Геометрична структура вірусів

 

Важлива особливість вірусів виражається в тому, що віріон в цілому або тільки його частина має геометрично впорядковану будову (симетрією). Центральну частину віріона займає вірусна високомолекулярна нуклеїнова кислота (ДНК або РНК) - геном вірусу. Геном ізольований від зовнішнього середовища білковим капсидом, а у ряду вірусів також додатковою ліпопротеїдною суперкапсидною оболонкою.

Число морфологічних форм вірусних капсидів обмежене (рис. 10.

 

Рис.10. Геометрична структура деяких вірусів тварин.

1.Poxvirus; 2. Iridovirus; 3. Herpesvirus; 4. Adenovirus; 5. Papillomaviridae; 6. Parvovirus; 7. Paramyxovirus; 8. Orthomyxovirus; 9. Coronavirus;

10. Arenavirus; 11. Leucovirus; 12. Reovirus; 13. Picornaviridae; 14. Rhabdovirus; 15. Togaviridae;

16. Група Буньямвера

 

У 1956-57 рр. Crick і Watson розглянувши структуру найбільш простих віріонів, що складаються тільки з білку і нуклеїнової кислоти, висловили припущення, що величина молекули вірусної нуклеїнової кислоти недостатня для кодування багатьох видів білкових молекул, що утворюють білкову оболонку (капсид). Тому вони припустили, що капсид складається з однакових білкових субодиниць, упакованих у вірусному капсиді симетрично. Виходячи з цих принципів, віріонам або окремим їх компонентам можуть бути властиві два основні типи симетрії

а) Віруси із спіральною симетрією. Типовим представником є вірус тютюнової мозаїки (ВТМ). Вірусна оболонка побудована з однакових білкових субодиниць з масою 18000, що полягають кожен з 157-158 амінокислотних залишків. Спіральне укладання капсомерів уздовж осі спіралі утворює порожнину (канал), усередині якого щільно укладена нуклеїнова кислота (РНК) ВТМ, що складається з 6400 нуклеотидів (рис 12. 13).

 

Рис.12. Вірус мозаїки тютюну у поперечній і поздовжній проекції

 

 

Рис. 13. Вірус мозаїки тютюну

 

 

а) Спіральний тип симетрії характерний для багатьох вірусів рослин (вірусу мозаїки ячменю, вірусу жовтяниці цукрового буряка та ін.), людини і тварин (міксовируси), багатьох вірусів бактерій - бактеріофагів. При цьому типі симетрії білковий чохол краще захищає нуклеїнову кислоту геному, але при цьому вимагається більша кількість білку, чим у разі вірусів з кубічним типом симетрії.

б) Віруси з кубічною симетрією. У капсиді віріону розташовується нуклеїнова кислота вірусу. Найбільш “раціональною" формою капсиду (рис. 10) повинна бути така, при якій найбільший об'єм порожнини капсиду буде відповідати найменшій його поверхні, тобто найменшим витратам матеріалу, з якого побудований капсид. Серед вірусів округлої форми найбільш “вигідним" з цієї точки зору буде ікосаедр. Ікосаедр має 12 вершин і 20 граней, що являють собою рівнобедрені трикутники. Подібну форму мають багато які віруси - збудники захворювань людини (герпесу, поліомієліту, гепатитів та ін.).

Число капсомерів в оболонці є постійним і має значення в класифікації вірусів. Наприклад, віріон аденовірусів має 252 капсомера, парвовірусів - 32 капсомера, паповавірусів - 72 (рис. 13). У багатьох вірусів хребетних (як із спіральним, так і з кубічним типом симетрії) білковий капсид оточений ліпопротеїдною оболонкою, що походить від цитоплазматичної мембрани кліти ни або від мембран клітинних органел. Ця зовнішня оболонка формується при виділенні вірусу з клітини шляхом відбрунькування. Тому ліпіди вірусної оболонки в цьому випадку подібні до ліпідів клітини-господаря.

 

 

Рис. 114. Елелектронна мікрофотографія (А) і модель (Б) аденовіруса

 

Багато складних вірусів мають форму, близьку до сферичної. Зовнішня оболонка таких вірусів (суперкапсид) представлена комплексом білків мембран клітини-хазяїна і глікозованих вірусних білків-рецепторів (рис. 14).

 

Рис. 15. Модель будови вірусу гер песу і його електронна мікрофотографія

 

в) Віруси, що мають комбіновану симетрію. До таких вірусів відносяться віріони із складнішою організацією, наприклад деякі бактеріофаги, побудовані по різних типах симетрії (рис 15).

У багатьох вірусів хребетних (як із спіральним, так і з кубічним типом симетрії) білковий капсид оточений ліпопротеїдною оболонкою, похідною від цитоплазматичної мембрани клітини або від мембран клітинних органел. Ця зовнішня оболонка формується при виділенні вірусу з клітини шляхом брунькування. Тому ліпіди вірусної оболонки в цьому випадку подібні до ліпідів клітини-хазяїна. На внутрішній поверхні оболонки вірусів ряду родин є гідрофобний матриксний білок, що стабілізує оболонку.

 

Рис. 16. Електронна мікрофотографія вирусів бактерій кишкової палички - бактеріофагів Т2 и Т4

 

Структура вірусного геному

 

Віруси мають тільки один тип нуклеїнової кислоти - ДНК або РНК. Всі вірусні геноми гаплоїдні, тобто містять тільки одну копію кожного гена, за винятком ретровірусів, що мають діплоїдний геном. Форма генетичного матеріалу може бути надзвичайно різноманітною.

Геном ДНК-вмісних вірусів може бути дволанцюговим (більшість ДНК-вірусів людини і тварин) або одноланцюговим (парвовіруси, фаги М13 і (φх174).) Одноланцюгова ДНК може бути лінійною (парвовіруси) або замкненою в кільце (фаги М13 і (φх174).) Дволанцюгова ДНК може бути лінійною (вірус герпесу, бактеріофаги Т2, Т4 кишкової палички) або кільцевою (вірус гепатиту В, паповавіруси). Перевагою кільцевої структури ДНК перед лінійною є велика стійкість молекули до дії клітинних нуклеаз. Крім того, така конформація необхідна для вбудовування вірусної ДНК в ДНК клітини-господаря. Можливо, під час реплікації лінійна дволанцюгова ДНК вірусів тимчасово набуває кільцевої форми.

ДНК багатьох вірусів має специфічні особливості. Наприклад, у гепаднавірусів (до цієї родини, зокрема, відноситься вірус гепатиту В людини) один з ланцюгів ДНК дефектний - майже на третину вона одноланцюгова, у вірусів віспи обидва ланцюжки ДНК ковалентно замкнені на кінцях, у адено- і гепаднавірусів з 5'- кінцями ковалентно пов'язаний білок; лінійній ДНК вірусів герпесу притаманні послідовності, що повторюються, ДНК аденовірусів - інвертовані повтори. До складу ДНК Т-парних бактеріофагів (Т2, Т4 і т.д.) входять метильовані похідні нуклеотидів (5- оксиметилцитозин замість цитозину і ін.). У багатьох фагів Bacillus subtilis тимін в ДНК може замінятися 5- оксиметилурацилом або просто урацилом, але в поєднанні з дезоксирибозою. У молекулі вірусної ДНК ідентичні нуклеотидні послідовності зустрічаються одноразово, але на кінцях молекули є прямі або інвертовані (повернуті на 180⁰) послідовності, що повторюються. Їх присутність обумовлює здатність молекули змикаться в кільце. Ці послідовності присутні і в одно- і в двонитчастих молекулах ДНК, що є своєрідними маркерами вірусних ДНК.

Геном РНК-вмісних вірусів може бути одно- і дволанцюговим, суцільним або сегментованим, включеним в одну або розподіленим по декільках вірусних оболонках. У ортоміксовірусів (представник - вірус грипу) геном складається з 7 - 8 сегментів, у реовірусів - з 10 - 12. При цьому частіше за все кожний сегмент є унікальним і являє собою індивідуальний ген. Геном ретровірусів (представник - ВІЛ) складається з двох ідентичних ланцюгів РНК, а у Дельта вірусу гепатиту геном являє собою одноланцюгову кільцеву РНК. У зв'язку з особливостями транскрипції геному ретровірусів (переписуванні інформації з РНК геному на ДНК копію) до складу віріону ретровірусів входять ферменти РНК-залежна ДНК-полімераза (ревертаза), ендонуклеаза і протеаза. Деякі віруси рослин (мозаїки костра) мають геном, розподілений по окремих капсидах і зараження може відбутися лише при одночасному попаданні в клітину всіх фрагментів вірусного геному.

Для одноланцюгової вірусної РНК характерною є полярність. Позитивною (“+") прийнято вважати полярність РНК тих вірусів, яка виконує в зараженій клітці функцію інформаційної РНК (віруси родин Picornaviridae, Retroviridae і інш.). Віруси з негативно полярною (“-") РНК несуть в складі віріона РНК-залежну РНК-полімеразу, яка транскрибує негативну РНК в позитивну РНК-копію (іРНК). У арена- і буньявірусів частина геному має позитивну, а частина - негативну полярність. Матрична РНК вірусів з позитивною полярністю (іРНК) несе характерні структури: поліаденілові послідовності на 3'- кінці і “шапочку" (cap) на 5'-кінці, виключаючи пікорна- і каліцівіруси, що мають на 5'-кінці не “шапочку", а ковалентно пов'язаний з РНК (геномний) білок.

 

 

Вірусні білки

Білки вірусів можуть бути поділені на структурні, що входять до складу віріону, і неструктурні, що виявляються в зараженій клітині під час вірусної інфекції, але не входять до складу віріону. Неструктурні білки забезпечують внутрішньоклітинну репродукцію вірусів на різних етапах.

Структурні білки формують структуру віріону. Їх кількість типів може бути від 2 - 3 у простих вірусів до 100 і більше у складноорганізованих вірусів віспи. Капсид може містити також низку ферментів і регуляторних білків, пов'язаних у віріоні з вірусним геномом, а в зараженій клітині - нуклеїновими кислотами, що беруть участь в реплікації. Основною функцією власне капсидних білків є захист геному вірусу від зовнішнього впливу. Багато які вірусні структурні білки містять “масковану" N-кінцеву аміногрупу, представлену ацетильованим серином, тобто в цьому випадку має місце “маскування" вільної NH₂-групи шляхом її ацетилювання. “Маскування" N-кінцевої амінокислоти і заміна З-кінцевої амінокислоти на треонін мабуть є еволюційним пристосуванням, що ускладнює руйнування вірусних білків протеазами клітини-хазяїна.

Суперкапсидні білки розміщуються в ліпопротеїдній оболонці складних оболонкових вірусів. За своєю структурою ці білки подібні до білків плазматичної мембрани клітини. Звичайно білки пеплоса представлені глікопротеїдами, вуглеводні ланцюжки яких прикріплені до певних амінокислот поліпептиду. Вуглеводи захищають білковий скелет вірусної оболонки від протеаз клітини-господаря і впливають на антигенні властивості вірусних білків.

У оболонкових вірусів глікопротеїди звичайно утворюють на поверхні вірусної частки шпички, що беруть участь в адсорбції вірусу на клітинній мембрані і проникненні його в клітину. Глікопротеїди є основними антигенами, до яких утворюються вірус-нейтралізуючі антитіла. Ці білки використовують у практиці для отримання противірусних вакцин.

Неструктурні білки вивчено значно менше, ніж структурні, через складність їх очищення та ідентифікації. До неструктурних білків відносяться ферменти, що забезпечують транскрипцію і реплікацію вірусного геному, білки-регулювальникі.

Ліпіди у складних вірусів виявляються лише в складі липопротеїдної оболонки.

Багато які структурні білки віріону мають ферментативну активність, котра забезпечує адсорбцію і проникнення вірусу в клітину, транскрипцію і трансляцію вірусного геному і вивільнення зрілого вірусу з клітини. Кількість таких ферментів у різних вірусів неоднакова. Найпростіші віруси (поліомієліту, гепатиту А) взагалі не містять в складі віріону ферментів, а у вірусів групи віспи (натуральної віспи людини, віспи корів) виявлено більш півтори десятків різних ферментів. Деякі віруси людини і тварин (зокрема, що належать до родини Retroviridae - вірус імунодефіциту людини) володіють зворотньою транскриптазою - РНК-залежною ДНК-полімеразою, здатною синтезувати ДНК на матриці РНК.

У віріонах РНК-геномних вірусів, що мають мінус-РНК, є обов'язкова присутність власної РНК-полімерази, що здійснює транскрипцію віріонної РНК і синтез вірусспецифічних іРНК. Такий фермент знайдено у представників родин Orthomyxoviridae, Rhabdoviridae та ін.

Високоочищені препарати віріонів містять низку низькомолекулярних компонентів - поліамінів і, в скорочувальному чохлі відростка бактеріофагів - іони Са^2+.

 

1.7.5. Генетика вірусів та взаємодія вірусних геномів

Геном вірусів включає:

 Структурні гени, які кодують білки. Займають приблизно 95 % вірусної хромосоми. Білки вірусів можна розділити на декілька груп: структурні, ферменти, регулятори.

 Регуляторні послідовності, які не кодують білку: промотори, оператори і термінатори.

 Інші некодуючі ділянки (сайти), у тому числі:

 ділянка attP, що забезпечує інтеграцію вірусної хромосоми в хромосому клітини-хазяїна;

 ділянки cos - липкі кінцеві ділянки лінійних вірусних хромосом, що забезпечують замикання лінійної хромосоми в кольцеву форму.

Гени, що кодують рРНК і тРНК, в геномі вірусів зазвичай відсутні. Однак в еномі великого фага Т4 є гени, що кодують деякі тРНК.

 

Геном вірусів відрізняється високою щільності упаковки інформації. Напри-клад, у фага φХ174 в межах одного гена може розташовуватися ще один ген (на рисункуу кільцева ДНК представлена в лінійній формі). Зокрема, ген В знаходиться в межах гена А, а ген Е - в межах гена D:

 

У дрібного РНК фага f2 ген регуляторного білку, блокуючого лізис (дозрівання віріонів і руйнування клітини), перекривається з двома іншими генами, віддаленими один від одного:

 

 

 

Експресія (транскрипція і трансляція) вірусних генів відбувається у тому випадку, якщо геном вірусу, представлений двонитковій ДНК (у РНК- вірусів потрібний переклад інформації в ДНК). Із-за полярності ДНК транскрипція йде тільки в одному напрямі, тобто ген має початок і кінець. Тоді "праві" гени не транскрибуватимуться РНК-полімеразою, що рухається вліво, і навпаки. При цьому один і той же ген може транскрибуватися з різних промоторів; в цьому випадку експресія генів контролюється різними механізмами.

 

 

Які інші живі організми, віруси володіють спадковістю і мінливістю. Популяційну структуру вірусів і характер процесів визначать слідуючі фактори:

велика чисельність популяції;

швидка зміна поколінь (в порівнянні з життєвим циклом організмів-господарів);

гаплоїдність та безстатевий спосіб розмноження;

мала місткість геномів та відсутність генів, що повторюються;

безперервність в динаміці епідемічного процесу, так як обов¢язковою умовою зберігання в природі є передача іншим господарям.

Фактори, що спричиняють зміни вірусних геномів, подані у табл.3.

За фенотипичними ознаками мутації вірусів можна розподілити на чотири групи:

1. Мутації, що не мають фенотипичних проявів і не змінюють властивостей віруса і можуть бути виявлені лише за допомогою спеціального аналізу;

2. Мутації, які повністю порушують синтез або функції життєво важливих білків, призводять до втрати здатності до репродукції (летальні мутації); основою їх є зміни, що призводять до виникнення безглуздих кодонів або вставок - делецій;

3. Мутації з утратою здатності до синтезу певних білків з порушеннями їх функцій в визначених умовах (умовно-летальні мутації).

 

 

Таблиця 3