Размножение вирусов

Содержание Введение 3 Размножение вирусов: общие представления 5 Начало инфекции. 8 Прикрепление 8 Проникновение 9 Раздевание 9 Стратегия размножения вируса. Требования и ограничения 9 Кодирование и организация вирусного генома 10 Вирусы, содержащие одноцепочечную РНК 10 Вирусы, содержащие двухцепочечную РНК 13 Геномы

ДНК-содержащих вирусов 14 Сборка, созревание и выход вирусов из зараженных клеток 15 Рисунки 17 Размножение вирусов принципиально отличается от размножения остальных организмов. Вирусы воспроизводятся только внутри живой клетки, используя её для синтеза своей нуклеиновой кислоты и своих белков. Бактериофаги, например, растворяют оболочку бактерии и вводят в бактерию нить нуклеиновой кислоты, причём капсид фага остаётся вне клетки. Многие вирусы поглощаются клеткой путём пиноцитоза.

Попав в клетку, они освобождаются от оболочки. Попав внутрь клетки, вирус теряет свою белковую оболочку, его нуклеиновая кислота освобождается и становится матрицей для синтеза белка оболочки вируса из клеток хозяина; при этом ДНК хозяина инактивируется. Вирусы передаются из клетки в клетку в виде инертных существ. Размножение вирусов включает в себя три процесса: репликацию вирусной нуклеиновой кислоты, синтез вирусных белков и сборку вирионов. Размножение (репликация) вирусов – процесс, в ходе которого вирус, используя

собственный генетический материал и синтетический аппарат клетки-хозяина, воспроизводит подобное себе потомство. В самом общем виде репликация вируса на уровне единичной клетки складывается из нескольких последовательных стадий: 1) прикрепление вируса к клеточной поверхности; 2) проникновение через наружные мембраны клетки; 3) обнажение генома; 4) синтез (транскрипция) нуклеиновой кислоты вируса с образованием дочерних молекул геномной

НК и, в случае ДНК-содержащих вирусов, информационной вирусной и-РНК; 5) синтез вирус-специфических белков; 6) сборка новых вирионов и выход их из пораженной клетки. Прохождение всех указанных стадий составляет один цикл размножения. На уровне системы клеток в виде ткани или органа циклы размножения часто бывают асинхронными, и вирус из пораженных клеток проникает в здоровые. В эксперименте синхронизации циклов репликации удается достичь

за счет высокой множественности заражения, при которой на каждую клетку приходится не менее 10 инфекционных частиц вируса. Размножение вируса обычно сопровождается подавлением биологических функций клетки и нарушениями в клеточном метаболизме, в крайней форме оно ведет к полному разрушению клетки с высвобождением вирусного потомства (цитопатогенный эффект). Первые этапы развития вируса в клетке в общих чертах состоят в том, что строятся т.н. ранние белки, т.е. белки-ферменты, необходимые вирусу для репликации (удвоения) их

нуклеиновой кислоты. Т.н. поздние белки участвуют в образовании белковых оболочек дочерних вироспор. Из ферментов у вирусов, содержащих ДНК, одним из первых синтезируется полимераза РНК, которая строит на нити ДНК информационную РНК (иРНК). Эта РНК попадает на рибосомы клетки, где и происходит синтез других белков вирусной частицы. Вирусы, содержащие РНК, синтезируют полимеразу, катализирующую синтез новых частиц вирусной

РНК. Эта РНК переходит на рибосомы и контролирует синтез белка капсида. Таким образом, вирусы, содержащие РНК, не нуждаются в ДНК для размножения и передачи генетической информации потомству. Схема размножения вирусов, содержащих в вирионе одну нить ДНК (I) или одну нить РНК (II). ДНК изображена сплошной линией,

РНК — пунктиром; А — нуклеиновая к-та вириона; Б — удвоенная нить нуклеиновой кислоты при ее репликации; В — информационная РНК, (и-РНК), копирующая вирусную ДНК; Г — цепочка рибосом (полисома), соединенная и-РНК или вирусной РНК (на рибосомах растет полипептидная цепочка из остатков аминокислот); Д — рибосома с полипептидом, отделившаяся от полисомы;

Е — белковая молекула, образованная полипептидными цепочками; Ж — построение дочерней нити нуклеиновой к-ты между двумя материнскими; З — зрелый вирион. Стадия В у вирусов с РНК отсутствует, т. к. их собственная РНК выполняет при синтезе белков роль и-РНК. От этой общей схемы размножения вирусов имеются различные отклонения. Разнообразие видов и форм вирусных нуклеиновых кислот определяет и разнообразие способов

их репликации. Бактериофаг Т4 имеет одну двухцепочечную линейную молекулу ДНК, состоящую из 160*103 пар нуклеотидов. В ней закодировано более 150 различных белков, в том числе более 30 белков, участвующих в репликации фаговой ДНК. Обезьяний вирус SV40 имеет двухцепочечную кольцевую ДНК. У вируса оспы две комплементарные цепи линейной

ДНК на обоих концах соединены одна с другой ковалентной фосфодиэфирной связью. Этот самый крупный из известных вирусов содержит более 240 генов. Репликация у вирусов с двухцепочечной ДНК принципиально не отличается от репликации бактериальной или эукариотической ДНК. Паразитирующие в бактериальных клетках Е. coli (кишечной палочки) фаги М13 и λХ 174 имеют кольцевую одноцепочечную

ДНК. В зараженной клетке бактериальные ферменты репликации синтезируют комплементарную ей цепь, которая служит матрицей для образования фаговых ДНК. Они соединяются с фаговыми белками, также синтезированными бактериальными ферментами, и новые фаги покидают клетку-хозяина. Многие вирусы растений содержат одну линейную молекулу РНК, например, первый из описанных вирус табачной мозаики (ВТМ).

Молекула РНК ВТМ заключена в белковый капсид, состоящий из 2 130 идентичных полипептидных субъединиц. В 1955 г. в эксперименте с «переодеванием» Френкель Конрад впервые показал, что РНК может выполнять функцию носителя генетической информации (для ДНК эта функция была доказана раньше). Он взял два штамма ВТМ, дающих различные картины поражения листьев табака.

Отделив белки от РНК, он реконструировал вирионы таким образом, чтобы РНК из одного штамма покрывалась белковым чехлом другого. Картина поражения листьев, зараженных реконструированным вирусом, не зависела от того, какому штамму принадлежали белки, она определялась лишь РНК. Размножение вирусов: общие представления Поиски этиологических агентов инфекционных заболеваний увенчались открытием сотен вирусов.

Патологические эффекты при вирусных заболеваниях складываются из взаимодействия нескольких факторов: а) токсического воздействия продуктов вирусных генов на метаболизм зараженных клеток; б) реакции хозяина на экспрессию вирусных генов в зараженных клетках; в) модификации экспрессии генов хозяина в результате их струк¬турного или функционального взаимодействия с генетическим материалом вируса. В большинстве случаев симптомы острых вирусных заболеваний могут быть непосредственно связаны с разрушением

клеток инфицирующим их вирусом. Ключом к по¬ниманию размножения вирусов является ряд положений и опре-делений. 1. Для того чтобы вирус мог размножиться, он должен вна¬чале заразить клетку. Спектр хозяев определяется как типами клеток, так и видами животных, которых он может заражать и в которых он способен размножаться. Спектр хозяев разных ви¬русов значительно варьирует. Одни вирусы имеют широкий спектр хозяев, другие заражают лишь клетки одного типа опре¬деленных видов

животных Способность клетки или животного заражаться называют восприимчивостью. Факторы, определяю¬щие спектр хозяев и восприимчивость, обсуждаются в следую¬щем разделе. Когда человек вступает в контакт с вирусом, в спектр хозяев которого он входит, немедленно заражаются лишь восприимчивые клетки, находящиеся у входных ворот инфекции. Однако для клинического проявления инфекции заражения этих клеток может оказаться недостаточно.

Как правило, болезнь возникает вследствие заражения клеток-мишеней (например, клеток центральной нервной системы) вирусом, размножившим¬ся в чувствительных клетках в месте проникновения инфекции. Во многих случаях (например, респираторные инфекции, инфекции гениталий вирусом простого герпеса) клетки-мишени распо¬лагаются у входных ворот инфекции. 2. В начале инфекции вирус вводит в клетку свой генетиче¬ский материал —РНК или

ДНК, часто вместе с необходимыми белками. Размеры, состав и генная организация вирусных гено¬мов очень сильно варьируют. Вирусы, по-видимому, эволюционируют разными путями, и не существует какого-либо одного пре-обладающего способа их репликации. Здесь следует подчеркнуть два положения. Во-первых, способность вирусов к размножению и судьба зараженных клеток зависят от синтеза и функции продуктов вирусных генов — белков. Нигде корреляция между структурой и функцией — в данном случае между

составом и расположением генетического материала и механизмом экспрес¬сии вирусных генов — не является столь очевидной, как у виру¬сов. Различие механизмов, с помощью которых вирусы обеспе¬чивают синтез своих белков, отражено в их генетической, структуре, но далеко не всегда может быть выведено из нее. Во-вторых, хотя вирусы значительно различаются по числу со¬ держащихся в них генов, можно сказать, что все вирусы кодиру¬ют функции трех типов, которые выражаются специфическим» для них белками.

Вирусные белки обеспечивают: а) репликацию» вирусного генома, б) упаковку генома в вирусные частицы (вирионы) в) изменение структуры и (или) функции зараженных: клеток. Стратегия, применяемая вирусами для обеспечения этих функций, варьирует. Иногда (паповавирусы) вирусные белки просто помогают ферментам клетки хозяина реплицировать ви¬русный геном. В большинстве случаев (пикорнавирусы, герпес-вирусы, реовирусы) вирусные белки сами обеспечивают

репли¬кацию вирусного генома, но даже наиболее независимые вирусы используют при этом по крайней мере несколько белков хозяина. Во всех случаях именно вирусные белки ответственны за упа¬ковку генома в вирионы, даже если белки хозяина и полиамины связываются с вирусным геномом (например, у паповавирусов) до или во время формирования вирусных частиц. Последствия; размножения вируса в клетке могут варьировать от гибели клет¬ки до незначительных, но потенциально очень важных измене¬ний ее функции и антигенной специфичности.

3. Наши знания относительно циклов репродукции вирусов. получены главным образом из анализа событий, происходящих, в синхронно инфицированной культуре клеток. О вирусах, кото¬рые не удается вырастить в культуре клеток, мало что извест¬но; в будущем, вероятно, решению этого вопроса поможет моле-кулярное клонирование. Цикл репродукции всех вирусов имеетнесколько общих черт (рис.1).

Вскоре после заражения и в течение нескольких часов после него удается обнаружить лишь Рис.1. Цикл репродукции ви¬русов, заражающих клетки эукариот. Время цикла различа¬ется для разных вирусов; оно может колебаться от 8 ч (вирус полиомиелита) до более чем 40 ч (цитомегаловирус). небольшое количество родительского вируса. Этот период извес¬тен как эклипсная фаза; в это время геном вируса взаимодейст¬вует с хозяйским или

вирусным аппаратом, необходимым для «го экспрессии, но численность потомства вируса еще не превы¬шает фонового уровня. Затем следует интервал, во время кото¬рого вирионы потомства накапливаются внутри или вне клетки с экспоненциальной скоростью. Этот период известен как фаза созревания. Через несколько часов в клетках, зараженных литическими вирусами, снижается метаболическая активность и они теряют структурную целостность. Клетки, зараженные другими вирусами, могут продолжать синтез вирионов

неограниченное время. .Цикл репродукции вирусов варьирует от 6—8 ч (пикорнавирусы) до 40 ч и более (некоторые герпесвирусы). Урожай вируса в расчете на одну клетку широко варьирует и в случае вируса полиомиелита, например может превышать 100 000 час¬тиц. 4. Заражение восприимчивых клеток не означает, что неиз¬бежно будут происходить размножение вируса и накопление его потомства. Эта концепция, одна из важнейших в вирусоло¬гии, возникла в последнее десятилетие и ее следует рассмотреть

детальнее. Инфекция восприимчивых клеток может быть продук-тивной, ограниченной и абортивной. Продуктивная инфекция происходит в пермиссивных клетках и характеризуется продук¬цией инфекционного потомства. Абортивная инфекция может наступить в силу двух обстоятельств. Несмотря на восприимчи¬вость к заражению, клетки могут оказаться непермиссивными, так как, чаще всего по неизвестным причинам, в них способны экспрессироваться лишь некоторые вирусные гены.

Абортивная инфекция может быть также результатом заражения как пер¬миссивных, так и непермиссивных клеток дефектными вирусами, которых отсутствует полный набор вирусных генов. Наконец, слетки могут быть только временно пермиссивными, вследствие шго вирус либо сохраняется в клетках до момента, когда они становятся пермиссивными, либо в любой данный момент вирус-гое потомство образуется только в немногих клетках популяции. Этот вид инфекции одними исследователями был определен как рестриктивный

(restrictive), другими — как ограниченный (restingent). Данная классификация важна; ее значение обусловлено тем, что цитолитические вирусы, как правило разрушающие дермиссивные клетки во время продуктивной инфекции, могут просто повреждать, но не разрушать абортивно зараженные пер-миссивные и непермиссивные клетки. Вследствие повреждения может происходить такая экспрессия хозяйских функций, в результате которой клетка превращается из нормальной в злокачественную.

Дополнительным следствием ограниченной и абор¬тивной инфекций является персистенция (сохранение в клетке) вирусного генома. Начало инфекции Чтобы заразить клетку, вирион должен связаться с клеточ¬ной поверхностью, проникнуть в клетку и «раздеться» до такой степени, чтобы его геном стал доступен для вирусного или хо¬зяйского аппарата, обеспечивающего транскрипцию или транс¬ляцию. Прикрепление Прикрепление представляет собой специфическое связывание вирионного белка (антирецептора)

с элементом клеточной по¬верхности (рецептором). Классическим примером антирецепто¬ра является гемагглютинин вируса гриппа (ортомиксовируса). Антирецепторы распределены по поверхности вирусов, заражаю¬щих клетки человека и животных. Сложные вирусы, такие как вирус осповакцины (поксвирус) и вирус простого герпеса (герпесвирус), могут иметь антирецепторные молекулы нескольких видов. Более того, молекулы антирецепторов могут иметь не¬сколько доменов, каждый из которых взаимодействует

с опреде¬ленным рецептором. Мутации генов, кодирующих антирецепто¬ры, иногда ведут к потере их способности взаимодействовать с рецепторами. Идентифицированные до настоящего времени рецепторы относятся к гликопротеинам. Связывание требует определенной концентрации ионов в окружающей среде, достаточной для уменьшения электростатического отталкивания, но от температуры и энергии оно мало зависит. Чувствительность клеток ограничена доступностью рецепторов, и не все клетки в воспри¬имчивом организме

экспрессируют рецепторы. Почечные клетки человека в структуре почек не имеют рецепторов для вируса полиомиелита, но при культивировании этих клеток in vitro рецепторы появляются. Восприимчивость клеток не следует пу¬тать с пермиссивностью; так, клетки кур не восприимчивы к вирусу полиомиелита, поскольку у них нет рецепторов для свя¬зывания с вирионами. Однако они полностью пермиссивны в отношении этого вируса, так как они продуцируют вирус после заражения

их интактной РНК, экстрагированной из вирусных частиц. Очень часто связывание вирусов с клетками ведет к необра¬тимым изменениям структуры вириона. В некоторых случаях, когда проникновения не происходит, вирус может отделиться от клетки и вновь адсорбироваться на другой. К вирусам послед¬ней категории относятся ортомиксовирусы и парамиксовирусы, несущие на своей поверхности нейраминидазу. Эти вирусы спо¬собны отделяться от своих рецепторов в результате отщепления

нейраминовой кислоты от полисахаридной цепи рецепторов. Проникновение Проникновение является процессом, зависимым от энергии, и происходит почти мгновенно после прикрепления в результа¬те одного из трех событий: а) перемещения всего вируса через плазматическую мембрану; б) пиноцитоза вирусных частиц, в результате, которого они накапливаются внутри цитоплазматических вакуолей, в) слияния плазматической мембраны с обо¬лочкой вириона.

Вирусы без оболочек проникают в клетку с помощью первых двух механизмов. Известно, например, что в процессе адсорбции вируса полиомиелита на клетке его капсид модифицируется и теряет свою структурную целостность, а ком¬плекс РНК—белок переносится в цитоплазму. Ортомиксовиру¬сы, парамиксовирусы и герпесвирусы служат примерами виру¬сов, проникающих в результате слияния их оболочек с плазмати¬ческой мембраной.

В этих случаях оболочка вируса остается на плазматической мембране, в то время как внутреннее содержи¬мое вводится в цитоплазму. Слияние оболочки вируса с плазма¬тической мембраной требует участия специфических белков этой оболочки. Раздевание Раздевание — общепринятый термин, применяемый к проис¬ходящим после проникновения событиям, в результате которых ,вирусный геном получает возможность экспрессировать свои функции. В случае папова адено- и герпесвирусов, вероятнее всего, клеточные ферменты дезагрегируют капсид

и к моменту экспрессии вирусных функций от вирусной частицы остаются только ДНК или комплекс ДНК—белок. При реовирусной инфекции в клетках удаляется только часть капсида, и, несмот¬ря на то что вирусный геном так и не освобождается из капси¬да полностью, он экспрессирует все свои функции. Поксвирусы раздеваются в две стадии: на первой ферменты хозяина удаля¬ют наружное покрытие, а на второй для освобождения вирусной ДНК из сердцевины требуется участие продуктов вирусных ге¬нов, синтезированных

после заражения. Стратегия размножения вируса Требования и ограничения В ходе эволюции вирусов сложилось несколько стратегий, обеспечивающих: а) организацию вирусных генов и их кодирую¬щую функцию, б) экспрессию вирусных генов, в) репликацию вирусных геномов, г) сборку и созревание вирусного потом¬ства. Прежде чем мы рассмотрим каждое из этих положений в деталях, стоит напомнить, что ключевым моментом в реплика¬ции вирусов является использование для синтеза вирусных бел¬ков

хозяйских структур, синтезирующих белки клетки. Независи¬мо от размеров, состава и организации своего генома вирус должен предоставить белоксинтезирующему аппарату эукариотической клетки информационную РНК, которую клетка должна распознать и транслировать. В этом отношении клетка навязы¬вает вирусу два ограничения. Во-первых, клетка синтезирует в ядре свою собственную мРНК путем транскрипции своей

ДНК и последующего постранскрипционного процессинга транскрип¬та. Поэтому в клетке: а) ни в ядре, ни в цитоплазме нет ферментов, необходимых для транскрипции мРНК с вирусного РНК-генома, 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 яд¬ро. Все другие вирусы вынуждены создавать собственные фер¬менты

для синтеза мРНК. Второе ограничение состоит в том, что синтезирующий аппарат эукариотических клеток приспособ¬лен только для трансляции моноцистронных мРНК, так как он не распознает внутренних участков инициации в мРНК. В ре-зультате вирусы вынуждены синтезировать либо отдельные мРНК для каждого гена (функционально моноцистронная мРНК), либо мРНК, включающую несколько генов и кодирую¬щую большой «полипротеин», который затем разрезается на индивидуальные белки.

Кодирование и организация вирусного генома Вирусные гены кодированы либо в РНК, либо в ДНК, кото¬рые 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, когда все гены вируса распределены среди нескольких хромосом, которые все вместе и составляют геном вируса. Во избежание ошибок мы обозначаем как «геномную» только нук¬леиновую

кислоту, которая заключена в вирионах. Среди РНК-содержащих вирусов реовирусы представляют собой наиболее хорошо изученное семейство, содержащее двухцепочечный геному кроме того, этот геном принадлежит к сегментированным, так как он состоит из 10 сегментов, или хромосом. Геномы одноцепочечных РНК-содержащих вирусов могут быть либо монолит¬ными (пикорна-; тога парамиксо рабдо корона ретровиру-сы), либо сегментированными (ортомиксо арена- и буньявирусы).

Все РНК-геномы относятся к линейным молекулам. Неко¬торые из них, например геномы пикорнавирусов, содержат на 5 конце РНК ковалентно связанные полипептиды или амино¬кислоты. Все известные ДНК-содержащие. вирусы, заражающие позво¬ночных, имеют монолитный геном. За исключением геномов пар-вовирусов, все они — полностью или частично — двухцепочечные. Отдельные вирионы парвовирусов содержат линейную одноцепочечную

ДНК; в некоторых родах (например, у аденоассоциированных вирусов) комплементарные цепи ДНК находятся в разных частицах. ДНК паповавирусов — кольцевая и сверх¬спиральная, в то время как ДНК герпесвирусов, аденовирусов, а также поксвирусов — линейная. ДНК вируса гепатита В пред¬ставляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу, на обеих цепях которой в разных областях обнаружены большой и ма¬лый одноцепочечные участки.

Вирусы, содержащие одноцепочечную РНК Вирусы с одноцепочечной РНК можно подразделить на три группы. В первую группу входят пикорнавирусы и тогавирусы. Их геномы выполняют две функции (рис.2 и 3). Во-первых, они функционируют как мРНК. Вирусы, геном которых может служить в качестве мРНК, принято называть вирусами с пози¬тивным геномом. РНК пикорнавирусов после проникновения в Рис.2. Размножение пикорнавирусов.

Рис.3. Размножение тогавирусов. клетку связывается с рибосомами и полностью транслируется (рис. 5.2). Затем продукт этой трансляции — полипротеин — рас¬щепляется. Во-вторых, геномные РНК выполняют функцию мат¬рицы для синтеза на ней комплементарных минус-цепей при уча¬стии полимеразы, появившейся в результате расщепления поли-протеина. На этих минус-цепях синтезируются новые плюс-цепи, которые могут использоваться в качестве: а) мРНК,

б) матриц для синтеза новых минус-цепей в) составной части вирусных частиц потомства. Тогавирусы и ряд других вирусов с позитивным геномом отличаются от пикорнавирусов в одном отношении (рис. 3): 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 оче¬редь служит матрицей для синтеза двух различных

по размеру классов молекул плюс-РНК. В клетках, зараженных тогавирусами, РНК первого класса представлены небольшими молеку¬лами мРНК, фланкирующими участок геномной РНК, который не транслировался в первом цикле. Образующиеся на них поли¬протеины расщепляются на белки, которые играют структурную роль в вирионах. Плюс-РНК второго класса состоит из полнораз¬мерных цепей, которые упаковываются в вирионы. В клетках, зазаженных коронавирусами, синтезируются несколько видов

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

Во-вторых, так как все позитивные геномы относятся к монолитным и все их гены со¬средоточены в одной хромосоме, первичный продукт трансляции обеих РНК (как геномной, так и мРНК) обязательно представ¬ляет собой единый белок. Продукты трансляции пикорнавирусов и тогавирусов должны быть, затем расщеплены на индиви¬дуальные белки, которые и обнаруживаются в вирионе или в зараженной клетке. Ортомиксовирусы, парамиксовирусы, буньявирусы, аренавирусы и рабдовирусы составляют вторую группу одноцепочечных

РНК-содержащих вирусов, называемых вирусами с негативным геномом. Для них характерно то, что геномная РНК выполняет две матричные функции: во-первых, для транскрипции и, во-вто¬рых, для репликации. В связи с тем что для синтеза мРНК должен транскрибироваться вирусный геном, а в клетках соот¬ветствующие 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 накапли-ваются функционально активные моноцистронные мРНК [пози¬тивные, или плюс-цепи], кодирующие один белок. Репликацию начинают новосинтезированные вирусные белки, катализирую¬щие образование полной плюс-цепи, которая служит матрицей для синтеза геномной минус-РНК (рис. 4). Главное в репликации вирусов с негативным геномом заклю¬чается 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 име¬ют длину одного гена, они кодируют один белок — единичный полипептид. Однако присутствие сигналов сплайсинга в опреде¬ленных (не разбросанных произвольно по гену) участках может обеспечить формирование нескольких мРНК (каждая из кото¬рых кодирует особый белок) с одного и

того же участка генома. Следовательно, плюс-транскрипт, функционирующий в качестве Рис.4. Размножение ортомиксовирусов и парамиксовирусов. Рис.5. Размножение ретровирусов. мРНК, отличается от плюс-РНК, служащей матрицей для вирус¬ного потомства, хотя и первый, и вторая синтезируются на геномной РНК- Преимущества транскрипции многих мРНК о одного и того же участка (в результате сплайсинга) очевидны.

Моноцистронная мРНК выгодна потому, что вирус при этом может контролировать относительные количества отдельных бел¬ков, и нет необходимости их синтеза в эквимолярных количест¬вах. Ретровирусы входят в третью группу РНК-содержащих ви¬русов (рис. 5). Характерно, что геномы ретровирусов монолит¬ны, но имеют диплоидную структуру, и обе цепи либо частично соединены водородными связями друг с другом, либо спарены неизвестным до настоящего времени

образом. Единственная из¬вестная функция геномной РНК — матричная функция для син-теза вирусной ДНК. Поскольку эукариотические клетки не име¬ют для этого соответствующих ферментов, вирион кроме генома содержит еще и РНК-зависимую ДНК-полимеразу (обратную транскриптазу), а также смесь тРНК хозяина, одна из которых Рис.6. Размножение реовирусов. служит в качестве затравки. В цикле репродукции можно выде¬лить 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 (рибонуклеазой Н, также содержащейся в вирионе), г) синтез комплементарной копии

вирусной ДНК. Затем кольцевая двухцепочечная ДНК переме¬щается в ядро, где интегрирует с геномом хозяина, но последую¬щая экспрессия вирусных генов не обязательна. Если экспрес¬сия происходит, то интегрированная.вирусная ДНК транскриби-руется транскриптазой клетки-хозяина. Продуктами транскрип¬ции являются молекулы РНК, как равные по длине молекуле генома, так и более короткие

мРНК-транскрипты нескольких соседних генов, которые транслируются с образованием поли¬протеинов. Полипротеины затем расщепляются на отдельные ви¬русные белки. В состав вирионов включаются только транскрип¬ты, содержащие весь геном. Вирусы, содержащие двухцепочечную РНК Двухцепочечный сегментированный геном реовируса транс¬крибируется вирионной полимеразой внутри частично «раздето¬го» капсида, через открытые вершины которого выходят 10

мРНК — плюс-транскрипты 10 генов (рис. 6). Молекулы мРНК выполняют две функции. Во-первых они транслируются, обеспечивая синтез вирусных белков, .и, во-вторых, они включа¬ются (по одной молекуле мРНК каждого из 10 генов) в состав частиц-предшественниц. Каждая мРНК служит в этих частицах матрицей для синтеза комплементарной цепи, что ведет к обра¬зованию двухцепочечных сегментов генома. Геномы ДНК-содержащих вирусов

Геномы ДНК-содержащих вирусов можно разделить на четы¬ре группы. Геномы папова адено- и герпесвирусов транскриби¬руются и реплицируются в ядре, поэтому они могут использовать для синтеза мРНК ферменты транскрипции хозяина. Этим объ¬ясняется инфекционность ДНК указанных вирусов. У паповави-русов транскрипционная программа состоит по крайней мере из двух циклов, а у герпес- (рис.7) и аденовирусов по крайней мере из трех.

В каждом случае структурные или вирионные по¬липептиды синтезируются на мРНК, появляющейся в последнем цикле транскрипции. Рис.7. Размножение герпесвирусов (вируса простого герпеса). Поксвирусы составляют вторую группу. Хотя ДНК поксвирусов удается обнаружить в ядре, по крайней мере начальные со¬бытия транскрипции и большая часть остальных событий цикла репродукции происходят в цитоплазме. Начальная транскрипция происходит в сердцевине вириона.

Многие вопросы, касающиеся цикла репродукции этого вируса, еще не выяснены. Парвовирусы входят в третью группу. К единственным виру¬сам этой группы, о которых доступна какая-то информация и ко¬торые способны заражать человека, относятся дефектные аденоассоциированные вирусы, нуждающиеся для своего размноже¬ния в аденовирусах или в вирусе простого герпеса в качестве вирусов-помощников. Для их размножения требуются синтез в ядре клетки

ДНК-цепи, комплементарной одноцепочечной ге¬номной ДНК, и последующая транскрипция генома. Вирус гепатита В является представителем четвертой группы (рис. 8). ДНК этого вируса сначала достраивается с помощью Рис.8. Размножение вируса гепатита В. ДНК-полимеразы, включенной в вирион, и превращается в сверхспиральную

молекулу. Эта молекула транскрибируется с образованием молекул РНК двух классов-мРНК, кодирующей белки, и геномной РНК, которую затем транскрибирует обратная транскриптаза, синтезируя геномную ДНК. Сборка, созревание и выход вирусов из зараженных клеток В процессе эволюции у вирусов выработались две фундамен¬тальные стратегии, используемые ими при сборке,

созревании и выходе вируса из зараженной клетки. Первая, свойственная пикорнавирусам, реовирусам, паповавирусам, парвовирусам аде¬новирусам и поксвирусам, заключается в осуществлении сборки и созревания внутри клеток. В случае пикорнавирусов 60 копий каждого из вирионных белков, обозначаемых VPO, VP1, VP3 собираются в цитоплазме в прокапсид. Затем вирусная РНК свертывается вокруг прокапсида, и в это время

VP0 расщепляет¬ся на два полипептида VP2 и VP4. Возможно, расщепление вы¬зывает перестройку капсида в термодинамически стабильную структуру, в которой РНК защищена от нуклеаз. Поксвирусы и реовирусы также собираются в цитоплазме. В противополож¬ность этому сборка аденовирусов, папбвавирусов и парвовирусов происходит в ядре. Дезинтеграция зараженных клеток — непре¬менное условие для выхода из них всех вирусов, осуществляю¬щих

сборку и приобретающих инфекционность внутриклеточно Накоплены данные, свидетельствующие о том, что угнетение ме¬таболизма макромолекул и последующая дезинтеграция зара-женной клетки осуществляются структурными белками этих ви¬русов. Другая стратегия, используемая вирусами, имеющими обо¬лочку, среди которых можно назвать все РНК-содержащие виру¬сы с негативным геномом, тогавирусы и ретровирусы, состоит в сочетании последней

ступени сборки вириона и выхода его из сраженной клетки. При этом с внутренней и с наружной стороны в плазматические мембраны встраиваются вирионные белки; 1асть этих белков, находящаяся с наружной стороны мембраны, гликозилирована. Мембранные белки вируса агрегируют с обра¬зованием скоплений и вытесняют при этом мембранные белки хозяина. Вирусные нуклеокапсиды связываются с вирус-специ¬фическими белками, выстилающими цитоплазматическую

по¬верхность этих скоплений, или с цитоплазматическими домена¬ми вирусных гликопротеинов (тогавирусы) и обертываются этими участками мембраны. Во время этого процесса вновь образующийся вирион «выпячивается», или «отпочковывается», во внешнюю среду, окружающую клетку. В некоторых случаях (например, у орто- и парамиксовирусов) во время или после вы¬пячивания происходит разрезание и структурная перестройка одного из поверхностных белков, что наделяет вновь сформиро¬вавшийся

вирион способностью заражать клетки. Сборка и созревание вирионов путем отпочковывания от плазматической мембраны клетки представляют собой наиболее эффективный механизм выхода, поскольку он не зависит от дезинтеграции за¬раженных клеток. При этом изменения метаболизма клетки хозяина и ее целостности под влиянием вирусов, созревающих и выходящих из клетки указанным образом, значительно варьиру¬ют. По воздействию на клетки вирусы можно расположить в ряд от цитолитических (тогавирусы, парамиксовирусы,

рабдовиру-сы) до фактически не лизирующих клетку (ретровирусы). Одна¬ко в результате встраивания вирусных гликопротеинов в поверх¬ность клетки перечисленные вирусы придают клетке новую анти¬генную специфичность и зараженная клетка может стать и ста¬новится мишенью для иммунных механизмов хозяина. Нуклеокапсид вируса герпеса собирается в ядре. В отличие от других вирусов с оболочкой одевание и созревание происходят у него на внутренней поверхности

ядерной мембраны. Одетые ви¬русы накапливаются в пространстве между внутренним и внеш¬ним слоем ядерной мембраны, в цистернах цитоплазматического ретикулума, а также в везикулах, несущих вирус к поверхности клетки. Таким образом одетые вирусы надежно защищены от контакта с цитоплазмой. Вирусы герпеса являются цитолитическими и неизменно разрушают клетки, в которых они размножа¬ются. Подобно другим вирусам с оболочкой, эти вирусы сообщают зараженным клеткам новые антигенные свойства.

Двунитевые ДНК-вирусы — вирусы, содержащие двуните¬вую ДНК в линейной (например, герпесвирусы, аденовирусы и поксвирусы) или в кольцевой форме (как папилломавирусы). Репликация двунитевых вирусных ДНК проходит обычным полуконсервативным механизмом: после расплетения нитей ДНК к ним комплементарно достраиваются новые нити. У всех вирусов, кроме поксвирусов, транскрипция вирусного генома происходит в ядре.

Уникальна по механизму репродукция гепаднавирусов (вируса гепатита В). Геном гепаднавирусов представлен двунитевой кольцевой ДНК, одна нить которой короче (неполная плюс-нить) другой нити. После проникновения в клетку сердцеви¬ны вируса (1) неполная нить ДНК-генома достраивается; формируется полная двунитевая кольцевая

ДНК (2) и созре¬вающий геном (3) попадает в ядро клетки. Здесь клеточная ДНК-зависимая РНК-полимераза синтезирует разные иРНК (для синтеза вирусных белков) и РНК-прегеном (4) — мат¬рицу для репликации генома вируса. Далее иРНК перемеща¬ются в цитоплазму и транслируются с образованием белков вируса. Белки сердцевины вируса собираются вокруг прегенома.

Под действием РНК-зависимой ДНК-полимеразы ви¬руса на матрице прегенома синтезируется минус-нить ДНК (5), на которой образуется плюс-нить ДНК (6). Оболочка вириона формируется на HBs-содержащих мембранах эндоплазматической сети или аппарата Гольджи (7). Вирион вы¬ходит из клетки экзоцитозом. Однонитевые ДНК-вирусы. Представителями однонитевых

ДНК-вирусов являются парвовирусы. Поглощенный вирус поставляет геном в ядро клетки. Парвови¬русы используют клеточные ДНК-полимеразы для создания двунитевого вирусного генома, так называемой репликативной фор¬мы последнего. При этом на исходной вирусной ДНК (плюс-нить) комплементарно синтезируется минус-нить ДНК, служащая матри¬цей в синтезе плюс-нити ДНК для новых поколений вирусов.

Па¬раллельно синтезируется иРНК, происходит трансляция вирусных белков, которые возвращаются в ядро, где собираются вирионы. Плюс-однонитевые РНК-вирусы. Это большая группа виру¬сов (пикорнавирусы, флавивирусы, тогавирусы и др.), у которых геномная плюс-нить РНК выполняет функцию иРНК . Вирус (1), после эндоцитоза, освобождает в цитоплазме (2) геномную плюс-РНК, которая как иРНК связывается с рибосомами (3): транслируется полипротеин (4), который расщепляется

на 4 структурных белка (NSP 1-4), включая РНК-зависимую РНК-полимеразу. Эта полимераза транскрибирует геномную плюс-РНК в минус-нить РНК (матрицу), на которой (5) синтези¬руются копии РНК двух размеров: полная плюс-нить 49S геном¬ной РНК; неполная нить 26S иРНК, кодирующая С-белок капсида (6) и гликопротеины оболочки Е1-3.

Гликопротеины синтези¬руются на рибосомах, связанных с мембранами эндоплазматического ретикулума, затем включаются в мембрану и гликозилируются. Дополнительно гликозилируясь в аппарате Гольджи (7), они встраиваются в плазмалемму. С-белок образуете геномной РНК нуклеокапсид который взаимодействует с модифициро¬ванной плазмалеммой (8). Вирусы выходят из клетки почкова¬нием (9). Минус-однонитевые

РНК-вирусы (рабдовирусы, парамиксовирусы, ортомиксовирусы) имеют в своем составе РНК-зави¬симую РНК-полимеразу. Проникшая в клетку геномная минус-нить РНК парамиксовируса трансформируется вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразой в неполные и полные плюс-нити РНК. Непол¬ные копии выполняют роль иРНК для синтеза вирусных белков.

Полные копии являются промежуточной матрицей для синтеза минус-нитей геномной РНК потомства. Вирус связывается гликопротеинами оболочки с поверхно¬стью клетки и сливается с плазмалеммой (1). С геномной минус-нити РНК вируса транскрибируются неполные плюс-нити РНК, являющиеся иРНК (2) для отдельных белков и полная ми¬нус-нить РНК — матрица для синтеза геномной минус-РНК ви¬руса (3).

Нуклеокапсид связывается с матриксным белком и гликопротеин-модифицированной плазмалеммой. Выход вирионов — почкованием (4). Двунитевые РНК-вирусы. Механизм репродукции этих вирусов (реовирусов и ротавирусов) сходен с репродукцией минус-однонитевых РНК-вирусов. Особенность репродукции состоит в том, что образовавшие¬ся в процессе транскрипции плюс-нити функционируют не только как иРНК, но и участвуют в репликации: они являются матрицами для синтеза

минус нитей РНК. Последние в комплексе с плюс-нитями РНК образуют геномные двунитевые РНК ви-рионов. Репликация вирусных нуклеиновых кислот этих виру¬сов происходит в цитоплазме клеток. Ретровирусы (плюс-нитевые диплоидные РНК-вирусы, об-ратнотранскрибирующиеся), например вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). ВИЧ связывается гликопротеином gp120 (1) с рецептором

CD4 Т-хелперов и других клеток. После слияния оболочки ВИЧ с плазмалеммой клетки в цитоплазме освобождаются геномная РНК и обратная транскриптаза вируса, которая на матрице геномной РНК синтезирует комплементарную ми¬нус-нить ДНК (линейная кДНК). С последней (2) копируется плюс-нить с образованием двойной нити кольцевой кДНК (3), которая интегрирует

с хромосомной ДНК клетки. С рекомбинантной ДНК-провируса (4) синтезируются геномная РНК и иРНК, которые обеспечивают синтез компонентов и сборку вирионов. Вирионы выходят их клетки почковани¬ем (5): сердцевина вируса «одевается» в модифицирован¬ную плазмалемму клетки.