21.2: Вірусні інфекції та господарі
- Page ID
- 1930
Навички для розвитку
- Перерахуйте етапи реплікації та поясніть, що відбувається на кожному кроці
- Охарактеризуйте літичний і лізогенний цикли реплікації вірусу
- Поясніть передачу та захворювання вірусів тварин і рослин
- Обговорити економічний вплив вірусів тварин і рослин
Віруси можна розглядати як облігатні, внутрішньоклітинні паразити. Вірус повинен прикріпитися до живої клітини, бути прийнятим всередину, виробляти її білки та копіювати геном, а також знайти спосіб втекти з клітини, щоб вірус міг заразити інші клітини. Віруси можуть заражати лише певні види господарів і лише певні клітини всередині цього господаря. Клітини, які вірус може використовувати для реплікації, називаються дозвільними. Для більшості вірусів молекулярна основа цієї специфіки полягає в тому, що певна поверхнева молекула, відома як вірусний рецептор, повинна бути знайдена на поверхні клітини господаря, щоб вірус прикріпився. Крім того, відмінності метаболічної та імунної відповіді клітин господаря, що спостерігаються в різних типах клітин на основі диференціальної експресії генів, є ймовірним фактором, в якому клітини вірусу можуть націлюватися на реплікацію. Дозвільна клітина повинна виробляти речовини, які потрібні вірусу, або вірус не зможе там розмножуватися.
Етапи вірусних інфекцій
Вірус повинен використовувати клітинні процеси для реплікації. Цикл реплікації вірусу може спричинити різкі біохімічні та структурні зміни в клітині-господаря, що може спричинити пошкодження клітин. Ці зміни, звані цитопатичними (викликають пошкодження клітин) ефектами, можуть змінити функції клітин або навіть зруйнувати клітину. Деякі інфіковані клітини, такі як заражені вірусом застуди, відомим як риновирус, гинуть через лізис (лопнув) або апоптоз (запрограмована загибель клітин або «самогубство клітин»), вивільняючи всі потомства віріони одночасно. Симптоми вірусних захворювань виникають як в результаті імунної відповіді на вірус, який намагається контролювати і вивести вірус з організму, так і від пошкодження клітин, викликаних вірусом. Багато вірусів тварин, такі як ВІЛ (вірус імунодефіциту людини), залишають заражені клітини імунної системи шляхом процесу, відомого як бутонізація, де віріони залишають клітину окремо. В процесі бутонізації клітина не піддається лізису і не відразу гине. Однак пошкодження клітин, якими заражає вірус, може унеможливити нормальне функціонування клітин, навіть якщо клітини залишаються живими протягом певного періоду часу. Більшість продуктивних вірусних інфекцій слідують аналогічним етапам у циклі реплікації вірусу: приєднання, проникнення, розкриття, реплікація, складання та вивільнення (рис.\(\PageIndex{1}\)).
Вкладення
Вірус прикріплюється до певного рецептора на мембрані клітини господаря через білки прикріплення в капсиді або через глікопротеїни, вбудовані в вірусну оболонку. Специфіка цієї взаємодії визначає хост - і клітини всередині хоста - які можуть бути заражені певним вірусом. Це можна проілюструвати, продумавши кілька ключів і кілька замків, де до кожного ключа підійде тільки один конкретний замок.
Вступ
Нуклеїнова кислота бактеріофагів надходить в клітину господаря голим, залишаючи капсид поза клітиною. Віруси рослин і тварин можуть проникати через ендоцитоз, при якому клітинна мембрана оточує і охоплює весь вірус. Деякі обволікаються віруси потрапляють в клітину, коли вірусна оболонка зливається безпосередньо з клітинною мембраною. Потрапивши всередину клітини, вірусний капсид деградується, і виділяється вірусна нуклеїнова кислота, яка потім стає доступною для реплікації та транскрипції.
Реплікація та збірка
Механізм реплікації залежить від вірусного генома. ДНК-віруси зазвичай використовують білки клітин господаря та ферменти для створення додаткової ДНК, яка транскрибується в месенджерну РНК (мРНК), яка потім використовується для безпосереднього синтезу білка. РНК-віруси зазвичай використовують ядро РНК як шаблон для синтезу вірусної геномної РНК і мРНК. Вірусна мРНК спрямовує клітину-господаря на синтез вірусних ферментів і капсидних білків, а також збирати нові віріони. Звичайно, є винятки з цієї закономірності. Якщо клітина господаря не забезпечує ферментів, необхідних для реплікації вірусу, вірусні гени постачають інформацію для безпосереднього синтезу відсутніх білків. Ретровіруси, такі як ВІЛ, мають геном РНК, який повинен бути зворотно транскрибований в ДНК, яка потім включається в геном клітини господаря. Вони входять до групи VI класифікаційної схеми Балтімора. Для перетворення РНК в ДНК ретровіруси повинні містити гени, які кодують вірус-специфічний фермент зворотної транскриптази, який транскрибує шаблон РНК в ДНК. Зворотна транскрипція ніколи не відбувається в неінфікованих клітинах-господарях - необхідний фермент зворотної транскриптази походить лише від експресії вірусних генів всередині інфікованих клітин господаря. Той факт, що ВІЛ виробляє деякі власні ферменти, яких немає у господаря, дозволив дослідникам розробити препарати, які пригнічують ці ферменти. Ці препарати, включаючи інгібітор зворотної транскриптази АЗТ, інгібують реплікацію ВІЛ шляхом зниження активності ферменту, не впливаючи на метаболізм господаря. Такий підхід призвів до розробки різноманітних препаратів, що використовуються для лікування ВІЛ, і був ефективним для зменшення кількості інфекційних віріонів (копій вірусної РНК) в крові до невиявлених рівнів у багатьох ВІЛ-інфікованих осіб.
Вихід
Останнім етапом вірусної реплікації є вивільнення нових віріонів, що виробляються в організмі господаря, де вони здатні інфікувати сусідні клітини і повторювати цикл реплікації. Як ви дізналися, деякі віруси виділяються, коли клітина господаря вмирає, а інші віруси можуть залишати заражені клітини, бутонізуючи через мембрану, не вбиваючи безпосередньо клітину.

Вправа\(\PageIndex{1}\)
Вірус грипу упакований в вірусну оболонку, яка зливається з плазматичною мембраною. Таким чином, вірус може вийти з клітини-господаря, не вбиваючи її. Яку перевагу отримує вірус, підтримуючи клітину-господаря живими?
- Відповідь
-
Клітина господаря може продовжувати виробляти нові вірусні частинки.
Посилання на навчання
Подивіться відео про віруси, ідентифікації структур, режимів передачі, реплікації і багато іншого.
Різні хости та їх віруси
Як ви дізналися, віруси часто дуже специфічні щодо того, які хости і які клітини всередині господаря вони будуть заражати. Ця особливість вірусу робить його специфічним для одного або декількох видів життя на Землі. З іншого боку, на Землі існує стільки різних типів вірусів, що майже кожен живий організм має свій набір вірусів, який намагається заразити його клітини. Навіть найменша і найпростіша з клітин, прокаріотичні бактерії, можуть бути атаковані конкретними типами вірусів.
бактеріофаги
Бактеріофаги - віруси, які заражають бактерії (рис.\(\PageIndex{2}\)). Коли зараження клітини бактеріофагом призводить до виробництва нових віріонів, інфекція, як кажуть, є продуктивною. Якщо віріони звільняються шляхом розриву клітини, вірус реплікується за допомогою літичного циклу (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Прикладом літичного бактеріофага є Т4, який заражає кишкову паличку, виявлену в кишковому тракті людини. Іноді, однак, вірус може залишатися всередині клітини без звільнення. Наприклад, коли помірний бактеріофаг заражає бактеріальну клітину, він реплікується за допомогою лізогенного циклу (рис.\(\PageIndex{3}\)), А вірусний геном включається в геном клітини-господаря. Коли ДНК фагів включається в геном клітини-господаря, це називається профагом. Прикладом лізогенного бактеріофага є вірус λ (лямбда), який також заражає Е. бактерія кишкової палички. Віруси, які заражають клітини рослин або тварин, також можуть зазнати інфекцій там, де вони не виробляють віріони протягом тривалого періоду. Прикладом можуть служити тварини герпесвіруси, в тому числі віруси простого герпесу, причини орального і генітального герпесу у людини. У процесі, який називається латентністю, ці віруси можуть існувати в нервовій тканині протягом тривалого періоду часу, не виробляючи нових віріонів, лише для того, щоб періодично залишати затримку та викликати ураження шкіри, де вірус реплікується. Незважаючи на те, що між лізогенією та латентністю є подібність, термін лізогенний цикл зазвичай зарезервований для опису бактеріофагів. Латентність буде більш детально описана нижче.

Вправа\(\PageIndex{2}\)
Яке з наведених нижче тверджень є помилковим?
- У літичному циклі виробляються і викидаються в навколишнє середовище нові фаги.
- У лізогенному циклі ДНК фагів включається в геном господаря.
- Екологічний стрес може призвести до того, що фаг ініціює лізогенний цикл.
- Лізис клітин відбувається лише в літичному циклі.
- Відповідь
-
C
Віруси тварин
Віруси тварин, на відміну від вірусів рослин і бактерій, не повинні проникати в клітинну стінку, щоб отримати доступ до клітини-господаря. Необволікаючі або «голі» віруси тварин можуть проникати в клітини двома різними способами. Оскільки білок у вірусному капсиді зв'язується зі своїм рецептором на клітині-господаря, вірус може бути прийнятий всередину клітини через везикулу під час нормального клітинного процесу рецепторно-опосередкованого ендоцитозу. Альтернативний метод проникнення клітин, який використовується вірусами, що не обволікаються, полягає в тому, щоб капсидні білки зазнали змін форми після зв'язування з рецептором, створюючи канали в мембрані клітини господаря. Потім вірусний геном «вводиться» в клітину-господаря через ці канали таким чином, що використовується багатьма бактеріофагами. Обволікаються віруси також мають два шляхи потрапляння в клітини після зв'язування з їх рецепторами: рецепторно-опосередкований ендоцитоз, або злиття. Багато обволікаються віруси потрапляють в клітину за допомогою рецепторно-опосередкованого ендоцитозу за способом, подібним до деяких не обволікаються вірусів. З іншого боку, злиття відбувається лише з обволікаючими віріонами. Ці віруси, до яких відноситься ВІЛ серед інших, використовують спеціальні злиті білки в своїх оболонках, щоб змусити оболонку злитися з плазматичною мембраною клітини, тим самим вивільняючи геном і капсид вірусу в клітинну цитоплазму.
Зробивши свої білки та скопіювавши їх геноми, віруси тварин завершують збірку нових віріонів і виходять з клітини. Як ми вже обговорювали на прикладі ВІЛ, віруси тварин, що обволікаються, можуть виходити з клітинної мембрани, коли вони збираються, беручи шматок плазматичної мембрани клітини в процесі. З іншого боку, не обволікаються вірусні потомства, такі як риновіруси, накопичуються в інфікованих клітині, поки не з'явиться сигнал на лізис або апоптоз, і всі віріони вивільняються разом.
Як ви дізнаєтеся в наступному модулі, віруси тварин пов'язані з різними захворюваннями людини. Деякі з них слідують класичній схемі гострого захворювання, де симптоми посилюються протягом короткого періоду з подальшим виведенням вірусу з організму імунною системою та можливим одужанням після інфекції. Прикладами гострих вірусних захворювань є застуда і грип. Інші віруси викликають тривалі хронічні інфекції, такі як вірус, що викликає гепатит С, тоді як інші, як вірус простого герпесу, викликають лише періодичні симптоми. Ще інші віруси, такі як герпесвіруси людини 6 і 7, які в деяких випадках можуть викликати незначне дитяче захворювання розеола, часто успішно викликають продуктивні інфекції, не викликаючи жодних симптомів взагалі у господаря, і, таким чином, ми говоримо, що ці пацієнти мають безсимптомну інфекцію.
При інфекціях гепатиту С вірус росте і розмножується в клітині печінки, викликаючи низький рівень ураження печінки. Шкода настільки низька, що інфіковані люди часто не підозрюють, що вони інфіковані, і багато інфекцій виявляються лише звичайною роботою крові на пацієнтів з такими факторами ризику, як внутрішньовенне вживання наркотиків. З іншого боку, оскільки багато симптомів вірусних захворювань викликані імунними реакціями, відсутність симптомів є свідченням слабкої імунної відповіді на вірус. Це дозволяє вірусу уникнути елімінації імунною системою і зберігається у людей протягом багатьох років, весь час виробляючи низький рівень віріонів потомства в тому, що відомо як хронічне вірусне захворювання. Хронічне зараження печінки цим вірусом призводить до набагато більшої ймовірності розвитку раку печінки, іноді аж через 30 років після початкового зараження.
Як вже говорилося, вірус простого герпесу може залишатися в стані латентності в нервовій тканині місяцями, навіть роками. Оскільки вірус «ховається» в тканині і робить мало вірусних білків, імунної відповіді нічого не діє, а імунітет до вірусу повільно знижується. За певних умов, включаючи різні види фізичних та психологічних навантажень, латентний вірус простого герпесу може бути реактивований і пройти цикл літичної реплікації в шкірі, викликаючи ураження, пов'язані із захворюванням. Після того, як віруси виробляються в шкірі і синтезуються вірусні білки, імунна відповідь знову стимулюється і через кілька днів усуває ураження шкіри, знищуючи віруси в шкірі. В результаті цього типу реплікативного циклу поява герпесу та спалахів генітального герпесу відбуваються лише з перервами, хоча віруси залишаються в нервовій тканині на все життя. Латентні інфекції поширені і з іншими герпесвірусами, включаючи вірус вітряної віспи, який викликає вітрянку. Після інфекції вітряної віспи в дитячому віці вірус вітряної віспи може залишатися латентним протягом багатьох років і реактивувати у дорослих, щоб викликати хворобливий стан, відомий як «оперізуючий лишай» (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Деякі віруси, що заражають тварин, включаючи вірус гепатиту С, про який говорилося вище, відомі як онкогенні віруси: Вони мають здатність викликати рак. Ці віруси перешкоджають нормальній регуляції клітинного циклу господаря або шляхом введення генів, що стимулюють нерегульований ріст клітин (онкогени), або втручаючись в експресію генів, які гальмують ріст клітин. Онкогенні віруси можуть бути як ДНК, так і РНК вірусами. Раки, які, як відомо, пов'язані з вірусними інфекціями, включають рак шийки матки, спричинений вірусом папіломи людини (ВПЛ\(\PageIndex{5}\)) (рис.), рак печінки, спричинений вірусом гепатиту В, Т-клітинний лейкоз та кілька типів лімфоми.

Посилання на навчання
Відвідайте інтерактивні анімації, що показують різні етапи реплікативних циклів вірусів тварин і натисніть на посилання флеш-анімації.
Віруси рослин
Віруси рослин, як і інші віруси, містять ядро або ДНК, або РНК. Ви вже дізналися про один з них, вірус тютюнової мозаїки. Оскільки рослинні віруси мають клітинну стінку для захисту своїх клітин, ці віруси не використовують опосередкований рецептором ендоцитоз для проникнення в клітини-господаря, як це видно з вірусами тварин. Для передачі багатьох рослинних вірусів з рослини на рослину має відбутися пошкодження деяких клітин рослин, щоб дозволити вірусу проникнути до нового господаря. Ця шкода часто спричинена погодою, комахами, тваринами, пожежею або діяльністю людини, такою як сільське господарство або озеленення. Крім того, потомство рослин може успадкувати вірусні захворювання від батьківських рослин. Віруси рослин можуть передаватися різними переносниками, через контакт із зараженим соком рослини, живими організмами, такими як комахи та нематоди, а також через пилок. Коли віруси рослин переносяться між різними рослинами, це відомо як горизонтальна передача, а коли вони успадковуються від батьків, це називається вертикальною передачею.
Симптоми вірусних захворювань варіюються в залежності від вірусу і його господаря (табл.\(\PageIndex{1}\)). Одним із поширених симптомів є гіперплазія, аномальна проліферація клітин, яка викликає появу пухлин рослин, відомих як галли. Інші віруси викликають гіпоплазію або зниження росту клітин у листі рослин, викликаючи появу тонких жовтих ділянок. Ще інші віруси впливають на рослину, безпосередньо вбиваючи клітини рослин, процес, відомий як некроз клітин. Інші симптоми рослинних вірусів включають неправильне листя, чорні прожилки на стеблах рослин, змінений ріст стебел, листя або плодів та кільцеві плями, які є круговими або лінійними ділянками знебарвлення, виявленими в листі.
симптом | З'являється як |
---|---|
Гіперплазія | Галли (пухлини) |
Гіпоплазія | Проріджені, жовті плямистості на листках |
некроз клітин | Мертві, почорнілі стебла, листя або плоди |
Аномальні моделі росту | Неправильні стебла, листя або плоди |
Знебарвлення | Жовті, червоні або чорні лінії або кільця в стеблах, листках або фруктах |
Віруси рослин можуть серйозно порушити ріст і розвиток сільськогосподарських культур, значно впливаючи на наш продовольчий запас. Вони несуть відповідальність за низьку якість та кількість врожаю у всьому світі та можуть щорічно приносити величезні економічні втрати. Інші віруси можуть пошкодити рослини, що використовуються в озелененні. Деякі віруси, які заражають сільськогосподарські харчові рослини, включають назву рослини, яку вони заражають, наприклад, вірус плямистого в'янення томатів, вірус загальної мозаїки квасолі та вірус мозаїки огірка. У рослин, що використовуються для озеленення, двома найпоширенішими вірусами є півонія кільцева пляма і вірус мозаїки троянди. Існує занадто багато рослинних вірусів, щоб детально обговорити кожен, але симптоми вірусу загальної мозаїки квасолі призводять до зниження виробництва квасолі та затримки, непродуктивних рослин. У декоративної троянди хвороба мозаїки троянди викликає хвилясті жовті лінії та кольорові плями на листках рослини.
Резюме
Вірусна реплікація всередині живої клітини завжди виробляє зміни в клітині, іноді призводить до загибелі клітин і іноді повільно вбиває заражені клітини. У циклі реплікації вірусу існує шість основних етапів: приєднання, проникнення, розкриття, реплікація, збірка та випуск. Вірусна інфекція може бути продуктивною, що призводить до появи нових віріонів, або непродуктивною, а це означає, що вірус залишається всередині клітини, не виробляючи нових віріонів. Бактеріофаги - віруси, які заражають бактерії. Вони мають два різних режими реплікації: літичний цикл, де вірус реплікується і виривається з бактерій, і лізогенний цикл, який передбачає включення вірусного генома в геном бактеріального господаря. Віруси тварин викликають різноманітні інфекції, причому деякі викликають хронічні симптоми (гепатит С), деякі переривчасті симптоми (приховані віруси, такі як вірус простого герпесу 1) та інші, які викликають дуже мало симптомів, якщо такі є (герпесвіруси людини 6 і 7). Онкогенні віруси у тварин мають здатність викликати рак шляхом втручання в регуляцію клітинного циклу господаря. Віруси рослин несуть відповідальність за значні економічні збитки як в сільському господарстві, так і рослинам, використовуваним для декоративного оздоблення
Глосарій
- гостре захворювання
- захворювання, де симптоми піднімаються і падають протягом короткого періоду часу
- безсимптомне захворювання
- захворювання, де немає симптомів, і людина не знає про зараження, якщо не проводяться лабораторні аналізи
- АЗТ
- Препарат проти ВІЛ, який пригнічує вірусний фермент зворотної транскриптази
- бактеріофаг
- вірус, що заражає бактерії
- брунькування
- метод виходу з клітини використовується в деяких вірусах тварин, де віріони залишають клітку індивідуально, захоплюючи шматочок плазматичної мембрани господаря
- некроз клітин
- загибель клітин
- хронічна інфекція
- описує, коли вірус зберігається в організмі протягом тривалого періоду часу
- цитопатичний
- спричиняючи пошкодження клітин
- злиття
- метод проникнення деякими обволікаючими вірусами, де вірусна оболонка зливається з плазматичною мембраною клітини-господаря
- жовчний
- поява пухлини рослини
- горизонтальна передача
- передача захворювання від батьків до потомства
- гіперплазія
- аномально високий ріст і поділ клітин
- гіпоплазія
- аномально низький ріст і поділ клітин
- переривчастий симптом
- симптом, який виникає періодично
- латентність
- вірус, який залишається в організмі протягом тривалого періоду часу, але викликає лише періодичні симптоми
- лізис
- розрив клітини
- літичний цикл
- тип реплікації вірусу, при якому віріони вивільняються шляхом лізису або розриву клітини
- лізогенний цикл
- тип реплікації вірусу, при якому вірусний геном включений в геном клітини-господаря
- онкогенний вірус
- вірус, який має здатність викликати рак
- дозвільної
- тип клітин, який здатний підтримувати продуктивну реплікацію вірусу
- продуктивних
- вірусна інфекція, яка призводить до вироблення нових віріонів
- пророцтво
- ДНК фагів, яка включена в геном клітини-господаря
- вертикальна передача
- передача захворювання між неспорідненими особами