Репродукция вирусов
Патогенность вирусов определяется их внутриклеточным паразитизмом. Вирусы связываются с мембранными рецепторами и проникают в чувствительные клетки, перестраивают клеточный метаболизм, обеспечивают репликацию собственного генома, синтез вирусных белков, формирование новых вирионов. Репродукция вирусов в клетках ведет к патологии: повреждению клеток, тканей и органов, развитию воспаления. Механизмы репродукции вирусов отличаются большим разнообразием, однако основные этапы этого процесса являются общими. Выделяют следующие стадии продуктивной вирусной инфекции: – адсорбция вируса на клеточной мембране; – проникновение в клетку; – депротеинизация или «раздевание» вириона; – биосинтез вирусных компонентов; – сборка вирусной частицы (морфогенез); – выход вируса из клетки. Адсорбция вируса обусловлена взаимодействием специфических вирусных рецепторов (адресные белки, белки прикрепления) с рецепторами на мембранах чувствительных клеток. Число клеточных рецепторов может достигать до 104 -105 молекул на мембране одной клетки. 27 Рецепторы вирусов обычно представлены гликопротеинами, которые имеют форму шипов (орто- или парамиксовирусы) или нитей (фибры аденовирусов). Взаимодействие обеспечивается в первую очередь комплементарностью между вирусным и клеточным рецептором, а также силами неспецифического межмолекулярного взаимодействия (разностью зарядов, водородными или гидрофобными связями). Первоначально адсорбция обратима из-за единичных связей между вирусом и клеткой; необратимую адсорбцию обеспечивает множественное поливалентное прикрепление вирусов. Рецепторы к вирусам на мембранах клеток очень разнообразны. В норме эти молекулы обеспечивают важные клеточные функции передачи сигнала или межклеточной адгезии. В ходе эволюции вирусы приобрели сродство (тропизм) ко многим из них. В частности, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) при помощи своего рецептора gp120 взаимодействует с молекулой CD4 на клетках системы иммунитета; коронавирус тяжелого острого респираторного синдрома (ТОРС) связывается с ангиотензинпревращающим ферментом, риновирусы – с белком межклеточной адгезии ICAM-1, вирус Эпштейна-Барр – c рецептором для С3d-компонента комплемента CD21; ECHO-вирусы – с клеточными интегринами, орто- и парамиксовирусы – с рецепторами, содержащими остатки сиаловой кислоты. Проникновение вируса в клетку происходит по двум основным механизмам: посредством эндоцитоза (или виропексиса) и путем слияния вирусной и клеточной мембран. При рецепторном эндоцитозе возникает инвагинация клеточной мембраны и образование внутриклеточной вакуоли (эндосомы). Инвагинация обычно происходит в участках мембраны, обогащенных белком клатрином («клатриновые ямки»), или белком кавеолином. Вакуоль с вирусом может попадать в разные участки цитоплазмы или в клеточное ядро с последующим выходом вируса за пределы эндосомы. Процесс слияния активируется связыванием вирусных белков капсидной или суперкапсидной оболочек с клеточными рецепторами. Оболочки вируса далее сливаются с цитоплазматической мембраной клетки хозяина, чему способствует их гидрофобность. У ряда возбудителей (например, парамиксовирусов) имеется специальный F-белок, вызывающий слияние клеточных и вирусных мембран. Сходные по функции белки имеются и у других вирусов. 28 Эндоцитарным путем в клетку поступают простые вирусы (аденовирусы, пикорнавирусы), а также некоторые сложные вирусы – ортомиксовирусы (вирус гриппа), рабдовирусы (вирус бешенства), тогавирусы. Путем слияния проникают сложные вирусы – герпесвирусы, парамиксовирусы, ретровирусы (ВИЧ). Некоторым вирусам для эффективной адсорбции и проникновения требуется наличие дополнительных корецепторов на клеточной мембране. Для ВИЧ корецепторными молекулами на мембране лимфоцитов и макрофагов являются рецепторы к хемокинам CXCR4 и CCR5. Депротеинизация или «раздевание» вирионов – это процесс освобождения вируса от его оболочек (суперкапсида или капсида) с последующим выходом нуклеиновой кислоты в цитоплазму клетки. «Раздевание» вирионов начинается сразу же после их прикрепления к клеточным рецепторам и продолжается в эндоцитарной вакуоли. Кислая среда в эндосоме (рН 5,0-6,0) дополнительно активирует белки, ответственные за депротеинизацию. Например, у вируса гриппа в этом процессе участвуют гемагглютинин, нейраминидаза и матриксный белок М2. Белок М2 формирует ионный канал для протонов, и закисление содержимого вириона приводит к растворению основного матриксного белка М1 вируса гриппа. Биосинтез компонентов вирусов является сложным и многостадийным. Проникновение вируса в клетку дезорганизует и перестраивает нормальный клеточный метаболизм. В результате синтезируются вирусные нуклеиновые кислоты и белки, которые идут на построение новых вирусных частиц. Особенности репродукции разных вирусов определяются различиями в строении их генома (наличие ДНК или РНК, их полярность, способность к обратной транскрипции). Для вирусов характерна дизъюнктивная (или разобщенная) репродукция: в клетке отдельно синтезируются нуклеиновые кислоты и белки вирусов, а затем происходит их сборка в вирусные частицы. У большинства ДНК-содержащих вирусов синтез новой геномной ДНК (репликация) и образование информационной РНК (транскрипция) происходит в ядре инфицированной клетки. Вначале в ядре выполняется транскрипция ДНК вируса на иРНК с помощью клеточной ДНК-зависимой РНК полимеразы (характерно для аденовирусов или герпесвирусов). Далее вирусная иРНК перемещается в цитоплазму на рибосомы, где начинается ее 29 трансляция с образованием вирусных белков. «Ранние» белки, синтезированные в клетке еще до репликации вирусного генома, обеспечивают дальнейшую репродукцию вируса. Среди них фермент вирусная ДНК-полимераза, которая на матрице вирусной ДНК выполняет в ядре синтез новых молекул ДНК генома вируса Дальнейшие процессы транскрипции и трансляции приводят к синтезу «поздних» белковых молекул, в первую очередь – структурных белков. Если репродукция ДНК-вирусов происходит в цитоплазме клеток (поксвирус натуральной оспы), то репликация и транскрипция вирусного генома обеспечивается ферментами самого вируса. РНК-вирусы размножаются в цитоплазме, кроме ретровирусов и вирусов гриппа, репликация которых происходит в ядре. Если у РНК-вирусов геном представлен однонитевой (+) РНК, то она одновременно может выполнять функцию иРНК, с которой непосредственно осуществляется трансляция вирусных белков на рибосомах. Считается, что такая РНК обладает «инфекционностью» – при попадании в клетку она может самостоятельно вызвать инфекционный процесс. Репликация генома у РНК (+) вирусов (флави-, тога-, пикорнавирусы) выполняется вирусным ферментом РНКполимеразой с образованием промежуточной антисмысловой (–) РНК цепи. При этом в клетке временно образуется фрагмент двухцепочечной РНК. По матрице (–) цепи РНК синтезируется геномная РНК (+) цепь. В свою очередь, (+) цепь РНК служит матрицей для трансляции вирусных белков. У ряда вирусов транслируется вся геномная РНК (+) с образованием единого полипротеина. Далее он нарезается с участием вирусных или клеточных протеаз с образованием конечных структурных вирусных белков (пикорнавирусы, флавивирусы). Дополнительно вирусные белки могут подвергаться гликозилированию, связываться с липидами и т.д. У РНК (–) вирусов (орто-, парамиксовирусов, рабдовирусов и других) геном с отрицательной полярностью не выполняет функцию информационной РНК, тем самым он не обладает инфекционностью. Такие вирусы имеют РНК-полимеразы (транскриптазы), которые с негативной РНК-цепи генома синтезируют комплементарную смысловую (+) цепь РНК. С молекулы (+) РНК происходит трансляция вирусных белков на рибосомах. Также она служит матрицей для синтеза геномной (–) РНК. 30 Некоторые вирусы содержат сегментированную двунитевую РНК с положительной и отрицательной полярностью (бирнавирусы, реовирусы и ротавирусы). Их вирионы включают фермент транскриптазу. После попадания вирусов в клетку транскриптаза на матрице (–) цепи РНК образует множественные копии (+) РНК. В свою очередь, они служат матрицей для синтеза вирусных белков и геномной (–) цепи РНК. Наиболее сложной представляется репродукция вирусов, обладающих функцией обратной транскрипции. РНК-содержащие ретровирусы, такие как ВИЧ, обладают ферментом обратной транскриптазой (или ревертазой). Данный фермент является РНК-зависимой ДНК-полимеразой и способен синтезировать цепь вирусной ДНК на матрице вирусной РНК (обратная транскрипция). Далее обратная транскриптаза выполняет синтез второй комплементарной нити ДНК. Двунитевая ДНК транспортируется в ядро и при помощи фермента интегразы встраивается в геном клетки. Образуется ДНК-провирус ВИЧ. На матрице ДНК провируса клеточная РНК-полимераза синтезирует геномные (+) РНК вируса ВИЧ, а также вирусные иРНК. Синтезированные РНК транспортируются в цитоплазму, где на рибосомах создаются структурные белки и ферменты ВИЧ, а также происходит дальнейшая сборка вирионов. Геном гепаднавирусов, к которым относится вирус гепатита В (ВГВ) представлен кольцевой молекулой ДНК с недостроенной (+) цепью. После заражения клетки ДНК ВГВ проникает в ядро. Здесь клеточная или вирусная ДНК-полимераза достраивает ДНК ВГВ до полного генома. По матрице вирусной ДНК клеточная РНКполимераза синтезирует полную РНК-копию генома ВГВ (так называемый прегеном), а также ряд иРНК. иРНК перемещаются в цитоплазму и транслируются на рибосомах в вирусные белки. Один из них (фермент полимераза) обладает функцией обратной транскрипции. В ядре полимераза на матрице РНК-прегенома выполняет синтез вирусной ДНК. Сборка вирусных частиц происходит в результате специфического взаимодействия вирусных белков и нуклеиновых кислот, которые соединяются электростатическими, гидрофобными и водородными связями. Самосборка простых вирионов основана на способности вирусных белков соединяться в капсомеры, которые в итоге образуют многогранник. Капсиды с кубическим типом симметрии могут собираться и без присутствия вирусной 31 нуклеиновой кислоты. С другой стороны, вирусы со спиральным типом симметрии формируют нуклеокапсиды только на основе вирусной РНК. Морфогенез сложных вирусов включает также формирование липидной оболочки из клеточных мембран. Обычно это происходит при выходе вируса из клетки. В состав суперкапсида также включается ряд структурных белков. Выход вирусных частиц из клетки может происходить: 1) путем «взрыва» с гибелью клетки, что характерно для активно размножающихся простых вирусов, не имеющих суперкапсид (например, пикорнавирусов); 2) путем почкования, что типично для сложных вирусов, имеющих липидную оболочку. У них на заключительном этапе сборки нуклеокапсиды фиксируются на клеточной цитоплазматической мембране. При формировании суперкапсида происходит ее выпячивание, образуется «почка», которая затем отделяется (примеры – рабдовирусы, орто- и парамиксовирусы). Клетка при этом может сохранять жизнеспособность. Дальнейшая передача вирусов между клетками осуществляется по ходу свободного тока межтканевой жидкости или через прямые межклеточные контакты. Во многих случаях образование таких контактов определяется самим вирусом. Время, необходимое для репродукции, колеблется от 6-8 часов для вируса гриппа до нескольких суток (вирусы кори, аденовирусы). У ряда вирусов цикл репродукции может быть длительным (цитомегаловирусы, ВГВ, ВИЧ и другие), что ведет к хроническому течению вирусных инфекций. Весьма часто стандартный цикл репродукции нарушается. В первую очередь это связано с генетической нестабильностью репликации у вирусов, особенно РНК-содержащих (репликация, склонная к ошибкам). В результате образуются дефектные вирусы, утратившие ряд генов, необходимых для репродукции. Они могут размножаться только при участии вируса-помощника в случае совместной инфекции данными вирусами. Иногда при нарушении сборки вирионов возникают псевдовирусы – частицы, имеющие вирусный капсид, но включающие фрагменты нуклеиновой кислоты клетки хозяина. Псевдовирусы также не способны к дальнейшей репродукции
|
Скачать 102.99 Kb.