Тема: Основи вірусології
Специфічність та походження вірусів.
Віруси – це група неклітинних форм життя, яким властивий строгий паразитизм на молекулярному, а часто і на молекулярно-генетичному рівні. За період свого життя вірус проходить дві фази онтогенезу:
Позаклітинна – коли вірус знаходиться у стані спокою і називається віріоном.
Внутрішньоклітинна – це цикл репродукції вірусу у клітині хазяїна.
Принципові відмінності вірусів від інших організмів:
В будові. Віруси не мають клітинних структур. Віріон складається з двох компонентів: нуклеїнової кислоти та білка. Це неклітинна форма існування вірусу. До складу будь-якого організму обов’язково входить 2 типи нуклеїнових кислот – ДНК та РНК, а у віріонів – тільки одна з двох, ДНК або РНК. Нуклеїнові кислоти вірусів можуть бути одно- або дволанцюговими.
Відсутність власного метаболізму. Віруси не мають рибосом. У них відсутній механізм синтезу АТФ. Їх називають ультрапаразитами через те, що вони паразитують на генетичному рівні.
Вірус проникає у клітину, вбудовує свій геном у вигляді ДНК або РНК і цим пригнічує діяльність геному хазяїна. З цього моменту метаболічний апарат клітини хазяїна починає працювати повністю на вірус під контролем вірусного геному. На самих складних поживних середовищах віруси не культивуються.
Критерії життя вірусів:
Здатність до розмноження.
Спадковість. Симптоми вірусних інфекцій (таких як віспа, поліомієліт, сказ) зберігаються тисячоліттями. Клінічна картина симптомів захворювань не змінюється здавна. Про стійкість спадкового коду вірусів говорить і спектр хазяїв, які не змінюються для кожного з вірусів протягом багатьох років.
Мінливість. Її можна простежити на прикладі вірусу грипу типу А. Невеликі зміни синглетної структури відбуваються у цих вірусів щорічно, суттєві зміни антигенів (білків білкової оболонки вірусів) спостерігається 1 раз на 10-15 років. Кожна пандемія грипу типу А в ХХ столітті була викликана новою різновидністю вірусу.
Здатність до адаптації. Середовищем існування вірусів є організм хазяїна, коло яких строго визначене у кожного з них. Коло хазяїв для вірусів може бути вузьким (деякі бактеріофаги) або дуже широким (вірус сказу). Завдяки цьому віруси займають певні еконіші у біосфері.
Таким чином віруси є автономними генетичними структурами, яким притаманні здатність до розмноження, спадковість, мінливість та адаптація. Вони не мають власного метаболізму і не здатні до самостійної репродукції поза клітиною хазяїна.
Походження вірусів
Існує декілька теорій походження вірусів.
1. Віруси – примітивні доклітинні форми життя. Логічні докази цієї теорії відсутні, оскільки для репродукції вірусам необхідна клітина. Рівень організації нуклеїнових кислот та білків вірусів не поступається такому, як у клітинних організмів. Нуклеїнові кислоти мають такий же склад як і у клітин. Генетичний код вірусів аналогічний коду клітини.
2. Віруси – результат деградації клітинних організмів. При цьому їх еволюція відбувалась по шляху облігатного паразитизму, з втратою автономної АТФ, рибосом, цитоплазматичної мембрани. Еволюція геному вірусів за цією теорією відбувалася двома шляхами:
- за шляхом зменшення об’єму генетичної інформації – з дволанцюгових ДНК до одноланцюгових;
- за шляхом спрощення репродукції, виключення транскрипції з ДНК на РНК. Тому залишилась тільки одна РНК, спочатку у формі дволанцюгової РНК, а потім тільки одно ланцюгової ДНК.
3. Віруси – група генів, які вийшли з під контролю геному клітини. Вони отримали автономію на певному етапі еволюції, набули захисну білкову оболонку і деякі специфічні вірусні білки. Доказом цього є спорідненість ДНК вірусів з ДНК клітини і можливість включення ДНК вірусів у геном клітини. За цією гіпотезою віруси є фрагментами живих організмів, які втратили здатність до самостійної репродукції, але зберегли деякі суттєві критерії живих організмів: спадковість, мінливість та адаптацію.
2. Структурна організація вірусів
Форми віріонів можуть бути різними (паличкоподібні, ниткоподібні, сферичні, кулеподібні, булавовидні). Розміри також різноманітні (від 10-20 до 300-350 нм). Віріони найпростіших вірусів складаються з нуклеїнової кислоти і білкової оболонки – капсиду. Віріони деяких найскладніше організованих вірусів на поверхні білкового капсиду мають додаткову зовнішню оболонку – суперкапсид.
Капсид.
Вони можуть бути утворені білковими субодиницями, які укладені певним чином. Капсиди різних вірусів можуть бути побудовані за одним планом, в основі якого лежить геометричний принцип – спіральна або ізометрична симетрія. Відповідно до цього розрізняють два типи капсидів:
- спіральний, у якого білкові субодиниці укладені по спіралі навколо осі. Найкраще вивчений вірус з капсидом такого типу є вірус тютюнової мозаїки. Має форму палички діаметром 15-17 нм, довжиною 300 нм. У капсиді на кожні три витки спіралі припадає 49 білкових субодиниць. Кожна субодиниця представлена однією молекулою білка. У середині капсиду міститься порожнистий канал діаметром 4 нм. Генетичний матеріал представлений одноланцюговою РНК, яка щільно укладена в жолобі спірального капсиду. Одна субодиниця білка пов’язана з трьома нуклеотидами РНК. Для віріонів, які мають такий капсид вміст білка становить 90-98% по відношенню до нуклеїнової кислоти.
- ізометричний, форма якого має вигляд симетричного багатогранника, найчастіше ікосаедра, який має 12 вершин, 20 трикутних граней, 30 ребер. Поверхня ізометричних кап сидів утворена окремими елементами зі строгою періодичністю. Елементи складаються з 2-6 білкових субодиниць, які називаються капсомерами. Кількість капсомер може дорівнювати 60, або кратна 60. Кількість капсомер – величина постійна.
Розміщення нуклеїнової кислоти у капсиді до кінця не вивчено. Для вірусу жовтої мозаїки турнепса РНК утворює виступи, які симетрично розміщені по відношенню до капсомерів капсиду. На поверхні капсидів містяться різні вирости (шипи), волоски, якими вони закріплюються на поверхні клітин.
Функції капсида:
1. Захисна. Захищає нуклеїнову кислоту від фізичних та хімічних впливів (наприклад, від ферментів нуклеаз).
2. Рецепторна. Білки капсиду мають рецептори, які комплементарні рецептору клітин, які вражаються. Капсид відповідає за хемосорбцію віруса на поверхні клітини. В процесі еволюції у вірусів виробилась унікальна вибірковість – вражати певне коло хазяїв, а в організмі хазяїна – певний тип клітин.
Нуклеїнові кислоти вірусів.
Віруси містять ДНК або РНК. За цією ознакою віруси поділяються на ДНК-геномні та РНК-геномні.
Будь-яка нуклеїнова кислота вірусу виконує функцію і ДНК, і РНК. Нуклеїнові кислоти вірусів можуть бути як одноланцюговими, так і дволанцюговими. РНК вірусів зберігає спадкову інформацію, як і ДНК. Одноланцюгові ДНК можуть бути лінійними та кільцевими. Дволанцюгові ДНК мають віруси, які вражають людину, тварини та бактерії (бактеріофаги). Одноланцюгову ДНК мають віруси тварин, комах та дрібні фаги.
РНК-геномні віруси можуть мати як одноланцюгову, так і дволанцюгову РНК. Найчастіше вони мають лінійну форму.
У ДНК-геномних вірусів ДНК тотожна одній хромосомі. Серед РНК-геномних вірусів існують групи багатохромосомних вірусів або віруси з фрагментованим геномом. Геном багатохромосомних вірусів представлений декількома молекулами РНК (мінімум двома). Багатохромосомні віруси поділяють на:
- ковіруси – це віруси, у яких фрагменти геному розподілені між декількома віріонами;
- моновіруси – це віруси, у яких повний набір геному міститься в одному віріоні.
Спосіб передачі генетичної інформації у вірусів тісно пов’язаний з біологією роду.
Зовнішня оболонка віріона.
Вона має назву суперкапсид. Це мембрана, яка складається з 2-х шарів ліпідів і зануреного в них шару білків. Суперкапсид має клітинне походження. Він не кодується геномом, а є модифікаційною ділянкою мембрани клітини-хазяїна, якої вірус набуває у момент виходу віріона з клітини. У деяких вірусів (вірус герпесу) суперкапсид формується з ядерної мембрани. Крім ліпідів і білків до складу віріона входять також цукри. Їх вміст залежить від клітини, у якій паразитує вірус. Тому один і той же вірус, який розвивається на різних клітинах буде мати різні цукри.
3. Цикл репродукції вірусів.
Залежно від властивостей вірусу і сприйнятливості клітини, а також від умов зовнішнього середовища, розрізняють такі основні типи взаємодії вірусу з клітиною:
- продуктивна інфекція. Цикл репродукції вірусу при такій взаємодії закінчується утворенням багаточисельного покоління у клітині хазяїна і супроводжується загибеллю клітини;
- абортивна інфекція. Цикл репродукції може перериватись на одній із стадій. При цьому клітина зберігає життєдіяльність;.
- вірогенна інфекція. Вірусна нуклеїнова кислота вбудовується в нуклеїнову кислоту хазяїна, при цьому відбувається синхронний синтез нуклеїнових кислот, які передаються у дочірні клітини. Через деякий час, за певних умов, у клітині може початися розмноження вірусу, яке призводить клітину до загибелі.
Вірус бінарним діленням не розмножується. Розмноження вірусів відбувається шляхом репродукції у клітині хазяїна. Репродукція нуклеїнової кислоти і білків вірусу може відбуватись у різних ділянках клітини і в різний час. Віруси не мають автономного обміну речовин, тому ферменти їм не потрібні. Але останнім часом було виявлено утворення декількох ферментів вірусами. Функціонально ці ферменти поділяють на:
- ферменти, які допомагають проникненню нуклеїнової кислоти вірусів у клітини і виходу нових віріонів із клітини;
- ферменти, які беруть участь у транскрипції та реплікації вірусної нуклеїнової кислоти.
Ферменти містяться або у віріоні, або синтезуються на рибосомах клітини за геномом вірусів.
При продуктивній інфекції розмноження вірусу відбувається шляхом послідовного перебігу таких стадій:
1. Хемосорбція на поверхні клітини-хазяїна. Вона можлива при наявності на поверхні чутливих рецепторів, комплементарних до рецепторів вірусів. Роль рецепторів у простоорганізованих вірусів виконують ліпопротеїди, які сполучають білкові субодиниці. У складноорганізованих вірусів суперкапсид має спеціальні вирости у вигляді шипів та ворсинок, завдяки яким вірус прикріплюється до поверхні клітини.
2. Проникнення у клітину хазяїна. Відбувається за різними механізмами (наприклад, піноцитоз, за рахунок злиття клітинних і внутрішньоклітинних мембран, часткового руйнування оболонки). Внаслідок проникнення у клітину звільняється нуклеїнова кислота віруса.
3. Депротеїнізація віруса. При цьому відбувається вивільнення нуклеїнової кислоти з білкового капсиду. У деяких вірусів цей процес відбувається паралельно з першою і другою стадіями. Після проникнення вірусу у клітину спостерігається період екліпса, або так званий прихований період. При цьому нуклеїнова кислота рухається до ядра клітини. Час екліпса різний для окремих вірусів і може тривати від декількох хвилин до декількох годин.
4. Синтез компонентів віруса. Відбувається у декілька етапів.
Перший етап – підготовчий. Має дві мети:
- пригнічення функціонування генетичного апарату клітини, синтезу білків, нуклеїнових кислот та переведення білоксинтезуючого апарату клітини під контроль геному віруса;
- підготовка умов для реплікації нуклеїнової кислоти і синтезу білків капсиду віруса.
Другий етап – реплікація нуклеїнової кислоти. Відбувається за різними механізмами, залежно від нуклеїнової кислоти, яка входить до складу віруса. Для дволанцюгових ДНК-геномних вірусів після реплікації ДНК відбувається синтез і-РНК, яка вподальшому рухається на вірус-полісому, де відбувається синтез вірусних білків. Реплікація ДНК відбувається у ядрі клітини, у поодиноких випадках – у цитоплазмі (вірус віспи).
Для одноланцюгових ДНК-геномних вірусів спочатку відбувається синтез комплементарної пари ДНК, а далі аналогічно до дволанцюгових ДНК-геномних вірусів.
Для РНК-геномних вірусів молекули РНК є генетичним матеріалом і виконують також функцію і-РНК. Таким чином, РНК у них є матрицею для синтезу білків. У онкогенних РНК - вірусів на РНК утворюється ДНК одноланцюгова копія. Після чого ця копія реплікується з утворенням дволанцюгових форм. Після цього така форма може включатись у геном клітини, за яким утворюється РНК для наступного покоління.
У дволанцюгових РНК-геномних вірусів спочатку відбувається транскрипція вірусної і-РНК для синтезу білків, а потім її реплікація.
Третій етап – синтез білків капсиду. Відбувається після реплікації у ядрі або в цитоплазмі. У ДНК-геномних вірусів матрицею для синтезу білків капсиду є і-РНК, а у РНК-геномних – вірусна РНК або вірусоспецифічна і-РНК.
5. Складання віріонів або морфогенез вірусу. Починається після досягнення певної концентрації білків і нуклеїнових кислот. У простоорганізованих вірусів білкові субодиниці розміщуються навколо нуклеїнової кислоти. У складноорганізованих у складанні віріонів беруть участь клітинні структури – ядерна і цитоплазматична мембрана.
6. Вихід вірусів з клітини. Для різних вірусів відбувається по-різному. УДНК-геномних вірусів при цьому відбувається лізис клітин. У деяких представників віріони виходять з клітини з ділянками цитоплазматичної мембрани шляхом брунькування, набуваючи суперкапсиду. При цьому клітина деякий час живе, а потім гине. Віріони можуть тривалий час залишатись у клітинах і передаватись дочірнім клітинам (вірус герпесу).
Найчастіше цикл репродукції закінчується продуктивною інфекцією, внаслідок якої утворюється багаточисельна популяція (100-200 віріонів) і клітина гине.
4. Культивування вірусів
Існує три основні методи культивування вірусів:
1. Культивування вірусів в організмі лабораторних тварин. Через вузьке коло організмів, які можуть вражатись окремими вірусами цей метод має значні технічні труднощі, які затримують прогрес в області вивчення вірусів.
2. Культивування у курячому ембріоні. Цей метод використовується з 1931 року. Репродукцію вірусу визначають за загибеллю курячого ембріона.
3. Вирощування у культурі клітин на поживному середовищі. Цей метод використовується з 1949 року. Широку застосовується у сучасній практиці. Клітини культури готують з ембріональних тканин людини і тварин, які поміщають на поживне середовище. Після цього проводять посів суспензії вірусів. Цей метод дав змогу за короткий час відкрити сотні нових вірусів, здійснити промислове виробництво противірусних вакцин.
5. Вірусний канцерогенез
Здатність вірусів викликати утворення пухлин була виявлена на початку 20 століття. У 1997 році Гюйффо було доведено можливість передачі бородавок від людини до людини. У 1908 році Еллерман і Банг встановили, що лейкоз курей передається через плазму. До 1970 року накопичувались факти, за якими було встановлено, що для трансформації нормальної клітини в онкогенну достатньо лише частини геному віруса – онкогена. Онкоген – це специфічний ген пухлинородного вірусу, продукти якого відповідають за трансформацію клітин.
Експериментальні докази на користь вірусних онкогенів були отримані на прикладі РНК-геномних ретровірусів, які мають одноланцюгову РНК з трьома генами, які необхідні для репродукції. Допускають, що онкогени РНК-геномних вірусів мають клітинне походження. Це означає, що передача гена на інший вірус, викликає пухлиноздатність останнього, яка в еволюції може закріплюватись або ні.
Віруси, які не містять онкогену, можуть індукувати пухлинний ріст клітин іншими шляхами: наприклад, за рахунок підвищення чутливості клітин до канцерогенів, пригнічення імунної системи, або набуття онкогенну шляхом рекомбінації геному віруса з генетичним матеріалом клітини.
За здатністю викликати злоякісні перетворення клітин всі пухлинородні віруси поділяються на три групи:
1. Високоонкогенні віруси. При враженні клітин такими вірусами (вірус поліоми ОВ-40, аденовірус підгрупи А, вірус саркоми Рауса) частина трансформованих клітин набуває злоякісних властивостей.
2. Віруси, які викликають трансформацію клітин і накопичення їх популяції в організмі, що створює середовище для переродження поодиноких клітин у злоякісні (вірус лейкоза Раушера і Френда, вірус поліоми, вірус фіброми Шоупа, лімфотропні герпесвіруси).
3. Віруси, які мають трансформуючу активність, але зовсім не мають онкогенних властивостей (аденовіруси підгруп С і D).
Таким чином, віруси є не єдиною універсальною причиною виникнення пухлин. Вивчення онкогенних вірусів створює шлях до вивчення механізму переродження клітин.
6. Лікування та профілактика вірусних інфекцій
За підручником К.М.Векірчика. Мікробіологія з основами вірусології. – Київ – 2001 р. – Стор. 289-301.