Классификация вирусов

В силу своих особенностей вирусы выделены в отдельное надцарство Vira, в котором по типу нуклеиновой кислоты различают рибовирусы и дезоксирибовирусы.

Подцарства делятся на семейства, которые подразделяются на подсемейства и роды. Вид – совокупность вирусов, имеющих почти идентичные геном (ДНК или РНК), свойства и способность вызывать определенный патологический процесс. Названия семейства имеют окончание viridae, подсемейство – virinae, рода – virus.

Признаки, используемые для классификации вирусов: 1) тип нуклеиновой кислоты – ДНК или РНК; 2) их структура (однонитевая, двунитевая, линейная, кольцевая, фрагментированная, нефрагментированная с повторяющимися и инвертированными последовательностями); 3) структура, размеры, тип симметрии, число капсомеров; 4) наличие или отсутствие внешней оболочки (суперкапсида); 5) антигенная структура; 6) феномены генетических взаимодействий; 7) круг восприимчивых хозяев; 8) географическое распространение; 9) внутриядерная или цитоплазматическая локализация; 10) чувствительность к эфиру и детергентам; 11) путь передачи инфекции.

Для определения принадлежности к семейству ретровирусов обязательно учитывается наличие фермента обратной транскриптазы.

Вирусы, вызывающие инфекционные процессы у человека, входят в состав как ДНК-содержащих, так и РНК-содержащих вирусных семейств

По строению различают два типа вирусных частиц – простые и сложные. В составе простых вирионов есть ДНК или РНК и белки. У сложных в суперкапсиде содержатся липиды, полисахариды.

Внутренняя структура простых и сложных вируосв сходна, сердцевина вируса – вирусный геном, который содержит от 3 до 100 и более генов.

Морфология и структура вирусов. Простые вирусы имеют одну белковую оболочку – капсид, который состоит из капсомеров – белковых молекул, форма укладки которых определяет тип симметрии. Капсид представлен -спиральными белками, способными к полимеризации.

Сложные вирусы имеют внешнюю оболочку – суперкапсид, расположенную поверх капсида. В состав суперкапсида входит внутренний белковый слой – М-белок, затем более объемный слой липидов и углеводов, извлеченных из клеточных мембран клетки хозяина. Вирусспецифические гликопротеиды проникают внутрь суперкапсида, образуя фигурные выпячивания (шипы, фибры), которые выполняют рецепторную функцию.

Различают 3 типа симметрии: 1) спиральный, когда капсомеры укладываются по спирали – винтообразная структура нуклеокапсида; 2) кубический (икосаэдрический), когда капсомеры укладываются по граням многогранника (12-20-гранника) – в основе лежит фигура икосаэдра (20-гранника). В зависимости от типа перегруппировки и числа субъединиц число капсомеров будет равным 30, 20, или 12. Вирионы со сложным капсидом, построенным более чем из 60 капсомеров, содержат группы из 5 субъединиц – пентамеры, или из 6 субъединиц – гексамеры; 3) смешанный тип симметрии (у бактериофагов).

Комплекс капсида и генома вируса называют нуклеокапсид. Сложные вирусы имеют суперкапсид (пеплос). Эта поверхностная оболочка вируса, состоит из липидов и белков клеточного происхождения.

Вирусные белки бывают: 1) структурные; 2) неструктурные. Среди структурных различают: капсидные – входят в состав капсомеров и образуют футляр, защищающий нуклеиновую кислоту; суперкапсидные – это гликопротеиды, которые формируют шипы на поверхности суперкапсида и выполняют: адресную функцию – узнают чувствительную клетку и адсорбируются на ней; прикрепительные белки, которые взаимодействуют со специфическими рецепторами клетки; белки слияния – способствуют слиянию вирусной и клеточной мембран и приводят к образованию симпластов; геномные – обладают антигенными свойсвами, участвуют во взаимодействии с клеткой. Среди неструктурных белков различают: предшественники вирусных белков (нестабильные); РНК- и ДНК-полимеразы – участвуют в репликации вирусного генома; регуляторные белки – участвуют в репродукции вируса. Функции белков: обладают антигенными и иммуногенными свойствами; участвуют в распознавании клетки и взаимодействии с ней; защищают геном от нуклеаз; обеспечивают тип симметрии.

Липиды входят в состав суперкапсида и представляют смесь нейтральных фосфо- и гликолипидов, многие из них – продукты мембраны клеток хозяина. Они обусловливают инфекционность, чувствительность или устойчивость к эфиру; стабилизируют вирусную частицу.Углеводы входят в состав гликопротеидов суперкапсида. Углеводы и липиды – составная часть гемагглютинина, который вызывает склеивание эритроцитов и обладает антигенной специфичностью. Различают вирионные и вирусиндуцированные ферменты вирусов. К вирионным относят ферменты транскрипции и репликации (ДНК и РНК-полимеразы); обратную транскриптазу (у ретровирусов), АТФ-азы, эндо- и экзонуклеазы, нейраминидазы.К вирусиндуцированным относятся ферменты, о которых имеется только информация в вирусном геноме, а появляются они в клетке. Это РНК-полимеразы тога-, орто-, пикорна- и парамиксовирусов; и ДНК-полимеразы у покс- и герпесвирусов.

Нуклеиновые кислоты обеспечивают наследственные признаки; являются хранителями генетической информации; необходимы для репродукции вирусов, многие из них могут вызывать инфекционный процесс самостоятельно, достаточно их проникновения в клетку.

Вирусная ДНК. Молекулярная масса равна 1,10⁶-1,10⁸ дальтон. ДНК может быть одно- или двунитчатой, фрагментированной и сверхспирализованной, линейной или кольцевой, содержит несколько сотен генов. В каждой нити ДНК есть нуклеотидные последовательности, а на концах есть прямые или инвертированные (повернутые на 180^о) повторы, которые являются маркерами для отличия вирусной ДНК от клеточной. Эти повторы обеспечивают способность ДНК замыкаться в кольцо для последующих репликации, транскрибирования и встраивания в клеточный геном. Генетическая информация инфекционной ДНК транслируется на мРНК в клетке с помощью полимераз.

Вирусная РНК может быть одно- и двунитчатой, линейной, кольцевой, фрагментированной. У РНК-содержащих вирусов генетическая информация закодирована в РНК таким же кодом, как в ДНК всех других вирусов и клеточных организмов. Вирусные РНК по своему химическому составу не отличаются от РНК клеточного происхождения, но характеризуются разной структурой.

Наряду с типичной для всех РНК однонитевой формой у ряда вирусов имеется двунитевая РНК. В составе однонитевых РНК имеются спиральные участки типа двойной спирали ДНК, образующиеся вследствие спаривания комлементарных азотистых оснований. Вирусы с однонитчатой РНК делятся на 2 группы: (+)РНК (положительный геном) и (-)РНК (отрицательный геном). Вирусная (+)РНК инфекционная и обладает функциями информационной РНК. Она может передовать генетическую информацию на рибосомы, как иРНК. Вирусы с отрицательным геномом не обладают инфекциозностью, т.к. нить (-)РНК выполняет только наследственную функцию и не обладает функцией иРНК. В зараженной клетке на матрице вирусной геномной РНК с помощью фермента транскриптазы осуществляется синтез РНК-комплементарной геному.

Нити (+)РНК вирусов в отличие от (-)РНК имеют специальные концы в виде «шапочки» для специфического узнавания рибосом.

Патогенность вирусов обусловлена совокупностью их свойств: способностью проникать в макроорганизм, связываться с клеточными мембранами и проникать в клетку, управлять метаболизмом и белоксинтезирующей функцией клетки, обеспечивать транскрипцию и репликацию собственного генома и осуществлять весь цикл репродукции вирусов. Все эти свойства зависят от генома вирусов и наличия соответствующих структурных белков и ферментов. Репродукция вирусов приводит к развитию патологии: цитопатогенному (разрушающему) действию, развитию воспаления, повреждению различных клеток и тканей.

Взаимодействие вируса с клеткой

Различают 3 типа взаимодействия: продуктивный тип – репродукция завершается образованием вирусного потомства; абортивный тип – не образуются новые вирусные частицы, т.к. инфекционный процесс прерывается на одном из этапов; интегрированный тип – вирогения – характеризуется встраиванием вирусной ДНК в хромосому клетки хозяина.

РНК-вирусы размножаются в цитоплазме, кроме вирусов гриппа и ретровирусов, которые осуществляют это в ядре. Однако ДHК-поксвирусы репродуцируются в цитоплазме.

Репродукция вирусов протекает в несколько стадий (рис. 7).

1. Адсорбция вируса на специфических рецепторах чувствительной клетки благодаря белкам прикрепления (адгезинам) и адресным. Число специфических рецепторов на поверхности одной клетки 10⁴-10⁵. Белки адгезины имеют форму нитей (фибры у аденовирусов) или шипов у орто-, парамиксовирусов, рабдовирусов. Адсорбция определяется неспецифическими слоями межмолекулярного натяжения и специфической комплементарностью рецепторов чувствительных клеток и вирусов. Вначале происходит единичная связь вириона с рецептором – такое прикрепление непрочное – адсорбция носит обратимый характер. Чтобы наступила необратимая адсорбция должны появиться множественные связи между рецептором вируса и рецептором клетки, т.е. стабильное мультивалентное прикрепление.

На клетках существуют различные структуры-рецепторы, к которым прикрепляются вирусы своими рецепторами. У орто- и парамиксовирусов их роль выполняют ганглиозиды (сиалосодержащие гликолипиды), у вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) – гликопротеид 120 и др. Примеры клеточных рецепторов: CD4 – молекула для ВИЧ, рецепторы для С3-комплемента – для вируса Эпштейна-Барра, бэта-адренергические рецепторы – для реовирусов.

2. Проникновение вируса в клетку может идти двумя путями: виропексиса и слияния вирусной и клеточной мембран.

При виропексисе (эндоцитозе) происходит инвагинация участка клеточной мембраны, образование внутриклеточной вакуоли, а далее вакуоль с вирусом может попадать в разные участки цитоплазмы или в ядро клетки.

Процесс слияния осуществляется с помощью вирусных белков капсидной или суперкапсидной оболочек, которые сливаются с плазматической мембраной клетки хозяина.

У парамиксовирусов имеется специальный F-белок, вызывающий слияние клеточных и вирусных мембран. Сходные белки имеются у других вирусов. У вируса гриппа это гемагглютин, который обусловливает адсорбцию его на мембране клетки. Белки слияния служат важнейшими факторами вирулентности вирусов. Они приводят к образованию клеточного синцития (например, при ВИЧ-инфекции).

3. «Раздевание» вирионов или депротеинизация – это процесс освобождения нуклеиновой кислоты вируса от окружающей ее оболочки с последующим проникновением ее в цитоплазму или в ядро клетки. «Раздевание» вириона начинается сразу же после его прикрепления к клеточным рецепторам и продолжается в эндоцитарной вакуоли, а также в ядерных порах и околоядерном пространстве.

4. Биосинтез компонентов вирусов. Нуклеиновая кислота, проникшая в клетку, несет генетическую информацию, которая конкурирует с генетической информацией клетки. Она дезорганизует работу клеточных систем, подавляет метаболизм клетки и заставляет ее синтезировать вирусные белки и нуклеиновые кислоты, которые идут на построение вирусного потомства.

Так как генетический аппарат вирусов различен, то передача наследственной информации и синтез ДНК и РНК отличаются.

При инфицировании ДНК-содержащим вирусом идет транскрипция ДНК-вируса на иРНК с помощью ДНК-зависимой РНК полимеразы, которая может быть вирусной при репродукции его в цитоплазме или клеточной, если это происходит в ядре (аденовирусы и др.). Причем, если это происходит в цитоплазме (поксвирусы), то вирусная РНК-полимераза считывает часть ДНК-генома и запускает синтез мРНК, а она – образование первичных ферментов для репликации вирусной ДНК. Эти ферменты индуцируют считывание второй части исходной ДНК – появляется «поздняя» мРНК, обеспечивающая синтез структурных белков.

При инфицировании РНК-содержащим вирусом РНК синтезируется с помощью РНК-полимеразы на матрице вирусной РНК; синтез вирусных белков происходит в цитоплазме, а РНК в ядре или в цитоплазме (пикорнавирусы, тогавирусы).

Для (+)РНК-нитевых вирусов (флави-, пикорна-, тогавирусы) функцию информационной РНК выполняет сам геном, который является матрицей для новых молекул РНК, на основе которых в рибосомах синтезируются вирусные белки.

У (-)РНК-вирусов (орто-, парамиксо-, рабдовирусы) геном не выполняет функцию информационной РНК, не обладает инфекционностью, но вирусы имеют РНК-полимеразы, необходимые для синтеза РНК, комлементарных геному, т.е. мРНК, которые обеспечивают синтез вирусных белков.

Иначе осуществляется репликация РНК-содержащих ретровирусов (онкогенные, ВИЧ), в составе которых есть обратная транскриптаза или ревертаза (см. рис. 7). Уникальность этого фермента состоит в его способности индуцировать синтез цепи вирусной ДНК на матрице вирусной РНК. Этот процесс называется обратной транскрипцией. На матрице одной ДНК-цепи синтезируется комплементарная ей вторая; образовавшаяся двунитевая ДНК переносится в ядро. Клеточная ДНК подвергается сплайсингу (под влиянием эндонуклеаз) с образованием рекомбинантов с этой вирусной ДНК. Возникает ДНК-провирус. С помощью клеточной ДНК-зависимой РНК-полимеразы интегрированный в ДНК клетки ДНК-провирус считывается с последующим синтезом вирусных (+)РНК и мРНК, которые определяют образование вирусных структурных белков и ферментов. Продолжающийся синтез цепей ДНК обеспечивает новые вирионы геномом.

Количество генов в вирусном геноме ограничено, поэтому есть дополнительные механизмы для передачи большей информации, чем несет вирусная нуклеиновая кислота. Например, транскрипция информации с переписывающихся участков ДНК на иРНК может происходить путем сплайсинга (вырезание бессмысленных кодонов и сшивание концов), а также вследствие считывания антикодонами тРНК с разных нуклеотидов одной и той же молекулы иРНК, в результате возникают новые триплеты и увеличивается транслируемая информация.

Формирование нуклекапсидов происходит, когда синтезированные вирусные нуклеиновые кислоты и белки специфично узнают друг друга и соединяются гидрофобными солевыми и водородными связями. Основой самосборки простых вирионов служит способность вирусных полипептидов соединяться в капсомеры, образующие многогранник. Полипептиды могут также окружать в виде спирали вирусную нуклеиновую кислоту.

Для вирусов важен синтез М-белка (матриксный белок), который участвует в сборке вирионов.

Нередко простые вирионы монтируются на репликативных комплексах, которыми служат мембраны эндоплазматического ретикулума. Сборка нуклеокапсида сложных вирионов начинается на репликативных комплексах и продолжается на плазматической мембране, где присутствуют гликопротеиды суперкапсида.

Нуклеокапсиды вируса герпеса и многих ДНК-содержащих вирусов монтируются в ядре клетки на ее мембране. Затем они отпочковываются и приобретают суперкапсидную оболочку. Окончательное формирование вириона осуществляется в мембранах эндоплазматического ретикулума и в аппарате Гольджи.

Выход вирусов из клетки происходит: 1) путем взрыва оболочки (клетка при этом погибает), что характерно для вирусов, не имеющих суперкапсида (пикорнавирусы); 2) путем почкования, что присуще вирусам, имеющим суперкапсид. На заключительном этапе сборки нуклеокапсиды фиксируются на клеточной плазматической мембране и выпячивают ее, образуется «почка», которая затем отделяется от клетки (орто-, парамиксо-, рабдовирусы). Клетка при этом сохраняет жизнеспособность.

Время, необходимое для репродукции, колеблется от 5-6 часов (для вируса гриппа) до нескольких суток (вирусы кори, аденовирусы).

Интеграция с клеточным геномом. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) вирусов могут быть включены в геном клетки с помощью эндонуклеаз, рестриктаз и лигаз. Вирусная ДНК в кольцевой форме интегрируется в клеточный геном. Место включения в геном определяется гомологичными нуклеотидными последовательностями определенных участков (ДНК-сайтов). После включения в геном клетки ДНК-вируса становится провирусом, который может изменять клеточный метаболизм, что приводит к возникновению аутоиммунных, хронических заболеваний и опухолей. Под влиянием физических и химических факторов ДНК-провирус вырезается из клеточной хромосомы и становится обычным вирусом.

Геном РНК-вирусов включается в клеточный геном при участии обратной транскриптазы, образующей ДНК-транскрипт одной цепи на матрице РНК (см. рис. 7). Образовавшаяся нить ДНК служит матрицей для образования второй нити, а затем двуцепочечный ДНК-транскрипт замыкается в кольцо и встраивается в клеточный геном. Этот процесс интеграции РНК-вируса в геном клетки называют вирогенией. Как и в случае с ДНК-провирусами в клетке могут изменяться свойства, что приводит к заболеваниям.

Виды вирусной инфекции. На клеточном уровне выделяют автономные инфекции, если вирусный геном реплицируетсЯ независимо от клеточного и интеграционные инфекции, если вирусный геном включается в состав клеточного. Автономная инфекция делится на продуктивную, при которой образуется инфекционное потомство и абртивную, при которой инфекционный процесс обрывается и новые инфекционные частицы не образуются.

По течению различают острую и персистирующую инфекции. Острая инфекция в зависимости от судьбы зараженной клетки делится на цитолитическую и нецитолитическую, цитолитическая заканчивается образованием ЦПД. Она сопровождает продуктивную фазу взаимодействия вируса с клеткой. Персистирующая инфекция может протекать в виде вирусоносительства, латентной, хронической или медленной инфекции. Латентная – это инфекция без выделения вируса в окружающую среду. Хроническая инфекция сопровождается выделением вируса и периодами ремиссии и обострения. Медленная инфекция характеризуется длительным инкубационным периодом и последующим длительным прогрессирующим течением с летальным исходом.

На уровне организма вирусные инфекции делятся на очаговые – когда размножение вирусов происходит у входных ворот и генерализованные – когда вирус разносится по различным органам и тканям.