ТЕМА: «РЕПРОДУКЦИЯ ВИРИОНОВ ВИРУСОВ»

Цель: сформировать научное представление о способе размножения вирусов.

План

1.Понятие о репродукции вирусов. Биосинтез в нормальной клетке нуклеиновых кислот и белков.

2.Особенности, условия и этапы репродукции вирусов.

3Типы и формы взаимодействия вируса и клетки.

1.Понятие о репродукции вирусов. Биосинтез

внормальной клетке нуклеиновых кислот и белков

Все живое размножается, отделяя себе подобное, которое зарождается внутри организма. В процессе эволюции сложились разные способы размножения. Но наблюдается закономерность: чем меньше существо и более неблагоприятные условия жизни, тем большее количество потомков оно дает и быстрее размножается. Например: слониха вынашивает слоненка 11 месяцев, корова – 9 месяцев, свинья около 4 месяцев, кролик – 1 месяц. Птицы дают до 200–250 потомков в год. Лягушки, рыбы откладывают икру до десятка тысяч потомков, бактерии делятся каждые 20 минут.

Вирусывоспроизводятсебеподобныхсвоеобразно–отличаясь от всех других жителей Земли. Они передают только голую информацию через чувствительные клетки и за счет их ресурсов. В клетке за несколько часов образуется от 1000 до 10 000 вирусных частиц. Такой способ размножения назвали репродукцией. Размножение вирусов тесно связано с клеткой, поэтому необходимо вспомнить, как размножается нормальная клетка. Этот процесс включает синтез ДНК и синтез клеточных белков.

Синтез клеточных ДНК происходит путем репликации (удвоения). При этом двухспиральная молекула ДНК расщепляется на две отдельные нити с помощью специальных ферментов – хеликаз (ДНК зависит АТФ-фаза). Эти нити являются матрицами, на которых по принципу комплиментарности достраиваются новые (дочерние) нити с помощью фермента ДНК -полимеразы.

29

ДНК является носителем генетической информации о строении всего клеточного белка, но сама не может быть матрицей для его построения. Синтез белка происходит на рибосомах, а передачу информации с ДНК на них осуществляет И-РНК. На определенном участке двухцепочной ДНК (в пределах гена) с помощью фермента ДНК/РНК-полимеразы синтезируется молекула И-РНК, каждый триплет которой кодирует по одной аминокислоте в том же порядке, что и в ДНК, а в целом один белок. Этот процесс называют транскрипция. Затем И-РНК поступает на рибосомы (из ядра в цитоплазму), где происходит трансляция – процесс построения белковой молекулы. И-РНК двигается через рибосому триплетами. И в этом порядке Т-РНК «привозят» аминокислоты, выстраивая белок. Каждую аминокислоту привозит своя Т-РНК. Их 20 штук, т.е. столько же, сколько аминокислот. Аминокислота остается на рибосоме только в случае, если триплет Т-РНК комплементарен триплету И-РНК, находящемуся в это время на рибосоме. Т-РНК уходит за следующей аминокислотой, а И-РНК продвигается на один триплет вперед. Таким образом образуется цепочка из аминокислот – первичная структура белка. Затем формируется вторичная и третичная структуры белка. А дальше белковая молекула идет на построение клеточных структур.

2.Особенности, условия и этапы репродукции вирусов

Особенности репродукции вирусов заключаются в следующем:

–Геномы представлены как ДНК, так и РНК разных форм: 1- и 2-линейные, кольцевые, фрагментированные.

–Все вирусы РНК синтезируются независимо от ДНК клетки

вотличие от клеточных.

–Вирусы используют для размножения белоксинтезирующие системы клетки.

–Разнообразные механизмы репликации вирусных геномов.

–Дизъюктивный (разобщенный во времени и пространстве) биосинтез структурных компонентов. Компоненты вируса синтезируется в разных участках клетки: нуклеиновой кислоты, чаще

вядре, белки в цитоплазме, а сборка целых вирионов происходит

30

на поверхности клеточных мембран, суперкапсид формируется в процессе почкования.

Для того чтобы был возможен процесс репродукции, необходимо 4 основных условия:

–чувствительные к вирусу клетки должны иметь соответствующие вирусу (комплементарные) рецепторы,на которых может фиксироваться вирион;

–наличие в межклеточном веществе чувствительных клеток трипсиноподобныхмодифицирующихферментов,которыерасщепляют белковые молекулы рецепторов вируса и придают им конфигурацию, необходимую для прикрепления к комплементарным рецепторам клеточной мембраны. При отсутствии этих ферментов вирионы могут адсорбироваться на клетках, но проникнуть в них не могут;

–сама клетка (и в цитоплазме, и в оболочке) должна иметь ферменты, растворяющие белковую оболочку вируса и высвобождающие его нуклеиновую кислоту, так как многие вирусы своих ферментов не имеют, но некоторые вирусы обладают ферментами, которые играют важную роль в репродукции вируса (нейраминидаза расплавляет оболочку клетки);

–клетка должна быть полноценной, а значит иметь материалы

иэнергоресурсы, которые обеспечивают синтез компонентов вируса

иформирование полноценной вирусной частицы. Такие полноценные клетки называют пермиссивными.

В процессе взаимодействия вируса клетки различают 6 этапов: 1 адсорбция вирионов на поверхности клетки; 2 проникновение в клетку;

3 депротеинизация (раздевание) вируса и освобождение вирусного генома;

4 синтез вирусных компонентов;

5 сборка вируса;

6 выход вируса из клетки.

Адсорбция – «прилипание» вириона к поверхности клетки. Первоначальный контакт вируса с клеткой происходит в результате случайного столкновения, а затем происходит адсорбция. В основе адсорбции лежит 2 механизма:

–Неспецифический, который определяется силами электростатического взаимодействия (+ и – заряды притягиваются). Вирусный

31

белок имеет положительный заряд, а клеточная мембрана отрицательный.

– Специфический, который обусловлен комплементарностью рецепторов вируса и клетки. Рецепторы вируса могут иметь разную химическую природу, чаще это гликопротеиды, входящие в состав капсида или располагающиеся на поверхности суперкапсиднойоболочкиввидешипиков,ворсинок,коронокит.д.Строение, форма и количество их строго определенное. Так, у аденовируса их 12 (отростки), у вируса гриппа 300–450 молекул.

Рецепторы клеток, которые используют вирусы, предназначены для прохождения в клетку необходимых для ее жизнедеятельности веществ, гормонов, факторов роста и т.д. Рецепторы тоже могут иметь различную химическую природу (белки, углеводный компонент белков и липидов, липиды). Например, рецепторами для вируса гриппа и парамиксовирусов являются сиаловая кислота в составе гликопротеидов и гликолипидов. Количество специфических для вируса рецепторов на одной клетке находится в пределах 10–100 тысяч. Процесс узнавания клеточных рецепторов вирусными высоко специфичен и объясняет явление тропизма (чувствительность той илиинойтканиорганизмакопределенномувирусу).Еслиразрушить клеточные рецепторы, или удалить химическими веществами, или блокировать специфическими антителами, то адсорбция невозможна. Если даже вирус прикрепится к неспецифическим рецепторам, проникнуть в клетку он не сможет и инфекции не будет. Нормальная адсорбция протекает при определенных условиях t° –37–42 °С, при наличии ионов Са++ Mg++, определенной рН среды, при определенном соотношении концентрации вируса и клеток. Препятствуют адсорбции антитела, вещества, несущие высокий отрицательный заряд (гепарин).

В процессе адсорбции различают два периода, которые быстро следуют друг за другом. Первый – обратимый, который характеризуется образованием единичной связи вируса с рецептором клетки – непрочное прикрепление и вирион легко может оторваться – десорбция. Второй - необратимый. В этом случае образуются множественные связи между вирусной частицей и молекулами рецепторов, до трех тысяч в участке адсорбции. При необратимой адсорбции никакие воздействия не позволяют высвободить адсорбированный вирус.

32

Таким образом, адсорбция – обязательный процесс, без которого невозможно проникновение вириона во внутрь чувствительной клетки.

2 этап – проникновение вируса в клетку, может происходить двумя основными способами:

1 способ – виропексис или рецепторный эндоцитоз. Это означает, что вирион попадает в цитоплазму клетки в результате инвагинации участка клеточной мембраны и образования внутриклеточной вакуоли с вирионом внутри. В клетку таким образом проникают питательные вещества и вода из межклеточного пространства. Этот способ проникновения характерен в основном для простых вирусов (без суперкапсидной оболочки).

2 способ – слияния оболочки вируса с клеточной мембраной. Этим способом проникают сложные вирусы (с суперкапсидной оболочкой). В результате точечного взаимодействия вирусного белка с липидами клеточной стенки она расплавляется и вирусная суперкапсидная оболочка встраивается в клеточную мембрану, а нуклеокапсид оказывается внутри клетки.

Простые вирусы тоже могут проникать этим способом, только встраивается в клеточную мембрану капсид, а в клетке оказывается только нуклеиновая кислота. Таким образом проникновение вируса совмещается с 3-м этапом (депротеинизацией). Такой способ проникновения характерен для фагов.

3 этап депротеинизация, или «раздевание» вируса, является важным моментом в репродукции вирусов, так как с клеткой может взаимодействовать только нуклеиновая кислота, освобожденная от всех оболочек. Депротеинизация вируса происходит в специальных участках клетки. Так, вакуоли с вирионами сливаются с лизосомами, ферменты которых разрушают защитные оболочки вируса. Вирусы могут раздеваться в структурах аппарата Гольджи или в порах ядерной мембраны. В этом процессе участвуют как ферменты клетки, так и ферменты вируса, если они у него есть. Чем сложнее вирус, тем дольше происходит депротеинизация вириона (от 2 до 18 часов). В это время вирус теряет свои инфекционные свойства и становится невидим, поэтому эту фазу репродукции называют эклипс-фазой.

4 этап репродукции начинается с того, что вирусная нуклеиновая кислота перемещается на место репродукции. Это может быть

33

цитоплазма или ядро в зависимости от вида вируса. Ее первой задачей является блокировка генетического аппарата клетки и прекращение синтеза клеточных белков. Для этого на рибосомах синтезируются ранние вирусные белки – ферменты. Эти ферменты (репрессоры), взаимодействуя с ДНК клетки, подавляют все ее функции и прерывают синтез И-РНК, что ведет прекращению синтеза клеточного белка. Еще один вид ранних вирусных белков – это индукторы. Они запускают синтез вирусных компонентов для построения новых вирионов. Таким образом, в клетке нарушается свой метаболизм. Она теперь работает на нуклеиновую кислоту вируса, которая стала теперь геномом клетки.

Синтез вирусных компонентов идет по общебиологическим законам синтеза нуклеиновых кислот и белков, но поскольку типы и формы вирусных геномов разнообразны, то механизмы их репликации и синтеза И-РНК различны.

ДлявирусовсдвухцепочнойДНК(покс-,герпес-,аденовирусы) синтез компонентов идентичен клеточному. На ДНК вируса синтезируется И-РНК с помощью собственного или клеточного фермента ДНК/РНК-полимеразы. И-РНК поступает на рибосомы, где синтезируются структурные вирусные белки и фермент ДНК-полимераза, которая обеспечивает синтез (репликацию) новых вирусных геномов на родительской ДНК.

Вирусы с одноцепочной ДНК (парвовирусы) синтез белков осуществляют аналогично вирусам с двухцепочной ДНК, а репликация вирусного генома происходит через промежуточную репликативную форму (ПРФ). С помощью собственного фермента ДНКполимеразы на родительской цепи ДНК синтезируется комплементарная цепь – ПРФ, на которой с помощью этого же фермента по принципу комплементарности синтезируются новые геномы ДНК-цепи вируса, идентичные родительскому (ДНК).

Вирусы с одноцепочной РНК по способу репликации разделили на 3 группы.

1-ю группу составляют вирусы, геном которых способен выполнять функцию И-РНК. Эти вирусы называют вирусы с позитивным вирусным геномом (+ РНК). К ним относят пикорна-, тога-, коронавирусы. Геном этих вирусов сразу после этапа депротеинизации поступает на рибосомы и обеспечивает синтез вирусного полипептида,

34

который с помощью вирусных и клеточных протеаз нарезается на структурные вирусные белки и ферменты. На этой же цепи РНК

спомощью собственного фермента РНК-репликазы синтезируется комплеметарная цепь. Она служит матрицей для синтеза геномов для новых вирионов, идентичных родительскому.

2-ю группу составляют вирусы, геном которых не способен выполнять функцию И-РНК. Их называют вирусы с негативным геномом. К ним относят парамиксо-, ортомиксо-, рабдовирусы. У этих вирусов на геноме – РНК с помощью собственного фермента РНКполимеразы синтезируется + цепь, которая и выполняет функцию И-РНК и обеспечивает синтез на рибосомах вирусных белков и ферментов. Кроме того, она же и служит матрицей для синтеза новых вирусных геномов, идентичных родительскому.

3-ю группу вирусов составляют представители семейства ретровирусов. Их геном представлен одной цепью РНК, на которой

спомощью собственного фермента обратной транскриптазы (ДНК/ РНК-полимеразы) синтезируется одна цепь ДНК. Эта цепь ДНК

спомощью собственного фермента достраивается до двухцепочной формы и интегрирует (встраивается) в геном клетки. В таком виде она существует достаточно долго, реплицируется вместе с клеточным геномом и таким образом передается по наследству. В определенный момент на участке вирусной ДНК синтезируется РНК, которая сначала выполняет функции информационной – синтез вирусных белков, а затем, соединяясь с ними, формирует новое поколение вирионов.

Синтез вирусов с двухцепочной РНК начинается с синтеза + цепи РНК на родительской цепи с помощью собственного фермента. Эта + РНК выполняет функции информационной, обеспечивает синтез вирусных белков, а затем служит матрицей для синтеза – цепей РНК. Они достраиваются до двухцепочной формы и образуют новые геномы, идентичные родительскому.

5-й этап – сборка вирионов, наступает, когда в клетке накопится определенное количество вирусных белков и нуклеиновых кислот. В основе формирования вирионов лежит процесс самосборки, который заключается в высокоспецифичном взаимодействии белковых молекул и нуклеиновых кислот по типу узнавания друг друга. Оно обусловлено гидрофобными взаимодействиями, солевыми

35

и водородными связями и комплементарностью между третичной структурой вирусного белка и триплетами нуклеиновой кислоты. Сборка вирионов идет по законам архитектуры и по принципу кристаллизации (правильная форма симметричность), что обеспечивает прочность и экономичность постройки. В связи с разнообразным строением вирусов разнообразны и способы формирования вирионов. Но можно определить общие закономерности.

В процессе самосборки различают 2 этапа:

1-йэтап формирование провирионов –предшественников будущих вирионов; 2-й этап формирование вирионов из предшественников, в результате модификации вирусных белков. Существуют различия между формированием простых и сложных вирусов. Простые вирусы собираются быстро в два этапа без участия клетки. Даже если компоненты вируса поместить вне клетки, то сборка продолжается и формируются вирионы. Сборка вирионов происходит в так называемых вирусных «фабриках». Они находятся в околоядерной зоне цитоплазмы и представляют собой скопления микротрубочек, выстланных вирусным белком. Вдоль трубочек тянутся параллельные ряды зреющих вирионов. «Фабрики» от цитоплазмы не отграничены. Из них в цитоплазму выходят нуклеиновые кислоты, а обратно поступают вирусные белки.

У сложных вирусов сборка идет многоступенчато. Сначала образуется нуклеокапсид как у простых на «фабриках». Дальнейшая сборка, а именно формирование суперкапсидной оболочки может проходить там же. Такая сборка характерна для вируса оспы. Другие вирусы достраиваются на клеточных мембранах (ядерной, цитоплазматической, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи), при этом этот этап совмещается с выходом вируса из клетки. В участки клеточных мембран встраиваются вирусные белки. К таким участкам с помощью клеточных транспортных ферментов мигрируют нуклеокапсиды и выстраиваются вдоль них. Многие вирусы формируют суперкапсидную оболочку на одной мембране. Но есть вирусы, например, герпесвирус, который формирует суперкапсидную оболочку сначала на ядерной мембране, а затем на цитоплазматической.

В процессе сборки в вирион могут включаться компоненты клетки (гистоны, нити актина, фрагменты нуклеиновых кислот,

36

рибосомы). Одни попадают закономерно и играют роль в жизни вируса, другие случайно. Таким образом в сборке сложных вирусов клетка играет важную роль и без нее вирионы таких вирусов формироваться не смогут.

6-й завершающий этап – выход из клетки, вирус может его осуществлять двумя способами. Первый способ быстрый, путем взрыва. Вирус накапливается до критической массы, и клетка лопается, в результате вирусное потомство оказывается в окружающей среде. При этом клетка всегда погибает. Такой способ выхода характерен для простых вирусов.

Второй способ медленный, почкованием. Он характерен для сложных вирусов. Выстроенные вдоль участка клеточной мембраны, нуклеокапсиды начинают выпячиваться наподобие почки, а затем отделяется сформированный вирион. В основе этого процесса лежит обычная клеточная реакция отторжения непригодного материала или процесс обновления клеточной мембраны. Доказано, что стимулируют процесс почкования вирусные белки. Вирионы выходят из клетки постепенно по мере созревания в течение 2–6 часов. При таком выходе вирионов клетка долго остается жизнеспособной и продуцирует вирусное потомство до полного истощения своих ресурсов.

Есть вирусы, которые могут переходить из клетки в клетку по плазматическим трубочкам, минуя стадию формирования суперкапсида, а значит и выход во внешнюю среду. В результате чего на них не действуют противовирусные вещества. Это герпесвирусы, парамиксовирусы.

Скорость репродукции у разных групп и видов вирусов различна. РНК-содержащие вирусы размножаются быстрее, чем ДНКсодержащие. Весь цикл репродукции у РНК-вирусов составляет 4–8 часов, а у ДНК-вирусов 12–24 часа.

3. Типы и формы взаимодействия вируса и клетки

Различают два основных типа взаимодействия вируса и клетки по взаимоотношению их геномов. Первый автономный, когда вирусный геном реплицируется независимо от клеточного. Второй интеграционный, когда вирусный геном встраивается (интегрируется)

37

в клеточный и реплицируется вместе с ним. Такой тип характерен для герпес-, адено-, покс-, ретровирусов.

Каждый из типов делится на формы по следующим критериям. По образованию полноценных вирусных частиц, которые содержат все характерные для данного вируса элементы и способны осуществлять заражение клетки, выделяют продуктивную форму, когда в результате заражения клетки образуется поколение полноценных вирионов, и абортивную, когда при заражении клетки цикл репродукции прерывается на каком-либо этапе и не образуется поколение полноценных вирионов или их образуется незначительное

количество.

Абортивная форма взаимодействия вируса и клетки возможна при заражении клеток дефектным вирусом, у которого недостаточно генетической информации для репродукции. Такие вирусы требуют для репродукции вируса помощника, который предоставляет недостающую генетическую информацию для формирования вирионов. Такой вирус-помощник должен находиться в клетке вместе с дефектным вирусом. Заражение генетически резистентных клеток полноценным вирусом также приводит к абортивной инфекции. Это значит, что клетка не имеет необходимых факторов для успешной репродукции вируса (комплементарных рецепторов и т.д). Абортивная форма взаимодействия вируса и клетки возможна при заражении клеткиполноценнымвирусомвнеразрешающихусловиях.Этиусловия не позволяют вирусу осуществить репродукцию. К ним относят повышенную температуру; измененный ионный состав среды; физиологическую резистентность клеток, когда клетка на определенном этапе своей жизни не воспринимает вирус (стадия клеточного цикла и т.д.). При заражении клеток, обработанных интерфероном, вирус проникает в клетку, но репродукцию осуществить не может.

По исходу инфекционного процесса различают литическую форму, когда клетка погибает. Гибель клетки происходит за счет блокировки или повреждения клеточного генома и, как следствие, прекращения синтеза компонентов; разрушения структуры клеточной мембраны при выходе вируса из клетки; накопления токсических продуктов (вирусных белков); само переваривание при разрушении лизосом; апоптоза. Также различают нелитическую форму, когда клетка длительно остается жизнеспособной.

38

По динамике взаимодействия вируса и клетки различают острую форму, когда после репродукции вирус выходит из клетки, разрушая ее, и хроническую форму, когда клетка продуцирует вирус до своей естественной гибели.

Чаще в вирусологии употребляют термины, характеризующие процесс взаимодействия вируса и клетки, объединяющие сразу три параметра. Это термин «латенция», означающий абортивную нелитическую хроническую форму взаимодействия вируса и клетки. И термин «персистенция», означающий продуктивную нелитическую хроническую форму взаимодействия вируса и клетки.

39