Общая вирусология.
История развития вирусологии.
Специфичность и происхождение вирусов.
Структурная организация вирусов
Вирусы - группа ультрамикроскопических облигатных внутриклеточных паразитов, способных размножаться только в клетках живых организмов (многоклеточных и одноклеточных). Среди них имеются возбудители заболеваний человека, животных, растений, насекомых, простейших и микроорганизмов.
Вирусы были открыты в 1892г Д.И.Ивановским при изучении причин гибели табака от мозаичной болезни, выражающейся в появлении пятен на листьях растений. Ученый обнаружил, что здоровое растение получает возбудителя с соком больного растения даже после пропускания этого сока через бактериологические фильтры. Эти микроорганизмы назвали фильтрующимся вирусами, а затем просто вирусами. Которое положило начало развитию науки вирусологии. Более быстрому ее развитию способствовали: изобретение электронного микроскопа, разработка метода культивирования микроорганизмов в культурах клеток.
Слово “вирус” в переводе с латинского - яд (животного происхождения). Этот термин применяют для обозначения уникальных представителей живой природы, не имеющих клеточного (эукариотического или прокариотического) строения и обладающих облигатным внутриклеточным паразитизмом, т.е. которые не могут жить без клетки.
В настоящее время вирусология- бурно развивающаяся наука, что связано с рядом причин:
- ведущей ролью вирусов в инфекционной патологии человека и животных (примеры - вирус гриппа, ВИЧ- вирус иммунодефицита человека, африканская чума свиней и другие) на фоне практически полного отсутствия средств специфической химиотерапии;
- использованием вирусов для решения многих фундаментальных вопросов биологии и генетики.
Вирусные заболевания наносят огромный ущерб сельскому хозяйству. Так, вирус ящура, африканская чума свиней, распространяясь со скоростью цепной реакции, способен разрушить животноводство в масштабе целой страны. Вирусные болезни картофеля, огурцов, томатов, ячменя, гороха и других растений существенно снижают урожаи сельскохозяйственных культур.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ
Каждый вирус в своем онтогенезе проходит две фазы. Первая фаза —внеклеточная, когда вирус находится в состоянии покоя, получила название вириона (А. Львов, 1959). Вторая фаза — внутриклеточная, называемой репродуцирующимся или вегетативным вирусом, которая включает весь цикл репродукции вируса в клетке хозяина.
Вирусы обладают следующими характерными особенностями, отличающими их от других микроорганизмов:
Первое принципиальное отличие вирусов от всех прочих живых организмов нашей планеты заключается в их строении. Вирусы лишены каких-либо клеточных структур. Каждый вирион представлен двумя компонентами — нуклеиновой кислотой и белком, что позволяет совершенно определенно назвать вирусы неклеточными формами жизни.
В состав любого организма обязательно входят оба типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. В вирионах всегда присутствует только один тип нуклеиновой кислоты — либо ДНК, либо РНК- Причем обе нуклеиновые кислоты могут быть одноцепочечными и двухцепочечными.
Второе принципиальное отличие вирусов от других живых организмов состоит в отсутствии у них собственного метаболизма. В вирионах нет белок-синтезирующего аппарата (рибосом) и нет механизмов, обеспечивающих получение автономной энергии (АТФ). Отсутствие собственных метаболических систем определяет уникальную природу вирусного паразитизма. В отличие от паразитизма прочих организмов, паразитирующих на организменном и клеточном уровнях, вирусы являются ультрапаразитами, паразитирующими на генетическом уровне. Адсорбируясь на клетке хозяина, вирусы внедряют в нее свой геном в виде ДНК или РНК и подавляют деятельность генома клетки хозяина. В большинстве случаев с этого момента метаболический аппарат клетки начинает полностью работать на вирус под контролем вирусного генома. Генетический уровень паразитизма вирусов обусловливает невозможность культивирования их на самых сложных питательных средах.
Рассмотрим вопрос: какими же критериями жизни типичного организма обладают вирусы?
Существенной характеристикой любого живого организма является способность его к размножению. Этот критерий живого организма вполне приложим и к вирусам.
Второй неотъемлемой чертой любого живого организма является наследственность. И в этом отношении вирусы не уступают остальным организмам. Достаточно вспомнить, насколько стабильными сохраняются в течение тысячелетий симптомы вирусных заболеваний оспы, полиомиелита, бешенства и др. Клиническая картина этих вирусных инфекций практически не изменилась с древнейших времен до наших дней. О стойкости наследственного кода вирусов говорит и спектр поражаемых вирусами хозяев. Для вируса бешенства — это человек, собака, кошка, волк и другие млекопитающие; для вируса полиомиелита — избирательно только человек.
При наличии стойкой наследственности любому организму присуща изменчивость. И с этой точки зрения вирусы оказываются типичнейшими живыми организмами. Ярчайшим примером изменчивости вирусов может служить вирус гриппа типа А. Мелкие изменения антигенной структуры этого вируса происходят ежегодно, существенные смены антигенов наблюдаются один раз в 10-15 лет. Антигены — белки, входящие в состав белковой оболочки вируса. Каждая пандемия гриппа типа А в XX в. была вызвана новой разновидностью (серотипом) вируса: Ао (испанка) — в 1918 г., A1 — в 1947 г., А2 (Сингапур) — в 1957 г., А2 (Гонконг) — в 1968 г., А2 (Виктория) — в 1972 г.
Вирусы, как и все остальные живые организмы, характеризуются способностью к адаптации к условиям среды. Следует только помнить, что средой обитания для них является организм хозяина. Каждый вирус имеет строго определенный круг хозяев. Этот круг поражаемых организмов может быть очень узким, как, например, чума К.Р.С., или, наоборот, очень широким, как у вируса бешенства — человек и все млекопитающие животные. Таким образом, вирусы, как и другие организмы, занимают вполне определенные экологические ниши в биосфере.
Рассмотрев черты сходства и различия между вирусами и всеми остальными живыми организмами, можно сделать два весьма существенных вывода. С одной стороны, вирусы являются автономными генетическими структурами, которым присущи существенные критерии живых организмов — способность к размножению, наследственность, изменчивость, адаптация к условиям среды. С другой стороны, вирусы, будучи генетически автономными структурами, лишены метаболизма и не способны к самостоятельной репродукции вне клетки хозяина. Весь цикл репродукции вирусов проходит в клетке за счет ее метаболических систем.
Вопрос о происхождении вирусов до сего времени остается не решенным. Предположение о том, что вирусы являются примитивными доклеточными формами жизни, не находит логического подтверждения. Достаточно сказать, что для репродукции вирусов необходима клетка, ее метаболические системы. Уровень организации нуклеиновых кислот и белков вирусов не уступает уровню их организации у клеточных организмов. Нуклеиновые кислоты вирусов имеют тот же нуклеотидный состав, что и нуклеиновые кислоты любой клетки. Генетический код вирусов аналогичен генетическому коду клеточных организмов.
Наиболее вероятной представляется гипотеза, трактующая вирусы как результат деградации клеточных организмов. Можно предположить, что длительная эволюция последних шла по пути облигатного паразитизма, а именно утраты автономной АТФ, белоксинтезирующего аппарата и собственной цитоплазматической мембраны.
Эволюция генома вирусов, вероятно, шла по двум направлениям: по пути уменьшения объема генетической информации — от двухцепочечных ДНК-геномных вирусов к одноцепочечным ДНК-геномным вирусам, а также по пути упрощения процесса репродукции с исключением этапа транскрипции с ДНК на РНК, что привело к использованию РНК в качестве генетического материала, сначала в форме двухцепочечной РНК, а в дальнейшем в упрощении ее до одноцепочечной РНК.
Наконец, существует мнение, что вирусы можно рассматривать как группы генов, вышедших из-под контроля генома клетки. Получившие автономию группы генов на определенном этапе эволюции могли приобрести защитную белковую оболочку и некоторые другие вирусные специфические белки. В пользу этой гипотезы говорит родство ДНК некоторых вирусов с ДНК клетки и возможность включения ДНК вирусов в геном клетки.
Если принять последнюю гипотезу, вирусы можно назвать фрагментами живых организмов, утративших способность к самостоятельной репродукции, но сохранивших некоторые существенные критерии живых организмов, такие, как наследственность, изменчивость, способность к адаптации.
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВИРУСОВ
Изучение вирусов под электронным микроскопом показало, что они разнообразны по форме и имеют довольно сложное строение. Различают следующие формы вирусов: палочковидную, при которой вирус имеет вид прямого цилиндра (вирус табачной мозаики); нитевидную, представляющую эластичные изгибающиеся нити (некоторые вирусы растений и бактерий); сферическую, сходную с многогранниками (вирусы животных и человека); кубовидную, по виду напоминающую параллелепипед с закругленными краями (вирусы животных и человека); Бактериофаги по форме делятся на четыре группы: фаги, имеющие кубическую головку и отросток; кубические фаги; нитевидные фаги; плеоморфные фаги.
Размеры вирусов варьируют в достаточно широких пределах — от 10—20 до 300—350 нм.
Строение (морфология) вирусов
Вирусы делятся на: просто устроенные и сложноорганизованные
Вирусы имеют сравнительно простой химический состав. Непременным
компонентом вирусной частицы является нуклеиновая кислота, белок и микроэлементы (К, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Cu). Эти три компонента являются общими для всех вирусов (называются простыми вирусами), а в состав сложных вирусов еще входят липиды и углеводы.
Просто устроенные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки. Последняя носит название капсида (от греч. capsa — футляр) и называются «голыми».
Сложноорганизованных вирусов на поверхности белкового капсида имеют дополнительную мембраноподобную оболочку, приобретаемая вирусом в момент выхода из клетки хозяина — суперкапсид. Такие вирусы называются «одетыми».
Капсид. Капсиды вирионов образованы белковыми субъединицами, уложенными строго определенным образом. Причем капсиды различных вирусов животных, растений и бактерий могут быть построены по одному типу, в основе которого лежит относительно простой геометрический принцип — спиральной или изометрической симметрии. Соответственно существуют лишь два типа капсидов — спиральные и изометрические.
Многие вирусы растений и ряда фагов имеют спиральный капсид, в котором белковые субъединицы уложены по спирали вокруг оси.
Для вирусов со спиральным капсидом характерно высокое содержание белка (90—98%) по отношению к нуклеиновой кислоте. Капсиды многих вирусов имеют форму симметричного многогранника, чаще всего икосаэдра (Икосаэдр — многогранник). Такие капсиды называют изометрическими. Под электронным микроскопом видна поверхность изометрических капсидов, образованная отдельными элементами, уложенными со строгой периодичностью.
Элементы капсида, состоящие из белковых субъединиц, видимые в электронный микроскоп, получили название капсомеров.
Белковый капсид вирусов прежде всего выполняет защитную функцию. Он защищает нуклеиновую кислоту вируса от различных физических и химических воздействий, в первую очередь от действия многочисленных нуклеаз. Эта функция капсида является универсальной и обусловливает распространение вирусов во внешней среде.
Вторая функция капсида заключается в наличии в его составе рецептора, комплементарного рецептору заражаемой клетки. Иначе говоря, капсид определяет хемосорбцию вируса на поверхности клетки хозяина. В процессе эволюции сложилась уникальная избирательность вирусов — поражать строго определенный круг хозяев, а в организме хозяина — определенный тип клеток.
Внешняя оболочка вириона. Многие более сложноорганизованные вирусы животных (ортомиксовирусы, парамиксовирусы, вирусы группы оспы), а также некоторые вирусы растений и бактерий на поверхности капсида имеют внешнюю оболочку, или суперкапсид.
Суперкапсид вирусов, как и любая другая мембрана, представлен двойным слоем липидов, в который погружены молекулы специфических белков. Содержание липидов в суперкапсидах крупных вирусов животных нередко достигает 20—40% от сухой массы вириона. Липиды суперкапсида, состоящие из нейтральных жиров, фосфолипидов и других соединений, имеют клеточное происхождение и вирусный геном не кодирует их синтез. Обычно суперкапсид вируса формируется путем модификации участков цитоплазматической мембраны клетки хозяина в момент сборки вириона и выхода его из клетки. У некоторых крупных вирусов (вирус герпеса) суперкапсид формируется из ядерной мембраны при выходе вириона из ядра или в цитоплазме клетки, как у вируса группы оспы.
Помимо липидной фракции, в суперкапсидах сложноорганизованных вирусов обнаружены сахара. Количество сахаров может достигать 10—13% от сухой массы вириона. Подобно липидам углеводный компонент суперкапсида определяется клеткой, поэтому один и тот же вирус, выращенный в разных клетках, может отличаться по набору сахаров. О роли сахаров в составе вириона известно пока мало.
На поверхности вирусных капсидов обнаружены различные выросты, например шипы, или ворсинки которыми они прикрепляются к поверхности клетки хозяйна.
Нуклеиновые кислоты. Как уже отмечалось выше, в отличие от всех других организмов, вирусы содержат всегда один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК). В зависимости от типа нуклеиновой кислоты вирусы подразделяются на ДНК-геномные и РНК-геномные.
Нуклеиновая кислота вируса совмещает в себе функции обеих кислот — ДНК и РНК. Особо следует подчеркнуть, что в царстве вирусов функцию хранителя генетического кода может выполнять не только ДНК, но и РНК. В составе всех прочих организмов природная форма ДНК всегда представлена двухцепочечной молекулой, а РНК — одноцепочечной. Нуклеиновые кислоты вирусов отличаются крайним разнообразием. Вирусы содержат как обычные природные формы нуклеиновых кислот — двухцепочечную ДНК и одноцепочечную РНК, так и одноцепочечную ДНК и двухцепочечную РНК.
Типичная природная форма двухцепочечной ДНК характерна для наиболее многочисленной группы вирусов, поражающих человека, животных и бактерии.
Одноцепочечные ДНК-геномные вирусы. Это некоторые вирусы позвоночных животных, насекомых, а также мелкие фаги.
Молекулы двухцепочечных и одноцепочечных ДНК вирусов могут иметь линейное и кольцевое строение. В линейных молекулах ДНК вирусов встречается так называемая концевая избыточность, когда в концевом фрагменте ДНК повторяется ее начальный фрагмент.
Для кольцевых молекул ДНК многих вирусов животных и бактерий характерна суперспирализация, которая обусловливает образование компактной третичной структуры и позволяет ей уложиться в небольшой объем капсида. Спирализация молекулы ДНК сопровождается изменением ее биологических свойств, в частности повышением устойчивости к действию экзонуклеаз.
Большинство РНК-геномных вирусов содержат обычную природную форму одноцепочечной РНК. Двухцепочечную РНК содержат РНК-геномные вирусы, поражающие организмы животных, растений, бактерий и грибов. Молекулы одноцепочечной и двухцепочечной РНК вирусов за редким исключением имеют линейное строение.
В ДНК-геномных вирусах нуклеиновые кислоты всегда представлены одной молекулой ДНК, отождествляемой с одной хромосомой. Среди РНК-геномных вирусов часть вирусов содержат одну молекулу нуклеиновой кислоты и являются однохромосомными. Однако к РНК-геномным вирусам относится и обширная группа многохромосомных вирусов, или вирусов с фрагментированным геномом. Геном многохромосомных вирусов представлен несколькими молекулами РНК, минимум двумя. Многохромосомные вирусы, в свою очередь, могут быть подразделены на две подгруппы. К первой подгруппе относятся вирусы, у которых фрагменты генома распределены между несколькими вирионами. Вирусы такого типа принято называть ковирусами. Ко второй подгруппе многохромосомных вирусов относятся вирусы, у которых полный набор фрагментов генома входит в состав одного вириона. Такие вирусы получили название моновирусов.
Способ передачи генетической информации у вирусов теснейшим образом связан с биологией рода. Например, разобщенный фрагментированный геном имеют некоторые фитовирусы, которые распространяются через переносчиков-насекомых или передаются потомству растений через семена и споры. При попадании таких вирусов в низкой концентрации в среду резко снижается вероятность одновременного внедрения ковирусной системы в одну клетку, что ведет к снижению эффективности заражения. Для большинства вирусов животных, поступающих из клетки в среду и распространяющихся воздушно-капельным путем, ковирусная система представляется биологически нецелесообразной.
Молекулярная масса генома вирусов варьирует в широких пределах.
Молекулярная масса генома ДНК вирусов: одноцепочечной ДНК составляет 1,7•106 и кодирует 9 белков, а двухцепочечная ДНК около 3•106 могут кодировать до 100 белков.
Молекулярная масса генома РНК вирусов колеблется в меньших пределах: от 2,5•106 до 7•106. Предельно минимальный геном имеют РНК дефектных вирусов-сателлитов. Вирусы-сателлиты — дефектные вирусы, цикл репродукции которых идет только при одновременном заражении клетки полноценным вирусом.
Например, молекулярная масса генома вируса некроза растений составляет около 0,4 • 106 и кодирует только один капсидный белок.
ЦИКЛ РЕПРОДУКЦИИ ВИРУСОВ
Отношения вируса с клеткой хозяина могут складываться по-разному. Условно эти отношения можно свести к трем типам.
Продуктивная инфекция наблюдается в том случае, когда цикл репродукции вируса в клетке хозяина завершается образованием нового, как правило, многочисленного поколения вирусов, что обычно сопровождается гибелью клетки хозяина.
Абортивная инфекция имеет место, если цикл репродукции вируса в клетке хозяина внезапно прерывается на одной из стадий репликации нуклеиновой кислоты вируса, или синтеза белков капсида, или на стадии сборки новых вирионов. В этом случае клетка хозяина сохраняет свою жизнеспособность.
Вирогения характеризуется интеграцией (встраиванием) вирусной нуклеиновой кислоты в геном клетки хозяина, что приводит в дальнейшем к синхронной репликации ДНК клетки и нуклеиновой кислоты вируса. Клетка хозяина продолжает жизнь.
По типу вирогении складываются отношения умеренных фагов с бактериями, что приводит к лизогенизации клетки хозяина (см. гл. IV).
Вирусы, в отличие от всех про- и эукариотных организмов, не способны размножаться бинарным делением. Размножение вирусов осуществляется путем репродукции их в клетке хозяина. Репродукция отдельных компонентов вириона — нуклеиновых кислот и белков — происходит территориально в разных участках клетки и разновременно. Цикл репродукции представляет собой уникальный процесс подчинения клеточных матрично-генетических механизмов чужеродной вирусной информации. Многие стадии этого процесса до сих пор не расшифрованы.
Поскольку вирусы лишены автономного обмена веществ, они не нуждаются в ферментах, осуществляющих процессы метаболизма. Однако к настоящему времени в составе различных вирусов открыты около 10 ферментов. Функционально ферменты вирусов можно подразделить на 2 группы: ферменты, способствующие проникновению вирусной нуклеиновой кислоты в клетку и выходу образовавшихся вирионов в среду (нейраминидаза миксовирусов, АТФ-аза и лизоцим некоторых фагов и др.) и ферменты, участвующие в процессах транскрипции и репликации вирусной нуклеиновой кислоты (различные транскриптазы и репликазы).
Ферменты вирусов входят в состав самого вириона либо синтезируются на рибосомах клетки по информации, закодированной в геноме вируса.
Помимо, этого, в цикле репродукции вируса принимают участие некоторые клеточные ферменты, модифицированные вирусом в процессе его взаимодействия с клеткой.
Рассмотрим цикл репродукции вирусов на примере вирусов животных. Цикл репродукции можно подразделить на отдельные стадии.
I стадия — хемосорбция вируса на поверхности клетки хозяина.
Хемосорбция возможна лишь при условии, если клетка несет на своей поверхности чувствительные рецепторы, комплементарные рецепторам данного вируса. В клетках животных и человека функцию выполняют липопротеиды, мукопротеиды. Так, для вируса гриппа клеточным рецептором является гликрпротеид, включающий нейраминовую кислоту, которая разрушается нейраминидазой вируса.
У простоорганизованных вирусов рецепторами являются уникальные сочетания белковых субъединиц, находящиеся на поверхности капсида (гемагглютинины орто- и парамиксовирусов, решетчатые поверхности из гликопротеидов у альфавирусов). У более сложноорганизованных вирусов функцию рецепторов выполняют выросты суперкапсида в виде шипов или ворсинок.
II стадия — проникновение вируса в клетку хозяина.
Пути проникновения вирусов в клетку могут быть различны.
Предполагается, что многие вирусы проникают в клетку путем пиноцитоза, или виропексиса. При пиноцитозе в районе хемосорбции вируса клеточная мембрана образует инвагинацию и заглатывает вирус. В составе пиноцитарной вакуоли вирус, окруженный участком цитоплазматической мембраны клетки, попадает в цитоплазму.