крупных ДНК-содержащих вирусов имеет следующий вид:

5’-

Pr₂

Pr₃

Pr₁

-3’

P r – промотор, A, B, C, D, G – структурные гены, E – энхенсор, R – репрессор, - направление рамки считывания.

Структура геномов диплоидных РНК-вирусов (ретровирусы). Диплоидный геном формируется за счет наличия 2 идентичных молекул РНК. Геномы ретровирусов имеют полицистронную экзон-интронную организацию. В состав генома входят как структурные, так и функциональные гены. На обоих концах геномной РНК ретровирусов имеются длинные концевые повторы – LTR (long terminal repeats), в состав которых входят энхенсоры и промоторы. В геноме ретровирусов может содержаться онкоген (src). Количество рамок считывания может достигать 16 (ВИЧ-1).

Принципиальная структура геномов ретровирусов (на примере генома ВИЧ-1) имеет следующий вид: