Взаимодействие вирусов с клеточными организмами

Взаимодействиевируса с клеткой представляет собой сложный многоступенчатый процесс, который во всех случаях начинается с адсорбции вирионов на рецепторах клеточного организма. Однако дальнейшее течение данного процесса может происходить по-разному, в зависимости от сопутствующих условий. Известны три основных типа взаимодействия вируса с клеткой: 1) продуктивный тип, завершающийся образованием многочисленного потомства - новых вирусных частиц; 2) абортивный тип, когда репродукции вирусов не происходит, поскольку инфекционный процесс прерывается на одном из этапов взаимодействия с клеткой; 3) интегративный тип, или вирогения, характеризующийся встраиванием вирусной нуклеиновой кислоты в хромосому клетки хозяина.

Продуктивный тип взаимодействия (репродукция вирусов). Репродукция вирусов происходит путем проникновения их в клетку, репликации нуклеиновой кислоты и синтеза их белков с использованием генетического и белоксинтезирующего аппарата клетки с последующей самосборкой вириона. Этот процесс происходит в различных частях клетки - цитоплазме, рибосомах, ядре, вследствие чего получил название дизъюнктивного, т. е. разобщенного размножения.

Репродукция вирусов осуществляется в несколько стадий, последовательно сменяющих друг друга:

1. Адсорбция вириона на клетке;

2. Проникновение вириона в клетку хозяина;

3. “Раздевание” вирионов;

4. Биосинтез вирусных компонентов в клетке;

5. Формирование (сборка) вирусных частиц;

6. Выход вирусного потомства из клетки

1) Адсорбция вируса на поверхности восприимчивой клетки реализуется через взаимодействие со специфическими поверхностными рецепторами. Подобные рецепторы имеются у многих клеток (например у эритроцитов). Это свойство используют для идентификации многих возбудителей. Процесс адсорбции не зависит от температуры и протекает в две фазы: 1 - ионное притяжение между вирусом и клеткой, взаимодействие носит неспецифический характер. 2- физическое прикрепление вирусной частицы к соответствующему поверхностному рецептору, процесс обусловлен структурной гомологией либо комплементарностью специфических рецепторов.

На процесс адсорбции существенное влияние оказывает тканевая специфичность.

2) Пенетрация (проникновение) в клетку. После завершения этапа адсорбции вирус проникает в клетку, где происходит частичная депротеинизация вирионов и модификация их нуклеопротеида (раздевание). Модифицированные частицы теряют инфекционные свойства и ряд других признаков, специфичных для отдельных групп вирусов.

Процесс зависит от температуры и может протекать по двум путям:

- проникновение вируса может осуществляться через слияние мембран вируса и клетки, в результате чего внутренние структуры вируса оказываются в цитоплазме заражённых клеток, а вирусные оболочки - на поверхности клеток.

Другой путь - проникновение вирусных частиц посредством пиноцитоза. Затем происходит образование вакуоли вокруг вируса, попавшего в цитоплазму. Кислая среда обусловливает слияние вирусной оболочки и мембраны эндосомы, в результате чего нуклеокапсид проникает в цитоплазму.

3)“Раздевание” вирионов - заключается в удалении защитных вирусных оболочек и освобождении вирусной нуклеиновой кислоты. “Раздевание вирусов происходит постепенно, в несколько этапов, каждый из которых проходит в определенных участках цитоплазмы и ядра клетки хозяина. Этот процесс проходит с использованием набора клеточных ферментов. Конечным продуктом “раздевания” вирусных частиц является нуклеиновая кислота. После депротеинизации вирусы невозможно выделить из культуры клеток, этот этап репродукции известен как фаза э΄клипса. Термини э΄клипс (от первичной пенетрации до появления первого вириона нового поколения) взят из астрономии – затмение Солнца или Луны; Он требует энергетических затрат и не происходит при температуре 0-4⁰С (исключая вирус гриппа). Фаза заканчивается одновременно с процессом сборки.

4) Синтез вирусных частиц (стадия созревания вирусных частиц) включает образование посредством трансляции нуклеиновых кислот вирусспецифических белков. Реализация генетической информации вирусной нуклеиновой кислоты осуществляется в соответствии с общеизвестными в биологии процессами, трансляции и репликация. Белки синтезируются в цитоплазме, а место сборки генома вирусов может быть различным. Обычно первыми образуются продукты, регулирующие репродукцию - ферменты и регуляторные белки. Позднее синтезируются белки, обеспечивающие сборку дочерних популяций, их синтез включает несколько этапов, специфичных для различных вирусов.

5) Сборка вирусных частиц - состоит прежде всего в образовании нуклеокапсидов. Синтезированные вирусные нуклеиновые кислоты и белки обладают способностью специфически узнавать друг друга и при достаточной их концентрации самопроизвольно соединятся в результате гидрофобных, водородных и ионных взаимодействий.

6) стадия выхода размножившегося вируса из инфицированной клетки - высвобождение дочерних вирионов.

Продолжительность осуществления полного цикла репродукции вирусов, варьирует от 5 - 6 часов (вирус гриппа) до нескольких суток (вирус кори). Образовавшиеся вирусы способны инфицировать новые клетки.

Интегративный тип взаимодействия вируса с клеткой - интеграция вирусной нуклеиновой кислоты в клеточный геном (вирогения). Интегративный тип взаимодействия (вирогения) характеризуется встраиванием нуклеиновой кислоты вируса в хромосому клетки. При этом вирусный геном реплицируется и функционирует как составная часть клеточного генома. Интеграция вирусного генетического материала с ДНК клетки характерна для определенных групп вирусов: онкогенных (опухолеродных) вирусов, бактериофагов, вирусов герпеса, гепатита, аденовирусов, ВИЧ и др.

Наиболее типичные примеры подобного взаимодействия - лизогения бактерий и вирусная трансформация клеток.

Некоторые ДНК-вирусы и ретровирусы вызывают латентные инфекции поражённых клеток, при этом вирусная ДНК персистирует как экстрахромосомный элемент либо интегрируется в геном клетки и реплицируется параллельно с хромосомами. Типичный пример латентной инфекции - герпетические инфекции с характерными периодическими реактивациями процесса. В случае ретровирусов латентные инфекции могут вызывать трансформацию клеток и индуцировать начало злокачественного роста.

Некоторые РНК-вирусы вызывают персистирующие инфекции, характеризуются постепенным выделением вирусных частиц, что не сопровождается гибелью клетки, иногда они протекают без клинических проявлений. В частности, вирус гепетита В способен вызывать персистирующие поражения с развитием хронического гепатита и часто опухолей печени.

Интеграция вирусной нуклеиновой кислоты с ДНК клетки имеет большой биологический смысл, который прежде всего заключается в сохранении вирусной информации в составе клеточного генома и ее передаче потомству. Вместе с тем такой механизм взаимодействия в определенной степени отражается и на эволюции клеточных организмов и вирусов, которые при выщеплении из клеточной хромосомы могут захватывать отдельные гены и переносить их в геном других организмов.

Таким образом, вирусы не способны к собственному обмену веществ. Но это вовсе не мешает их биологическому существованию. Они отлично используют обмен веществ поражённой клетки, обмен, представляющий ее собственное прирождённое свойство. В клетке хозяина вирусные нуклеиновые кислоты реплицируются, не подчиняясь клеточному расписанию, а вирусные белки синтезируются, хотя и на клеточном оборудовании, но по собственному расписанию. Более того, структурная примитивность позволяет вирусной частице годами оставаться в клетке в состоянии подавленной, латентной жизни.

Несмотря на чрезвычайно простое строение в сравнении с живой клеткой, он совершеннейшим образом использует имеющиеся в клетке условия и мобилизует в свою пользу весь её механизм. Размножение вируса может заканчиваться гибелью клетки. Но некоторые вирусы ведут себя более расчётливо. Они не убивают клетку, обеспечивающую им «хлеб и кров». А находят способ для относительно мирного с ней существования. Развивается хронический инфекционный процесс, при котором "и волки сыты и овцы целы", хотя и не вполне здоровы.

Сосуществование с вирусом не обходится бесследно для клетки. Свойства её могут драматически меняться под влиянием хозяйничающих в ней вирусных белков. В некоторых случаях заражённая клетка становится раковой.

Вирусы и рак

Вирусы вызывают рак у многих групп животных. Эти вирусы имеют фермент – обратную транскриптазу, которая синтезирует комплементарную ДНК на РНК вируса. Затем двухцепочечный фрагмент ДНК встраивается в хромосому клетки хозяина, вызывая злокачественные опухоли или лейкемии у млекопитающих, птиц и рептилий.

Изучая вирус саркомы Рауса (ретровируса, вызывающего опухоли цыплят), учёные обнаружили онкогены, которые, вмешиваясь в регуляцию жизнедеятельности клетки, вызывают рак. Онкогены присутствуют и в здоровых клетках, но, изменяясь под действием мутагенных веществ (например, сигаретного дыма), приводят к образованию злокачественных опухолей.

Помимо ретровирусов существует группа ДНК-содержащих герпесвирусов (вирусы Эпштейна – Барр), вызывающие два типа рака у человека. Эти же вирусы являются причиной инфекционного мононуклеоза.

Вирусы животных

Среди беспозвоночных вирусные болезни обнаружены только у насекомых, моллюсков. Следует, однако, иметь в виду, что насекомые - экономически важный и потому наиболее тщательно изученный класс беспозвоночных.

Известны вирусные заболевания у рыб (оспа карпа, вирусные опухоли) и амфибий (опухоль почки леопардовой лягушки). Описано много вирусных заболеваний у птиц. Некоторые из них очень важны в экономическом отношении. Онкогенные вирусные заболевания у птиц (саркомы и лейкозы) служат излюбленной моделью при изучении роли вирусов в этиологии опухолей.

Среди млекопитающих вирусные болезни обнаружены у большинства домашних и многих диких животных. У человека вирусными являются такие важные в эпидемиологическом отношении заболевания, как оспа, желтая лихорадка, полиомиелит, корь, свинка, бешенство и различные энцефалиты.

Идентифицировать вирусный агент можно по симптомам, наблюдаемым на уровне организма, ткани или клеток и в особенности по иммунологической реакции организма.

Удобной системой для индукции локальных поражений является мембрана куриного эмбриона. Суспензия вируса, нанесённая на эту мембрану, может распространяться на соседние клетки только контактным способом, образуя локальные зоны поражения типа оспин, форма которых очень характерна для данного вируса. Ещё более полезными для выявления вирусов оказались однослойные культуры клеток. Если после инокуляции вируса на слой клеток нанести смесь питательной среды с раствором затвердевающего затем агара, размножение вируса будет ограничено контактирующими друг с другом клетками, в результате чего образуются четко отделённые друг от друга бляшки, характер локальной реакции культуры зависит как от вируса, так и от клеток. Например, опухолеродные вирусы образуют в культуре не бляшки, а очаги клеточной пролиферации. Используемые клетки должны обладать чувствительностью к вирусу, которая определяется либо генетическими факторами, либо стадией развития ткани, из которой получены клетки.

Вирусы растений

У голосеменных растений, папоротников, грибов и водорослей пока обнаружено относительно немного вирусов. Напротив, цветковые растения служат хозяевами для многих типов вирусов. Вирусы растительных клеток вызывают у растений множество заболеваний. Эти вирусы попадают внутрь растительных клеток через повреждения, а не в результате активного внедрения. В естественных условиях распространение многих вирусов происходит путем прямого контакта растений или через переносчиков. Переносчиками многих вирусов служат насекомые. По ущербу, причиняемому экономически важным культурам, в том числе картофелю, свёкле, табаку, сахарному тростнику, кокосовой пальме и плодовым культурам, вирусы уступают только патогенным грибам.

Наиболее распространённым типом локальных поражений являются некротические поражения, обычно имеющие вид пятен характерной формы, вокруг которых часто образуется кольцо или ореол. Образование таких дискретных очагов поражений является результатом крайне быстрой гибели заражённых клеток, благодаря чему некротический участок остаётся локализованным, вирус далее не распространяется, и растение выживает.

Часто локальные очаги вирусной инфекции можно обнаружить и в случаях отсутствия некротических поражений. Вирусная инфекция проявляется у растений самыми разнообразными симптомами: хлороз, мозаичность, полосатость, желтуха, кольцевая пятнистость, хрупкость цветков и скручивание листьев. Некоторые вирусы растений вызывают специфические пролиферативные заболевания. Так, вирус раневой опухоли вызывает множественные опухоли в местах, где растение было травмировано.

Некоторые вирусы передаются от одного хозяина к другому только членистоногими переносчиками. Вирус попадает в организм переносчика во время питания заражённым растением, а затем переносится в чувствительную ткань растения-реципиента.