Вирус

Вирусы (лат. virus яд) — мельчайшие микроорганизмы, не имеющие клеточного строения, белоксинтезирующей системы и способные к воспроизведению лишь в клетках высокоорганизованных форм жизни. Они широко распространены в природе, поражают животных, растения и другие микроорганизмы. Вирусы характеризуются рядом уникальных свойств, отличающих их от простейших, грибков, бактерий — микроорганизмов, имеющих клеточное строение и генетический материал, представленный двунитчатыми ДНК. Вирусы не имеют рибосом и цитоплазматических органелл, их воспроизводство обеспечивает клетка-хозяин. Молекула вирусного генома наделена необычайной способностью перестраивать жизнедеятельность клетки таким образом, что она перестает узнавать собственную генетическую информацию и функционирует в соответствии с генетической программой вируса, синтезируя вирусоспецифические молекулы. С этой точки зрения вирусы являются генетическими паразитами клетки.

Вирусы содержат нуклеиновую кислоту только одного типа: либо ДНК, либо РНК. РНК-содержащие вирусы — единственные представители в природе, имеющие генетический материал, представленный РНК. Вирусные геномы гаплоидны, т.е. содержат только одну копию генов, за исключением ретровирусов, геном которых является диплоидным. Генетический материал может иметь вид разнообразных структур (двунитчатых, однонитчатых, линейных, кольцевых, фрагментированных молекул). В основе необычного способа воспроизводства В. лежит разобщенный во времени и пространстве (на территории клетки) синтез вирусных нуклеиновых кислот и белков, которые затем независимо друг от друга прибывают к местам сборки вирусных частиц.

Природу В. как генетических паразитов клетки характеризует их способность к интеграции, т.е. к объединению вирусного генома с клеточным. Группа вирусных генов, являющихся частью клеточного генома, называется провирусом. Провирус способен длительное время существовать в виде так называемых молчащих генов, однако в соответствующих условиях он может активироваться, что приводит к развитию болезни. На способности В. к интеграции основан механизм персистенции В. в организме, с которой связано возникновение персистентных вирусных инфекций. Интеграция характерна для умеренных ДНК-содержащих бактериофагов, онкогенных ДНК-содержащих вирусов, для вируса гепатита В, обязательна для ретровирусов, к которым относятся онкогенные РНК-содержащие В. и вирусы иммунодефицита человека. Персистенция В. в организме возможна также при существовании их в клетке в виде кольцевых нуклеиновых кислот типа плазмид бактериальной клетки, реплицируемых самой клеткой. Такие кольцевые ДНК, лишенные собственных белков, описаны при персистенции паповавирусов, В. герпеса.

К вирусам близки вироиды и вирусоиды. Вироиды представляют собой небольшие по размерам молекулы кольцевой суперспирализованной РНК, лишенные белка: они вызывают болезни растений. Вирусоиды также являются лишенными белков молекулами РНК, они отличаются от вироидов зависимостью от вируса-помощника (дефектностью) и отсутствием способности кодировать синтез собственных белков.

Существует ряд агентов белковой природы, лишенных нуклеиновой кислоты и обладающих способностью вызывать энцефалопатии у человека и животных (типа болезни скрепи у овец) в результате прогрессирующего разрушения нервных клеток. Эти агенты получили название «прион» (белковая инфекционная частица). По-видимому, прион одновременно является индуктором какого-то клеточного гена, ставшего автономным.

Вирусы, вироиды, вирусоиды и даже прионы имеют нечто общее, их объединяющее. Они представляют собой автономные генетические структуры, способные функционировать и репродуцироваться в восприимчивых к ним клетках животных, растений и микроорганизмов.

Несмотря на чрезвычайную простоту строения, В. обладают всеми признаками жизни: способностью размножаться, наследственностью, изменчивостью, приспособляемостью к условиям окружающей среды, они занимают определенную экологическую нишу в природе, на них распространяются законы эволюции органического мира. Однако В. не являются организмами из-за отсутствия собственных белок-синтезирующих систем, разобщенного способа репродукции, способности интегрировать с клеточным геномом, наличия вироидов, прионов, вирусов-сателлитов и дефектных вирусов, генетических феноменов (множественной реактивации и комплементации).

Зрелая вирусная частица называется вирионом. У простых вирусов (например, вирусов полиомиелита) вирион состоит из одной молекулы нуклеиновой кислоты, окруженной белковым футляром — капсидом. Капсид вместе с нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом. У более сложных вирусов (например, аденовирусов, ротавирусов) капсид окружает сердцевину, содержащую помимо нуклеиновой кислоты внутренние белки. У еще более сложно устроенных В. (вирусы гриппа, кори, бешенства, вирус иммунодефицита человека) капсид окружен липопротеиновой оболочкой — суперкапсидом (рис. 1). Капсид состоит из определенного количества капсомеров, связанных нековалентными связями, каждый из которых содержит несколько симметрично расположенных полипептидных цепей. Вирионы патогенных для человека В. имеют два типа симметрии. При спиральной симметрии капсомеры ассоциируются с геномом и образуют спиралевидную винтообразную структуру, при кубическом типе симметрии капсомеры формируют изометрическое полое тело, внутри которого находится геном Изометрические вирусные частицы имеют форму икосаэдра — многогранника, состоящего обычно из 60 или кратных 60 геометрически идентичных элементов.

Липопротеиновые оболочки В. являются дериватами плазматической мембраны или мембран цитоплазматических вакуолей, куда почкуются В. Поэтому липиды вирусной оболочки имеют такой же состав, как и липиды клетки-хозяина. В липопротеиновые оболочки В. встроены наружные вирусные белки, которые обычно представлены гликопротеидами. Эти белки формируют шипы на поверхности вирусной частицы, их функция связана с проникновением вируса в клетку. Наружные вирусные белки вызывают образование защитных, вирус-нейтрализующих антител.

Вирусные нуклеиновые кислоты характеризуются разнообразием форм. Вирусный геном может быть представлен как однонитчатыми, так и двунитчатыми молекулами РНК или ДНК, ДНК может быть как линейной, так и кольцевой молекулой, РНК — как линейной, так и фрагментированной, и вместе с белками нуклеокапсида образовывать кольцевые структуры В., содержащие однонитчатые РНК, делят на две группы. К одной группе относятся В., геном которых обладает свойствами информационной РНК, т.е. может связываться с рибосомами и кодировать вирусные белки. Такие В. обозначают как плюс-нитевые, или плюс-геномные (условно информационная РНК обозначена знаком плюс). Это пикорнавирусы, тогавирусы, коронавирусы, ретровирусы. Другая группа включает В., у которых функции информационной РНК выполняет РНК, комплементарная геному. Эти В. называют минус-нитевыми, или минус-геномными. Минус-нитевыми являются ортомиксовирусы, парамиксо-вирусы, рабдовирусы. Существуют В., содержащие как плюс-нитевые, так и минус-нитевые гены (амбисенс-вирусы). К ним относятся аренавирусы и буньявирусы.

В зараженной клетке вирусный геном кодирует синтез двух групп белков: структурных, входящих в состав образующихся вирионов, и неструктурных, которые обнаруживаются в зараженной клетке, но в состав вирионов не входят. Число структурных белков варьирует от 2—3 у простых В. до 100 и более у сложно организованных, например вирусов оспы. В зависимости от локализации в вирионе различают капсидные и суперкапсидные структурные белки. В составе капсида, помимо идентичных белков, образующих капсомеры, находится ряд других белков: геномные белки, ковалентно связанные с геномом, ферменты, осуществляющие транскрипцию и репликацию вирусного генома, белки с другими ферментативными функциями. Эти белки представлены в виде единичных молекул. Основной функцией собственно капсидных белков является защита генома от факторов внешней среды. Суперкапсидные белки (обычно гликопротеиды) относятся к типичным внутримембранным белкам. Их гликозилирование осуществляют клеточные ферменты в процессе синтеза и транспорта полипептида. Углеводный компонент защищает полипептид от протеаз, придает определенную конформацию молекуле, влияет на ее антигенные свойства. Все циркулирующие в природе В. принято делить на вирусы, поражающие позвоночных и человека, насекомых, растения и бактерии. Вирусы классифицируют на большие группы, называемые семействами (-viridae), которые подразделяют на подсемейства (-virinae), роды (genus) и типы. Основными критериями для характеристики семейства являются морфология вирионов, природа генома, репликация генома. Морфология вирионов включает размер, форму, симметрию нуклеокапсида, наличие суперкапсида. Деление на подсемейства и роды обусловлено такими критериями, как круг восприимчивых хозяев, патогенность, патологические изменения в клетках, феномены генетических взаимодействий, географическое распространение, способ передачи; наиболее частым признаком при делении на роды являются антигенные свойства (антигенные перекресты). Дифференциация на типы, подтипы, штаммы и варианты также основана на антигенных свойствах при использовании как поликлональных, так и моноклональных антител. Современная классификация охватывает 4/5 всех известных В. позвоночных и человека, из них 6 семейств включают ДНК-содержащие вирусы и 12 — РНК-содержащие.

Вирусы являются возбудителями многих болезней. Респираторные инфекции вызывают более 200 вирусов, включая их серотипы, вирусы гриппа типов А, В, С, вирусы парагриппа человека 4 типов, реовирусы, респираторно-синцитиальный вирус, риновирусы (115 серотипов), кишечные вирусы, коронавирусы, аденовирусы (42 серотипа) и др. Вирусные гастроэнтериты вызывают вирусы 7 групп: ротавирусы, наиболее распространенные и особенно часто поражающие детей первых лет жизни, кишечные аденовирусы (типы 40 и 41), вирус Норфолка, коронавирусы, калицивирусы, астровирусы, тогавирусы. Возбудителями вирусных гепатитов являются вирусы гепатита А, В, ни А, ни В. Распространенными вирусными инфекциями являются корь, герпетическая инфекция. В. полиомиелита продолжают циркулировать, но не вызывают паралитической формы заболевания благодаря плановой вакцинации. В определенных регионах распространены арбовирусные инфекции, передаваемые насекомыми (в основном клещами и комарами), в частности клещевой энцефалит. Встречаются также геморрагические лихорадки, в частности геморрагическая лихорадка с почечным синдромом, передаваемая грызунами. На широкой территории распространены В. бешенства, персистирующие в организме диких животных.

Некоторые В. (например, вирусы краснухи, цитомегалии, паротита и др.) могут передаваться трансплацентарно и вызывать выкидыши, гибель плода, врожденные пороки развития. В. являются возбудителями медленных инфекций, характеризующихся поражением ц.н.с. Возможны вирусные поражения разных органов и систем в результате постинфекционных процессов: миокардиты, панкреатиты, иммунодефицитные состояния. В. имеют отношение к канцерогенезу, способствуя превращению нормального клеточного гена в онкоген в результате процессов, связанных с интеграцией вирусного генома с клеточным геномом.

Вирусы представляют собой важный фактор эволюции органического мира. Преодолевая видовые барьеры, В. могут переносить отдельные гены или группы генов из клетки в клетку, а интеграция вирусной ДНК с хромосомой клетки может приводить к изменчивости генома клетки в результате введения в геном дополнительной наследственной информации или изменения экспрессии клеточных генов.

Наиболее эффективными факторами изменчивости генома являются ретровирусы, поскольку они обладают способностью в виде ДНК-провируса включаться в разные локусы ДНК хромосом. Ретровирусы могут переносить гены животных из клетки в клетку у организмов разных видов и классов, когда половая гибридизация исключена, например, одинаковые провирусы обнаружены в геномах мыши, крысы, кошки, свиньи и человека.

Циркуляция в биосфере различных В. обусловливает их генетические взаимодействия, которые могут принести к возникновению рекомбинантов с измененным тропизмом к определенному хозяину и с повышенной вирулентностью. Особенно часто это происходит у В. с фрагментированным геномом (вирусы гриппа, ротавирусы). Так, например, современная концепция возникновения пандемических вариантов В. гриппа основана на рекомбинации В. гриппа человека и животных, когда в результате обмена генами появляется вирус с высокой патогенностью для человека, преодолевающий популяционный иммунитет.

В репродукции В. различают ранние и поздние этапы. Ранние этапы подготавливают инфекционный процесс. К ним относят адсорбцию В. на клетке, проникновение в нее и так называемое раздевание вируса.

Адсорбция В на клетке основана на специфическом узнавании вирусными прикрепительными белками клеточных рецепторов, которые обычно находятся на поверхности чувствительных к В. клеток. В связи с тем, что рецепторы бывают общими для больших групп В., а процесс адсорбции может нарушаться под воздействием некоторых соединений, перспективно проведение антивирусной терапии с учетом блокирования этого этапа репродукции за счет разрушения рецепторов, использования моноклональных антител синтетических пептидов, конкурирующие с рецепторами и узнающими их вирусными белками.

Проникновение В. в клетку происходит двумя способами: путем рецепторного эндоцитоза (с последующим слиянием вирусной оболочки с клеточной мембраной) и непосредственно через плазматическую мембрану клетки (рис. 3). Большинство В. проникает в клетку путем рецепторного эндоцитоза. После адсорбции вирус в комплексе с клеточными рецепторами попадает в клеточную вакуоль, где осуществляется слияние мембран за счет взаимодействия вирусного белка с липидами мембраны вакуоли. В большинстве случаев слияние мембран происходит лишь при низких значениях рН. Однако некоторые В. (вирус Сендай, вирус иммунодефицита человека) обладают активным белком слияния, функционирующим при нейтральном рН, и проникают в клетку прямо через плазматическую мембрану путем слияния с ней вирусной оболочки. Одновременно с проникновением происходит и так называемое раздевание К. — удаление его наружной оболочки и выход внутреннего компонента, вызывающего инфекционный процесс.

На поздних этапах происходит синтез вирусспецифических молекул и сборка вирусных частиц, заканчивающаяся выходом их из клетки. Поздними этапами являются транскрипция, трансляция, репликация, сборка вирусных частиц.

Транскрипцией называется переписывание генетической информации на РНК с образованием молекул информационной РНК. Это переписывание осуществляет ДНК-РНК-полимераза (транскриптаза). ДНК-содержащие В. используют для транскрипции клеточную полимеразу. У некоторых РНК-содержащих В. собственная геномная РНК может выполнять функции информационной, но у большинства В. (минус-нитевые вирусы) информационная РНК комплементарна геномной РНК и является продуктом транскрипции. В этом случае транскрипцию обеспечивает вирусная РНК-РНК- полимераза.

Трансляция осуществляется путем перевода информации с нуклеотидов, в результате чего из аминокислот образуются белки. Этот процесс происходит в рибосомах, с которыми связывается информационная РНК, направляющая синтез белка. В зараженной клетке рибосомы не «узнают» свою клеточную информационную РНК и связывают вирусспецифическую информационную РНК. Синтез белков в клетке разобщен: одни вирусные белки синтезируются на свободных полирибосомах, гликопротеиды — на рибосомах, связанных с клеточными мембранами. Вирусные белки подвергаются различным модификациям в процессе трансляции и после трансляции — гликозилированию, ацилированию, протеолитическому нарезанию, фосфорилированию и т.д.

Репликация — процесс, ведущий к образованию дочерних вирусных геномов, которые являются точной копией родительских геномных молекул. Механизм репликации широко варьирует В репликации двунитчатых вирусных ДНК участвуют клеточные ферменты (ДНК-полимеразы). Репликация вирусных РНК происходит с участием вирусспецифических полимераз и образованием антигенома — полноразмерной зеркальной копии вирусного генома, комплементарной ему С участием антигенома образуется репликативный предшественник — многонитчатая структура, где осуществляется репликация.

Все компоненты В. независимо друг от друга прибывают к местам сборки в клетке. Чаще сборка компонентов В. происходит с участием клеточных мембран. Эти компоненты обычно прокрашиваются красителями и видны в световом микроскопе в виде включений. Включения характерны для определенной инфекции и в ряде случаев (при оспе, бешенстве) имеют диагностическое значение. Белки простых В. способны к саморазборке с образованием капсомеров, формирующих при взаимодействии друг с другом прокапсиды. Встраивание в прокапсиды нуклеиновой кислоты приводит к образованию капсида. У сложных В. формируются нуклеокапсиды и сердцевины, которые затем взаимодействуют с наружными белками. Большинство оболочечных В. приобретают оболочку за счет почкования через плазматическую мембрану клетки-хозяина. При этом нуклеокапсиды и сердцевины транспортируются к участкам плазматической мембраны, на поверхности которых уже встроены оболочечные вирусные белки, и начинается выпячивание этих участков. Образующаяся почка отделяется от клетки с образованием вирусной частицы. Выход В. в межклеточное пространство возможен также путем «взрыва»; т.е. после разрушения клетки.