19.3A: Віруси

Віруси - облігатні внутрішньоклітинні паразити. Ймовірно, в природі немає клітин, які рятуються від зараження одним або декількома видами вірусів. Віруси, що заражають бактерії, називаються бактеріофагами. Поза клітини вони складаються з частинок, званих віріонами.

Малюнок 19.3.1.1 Поліовірус

Віріони варіюються за розміром від настільки ж малого, як показаний вище поліовірус збільшений приблизно в 450 000 разів (люб'язно люб'язно А.Р. Тейлора), який становить 30 нм в діаметрі (приблизно розмір рибосоми) до такого ж великого, як Pithovirus sibericum - вірус, що заражає амебу, який на 1500 нм більше, ніж багато бактерії.

• Віріон складається з
  • Зовнішня оболонка, капсид, виготовлена з білка. Капсид відповідає за
    • захист вмісту ядра
    • встановлення того, яку клітину може прикріпити віріон до зараження цієї клітини
    Деякі капсиди містять інші інгредієнти (наприклад, ліпіди, вуглеводи), але вони походять з їх клітин господаря.
  • внутрішнє ядро, що містить
    • геном; або ДНК, або РНК Генів мало (3—100 залежно від виду). Вони кодують ті білки, необхідні для вірусного розмноження, які клітина-господар не постачатиме.
    • Часто один або кілька білків (ферментів) необхідні для запуску процесу розмноження всередині клітини-господаря.

Життєвий цикл

• Віріон прикріплюється до поверхні клітини-господаря - зазвичай зв'язується з певною молекулою поверхні клітини, що пояснює специфіку інфекції. Приклад: ВІЛ-1, причина СНІДу, зв'язується з хемокінним рецептором CCR5, виявленим на лімфоцитах і макрофагах людини.
• Потрапивши всередину клітини, віріони не покриваються.
• Вірусні гени починають експресуватися, що призводить до синтезу білків, необхідних для
  • реплікація генома
  • синтез нових білків, щоб зробити нові капсиди і ядра.
• Деталі цих процесів відрізняються для різних типів вірусів і описані нижче для кожного типу.

вірусні геноми

Або ДНК, або РНК, ніколи обидва.

ДНК-віруси можна додатково розділити на

• ті, які мають свої гени на двоцепочечной молекулі ДНК (dsDNA). Приклад: віспа
• ті, які мають свої гени на молекулі одноцепочечной ДНК (SSDNA). Приклад: Аденоасоційований вірус (AAV)

РНК-віруси зустрічаються в чотирьох різних групах:

1. Ті, у кого геном, який складається з одножильної антисенсової РНК; тобто РНК, яка є доповненням сенсу повідомлення. Це ще називають негативно-багатожильною РНК. Приклади: кір, Ебола
2. Ті, у кого геном, який складається з одноланцюгової чуттєвої РНК; тобто РНК має сенс повідомлення (може виступати в ролі месенджерної РНК - мРНК). Це ще називають позитивно-багатожильною РНК. Приклади: поліовірус
3. Ті, у кого геном, зроблений з декількох шматочків двожильної РНК. Приклад: реовірус.
4. Ретровіруси. Їх РНК (також однониткові) копіюється зворотною транскриптазою в геном ДНК всередині клітини-господаря. Приклад: ВІЛ-1

ДНК-віруси

Геном - це молекула двоцепочечной ДНК

Приклади:

• віспа (variola)
• вакцинія (використовується для імунізації проти віспи, поки хвороба не була ліквідована з планети)
• вітряна віспа (викликає вітряну віспу з першого разу; оперізуючий лишай у другий)
• герпесвіруси
  • віруси простого герпесу
    • ВПГ-1 - зазвичай заражає трійчасті нерви, періодично викликаючи «герпес» на губах і обличчі
    • ВПГ-2 - зазвичай заражає статеві органи
  • КШВ; викликає саркому Капоші у хворих на СНІД та інших людей з пригніченою імунною системою. Також називають вірусом герпесу людини 8 (HHV-8).
  • цитомегаловірус людини (HCMV); у більшості з нас він є; може викликати сліпоту - навіть смерть - у людей з пригніченою імунною системою.
  • Вірус Епштейна-Барра (EBV); викликає мононуклеоз і був причетний до розвитку лімфоми Беркітта (рак) та хвороби Ходжкіна. Його геном був повністю секвенований: 172 282 пари основ ДНК, що кодують 80 генів.
• аденовіруси; близько 50 різних штамів заражають людину; відповідальні за деякі випадки звичайної «застуди». Два штами були модифіковані, щоб служити векторами у випробуваннях генної терапії.
• віруси папіломи; кілька десятків типів заражають людину, і два з них, ВПЛ-16 і ВПЛ-18, можуть викликати рак.
• SV40; вірус, який заражає клітини приматів і викликає пухлини в клітині гризунів.
• деякі бактеріофаги
  • Т2 і Т4; з яких було вивчено багато ранньої інформації про структуру та експресію генів.
  • лямбда; популярний вектор

Малюнок 19.3.1.2 Інфекційний цикл бактеріофагів ДНК

Істотні елементи інфекційного циклу ДНК-бактеріофагів складаються з:

• Віріони прикріплюються до поверхні клітини-господаря (а).
• Білки капсида впорскують ядро ДНК в клітину (б).
• Потрапивши в клітину, деякі гени бактеріофагів («ранні» гени) транскрибуються (РНК-полімеразою господаря) і перекладені (рибосомами господаря, тРНК тощо) для отримання ферментів, які зроблять багато копій ДНК фагів і вимкнуть (навіть знищать) ДНК господаря.
• У міру накопичення свіжих копій ДНК фагів інші гени («пізні» гени) транскрибуються та трансформуються з утворенням білків капсиду (c).
• Запаси ядер ДНК і капсидних білків зібрані в повні віріони (d).
• Ще один «пізній» ген транскрибується і переводиться в молекули лізоциму. Лізоцим атакує стінку пептидоглікану (зсередини, звичайно).
• Зрештою клітина розривається і вивільняє вміст віріонів, готових поширювати інфекцію на нові клітини господаря (е).

Гепатит В

Геном гепатиту В («сироватковий гепатит») також є dsDNA, але його спосіб реплікації відрізняється від інших вірусів dsDNA.

• Потрапивши всередину своєї клітини-господаря (клітини печінки), ядро віріона потрапляє в ядро.
• Вірусна ДНК транскрибується (Pol II господаря) в молекули мРНК.
• Вони потрапляють у цитоплазму, де вони переводяться (знову ж таки рибосомами господаря тощо) у різні білки вірусу, включаючи вірусну зворотну транскриптазу.
• Ці компоненти зібрані в нові вірусні ядра, причому в кожному
• одна молекула мРНК зворотно транскрибується в одну нитку ДНК, яка потім служить шаблоном для синтезу другої нитки.

Геном - це одноцепочечной ДНК

Приклади:

• Φx174 (PhiX174), ще один відомий бактеріофаг (заражає кишкову паличку), який допоміг вступити в сучасну епоху молекулярної генетики. Його одна нитка ДНК має 5386 нуклеотидів і містить 11 генів, що кодують білок.
• Аденоасоційований вірус (AAV). Цей вірус, який може рости тільки в клітині, заражених аденовірусом, показує велику перспективу як безпечний і ефективний вектор для впровадження терапевтичних генів пацієнтам людини.

РНК-віруси

Негативно-багатоланцюгові РНК-віруси:

Геном складається з однієї або декількох молекул одноцепочечной «антисенсової» РНК.

Приклади:

• кір
• свинка
• респіраторно-синцитіальний вірус (РСВ), віруси парагрипу (PIV) та метапневмовірус людини. (У США на ці близькі родичі припадають сотні тисяч відвідувань лікарень щороку, переважно дітьми.)
• сказу
• Ебола
• грип

метод реплікації

• Крім свого антисенсивного РНК генома, ядро віріона містить репліказу РНК, яка є РНК-залежною РНК-полімеразою.
• Після виходу в клітину-господаря ця полімераза робить багато взаємодоповнюючих копій генома, які є «сенсом» і служать месенджерними РНК.
• Вони перетворюються на білки, необхідні для збору свіжих віріонів, наприклад, капсидних білків та РНК-полімерази.

Зауважимо, що ця стратегія

• надає багато копій мРНК
• залежить від віріона, що має власну репліказу РНК (оскільки клітина господаря цього не робить) (Отже, оголені молекули РНК цих вірусів не є інфекційними - на відміну від наступної групи: позитивно-багатониткових РНК-вірусів)

Позитивно-багатожильна РНК

Геном - це молекула однониткової «чуттєвої» РНК.

Приклади:

• поліовіруси
• риновируси (часта причина звичайної «застуди»; відомо 99 різних штамів)
• норовіруси (часта причина спалахів шлунково-кишкових захворювань - особливо в «закритих» умовах, таких як круїзні лайнери та будинки престарілих)
• коронавіруси (включає збудник S важкого А) гострого респіраторного синдрому S (ГРВІ)
• краснуха (викликає «німецьку» кір)
• вірус жовтої лихоманки
• Вірус Західного Нілу
• віруси лихоманки денге
• віруси кінського енцефаліту
• віруси гепатиту А («інфекційного гепатиту») і гепатиту С
• вірус тютюнової мозаїки (TMV)

метод реплікації

• «Почуття» РНК кодує репліказу РНК (РНК-залежну РНК-полімеразу), яка перекладається механізмами господаря (рибосоми тощо) в фермент, який каталізує синтез великої кількості реплікативних проміжних продуктів «антисенсу».
• Вони служать шаблонами для синтезу великої кількості молекул мРНК, які
  • перетворюються механізмами клітин господаря в білки, необхідні для створення свіжих віріонів
  • включені в нові віріони.

Двожильна РНК

Приклади:

• реовірус
• кілька рослинних вірусів

метод реплікації

Частинка вірусу містить ферментативний механізм, який транскрибує кожну з молекул dsRNA в мРНК (в комплекті з ковпачком) і експортує їх у цитозол зараженої клітини.

ретровіруси

Ці віруси містять зворотну транскриптазу, яка копіює їх геном РНК в ДНК.

Приклади:

• Вірус саркоми Роуса (RSV)
• ВІЛ-1 та ВІЛ-2, що викликають СНІД
• HTLV-1 і HTLV-2. 4— 5% людей, інфікованих HTLV-1, розвивають Т-клітинний лейкоз/лімфому у дорослих (АТЛ).

латентні віруси

Більшість інфекційних циклів, описаних для різних вірусів, закінчуються загибеллю клітини-господаря. Бактеріальні клітини буквально лопаються, процес називається лізисом, і подібні інфекційні цикли називаються літичними циклами.

Лізогенія

Однак у деяких випадках події літичного циклу не завершуються. Клітина кишкової палички, заражена бактеріофагом ДНК, може відновити своє нормальне існування, включаючи розмноження себе.

Куди подівся вірус?

Він все ще є і, власне, присутній у нащадків бактерії. Те, що ці клітини все ще містять вірус, можна продемонструвати, опромінюючи клітини ультрафіолетовими променями або обробляючи їх певними хімічними речовинами. Таке лікування відновлює нормальний літичний цикл. Кажуть, що фаг був «врятований» - навряд чи справа для його господаря!

Стабільний зв'язок між бактеріофагом і його господарем називається лізогенезом. Вірусна ДНК фактично реплікується, коли ДНК господаря реплікується перед кожним поділом клітини. Під час лізогенезу фаг називають профагом.

Трансдукція

У деяких випадках ДНК профага вставляється в хромосому свого господаря. Насправді, коли фаг «врятований», вивільнені віріони можуть містити деякі гени господаря, а також свої власні. Коли ці віріони заражають нових господарів, вони вставляють в них ці бактеріальні гени. Цей процес генетичного перенесення, вірус-опосередкована трансформація, називається трансдукцією.

Що робить пророцтво, поки воно є частиною геному його господаря? Він може виражати певні свої гени. Наприклад, ген, який кодує дифтерійний токсин, є властивістю пророцтва в дифтерійній паличці, а не самої палички.

Деякі віруси тварин також можуть встановити приховані інфекції. Вірус Simian 40 (SV40) - це ДНК-вірус, який виробляє

• літична інфекція в ниркових клітині африканської зеленої мавпи (ці клітини використовуються для культивування вірусів в лабораторії)
• але прихована інфекція в клітині людини, мишей, щурів, хом'яків. Як і лізогенез у бактерій, геном SV40 стає включеним як провирус в ДНК свого господаря (в хромосомі 7 в клітині людини).

Хоча людська клітина з укриттям SV40 не виявляє зовнішньої ознаки провірусу, її наявність можна виявити за допомогою:

• поява антигенів, кодованих вірусом в клітині-господаря
• здатність цих клітин викликати літичну інфекцію в клітиках африканських зелених мавп при зрощенні з ними.

Латентні інфекції також можуть призвести до того, що клітина стане раковою. Клітина перетворилася. У цих випадках слово виконує обидва свої біологічні значення:

• «трансформується» шляхом включення нової ДНК
• «трансформується» в міру того, як стає раковим.

У людей,

• літичні інфекції плазматичних клітин вірусом Епштейна-Барра (EBV) виникають при мононуклеозі
• латентні інфекції В-клітин ЕБВ привертають людину до лімфоми.

поки

• літичні інфекції вірусом папіломи людини (ВПЛ) викликають гострі кондиломи;
• латентні інфекції деякими штамами ВПЛ призводять до раку шийки матки.

і

• в той час як більшість ^CD4+ Т-клітин, інфікованих ретровірусом ВІЛ-1, гинуть (викликають СНІД),
• ВІЛ-1 інтегрується як провірус в ДНК декількох ^CD4+ Т-клітин пам'яті, де він може зберігатися роками з потенціалом створення активного захворювання в майбутньому.