Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.Вирусы, мутации, штаммы – эти три слова сегодня у всех на устах. Пандемия коронавируса, охватившая практически целую планету, заставила задуматься: откуда появляются заболевания, кардинально меняющие жизнь человечества.

Только за двадцать два года 21-го века мы пережили пять эпидемий, бросивших серьезный вызов мировой медицине.

Каждая из них вызвана вирусами, но что удивительно – через определенный период времени вирионы (вирусные частицы) возвращаются, но в немного измененном структурном виде.

Так в 2002-2003 году 27 стран мира столкнулись с эпидемией атипичной пневмонии SARS, от которой умерло более 800 пациентов. И это было лишь начало, ведь дальше человечество ждали:

  • свиной грипп A/H1N1 в 2009-2010 годах – смертность достигла почти 19 тысяч человек;
  • птичий грипп H5N1 и H7N9 2003-2017 гг – умерло более 450 заболевших;
  • ближневосточный респираторный синдром (MERS-CoV) – острая респираторная вирусная инфекция, вызванная патогенным для человека коронавирусом MERS-CoV. Уровень смертности сравнительно невысокий – 430 пациентов за 2012-2015 гг;
  • геморрагическая лихорадка Эбола, в 2014-2016 годах и унесшая 11300 жизней [1];
  • COVID-19 – текущая пандемия вызванная распространением коронавируса SARS-CoV-2. Забравшая 5,6 миллионов жизней.

Нетрудно заметить, что некоторые обозначения вирусов перекликаются. Это неудивительно, ведь они могут быть вызваны мутировавшими вирусами одного типа. Попробуем разобраться что такое мутация вирусов и почему она происходит.

Что такое вирус, его структура и особенности

Мир микроорганизмов представлен несколькими отдельными видами, каждый из которых кардинально отличается от других.

Вирусы относятся к этой группе, хотя у них есть свои особенности, несвойственные остальным невидимым невооруженным глазом представителей животного и растительного мира.

Во-первых, у них нет клеточной структуры и протеинообразующих систем. Во-вторых, они имеют выраженный цитотропизм и внутриклеточный паразитизм. [2]

Ученые, изучающие вирусы, подсчитали, что на Земле более 1039 этих микроорганизмов. [3] У них разные формы, размеры и жизненный цикл, но несколько свойств объединяют все вирусы:

  • наличие капсида – защитной белковой структуры;
  • геном, который состоит из ДНК или РНК и находится внутри капсида;
  • суперкапсид – оболочка, которая покрывает капсид, однако она присутствует не у всех видов вирусов. [4]

При попадании вируса в клетку-носителя, он начинает интенсивно размножаться. В результате возникает множество копий возбудителя заболевания, которые потом поражают другие клетки организма.

В процессе размножения и передачи вируса иногда происходит изменение генетического материала, находящегося в геноме. Это и называется мутацией.

Чем выше циркулирование вирусов и чаще выполняется их репликация, тем больше шансов появления новых штаммов.

Подобная мутация способна создать вирусы, которые легче адаптируются к внешней среде, имеют высокую контагиозность, вызывает кардинально другие симптомы и течение заболевания. Этот процесс именуют эволюцией.[5]

Основные причины мутации вирусов

Ежегодно в мире появляются новые штаммы вирусных инфекций. Объясняется это эволюционированием вирусов, которое возникает очень быстро и может происходить двумя путями:

  • рекомбинацией: в этом случае микроорганизмы инфицируют одну и ту же клетку и обмениваются между собой генетическим материалом;
  • мутацией: изменение последовательности ДНК или РНК-цепей происходит внутри самого вируса.

Рекомбинация присущая вирусу гриппа, ведь у него есть сразу восемь сегментов РНК, каждый из которых несет от одного до нескольких генов. Когда два разных штамма одного возбудителя попадают в организм, продуцируются новые микроорганизмы со смешанными сегментами.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.В результате мутации также возникают новые штаммы, но сам процесс существенно отличается. Для возникновения нового штамма необязательно одновременное заражение двумя разными возбудителями, поскольку все изменения происходят при копировании вируса. Известно, что ДНК-вирусы меняются намного реже, чем РНК. Ученые объясняют подобную особенность одним важным отличием: для ДНК-вирусов в процессе копирования нужна ДНК-полимераза – фермент, входящий в клетки хозяина. Именно она обнаруживает и корректирует ошибки, не допуская возникновения видоизмененных вирусов, но и этот механизм вирионы иногда способны обходить.

РНК-полимераза, принимающая участие в репликации РНК-вирусов, не имеет такой способности, поэтому никакой коррекции не происходит. Соответственно, вероятность возникновения новых штаммов вирусов высокая.

Вирусных заболеваний с несколькими видами штаммов на самом деле не так уж и много. Самые известные и наиболее распространенные мутации происходят у гриппа, ВИЧ, коронавируса. Например, за все время существования SARS-CoV-2 образовалось тринадцать разных форм. [6] Пандемия COVID-19 началась с формы, которая была обнаружена в декабре 2019-го в китайском городе Ухань.

Последствия мутации вирусов

Мутация – это хорошо или плохо? На этот вопрос ответить однозначно нельзя, ведь в каждом случае результат разный. Для одних заболеваний мутация вирионов становится возможностью еще комфортнее «чувствовать» себя в организме, а для других – приводит к тому, что пациенты легко болеют и быстро выздоравливают.

При ВИЧ-инфекции мутация генов с образованием новых штаммов – одна из основных причин возникновения устойчивости к лекарственным средствам.

Все дело в том, что для блокирования репликации ВИЧ используется ингибитор обратной транскриптазы, механизм действия которого заключается в объединении с этим ферментом в вирусе.

Без его участия вирион не может копировать геном, но некоторые вирусные частицы мутируют именно в гене обратной транскриптазы, поэтому лекарство на них не действует. С этой целью для лечения ВИЧ используется комбинированная терапия из нескольких препаратов, влияющих на разные циклы развития вируса. [7]

Влияние на определение вирусов и процесс вакцинации

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.Мутация, в результате которой появляются новые штаммы, ставит серьезные задачи перед лабораторной диагностикой. Важно, чтобы новые формы не выпали из поля зрения методов идентификации, которые сегодня используются. Глобальная сеть лабораторий ВОЗ учредила специальную группу, занимающуюся изучением эволюционирования SARS-CoV-2. [5] Ее представители отбирают образцы у пациентов с новой, атипичной симптоматикой и отправляют ее для дальнейшего исследования. Подобные шаги позволяют отслеживать появление новых штаммов, их влияние на человека, эффективность действия лекарственных средств на новые формы.

На сегодняшний день диагностика коронавируса выполняется 100% эффективными методами, так как определяется геном RdRp (ORF1ab) и N, которые абсолютно не мутируют.

Немного сложнее ситуация с вакцинацией: новый штамм коронавируса «омикрон» появился несколько месяцев назад, нанеся удар по усилиям ученых и медиков, разработавших вакцины против COVID-19.

Несмотря на меньшую опасность для здоровья по сравнению с предыдущими формами, он поставил под сомнение эффективность вакцинирования. Так, испытаниями вакцины Pfizer обнаружено, что она защищает от омикрона всего на 22,5 %.

Такой вывод сделали эксперты Африканского научно-исследовательского института здравоохранения в городе Дурбан (ЮАР). Для этого они отобрали образцы плазмы крови у 12 вакцинированных пациентов, заболевших именно этой формой коронавируса.

В основе исследования было определение нейтрализующих антител в организме. Одновременно они сделали предположение, что прививка сделает протекание заболевания более легким, обезопасит от появления осложнений.

Раньше эффективность вакцинации биотехнологическим препаратом оценивали британские ученые. Их результаты оказались более оптимистическими: третья доза мРНК-вакцин Pfizer и AstraZeneca повышают защиту организма от омикрона на 75 %. [8]

Но не все так пессимистично. Несмотря на повышение количества пациентов, заболевших коронавирусом штамма «омикрон», госпитализаций среди вакцинированных немного.

Безусловно, всплеск пандемии еще впереди, но оптимистические прогнозы сделаны: эволюция SARS-CoV-2, скорее всего, близится к завершению.

Цель вируса – не убивать человека и погибать самому, а продолжать свой жизненный цикл, для чего ему нужно мутировать в более слабую форму. [9]

Полностью из нашей жизни COVID-19 вряд ли уйдет. Но ежегодное его появление в сезон респираторных заболеваний с более легкими симптомами не будет таким опасным. Так что мутация вирусов может быть и положительным процессом.

Источники

Автор статьи:

Шишелова Ярина Владимировна

  • Специальность: клинический провизор.
  • Общий стаж: 15 лет.
  • Образование: 2006-2007 – ЛНМУ имени Данила Галицкого по специальности «Клиническая фармация».

Великий комбинатор

Человечество справится с новым коронавирусом, но пока непонятно, какой ценой.

В уравнении под названием «пандемия COVID-19» еще слишком много неизвестных, и многое зависит от того, что будет происходить с самим вирусом SARS-CoV-2.

Он мутирует, и неясно, станет ли он более опасным или превратится в безвредный вирус, с которым мы будем мирно сосуществовать. Подробнее о том, как эволюционируют вирусы, читайте в нашем материале.

Весной 1997 года у трехлетнего мальчика в Гонконге началась болезнь, по всем симптомам напоминавшая обычную простуду. Кашель и высокая температура не проходили шесть дней, из-за чего маленького пациента доставили в Больницу королевы Елизаветы.

Несмотря на интенсивную терапию, состояние мальчика только ухудшалось, и спасти его так и не удалось.

Около месяца вирусологи анализировали образцы мокроты мальчика, пытаясь выяснить, что же послужило причиной скоропостижной смерти, но все тщетно.

В итоге, китайские специалисты решили отправить биологический материал своим американским коллегам, которые сумели определить, что виновник — вирус гриппа H5N1, или птичьего гриппа.

За тот год птичий грипп был диагностирован еще у 18 человек, шестеро из которых умерли. Уровень смертности от H5N1 был выше, чем у «испанки», которая стала причиной смерти более 50 миллионов человек в началеXX века.

В тот раз человечеству крупно повезло, поскольку вирус птичьего гриппа тогда не приобрел способности передаваться от человека к человеку.

Но все могло быть иначе, если бы вирус H5N1 встретился с вирусом сезонного гриппа, например, в организме свиньи.

В таких случаях, когда сразу несколько вирусов проникают в клетку, происходит их реассортация — обмен генетическим материалом, в результате чего возникают новые варианты вирусов.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.

Схема процесса реассортации вирусов

The New England Journal of Medicine

Источники новых вирусов

Геном вирусов гриппа состоит из 8 отдельных сегментов РНК, которые собираются в вирионы в клетке-хозяине. Если клетка одновременно инфицируется двумя вирусами гриппа, то это уже 16 сегментов, которые могут собираться в разных комбинациях. Теоретически 2 вируса гриппа могут давать 256 различных комбинаций.

Реассортация — один из основных механизмов появления пандемических вирусов. Яркий пример — вирус А(H1N1)pdm09, вызвавший пандемию в 2009 году. А(H1N1)pdm09 — продукт реассортации вирусов человека, свиньи и птиц в организме свиньи.

Вирус H5N1 пока не «скооперировался» с другими вирусами, поэтому утилизация птиц в местах вспышек позволяет быстро локализовать болезнь, не давая ей возможности распространиться на миллионы людей, чего не скажешь про новый коронавирус SARS-CoV-2.

Это не первый коронавирус, с которым столкнулось человечество. О коронавирусах стало известно еще в середине 1960-х годов. В 2002 году коронавирус SARS-CoV стал причиной эпидемии тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС).

Всего было зафиксировано 8437 случаев заболевания, из которых 813 закончились смертью заболевших.

Читайте также:  Рецидивирующий кариес. Прогрессирование кариеса зубов. Профилактика кариеса зубов.

Спустя 10 лет стал бушевать другой коронавирус — MERS-CoV, вызвавший ближневосточный респираторный синдром (БВРС), смертность которого составляет 35 процентов.

Оба этих вируса, а также новый коронавирус SARS-CoV-2 попали к человеку от летучих мышей. Но, в отличие от вируса птичьего гриппа, коронавирусы SARS-CoV и SARS-CoV-2 легко передаются от человека к человеку.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.

Структура коронавируса

The New England Journal of Medicine

Вирус MERS-CoV в основном передается от животного к человеку, а передача от человека к человеку возможна лишь при очень тесном контакте, например в семье или между инфицированным пациентом и врачом.

Вирусы SARS-CoV и SARS-CoV-2 сумели распространиться на людей благодаря тому, что S-белок короны вирусов по своей структуре имитирует ангиотензинпревращающий фермент 2. Благодаря этому они успешно связываются с рецепторами ангиотензинпревращающего фермента 2 АСЕ2 (их много на поверхности клеток легких — альвеолоцитов), после чего впрыскивают свою РНК внутрь клетки.

Сравнение вирусов SARS-CoV и SARS-CoV-2 показывает, что у последнего сила связывания (аффинность) с рецептором АСЕ2 выше.

В исследовании китайских ученых показано, что основные отличия между вирусами SARS-CoV и SARS-CoV-2 сосредоточены между 435 и 510 аминокислотными остатками рецептор-связывающего домена (RBD).

Это регион рецептор-связывающего мотива (RBM) RBD, определяющего специфичность к клеткам-хозяина.

Анализ аминокислотных последовательностей RBM двух типов коронавирусов летучих мышей (RaTG13-CoV, Bat-CoV), коронавируса панголинов (GD Pangolin-CoV) и SARS-CoV-2 показал пять ключевых отличий в аминокислотной последовательности, которые являются общими только для GD Pangolin-CoV и SARS-CoV-2.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.

Аминокислотная последовательность рецептор-связывающего мотива вирусов nCoV-2019 (SARS-CoV-2), Pangolin-CoV, RaTG13-CoV и Bat-CoV. Вертикальными рамочками выделены ключевые аминокислоты, принимающие участие в связывании с рецептором ACE2. Все пять аминокислот nCoV-2019 совпадают с таковыми у Pangolin-CoV. У nCoV-2019 и RaTG13-CoV всего одна общая аминокислота.

Matthew C. Wong et al. / bioRxiv, 2020

Это позволяет исследователям предположить, что панголины могут рассматриваться в качестве потенциального промежуточного хозяина, в организме которых могла произойти рекомбинация.

По мнению китайских исследователей, GD Pangolin-CoV передал вирусу RaTG13 гены, ответственные за синтез RBD, благодаря чему новый вирус приобрел возможность преодолевать межвидовой барьер.

Но это пока гипотеза, поскольку сходство между двумя вирусами может быть и итогом конвергентной эволюции, когда два вида независимо друг от друга приобретают одинаковый набор признаков из-за сходства условий обитания.

И SARS-CoV, и MERS-CoV удалось сравнительно быстро обуздать из-за высокой смертности и относительно быстрого развития симптомов. Как ни странно, но чем более смертоносен вирус, тем легче его локализовать. Другая история с SARS-CoV-2. В большинстве случаев инфекция проходит в легкой форме, что позволяет вирусу выигрывать время и распространяться дальше.

Преодолевая барьеры

Существует несколько способов, с помощью которых вирус способен преодолеть межвидовой барьер. Это мутации и рекомбинации.

Упомянутая выше реассортация генов является одним из видов рекомбинации и характерна для сегментированных вирусов (в частности, вирусов гриппа). Коронавирусы обладают несегментированной РНК, поэтому для них возможны другие варианты рекомбинации, когда один из вирусов привносит в другой вирус какой-то фрагмент генома.

Второй механизм изменчивости вирусов — это мутации. Поскольку репликация РНК, в отличие от ДНК, происходит без возможности репарации (исправления ошибок), то при синтезе РНК вероятность появления ошибок в 10 тысяч раз выше, чем при репликации ДНК.

При каждом репликационном цикле около 10 процентов РНК-вирусов имеют мутации. Это может быть выпадение или вставка одного или нескольких нуклеотидов. Мутации в РНК являются одним из основных источников антигенного дрейфа — изменения антигенных характеристик.

Вирусу SARS-CoV было «тесновато» в организме летучих мышей, чья иммунная система прекрасно с ним справлялась. Он перекинулся на цивет (хищные млекопитающие в Азии и Африке), а затем уже попал к людям. Вирус MERS-CoV от летучих мышей «эмигрировал» к одногорбым верблюдам, которые стали источником инфекции для человека.

В отношении нового коронавируса SARS-CoV-2 промежуточного хозяина пока не установили. Анализ рецептор-связывающего домена S-протеина указывает на то, что это могут быть панголины. Но есть и другое исследование по филогенетическому анализу, в котором ученые предполагают, что промежуточного хозяина нет, а вирус перекочевал к людям непосредственно от рукокрылых.

Во всей этой истории с перемещениями важным является тот факт, что на всем протяжении своего пути вирусы постоянно мутируют. К этому их вынуждают внешние обстоятельства.

При вирусной инфекции организм хозяина запускает различные механизмы защиты.

Помимо выработки антител, это запуск программы апоптоза клеток, продукция интерферона, который активирует синтез протеинкиназы, нарушающей синтез белков, в том числе и вирусных.

Также при вирусной инфекции увеличивается синтез олигоаденилатсинтазы, выступающей в роли РНКазы, которая фрагментирует РНК, в том числе и вирусные.

Для того чтобы выжить в организме-хозяине, вирусы прибегают к трем основным стратегиям: «тайное присутствие» позволяет вирусу избежать немедленного распознавания иммунной системой; «саботаж» ведет к повреждению защитных механизмов иммунной системы; «эксплуатация» нацелена на использование иммунной системы в своих целях. В настоящее время описаны некоторые молекулярные механизмы, посредством которых вирусы реализуют каждую из этих стратегий.

Например, мутации эпитопов (участков антигенов, которых распознает иммунная система) является примером «тайного присутствия», когда вирус скрывается от иммунитета.

К тактике «саботажа» прибегают вирусы герпеса, связывающие Fc-фрагменты иммуноглобулинов, что блокирует систему комплемента и нейтрализует антитела.

Тактику «эксплуатации» успешно применяет ВИЧ, инфицируя циркулирующие клетки иммунной системы.

Иммунитет победит

Большинство респираторных вирусов, передаваясь от человека к человеку, теряли свои позиции под прессом иммунной системы. Такой феномен известен как аттенуация (ослабление). Ближайший родственник нового коронавируса — SARS-CoV — ослабел уже на средних стадиях эпидемии.

Как показали исследования, вирусы SARS-CoV, выделенные из цивет и человека на ранних этапах эпидемии, отличались от вирусов, выделенных на поздних стадиях. Наиболее разительное отличие состояло в отсутствии последовательности из 29 нуклеотидов в открытой рамке считывания (последовательность нуклеотидов, способная кодировать белок) ORF8 у «поздних» вирусов.

Дальнейшие исследования на клеточных культурах показали, что делеция в 29 нуклеотидов у вируса SARS-CoV в ORF8 привела к уменьшению его репликативной активности. Концентрация вирусных частиц с делетированным участком в инфицированных клетках была ниже в 23 раза.

За эволюцией SARS-CoV-2 пристально следит не один десяток научно-исследовательских учреждений. Международная группа ученых в режиме реального времени делится информацией о новых мутациях вируса SARS-CoV-2 на ресурсе nextstrain.org.

Полученные сведения позволили руководителю объединения вычислительному биологу Тревору Бэдфорду предположить, что переход вируса SARS-CoV-2 от летучей мыши к промежуточному хозяину состоялся 20-70 лет назад.

Газете Financial Times Тревор Бэдфорд рассказал, что все изменения, происходящие с вирусом, укладываются в логику естественной эволюции, обычной для вирусов.

Тем самым ученый опроверг теории о генно-инженерном создании вируса.

В начале марта вышла статья китайских ученых об идентификации двух форм вируса SARS-CoV-2 — L и S. Две формы отличаются между собой лишь двумя однонуклеотидными полиморфизмами. При этом более ранняя S-форма вируса является менее агрессивной, чем L-форма.

Более 96 процентов заболевших в Ухане заразились L-формой, в то время как в других странах на долю SARS-CoV-2 L-типа приходится чуть больше 60 процентов случаев. Группа ученых из Центра по изучению вирусов Университета Глазго считает такие выводы некорректными.

Во-первых, по мнению исследователей, двух однонуклеотидных полиморфизмов недостаточно для разделения вируса на два типа. К моменту выпуска статьи было идентифицировано 111 мутаций, не оказывающих существенного влияния на функциональный контекст.

Во-вторых, шотландские эксперты акцентируют внимание на том, что превалирование L-типа вируса не обязательно указывает, что он легче передается. Чтобы утверждать подобное, необходимо проведение исследования с проверкой нулевой гипотезы, предполагающей равные скорости передачи инфекции, чего не было сделано исследователями из Китая.

Первые обнадеживающие изменения в вирусе SARS-CoV-2 были замечены 11 марта в Сингапуре. Это делеция огромного куска все в той же OFR8 (как и у SARS-CoV и MERS-CoV) размером целых 382 нуклеотида.

Пока ученые не берутся делать однозначные выводы относительно репликативных свойств измененного вируса. Учитывая тот факт, что делеции в ORF8 вирусов SARS-CoV приводили к изменению в работе N-белка вируса, отвечающего за репликацию, исследователи предполагают, что и в данном случае речь идет об аттенуации вируса.

Возвращение «блудного» вируса

Возникает закономерный вопрос — это первая и последняя встреча с SARS-CoV-2 или нам придется схлестнуться с ним еще раз после окончания пандемии? Напомним, что пандемия испанки затихла в июле-августе 1918 года, а осенью пришла вторая, более смертоносная волна.

На вопрос о возможной повторной встрече с вирусом SARS-CoV-2 сейчас ответить сложно. Если все пойдет по пути значительного ослабления вируса, то в конечном итоге он превратится в один из неопасных циркулирующих вирусов, вызывающих простуды.

Если присмотреться к вирусу SARS-CoV (вызывающего ТОРС), то повторных вспышек заражения этим вирусом не было. Эпидемия началась в ноябре 2002 года, а закончилась в июне 2003-го.

В 2004 году была вспышка атипичной пневмонии в Китае, однако это произошло из-за контакта сотрудника одной из китайских лабораторий с образцом вируса SARS-CoV. Передачи от человека к человеку или от животного к человеку начиная с июня 2003 года зафиксировано не было. При этом вирус по-прежнему живет в летучих мышах и циветах, и никто не знает, будет ли повторное заражение человека.

Что касается коронавируса MERS-CoV, то он все еще дает о себе знать. После 2013 года вспышка MERS была зафиксирована в Южной Корее. Диагноз подтвердился у 182 пациентов, 33 из которых умерли от атипичной пневмонии.

В 2019 году зафиксировано 212 случаев заражения и 57 случаев смерти в Саудовской Аравии и Омане.

Согласно данным ВОЗ, 9 и 13 января 2020 года были лабораторно подтверждены два случая заражения вирусом MERS-CoV в Объединенных Арабских Эмиратах.

Какими будут вакцины

В борьбе с новым коронавирусом большие надежды возлагают на вакцины, ее разработкой занимаются множество лабораторий. Однако быстро меняющийся геном вируса SARS-CoV-2 пока не позволяет ученым гарантировать полный успех. На сегодня текущие мутации никак не усложнили поиск вакцины, но что будет через месяц-два, спрогнозировать сложно.

Помогают ученым и уже имеющиеся наработки по вакцинам против вируса SARS-CoV. Около 23 процентов Т-клеточных и 16 процентов В-клеточных эпитопов являются консервативными для обоих вирусов. Это дает основание полагать, что дальнейшие мутации, скорее всего, не будут затрагивать эти эпитопы.

Наиболее простой способ — создать вакцину на основе аттенуированного или убитого вируса, но такие вакцины обладают большим числом побочных эффектов, а кроме того, они более чувствительны к условиям хранения.

Вторая разновидность — рекомбинантные вакцины, представляющие собой субъединицу S-белка вируса SARS-CoV-2, синтезированную дрожжами или бактериями.

Данная вакцина не содержит вирусного материала, поэтому спектр ее побочных действий крайне низок.

И третья разновидность — РНК- или ДНК-вакцины, представляющие собой генно-инженерную конструкцию, которая при попадании в организм начинает синтезировать белки вируса SARS-CoV-2.

Преимущества РНК- и ДНК-вакцин в том, что они обеспечивают не только гуморальный иммунитет (выработку антител), но и специфический клеточный иммунитет — активацию макрофагов, натуральных киллеров и цитотоксических Т-лимфоцитов.

В США уже начались испытания новой вакцины на добровольцах. 

Михаил Хецуриани

Как размножаются разные типы вирусов

Одни вирусы способны интегрироваться в геном клетки-мишени и таким образом оставаться во всех дочерних клетках, которые будут в будущем получены после ее деления.

К таким вирусам относятся гаммаретровирусы и лентивирусы. Другие делать этого не умеют (например, адено- и аденоассоциированные вирусы).

Но для производства белков и репликации (размножения) все они используют клетку и ее синтетический аппарат.

Несмотря на некоторую «несамостоятельность» в размножении, вирусы способны наследовать генетические мутации и подвержены эволюционному отбору. Выживает сильнейший, а в случае вируса — самый устойчивый и заразный.

Читайте также:  Скачать книгу Atopic dermatitits. Бесплатно иностранная книга Atopic dermatitits.

Как это работает?

Для того чтобы вирус мог проникнуть в клетку, белки его оболочки должны связаться с мембранными белками клетки-мишени. Важно отметить, что проникает вирус только в те клетки, которые могут в дальнейшем помочь его репликации. Вирус ВИЧ живет в клетках иммунной системы, вирус гепатита С — в клетках печени. Есть особые вирусы, которые поражают только растения или даже только бактерии.

В целом у вирусов существуют разные стратегии доставки вирусного материала в клетку. Какие-то вирусы размножаются в ее цитоплазме, а какие-то — в ядре. Некоторые умеют «впрыскивать» свою генетическую информацию прямо через мембрану, когда сам капсид остается снаружи. 

Объединяет их одно: после того как вирусная информация доставлена в клетку, та, «забывая» о своей изначальной функции, начинает заниматься в первую очередь репликацией вируса. Клетка производит матричную РНК (мРНК), с которой затем синтезируются вирусные белки и копируется геном, и сама собирает новую вирусную частицу.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов. Строение вируса гриппа. Под оболочкой вириома — генетический материал вируса, необходимый для его воспроизводства в клетке. 

В большинстве случаев вирус убивает клетку, чтобы выйти наружу и приступить к поиску новой «жертвы». Но иногда этого не происходит: некоторые вирусы, в том числе ВИЧ, могут отделяться от клетки, обзаведясь собственной оболочкой и оставив клетку в живых, чтобы та продолжила производить новые вирусные частицы.

Содержащие неактивный вирус и оставшиеся в живых клетки иногда сохраняют возможность нормального функционирования. В этом случае клетки могут быть заражены, но вирус проявит себя спустя длительный период времени. Так устроен герпес.

В зависимости от того, каким типом нуклеиновой кислоты представлен генетический материал, выделяют ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы. И тут стоит остановиться на классификации.

Типы вирусов. Коротко о главном

Современная типология вирусов содержит 7 классов и была предложена Дэвидом Балтимором еще в 1971 году. С тех пор, впрочем, она была уточнена и расширена, в том числе советскими учеными. И выглядит в настоящее время таким образом:

Вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК

Описание

Для репликации вирусу необходимо попасть в ядро клетки-мишени и воспользоваться ее ДНК-полимеразой. Иногда вирус вызывает незапланированное деление самое клетки, то есть становится онкогенным. Эти вирусы хорошо изучены.

  • Пример: Вирус герпеса, адено- и папилломавирусы
  • Вирусы, содержащие одноцепочечную ДНК
  • Описание
  • Попадая в ядро клетки, вирусы образуют двухцепочечную ДНК, после чего реплицируются так же, как вирусы класса I.
  • ПримерПарво- и цирковирусы
  • Вирусы, в которых РНК способна к репликации (редупликации)
  • Описание

Вирусы этого класса могут размножаться в цитоплазме клетки, им не нужна молекула ДНК. Каждый ген, находящийся в РНК вируса, кодирует только один вирусный белок.

  1. Пример: Бирна- и реовирусы
  2. Вирусы, содержащие одноцепочечную (+) РНК
  3. Описание

Из геномной (+) РНК на рибосомах хозяина создаются вирусные белки. В одном фрагменте РНК могут быть закодированы разные белки, что увеличивает сложность вируса без удлинения генов.

  • Пример: Пикорнавирусы (полиомиелит, гепатит А) и коронавирусы
  • Вирусы, содержащие одноцепочечную (–) РНК
  • Описание

(–) РНК этих вирусов предварительно должна быть транскрибирована в (+) РНК вирусными РНК-полимеразами, после чего может начаться синтез вирусных белков. Вирусы этого класса делятся еще на две группы, в зависимости от их генома и места его репликации (цитоплазма или ядро).

  1. ПримерФиловирусы, аренавирусы (геморрагическая лихорадка Ласса), ортомиксовирусы (вирусы гриппа) и так далее. 
  2. Вирусы, содержащие одноцепочечную (+) РНК, реплицирующиеся через стадию ДНК
  3. Описание

Такие вирусы используют фермент обратную транскриптазу для превращения (+) РНК в ДНК, которая встраивается в геном хозяина ферментом интегразой. Дальнейшая репликация происходит при помощи полимераз клетки хозяина.

  • Пример: Ретровирусы (в том числе ВИЧ)
  • Вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК, реплицирующиеся через стадию одноцепочечной РНК
  • Описание
  • Молекула ДНК замкнута в кольцо и является матрицей для синтеза мРНК и дополнительных молекул РНК, которые используются при репликации вирусного генома обратными транскриптазами.
  • Пример: Колимовирусы (вызывают инфекции растений) и гепаднавирусы (например, гепатит В)

Как правило, организмы умеют бороться с паразитирующими на них вирусами. На примере млекопитающих и человека мы обычно говорим о главном инструменте — врожденном иммунитете.

Впрочем, наиболее эффективен этот вид защиты в отношении бактериальных инфекций и не может обеспечить продолжительную и надежную защиту, особенно от инфекций вирусных.

Именно поэтому огромное значение имеет приобретенный иммунитет, в результате которого клетки иммунной системы обучаются вырабатывать специфические к вирусу антитела, способные уничтожать как саму вирусную частицу, так и зараженные ею клетки.

Еще одна врожденная система борьбы с вирусными инфекциями — внутриклеточная. Как правило, клетка способна распознать чужеродную РНК в своей цитоплазме, куда ее сперва и доставляют многие вирусы, и имеет специальные комплексы для ее деградации. Но часть вирусов научились обходить и эту ловушку. К примеру, ротавирусы, которые даже внутри клетки сохраняют капсид с геномной РНК.

С приобретенным иммунитетом тоже не все гладко. Некоторым вирусам, например, ВИЧ, удается избежать иммунного ответа.

Другим, например нейротропным вирусам, — уклониться от него, выбрав безопасную среду обитания: они распространяются среди клеток нервной системы, где их не может «достать» иммунная система.

Самый известный из таких вирусов — вирус бешенства, который способен проникать в нейроны.

Миссия: уничтожить

Основная сложность в лечении вирусных заболеваний заключается в том, что они используют естественные функции клеток-мишеней для своего размножения, поэтому ученым зачастую оказывается не так-то просто придумать препарат, который будет токсичен для вируса и безопасен для самой клетки. Если такой безопасности достичь не удастся, лекарство будет иметь слишком много побочных эффектов, повреждающих сам организм, что окажется нецелесообразно для использования.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов. Сравнение жизненных циклов ВИЧ и вируса гриппа. Если первый  использует обратную транскрипцию и живет в клетках иммунной стистемы, вирион второго, проникая в  эпительные клетки  дыхательных путей целиком — а именно там  он и обитает — распадается уже внутри клетки, а репликация вирусной РНК происходит в ядре с помощью вирусных полимераз PA, PB1 и PB2 путем комплементарного копирования. 

По принципу действия противовирусные препараты подразделяются на две группы: стимулирующие иммунную систему атаковать вирусы (например, за счет индукции синтеза белков-интерферонов) и атакующие вирусы напрямую.

Препараты второй группы различаются по этапу жизненного цикла вируса, на котором они активны: это препараты, препятствующие проникновению вируса в клетку, препятствующие размножению вируса внутри клетки и препятствующие выходу копий вируса из клетки.

Чтобы помешать проникновению вируса, препарат должен заблокировать рецептор на клетке, с которым связывается вирусная частица. Так работает, например, ибализумаб — зарегистрированный в США новый препарат против ВИЧ, о котором мы недавно писали. 

Такие противовирусные препараты, как уже давно известный ацикловир (им лечат инфекции, вызванные простым вирусом герпеса) или ламивудин (активен против ВИЧ и гепатита В), представляют собой синтетические аналоги нуклеозидов — «букв», из которых состоят нуклеиновые кислоты. Если эти модифицированные, неправильные нуклеозиды попадают в клетку, вирусный геном, в который они оказались встроены, становится непригоден для дальнейшего распространения вируса. 

Еще один класс противовирусных препаратов блокирует ферменты, необходимые для создания и модификаций белков вируса. Такие лекарства называют протеазными ингибиторами. 

Вместо заключения: а могут ли вирусы приносить пользу?

Безусловно, да. Несмотря на то, что вирусы ассоциируются у большинства людей с однозначным вредом, они могут приносить и пользу — если речь идет о так называемых вирусных векторах и терапевтических подходах на их основе.

Исследователи давно научились помещать в белковую оболочку вируса интересующие их нуклеиновые кислоты, чтобы доставлять нужный ген в клетки, а также убирать те гены, которые делают вирус опасным для организма.

Это позволило сделать возможной генную терапию, помогающую бороться с заболеваниями, вызванными известными генетическими мутациями. Создание вирусных векторов — достаточно непростая задача, к тому же ограниченная свойствами самих вирусных частиц: количеством помещающейся генетической информации, местом ее вставки, стабильностью.

Кроме того, вирусный вектор, используемый в медицине, не должен вызывать иммунного ответа или критично влиять на жизнедеятельность клетки. Тем не менее эти сложности решаются, поэтому уже одобрен ряд вполне успешных и безопасных генных терапий.

А в качестве основы для вирусных векторов чаще всего используются ретро-, ленти-, адено- и аденоассоциированные вирусы.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов

Все вирусные популяции характеризуются генетическим полиморфизмом, в основе которого лежат спонтанные мутации как результат ошибок при считывании вирусного генома в процессе репликации.

Спонтанные мутации ответственны за фенотипические изменения различных свойств вируса, в том числе вирулентности. В природе вирусы в процессе передачи от хозяина к хозяину совершают множество циклов репродукции.

В этот период постоянно генерируются спонтанные мутации, которые могут вызывать изменения свойств вируса. В организме природного хозяина селекционируются преимущественно вирулентные вирусные частицы, которые способны передаваться серийно восприимчивым организмам.

Адаптация вирусов к неестественным условиям репродукции сопровождается прогрессирующей селекцией спонтанных мутантов адекватно новым условиям размножения.

Вирулентность вируса может быть снижена разными путями, в том числе пассированием в культурах клеток особенно неестественного хозяина. При этом преимущественно накапливаются мутанты, которые размножаются быстрее, чем полевой вирус.

Затем такие мутанты селекционируют и определяют пригодность для использования в качестве живой вакцины.

Аттенуированные мутанты часто являются пригодными в качестве живых вакцин потому, что они не долго размножаются в организме естественного хозяина и в то же время часто вызывают выраженный иммунный ответ.

Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов.

У РНК-вирусов защитный механизм считывания генетической информации менее эффективен, чем у ДНК-вирусов. Они обладают значительно более высокой скоростью мутации, не менее чем в 100 раз, чем ДНК-вирусы ДНК-вирусы генетически более стабильны и труднее адаптируются.

Читайте также:  Форстео - инструкция по применению, отзывы, аналоги и формы выпуска (уколы для инъекций 250 мкг в 1 мл раствор в шприц-ручке или картридже) лекарства для лечения остеопороза у взрослых, детей и при беременности

Частота ошибок у РНК-зависимых полимераз значительно выше, чем у ДНК-зависимых полимераз. На 10 000 оснований РНК-вирусов приходиться примерно одна мутация. РНК-полимераза коронавирусов может привести примерно к трем редким мутациям вируса на каждые 30 кb генома в процессе репродукции.

Нелетальные мутанты РНК-вирусов накапливаются достаточно быстро. Гены, кодирующие разные белки, изменяются с разной скоростью.

Классическая аттенуация вирусов связана с селекцией спонтанных мутантов с пониженной вирулентностью. Идеально, аттенуация вирусных штаммов не должна сопровождаться потерей способности удовлетворительно размножаться в организме естественного хозяина, изменением антигенности и потерей протективных свойств.

Генетические мутации наиболее часто сопровождаются заменой единичных нуклеотидов (точечные, миссенс мутации). Реже мутации связаны с делецией или инсерцией единичных нуклеотидов или блоков нуклеотидов. Фенотипическая экспрессия мутаций может проявляться изменением различных свойств вируса.

Точечные мутации, сопровождающиеся специфическими аминокислотными заменами, в кодируемых вирусом белках могут снижать их функцию in vivo и тем самым вызывать аттенуацию вируса для хозяина.

По уровню аттенуации и их потенциальной полезности для живых вирусных вакцин различают три класса точечных мутаций: чувствительные к температуре (ts мутанты); зависящие от протеолитического расщепления (Ра мутанты) и с измененным тканевым (клеточным) тропизмом.

Ts мутанты обычно являются условно летальными вирусами, которые эффективно размножаются при 32—34°С.

Аттенуирующие ts мутации идентифицированы в большинстве, если не во всех генах вирусов; ts мутацию можно вызвать почти в любом гене. Ts мутанты особенно пригодны для иммунизации людей против респираторных вирусных болезней.

Они хорошо размножаются в верхнем отделе респираторного тракта человека (32—34°С) и плохо — в нижнем (37°С).

Обнаружение ts мутантов (неспособных удовлетворительно размножаться при температуре несколько выше, чем нормальная температура тела) обычно отражает снижение вирулентности и указывает на возможность их использования в качестве живой вакцины. Однако, даже вакцины, содержащие более чем одну мутацию, доставляют беспокойство, связанное с возможностью восстановления вирулентности в процессе размножения в привитом организме.

Вакцинные штаммы полиовируса являются температурочувствительными со значительно сниженной способностью к размножению и нейровирулентностью для обезьян при введении в спиной мозг.

Однако такие штаммы хорошо размножаются в кишечнике вакцинированных животных и могут вызывать виремию, и создают иммунитет.

Хотя вакцинный вирус выделяется с фекалиями, контактная передача чувствительным организмом происходит очень редко.

Аттенуация путем адаптации вируса к размножению при пониженной температуре приводит к получению холодоадаптированных (Са) мутантов. К Са мутантам относятся безопасные вакцинные штаммы для интраназального применения, т.к.

они хорошо размножаются при пониженной температуре носовой полости (около 33°С у большинства видов млекопитающих), но не при температуре низлежащих респираторных путей и легких. Холодоадаптированные вакцинные штаммы против гриппа, содержащие мутации почти в каждом гене, не давали реверсии.

В 1997 году вакцину против гриппа людей, основанную на таких мутациях, использовали в США. Са мутанты успешно использовали при создании живых вакцин против ряда вирусных болезней животных.

Ра мутанты играют важную роль в аттенуации вирусов, инфекционность которых зависит от протеолиза структурного белка.

Известно, что протеолитическое расщепление парамиксовирусов необходимо для активации инфекционности и играет важную роль в проявлении тканевого тропизма и патогенности.

Трипсин-подобные ферменты, присутствующие в клетках хозяина, требуются для расщепления предшественника белка сплавления FO на две субъединицы F1 и F2. Ра мутанты устойчивые к активации трипсином, оказывались аттенуированными.

Протеолитическое расщепление ГА вируса гриппа клеточными протеазами является важным для инфекционности вирусного потомства. В культуре клеток куринного эмбриона не происходит расщепления гемагглютинина. Точечные мутации могут сочетаться с делеционными мутациями.

— Также рекомендуем «Делеционные мутации вирусов. Вставки или инсерции в геном вируса.»

Оглавление темы «Физические методы инактивации вирусов для вакцин.»: 1. Физические методы инактивации вирусов. Гамма-лучи в инактивации вирусов. 2. Оценка полноты инактивации вирионов. Вакцина против полиомиелита — ящура. 3. Проблемы инактивации вирусов. Пути разрешения проблем при физической инактивации вирусов. 4. Живые вирусные вакцины. Особенности живых вакцин. 5. Аттенуация вирусов. Генетические мутации вирусов. 6. Делеционные мутации вирусов. Вставки или инсерции в геном вируса. 7. ДИЧ-мутации вирусов. Аттенуация вируса серийными пассажами. 8. Учение об аттенуации Сэбина. Аттенуация вируса полиомиелита по Сэбину. 9. Живая аттенуированная вакцина против кори. Аттенуированный вирус паротита, ветряной оспы, краснухи. 10. Аттенуация вируса гриппа. Свойства аттенуированного вируса гриппа.

ПОИСК

    Аттенуированные вакцины получены против многих, но не всех, инфекционных болезней. Как правило, легче аттенуировать вирусы, чем бактерии. [c.

363]

    Реассортанты, полученные из двух родительских вирусов, авирулентных для определенных клеточных систем, могут быть более вирулентны, чем любой из родительских штаммов.

Наоборот, реассортантные вирусы, полученные из вирулентного и авирулентного родителей, значительно чаще аттенуированы (по крайней мере частично). [c.310]

    Замена четырех или пяти перенесенных генов вирулентного вируса гриппа А человека на соответствующие гены РК-8, как правило, обеспечивает получение реассортантов удовлетворительно аттенуированных для восприимчивых индивидуумов [48]. Однако даже все шесть переносимых генов РН-8 полностью не аттенуируют вирулентный для человека вирус гриппа А. При повторных пассажах РК-8 на куриных эмбрионах идет отбор вирусных белков, способных эффективно функционировать в ходе их сложного взаимодействия в клетках птиц. Вместе с тем Лл-мутации снижают эффективность измененных вирусных белков в клетках исходного хозяина — человека. Неспособность полного комплекта шести переносимых генов вызывать полную аттенуацию дикого типа вируса гриппа человека свидетельствует о том, что /1г-мутации не ограничивают размножения вируса в достаточной степени. Для удовлетворительной аттенуации, по-видимому, требуются дополнительные ограничения, [c.172]

    В разработке новых живых вакцин традиционные методы аттенуации не утратили своего значения. Например, недавние попытки аттенуировать вирус ветрянки путем серии пассажей в культуре ткани дали перспективный для вакцины штамм Ока [179]. Этот штамм, по-видимому, удовлетворительно аттенуирован и иммуногенен, однако основы этой аттенуации неизвест- [c.168]

    Много лет назад предположили, что ts-мутанты вирусов гриппа могут быть аттенуированы и поэтому достойны изучения в плане конструирования живых вакцин [140].

Пониженная температура (32—34°С) верхнего респираторного тракта принципиально допускает размножение ts-вирусов, репликация которых должна быть ограничена в легких и в нижнем респираторном тракте. Серьезные исследования в данном направлении были проведены В. Murphy и соавт.

, недавно был опубликован обзор этих результатов [164]. Наиболее широко изучены два вирусных ts-донора — рекомбинанты tsl [Е] и tslA2. Исходный родительский вирус tsl являл- [c.232]

    Предпринимались также попытки идентифицировать гены, связанные с вирулентностью для человека у реассортантов, полученных из вирусов дикого типа, обнаруженных в смывах из зева, и из аттенуированных лабораторных штаммов.

Однако результаты этих опытов очень трудно интерпретировать из-за недостаточного числа обследованных добровольцев и изученных реассортантов, а также вследствие нестабильности генетического фона хозяев и различий в предшествующих иммунологических реакциях на другие вирусы гриппа.

По этим причинам трудно выявить связь вирулентности с определенными генами или их комбинациями. Так, вирус Х31, все гены которого происходят из вируса A/PR/8 [4] и который невирулентен для человека, аттенуировался лишь частично.

В то же время другие реассортантные вирусы H3N2, имеющие различные комбинации генов вируса A/PR/8, были либо полностью аттенуированы, либо вирулентны [7]. Подобно этому опыты на добровольцах с генотипированными реас- [c.308]

    При создании вакцины необходимо так изменить сам микроб или его токсин, чтобы они стали безвредными, но при этом не потеряли анти-генности. Это возможно, поскольку антитела и Т-клетки распознают отдельные участки антигенов, эпитопы, а не целый микроорганизм или токсин. Рассмотрим, например, вакцинацию против дифтерии. Бактерия — возбудитель дифтерии образует токсин, разрушаюший многие, в том числе мышечные клетки. Этот токсин можно модифицировать путем обработки формальдегидом так, что он, сохранив эпитопы, утратит свою токсичность полученный анатоксин используется как дифтерийная вакцина рис. 1.19). Другой подход состоит в том что инфекционный агент, например вирус полиомиелита, аттенуируют (ослабляют) настолько, что он утрачивает патогенность, сохранив антигенность. Проблемы вакцинации более подробно рассмотрены в гл. 19. [c.15]

    Для других вакцинных вирусов экспериментальная система оценки вирулентности была недоступна. Поэтому их испытывали на аттенуацию непосредственно на людях.

Сначала препараты вакцин против кори и краснухи не были достаточно аттенуированы, но дальнейшие пассажи вируса краснухи в культуре клеток почек обезьян и селекция холодоадаптированных температурочувствительных мутантов вируса кори дали удовлетворительные вакцинные штаммы. Аттенуацию вируса паротита также проверяли на людях. [c.162]

    Хотя серия реассортантных вирусов гриппа А, несущих гены РВ1 и РВ2, была удовлетворительно аттенуирована (это было проверено на восприимчивых добровольцах), в процессе работы с ними становилось все очевиднее, что генетическая нестабильность в данном случае представляет собой неразрешимую проблему.

В организме восприимчивого ребенка реас-сортантный is-вирус подвергается сложной серии генетических изменений, в том числе новым супрессирующим мутациям. Они ведут к потере is-фенотипа и восстановлению вирулентности, хотя is-реассортант очень плохо реплицируется in vivo [184, 185].

Генетическая нестабильность мешает также получению подходящих для использования в целях иммунопрофилак- [c.170]

    Вирусы, имеющие сегментированный геном, могут быть эффективно аттенуированы путем реассортации генов. Как описано ранее, вирулентный вирус гриппа А аттенуируется переносом ts- и са-генов от донора-мутанта.

Мутации, используемые для этой цели, должны быть локализованы в генах, кодирующих неповерхностные антигены, так чтобы мутантные гены могли быть перенесены в реассортантный вирус с нужными поверхностными антигенами, обычно принадлежащими новому эпидемическому или пандемическому штамму.

В такой ситуации несущие миссенс-мутации переносимые гены ограничивают репликацию вируса, что и приводит к аттенуации. [c.172]

Смотреть страницы где упоминается термин Аттенуированный вирус: [c.21]    [c.21]    [c.308]    [c.308]    [c.169]   
Биология Том3 Изд3 (2004) — [ c.196 , c.197 ]

© 2022 chem21.info Реклама на сайте

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector