Різноманітність вірусів
Введення
Віруси являють собою субмікроскопічні позаклітинні форми життя.
Відкриття вірусів належить Д. І. Іванівському, який в 1892 р. виявив збудника мозаїчної хвороби тютюну і його здатність проходити через фільтри, що не пропускають бактерій. З цієї причини віруси спочатку отримали назву фильтрующихся отруйних рідин. Повторивши досліди Д. І. Івановського та отримавши аналогічні результати, голландський мікробіолог М. Бейеринком в 1898 р. дав для збудника мозаїчної хвороби тютюну назвою «Фільтр вірусна рідина». Тоді ж був описаний вірусний збудник ящуру великої рогатої худоби (Ф. Лефлер і П. Фрош, 1898), а в 1901 р. У. Рід, використовуючи існувала з часів А. Пастера традицію називати інфекційне початок вірусом, назвав відкритого ним збудника жовтої лихоманки просто вірусом (від лат. virus - отрута). Починаючи з 1931 р., коли був відкритий спосіб культивування вірусів у клітинах ембріонів курчат, віруси стали широко культивувати в лабораторних умовах, що значно розширило можливості експериментального вивчення цих структур.
До теперішнього часу віруси відкриті в організмів практично всіх систематичних груп рослин і тварин (у мікоплазм, бактерій, листостеблових рослин, найпростіших, гельмінтів, комах, земноводних, плазунів, птахів, ссавців). Відомо значна кількість вірусів, виділених від людини. Можна сказати, що віруси всюдисущі.
У лабораторних умовах віруси культивують на курячих ембріонах, в культивованих соматичних клітинах, на переживають клаптиках шкіри і в експлантантах органів, а також в організмі сприйнятливих тварин. Важливо відзначити, що вони не здатні до зростання на поживних середовищах, що використовуються для культивування бактерій або соматичних клітин, і в цьому полягає одна з принципових відмінностей їх від інших організмів.
Віруси не здатні до відтворення у вільному стані. Їх відтворення можливе тільки в клітинах. Крім того, опинившись в клітинах, вони ведуть себе як облігатні внутрішньоклітинні паразити, викликаючи хвороби організмів, в яких паразитують. Отже, вірусам властиві дві форми існування, а саме: позаклітинна, або спочиваюча, і внутрішньоклітинна, або репродуцирующая.
Загальні властивості вірусів
У загальному вигляді віруси являють собою субмікроскопічні утворення, що складаються з білка і нуклеїнової кислоти і організовані у формі вірусних частинок, що їх називають вірусними корпускулами, віріони, віроспорамі або нуклеокапсид.
Розміри вірусних часток становлять від 15-18 до 300-350 нм. Їх можна побачити тільки за допомогою електронного мікроскопа. Виняток становлять лише вірус віспи та деякі інші великі віруси, які можна побачити в високоточної світловому мікроскопі.
Поодинокі віруси тих чи інших видів представляють собою утворення різної форми (округлої, палочковидной або іншої форми), всередині яких міститься нуклеїнова кислота (ДНК або РНК), укладена в білкову оболонку (капсид).
Вірусний капсид побудований з поліпептидних ланцюгів (різних білків), складених у кілька шарів. В окремих вірусів капсид оточений додаткової мембраною, побудованої з складних вірусоспецифічні білків (глікопротеїдів) і подвійного шару ліпідів, ідентичних липидам плазматичної мембрани клітини-хазяїна. Цю вірусну мембрану часто називають супер-капсидом.
Функціональне значення капсида определается тим, що він охороняє вірусний геном (нуклеїнових кислот) від пошкоджень, а також містить рецептори, що забезпечують адсорбцію вірусних частинок на слабости ними клітинах.
Внутрішній вміст вірусів, часто зване геномом або вірусної хромосомою, що складається з декількох генів, являє собою ДНК або РНК в різних формах. Наприклад, геном бактеріальних вірусів MI3 і XI74 представлений одноланцюжковою кільцевою молекулою ДНК, тоді як у парвовирусов, до яких відносять багато вірусів великої рогатої худоби, свиней, кішок, щурів та інших тварин, він представлений одноланцюжковою лінійної молекулою ДНК. Геном вірусів поліоми і SV40 представлений дволанцюжкової кільцевою молекулою ДНК, але у аденовірусів дволанцюжкова кільцева ДНК має на 5'-кінцях ланцюгів ковалентно приєднаний білок, а у вірусу віспи дволанцюжкова ДНК характеризується тим, що кінці її ланцюгів ковалентно «зшиті» фосфодіефірних зв'язками.
Геном вірусів мозаїчної хвороби тютюну, поліомієліту та деяких бактеріальних вірусів представлений одноланцюжковою РНК, тоді як геномом реовіруси служить дволанцюжкова РНК-Відтворення вірусів відбувається в клітинах хазяїна і складається з декількох стадій, а саме: адсорбція і проникнення вірусів в клітини, синтез вірусних білків, необхідних для реплікації вірусної нуклеїнової кислоти, реплікація нуклеїнової кислоти, синтез білків капсиду, збірка вірусів і вихід з клітини «готових» вірусних частинок.
ДНК-віруси мають або власні ферменти реплікації (у капсида), або в їх геномі закодована інформація про синтез вірусних ферментів, що забезпечують реплікацію вірусної нуклеїнової кислоти. Кількість цих ферментів різному в застосуванні до різних вірусів. Наприклад, у геномі бактеріального вірусу Т4 закодована інформація про синтез близько 30 вірусних ферментів. Далі геном великих вірусів кодує нуклеази, руйнують ДНК клітини-господаря, а також білки, вплив яких на клітинну РНК-полімеразу супроводжується тим, що «оброблена» таким чином РНК-полімераза транскрибує на різних стадіях вірусної інфекції різні вірусні гени. Навпаки, малі за розмірами ДНК-віруси в більшій мірі залежать від ферментів клітин-господарів. Наприклад, синтез ДНК аденовірусів забезпечується клітинними ферментами.
Реплікація ДНК-вмісних вірусів починається з 0-пункту їх хромосоми, до якого прикріплюються білки клітини-хазяїна, «притягують» до себе як вірусні, так і клітинні ферменти реплікації.
У деяких РНК-вмісних вірусів в геномі закодовані РНК-залежні транскриптази (зворотні транскриптази). Тому реплікація геному РНК-вмісних вірусів каталізується власної зворотної транскриптазою, що упаковується в капсида при кожній реплікації вірусів у клітині-хазяїні. Такі РНК-віруси отримали назву ретровірусів (від лат. Retro - повернення назад).
Класичним прикладом ретровірусів служить вірус саркоми курей Рауса
До ретровірусів відносять вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), що є причиною синдрому набутого імунодефіциту (СНІДу). Однак РНК вірусу поліомієліту служить як мРНК.
Класифікація вірусів є складною і часто суперечливою. Тим не менш ДНК-содержат і РНК-віруси зазвичай класифікують роздільно на різні сімейства. Наприклад, серед ДНК-вмісних вірусів тварин класифікують сімейства парвовирусов (віруси щурів, кішок та інших тварин), паповавирусов (віруси бородавок людини, повному та інші), аде-новірусов (віруси фарингітів і кон'юнктивітів людини, віруси ссавців), поксвирусов (віруси віспи людини і тварин), віруси герпесу (віруси герпесу, оперізувального лишаю людини, ларинготрахеїту птахів та ін), ірідовіруси (віруси віспи свиней, африканської чуми свиней та ін.)
Серед РНК-вмісних вірусів тварин класифікують сімейства пикорнавирусов (риновіруси людини, вірус поліомієліту людини, поліовіруси тварин, вірус ящура тварин тощо), реовірусів (віруси тендосиновіта курей та ін), міксовіру-сов (віруси грипу, кору, сказу людини, чуми м'ясоїдних та ін), арбовірусів (віруси кліщового і японського енцефаліту, жовтої лихоманки людини і Др.). Подібні класифікації існують і в разі вірусів рослин; що стосується фагів, то їх класифікують на основі того, які бактерії вони лизируют. Наприклад, кишкові фаги - це фаги, лизирующие кишкові бактерії, дизентерійні фаги - це фаги, лизирующие дизентерійні бактерії і т. д.
Віруси тварин, рослин і бактерій
Оскільки віруси виявлені в клітинах організмів різних систематичних груп, ми розглянемо тут віруси людини, тварин (ссавців), рослин і бактерій роздільно.
Віруси людини і тварин є найбільш вивченими в порівнянні з вірусами іншого походження. Вони викликають хвороби, багато з яких характеризуються більшою вагою лікування і високою смертністю. Найбільш відомими вірусними хворобами людини є грип, поліомієліт, сказ, віспа, кліщовий енцефаліт та інші, а домашніх тварин - сказ, ящур, чума, віспа, енцефаломієліт та ін, окремі з яких є повальними хворобами.
Морфологія вірусів людини і тварин досить різноманітна, але загалом вони є овальними утвореннями, діаметр яких становить кілька десятків нанометрів
Як уже зазначено, репродукція вірусів відбувається тільки в живих клітинах, тобто синтез як вірусного генома (нуклеїнової кислоти), так і білків капсиду відбувається тільки в клітинах. У клітинах здійснюється також і збірка з вірусної нуклеїнової кислоти і білків нових інфекційних вірусних частинок.
Вірусна інфекція людини (тварин) починається з того, що інфікує вірус зв'язується з цитоплазматичною мембраною клітин, після чого в результаті ендоцитозу проникає всередину клітин. Усередині клітин вірусні частинки виявляються або в ядрі або в цитозолі, де їх нуклеїнова кислота звільняється від капсида. Наприклад, ДНК вірусу герпесу людини звільняється від капсида в ядрі. Там же відбувається і складання нових нуклеокапсі-дів, після чого вони залишають клітку. Навпаки, РНК деяких РНК-вмісних вірусів звільняється від капсида в цитозолі, після чого вона транслюється на рибосомах клітини-господаря з утворенням кодируемой вірусом РНК-полімерази. Остання синтезує РНК, окремі з копій якої виконують роль мРНК, яка транслюється в мембранні і капсидних білки. Збірка вірусних частинок йде потім на плазматичної мембрани, після чого вони залишають клітку.
Вихід вірусних часток із клітин характеризується особливостями, обумовленими виглядом вірусів. Новостворені вірусні частинки можуть виходити із клітин назовні поступово. У цьому випадку структура клітин не порушується, у них триває синтез нових вірусних частинок. Однак після інфекції клітин генетичний матеріал вірусів може включатися в їх геном і перебувати там невизначено довгий час в активному стані. У даному випадку вірус поводиться по типу так званої латентної (прихованої) інфекції. Подальший розвиток латентних вірусів може настати в результаті будь-якого впливу, після якого віруси звільняються з кліток з лізисом їх або без лізису.
Крім здатності викликати інфекційні хвороби людини і тварин, окремі види вірусів мають властивість індукувати утворення пухлин. Такою властивістю володіють як ДНК-содержат, так і РНК-віруси (ретровіруси). Віруси, здатні викликати пухлини, отримали назву опух-леродних або онкогенних вірусів, а процес зміни клітин і перетворення їх на ракові називають вірусної неопластичної трансформацією.
У випадку ДНК-вмісних вірусів людини і тварин їх властивість викликати пухлини залежить від ставлення вірусної ДНК до хромосомам клітини. Вірусна ДНК може залишатися подібно ллазмідам в клітині в автономному стані, репліціруясь разом з клітинними хромосомами. При цьому регуляція поділу клітин не порушується. Однак вірусна ДНК може включитися в одну або кілька хромосом клітини-господаря. При такому результаті ділення клітин стає нерегульованим. Іншими словами, інфіковані ДНК-вірус клітини перетворюються на ракові. Прикладом онкогенних ДНК-вмісних вірусів є вірус SV40, виділений багато років тому з клітин мавп. Онкогенні дію цих вірусів залежить від того, що окремі вірусні гени діють як онкогени, активізуючи клітинну ДНК і спонукаючи клітини до вступу в 8-фазу з подальшим неконтрольованим розподілом. РНК-віруси через включення їх РНК в одну або кілька хромосом клітини-господаря також володіють онкогенним дією. У геномі цих вірусів також є онкогени, проте вони істотно відрізняються від онкогенів ДНК-вмісних вірусів тим, що в геномі клітин-господарів присутні їх гомологи у вигляді протоонкогенів. Коли РНК-віруси інфікують клітини, вони «захоплюють» на свій геном протоонкогени, які представляють собою послідовності ДНК, які контролюють синтез білків (кіназ, факторів росту, рецепторів факторів росту та ін), які беруть участь у регуляції клітинного поділу. Однак відомо, що існують і інші способи перетворення клітинних протоонкогенів у вірусні онкогени.
До теперішнього часу встановлено дуже велика кількість протоонкогенів. Прикладами онкогенних РНК-вмісних вірусів є вірус саркоми курей Рауса, а також віруси сарком птахів, мишей, кішок, мавп та інших тварин (табл. 1).
Дані про онкогенних вірусах мають величезне значення не тільки для розуміння розмаїття життя, але і для пошуків ефективних шляхів лікування та профілактики злоякісних новоутворень у людини і тварин.
Нарешті, як уже зазначено ВІЛ або HIV (Human immunodeficiency virus) здатний викликати СНІД або AIDS (acquired immunodeficiency syndrom), який в кінцевому підсумку смертельний для людини. На відміну від інших ретровірусів, ВІЛ у своєму геномі містить п'ять додаткових відкритих рамок читання, які кодують білки, що активують або репресують вірусний білковий синтез і, можливо, інші функції. Летальний ефект цього вірусу пов'язаний з тим, що, вбиваючи спеціалізовані хелперних клітини СДЧ (клітини Т), він пошкоджує імунну систему людини, тому що без цих клітин В-клітини не можуть розмножуватися у відповідь на надходження в організм нового антигену (див. § 96). Механізм інфікувати і летального впливу ВІЛ на клітини СДЧ в загальному вигляді полягає в тому, що при інфікуванні клітин його капсидний білок зв'язується з трансмембраним клітинним білком, після чого вірусний капсид зливається з мембраною клітини, а слідом за цим вірусна РНК звільняється в клітку, де вона після конверсії в двухцепочечную ДНК, включається в хромосому в якості провірусу. Білок, що синтезується під контролем про-вірусу, дозволяє інфікованим Т-клітин зливатися з неінфікованими Т-клітинами, що призводить до загибелі всіх цих клітин. Отже, людина вмирає від нездатності захиститися імунологічно від тих інфекцій, які самі по собі не є смертельними.
Таблиця 1
Деякі онкогени ретровірусів і функції, контрольовані цими протоонкогенах
Вперше ВІЛ було виділено в 1959 р. у Заїрі, після чого другий випадок виділення цього вірусу (в США) датується 1969 р. З тих пір було виділено ряд штамів ВІЛ. Відкриття ВІЛ дозволило по-новому поглянути на світ вірусів, з одного боку, і на характер спілкування між людьми, з іншого боку.
Віруси, рослин також широко поширені в природі, викликаючи хвороби рослин різної видової приналежності. Як уже зазначено, першим відкритим вірусом виявився МБТ-вірус мозаїчної хвороби тютюну ушкоджує листя рослин цього виду. Крім вірусу мозаїчної хвороби тютюну широко відомі віруси некрозу тютюну, жовтої карликовості картоплі, жовтої мозаїки ріпи, а також віруси, що вражають багато інших культурних і дикі рослини.
Форма вірусів рослин в основному буває палочковидной і округлої. Розміри вірусів палочковидной форми становлять 300-480 х 15 нм, а розміри тих, які мають округлу форму, рівні 25-30 нм.
Основними шляхами передачі вірусів від хворих рослин до здорових є фізичний контакт між рослинами, щеплення рослин, перенесення вірусів через грунт, а також перенесення комахами.
Вірусні хвороби рослин приносять значної шкоди сільському господарству.
Віруси бактерій, або бактеріофаги (фаги), вражають бактерії, що належать до різних систематичних груп. У молекулярній біології на початку її розвитку видатна роль в якості експериментальних моделей належала бактериофагам так званої Т-групи, до яких чутливі клітини Є. coli. Ці бактеріофаги зараз є найбільш вивченими, і все, що відомо про бактеріофага, зобов'язана в основному Т-бактеріофагів.
Бактеріофаги Т-групи мають форму барабанних паличок розміром 100 х 25 нм. Їх геном представлений ДНК. Вони є вірулентними фагами, оскільки після інфіпірованія ними бактеріальних клітин останні лізуються зі звільненням великої кількості знов синтезованих фагових частинок.
На противагу вірулентним фагам, відомі так звані фаги помірної дії, або просто помірні фаги. Типовим представником таких фагів є фаг К, який теж використовувався і використовується в якості експериментальної моделі для з'ясування багатьох питань молекулярної генетики. Фагу X притаманні дві важливі властивості. Подібно вірулентним фагам він може інфікувати бактеріальні клітини, розмножуватися вегетативно, продукуючи в клітинах сотні копій і лизировать клітини зі звільненням зрілих фагочастіц. Однак ДНК цього фага може включатися в бактеріальну хромосому, перетворюючись на про-фаг. При цьому відбувається так звана лизогенизации бактерій, а бактерії, що містять профаг, називають лізогенним. Лізогенним бактеріальні клітини можуть мати профагом нескінченно довгий час, при цьому не лізіруя. Лізис зі звільненням нових фагочастіц відзначається після впливу на лізоген-ні бактерії якого-небудь фактора, наприклад УФ-випромінювання, яке індукує розвиток профага в фаг. Вивчення лізогенним бактерій дозволило отримати ряд нових даних про роль різних білків в дії фагових генів.
Бактеріофаги використовують в медицині як лікувального і профілактичного засобу в разі окремих бактеріальних хвороб.
Походження вірусів
Питання походження вірусів обговорюються на протязі всього часу, починаючи з моменту їх відкриття, оскільки необхідність раціональних пояснень еволюції вірусів визначається фундаментальним і практичним значенням цих структур.
Одним з обговорюваних питань є питання про час появи вірусів. Оскільки віруси не містять ані рибосом, ні АТФ і оскільки вони не можуть існувати поза клітинами, то вважають, що вони виникли пізніше клітин.
Що ж стосується виникнення вірусів, то з цього приводу відомо кілька гіпотез. Спочатку вважали, що вони є бактеріями, які включилися в соматичні клітини і стали там дегенеративними формами. У порядку обгрунтування цієї гіпотези наводили дані про великі віруси, які можна бачити в світловому мікроскопі з великою роздільною здатністю. Однак з початком розвитку молекулярної біології на походження вірусів стали дивитися по-іншому. Пререквізітом до появи вірусів стали вважати формування послідовностей ДНК, здатних до реплікації. Так як ці молекулярні події припустив-тельно представлялися подібними з подіями, що передують появі плазмід (освіта кільцевих молекул ДНК з властивостями реплікону з повторюваних послідовностей ДНК, на основі реципрокного кросинговеру), то в сучасній літературі чітко окреслилася тенденція розглядати походження, принаймні, бактеріальних вірусів спільно з бактеріальними плазмідами, причому додатковою підставою до такого розгляду зазвичай вважають схожість з ряду властивостей між помірними фагами і плазміди.
По-перше, як помірні фаги, так і плазміди (фактори перенесення) здатні до автономної реплікації в цитоплазмі і до включення в хромосому.
По-друге, чинники перенесення детермінують синтез специфічних клітинних рецепторів, які в окремих випадках подібні з рецепторами для адсорбції фагів.
Нарешті, фактори перенесення, як і бактеріальні віруси, побудовані з нуклеїнової кислоти одного типу, залежать в своєму метаболізмі від клітини-хазяїна та інфекціозни по відношенню до клітини-хазяїна.
Таким чином, бактеріальні віруси відповідають ряду важливих критеріїв, зазвичай використовуваних у визначенні плазмід. З цієї причини плазміди можна розглядати в якості бактеріальних вірусів, у яких замість механізму, що забезпечує синтез білкової оболонки, отримав розвиток механізм, що забезпечує їх кон'югатівность й ефективне розповсюдження серед бактерій різних видів і родів.
Отже, бактеріальні віруси по відношенню до плазміда є прогресивними структурами, які в ході еволюції набули спеціалізовані функції, необхідні для здійснення складного циклу - відтворення інфекційних вірусних часток і для існування за межами клітини-хазяїна (у позаклітинній формі). Перший бактеріальний вірус, ймовірно, виник, коли у плазмід з'явився ген (гени), що кодує білок (білки) капсида.
Однак між бактеріальними вірусами і плазмідами типи факторів переносу все-таки є дуже важливі відмінності.
По-перше, фактори перенесення, перебуваючи в бактеріях, контролюють на їх поверхні синтез спеціалізованих структур пилці і, внаслідок чого бактеріальні клітини мають кон'ю-гативно, тобто здатністю діяти в якості генетичних донорів. Бактеріальні віруси цією здатністю не володіють.
По-друге, чинники перенесення здатні передаватися від клітини до клітини в результаті клітинних контактів. Спосіб інфіцірова-ня бактерій вірусами є зовсім іншим і закінчується фаголізісом інфікованої бактеріальної клітини.
По-третє, фактори перенесення здатні мобілізувати бактеріальну хромосому на перенесення від однієї клітини до іншої, причому також у результаті клітинних контактів. Бактеріальні віруси цією здатністю не володіють. Що ж стосується здатності окремих бактеріальних вірусів переносити сегменти бактеріальної хромосоми від одних клітин до інших, то механізм такого генетичного обміну (трансдукції) не пов'язаний з клітинними контактами.
По-четверте, сайти включення окремих плазмід в хромосому більш-менш різноманітні, тоді як інтеграція профагом частіше відбувається тільки в певних сайтах хромосоми.
Нарешті, плазміди не мають здатність лизировать бактерії, тоді як всі фаги, включаючи також помірні (в автономному стані), завжди викликають лізис бактерій. Наявність перерахованих відмінностей можна пояснити придбанням специфічних перетворень бактеріальними вірусами і плазмідами в ході дивергентной еволюції.
Якщо в поясненнях походження бактеріальних вірусів намітився безсумнівний успіх, то походження вірусів тварин і рослин не має задовільних пояснень, хоча їх походження теж іноді пов'язують з плазмідами.
Обговорюючи походження вірусів, не можна не привернути увагу до одного важливого моменту, що полягає в тому, що віруси чинили і чинять вплив на еволюцію організмів, в яких вони паразитують. Цей вплив може виражатися як в їх здатності переносити генетичну інформацію від одних організмів до інших горизонтально, так і в способах діяти в якості мутагенів (див. гл. X).
Список літератури
1. Біологія. У 2 кн. (Підручник) Під ред. В.Н. Яригіна (2003, 5-е вид., 432с., 3
2. Мікробіологія. (Підручник) Гусєв М.В., Мінєєва Л.А. (2003, 464с.)
3. Біологія з основами екології. (Підручник) Пехов А.П. (2000,
Введення
Віруси являють собою субмікроскопічні позаклітинні форми життя.
Відкриття вірусів належить Д. І. Іванівському, який в 1892 р. виявив збудника мозаїчної хвороби тютюну і його здатність проходити через фільтри, що не пропускають бактерій. З цієї причини віруси спочатку отримали назву фильтрующихся отруйних рідин. Повторивши досліди Д. І. Івановського та отримавши аналогічні результати, голландський мікробіолог М. Бейеринком в 1898 р. дав для збудника мозаїчної хвороби тютюну назвою «Фільтр вірусна рідина». Тоді ж був описаний вірусний збудник ящуру великої рогатої худоби (Ф. Лефлер і П. Фрош, 1898), а в 1901 р. У. Рід, використовуючи існувала з часів А. Пастера традицію називати інфекційне початок вірусом, назвав відкритого ним збудника жовтої лихоманки просто вірусом (від лат. virus - отрута). Починаючи з 1931 р., коли був відкритий спосіб культивування вірусів у клітинах ембріонів курчат, віруси стали широко культивувати в лабораторних умовах, що значно розширило можливості експериментального вивчення цих структур.
До теперішнього часу віруси відкриті в організмів практично всіх систематичних груп рослин і тварин (у мікоплазм, бактерій, листостеблових рослин, найпростіших, гельмінтів, комах, земноводних, плазунів, птахів, ссавців). Відомо значна кількість вірусів, виділених від людини. Можна сказати, що віруси всюдисущі.
У лабораторних умовах віруси культивують на курячих ембріонах, в культивованих соматичних клітинах, на переживають клаптиках шкіри і в експлантантах органів, а також в організмі сприйнятливих тварин. Важливо відзначити, що вони не здатні до зростання на поживних середовищах, що використовуються для культивування бактерій або соматичних клітин, і в цьому полягає одна з принципових відмінностей їх від інших організмів.
Віруси не здатні до відтворення у вільному стані. Їх відтворення можливе тільки в клітинах. Крім того, опинившись в клітинах, вони ведуть себе як облігатні внутрішньоклітинні паразити, викликаючи хвороби організмів, в яких паразитують. Отже, вірусам властиві дві форми існування, а саме: позаклітинна, або спочиваюча, і внутрішньоклітинна, або репродуцирующая.
Загальні властивості вірусів
У загальному вигляді віруси являють собою субмікроскопічні утворення, що складаються з білка і нуклеїнової кислоти і організовані у формі вірусних частинок, що їх називають вірусними корпускулами, віріони, віроспорамі або нуклеокапсид.
Розміри вірусних часток становлять від 15-18 до 300-350 нм. Їх можна побачити тільки за допомогою електронного мікроскопа. Виняток становлять лише вірус віспи та деякі інші великі віруси, які можна побачити в високоточної світловому мікроскопі.
Поодинокі віруси тих чи інших видів представляють собою утворення різної форми (округлої, палочковидной або іншої форми), всередині яких міститься нуклеїнова кислота (ДНК або РНК), укладена в білкову оболонку (капсид).
Вірусний капсид побудований з поліпептидних ланцюгів (різних білків), складених у кілька шарів. В окремих вірусів капсид оточений додаткової мембраною, побудованої з складних вірусоспецифічні білків (глікопротеїдів) і подвійного шару ліпідів, ідентичних липидам плазматичної мембрани клітини-хазяїна. Цю вірусну мембрану часто називають супер-капсидом.
Функціональне значення капсида определается тим, що він охороняє вірусний геном (нуклеїнових кислот) від пошкоджень, а також містить рецептори, що забезпечують адсорбцію вірусних частинок на слабости ними клітинах.
Внутрішній вміст вірусів, часто зване геномом або вірусної хромосомою, що складається з декількох генів, являє собою ДНК або РНК в різних формах. Наприклад, геном бактеріальних вірусів MI3 і XI74 представлений одноланцюжковою кільцевою молекулою ДНК, тоді як у парвовирусов, до яких відносять багато вірусів великої рогатої худоби, свиней, кішок, щурів та інших тварин, він представлений одноланцюжковою лінійної молекулою ДНК. Геном вірусів поліоми і SV40 представлений дволанцюжкової кільцевою молекулою ДНК, але у аденовірусів дволанцюжкова кільцева ДНК має на 5'-кінцях ланцюгів ковалентно приєднаний білок, а у вірусу віспи дволанцюжкова ДНК характеризується тим, що кінці її ланцюгів ковалентно «зшиті» фосфодіефірних зв'язками.
Геном вірусів мозаїчної хвороби тютюну, поліомієліту та деяких бактеріальних вірусів представлений одноланцюжковою РНК, тоді як геномом реовіруси служить дволанцюжкова РНК-Відтворення вірусів відбувається в клітинах хазяїна і складається з декількох стадій, а саме: адсорбція і проникнення вірусів в клітини, синтез вірусних білків, необхідних для реплікації вірусної нуклеїнової кислоти, реплікація нуклеїнової кислоти, синтез білків капсиду, збірка вірусів і вихід з клітини «готових» вірусних частинок.
ДНК-віруси мають або власні ферменти реплікації (у капсида), або в їх геномі закодована інформація про синтез вірусних ферментів, що забезпечують реплікацію вірусної нуклеїнової кислоти. Кількість цих ферментів різному в застосуванні до різних вірусів. Наприклад, у геномі бактеріального вірусу Т4 закодована інформація про синтез близько 30 вірусних ферментів. Далі геном великих вірусів кодує нуклеази, руйнують ДНК клітини-господаря, а також білки, вплив яких на клітинну РНК-полімеразу супроводжується тим, що «оброблена» таким чином РНК-полімераза транскрибує на різних стадіях вірусної інфекції різні вірусні гени. Навпаки, малі за розмірами ДНК-віруси в більшій мірі залежать від ферментів клітин-господарів. Наприклад, синтез ДНК аденовірусів забезпечується клітинними ферментами.
Реплікація ДНК-вмісних вірусів починається з 0-пункту їх хромосоми, до якого прикріплюються білки клітини-хазяїна, «притягують» до себе як вірусні, так і клітинні ферменти реплікації.
У деяких РНК-вмісних вірусів в геномі закодовані РНК-залежні транскриптази (зворотні транскриптази). Тому реплікація геному РНК-вмісних вірусів каталізується власної зворотної транскриптазою, що упаковується в капсида при кожній реплікації вірусів у клітині-хазяїні. Такі РНК-віруси отримали назву ретровірусів (від лат. Retro - повернення назад).
Класичним прикладом ретровірусів служить вірус саркоми курей Рауса
До ретровірусів відносять вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), що є причиною синдрому набутого імунодефіциту (СНІДу). Однак РНК вірусу поліомієліту служить як мРНК.
Класифікація вірусів є складною і часто суперечливою. Тим не менш ДНК-содержат і РНК-віруси зазвичай класифікують роздільно на різні сімейства. Наприклад, серед ДНК-вмісних вірусів тварин класифікують сімейства парвовирусов (віруси щурів, кішок та інших тварин), паповавирусов (віруси бородавок людини, повному та інші), аде-новірусов (віруси фарингітів і кон'юнктивітів людини, віруси ссавців), поксвирусов (віруси віспи людини і тварин), віруси герпесу (віруси герпесу, оперізувального лишаю людини, ларинготрахеїту птахів та ін), ірідовіруси (віруси віспи свиней, африканської чуми свиней та ін.)
Серед РНК-вмісних вірусів тварин класифікують сімейства пикорнавирусов (риновіруси людини, вірус поліомієліту людини, поліовіруси тварин, вірус ящура тварин тощо), реовірусів (віруси тендосиновіта курей та ін), міксовіру-сов (віруси грипу, кору, сказу людини, чуми м'ясоїдних та ін), арбовірусів (віруси кліщового і японського енцефаліту, жовтої лихоманки людини і Др.). Подібні класифікації існують і в разі вірусів рослин; що стосується фагів, то їх класифікують на основі того, які бактерії вони лизируют. Наприклад, кишкові фаги - це фаги, лизирующие кишкові бактерії, дизентерійні фаги - це фаги, лизирующие дизентерійні бактерії і т. д.
Віруси тварин, рослин і бактерій
Оскільки віруси виявлені в клітинах організмів різних систематичних груп, ми розглянемо тут віруси людини, тварин (ссавців), рослин і бактерій роздільно.
Віруси людини і тварин є найбільш вивченими в порівнянні з вірусами іншого походження. Вони викликають хвороби, багато з яких характеризуються більшою вагою лікування і високою смертністю. Найбільш відомими вірусними хворобами людини є грип, поліомієліт, сказ, віспа, кліщовий енцефаліт та інші, а домашніх тварин - сказ, ящур, чума, віспа, енцефаломієліт та ін, окремі з яких є повальними хворобами.
Морфологія вірусів людини і тварин досить різноманітна, але загалом вони є овальними утвореннями, діаметр яких становить кілька десятків нанометрів
Як уже зазначено, репродукція вірусів відбувається тільки в живих клітинах, тобто синтез як вірусного генома (нуклеїнової кислоти), так і білків капсиду відбувається тільки в клітинах. У клітинах здійснюється також і збірка з вірусної нуклеїнової кислоти і білків нових інфекційних вірусних частинок.
Вірусна інфекція людини (тварин) починається з того, що інфікує вірус зв'язується з цитоплазматичною мембраною клітин, після чого в результаті ендоцитозу проникає всередину клітин. Усередині клітин вірусні частинки виявляються або в ядрі або в цитозолі, де їх нуклеїнова кислота звільняється від капсида. Наприклад, ДНК вірусу герпесу людини звільняється від капсида в ядрі. Там же відбувається і складання нових нуклеокапсі-дів, після чого вони залишають клітку. Навпаки, РНК деяких РНК-вмісних вірусів звільняється від капсида в цитозолі, після чого вона транслюється на рибосомах клітини-господаря з утворенням кодируемой вірусом РНК-полімерази. Остання синтезує РНК, окремі з копій якої виконують роль мРНК, яка транслюється в мембранні і капсидних білки. Збірка вірусних частинок йде потім на плазматичної мембрани, після чого вони залишають клітку.
Вихід вірусних часток із клітин характеризується особливостями, обумовленими виглядом вірусів. Новостворені вірусні частинки можуть виходити із клітин назовні поступово. У цьому випадку структура клітин не порушується, у них триває синтез нових вірусних частинок. Однак після інфекції клітин генетичний матеріал вірусів може включатися в їх геном і перебувати там невизначено довгий час в активному стані. У даному випадку вірус поводиться по типу так званої латентної (прихованої) інфекції. Подальший розвиток латентних вірусів може настати в результаті будь-якого впливу, після якого віруси звільняються з кліток з лізисом їх або без лізису.
Крім здатності викликати інфекційні хвороби людини і тварин, окремі види вірусів мають властивість індукувати утворення пухлин. Такою властивістю володіють як ДНК-содержат, так і РНК-віруси (ретровіруси). Віруси, здатні викликати пухлини, отримали назву опух-леродних або онкогенних вірусів, а процес зміни клітин і перетворення їх на ракові називають вірусної неопластичної трансформацією.
У випадку ДНК-вмісних вірусів людини і тварин їх властивість викликати пухлини залежить від ставлення вірусної ДНК до хромосомам клітини. Вірусна ДНК може залишатися подібно ллазмідам в клітині в автономному стані, репліціруясь разом з клітинними хромосомами. При цьому регуляція поділу клітин не порушується. Однак вірусна ДНК може включитися в одну або кілька хромосом клітини-господаря. При такому результаті ділення клітин стає нерегульованим. Іншими словами, інфіковані ДНК-вірус клітини перетворюються на ракові. Прикладом онкогенних ДНК-вмісних вірусів є вірус SV40, виділений багато років тому з клітин мавп. Онкогенні дію цих вірусів залежить від того, що окремі вірусні гени діють як онкогени, активізуючи клітинну ДНК і спонукаючи клітини до вступу в 8-фазу з подальшим неконтрольованим розподілом. РНК-віруси через включення їх РНК в одну або кілька хромосом клітини-господаря також володіють онкогенним дією. У геномі цих вірусів також є онкогени, проте вони істотно відрізняються від онкогенів ДНК-вмісних вірусів тим, що в геномі клітин-господарів присутні їх гомологи у вигляді протоонкогенів. Коли РНК-віруси інфікують клітини, вони «захоплюють» на свій геном протоонкогени, які представляють собою послідовності ДНК, які контролюють синтез білків (кіназ, факторів росту, рецепторів факторів росту та ін), які беруть участь у регуляції клітинного поділу. Однак відомо, що існують і інші способи перетворення клітинних протоонкогенів у вірусні онкогени.
До теперішнього часу встановлено дуже велика кількість протоонкогенів. Прикладами онкогенних РНК-вмісних вірусів є вірус саркоми курей Рауса, а також віруси сарком птахів, мишей, кішок, мавп та інших тварин (табл. 1).
Дані про онкогенних вірусах мають величезне значення не тільки для розуміння розмаїття життя, але і для пошуків ефективних шляхів лікування та профілактики злоякісних новоутворень у людини і тварин.
Нарешті, як уже зазначено ВІЛ або HIV (Human immunodeficiency virus) здатний викликати СНІД або AIDS (acquired immunodeficiency syndrom), який в кінцевому підсумку смертельний для людини. На відміну від інших ретровірусів, ВІЛ у своєму геномі містить п'ять додаткових відкритих рамок читання, які кодують білки, що активують або репресують вірусний білковий синтез і, можливо, інші функції. Летальний ефект цього вірусу пов'язаний з тим, що, вбиваючи спеціалізовані хелперних клітини СДЧ (клітини Т), він пошкоджує імунну систему людини, тому що без цих клітин В-клітини не можуть розмножуватися у відповідь на надходження в організм нового антигену (див. § 96). Механізм інфікувати і летального впливу ВІЛ на клітини СДЧ в загальному вигляді полягає в тому, що при інфікуванні клітин його капсидний білок зв'язується з трансмембраним клітинним білком, після чого вірусний капсид зливається з мембраною клітини, а слідом за цим вірусна РНК звільняється в клітку, де вона після конверсії в двухцепочечную ДНК, включається в хромосому в якості провірусу. Білок, що синтезується під контролем про-вірусу, дозволяє інфікованим Т-клітин зливатися з неінфікованими Т-клітинами, що призводить до загибелі всіх цих клітин. Отже, людина вмирає від нездатності захиститися імунологічно від тих інфекцій, які самі по собі не є смертельними.
Таблиця 1
Деякі онкогени ретровірусів і функції, контрольовані цими протоонкогенах
| Онкоген | Вірус | Функція протоонкогена |
| erb-A | Вірус еритробластозу птахів | Рецептор гормону щитовидної залози |
| erb-B | Вірус ерітролеікоза птахів | Тирозинових протеїнкиназа. Рецептор фактору росту епідермісу |
| myb | Вірус міелобластоза птахів | Ядерний білок |
| mos | Вірус міелоцітоматоза птахів | Ядерний фактор транскрипції |
| fos | Вірус саркоми мишей | Протеінківаза (серіно-вая/треоніновая) |
| H-ras | Вірус остеосаркоми мишей Вірус саркоми пацюків | Ядерний фактор транскрипції G-білок |
| sis | Вірус саркоми мавп | По-ланцюг тромбоцитарного фактора росту |
| yes | Вірус саркоми Рауса | Тирозинових протеїнкіназа |
Віруси, рослин також широко поширені в природі, викликаючи хвороби рослин різної видової приналежності. Як уже зазначено, першим відкритим вірусом виявився МБТ-вірус мозаїчної хвороби тютюну ушкоджує листя рослин цього виду. Крім вірусу мозаїчної хвороби тютюну широко відомі віруси некрозу тютюну, жовтої карликовості картоплі, жовтої мозаїки ріпи, а також віруси, що вражають багато інших культурних і дикі рослини.
Форма вірусів рослин в основному буває палочковидной і округлої. Розміри вірусів палочковидной форми становлять 300-480 х 15 нм, а розміри тих, які мають округлу форму, рівні 25-30 нм.
Основними шляхами передачі вірусів від хворих рослин до здорових є фізичний контакт між рослинами, щеплення рослин, перенесення вірусів через грунт, а також перенесення комахами.
Вірусні хвороби рослин приносять значної шкоди сільському господарству.
Віруси бактерій, або бактеріофаги (фаги), вражають бактерії, що належать до різних систематичних груп. У молекулярній біології на початку її розвитку видатна роль в якості експериментальних моделей належала бактериофагам так званої Т-групи, до яких чутливі клітини Є. coli. Ці бактеріофаги зараз є найбільш вивченими, і все, що відомо про бактеріофага, зобов'язана в основному Т-бактеріофагів.
Бактеріофаги Т-групи мають форму барабанних паличок розміром 100 х 25 нм. Їх геном представлений ДНК. Вони є вірулентними фагами, оскільки після інфіпірованія ними бактеріальних клітин останні лізуються зі звільненням великої кількості знов синтезованих фагових частинок.
На противагу вірулентним фагам, відомі так звані фаги помірної дії, або просто помірні фаги. Типовим представником таких фагів є фаг К, який теж використовувався і використовується в якості експериментальної моделі для з'ясування багатьох питань молекулярної генетики. Фагу X притаманні дві важливі властивості. Подібно вірулентним фагам він може інфікувати бактеріальні клітини, розмножуватися вегетативно, продукуючи в клітинах сотні копій і лизировать клітини зі звільненням зрілих фагочастіц. Однак ДНК цього фага може включатися в бактеріальну хромосому, перетворюючись на про-фаг. При цьому відбувається так звана лизогенизации бактерій, а бактерії, що містять профаг, називають лізогенним. Лізогенним бактеріальні клітини можуть мати профагом нескінченно довгий час, при цьому не лізіруя. Лізис зі звільненням нових фагочастіц відзначається після впливу на лізоген-ні бактерії якого-небудь фактора, наприклад УФ-випромінювання, яке індукує розвиток профага в фаг. Вивчення лізогенним бактерій дозволило отримати ряд нових даних про роль різних білків в дії фагових генів.
Бактеріофаги використовують в медицині як лікувального і профілактичного засобу в разі окремих бактеріальних хвороб.
Походження вірусів
Питання походження вірусів обговорюються на протязі всього часу, починаючи з моменту їх відкриття, оскільки необхідність раціональних пояснень еволюції вірусів визначається фундаментальним і практичним значенням цих структур.
Одним з обговорюваних питань є питання про час появи вірусів. Оскільки віруси не містять ані рибосом, ні АТФ і оскільки вони не можуть існувати поза клітинами, то вважають, що вони виникли пізніше клітин.
Що ж стосується виникнення вірусів, то з цього приводу відомо кілька гіпотез. Спочатку вважали, що вони є бактеріями, які включилися в соматичні клітини і стали там дегенеративними формами. У порядку обгрунтування цієї гіпотези наводили дані про великі віруси, які можна бачити в світловому мікроскопі з великою роздільною здатністю. Однак з початком розвитку молекулярної біології на походження вірусів стали дивитися по-іншому. Пререквізітом до появи вірусів стали вважати формування послідовностей ДНК, здатних до реплікації. Так як ці молекулярні події припустив-тельно представлялися подібними з подіями, що передують появі плазмід (освіта кільцевих молекул ДНК з властивостями реплікону з повторюваних послідовностей ДНК, на основі реципрокного кросинговеру), то в сучасній літературі чітко окреслилася тенденція розглядати походження, принаймні, бактеріальних вірусів спільно з бактеріальними плазмідами, причому додатковою підставою до такого розгляду зазвичай вважають схожість з ряду властивостей між помірними фагами і плазміди.
По-перше, як помірні фаги, так і плазміди (фактори перенесення) здатні до автономної реплікації в цитоплазмі і до включення в хромосому.
По-друге, чинники перенесення детермінують синтез специфічних клітинних рецепторів, які в окремих випадках подібні з рецепторами для адсорбції фагів.
Нарешті, фактори перенесення, як і бактеріальні віруси, побудовані з нуклеїнової кислоти одного типу, залежать в своєму метаболізмі від клітини-хазяїна та інфекціозни по відношенню до клітини-хазяїна.
Таким чином, бактеріальні віруси відповідають ряду важливих критеріїв, зазвичай використовуваних у визначенні плазмід. З цієї причини плазміди можна розглядати в якості бактеріальних вірусів, у яких замість механізму, що забезпечує синтез білкової оболонки, отримав розвиток механізм, що забезпечує їх кон'югатівность й ефективне розповсюдження серед бактерій різних видів і родів.
Отже, бактеріальні віруси по відношенню до плазміда є прогресивними структурами, які в ході еволюції набули спеціалізовані функції, необхідні для здійснення складного циклу - відтворення інфекційних вірусних часток і для існування за межами клітини-хазяїна (у позаклітинній формі). Перший бактеріальний вірус, ймовірно, виник, коли у плазмід з'явився ген (гени), що кодує білок (білки) капсида.
Однак між бактеріальними вірусами і плазмідами типи факторів переносу все-таки є дуже важливі відмінності.
По-перше, фактори перенесення, перебуваючи в бактеріях, контролюють на їх поверхні синтез спеціалізованих структур пилці і, внаслідок чого бактеріальні клітини мають кон'ю-гативно, тобто здатністю діяти в якості генетичних донорів. Бактеріальні віруси цією здатністю не володіють.
По-друге, чинники перенесення здатні передаватися від клітини до клітини в результаті клітинних контактів. Спосіб інфіцірова-ня бактерій вірусами є зовсім іншим і закінчується фаголізісом інфікованої бактеріальної клітини.
По-третє, фактори перенесення здатні мобілізувати бактеріальну хромосому на перенесення від однієї клітини до іншої, причому також у результаті клітинних контактів. Бактеріальні віруси цією здатністю не володіють. Що ж стосується здатності окремих бактеріальних вірусів переносити сегменти бактеріальної хромосоми від одних клітин до інших, то механізм такого генетичного обміну (трансдукції) не пов'язаний з клітинними контактами.
По-четверте, сайти включення окремих плазмід в хромосому більш-менш різноманітні, тоді як інтеграція профагом частіше відбувається тільки в певних сайтах хромосоми.
Нарешті, плазміди не мають здатність лизировать бактерії, тоді як всі фаги, включаючи також помірні (в автономному стані), завжди викликають лізис бактерій. Наявність перерахованих відмінностей можна пояснити придбанням специфічних перетворень бактеріальними вірусами і плазмідами в ході дивергентной еволюції.
Якщо в поясненнях походження бактеріальних вірусів намітився безсумнівний успіх, то походження вірусів тварин і рослин не має задовільних пояснень, хоча їх походження теж іноді пов'язують з плазмідами.
Обговорюючи походження вірусів, не можна не привернути увагу до одного важливого моменту, що полягає в тому, що віруси чинили і чинять вплив на еволюцію організмів, в яких вони паразитують. Цей вплив може виражатися як в їх здатності переносити генетичну інформацію від одних організмів до інших горизонтально, так і в способах діяти в якості мутагенів (див. гл. X).
Список літератури
1. Біологія. У 2 кн. (Підручник) Під ред. В.Н. Яригіна (2003, 5-е вид., 432с., 3
2. Мікробіологія. (Підручник) Гусєв М.В., Мінєєва Л.А. (2003, 464с.)
3. Біологія з основами екології. (Підручник) Пехов А.П. (2000,