Размножение вирусов

Для того чтобы вирусы могли размножаться, они должны внедриться в клетки-мишени хозяина. Одни вирусы имеют широкий спектр хозяев, другие имеют тропизм лишь к клеткам определенного типа. Вначале инфекции вирус вводит в клетку генетический материал (РНК или ДНК). Способность вирусов к размножению и судьба будущих клеток зависят от синтеза и функции вирусных генов и белков.

Для репликации вируса наличие собственных вирусных белков бывают недостаточным и в большей или меньшей степени они используют белки клетки-хозяина. Через несколько часов после заражения, в клетке обнаруживается лишь часть родительских вирусов. Эту фазу называют эклипсная. В это время геном вируса взаимодействует с хозяйским геномом или вирусным аппаратом для экспрессии. Затем следует несколько жизненноважных этапов и начинает накапливаться внутри клетки вирусное потомство. Это фаза созревания.

Жизненный цикл вирусов включает несколько обязательных этапов:

1. Адсорбция на клетке-мишени. Это первый необходимый этап, когда вирус через рецепторы (гликопротеины) распознает клетки-мишени по их рецепторам (например, для нервной ткани - N-ацетилнейраминовая кислота и др.). Происходит адсорбция вируса на клетках тканей или органов, этот процесс является пусковым механизмом в реализации дальнейших проявлений, иначе вирус проникнуть в клетку не может. Связывание требует определенной концентрации ионов в среде - для уменьшения процесса электростатического отталкивания. Когда проникновение вируса в клетку не происходит, то вирус отделяется от клетки и вновь адсорбируется на другой клетке-мишени с соответствующими рецепторами.

Оригинальной является адсорбция на клетке вируса гриппа. Белок НА - как главный вирусный антиген, имеет на N-конце сигнальный пептид из 16 гидрофобных аминокислот. Молекула НА заякоривается в мембране клетки карбоксильным концом НА2 (221 остаток), при этом гидрофильные остатки с 185-го по 211-ый пронизывают липидный бислой клетки, а последние 10 остатков выступают в цитоплазму.

Каждый мономер НА, содержащий сцепленные субъединицы НА1 и НА2, образуют структуру, состоящую из «стебля» (диаметр 0,08 мкм), на одном конце которого находится большая глобулярная структура диаметром 0,04 мкм, а у заякоренного в мембрану конца – глобула диаметром 0,01 мкм. В этой глобуле расположен N-конец НА1. В результате таких модификаций вирусная оболочка сливается с мембраной клетки и происходит снятие ее, а «голый» вирус проникает в клетку.

2. Проникновение вируса. Этот процесс является зависимым от энергии и происходит практически мгновенно после прикрепления вириона к рецепторам клетки в результате одного из трех явлений: перемещения всего вируса через мембрану, пиноцитоза вирусных частиц, слияния вирусной оболочки с цитоплазматической мембраной. Вирусы без оболочки проникают с помощью первых двух механизмов.

При слиянии вирусной оболочки с цитоплазматической мембраной клетки внутренние структуры вириона проникают в клетку (цитоплазму), а оболочка остается на поверхности клетки-хозяина.

Другой путь - проникновение вирусных частиц посредством рецепторного пиноцитоза (виропексии). При этом происходит образование вакуоли (эндосомы), которая сливается с лизосомой. Также сливаются липидные слои суперкапсида и мембраны лизосомы, благодаря чему нуклеокапсид проникает в цитоплазму, где и происходит его дальнейшее «раздевание».

Раздевание – это общепринятый термин для событий, когда вирусный геном получает возможность экспрессировать свои функции – наступает процесс депротеинизации генома. Клеточные ферменты дезагрегируют капсид до ДНК или ДНК-белки. При реовирусной инфекции в них удаляется только часть капсида, но геном экспрессирует свои функции. Для поксвирусов стадии делится на две: на первой стадии ферменты хозяина удаляют наружное покрытие, на второй - ДНК освобождается из сердцевины.

3. Синтез вирусных частиц. Транскрипция - важное событие из ранних циклов вируса с негативным РНК-геномом. На втором месте стоит другой процесс- репликация генома. До тех пор, когда концентрация новосинтезируемых белков, считанных с мРНК, не станет критической величиной, аппарат синтеза РНК будет работать на транскрипцию. Когда нуклеокапсидные белки свяжутся с мРНК, произойдет переключение синтеза на репликацию. Она приводит к сборке новых нуклеокапсидов.

В ходе размножения вируса в клетке необходимыми являются следующие этапы:

а) Организация вирусных геномов и их кодирующих функций,

б) Экспрессия вирусных генов,

в) Репликация вирусных геномов,

г) Сборка и созревание новых вирионов.

Общим положением является: клеточную транскриптазу для синтеза вирусной мРНК могут использовать только ДНК-содержащие вирусы, проникающие в ядро, другие вирусы вынуждены создавать собственные ферменты для синтеза мРНК.

Вирусы с одноцепочечной РНК по механизму размножения в клетке можно поделить на три группы: в первую входят РНК, геном которых выполняет две функции, например, как мРНК (позитивный геном).

Первая группа. Вирусы с одноцепочечной РНК (позитивный геном). Перенос генома в цитоплазму открывает путь для ранних биохимических процессов. Вирионные РНК должны раздеваться при низких значениях рН, когда нуклеокапсид сжимается в диаметре на 15 %, что и обеспечивает раздевание РНК. Освободившись от капсида, вирионная РНК далее функционирует как обычная мРНК. Наиболее вероятное место инициации трансляции кодон AUC, который расположен через 59 нуклеотидов от 5΄- концевого 7΄- метилгуанинового кэпа. Кэп или «шапочка» – это особый участок на 5^΄- конце мРНК, состоящий из метилированного гуанина и 10-13 прилежащих нуклеотидов. Он необходим для распознования мРНК рибосомой. Трансляция происходит непрерывно с образованием 4 неструктурных полипептидов. Стабильные полипептиды, кодируемые вирусом, катализируют репликацию и трансляцию, протекающую на мембране хозяйской клетки. На 3΄ - полиаденилированном участке РНК начинается синтез новой вирионной РНК. Полимеризация при помощи РНК-зависимой РНК-полимеразы дает полноразмерную минус-нить РНК. Она служит матрицей для синтеза двух транскриптов. В результате инициации на 3`-конце минус-цепи РНК полимеризации, образуются новые полноразмерные плюс-РНК.

Вторая группа. Ее составляют РНК-содержащие вирусы одноцепочечные (негативный геном). Механизм транскрипции этой группы достаточно уникален. Транскрипция вириона с негативным РНК-геномом осуществляется вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразой. Она использует кэпированный и метиллированный 5΄-конец клеточной мРНК, которая и синтезируется клеточным ферментом РНК-полимеразой 2. РНК-полимераза 2 выполняет роль затравки для синтеза РНК. Первая стадия - гидролиз вирусной эндонуклеазой донорной мРНК. Следующая стадия - это осуществление вирусной транскриптазой присоединения к «затравке» гуанилового остатка. Она спаривается с предпоследним цитидиловым остатком вирионной РНК. Последующая элонгация транскриптата осуществляется транскриптазой вируса. Репликацию осуществляют вирусспецифические белки. Они отсутствовали вначале транскрипции. Репликация ведет к сборке новых нуклеокапсидов, истощающих этот пул белков и тогда происходит переключение репликации на трансляцию. Продуктом репликации является создание комплементарной копии всех сегментов генома вируса. Эти копии служат матрицей для получения точных копий генома.

Третья группа. РНК-содержащие вирусы с монолитным геномом, имеют диплойдную структуру. На РНК-матрицах очищенный фермент синтезирует одноцепочечную ДНК или комплементарную кДНК - это минус-цепь. Синтез минус цепи проходит справа налево - относительно РНК. В синтезе плюс-цепи ДНК затравкой является вирусная РНК. Одна копия ДНК вируса интегрирована с ДНК клетки. Провирус реплицируется и только тогда передается дочерним клеткам. Свободные линейные провирусы ДНК – это предшественники интегрированных провирусов. Часть линейных свободных молекул вирусной ДНК может превращаться в ядрах в ковалентно замкнутые кольца, количество которых нарастает до 100 копий. Вирусная РНК связывается с интегрированным провирусом и транскрибируется РНК-полимеразой-2 хозяина. Первичным продуктом транскрипции провируса, является РНК полноразмерная. Около половины полноразмерной РНК упаковывается в вирионы.

Вирусы, содержащие двухцепочечную РНК. Геном реовируса транскрибируется внутри частично раздетого капсида вирионной полимеразой, через его открытую вершину выходят 10 мРНК-плюс транскриптазы 10-ти генов. Молекулы мРНК транслируются, обеспечивая синтез вирусных белков, и включаются по 1 молекуле мРНК каждого из 10 генов в состав частиц-предшественников. Каждая мРНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи, что ведет к образованию двухцепочечных сегментов генома.

Геномные ДНК- содержащие вирусы делятся на 4 группы.

1). Геномы папова-, адено- и герпесвирусов транскрибируются и реплицируется в ядре клетки-хозяина. После проникновения в клетку капсиды транспортируются к порам ядерной мембраны, затем под влиянием вирусных факторов вирусные ДНК выходят в нуклеоплазму и накапливаются в ядре клетки. При этом вирусы используют мРНК и ферменты клетки-хозяина. Первыми экспрессируются a-белки, затем b-белки и после g-белки. мРНК образуется из a-22 и a-47. Транскрипция ДНК осуществляется РНК-полимеразой. ДНК реплицируется по механизму катящегося кольца. Из белка g -5 образуется капсид.

2). Вторую группу составляют поксвирусы. Начальные события происходят в среде цитоплазмы, где нуклеотиды высвобождаются и инициируют транскрипцию. Через четыре пять минут появляется мРНК. При раннем синтезе образуются 70 белков, ДНК-полимераза. На ранних стадиях ДНК-полимераза расщепляет двухцепочечную ДНК. Для ее репликации используются вирусные белки. Репликация начинается на двух концах генома, где вначале происходит расщепление и расплетение цепей на мелкие фрагменты ДНК. ДНК-полимераза заполняет промежутки по принципу репарации ДНК.

3). Третью группу составляют парвовирусы. Репликация ДНК проходит в ядре клетки-хозяина и зависит от клеточных функций. ДНК сворачивается в шпилечную структуру и она является затравкой. Первые 125 пар оснований проходят с родительской цепи на дочернюю и этот фрагмент служит матрицей. Расщепление цепи приводит к инверсии и появлению 2-х типов концевых последовательностей. ДНК образует одноцепочечное кольцо и далее может синтезироваться популяция ДНК-цепей, комплементарных одноцепочечной геномной ДНК. Для синтеза необходима клеточная ДНК-полимераза. Происходит транскрипция генома вируса.

4). Эту группу составляет вирус гепатита В. Кольцевые вирусные ДНК функционируют как матрицы для синтеза вирусной мРНК и плюс-цепи РНК, которая служит матрицей для синтеза минус-цепи ДНК. Плюс-цепь РНК, новосинтезированная вирусная ДНК-полимераза (обратная транскриптаза) и блок затравки для синтеза минус-цепи ДНК собираются вместе в комплекс с полипептидом сердцевины вируса и образуют нуклеокапсид вириона. Внутри нуклеокапсида синтезируется минус-цепь вирусной ДНК. На матрице минус-цепи ДНК в кольцевой конформации синтезируется плюс-цепь ДНК и частицы собираются в вирион.

Трансляция белков. Ранние вирусные мРНК вскоре после их синтеза транслируются на клеточных рибосомах. Количество ранних белков разных вирусов неоднозначно. Ранние белки - это вирусные полимеразы, матричные протеины, регулярные белки, структурные белки полипептидов. Ранние и поздние белки - это удобные термины, их нельзя понимать буквально. Многие ранние белки синтезируются и на более поздних стадиях (мРНК), и часть структурных белков- Iva2 и IX синтезируются в ранней стадии и т.д. Ранние белки - необходимая стадия данной реакции.

Регуляторные белки запускают репликацию вирусных геномов, вирусспецифические полимеразы участвуют в образовании молекул ДНК дочерних популяций, матричные белки служат для репликации нуклеиновой кислоты или регуляции относительного количества различных транскриптов.

Поздние вирусные белки синтезируются, примерно, через 17-20 ч после заражения клеток хозяина. Большинство вирусных белков представляют структурные белки вириона или их предшественники. Продолжают синтезироваться и некоторые ранние белки, например, ранний неструктурный ДНК-связывающий белок. Другие белки, которые участвуют в этапах сборки, синтезируются как поздние белки.

Сборка, созревание и выход вириона из клетки. Сборка и выход новых вирионов у разных вирусов происходит

по нескольким путям: это может быть путь отпочковывания (клетка остается жизнеспособной), или выход через аппарат Гольджи или выход с лизисом клетки.

Например, Тогавирусы (РНК-позитивный геном). По мере продвижения белков через аппарат Гольджи происходит модификация их, в том числе гликопротеинов. Наблюдается 25-мин лаг-фаза между окончанием синтеза гликопротеина и появлением его на мембране клетки-хозяина. При воссоединении трех структур (бислоя липидов, гликопротеновых полимеров и нуклеокапсида) образуется вирион.

Это происходит на мембране клетки-хозяина.

Нуклеокапсиды образуются в цитоплазме при связывании плюс-цепи 49s-РНК с капсидными полипептидами. Белок нуклеокапсида имеет на карбоксильном конце домен, который связывается с цитоплазматическим доменом. Это запускает процесс почкования. К этому времени гликопротеины собрались на поверхности клетки. Нуклеокапсиды узнают скопления гликопротеинов и связываются с ними. Это запускает механизм обволакивания мембраны вокруг сферических нуклеокапсидов. Достраивание мембраны, обволакивающей нуклеокапсид, приводит к освобождению вириона путем отпочковывания от клетки.

Дата добавления: 2014-01-20