Лекция 7. 2 сем

7.4.Механизм инфицирования

На рисунке 13 приведена схема проникновения вируса в клетку

Рисунок 13. Схема взаимодействия вируса с эукариотической клеткой

Взаимодействие вируса и клетки хозяина

Существует четыре типа взаимодействия:

продуктивная вирусная инфекция (взаимодействие, в результате которого происходит репродукция вируса, а клетки погибают);

абортивная вирусная инфекция (взаимодействие, при котором репродукции вируса не происходит, а клетка восстанавливает нарушенную функцию);

латентная вирусная инфекция (идет репродукция вируса, а клетка сохраняет свою функциональную активность);

интегративная инфекция (вирус-индуцированная трансформация) (взаимодействие, при котором клетка, инфицированная вирусом, приобретает новые, ранее не присущие ей свойства).

После адсорбции вирионы проникают внутрь путем эндоцитоза

(виропексиса) или в результате слияния вирусной и клеточной мембран.

Образующиеся вакуоли, содержащие целые вирионы или их внутренние компоненты, попадают в лизосомы, в которых осуществляется депротеинизация, т. е. «раздевание» вируса, в результате чего вирусные белки разрушаются.

Освобожденные от белков нуклеиновые кислоты вирусов проникают по клеточным каналам в ядро клетки или остаются в цитоплазме.

Рисунок 14. Результат взаимодействие вируса с клеткой

Нуклеиновые кислоты вирусов реализуют генетическую программу по созданию вирусного потомства и определяют наследственные свойства

вирусов.

С помощью специальных ферментов (полимераз) снимаются копии с

родительской нуклеиновой кислоты (происходит репликация), также

синтезируются информационные РНК, которые соединяются с рибосомами и осуществляют синтез дочерних вирусных белков (трансляцию).

После того как в зараженной клетке накопится достаточное количество компонентов вируса, начинается сборка вирионов потомства.

Процесс этот происходит обычно вблизи клеточных мембран, которые иногда принимают в нем непосредственное участие.

Всоставе вновь образованных вирионов часто обнаруживаются вещества, характерные для клетки, в которой размножается вирус.

Втаких случаях заключительный этап формирования вирионов представляет собой обволакивание их слоем клеточной мембраны.

Последним этапом взаимодействия вирусов с клетками является выход или освобождение из клетки дочерних вирусных частиц.

Простые вирусы, лишенные суперкапсида, вызывают деструкцию клетки и попадают в межклеточное пространство.

Другие вирусы, имеющие липопротеидную оболочку, выходят из клетки путем почкования. При этом клетка длительное время сохраняет жизнеспособность.

В отдельных случаях вирусы накапливаются в цитоплазме или ядре зараженных клеток, образуя кристаллоподобные скопления – тельца включений

Распространение и роль вирусов и фагов в природе возбудители инфекционных заболеваний человека, животных, растений.

7.5. Морфология бактериофагов и механизм проникновения в

клетку бактерий

Фаг состоит из головки и отростка. Призматическая головка фага это капсид, внутри которого одна или две нити ДНК. Отросток представляет собой белковый стержень, покрытый сверху чехлом из спирально расположенных капсомеров, способных к сокращению. Отросток

заканчивается базальной пластинкой с 5-6 выростами. От пластинки отходят тонкие нити – органы адсорбции.

Рисунок 15. Строение бактериофага

Рисунок 16. Бактериофаги

При заражении фаг адсорбируется чувствительной к нему клеткой бактерии. ДНК из головки фага по отростку переходит в бактерию, а

оболочка остается снаружи. После заражения бактерия утрачивает способность к делению, перестает двигаться. Метаболизм бактериальной клетки перестраивается под влиянием бактериофага. Она начинает многократно воспроизводить фаговую ДНК и синтезировать белки капсида.

Внутри бактериальной клетки происходит сборка вирусов. Затем клеточная стенка бактерии растворяется, и из нее выходят зрелые фаги. Одна клетка бактерии становится источником нескольких сотен и даже тысяч фагов.

Процесс взаимодействия бактериофига с клеткой состоит из нескольких стадий:

1. Адсорбция. На этой стадии происходит прикрепление вируса к поверхности клетки. Каждый вирус строго специфичен в отношении хозяина.

На одной клетке может адсорбироваться несколько сотен вирусов.

2. Инъекция (проникновение вируса в клетку). Внутрь клетки проникает лишь нуклеиновая кислота. Белковая оболочка остается снаружи

(вирус «раздевается»). У бактерий происходит механический ввод нуклеиновой кислоты после прокалывания фагом клеточной стенки.

3. Внутриклеточное развитие вируса. Инъецированная нуклеиновая кислота фага прежде всего вызывает полную перестройку метаболизма зараженной клетки. Прекращается синтез бактериальной ДНК, а также РНК и бактериальных белков. Начинается синтез нуклеиновой кислоты фага, а в рибосомах – синтез белковых оболочек фагов.

4.Сборка вирусных частиц. Выход фагов из клетки. Клеточная стенка при этом растворяется, и из нее выходят зрелые или вирулентные фаги.

Иногда клетка инфицируется недостаточно активным фагом, который в клетке не размножается и не вызывает лизиса. Клетка способна размножаться,

причем «инфекционное начало» переходит в дочерние клетки. Такие бактериофаги называются умеренными, а бактериальные клетки – передатчики этих фагов – лизогенными культурами.

Рисунок 17. Проникновение бактериофага в клетку

Цикл развития профага называется лизогенным циклом. Существенных различий в морфологии умеренных и вирулентных фагов не установлено.

При определенных условиях (например, при облучении лизогенной культуры) умеренные фаги могут превратиться в вирулентные и вызвать лизис клетки.

Иногда клетка инфицируется недостаточно активным фагом, который в клетке не размножается и не вызывает лизиса.

Рисунок 18. Развитие бактериофага: А – развитие вирулентного фага; Б – лизогенный бактериальный цикл развития. 1 – бактериальная клетка; 2 –

адсорбция фага; 3 – инъекция. ДНК-фага в клетку; 4 – образование вегетативных фагов; 5 – сборка вирусных частиц в клетке; 6 – лизис клетки,

выход бактериофага; 7 – свободные фаги; 8 – превращение в профаг; 9 –

одновременное деление фага и клетки; 10 – возможность образования вирулентного фага

Клетка способна размножаться, причем «инфекционное начало» переходит в дочерние клетки. Такие бактериофаги называются умеренными,

а бактериальные клетки – передатчики этих фагов – лизогенными культурами.

7.6. Развитие умеренных фагов: лизогения

Лизогения (от греч. lysis — распад, разрушение и gennao — создаю,

произвожу) — наследуемое свойство бактериальной клетки образовывать инфекционный бактериофаг и выделять его в окружающую среду.

Бактериальные культуры, обладающие этим свойством, называют лизогенными.

Лизогения (англ. Lysogenic cycle) совместное существование бактерий и бактериофагов, при котором бактериофаг является составной частью

нормально развивающейся бактериальной клетки. Фаг встраивает свой геном в геном бактерии и удваивается при каждом делении клетки.

При лизогении нуклеиновая кислота бактериофага включается в состав хромосомы бактерии и воспроизводится вместе с ней. Образуются белки,

придающие бактерии-хозяину ряд новых свойств, например, меняют ее вирулентность, чувствительность к антибиотикам или другим бактериофагам. Фаговые частицы не образуются.

Явление лизогении открыли Львов (A. Lwoff) и Гутманн (A. Gutmann),

которые показали, что индивидуальные клетки Вас. megaterium многократно делятся без выделения фага, но после 19-го деления дочерняя бактерия лизируется, выделяя при этом активный фаг (см. Бактериофаг). Обнаружить активный фаг или фаговые антигены внутри лизогенной бактерии пока не удалось. Установлено, что в лизогенной бактерии бактериофаг находится в особой форме, отличающейся от зрелого фага. Эта форма, которую Львов назвал профагом, представляет собой ДНК фага, объединенную с ДНК бактерии.

Таким образом, состояние лизогении — пример объединения генетического аппарата вируса (фага) с хромосомой хозяина (бактерии)

Профаг непатогенен для бактериальной клетки и репродуцируется одновременно с бактериальной хромосомой. Летальным для бактерии оказывается лишь превращение профага в зрелый фаг. Способность вызывать состояние лизогении у бактерий присуща определенным, так называемым умеренным, фагам. Инфекция бактериальной клетки таким фагом,

завершающаяся установлением состояния лизогении, называется редуктивной, в отличие от продуктивной, заканчивающейся размножением фага и лизисом клетки.

Лизогенность, приобретенная бактериями в результате заражения умеренным фагом,— весьма стойкое свойство, сохраняющееся в течение многих лет. Однако возможна реверсия лизогенных клеток к нелизогенности.

Умеренные фаги, лизогенизирующие бактерию, объединены с ее

хромосомой, как правило, в определенных участках. Так, например, фаг λ локализован в хромосоме Е. coli К12 рядом с геном, контролирующим расщепление галактозы, а фаг 080 сцеплен с генами синтеза триптофана.

Лизогенные бактерии приобретают иммунитет к повторному заражению гомологичным фагом. Доказано, что эта форма иммунитета клетки обусловлена неспособностью ДНК суперинфицирующего фага индуцировать в клетке синтезы, приводящие к формированию фаговых белков и ДНК.

Превращение профага в вегетативный, а затем в зрелый фаг называют индукцией. Этот процесс может происходить спонтанно или же под влиянием внешних факторов, из которых наиболее активным является ультрафиолетовое облучение. Механизм индукции еще точно не изучен, но известно, что в результате его хромосома фага оказывается автономной, не связанной с хромосомой бактерии, и в клетке начинается синтез частиц фага.

Особый интерес представляет то, что большинство индуцирующих агентов является мутагенами, а многие из них — канцерогенами. В ряде случаев лизогенизация бактерий сопровождается изменением (конверсия) некоторых

еесвойств. Например, описаны умеренные дифтерийные фаги,

лизогенизация которыми обусловливает появление у дифтерийной палочки токсигенности.

Некоторые авторы выделяют понятие «псевдолизогении», при которой инфицирующий фаг размножается за счет чувствительных бактерий,

появляющихся путем мутации при размножении устойчивых к фагу культур.

В отличие от псевдолизогенных штаммов, или штаммов - носителей,

существуют также штаммы бактерий, обладающих истинной лизогенней. В

таких штаммах профаг размножается как интегральная часть генетического аппарата каждой бактериальной клетки. Во время размножения бактерии происходит спонтанное превращение профага в вегетативный фаг. Частота этого превращения незначительна, но типична, например, 1 : 106 клеточных генераций.

В некоторых, но не во всех лнзогенных культурах, частоту продуктивного лизиса можно значительно повысить действием ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, азотных аналогов иприта,

перекисей и некоторых других агентов. Биохимический механизм такой

«индукции» неизвестен.

Пример вируса, который обычно существует в лизогенном цикле – герпес, который при инфицировании человека переходит в лизогеничнный цикл и перемещается к нервной системе, где он существует в нервных волокнах как эписомный элемент. Через длинный период времени (от нескольких месяцев до десятков лет) в скрытой стадии, вирус герпеса часто восстанавливается до литической цикла, в течение которого он может вызвать острое заболевание нервной системы. В некоторых случаях, при существовании интегрированного лизогеничного фагу у бактерии может

В любой момент, когда вирус активируется, вирусный геном выщепляется от ДНК клетки-хозяина и переходят в литический цикл. Сигналами могут быть разные внешние факторы и, например, концентрации гормонов и факторов роста в пределах зараженной клетки.

В лизогенной культуре ДНК вируса не вызывает образования вирусспецифических белков и нуклеиновых кислот, но включается в бактериальную хромосому. С практической точки зрения бактерия приобретает новый набор генов (встроенного вируса), а также становится

«иммунной» к повторному заражению (интерференция вирусов).

Некоторые умеренные фаги (например, участвующие в процессах трансдукции бактерий) не способны образовывать дочерние популяции, то