Репликация вирусов с одноцепочечным и двуцепочечным РНК геномом.

• Экспрессия и репликация вирусного генома
• Требования и ограничения
• В ходе эволюции вирусов сложилось несколько стратегий, обеспечивающих: а) организацию вирусных генов и их кодирую­щую функцию, б) экспрессию вирусных генов, в) репликацию вирусных геномов и г) сборку и созревание вирусного потом­ства.

Прежде чем мы рассмотрим каждое из этих положений в деталях, стоит напомнить, что ключевым моментом в реплика­ции вирусов является использование для синтеза вирусных бел­ков хозяйских структур, синтезирующих белки клетки. Независи­мо от размеров, состава и организации своего генома вирус должен предоставить белоксинтезирующему аппарату эукариоти-ческой клетки информационную РНК, которую клетка должна распознать и транслировать. В этом отношении клетка навязы­вает вирусу два ограничения.

Во-первых, клетка синтезирует в ядре свою собственную мРНК путем транскрипции своей ДНК и последующего постранскрипционного процессинга транскрип­та.

Поэтому в клетке: а) ни в ядре, ни в цитоплазме нет фер* ментов, необходимых для транскрипции мРНК с вирусного РНК-генома, и б) в цитоплазме нет ферментов, способных транскрибировать вирусную ДНК.

В связи с этим клеточную транскриптазу для синтеза вирусных мРНК могут использовать только вирусы, содержащие ДНК и способные проникать в яд­ро. Все другие вирусы вынуждены создавать собственные фер­менты для синтеза мРНК.

Второе ограничение состоит в том, что синтезирующий аппарат эукариотических клеток приспособ­лен только для трансляции моноцистронных мРНК, так как он не распознает внутренних участков инициации в мРНК.

В ре­зультате вирусы вынуждены синтезировать либо отдельные мРНК для каждого гена (функционально моноцистронная мРНК), либо мРНК, включающую несколько генов и кодирую­щую большой «полипротеин», который затем разрезается на индивидуальные белки.

Вирусные гены кодированы либо в РНК, либо в ДНК, кото­рые могут быть либо одно-, либо двухцепочечными.

Кроме того, геномы могут быть либо монолитными, когда все гены вируса содержатся в одной хромосоме, либо состоять из раздельных блоков, которые все вместе и составляют геном вируса.

Во избежание ошибок мы обозначаем как «геномную» только нук­леиновую кислоту, которая заключена в вирионах.

Для удобства сначала лучше обсудить РНК-содержащие ви­русы, фокусируя внимание прежде всего на функции геномной РНК.

Вирусы с одноцепочечной РНК можно подразделить на три группы. В первую группу входят пикорнавирусы и тогавирусы. Их геномы выполняют две функции (рис. 5.2 и 5.3). Во-первых, они функционируют как мРНК.

Вирусы, геном которых может служить в качестве мРНК, принято называть вирусами с пози­тивным геномом. РНК пикорнавирусов после проникновения в клетку связывается с рибосомами и полностью транслируется. Затем продукт этой трансляции — полипротеин — рас­щепляется.

Во-вторых, геномные РНК выполняют функцию мат­рицы для синтеза на ней комплементарных минус-цепей при уча­стии полимеразы, появившейся в результате расщепления поли­протеина. Образуется двуспиральная репликативная форма.

На ее минус-цепях синтезируются новые плюс-цепи, которые могут использоваться в качестве а) мРНК, б) матриц для синтеза новых минус-цепей и в) составной части вирусных частиц потомства.

Размножение пикорнавирусов.

Тогавирусы и ряд других вирусов с позитивным геномом отличаются от пикорнавирусов в одном отношении: для трансляции в первом цикле синтеза белков доступна только часть их геномной РНК. Вероятной функцией образующихся при этом белков является способность транскрибировать геномную РНК.

Они осуществляют синтез минус-цепи, которая в свою оче­редь служит матрицей для синтеза двух различных по размеру классов молекул плюс-РНК. В клетках, зараженных тогавирусами, РНК первого класса представлены небольшими молеку­лами мРНК, фланкирующими участок геномной РНК, который не транслировался в первом цикле.

Образующиеся на них поли­протеины расщепляются на белки, которые играют структурную роль в вирионах. Плюс-РНК второго класса состоит из полнораз­мерных цепей, которые упаковываются в вирионы.

Размножение тогавирусов.

Главным в репликации вирусов с позитивным геномом являет­ся способность геномной РНК служить в качестве мРНК после заражения. Это имеет двоякие последствия. Во-первых, фермен­ты, ответственные за репликацию генома, синтезируются после заражения, и нет необходимости в их внесении в зараженную клетку вместе с вирионом. Вот почему «голая» РНК, экстраги­рованная из вирионов, инфекционна.

Во-вторых, так как все позитивные геномы относятся к монолитным и все их гены со­средоточены в одной хромосоме, первичный продукт трансляции обеих РНК (как геномной, так и мРНК) обязательно представ­ляет собой единый белок. Продукты трансляции пикорнавиру-сов и тогавирусов должны быть затем расщеплены на индиви­дуальные белки, которые и обнаруживаются в вирионе или в зараженной клетке.

РНК-содержащие вирусы с негативным геномом: ортомиксовирусы, парамиксовирусы, буньявирусы, аренавирусы и рабдовирусы.

Их геномная РНК выполняет две матричные функции: во-первых, для транскрипции и, во-вто­рых, для репликации. В связи с тем что для синтеза мРНК должен транскрибироваться вирусный геном, а в клетках соот­ветствующие ферменты отсутствуют, все вирусы с негативным геномом содержат в вирионе кроме вирусного генома транскриптазу.

Транскрипция вирусного генома — первое событие после проникновения вируса в клетку, в результате которого накапли­ваются функционально активные моноцистронные мРНК [пози­тивные, или плюс-цепи], кодирующие один белок.

Репликацию начинают новосинтезированные вирусные белки, катализирую­щие образование полной плюс-цепи, которая служит матрицей для синтеза геномной минус-РНК (рис. 5.4).

Главное в репликации вирусов с негативным геномом заклю­чается в том, что геномная РНК функционирует как матрица и для транскрипции, и для репликации.

Отсюда следует, что, во-первых, вирус должен внести с собой в зараженную клетку транскриптазу; во-вторых, «голая» РНК, экстрагированная из вирионов, неинфекционна; в-третьих, синтезируемые мРНК име­ют длину одного гена, они кодируют один белок — единичный полипептид.

Присутствие сигналов сплайсинга в опреде­ленных участках может обеспечить формирование нескольких мРНК (каждая из кото­рых кодирует особый белок) с одного и того же участка генома.

Следовательно, плюс-транскрипт, функционирующий в качестве мРНК, отличается от плюс-РНК, служащей матрицей для вирус­ного потомства, хотя и первый, и вторая синтезируются на геномной РНК. Кроме РНК-транскриптазы в репликации вирусной РНК участвуют вирусиндуцированнные: репликаза 1 (обрзование репликативной формы) и репликаза 2 (синтез вирионных -нитей).

1. Размножение ортомиксовирусов и парамиксовирусов.
2. Ортомиксовирусы (вирусы гриппа А; В;С) генм представлен не одной а набором односпиральных РНК (грипп птиц и человека 8-7фрагментов). В структуре вириона:
3. – РНК зависимая РНК полимераза (синтез +нитей,
4. – две разновидности РНК полимераз
5. РНК транскриптаза (синтез +нитей в начале инфекции,
6. РНК репликаза ( – нитей в конце инфекции)
7. Ретровирусы входят в третью группу РНК-содержащих ви­руссов.

Характерно, что геномы ретровирусов монолит­ны, но имеют диплоидную структуру, и обе цепи либо частично соединены водородными связями друг с другом, либо спарены неизвестным до настоящего времени образом. Единственная из­вестная функция геномной РНК — матричная функция для син­теза вирусной ДНК.

Поскольку эукариотические клетки не име­ют для этого соответствующих ферментов, вирион кроме генома содержит еще и РНК-зависимую ДНК-полимеразу (обратную транскриптазу 1), а также смесь тРНК хозяина, одна из которых служит в качестве затравки.

В цикле репродукции можно выде­лить следующие ключевые ступени: а) связывание комплекса тРНК —обратная транскриптаза с геномной РНК; б) синтез ДНК-копии, комплементарной по отношению к РНК, с переходом полимеразы с одной молекулы РНК-матрицы на другую, что приводит к образованию кольцевой одноцепочечной молекулы ДНК, связанной водородными связями с линейной геномной РНК; в) расщепление геномной РНК нуклеазой, атакующей только РНК в ДНК—РНК-гибридах (рибонуклеазои Н, также содержащейся в вирионе), и г) синтез комплементарной копии вирусной ДНК. Затем кольцевая двухцепочечная ДНК переме­щается в ядро, где интегрирует с геномом хозяина, но последую­щая экспрессия вирусных генов не обязательна. Если экспрес­сия происходит, то интегрированная.вирусная ДНК транскриби­руется транскриптазой клетки-хозяина. Продуктами транскрип­ции являются молекулы РНК, как равные по длине молекуле генома, так и более короткие мРНК-транскрипты нескольких соседних генов, которые транслируются с образованием поли­протеинов. Полипротеины затем расщепляются на отдельные ви­русные белки. В состав вирионов включаются только транскрип­ты, содержащие весь геном.

Размножение ретровирусов.

Репликация | справочник Пестициды.ru

Репликация (вирусология) – это процесс самовоспроизведения нуклеиновых кислот, генов, хромосом. В его основе лежит ферментативный синтез ДНК или РНК, проходящий по матричному синтезу[2].

Репликация нуклеиновых кислот является одним из основных этапов в системе синтеза компонентов в общей структуре репродукции вируса. Термином «репликация» в некоторых случаях обозначают весь процесс размножения вирусов, отождествляя его с термином «репродукция вируса»[1][2].

Механизм репликации, также, как и механизм транскрипции, зависит от типа геномной НК вирусов[1].

При репликации двухнитчатых ДНК-вирусов матрицей для синтеза комплементарных дочерних цепей служит каждая из цепей родительской ДНК. Для репликации геномных ДНК большинство вирусов используют клеточные ферменты, в частности ДНК-зависимые ДНК-полимеразы. Некоторые крупные вирусы кодируют собственные репликазы[3][1].

Вирусы, содержащие плюс-ДНК, начинают репликацию с синтеза комплиментарной минус-ДНК нити. Образуется двухспиральная репликативная форма, которая выступает в роли матрицы для синтеза новых плюс-цепей. Последние, вытесняются из репликативной формы и заключаются в белковую оболочку, превращаясь в вирионы[1].

Принципиальное отличие в репликации однонитевых ДНК содержащих вирусов от двухнитевых состоит в том, что в первом случае для формирования дочерних молекул используется только минус-цепь[3][1].

Репликация однонитевых РНК-вирусов в общих чертах сходна с репликацией однонитевых ДНК-вирусов. В начале процесса однонитевая родительская плюс-РНК служит матрицей для синтеза дочерней минус-РНК. В результате формируется двухспиральная репликативная форма[1].

Но за долго до окончания синтеза первой дочерней РНК, на репликативной форме инициируется синтез второй и последующих дочерних плюс-нитей. Этот процесс приводит к преобразованию репликативной формы в новую форму, именуемую репликативным предшественником[1].

Репликативный предшественник представляет собой двойную спираль РНК со свисающими «хвостами» плюс-РНК. Эти «хвосты» вытесняются из репликативного предшественника вновь синтезируемыми молекулами плюс-РНК[3][1].

РНК-вирусы с двухцепочечным геномом используют в качестве матриц для репликации только минус-нити. Эти вирусы отличает то, что уже на ранних стадиях инфекции в клетках-хозяевах накапливаются плюс-РНК. Некоторые из них становятся матрицами для репликации. Другие используются как иРНК[3][1].

Репликация ретровирусов (семейство вирусов для которых характерен процесс обратной транскрипции) наблюдается на матрице провирусов (генома вируса, встроенного в ДНК клетки хозяина) после их индукции (процесса исключения провируса из состава хромосомы клетки-хозяина)[1].

Репликация провирусов происходит с помощью клеточных ферментов. В результате синтезируются многочисленные молекулы плюс-РНК и необходимые для сборки вирионов белки и ферменты[1].

Составитель: Григоровская П.И.

Страница внесена: 18.11.20 16:26

Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы

Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы.

В 1892 г. русский ботаник Д. И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растений табака, пораженных мозаичной болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, способный задерживать бактерии, отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства. В 1898 г.

голландец Бейеринк (Beijerink) придумал новое слово “вирус” (от латинского слова, означающего “яд”), чтобы обозначить этим термином инфекционную природу некоторых профильтрованных растительных жидкостей.

Хотя удалось достичь значительных успехов в получении высокоочищенных проб вирусов и было установлено, что по химической природе это нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты, связанные с белками), сами частицы все еще оставались неуловимыми и загадочными, потому что они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью светового микроскопа. Поэтому-то вирусы и оказались в числе первых биологических структур, которые были исследованы в электронном микроскопе сразу же после его изобретения в 30-е годы нашего столетия.

Вирус – это субклеточный инфекционный агент, имеющий геном, окруженный белковой оболочкой. Вирусы не воспроизводятся самостоятельно, они – облигантные внутриклеточные паразиты, репродуцирующиеся только в живых клетках.

По природе вирусы являются автономными генетическими элементами, имеющими внеклеточную стадию в цикле развития.

Вирусы представляют собой частицы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот – ДНК или РНК (мимивирусы имеют оба типа молекул), заключенные в белковую оболочку, способные инфицировать живые организмы. Белковую оболочку, в которую упакован геном, называют капсид. Наличие капсида отличает вируса от вирусоподобных инфекционных нуклеиновых кислот – вироидов.

По Балтимору классифицируют ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы.

Несмотря на довольно простую органическую структуру, вирусы являются полноправными представителями живой природы.

Им присущи основные признаки жизни, такие как: способность к самовоспроизведению, изменчивость, наследственность, способность приспосабливаться к условиям окружающей среды, подчинение законам эволюции, определенное место в иерархии живых организмов. Они могут проявлять свойства живых организмов только попав внутрь клетки.

От живых организмов (внутриклеточных паразитов) отличаются полным отсутствием основного и энергетического обмена, и отсутствием сложнейшего элемента живых систем – аппарата трансляции (синтеза белка). Следует также отметить, что вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки-хозяина. Они находятся на самой границе между живыми и неживыми.

Изучением вирусов занимается наука о вирусах – вирусология.

Вирусы содержат специфические ферменты, участвующие в регуляции жизненного цикла вируса. При проникновении вируса внутрь клетки специальные белки вирусной частицы связываются с белками-рецепторами клеточной оболочки. Далее вирус высвобождает свой генетический материал, который, используя ресурсы зараженной клетки, начинает образовывать новые вирусные частицы.

В животную клетку вирус может проникать при процессах пино- и фагоцитоза, в растительную – при различных повреждениях клеточной стенки. Внутрь клетки проникает только нуклеиновая кислота вируса.

Вирус подавляет существующие в клетке процессы транскрипции и трансляции. Он использует их для синтеза собственных нуклеиновой кислоты и белка, из которых собираются новые вирусы. После этого клеточные оболочки разрушаются, и новообразованные вирусы покидают клетку, которая при этом погибает.

Вирусы способны поражать различные живые организмы. Вирусную природу имеют такие заболевания животных и человека как: натуральная оспа, бешенство, энцефалиты, лихорадки, инфекционные гепатиты, бородавки, многие злокачественные опухоли, СПИД, и др., кроме того вирусы способны вызывать генные мутации.

Вирус, вызывающий заболевание СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита) называемый ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), поражает клетки крови, обеспечивающие иммунитет организма. В результате больной СПИДом может погибнуть от любой инфекции.

Вирусы иммунодефицита человека могут проникнуть в организм человека во время половых актов, или во время инъекций или операций при несоблюдении условий стерилизации.

Профилактика СПИДа заключается в избегании случайных половых связей, применении одноразовых шприцев.

Вирусы устроены очень просто. Они состоят из фрагмента генетического материала, либо ДНК, либо РНК, составляющей сердцевинувируса, и окружающей эту сердцевину защитной белковой оболочки, которую называют капсидом.

Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов, таких, как вирусы герпеса или гриппа, есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина.

В отличие от всех остальных организмов вирусы не имеют клеточного строения.

Оболочка вирусов часто бывает построена из идентичных повторяющихся субъединиц – капсомеров. Из капсомеров образуются структуры с высокой степенью симметрии, способные кристаллизоваться.

Это позволяет получить информацию об их строении как с помощью кристаллографических методов, основанных на применении рентгеновских лучей, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине появляются субъединицы вируса, они сразу же проявляют способность к самосборке в целый вирус.

Самосборка характерна и для многих других биологических структур, она имеет фундаментальное значение в биологических явлениях. На рис. 1 представлена упрощенная схема, которая показывает общее строение вирусов.

Икосаэдры и додекаэдры (например, у аденовирусов, вируса полиомы/папилломы, вируса полиомиелита). У икосаэдра имеется 20 треугольных граней, 12 вершин и 30 ребер. Правильный икосаэдр показан на рис. 214, А. Ультраструктуру вирусов можно рассмотреть с помощью негативного контрастирования.

Краситель проникает между частицами и позволяет рассмотреть все особенности их поверхности. Как видно из рис. 2.14, Б и В, у аденовируса каждая из 20 граней состоит из нескольких капсомеров. В сумме число капсомеров составляет 252 (240 шестиугольных и 12 пятиугольных по вершинам икосаэдра).

У разных вирусов это число варьирует. Так, например, у бактериофага φХ174 оно равно 12, у вируса герпеса – 162, у вируса полиомы – 42.

У всех этих вирусов по 12 пятиугольных капсомеров, при этом у бактериофага шестиугольных капсомеров нет вообще, и образуется структура, которая называется додекаэдром.

Рис. 1 Схематический разрез вируса, имеющего капсомерное строение

1. Генетический аппарат вирусов:

В природе, носителем генетической информации являются нуклеиновые кислоты. Известно два основных типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

ДНК-содержащие вирусы несут в качестве генетического материала либо одно -, либо двухцепочечную ДНК, которая может быть, как линейной, так и кольцевой. В ДНК закодирована информация о всех белках вируса. Вирусы, заражающие бактерии, называются бактериофагами. К ДНК-содержащим вирусам относятся вирусы гепатита В, герпес, вирусы оспы, паповавирусы, гепаднавирусы, парвовирусы.

• По виду цепи ДНК вирусы делятся на 3 группы:
• Первая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК.
• Репликация ДНК-генома этих вирусов осуществляется при посредстве промежуточных молекул РНК:

Молекулы РНК образуются в результате транскрипции вирусных ДНК в клеточном ядре хозяйским ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой.  Транскрибируется только одна из нитей вирусной ДНК. Синтез ДНК на мРНК происходит в результате реакции, катализируемой обратной транскриптазой: сначала синтезируется (-) нить ДНК, а затем на вновь синтезированной (-) нити ДНК тот же фермент строит (+) нить.

Вторая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК.

В одних случаях производством как мРНК, так и ДНК занимаются клеточные ферменты; в других случаях вирусы используют собственные ферменты. Бывает, что те и другие ферменты обслуживают процесс репликации и транскрипции. К этой группе относятся вирусы герпеса, оспы и др.

Третья группа — вирусы с одноцепочечной ДНК, с негативной, либо с позитивной полярностью.

https://www.youtube.com/watch?v=_oOV94Xfspw\u0026t=21s

Попав в клетку, вирусный геном сначала превращается в двуцепочечную форму, это превращение обеспечивает клеточная ДНК-зависимая ДНК-полимераза.

Транскрипция и репликация на последующих этапах происходит так же, как и для вирусов, с (±) ДНК-геномом. Структура вируса: это молекула ДНК в белковой оболочке, называемой капсидом.

Однако есть много разных вариантов строения вирусов: от просто покрытой белком ДНК до сложных макромолекулярных комплексов, окруженных мембранными структурами, например, вирус оспы. Если у вируса есть мембрана‚ говорят, что он в оболочке, а если мембраны нет, то вирус называют «раздетым».

Различают четыре основных вида капсидов: спиральные, икосаэдрические, сложные без оболочки, сложные с оболочкой. Неизменным итогом заражения клеток ДНК-содержащими бактериофагами является лизис.

ДНК-содержащие вирусы животных вызывают лизис редко, однако клетки могут погибнуть из-за возникших при заражении хромосомных повреждений, вследствие иммунологической реакции организма или просто в результате нарушения вирусом нормальных клеточных функций. ДНК-содержащие опухолеродные вирусы разделяются на 5 классов:

• Полиомавирусы – обезьяний вирус SV40, вирус полиомы мышей и вирусы человека ВК и JC.
• Папилломавирусы – 16 вирусов папилломы человека и множество папилломовирусов животных.
• Аденовирусы – 37 вирусов человека, множество аденовирусов животных (например, 24 вируса обезьян и 9 вирусов крупного рогатого скота).
• Герповирусы – вирусы простого герпеса человека, цитомегаловирус человека, вирус Эпштейна–Барр и онкогенные вирусы приматов, лошадей, кур, кроликов, лягушек.
• Вирусы, подобные вирусу гепатита В, – вирус гепатита В человека, гепатита североамериканского сурка, гепатита земляных белок и гепатита уток.

4.2 РНК содержащие вирусы.

1. РНК-содержащие микроорганизмы представлены гриппом и парагриппом, вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), гепатитом А парамиксовирусами, вирусами гриппа, коронавирусами, аренавирусами, ретровирусами, реовирусами, пикорнавирусами, капицивирусами, рабдовирусами, тогавирусами, флавивирусами и буньявирусами.
2. РНК-содержащие вирусы не имеют ДНК, генетическая информация закодирована в РНК. Геномы почти всех известных РНК-содержащих вирусов — это линейные молекулы
3. Геномы РНК-содержащих вирусов можно разделить на 3 группы.

Первая группа — это однонитевые геномы положительной полярности. Такие геномы обозначают как (+)РНК. Вирусные (+)РНК-геномы кодируют несколько белков.

С помощью этого фермента синтезируются сначала (-) нити РНК фага, затем при наличии особого белка, называемого «хозяйским фактором», репликаза осуществляет синтез (+) нити РНК.

На заключительной стадии из накопившихся вирусных белков и (+) РНК формируются вирионы.

Упрощенная схема этого процесса такова:

(+) РНК (-) РНК

Инфекционный процесс состоит в проникновении вируса в растительную клетку с последующей быстрой утратой им капсида. Затем в результате трансляции непосредственно (+)РНК рибосомами клетки-хозяина образуются несколько белков, часть которых необходима для репликации вирусного генома.

Репликация осуществляется РНК-репликазой, продуцирующей копии РНК для новых вирионов. Синтез белка капсида происходит после того как инфицировавшая клетку РНК подвергается некоторой модификации, делающей возможным присоединение рибосом клетки к тому участку РНК, которым кодируется этот белок.

Сборка вириона начинается с образования дисков из белка капсида. Два таких белковых диска образуют структуру, которая после связывания с ней РНК приобретает форму спирали. Присоединение молекул белка продолжается до тех пор, пока РНК не будет покрыта полностью.

В окончательной форме вирион представляет собой цилиндр длиной 300 нм.

Вторая группа — это однонитевые геномы с негативной полярностью, т.е. (-)РНК-геномы.

Поскольку (-)РНК не может выполнять функции мРНК, для образования «своих» мРНК вирус внедряет в клетку не только геном, но и фермент, умеющий снимать с этого генома комплементарные копии по схеме:

(-) РНК (+) РНК

Этот вирусный фермент упакован в вирионе в удобной для доставки в клетку форме.

Инфекционный процесс начинается с того, что вирусный фермент копирует вирусный геном, образуя (+) РНК, выступающую в качестве матрицы для синтеза вирусных белков, в том числе РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая входит в состав образующихся вирионов. К вирусам с негативным РНК-геномом относятся: вирусы гриппа, кори, бешенства, желтой карликовости картофеля и др.

Третью группу составляют двунитевые геномы, (±) РНК-геномы.

Известные двунитевые геномы всегда сегментированы, т.е. состоят из нескольких разных молекул, сюда относятся реовирусы. Их размножение проходит по варианту, близкому к предыдущему. Вместе с вирусной РНК в клетку попадает и вирусная РНК-зависимая РНК-полимераза, которая обеспечивает синтез молекул (+) РНК.

В свою очередь (+) РНК обеспечивает производство вирусных белков на рибосомах хозяйской клетки и служит матрицей для синтеза новых (-) РНК-цепочек вирусной РНК-полимеразой. Цепочки (+) и (-) РНК, комплексируясь друг с другом, образуют двунитевой (±) РНК-геном, который упаковывается в белковую оболочку.

Реовирусы поражают респираторные и кишечные пути теплокровных животных (человека, обезьян, крупного и мелкого рогатого скота, летучих мышей,

Инфекционный процесс начинается с проникновения в клетку РНК. После частичного разрушения наружнего капсида ферментами лизосом РНК в образовавшейся таким образом субвирусной частице транскрибируется, ее копии покидают частицу и соединяются с рибосомами. Затем в клетке-хозяине продуцируются белки, необходимые для формирования новых вирусных частиц.

Репликация РНК вирусов происходит по консервативному механизму. Одна из цепей каждого сегмента РНК служит матрицей для синтеза большого числа новых (+) цепей. На этих (+) цепях образуются затем как на матрице (–) цепи, (+) и (–) цепи при этом не расходятся, а остаются вместе в виде двухцепочечных молекул.

К РНК-содержащим вирусы также относятся вирусы, у которых цикл репликации генома можно разбить на две главные реакции: синтез РНК на матрице ДНК и синтез ДНК на матрице РНК. При этом в состав вирусной частицы в качестве генома может входить либо РНК, либо ДНК. Вирусная частица содержит две молекулы геномной одноцепочечной (+)РНК.

В вирусном геноме закодирован необычный фермент, который обладает свойствами как РНК-зависимой, так и ДНК-зависимой ДНК-полимеразы.

1. Характеристика геномов вирусов

Геном – генетический состав клетки, вируса. На молекулярном уровне это индивидуальная нуклеиновая кислота (ДНК или РНК), которая является носителем, хранящем генетическую информацию.

5.1 Химическая природа нуклеиновых кислот вирусов.

По своей химической природе нуклеиновые кислоты вирусов не отличаются от нуклеиновых кислот клеток (организмов) и представляют собой полинуклеотидные цепи, образованные чередованием четырех дезоксирибонуклеотидов в случае ДНК или рибонуклеотидов в случае РНК, соединенных фосфодиэфирными связями.

Нуклеотид представляет собой азотистое основание (аденозин (А), гуанозин (G), цитидин (C), тимидин (T) или уридин (U) в случае РНК), связанное с дезоксирибозой (в ДНК), или рибозой (в РНК) гликозидной связью.

Фосфорная кислота в нуклеиновых кислотах присоединяется сложноэфирной связью к 3’- и 5’-ОН группам сахаров смежных нуклеотидов. Отличительнойособенностью ДНК целого ряда вирусов бактерий является наличие метилированных оснований (5’-метилцитозина, или 5-МЦ; 6’-метиламинопурина, или 6-МАП), которые могут входить в состав ДНК в качестве минорных или мажорных оснований

5.2 Отличия геномов вирусов от геномов организмов.

Типы генетического материала и механизм его репликации у различных вирусов

РНК-содержащие вирусы (РНК —> РНК). Геномы почти всех известных РНК-содержащих вирусов — это линейные молекулы, их удобно разделить на три группы.

Первая группа — это однонитевые геномы положительной полярности, т. е. с нуклеотидной последовательностью, соответствующей таковой у мРНК. Такие геномы обозначают как (+) РНК. Одноните- вый ( + ) РНК-геном характерен для фага Qp, вирусов табачной мозаики, полиомиелита, клещевого энцефалита.

Вирусные ( + ) РНК- геномы кодируют несколько белков, среди которых РНК-зависимая РНК-полимераза (репликаза), способная синтезировать молекулы РНК без участия ДНК. С помощью этого фермента синтезируются сначала (-) нити РНК фага, а затем при наличии особого белка, называемого «хозяйским фактором», репликаза осуществляет синтез (+) нити РНК.

На заключительной стадии из накопившихся вирусных белков и (+) РНК формируются вирионы. Упрощенная схема этого процесса такова:

(В рамку заключена та форма нуклеиновой кислоты, которая присутствует в вирионе.)

Вторая группа — это однонитевые геномы с негативной полярностью, т. е. (-) РНК-геномы.

К вирусам с негативным РНК-геномом относятся вирусы гриппа, кори, бешенства, желтой карликовости картофеля и др.

Поскольку (-) РНК не может выполнять функции мРНК, для образования «своих» мРНК вирус внедряет в клетку не только геном, но и фермент, умеющий снимать с этого генома комплементарные копии по схеме:

Этот вирусный фермент (РНК-зависимая РНК-полимераза, синтезированная в предыдущем цикле размножения) упакован в вирионе в удобной для доставки в клетку форме.

Инфекционный процесс начинается с того, что вирусный фермент копирует вирусный геном, образуя (+) РНК, которая выступает в качестве матрицы для синтеза вирусных белков, в том числе РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая входит в состав образующихся вирионов.

Третью группу составляют двунитевые геномы, (±) РНК-геномы. Известные двунитевые геномы всегда сегментированы (т. е. состоят из нескольких разных молекул). Сюда относятся реовирусы. Их размножение проходит по варианту, близкому к предыдущему.

Вместе с вирусной РНК в клетку попадает и вирусная РНК-зависимая РНК-полимераза, которая обеспечивает синтез молекул ( + ) РНК.

В свою очередь (+) РНК обеспечивает производство вирусных белков на рибосомах хозяйской клетки и служит матрицей для синтеза новых (-) РНК-цепочек вирусной РНК-полимеразой:

Цепочки (+) и (-) РНК, комплексируясь друг с другом, образуют двунитевый (±) РНК-геном, который упаковывается в белковую оболочку.

РНК-содержащие вирусы (РНК —> ДНК —> РНК). Сюда относятся вирусы, у которых цикл репликации генома можно разбить на две главные реакции: синтез РНК на матрице ДНК и синтез ДНК на матрице РНК. При этом в состав вирусной частицы в качестве генома может входить либо РНК (ретровирусы), либо ДНК (ретро- идные вирусы).

В эту группу входят вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) и некоторые возбудители злокачественных новообразований. Вирусная частица содержит две молекулы геномной одноцепочечной ( + ) РНК.

В вирусном геноме закодирован необычный фермент (обратная транскриптаза, или ревертаза), который обладает свойствами как РНК-зависимой, так и ДНК-зависимой ДНК-полимеразы.

Этот фермент попадает в заражаемую клетку вместе с вирусной РНК и обеспечивает синтез ее ДНК-копии сначала в одноцепочечной форме [(-) ДНК], а затем в двуцепочечной [(±) ДНК]:

Вирусный геном в форме нормального дуплекса ДНК (так называемая провирусная ДНК) встраивается в хромосому клетки хозяина.

В результате двуцепочечная ДНК вируса представляет собой в сущности дополнительный набор генов клетки, который реплицируется вместе с ДНК хозяина при делении.

Для образования новых ретровирусных частиц провирусные гены (гены вируса в хромосомах хозяина) транскрибируются в ядре клетки транскрипционным аппаратом хозяина в (+) РНК-транскрипты.

Одни из них становятся геномом нового «потомства» ретровирусов, а другие подвергаются процессингу в мРНК и используются для трансляции белков, необходимых для сборки вирусных частиц. К этой же группе относятся онкогенные ретровирусы: вирус саркомы Рауса (птиц), вирус лейкоза мышей и т. д. Развитие опухоли определяет один ген ретровируса — онкоген.

ДНК-содержащие вирусы. Первая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК, репликация которых осуществляется по схеме: ДНК —> РНК —> ДНК. Они получили название ретроидные вирусы. Представителями этой группы вирусов являются вирус гепатита В и вирус мозаики цветной капусты.

Репликация ДНК-генома этих вирусов осуществляется при посредстве промежуточных молекул РНК:

Молекулы РНК образуются в результате транскрипции вирусных ДНК в клеточном ядре хозяйским ферментом ДНК-зависимой РНК- полимеразой. Транскрибируется только одна из нитей вирусной ДНК.

Синтез ДНК на РНК-матрице происходит в результате реакции, катализируемой обратной транскриптазой; сначала синтезируется (-) нить ДНК, а затем на вновь синтезированной (-) нити ДНК тот же фермент строит (+) нить.

В целом обшая схема репликации генома ретроидных вирусов поразительно похожа на схему репликации генома ретровирусов. По-видимому, данное сходство имеет под собой и эволюционную основу, так как первичная структура обратных транскриптаз этих вирусов выявляет определенное сходство между собой.

Вторая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК, репликация которых осуществляется по схеме ДНК —> ДНК. В зараженной клетке ДНК-зависимая РНК-полимераза транскрибирует с генома этих вирусов молекулы мРНК (т. е. (+) РНК), которые принимают участие в синтезе вирусных белков, а размножение вирусного генома осуществляет фермент ДНК-зависимая ДНК-полимераза:

В одних случаях производством как мРНК, так и ДНК занимаются клеточные ферменты; в других случаях вирусы используют собственные ферменты. Бывает, что те и другие ферменты обслуживают процесс репликации и транскрипции. К этой группе относятся вирусы герпеса, оспы и др.

Третья группа — вирусы с одноцепочечной ДНК, либо с негативной, либо с позитивной полярностью. Попав в клетку, вирусный геном сначала превращается в двуцепочечную форму, это превращение обеспечивает клеточная ДНК-зависимая ДНК-полимераза:

Транскрипция и репликация на последующих этапах происходит так же, как и для вирусов с (±) ДНК-геномом.

СОСТАВ, РАЗМЕРЫ И ФОРМА

• Вирусы.
• (Хранение и передача генетической информации вирусами)
• СОСТАВ, РАЗМЕРЫ И ФОРМА.

Схематически вирусы представляют собой наследственный материал, упакованный в защитную белковую оболочку, иногда содержащую также липидные и углеводные компоненты.

В наследственном веществе — молекуле или нескольких молекулах РНК или ДНК – обязательно закодирована «минимальная потребительская корзина»: ферменты для копирования этих вирусных нуклеиновых кислот, а также белки, входящие в состав вирусной частицы (вириона).

Если у всех организмов клеточного строения наследственное вещество — это двуцепочечные молекулы ДНК, то вирусы могут содержать не только ДНК, но и РНК, причем оба типа нуклеиновых кислот встречаются как в двуцепочечной, так и в одноцепочечной форме. Для каждого вируса характерна определенная форма нуклеиновой кислоты.

Молекулы вирусных РНК и ДНК – неразветвленные (иногда кольцевые) полимеры, построенные из множества звеньев – нуклеотидов, в одной такой молекуле — от нескольких тысяч до нескольких сот тысяч нуклеотидов.

Вирусные нуклеиновые кислоты представляют собой длинные нити, более гибкие в случае одноцепочечных молекул и более упругие в случае двуцепочечных.

Существует несколько основных вариантов «внешности» вирионов.

Вирусы, построенные только из нуклеиновой кислоты и белка, могут походить на жесткую палочкообразную или гибкую нитевидную спираль, на шар, а также на структуру, имеющую как бы головку и хвостовой отросток.

Липиды, если присутствуют, образуют внешнюю мембрану, в которую включаются и некоторые вирусные белки, и такая липопротеидная оболочка обволакивает белковую «сердцевину» с «запечатанной» в ней нуклеиновой кислотой.

          Размеры вирусных частиц также существенно варьируют. Наиболее «худые» имеют диаметр около 10 нм, а их длина у самых протяженных достигает 2 мкм. Диаметр сферических вирионов колеблется от-20 до 300 нм. Самые крупные из известных вирусов — родственники вируса оспы, их вирионы могут иметь длину до 450 нм и 260 нм в ширину и толщину.

Крупнейший из когда–либо  открытых вирусов был обнаружен в водонапорной башне в городе Брэдфорд в Англии. Он паразитирует в организмах амеб, но исследователи считают, что он способен также поражать людей. Размеры вируса – 400 нм, он крупнее, чем некоторые бактерии.

Однако, некоторые ученые полагают, что исследователи видят не сам вирус, а какую – то бактерию, связанную с ним. Так или иначе, вирус представляет потенциальную опасность. Он уникален не только по размерам в физическом смысле, но и по своему геному, который содержит более 900 генов.

Выяснилось, что у человека вырабатываются антитела на этот вирус, поэтому можно полагать, что он поражает и людей.

1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ.
2. Есть вирусы, размножающиеся в клетках животных, растениий,бактерий и грибов.
3. Особенности строения заражаемой клетки — один из факторов, от которых зависит форма вириона.

У некоторых вирусов «прописка» очень строгая. Например, вирус полиомиелита может жить и размножаться только в клетках (да и то не во всех) человека и приматов.

ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Как известно, синтез белков осуществляется в рибосомах, а последовательность аминокислот синтезируемых белков задается молекулами матричных РНК (мРНК). При описании разнообразия способов хранения и передачи генетической информации у вирусов удобно обозначать молекулы мРНК как (+) РНК.

Есть обширная группа вирусов, генетический материал которых представляет собой мРНК. Геном таких вирусов называют положительным.

Сюда, например, относят вирусы полиомиелита и клещевого энцефалита, а у растений — табачная мозаика. Попав в клетку хозяина, вирусная РНК обеспечивает синтез собственных белков. После этого начинается его размножение.

На заключительной стадии из накопившихся вирусных белков и РНК монтируются вирионы.

Геном другой группы вирусов представлен молекулами не мРНК, а их комплиментарной копией, то есть молекулами (-) РНК. Среди них есть вирусы гриппа, кори, бешенства, желтой карликовости картофеля. Инфекционный процесс не может начаться с синтеза белков, записанных в зеркальной форме, т.к.

рибосомы не распознают (-) РНК. Но и репликация вирусной РНК кажется невозможной, поскольку в клетке нет собственных ферментов, способных осуществить этот процесс.

Вирусы с негативным РНК-геномом решают эту проблему так: они вводят в заражаемую клетку свой геном не в «голом» виде, как поступают вирусы первой группы, а в виде более сложных структур, содержащих, в частности, ДНК-зависимую РНК-полимеразу.

Этот вирусный фермент, синтезированный в предыдущем цикле размножения, упакован в вирионе в удобной для доставки в клетку форме. Инфекционный процесс начинается с того, что вирусный фермент копирует вирусный геном, образуя комплиментарные молекулы РНК, то есть (+) РНК.

Эти молекулы уже «находят общий язык» с рибосомами. Образуются вирусные белки, в том числе и ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая, с одной стороны, обеспечивает размножение вирусного генома в данной клетке, а с другой — «консервируется впрок» во вновь образующихся вирионах.

Есть вирусы, которые близнецы форм с негативной РНК, в их геноме наряду с участками, соответствующими (-) РНК, есть последовательности позитивной полярности.

 У третьей группы вирусов наследственная информация хранится в виде двуцепочечной (или ±) РНК. Вместе с вирусной РНК в клетку попадает и фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза, который обеспечивает синтез молекул (+) РНК.

В свою очередь, (+) РНК выполняет две работы: обеспечивает производство вирусных белков в рибосомах и служит матрицей для синтеза новых цепочек вирусной РНК-полимеразы.

Цепочки (+) и (-) РНК, объединяясь друг с другом, образуют двунитевой (±) РНК — геном, который упаковывается в белковую оболочку.

Четвертая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК. Хотя геном этих вирусов и можно условно изобразить как (±) ДНК, во многих случаях в каждой из двух цепочек ДНК имеются участки, соответствующие как позитивной, так и негативной полярности.

Следующая группа — вирусы с одноцепочечным ДНК-геномом, который может быть представлен молекулами как позитивной, так и негативной полярности. Попав в клетку, вирусный геном сначала превращается в двуцепочную форму, это превращение обеспечивает клеточная ДНК-зависимая ДНК-полимераза.

Шестая группа — ретровирусы, — включающая, в частности, такую «знаменитость», как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Геном этих форм — одноцепочечная (+) РНК, но инфекционный процесс развивается по совершенно иному сценарию.

В вирусном геноме закодирован необычный фермент (ревертаза), который обладает свойствами как ДНК-зависимой, так и ДНК-независимой ДНК-полимеразы. Этот фермент попадает в заражаемую клетку вместе с вирусной РНК и обеспечивает синтез ее ДНК-копии сначала в одноцепочечной форме [(-) ДНК], а затем и в двуцепочечной [(±) ДНК].

Далее события развиваются по обычному расписанию: синтез вирусных (+) РНК, синтез вирусных белков, формирование вирионов, выход из клетки.

Седьмая группа — ретроидные вирусы, из которых наиболее известен вирус гепатита В. В состав этих вирусов входит двуцепочечная ДНК, но реплицируется она иначе, чем у вирусов четвертой группы. Там вирусную ДНК копирует ДНК-зависимая ДНК-полимераза.

Здесь же сначала с вирусной ДНК считывается (+) РНК, которая затем служит матрицей для синтеза двух компонентов вириона: белков и ДНК. Синтез ДНК осуществляет вирусный фермент с активностью ревертазы по схеме, которая реализуется у ретровирусов.

ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С КЛЕТКОЙ.

Существуют два основных типа взаимодействия вируса и клетки, принципиальное различие между которыми — степень автономии вируса от своего «хозяина». Есть вирусы-«соглашатели», которые более склонны подчиняться клеточному контролю.

Геном этих вирионов включается в состав клеточной хромосомы, при этом вирусная ДНК ковалентно соединяется с клеточной. Вирусные гены, как бы, превращаются в клеточные. Далее события могут развиваться по-разному. В одном случае они, почти не проявляет активности.

Клетки и их хромосомы делятся, а вместе с хромосомами в каждую дочернюю клетку попадают и затаившиеся вирусный геном. И при определенных обстоятельствах вирус активизируется.

В другом случае в зараженной клетке постоянно производятся новые и новые поколения вирионов, но клетка при этом не погибает.

РАСШИФРОВАН ГЕНОМ ВИРУСА АТИПИЧНОЙ ПНЕВМОНИИ.

Ученые из США и Канады заявили о полной расшифровке генома вируса, который вызывает заболевание атипичной пневмонией.

Ожидается, что в результате этого открытия станет возможным проведение более точных тестов, по которым среди многих подозрений на болезнь можно будет с достоверностью выявить действительные случаи заражения.

«Наличие подобной информации чрезвычайно важно для проведения более быстрых анализов и, конечно, должно помочь нам в разработке антител и вакцины», — сообщила Джули Гербердинг, директор федерального Центра по контролю и предотвращению заболеваний в американском штате Атланта.

         В этом центре уже были проведены два теста на антитела к вирусу атипичной пневмонии, но они оказались недостаточно точными для повсеместного использования. «Открытие полной последовательности должно привести к более точным генетическим анализам», — отмечает Гербердинг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Таким образом можно отметить, что и внутреннее содержание и форма, и поведение вирусов очень разнообразны и индивидуальны.

Вирусы с негативной РНК устроены намного сложнее т.к. вирион содержит не только РНК, но и ферменты, которые способны ее реплицировать. Введение в клетку не только собственной РНК, но и РНК – полимеразы обеспечивает наработку множества молекул (+) РНК (в том числе и мРНК), которые могут конкурировать с клеточным мРНК не только умением, но и числом.

ЛИТЕРАТУРА.

«Вирусология», 3 т. / Под ред. Б. Филдса, Д.Найпа. М.: «Мир», 1989 г.

Батурин Александр