Репликация вирусов. Как размножаются вирусы?

«Ну вот опять подцепил вирус!» Так, пристально всматриваясь в шкалу горячего градусника, родители сообщают нам о существовании этих загадочных мелких пакостников. Помимо досады, в голосе взрослых читаются тревожные нотки.

Наверно, не всякий родитель знает, что слово «вирус» с латыни переводится как «яд», но все точно слышали о великих эпидемиях прошлого и смертельных угрозах, таящихся в современных мегаполисах, — о гриппе, гепатите, СПИДе…

Так что же это за существа или вещества такие — вирусы? И все ли они так страшны?

Вообще, вирусы прекрасны. Они прекрасно выглядят и прекрасно приспособлены к использованию в своих целях любых живых организмов: животных, растений, грибов, простейших, бактерий и архей. И даже неклеточных созданий, братьев-вирусов.

Вирусы — это паразиты, которые не могут размножаться вне живых клеток. Окружающая среда по отношению к ним недружелюбна, и в ней они в виде ничего не делающих частиц коротают время до встречи с подходящей клеткой-хозяином.

Вирусные частицы, или вирионы, не относят к живым организмам, потому что они не имеют клеточного строения, не могут обеспечивать себя энергией и производить белки для построения своих частиц.

А вот бактерии, которые тоже часто на ком-то паразитируют, всё это умеют и потому с полным правом считаются живыми существами.

Отличаются ли вирусы от бактерий размерами?

Впервые устройство вирусной частицы изучили в середине 20 века на примере простого палочковидного вируса растений — вируса табачной мозаики.

Но то, что в пятнистости табака повинен какой-то небактериальный агент, заподозрили еще в конце 19 века: «инфекционное начало» свободно проходило через мельчайшие на тот момент сита — бактериальные фильтры.

Если среднюю бактерию можно легко рассмотреть с помощью светового микроскопа, то средний вирус — только с помощью электронного, потому что вирусы чуть ли не в 100 раз мельче бактерий.

А мы и бактерий-то невооруженным глазом не можем увидеть! Но есть и гигантские вирусы, догнавшие-таки бактерий по размеру: у вирусов амеб размер может достигать нескольких сотен нанометров (мега- и мимивирусы) и даже полутора микрометров (питовирусы). На таких вирусах могут паразитировать вирусы помельче.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы?

Вирус табачной мозаики и аденовирус.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы?

Бактериофаг Т2.

Как вирусы устроены?

В простейшем случае вирус состоит из генома (одно- или двухцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты) и белковой оболочки. Если оболочки нет, то объект не дотягивает до звания вируса и довольствуется именем вироид.

Нуклеиновая кислота — ДНК или РНК — кодирует необходимые для размножения вируса белки. У одних вирусов геном содержит инструкции для построения всего парочки белков, у других — двух тысяч и более.

Белковая оболочка, или капсид, защищает нуклеиновую кислоту от повреждений и состоит из нескольких повторяющихся деталей — капсомеров, которые, в свою очередь, построены из молекул одного или нескольких типов белка.

Капсид может иметь форму икосаэдра (двадцатигранника, но не всегда правильного), нити или палочки, а может сочетать разные формы: например, у большинства вирусов бактерий — бактериофагов — икосаэдрическая «головка» насажена, как эскимо, на палочковидный полый отросток [1].

Но далеко не все вирусы устроены так просто: некоторые покрываются сверху дополнительной, сворованной у хозяина и слегка измененной липидной мембраной, нашпигованной хозяйскими и вирусными белками — они очень полезны для инфицирования новых клеток. Так делают, например, вирусы гриппа и иммунодефицита человека (ВИЧ).

Совсем сложные вирусы, например, вирус осповакцины или мимивирус, могут похвастать многослойной «одеждой». Они способны перетаскивать в своих частицах много полезных молекул — ферментов и факторов, необходимых для построения новых вирионов.

Большинство же вирусов вынуждено полагаться только на хозяйскую систему синтеза белка.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы?

Вирус осповакцины и вирус Pf1.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы?

Фаг ФХ174 и вирус гриппа.

Как вирусы размножаются?

Если живая клетка размножается делением, то вирус многократно копирует свои «запчасти» в пораженной клетке. Любая клетка любого организма ему не подходит — нужна особенная, которую вирус узнает по специальным молекулам на клеточной поверхности, рецепторам.

Поэтому человеку не страшны многие вирусы других млекопитающих, а ВИЧ может начать свою подрывную деятельность только после контакта с конкретными клетками иммунной системы.

Когда долгожданная встреча происходит, вирус проникает в клетку через повреждения (так любят делать вирусы растений) либо путем слияния своей внешней оболочки с клеточной мембраной, а может впрыскивать, как шприцем, свой геном через клеточную стенку (так поступает большинство бактериофагов) либо заглатываться самόй клеткой, не заметившей подвоха.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы?

Схема жизненного цикла вируса.

В клетке вирус полностью или частично «раздевается». Если геном вируса представлен ДНК, то процесс его копирования, или репликации, происходит в клеточном ядре. Большинство вирусов уже с этого этапа начинает эксплуатировать чужие, хозяйские ферменты.

Чтобы наработать другие компоненты вириона, необходимо переписать информацию, содержащуюся в ДНК, немного другим языком.

Начинается транскрипция: по копиям ДНК синтезируются нити РНК — посредники, которые будут передавать (транслировать) хранящиеся в ДНК инструкции клеточным машинам, производящим белок. Только на основе таких посредников могут строиться белки.

Происходит это уже в цитоплазме и, конечно, на хозяйском оборудовании — рибосомах. То есть вирус вынуждает клетку работать только на него и жертвовать своими потребностями. Клетка страдает от дефицита собственных и наработки чужих веществ и даже может покончить с собой.

Но и без того участь ее незавидна. Новые компоненты вирусного капсида связываются с новыми молекулами нуклеиновой кислоты — происходит самосборка вирионов, которые могут по-партизански отпочковаться от клетки, укутавшись ее мембраной, а могут выскочить в едином лихом порыве, и покалеченная клетка лопнет (лизируется).

Хитрее поступают ретровирусы: они могут существовать в клетке в форме провируса, встроенного в хозяйский геном. Провирус копируется как часть хозяйской ДНК и передается потомкам зараженной клетки. Геном ретровирусов, включая ВИЧ, представлен РНК.

В подходящих клетках ВИЧ первым делом синтезирует по исходной РНК ДНК, потому что иначе никак нельзя встроиться в ДНКовый геном хозяина. Мало кто, кроме ретровирусов, способен на такой подвиг: обычный путь передачи информации — от ДНК к РНК [2].

Поэтому процесс переписывания информации «наоборот» называют обратной транскрипцией.

По провирусной ДНК рано или поздно начинает синтезироваться РНК, запускается фабрика по производству новых частиц, которые отпочковываются от материнской клетки в поисках новых жертв, и ВИЧ-инфекция без лечения постепенно прогрессирует до стадии СПИДа [3].

Самые предусмотрительные вирусы затаиваются «наглухо», пока не почувствуют, что настал подходящий момент для активного размножения. Таковы, например, герпесвирусы и некоторые бактериофаги. Некоторые из них так и не успевают пробудиться.

А вирусы вирусов вообще редко вредят своим «хозяевам». Да и хозяевами-то вирусы назвать сложно. Просто их фабриками по производству вирионов начинают без спроса пользоваться вирусы-приживалы. Правда, отдельные виды — вирофаги — могут способствовать выживанию клеток, страдающих от этих самых «хозяев» [4].

Все ли вирусы — злодеи?

Люди боятся и не любят вирусы за то, что те вызывают тяжелые, иногда смертельные болезни, от которых практически нет лекарств: сложно, не повредив клетку, убить засевшего в ней паразита, который не делает почти ничего сам, а пользуется обычными клеточными системами. Многие вирусы умеют искусно уходить от иммунного надзора, превращаясь в медленных убийц.

Они вызывают хронические инфекции, иногда скрытые, которые десятилетиями никак не проявляются, но исподволь готовят почву, например, для развития рака. И всё же человек, накопив нужное количество знаний, научился бороться с некоторыми из самых опасных вирусов — с помощью прививок [5].

К сожалению, привиться от всех тяжелых вирусных болезней пока нельзя, потому что многие вирусы очень изменчивы.

От вирусов страдает не только человек, но и животные, и растения.

Однако такие сложные живые организмы сталкивались с вирусами уже с момента своего возникновения и потому приспособились к совместному сосуществованию с большинством из них.

Да и вирусу, как правило, незачем убивать хозяев — тогда ведь придется всё время искать новых, и если в скученных бактериальных сообществах это не так уж и сложно, то вот в человеческих…

С большинством вирусов прекрасно справляются защитные системы нашего организма, поэтому для лечения нетяжелых кишечных расстройств и «простуд», вызываемых разнообразными агентами, ничего особенного даже и изобретать не стали. Пока ищешь истинного виновника, человек уже выздоравливает.

Более того, вирусы могут быть и нашими союзниками: на примере вирусов биологи изучают разные молекулярные процессы, их же используют для генной инженерии; в то же время бактериофаги умеют расправляться с болезнетворными бактериями [6], а некоторые «спящие» герпесвирусы, возможно, способны защищать от заражения… чумой.

Но если отвлечься от добрых и злых, с точки зрения человека, дел вирусов, то нужно признать, что на этих невидимках во многом держится наш мир: они переносят свои и чужие гены от организма к организму, увеличивая генетическое разнообразие, регулируют численность сообществ живых существ и просто необходимы для круговорота биогенных элементов, ведь вирусы — самые многочисленные биообъекты на нашей планете.

Полноформатную раскраску можно скачать по этой ссылке.

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.

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.

Читайте также:  Геморрагический энтерит индеек. Инфекционный гепатит собак.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы? 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.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы? 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.

Репликация вирусов

Размножение вируса, или репликация, является весьма характерным процессом, свойственным только обитателям этого особого мира природы. Как известно, рост организмов растительного и животного мира природы невозможен без деления клеток.

Вирус же вообще не увеличивается в размерах. Вирусные частицы появляются сразу «взрослыми» в результате своеобразного процесса, названного репликацией.

Но самое поразительное — то, что в продуцировании новых вирусных частиц участвует только одна нить: одинарная цепочка нуклеиновой кислоты.

Проследим за нуклеиновой кислотой бактериофага, проникшей в клетку бактерии. Первым делом ДНК выключает жизненно важные для клетки хозяина процессы. Затем начинают образовываться специфические вещества ферменты, идущие на строительство молекул ДНК, точно таких же, какие были и у бактериофага.

Примерно через 8 мин образование ферментов замедляется и начинают образовываться белки капсидов. На строительство цепочек нуклеиновых кислот потомства кроме ферментов идет часть родительской ДНК бактериофага и разбитая ДНК хозяина.

Капсиды новых бактериофагов строятся из вновь образованных белков; сюда же идет часть белков разрушенной клетки и старого бактериофага.

Репликация вирусов. Как размножаются вирусы?

Примерно через 15 мин после инфицирования в клетке бактерий образуется столько вирусных частиц, что им становится тесно. Они разрывают оболочку хозяина и вырываются наружу, заражают новые клетки бактерий и т. д.

Читайте также:  Динамико - инструкция по применению, аналоги, отзывы и формы выпуска (таблетки 25 мг, 50 мг и 100 мг по 1 или 4 штуки в упаковке) препарата для лечения импотенции и повышения потенции у мужчин и взаимодействие с алкоголем

Репликация вирусов как сборочный конвейер

Часто процесс репликации вирусов сравнивают с заводским сборочным конвейером, действующим по заранее разработанному технологическому процессу. Сначала под руководством ДНК идет изготовление строго определенных элементов деталей.

Далее ДНК вырабатывает белки своей сферы и ядрышко, вокруг которого белки под влиянием электростатических сил собираются в сферу. Ядрышко уничтожается, после того как образовалась головка-сфера. Один из ответственейших моментов сборки — заполнение сферы цепочкой ДНК.

К этому моменту из отдельных участков «цеха сборки» к «главному конвейеру» подаются недостающие детали бактериофага: стержень, сократительные кольца, пластинки, нити. Эти детали друг за другом прикрепляются к сфере.

Интересно, что «рабочие» операции по сборке вирусов сходны с процессами зарождения и развития более сложных организмов. Не заимствованы ли эти приемы из мира вирусов?

Кстати, технические приемы репликации различных видов вирусов не только состоят из общих операций, но имеют и некоторые особенные черты. Так, вирусы оспы размножаются в цитоплазме, а вирусы группы герпеса и аденовирусы — в ядре.

В процессе построения нуклеиновых кислот участвуют разрушенные системы клетки хозяина. Следовательно, вирусам оспы и аденовирусам придется использовать различный строительный материал. Эти вирусы относятся к группе крупных вирусов.

Например, в молекуле ДНК вируса осповакцины закодировано около 500 белков. Цикл размножения длится более 20 ч.

Можно представить, как сложно контролировать процесс репликации вируса! И если системы, отвечающие за последовательность сборки, хоть раз ошибутся, вирусу не удастся «самособраться». Запомните это уязвимое место в процессе репликации.

Репродукция вируса | справочник Пестициды.ru

Процесс депротеинизации (освобождения вирусной нуклеиновой кислоты – раздевание вируса) осуществляют протеолитические ферменты клетки (протеазы и липазы)[2].

Смысл этого процесса состоит в удалении капсидов (вирусных оболочек). Конечные продукты раздевания вируса – сердцевины, нуклеокапсиды, нуклеиновые кислоты.

Некоторые вирусы в качестве конечного продукта представлены нуклеиновыми кислотами, связанными с внутренним вирусным белком. После прохождения этапа депротеинизации выделить вирус из культуры клеток невозможно.

Такое положение называют теневой фазой или фазой эклипса (затмения). В этот период вирус перестает существовать в качестве оформленного вириона[2].

Синтез компонентов вируса

Синтез компонентов вирусов заключается в репликации вирусных нуклеиновых кислот и синтезе вирусных белков. Под репликацией понимается процесс самовоспроизведения нуклеиновых кислот, генов и хромосом, в основе которого лежит ферментативный синтез ДНК или РНК, проходящий по матричному синтезу[1].

Место синтеза компонентов дочерних вирионов зависит от типа генома:

ДНК-содержащий вирус, проникший в цитоплазму, транспортирует нуклеокапсид к ядру клетки.

Вирусная ДНК проникает в структуры клеточного ядра, где и совершается транскрипция или переписывание информации с ДНК на РНК при помощи клеточной полимеразы. Исключение – вирус оспы.

Несмотря на то, что он относится к ДНК-содержащим, но его транскрипция протекает в цитоплазме при участии ДНК-полимеразы, проникающего в клетку в составе вириона[2].

Результатом транскрипции является и то, что на одной из нитей ДНК синтезируется иРНК. В последствии, она перемещается в цитоплазму клетки и запускает процесс трансляции – перевода генетической информации с иРНК на последовательность аминокислот в вирусных белках[2].

Синтез белков наблюдается в рибосомах клетки-хозяина. Одновременно в ядре клетки протекает репликация (образование) дочерних нуклеиновых кислот на матрице материнской ДНК[2].

Синтезированные дочерние молекулы ДНК в составе нуклеокапсида путем почкования перемещаются из ядра клетки в цитоплазму. При этом они захватывают фрагмент ядерной мембраны. В цитоплазме процесс репродукции завершается[2].

Репликация «плюс»-РНК-содержащих вирусов происходит в цитоплазме. В данном случае функцию иРНК выполняет вирусная нуклеиновая кислота.

В итоге трансляции на рибосомах формируется белковая молекула, которая разрезается клеточными протазами на структурные или неструктурные вирусные белки. Одновременно образуется полимераза, способствующая образованию «минус»-РНК на матрице родительской «плюс»-РНК.

На матрице «минус»-РНК происходит синтез молекул «плюс»-РНК, принимающих участие в биосинтезе белков дочерних вирионов[2][4].

Вирусы, содержащие «минус»-РНК, отличаются тем, что их геном не способен выполнить функцию иРНК. Поэтому в цитоплазме клетки на матрице «минус»-РНК первоначально синтезируется «плюс»-РНК. Процесс катализируется полимеразой (транскрипазой), находящейся в составе проникшего в клетку вириона[2][4].

Синтез «плюс»-РНК приводит к образованию полных и коротких нитей. Короткие «плюс»-РНК–нити принимают участие в синтезе ферментов и бликов для дочерних популяций.

Полные нити «плюс»-РНК служат матрицей для синтеза молекул «минус»-РНК дочерних вирионов. Последние транспортируются к клеточной мембране и высвобождаются, захватывая при этом ее фрагмент.

Этот фрагмент служит для вирусной частицы суперкапсидом[2][4].

РНК-содержащие ретровирусы отличаются тем, что после проникновения в клетку генетическая информация с их РНК переписывается на ДНК, то есть с помощью фермента ревертаза происходит обратная транскрипция. Ревертаза так же попадает в клетку вместе с ретровирусом.

Вновь образованная ДНК интегрирует с клеточным геномом и в его составе участвует в образовании иРНК, необходимой для синтеза вирусных белков.

Транскрипцию интегрированной ДНК в составе клеточных геномов (переписывание информации с ДНК на РНК) осуществляет клеточная ДНК-зависимая РНК полимераза[2][4].

Формирование дочерних вирионов

Сборка дочерних вирионов возможна только при узнавании вирусных нуклеиновых кислот и белков, и самопроизвольном их соединении друг с другом. На мембранах эндоплазматического ретикулума взаимодействуют нуклеиновая кислота и белки просто устроенных вирусов, что приводит к образованию упорядоченной структуры[2].

Сложно устроенные вирусы характеризуются многоступенчатой сборкой. Первоначально их нуклеиновые кислоты взаимодействуют с внутренними белками, образуя нуклеокапсиды.

Затем нуклеокапсиды выстраиваются с внутренней стороны клеточной мембраны под участками модифицированными оболочечными вирусными белками. В результате происходит самосброска вирионов.

Количество зрелых вирионов, сформировавшихся в клетке, варьирует от 10 до 10000 и более[2].

Выход вирионов

Высвобождение дочерних вирионов из клетки может быть осуществлено двумя способами:

  • взрывной – путем лизиса клетки;
  • путем почкования[2].

Путь лизиса клетки тесно связан ее деструкцией. Он характерен для безоболочечных вирусов, не имеющих суперкапсидной оболочки (суперкапсида)[2].

Выход путем почкования характерен для оболочечных вирусов. При этом клетка-хозяин некоторое время сохраняет жизнеспособность. Содержащие суперкасид вирусы, высвобождаются в течении 2–6 часов.

В начале суперкапсидные белки устанавливаются на наружной поверхности мембраны в виде своеобразных шипов, вытесняя клеточные белки.

Затем через модифицированную клеточную мембрану проходит нуклеокапсид с образованием суперкапсида[2].

Вирусная репликация

Основная схема цикла вирусной репликации гриппа вирус (грипп)

Вирусная репликация представляет собой набор процесса биохимического происходящие в клетке , инфицированной с помощью вируса и которые оказывают влияние на производстве новых единиц этого вируса (или вирионов ). Этот способ размножения паразитов, использующий механизм репликации ДНК, и определяет вирусы.

Вирусы должны сначала проникнуть в клетку, прежде чем может произойти вирусная репликация.

Благодаря генерации большого количества копий своего генома и упаковке этих копий вирус может продолжать заражать новых хозяев.

Репликация внутри вирусов очень разнообразна и зависит от типа вовлеченных в них генов . Большинство ДНК-вирусов собирается в ядре , в то время как большинство РНК-вирусов растут только в цитоплазме .

Классический цикл репликации вируса

Каждый вирус имеет очень специфические способы репликации, в частности, в зависимости от того, является ли он ДНК-вирусом или РНК-вирусом . Вирусы размножаются только в живых клетках.

Клетка-хозяин должна обеспечивать энергию и синтетические механизмы, а также низкомолекулярные предшественники для синтеза вирусных белков и нуклеиновых кислот .

Репликация вируса представлена ​​здесь только в общих чертах и ​​состоит из семи этапов:

  1. Адсорбция;
  2. Проникновение в хозяйскую клетку;
  3. Декапсидирование;
  4. Репликация генома;
  5. Синтез вирусных компонентов;
  6. Сборка и упаковка;
  7. Релиз.

Адсорбция

Это первый шаг в репликации вируса. Вирус прикрепляется к мембране клетки-хозяина, а затем вводит в нее свою ДНК или РНК, чтобы инициировать инфекцию.

В клетки животных эти вирусы проникают через процесс эндоцитоза, который работает путем слияния вируса (вирусной оболочки) с клеточной мембраной; в растительные клетки он проникает через процесс пиноцитоза, который работает, «вклинивая» вирусную оболочку в клеточную стенку .

На этом этапе и в двух упомянутых выше случаях происходит связывание белка вирусной оболочки с рецептором клеточной мембраны. Рецепторами эукариотических клеток могут быть гликопротеины или гликосфинголипиды . Рецепторы бактериофагов представляют собой гликопротеины или липополисахариды . Клетки растений не имеют специфических рецепторов к вирусам.

Проникновение

В зависимости от вируса существует несколько механизмов проникновения внутрь клетки. У бактериофагов в бактериальную клетку попадает только вирусный геном. В вирусы животных вирус может проникать по нескольким механизмам.

Вирус может проникать путем пиноцитоза: вирусный нуклеокапсид , окруженный плазматической мембраной, проникает в клетку через пиноцитотическую вакуоль. Это защищает клетку от антител , как в случае с ВИЧ . Это часто бывает с незащищенными вирусами.

В случае вирусов в оболочке вирус может проникать либо путем слияния (между вирусной оболочкой и плазматической мембраной клетки), либо путем эндоцитоза (накопление вирусных частиц в цитоплазматических везикулах).

Декапсидация

Клеточные ферменты (из лизосом ) удаляют белковую оболочку вируса. Это высвобождает или делает доступной нуклеиновую кислоту или геном вируса. В зависимости от вируса декапсидация может происходить в цитоплазме или ядре .

Читайте также:  Основные моменты при колоректальном кровотечении. Что делать при колоректальном кровотечении?

Репликация генома

В зависимости от типов вирусов и природы их генома этот шаг может варьироваться. Во время этого цикла ( транскрипция, затем перевод ) невозможно выделить вирусную частицу.

В некоторых РНК-вирусах заражающая РНК продуцирует информационную РНК (мРНК). Затем он будет использован для перевода генома в белковые продукты (см. Следующий шаг).

Для других вирусов, таких как вирусы с РНК или ДНК с отрицательными цепями, вирусы образуются путем интеграции генома в геном клетки-хозяина (ретротранскрипция РНК в ДНК, затем вставка в ДНК клетки-хозяина в случае вирусов с отрицательной цепью РНК или прямая вставка вирусной ДНК в ДНК клетки-хозяина в случае вирусов с ДНК с отрицательной цепью) с последующей транскрипцией ДНК клетки-хозяина с помощью обычного механизма репликации. Полученные мРНК будут содержать мРНК, полученные из вируса, что позволит продуцировать вирусные белки.

Следующие компоненты производятся вирусом через органеллы, существующие в клетке-хозяине.

  • Синтез вирусных белков: мРНК вируса транслируется на уровне рибосом клеток в два типа вирусных белков:
    • Структурный: белки, составляющие вирусную частицу, производятся и собираются.
    • Неструктурные: они не обнаруживаются в вирусной частице; в основном это ферменты для репликации вирусного генома ( например, полимераза )
  • Синтез вирусной нуклеиновой кислоты (репликация генома): синтезируется новый геном вируса; что шаблоны являются либо родительским геномом или, в случае одноцепочечных нуклеиновых кислот геномов, комплементарные нити вновь образованный вирусом ( так называемые полимерами или повторностей) с помощью клеточного фермента. Это происходит в быстро делящихся клетках.

Сборка и упаковка

Вирионы собираются и созревают в инфицированных клетках. Геном инкапсидируется вирусными белками с образованием новых вирусных частиц.

Это может происходить в ядре клетки, цитоплазме или плазматической мембране для большинства вирусов в оболочке. Оболочечные вирусы приобретают свои оболочки путем почкования в ущерб плазматической мембране или ядерной мембране клетки-хозяина.

Выпуск вирионов

Восстановленные вирионы выходят за пределы клетки. Это происходит либо в результате внезапного разрушения клеток, либо в результате постепенного вытеснения (образования почки) оболочечных вирусов через клеточную мембрану.

Новые вирусы могут вторгаться или атаковать другие клетки или оставаться в спящем состоянии в исходной клетке-хозяине. В случае бактериофагов высвобождение вновь образованных вирионов происходит путем лизиса инфицированных бактерий . Однако в случае вирусов животных высвобождение обычно происходит без лизиса клеток.

Частный случай поксвирусов

  • Основная статья Репликация поксвируса

Репликация Poxviridae необычна для вирусов с двухцепочечной ДНК (дцДНК), потому что она происходит в цитоплазме .

Частный случай гигантских вирусов

В мимивирусе имеет особенность репликации с помощью фагоцитоза .

Балтиморская система классификации

  • Основная статья Балтиморская классификация

Вирусы подразделяются на 7 типов генов, каждый из которых имеет свои собственные семейства вирусов, которые, в свою очередь, имеют разные стратегии репликации.

Лауреат Нобелевской премии биолог Дэвид Балтимор разработал систему классификации для сортировки различных вирусов на основе их уникальной стратегии репликации. На основе этой системы существует семь различных стратегий репликации (Класс I, II, III, IV, V, VI, VII).

Здесь кратко и в общих чертах перечислены семь классов вирусов.

Класс I: двухцепочечный ДНК-вирус

Этот тип вируса обычно должен проникнуть в ядро ​​хозяина, прежде чем он сможет реплицироваться. Некоторым из этих вирусов требуются полимеразы клеток-хозяев для репликации их генома, тогда как другие, такие как аденовирусы или герпесвирусы, кодируют свои собственные факторы репликации.

Однако в обоих случаях репликация вирусного генома сильно зависит от состояния клетки, допускающего репликацию ДНК, и, следовательно, от клеточного цикла. Вирус может вызвать принудительное деление клетки, что может привести к трансформации клетки и, в конечном итоге, к раку .

Примером семейства этой классификации являются аденовирусы.

Есть только один хорошо изученный пример, в котором семейство вирусов класса I не реплицируется в ядре: это семейство поксвирусов, которое включает высокопатогенные вирусы, поражающие позвоночных (см. Выше).

Класс II: вирус с одноцепочечной ДНК

В эту категорию попадают вирусы, которые не так хорошо изучены, как предыдущие, но все же оказывают сильное влияние на позвоночных. Двумя примерами являются Circoviridae и Parvoviridae .

Они реплицируются в ядре и во время репликации образуют промежуточную двухцепочечную ДНК.

Анелловирус человека, называемый TTV, включен в эту классификацию и обнаруживается почти у всех людей, бессимптомно заражая их почти все основные органы.

Класс III: двухцепочечный РНК-вирус

Как и большинство РНК-вирусов, двухцепочечные РНК-вирусы не зависят от полимеразы-хозяина для их репликации, в отличие от ДНК-вирусов. Вирусы с двухцепочечной РНК изучены не так хорошо, как другие классы.

Этот класс включает два больших семейства: Reoviridae и Birnaviridae .

Репликация является моноцистронной и включает отдельные и сегментированные геномы, что означает, что каждый из генов кодирует только один белок, в отличие от других вирусов, которые демонстрируют более сложную трансляцию.

Классы IV и V: вирус с одноцепочечной РНК.

Цикл репликации коронавируса (вирус IV класса)

Эти вирусы состоят из двух разных типов, но оба разделяют тот факт, что их репликация происходит в основном в цитоплазме, и что репликация не так сильно зависит от клеточного цикла клетки-хозяина, как от ДНК-вирусов. Эти классы вирусов также входят в число наиболее изученных типов вирусов, наряду с вирусами с двухцепочечной ДНК.

Класс IV: вирус с одноцепочечной РНК с положительным смыслом

Вирусы с положительной смысловой РНК (и все гены, определяемые как положительные) могут быть напрямую доступны рибосомам хозяина для немедленного образования белков. Их можно разделить на две группы, каждая из которых реплицируется в цитоплазме:

  • Полицистронные мРНК вирусов, в которых РНК из генома образует мРНК, а затем транслируется в полипротеиновый продукт, который затем расщепляется с образованием зрелых белков. Это означает, что ген может использовать несколько методов для получения белков из одной и той же цепи РНК, тем самым уменьшая размер своего генома.
  • Сложные транскрипционные вирусы, которые могут использовать субгеномные мРНК, фазовый сдвиг рибосом и протеолитический процессинг полипротеинов. Все эти механизмы различны и позволяют производить белки из одной и той же цепи РНК.

Семейства Coronaviridae , Flaviviridae и Picornaviridae являются примерами вирусов, принадлежащих к этому классу.

Класс V: вирус с одноцепочечной РНК с отрицательным смыслом

Вирусы с отрицательной смысловой РНК (и все гены, определяемые как отрицательные) не могут быть напрямую доступны рибосомам хозяина для немедленного образования белков. Затем они должны быть расшифрованы вирусными полимеразами в дополнительном «читаемом» положительном направлении. Их также можно разделить на две группы:

  • Вирусы, содержащие несегментированные геномы, для которых первой стадией репликации является транскрипция генома с отрицательной цепью с помощью РНК-зависимой вирусной РНК-полимеразы с образованием моноцистронных мРНК, которые кодируют различные вирусные белки. Затем создается копия генома с положительным смыслом, которая служит шаблоном для производства генома с отрицательной цепью. Репликация происходит в цитоплазме.
  • Вирусы с сегментированными геномами, репликация которых происходит в цитоплазме и для которых РНК-зависимая вирусная РНК-полимераза продуцирует моноцистронные мРНК из каждого сегмента генома.

Семейства Orthomyxoviridae , Paramyxoviridae , Bunyaviridae , Filoviridae и Rhabdoviridae (включая бешенство ) являются примерами вирусов, принадлежащих к этому классу.

Класс VI: вирус с одноцепочечной РНК с положительным смыслом, использующий промежуточную ДНК для репликации

Хорошо изученное семейство вирусов этого класса включает ретровирусы . Одна из их отличительных черт — использование обратной транскриптазы для преобразования позитивно-смысловой РНК в ДНК.

Вместо того, чтобы использовать РНК для создания паттернов трансляции белков, они используют ДНК для создания этих паттернов, которые встраиваются в геном хозяина с помощью интегразы .

Затем репликация может начаться с помощью полимераз клетки-хозяина.

Класс VII: двухцепочечный ДНК-вирус с использованием промежуточной одноцепочечной РНК для репликации.

Эта небольшая группа вирусов, примером которой является вирус гепатита B , имеет вакантный двухцепочечный геном, который затем заполняется с образованием ковалентно замкнутой кольцевой ДНК (cfcDNA или cccDNA на английском языке), которая служит шаблоном для производство вирусных мРНК и субгеномных РНК. Прегеномная РНК служит матрицей для вирусной обратной транскриптазы и для производства ДНК-генома.

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

  1. ↑ (in) Р. Дж. Робертс, Патология рыб , Elsevier Health Sciences2001 г., 3 е  изд.
  2. ↑ Geo F. Brooks et al. , Медицинская микробиология Явца Мельника и Адельберга , McGraw Hill,2013, 26- е  изд. , 880  с. ( ISBN  978-0-07-181578-9 )
  3. ↑ Розангела Г. Лима , Йохан Ван Вейенберг , Эльвира М.Б. Сараива и Маноэль Баррал-Нетто , «  Репликация вируса иммунодефицита человека типа 1 в макрофагах усиливается после фагоцитоза апоптотических клеток  », Журнал инфекционных заболеваний , вып.  185, п о  11,2002 г., стр.  1561–1566 ( ISSN  0022-1899 , читать онлайн , по состоянию на 30 апреля 2020 г. )
  4. ↑ (ru) Мимивирус, возбудитель амеобала, заражает макрофаги посредством фагоцитоза
  5. ↑ (en) NJ Dimmock et al. , Введение в современную вирусологию , издательство Blackwell Publishing,2007 г.
  • Портал вирусологии
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector