6.1: Віруси
- Page ID
- 3883
Цілі навчання
- Опишіть загальну характеристику вірусів як збудників
- Опишіть вірусні геноми
- Опишіть загальну характеристику життєвих циклів вірусів
- Диференціювати між бактеріофагами, вірусами рослин та вірусами тварин
- Опишіть характеристики, що використовуються для ідентифікації вірусів як облігатних внутрішньоклітинних паразитів
Клінічна спрямованість: Частина 1
Девід, 45-річний журналіст, щойно повернувся до США з подорожей по Росії, Китаю та Африці. Він погано себе почуває, тому звертається до лікаря загальної практики зі скаргами на слабкість в руках і ногах, лихоманку, головний біль, помітне збудження та незначний дискомфорт. Він думає, що це може бути пов'язано з укусом собаки, який він зазнав під час інтерв'ю у китайського фермера. Він відчуває деякі колючі та сверблячі відчуття в місці укусу рани, але він каже лікарю, що собака здавалася здоровою і що його не хвилювало досі. Лікар призначив тест на культуру та чутливість, щоб виключити бактеріальну інфекцію рани, і результати повернулися негативними для будь-яких можливих патогенних бактерій.
Вправа\(\PageIndex{1}\)
- Виходячи з цієї інформації, які додаткові аналізи повинні бути проведені пацієнтові?
- Який вид лікування повинен рекомендувати лікар?
Незважаючи на невеликий розмір, який заважав їх бачити за допомогою легких мікроскопів, відкриття фільтрованого компонента меншого, ніж бактерія, яка викликає хворобу тютюнової мозаїки (ТМД), датується 1892 роком. 1 У той час російський ботанік Дмитро Івановський відкрив джерело ТМД за допомогою порцелянового фільтруючого пристрою, вперше винайденого Шарлем Чемберландом і Луї Пастером в Парижі в 1884 році. Порцелянові фільтри Chamberland мають розмір пір 0,1 мкм, що досить мало, щоб видалити всі бактерії ≥0,2 мкм з будь-яких рідин, що пройшли через пристрій. Для визначення причини захворювання виготовляли екстракт, отриманий з заражених ТМД рослин тютюну. Спочатку джерелом захворювання вважалося бактеріальне. Всім було дивно, коли Івановський, використовуючи фільтр Чемберленд, виявив, що причина ТМД не була усунена після проходження витяжки через порцеляновий фільтр. Тож якщо бактерія не була причиною ТМД, що може бути причиною захворювання? Івановський зробив висновок, що причиною ТМД повинна бути вкрай мала бактерія або бактеріальна спора. Інші вчені, в тому числі Мартінус Бейерінк, продовжили дослідження причини ТМД. Це був Бейерінк, в 1899 році, який врешті-решт прийшов до висновку, що збудник не є бактерією, а, натомість, можливо, хімічною речовиною, як біологічна отрута, яку ми б сьогодні описали як токсин. В результаті слово вірус, латинське означає отрута, було використано для опису причини ТМД через кілька років після первинного відкриття Івановського. Навіть незважаючи на те, що він не зміг побачити вірус, який викликав ТМД, і не зрозумів, що причиною виявилася не бактерія, Івановський зараховується як першовідкривач вірусів і засновник галузі вірусології.
Сьогодні ми можемо побачити віруси за допомогою електронних мікроскопів (рис.\(\PageIndex{1}\)) і знаємо про них набагато більше. Віруси є окремими біологічними сутностями; однак їх еволюційне походження все ще залишається предметом спекуляцій. З точки зору таксономії вони не входять до древа життя, оскільки є ацелюлярними (не складаються з клітин). Для того щоб вижити і розмножуватися, віруси повинні заразити клітинного господаря, роблячи їх облігатними внутрішньоклітинними паразитами. Геном вірусу потрапляє в клітину господаря і спрямовує виробництво вірусних компонентів, білків і нуклеїнових кислот, необхідних для утворення нових вірусних частинок, званих віріонами. Нові віріони виробляються в клітині-господаря шляхом складання вірусних компонентів. Нові віріони транспортують вірусний геном до іншої клітини-господаря, щоб здійснити ще один виток інфекції. Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює властивості вірусів.
характеристика вірусів |
---|
Інфекційні, клітинні збудники |
Облігатні внутрішньоклітинні паразити зі специфічністю хазяїна і клітинного типу |
Геном ДНК або РНК (ніколи обидва) |
Геном оточений капсидом білка і, в деяких випадках, фосфоліпідною мембраною, шипованою вірусними глікопротеїнами |
Відсутність генів для багатьох продуктів, необхідних для успішного розмноження, що вимагає експлуатації геномів клітин господаря для відтворення |
Вправа\(\PageIndex{2}\)
Чому перший досліджений вірус був прийнятий за токсин?
Господарі та вірусна передача
Віруси можуть заражати кожен тип клітин господаря, включаючи клітини рослин, тварин, грибів, протестів, бактерій та архей. Більшість вірусів зможуть заразити тільки клітини одного або декількох видів організму. Це називається діапазоном хоста. Однак наявність широкого діапазону хостів не є поширеним явищем, і віруси, як правило, заражають лише конкретні хости та лише певні типи клітин у цих хостах. Віруси, що заражають бактерії, називаються бактеріофагами, або просто фагами. Слово фаг походить від грецького слова, що означає пожирати. Інші віруси просто ідентифікуються їх групою господаря, наприклад, віруси тварин або рослин. Після зараження клітини вплив вірусу може змінюватися залежно від типу вірусу. Віруси можуть спричинити аномальний ріст клітини або загибель клітин, змінити геном клітини або викликати мало помітного ефекту в клітині.
Віруси можуть передаватися через прямий контакт, непрямий контакт з фомітами або через вектор: тварину, яка передає збудника від одного господаря іншому. Членистоногі, такі як комарі, кліщі та мухи, є типовими переносниками вірусних захворювань, і вони можуть виступати механічними переносниками або біологічними переносниками. Механічна передача відбувається, коли членистоногое переносить вірусний збудник на зовнішній стороні свого тіла і передає його новому господареві фізичним контактом. Біологічна передача відбувається, коли членистоногое переносить вірусний збудник всередині свого організму і передає його новому господареві за допомогою укусів.
У людини найрізноманітніші віруси здатні викликати різні інфекції та захворювання. Деякі з найбільш смертоносних збудників у людей - це віруси, але у нас мало методів лікування або препаратів для боротьби з вірусними інфекціями, що ускладнює їх викорінення.
Віруси, які можуть передаватися від господаря тваринного господаря людині, можуть викликати зоонози. Наприклад, вірус пташиного грипу бере свій початок у птахів, але може викликати захворювання у людини. Зворотні зоонози викликаються зараженням тварини вірусом, який зародився в людині.
Боротьба з бактеріями з вірусами
Поява супербактерій, або мультимедикаментозних резистентних бактерій, стало головним викликом для фармацевтичних компаній та серйозною проблемою охорони здоров'я. Згідно з доповіддю Центрів США з контролю та профілактики захворювань (CDC) за 2013 рік, понад 2 мільйони людей заражаються стійкими до наркотиків бактеріями в США щорічно, що призводить до щонайменше 23 000 смертей. 2 Постійне використання та надмірне використання антибіотиків, ймовірно, призведе до еволюції ще більш стійких до наркотиків штамів.
Одним з потенційних рішень є використання фагової терапії, процедури, яка використовує віруси, що вбивають бактерії (бактеріофаги) для лікування бактеріальних інфекцій. Фаготерапія - це не нова ідея. Відкриття бактеріофагів датується початком 20 століття, а фаготерапія вперше була використана в Європі в 1915 році англійським бактеріологом Фредеріком Твортом. 3 Однак подальше відкриття пеніциліну та інших антибіотиків призвело до близької відмови від цієї форми терапії, за винятком колишнього Радянського Союзу і кількох країн Східної Європи. Інтерес до фаготерапії за межами країн колишнього Радянського Союзу лише недавно знову виникає через зростання антибіотикорезистентних бактерій. 4
Фаготерапія має деякі переваги перед антибіотиками в тому, що фаги вбивають тільки одну специфічну бактерію, тоді як антибіотики вбивають не тільки збудника, але і корисні бактерії нормальної мікробіоти. Розробка нових антибіотиків також є дорогою для фармацевтичних компаній і для пацієнтів, особливо для тих, хто живе в країнах з високим рівнем бідності.
Фаги також використовувалися для запобігання псування їжі. У 2006 році Управління з контролю за продуктами та ліками США схвалило використання розчину, що містить шість бактеріофагів, які можна розпорошувати на м'ясні обіди, такі як болонья, шинка та індичка, щоб вбити Listeria monocytogenes, бактерію, відповідальну за лістеріоз, форму харчового отруєння. Деякі споживачі мають побоювання щодо використання фагів на харчових продуктах, однак, особливо з огляду на зростаючу популярність органічних продуктів. Продукти, які оброблялися фагами, повинні оголосити «препарат бактеріофагів» у списку інгредієнтів або включати етикетку, в якій повідомляється, що м'ясо було «оброблено антимікробним розчином для зменшення мікроорганізмів». 5
Вправа\(\PageIndex{3}\)
- Чому людина не повинна турбуватися про наявність бактеріофагів в їх їжі?
- Якими трьома способами можуть передаватися віруси між хостами?
вірусні структури
Взагалі віріони (вірусні частинки) невеликі і їх неможливо спостерігати за допомогою звичайного світлового мікроскопа. Вони набагато менше прокаріотичних і еукаріотичних клітин; це пристосування, що дозволяє вірусам заражати ці більші клітини (див. Рис.\(\PageIndex{2}\)). Розмір віріона може коливатися від 20 нм для дрібних вірусів до 900 нм для типових, великих вірусів (див. Рис.\(\PageIndex{3}\)). Однак останні відкриття виявили нові гігантські вірусні види, такі як Pandoravirus salinus та Pithovirus sibericum, розміри яких наближаються до розмірів бактеріальної клітини. 6
У 1935 році, після розробки електронного мікроскопа, Венделл Стенлі став першим вченим, який кристалізував структуру вірусу тютюнової мозаїки і виявив, що він складається з РНК і білка. У 1943 році виділив вірус грипу В, який сприяв розробці вакцини проти грипу (грипу). Відкриття Стенлі відкрили таємницю природи вірусів, які спантеличували вчених більше 40 років, і його внесок у галузь вірусології призвів до того, що він був удостоєний Нобелівської премії в 1946 році.
В результаті триваючих досліджень природи вірусів ми тепер знаємо, що вони складаються з нуклеїнової кислоти (або РНК, або ДНК, але ніколи обох), оточеної білковою оболонкою під назвою капсид (див. Рис.\(\PageIndex{4}\)). Внутрішня частина капсиду не заповнена цитозолем, як у клітині, але замість цього він містить голі потреби з точки зору геному та ферментів, необхідних для спрямування синтезу нових віріонів. Кожен капсид складається з білкових субодиниць називається капсомери, виготовлені з одного або декількох різних типів капсумера білків, які взаємодіють, щоб сформувати тісно упаковані капсид.
Існує дві категорії вірусів, заснованих на загальному складі. Віруси, що утворюються тільки з нуклеїнової кислоти і капсиду, називаються голими вірусами або необволікаються вірусами. Віруси, утворені з нуклеїновокислотним упакованим капсидом, оточеним ліпідним шаром, називаються обволікаючими вірусами (див. Рис.\(\PageIndex{4}\)). Вірусна оболонка являє собою невелику частину фосфоліпідної мембрани, отриманої у вигляді бруньок віріона з клітини-господаря. Вірусна оболонка може бути або внутрішньоклітинної, або цитоплазматичної за походженням.
Поширюючись назовні і подалі від капсиду на деяких оголених вірусах і обволікаючих вірусах є білковими структурами, які називаються спайками. На кінчиках цих шипів знаходяться структури, які дозволяють вірусу прикріплюватися і проникати в клітину, як шипи гемаглютиніну вірусу грипу (H) або ферменти, такі як спайки вірусу грипу нейрамінідази (N), які дозволяють вірусу відірватися від поверхні клітини під час випуску нових віріонів. Віруси грипу часто ідентифікуються за їх спайками H і N. Наприклад, віруси грипу H1N1 були відповідальними за пандемії в 1918 і 2009 роках, 7 H2N2 за пандемію в 1957 році і H3N2 за пандемію в 1968 році.
Віруси розрізняються за формою своїх капсид, які можуть бути як гвинтовими, багатогранними, так і складними. Спіральний капсид утворює форму вірусу тютюнової мозаїки (TMV), оголеного спірального вірусу та вірусу Ебола, оболонкового спірального вірусу. Капсид має циліндричну або стрижневу форму, геном припадає безпосередньо всередині довжини капсида. Багатогранні капсиди утворюють форми поліовірусу і риновирусу і складаються з нуклеїнової кислоти, оточеної багатогранним (багатогранним) капсидом у вигляді ікосаедра. Ікосаедричний капсид являє собою тривимірну, 20-гранну структуру з 12 вершинами. Ці капсиди чимось нагадують футбольний м'яч. Як гвинтові, так і багатогранні віруси можуть мати оболонки. Вірусні форми, що спостерігаються у певних типів бактеріофагів, таких як Т4 фаг, і поксвіруси, як вірус вакцинії, можуть мати особливості як багатогранних, так і спіральних вірусів, тому їх описують як складну вірусну форму (див. Рис.\(\PageIndex{5}\)). У комплексній формі бактеріофага геном розташований всередині багатогранної головки і оболонка з'єднує головку з хвостовими волокнами і хвостовими штифтами, які допомагають вірусу прикріпитися до рецепторів на поверхні клітини господаря. Поксвіруси, які мають складні форми, часто мають цегляну форму, з хитромудрими характеристиками поверхні, які не спостерігаються в інших категоріях капсиду.
Вправа\(\PageIndex{4}\)
Які типи вірусів мають спайки?
Класифікація та таксономія вірусів
Хоча віруси не класифікуються в трьох областях життя, їх кількість досить велика, щоб вимагати класифікації. З 1971 року Відділ вірусології Міжнародного союзу мікробіологічних товариств поставив завдання розробки, вдосконалення та підтримання універсальної вірусної таксономії Міжнародному комітету з таксономії вірусів (ICTV). Оскільки віруси можуть мутувати так швидко, їх може бути важко класифікувати на рід і видовий епітет за допомогою біноміальної номенклатурної системи. Таким чином, вірусна номенклатурна система ICTV класифікує віруси на сім'ї та пологи на основі вірусної генетики, хімії, морфології та механізму розмноження. На сьогоднішній день ICTV класифікував відомі віруси в семи порядках, 96 сімействах та 350 пологах. Вірусні прізвища закінчуються на - viridae (наприклад, Parvoviridae), а назви роду закінчуються на −вірус (наприклад, Parvovirus). Назви вірусних порядків, сімей та пологів виділені курсивом. Посилаючись на вірусний вид, ми часто використовуємо епітет роду та виду, такий як Pandoravirus dulcis або Pandoravirus salinus.
Система класифікації Балтімора є альтернативою номенклатурі ICTV. Балтіморська система класифікує віруси за їх геномами (ДНК або РНК, одиночний або дволанцюговий, і спосіб реплікації). Таким чином, ця система створює сім груп вірусів, які мають загальну генетику та біологію.
Ознайомтеся з останньою таксономією вірусів на веб-сайті ICTV.
Окрім формальних систем номенклатури, віруси часто неофіційно групуються за категоріями на основі хімії, морфології чи інших спільних характеристик. Категорії можуть включати оголену або обволікаючу структуру, однониткові (ss) або дволанцюгові (ds) ДНК або геноми ss або ds РНК, сегментовані або несегментовані геноми, а також позитивно-ниткова (+) або негативна нитка (−) РНК. Наприклад, віруси герпесу можна класифікувати як вірус, обволікаючий dsDNA; вірус імунодефіциту людини (ВІЛ) є вірусом, що обволікається +SSRNA, а вірус тютюнової мозаїки - вірусом +ssRNA. Інші характеристики, такі як специфічність господаря, тканинна специфічність, форма капсиду та спеціальні гени або ферменти, також можуть бути використані для опису груп подібних вірусів. У таблиці\(\PageIndex{2}\) наведено деякі найпоширеніші віруси, які є збудниками людини за типом генома.
Геном | Сім'я | Приклад вірусу | Клінічні особливості |
---|---|---|---|
dsDNA, обволікається | Поксвіриди | Ортопоксвірус | Шкірні папули, гнійники, ураження |
Поксвіриди | Парапоксвірус | Ураження шкіри | |
Герпесвіріди | Простий вірус | Герпес, генітальний герпес, венеричні захворювання | |
dsDNA, голий | аденовіриди | при аденовірусі | Респіраторна інфекція (застуда) |
папіломи віриди | папіломавірус | Генітальні бородавки, рак шийки матки, вульви або піхви | |
реовіриди | Реовірус | Гастроентерит важка діарея (шлунковий грип) | |
SSDNA, голий | Парвовіріди | Аденоасоційований депендопарвовірус А | Інфекція дихальних шляхів |
Парвовіріди | Аденоасоційований депендопарвовірус B | Інфекція дихальних шляхів | |
ДСРНК, голий | реовіриди | Ротавірус | гастроентерит |
+СРНК, голий | Пікорнавіріди | Ентеровірус С | поліомієліт |
Пікорнавіріди | риновирус | Інфекція верхніх дихальних шляхів (застуда) | |
Пікорнавіріди | Гепатовірус | Гепатит | |
+РНК, обволікається | Тогавіріди | Альфа-вірус | Енцефаліт, геморагічна лихоманка |
Тогавіріди | Рубівірус | Краснуха | |
Ретровіриди | лентивірус | Синдром набутого імунного дефіциту (СНІД) | |
−SSRNA, в оболонці | Філовіриди | Еболавірус Заїру | Геморагічна лихоманка |
Ортоміксовіриди | Вірус грипу A, B, C | Грип | |
рабдовіриди | Ліссавірус | Сказ |
Вправа\(\PageIndex{5}\)
Які бувають типи геномів вірусу?
Класифікація вірусних захворювань
Хоча ICTV було доручено біологічну класифікацію вірусів, він також відігравав важливу роль у класифікації захворювань, спричинених вірусами. Щоб полегшити відстеження захворювань людини, пов'язаних з вірусами, ICTV створив класифікації, що посилаються на Міжнародну класифікацію хвороб (МКБ), стандартну таксономію захворювань, яка підтримується та оновлюється Всесвітньою організацією охорони здоров'я (ВООЗ). МКБ присвоює буквено-цифровий код до шести символів кожному типу вірусної інфекції, а також всім іншим видам захворювань, захворювань і причин смерті. Цей код МКБ використовується спільно з двома іншими системами кодування (поточна процедурна термінологія та система кодування загальних процедур охорони здоров'я) для класифікації умов пацієнтів для лікування та відшкодування страхового відшкодування.
Наприклад, коли пацієнт шукає лікування вірусної інфекції, клініцисти регулярно використовують коди МКБ для замовлення лабораторних аналізів та призначення лікування, специфічного для вірусу, який підозрюється у спричиненні хвороби. Цей код МКБ потім використовується медичними лабораторіями для виявлення тестів, які необхідно провести для підтвердження діагнозу. Код МКБ використовується системою управління охороною здоров'я, щоб перевірити, чи всі проведені процедури та лабораторні роботи відповідають даному вірусу. Медичні кодери використовують коди МКБ для присвоєння належного коду для виконуваних процедур, а медичні платіжники, в свою чергу, використовують цю інформацію для обробки претензій на відшкодування страховими компаніями. Хранителі життєво важливих записів використовують коди МКБ для запису причини смерті у свідоцтвах про смерть, а епідеміологи використовували коди МКБ для обчислення статистики захворюваності та смертності.
Вправа\(\PageIndex{6}\)
Визначте два місця, де ви, ймовірно, знайдете код ICD.
Клінічна спрямованість: Частина 2
Лікар Девіда був стурбований тим, що його симптоми включають поколювання і свербіж в місці укусу собаки; ці відчуття можуть бути ранніми симптомами сказу. Доступно кілька тестів для діагностики сказу у живих пацієнтів, але жоден тест передсмертний не є адекватним. Лікар вирішив взяти зразки крові, слини та шкіри Девіда для тестування. Зразок шкіри був взятий з потилиці (задня сторона шиї біля лінії волосяного покриву). Він мав довжину близько 6 мм і містив не менше 10 волосяних фолікулів, включаючи поверхневий шкірний нерв. Метод імунофлюоресцентного фарбування використовувався на зразку біопсії шкіри для виявлення антитіл до сказу в шкірних нервах біля основи волосяних фолікулів. Також був проведений тест на зразку сироватки з крові Девіда, щоб визначити, чи були вироблені будь-які антитіла до вірусу сказу.
Тим часом зразок слини використовувався для аналізу зворотної транскриптази-полімеразної ланцюгової реакції (ЗТ-ПЛР) - тесту, який може виявити наявність вірусної нуклеїнової кислоти (РНК). Аналізи крові повернулися позитивними на наявність антигену вірусу сказу, що спонукало лікаря Девіда призначити профілактичне лікування. Девіду дають серію внутрішньом'язових ін'єкцій імуноглобуліну проти сказу людини разом із серією вакцин проти сказу.
Вправа\(\PageIndex{7}\)
- Чому імунофлюоресцентна техніка шукає антитіла до сказу, а не сам вірус сказу?
- Якщо Девід заразився сказом, який його прогноз?
Резюме
- Віруси, як правило, ультрамікроскопічні, зазвичай від 20 нм до 900 нм в довжину. Були виявлені деякі великі віруси.
- Віріони є ацелюлярними і складаються з нуклеїнової кислоти, ДНК або РНК, але не обох, оточених білковим капсидом. Також може бути фосфоліпідна мембрана, що оточує капсид.
- Віруси - облігатні внутрішньоклітинні паразити.
- Відомо, що віруси заражають різні типи клітин, виявлених у рослин, тварин, грибів, протестів, бактерій та архей. Віруси, як правило, мають обмежений діапазон господаря і заражають конкретні типи клітин.
- Віруси можуть мати спіральну, багатогранну або складну форму.
- Класифікація вірусів базується на морфології, типі нуклеїнової кислоти, діапазоні господаря, специфічності клітин та ферментах, що переносяться всередині віріона.
- Як і інші захворювання, вірусні захворювання класифікуються за допомогою кодів МКБ.
Виноски
- 1 Г. Лекок. «[Відкриття першого вірусу, вірусу тютюнової мозаїки: 1892 або 1898?]». Конкурс Академії наук — Серія III — Науки де ла Віі 324, № 10 (2001): 929—933.
- 2 Міністерство охорони здоров'я та соціальних служб США, Центри з контролю та профілактики захворювань. «Загрози стійкості до антибіотиків у Сполучених Штатах, 2013.» www.cdc.gov/drugresistance/pd... s-2013-508.pdf (доступ 22 вересня 2015).
- 3 М. Cookie та ін. «Фаги в природі». Бактеріофаг 1, №1 (2011): 31—45.
- Сулаквелідзе та співавт. «Бактеріофагова терапія». Антимікробні засоби та хіміотерапія 45, № 3 (2001): 649—659.
- 5 Управління з контролю за продуктами та ліками США. «Схвалення FDA препарату бактеріофагів Listeria на готових до вживання (RTE) м'ясних та птахівничих продуктів.» www.fda.gov/food/ingredientsp... /ucm083572.htm (доступ до 22 вересня 2015 року).
- 6 Н. Філіп та ін. «Пандоравіруси: віруси амеби з геномами до 2,5 Мб, що досягають паразитарних еукаріотів». Наука 341, № 6143 (2013): 281—286.
- 7 Дж. Коен. «Що старого нового: 1918 Вірус відповідає штаму H1N1 2009. Наука 327, № 5973 (2010): 1563—1564.