Принципы классификации и номенклатуры вирусов

Основа классификации – вид вируса. Большинство видов группируются в роды, а большин- ство родов – в семейства. Некоторые семейства группируются вместе в порядок.

Внутри вида существуют такие подразделения, как серотип, штамм, вариант, изолят. Их классификацией занимаются отдельные международные группы специалистов, которые принима- ют решение о выделении того или иного изолята или группы изолятов в самостоятельный вид. Изоляты, возникающие в природе естественным путем и имеющие геном, рекомбинированный из штаммов нескольких разных видов, классифицируются как виды или подвидовые сущности. Ис- кусственной созданные вирусы и вирусы-мутанты не включаются в Международную классифика- цию.

Вирусы-сателлиты (вирусы, реплицирующиеся только в присутствии вируса-помощника) и прионы (инфекционные белковые частицы) не классифицируются как вирусы. Они имеют свою условную классификацию, удобную для специалистов, работающих с ними.

В основе формирования вида лежат следующие критерии: феномены генетических взаимо- действий, антигенные свойства, спектр естественных хозяев, клеточный тропизм, патогенность и цитопатология, пути передачи и др.

Род объединяет группу видов вирусов, имеющих определенные общие признаки. Это морфо- логия вирионов (размер, тип симметрии, число капсомеров), наличие суперкапсида, физико- химические свойства (чувствительность к растворителям, рН среды, температура, различные типы излучения и др.).

Семейство объединяет группу родов, имеющих ряд наиболее постоянных общих признаков. Это тип нуклеиновой кислоты, ее структура (количество и форма цепей), стратегия вирусного ге- нома (полярность и возможность обратной транскрипции для некоторых вирусов).

После 2000 г. МКТВ объединил все вирусы, имеющие таксономический статус, в 7 порядков, 96 семейств, 22 подсемейства, 420 родов и 2618 видов.

В последнем Докладе МКТВ от 2013 г. опубликованы данные о 2 321 виде вирусов, состав- ляющих царство Virae. Из них классифицировано 2 284 вида.

 

РЕПРОДУКЦИЯ ВИРУСОВ

1. Начало инфекции (эклипс-фаза, теневая фаза):

- адсорбция вируса на клетке

- проникновение

- депротеинизация

2. Экспрессия вирусного генома:

- транскрипция

- трансляция

- репликация

3. Сборка вируса и его выход из клетки. Общим при репродукции вирусов является:

1. источником мономеров для синтеза нуклеиновых кислот служат нуклеотиды клетки;

2. источником мономеров для синтеза вирусных белков служат аминокислоты;

3. синтез белков всех вирусов проходит на клеточных рибосомах;

4. источником энергии для всех процессов при репродукции является АТФ (аденозинтри- фосфорная кислота), вырабатываемая митохондриями клетки;

5. дисънктивный способ размножения (разобщенный во времени и пространстве), так, нук- леиновая кислота вируса может реплицироваться в ядре, вирусный белок в цитоплазме, а сборка вируса – на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны. Суперкапсид приобретается почкованием;

6. репликация нуклеиновых кислот может осуществляться как клеточными ферментами (ДНК-полимеразы и РНК-синтетазы), так и вирусными;

7. репликация молекул нуклеиновых кислот идет по закону комплементарности.

1. Начало инфекции (эклипс-фаза, теневая фаза)

Адсорбция – случайное столкновение вируса с клеткой-хозяином и прикрепление к ее по- верхности. Это специфическое связывание вируса (белка-прикрепления, адресного белка) с кле- точными рецепторами, вирус должен «узнать» соответствующие субстанции на поверхности клет- ки. Химическая природа прикрепительных структур у простых вирусов белковая, а у сложных – углеводной или липидной. При связывании вируса со специфическими рецепторами возникает не- обратимые изменения в структуре вириона. Сначала связывание вируса происходит с одним ре- цептором клетки - обратимая адсорбция. Такое взаимодействие может оказаться обратимым, то- гда вирусная частица десорбируется с клеточной мембраны. Этому могут способствовать такие факторы, как специфические противовирусные антитела, изменение температуры, рН среды и т.д. За счет текучести липопротеиновой оболочки и комплементарности белков оболочки вируса и клеточных рецепторов другие рецепторы (до 3 тыс.) мигрируют в место связывания (вирус соеди- няется с большим количеством рецепторов), наступает 2-я фаза адсорбции - необратимая.

Проникновение вируса в клетку происходит после его адсорбции. Действует два механизма:

1. Рецепторный эндоцитоз или виропексис, характерный для большинства вирусов;

2. Слияние вирусной и клеточной мембран.

Проникновение вируса по механизму эндоцитоза происходит в специализированных участ- ках мембраны, так называемых «ямках», на дне которых находятся специальные структуры, вы- стланные рецепторами и особым белком клатрином и узнаваемые прикрепительными белками вирионов. Вирус присоединяется к рецепторам, ямка углубляется (инвагинация), образуется ваку- оль, покрытая клатрином, содержащая вирус. За 1 минуту образуется более 2000 вакуолей. В со- ставе вакуоли вирус перемещается по клетке в любом направлении и может попадать в лизосомы (реовирусы) и ядро (ядерные вирусы).

Слияние вирусной и клеточной мембран. У оболочечных вирусов осуществляется соедине- нием вирусного белка-слияния суперкапсида с липидами клеточной мембраны. В клетку попадает нуклеокапсид вируса. У безоболочечных вирусов с липидами клеточной мембраной взаимодейст- вует один из поверхностных белков и в клетку проникает только нуклеиновая кислота. Поэтому у вирусов, проникающих в клетку слиянием мембран, одновременно с проникновением происходит и депротеинизация.

Депротеинизация - удаление вирусной белковой защитной оболочки (липопротеиновой у сложных вирусов и капсидной у простых) и освобождении внутреннего компонента вируса, спо- собного вызывать инфекционный процесс. Вирус должен подготовить свою нуклеиновую кисло- ту, чтобы с неё была считана закодированная информация. Конечным продуктом раздевания яв- ляется сердцевина (нуклеоид, нуклеокапсид или нуклеиновая кислота) вируса. Нуклеиновая ки- слота остается связанной с одним из внутренних вирусных белков. Например, конечный продукт депротеинизации пикорнавирусов – РНК, вируса полиномы и аденовирусов – ДНК, ковалентно связанные с одним из внутренних вирусных белков.

Раздевание происходит в лизосомах, Аппарате Гольджи, околоядерном пространстве т.д. У

вирусов, проникающих слиянием мембран, депротеинизация происходит совместно с проникно- вением. Вирусы «раздеваются» стадийно, сначала образуются субвирусные частицы, а затем они образуют комплекс с белком. Вирус оспы «раздевается» в две стадии: 1. участвуют клеточные ферменты, лизосомы, удаляющие наружное покрытие до нуклеоида. 2. участвует специальный вирусный «раздевающий белок», который синтезируется в клетке уже после заражения.

Экспрессия вирусного генома

Транскрипция – «переписывание» информации с геномной нуклеиновый кислоты на иРНК по законам генетического кода.

У ДНК-содержащих вирусов процессы проходят как в клетке: ДНК ^{_ транскрипция _} иРНК

^{_ трансляция _} белок. Информация переписывается на иРНК, а каждая из цепей молекулы ДНК может служить матрицей для синтеза. При этом транскрипция может происходить в ядре или в цито- плазме клетки.

ДНК-содержащие вирусы, размножающиеся в ядре (папова-, аденовирусы и вирусы герпе- са), используют ферменты клетки – транскриптазу или ДНК-зависимую РНК-полимеразу. После их раздевания в клетке ДНК-геном вируса проникает в ядро, встраивается в геном клетки и РНК- полимераза клетки инициирует транскрипцию иРНК.

ДНК-вирусы, размножающиеся в цитоплазме (поксвирусы, иридовирусы) имеют собствен- ный структурный белок, выполняющий функцию транскриптазы, поскольку в цитоплазме отсут- ствуют клеточные ферменты, способные осуществлять эту функцию.

Для размножения одноцепочечных ДНК-вирусов сначала синтезируется вторая цепь, а затем процесс идет аналогично: ДНК ^{_ транскрипция _} иРНК ^{_ трансляция _} белок. У таких вирусов (парвовирусы) транскрипция происходит в ядре. Сначала на матрице вирусной ДНК при участии клеточной ДНК-зависимой ДНК-полимеразы синтезируется комплементарная молекула ДНК. Формируется двуспиральная молекула ДНК, которая после замыкания в кольцо интегрируется в клеточный ге- ном и ее транскрипцию в иРНК осуществляет клеточная ДНК-зависимая РНК-полимераза.

Регуляция транскрипции у некоторых вирусов, в основном ДНК-геномных, происходит сле- дующим способом. Существует три периода транскрипции: сверхранний, ранний и поздний. Сна- чала осуществляется транскрипция сверхранних и ранних генов (кодируют неструктурные белки, выполняющие роль ферментов) с образованием сверхранних иРНК для последующей трансляции так называемых α-белков. В свою очередь α-белки необходимы в качестве ферментов для ранней транскрипции, в процессе которой считываются ранние гены, кодирующие β-белки, которые ини- циируют транскрипцию группы поздних генов, кодирующих γ-белки (структурные белки). Такой тип регуляции называется каскадным. Количество поздних генов обычно превышает количество ранних. Обычно при поздней транскрипции считывается весь геном, но с преобладанием транс- крипции поздних генов. Такой путь регуляции транскрипции характерен для покс-, герпес-, па- пиллома- и полиомавирусов, аденовирусов, иридовирусов.

У РНК-вирусов (+)РНК с позитивным геномом (пикорна-, тога- и коронавирусы) процесс транскрипции отсутствует, т.к. РНК выполняет функцию иРНК - генома: (+)РНК ^{_ трансляция_} белок.

У вирусов с (-) РНК негативным геномом (двухцепочечные: рео-, одноцепочечные: орто- миксо-, парамиксо-, рабдо- и буньявирусы) собственный геном не может выполнять функции иРНК, поэтому вирусная РНК служит матрицей, на которой синтезируется комплементарная иРНК. У таких вирусов транскрипция выделена как самостоятельный процесс в инфекционном цикле: (-)РНК ^{_ транскрипция _} (+) РНК ^{_ трансляция _} белок. Вирус должен иметь в своем составе фермент РНК-зависимую РНК-полимеразу (транскриптазу), т.к. в клетке ее аналога нет.

Семейство РНК-содержащих ретровирусов содержит геном, представленный двумя от- дельными молекулами РНК, так называемый димерный геном. Эти вирусы включают в себя об- ратный синтез (процесс обратной транскрипции). После «раздевания» вирусы проникают в ядро клетки в виде РНК-генома, связанного со структурным белком вируса. Данный белок выполняет уникальную функцию фермента, который инициирует «переписывание» информации (обратная транскрипция) с РНК вируса на комплементарную молекулу ДНК. Фермент - обратная транскрип- таза (РНК-зависимая ДНК-полимераза, ревертаза) находится в составе вириона. Синтезированная ДНК встраивается (интегрируется) в ДНК клетки и при участии клеточной ДНК-зависимой РНК- полимеразы «переписывается» на РНК, которая обладает функцией иРНК: РНК ^{_ обратная транскрипция _}

ДНК+ геном клетки _ транскрипция _ иРНК _трансляция_ белок.

У РНК-вирусов синтез транскриптов строго контролируется в отношении как количества ка- ждого класса транскриптов, так и периода инфекции, когда определенные транскрипты синтези- руются с максимальной скоростью. Синтезированные иРНК транспортируются к рибосомам.

Транскрипция может быть первичной (осуществляется с нуклеиновой кислоты, только про- никнувшей в клетку) и вторичной (осуществляется на вновь синтезированных нуклеиновых ки- слотах).

Трансляция - перевод генетической информации, содержащейся в иРНК в виде нуклеотид- ной последовательности в последовательность аминокислот, из которых синтезируется белок. Ви- рус использует белоксинтезирующий аппарат клетки. Синтез белка в клетке происходит на рибо- сомах, где идет слияние потока информации (иРНК) с потоком аминокислот, которые приносят транспортные РНК (тРНК). Для каждой аминокислоты должна быть своя тРНК. В клетке сущест- вует большое количество тРНК, молекулы которых представляют собой односпиральные РНК со сложной структурой, петли которой напоминают лист клевера. В одно из петель молекулы тРНК находится триплет нуклеотидов – антикодон, комплементарный определенному кодону иРНК. Молекула тРНК «узнает» определенную аминокислоту и связывается с ней с помощью клеточного фермента – аминоацил-тРНК-синтетазы с образованием аминоацил-тРНК.

Три нуклеотида на иРНК кодируют одну аминокислоту и называются триплетом или кодо- ном, а комплементарные им три нуклеотида на тРНК – антикодоном.

Трансляция проходит три этапа: инициация (узнавание), элонгация (удлинения) и термина- ция (окончание трансляции).

Инициация – наиболее ответственный этап, основанный на узнавании рибосомой вирусной иРНК, за счет нескольких вирусных молекул белка, так называемые инициаторные факторы. Инициации предшествует формирование инициирующего комплекса, состоящего из малой и большой субъединиц рибосомы, аминоацил-тРНК и белковых факторов инициации.

Инициация «запускается» специфической последовательностью на 5'-конце иРНК, содержа- щей кэп-структуру (кэп - шапочка) – триплет, кодирующий метионин. Эту последовательность уз- нает малая субъединица рибосомы и связывается с ней, а аминоацил-тРНК одновременно связыва- ется с обеими субъединицами рибосомы. Большая рибосомальная субъединица «протягивает» че- рез себя иРНК и перемещается к ее 3'-концу, пока не достигнет инициаторного кодона.

Происходит слияние потока информации с потоком аминокислот, т.е. кодон (триплет), нахо- дящийся в малой рибосомальной субъединице узнает антикодон, находящийся в большой субъе- динице.

Элонгация – происходит наращивание полипептидной цепи, вследствие присоединения но- вых аминокислот. иРНК протягивается через рибосому и на ней кодируются аминокислоты. Про- исходит присоединение новых аминокислот к растущей полипептидной цепи.

Терминация – прекращение трансляции и полипептидная цепь освобождается из рибосомы, при этом рибосома распадается на субъединицы, которые затем могут войти в состав новых рибо- сом, транслирующих другую (или ту же) иРНК. Элонгация продолжается до тех пор, пока рибосо- ма не достигнет терминального кодона в составе иРНК. Каждая иРНК связана одновременно с не- сколькими транслирующими рибосомами, образуя структуру, которая называется полисомой (по- лирибосомой). Такие структуру могут быть свободными или связанными с мембраной. Полисомы могут состоять из 4 – 6 или 20 и более рибосом.

Существует два пути формирования вирусных белков:

1. Синтез гигантского полипептид-предшественника, который затем нарезается на отдельные активные белки. Полипептид сползает в виде непрерывной ленты с рибосомного «конвейера» и нарезается на белки нужного размера за счет вирусных и клеточных протеаз. Такой путь реализу- ют (+)РНК-вирусы с позитивным геномом (пикорна- и тогавирусы).

2. Синтез отдельных зрелых белков – характерен для ДНК-вирусов и большинства РНК- вирусов.

Функционально зрелые белки часто не идентичны их вновь синтезированным предшествен- никам. К посттрансляционным модификациям относятся гликозилирование, ацилирование, мети- лирование, сульфирование, фосфорилирование, протеолитическое нарезание.

Репликация – удвоение, синтез молекулы нуклеиновой кислоты идентичной геному. Репликация двухцепочечных ДНК-вирусов идет как и клеточных. После расплетения молеку-

лы на две нити каждая становится матрицей для синтеза новых дочерних цепей. Синтез идет одно- временно на обеих нитях от 5'-конца к 3'-концу при участии белка с ферментативной активностью репликазы (ДНК-полимеразы). Каждая вновь синтезированная молекула ДНК состоит из одной родительской и одной вновь синтезированной дочерней нити.

При репликации вирусной одноцепочечной ДНК сначала синтезируется вторая цепь, приво- дящая к образованию двуспиральных форм, состоящих из плюс- и минус-цепей - промежуточные репликативные формы. В дальнейшем на минус-цепях синтезируются дочерние плюс-нити ДНК.

При репликации одноцепочечных РНК сначала происходит синтез комплементарной РНК (репликативная форма РНК), а потом уже комплементарная ей (идентичная исходной РНК). В клетках нет собственных ферментов, способных осуществлять репликацию РНК-генома. Эту роль выполняют вирусоспецифические белки с функциональной активностью репликаз.

При репликации двухцепочечных РНК образуются также комплементарные формы, являю- щиеся матрицей для последующих цепей. На минус-нити синтезируются односпиральная плюс- РНК, которая сначала выполняет функцию иРНК, за затем служат матрицей для синтеза компле- ментарной плюс-РНК. В результате этого образуются двуспиральные дочерние молекулы вирус- ной РНК.

Репликация одноцепочечной РНК ретровирусов, представляющая собой димер из двух от- дельных плюс-РНК, происходит с участием вирусоспецифического фермента – обратной транс- криптазы (ревертазы). Вначале в ядре клетки на одной молекуле РНК синтезируется комплемен- тарная ей минус-нить ДНК, а затем (после разрушения РНК) – комплементарная ей плюс-нить ДНК. Двунитевая ДНК интегрируется в хромосому клетки. Вирусная ДНК, встроенная в клеточ- ный геном, транскрибируется с образованием вирусной РНК, которая вначале выполняет функции иРНК, направляя синтез вирусоспецифических белков, а затем две такие молекулы ассоциируются с белками (сборка), формируя новое поколение вирионов.

3. Сборка вируса и его выход из клетки

Синтез вирусных компонентов в клетке разобщён и может протекать в различных структурах ядра или цитоплазмы. После накопления определенного состава частиц вирус начинает собираться («одеваться»). Установлено, что при епродукции многих вирусов их компонентов синтезируется значительно больше, чем необходимо для формирования зрелых вирионов. Чтобы собралась ви- русная частица, компоненты вируса должны узнавать друг друга и отличаться от клеточных.

В основе самосборки лежат два взаимодействия: специальное белок-нуклеиновое и белок- белковое. Белок-нуклеиновое взаимодействие заключается в том, что белок распознаёт небольшой участок на молекуле нуклеиновой кислоты и связывается с ним. Затем к этому белку присоединя- ются другие вирусные белки - белок-белковое взаимодействие.

У простых вирусов сначала формируются провирионы (предшественники), которые после модификации белков превращаются в зрелые вирионы.

Сборка сложных вирусов осуществляется многоступенчато: сначала формируются нуклео- капсиды (сердцевины) и уже с ними контактирует белки суперкапсидных оболочек.

Сборка нуклеокапсидов, провирионов осуществляется на «вирусных фабриках». Образова- ние суперкапсида происходит за счет захвата вирусом при почковании части оболочки клетки (ядерной или цитоплазматической). За исключением вируса оспы. У него суперкапсид не приобре- тается из клетки, а синтезируется вновь самим вирусом.

Выход вирусных частиц осуществляется двумя путями:

1. Почкование – захват вирусом части оболочки – оболочечные вирусы. Процесс освобожде- ния вирусов из клеток может продолжаться очень долго, клетки живут, делятся и продуцируют новое вирусное потомство. Во время этого процесса вирион дозревает, приобретая суперкапсид.

2. Взрывной путь – клетки быстро погибают, а в окружающей среде накапливаются сотни и тысячи новых вирусных частиц - безоболочечные вирусы.

Выпадение любого из указанных этапов приводит к нарушению нормального цикла и влечет за собой либо полное подавление размножения вирусов, либо появление неполноценного потом- ства. Что и используется для борьбы с вирусными заболеваниями (противовирусные препараты).

ГЕНЕТИКА ВИРУСОВ

1. Структурная организация вирусного генома.

2. Наследственность и изменчивость вирусов.

3. Генетические и негенетические взаимодействия вирусов.

4. Механизмы репарации (восстановления) вирусов.