Вирусы

Глава 12 

Вирусы 

Вирус в основном состоит из геномной нуклеиновой кислоты, которая реплицируется в клетке-хозяине, используя ее ферментативные системы для синтеза вирусспецифических нуклеиновых кислот и белков (рис. 12-1). Поскольку вирус сам по себе не может расти и размножаться, нельзя считать его «живым» организмом в обычном понимании. В состав вирусов входит либо ДНК, либо РНК, образованная одной или двумя цепями, в зависимости от типа вируса. Все вирусы имеют белковую оболочку (капсид), внутри которой заключена нуклеиновая кислота; у некоторых обнаружена дополнительная, богатая липидами, оболочка, окружающая капсид. Белковая или липопротеиновая оболочка «узнает» поверхность, на которой адсорбируется вирус, и защищает нуклеиновую кислоту в составе вириона.

  Вирусы имеют важное значение, поскольку широко распространены у растений и других организмов, часто при этом являясь причиной болезни. У человека вирусы вызывают множество заболеваний, включая оспу, ветряную оспу, корь, свинку, грипп, респираторные заболевания (часто осложненные вторичной бактериальной инфекцией), инфекционный гепатит, желтую лихорадку, полиомиелит, бешенство, герпес и СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита). Иногда вирусы одной группы могут поражать и растения, и животных. К болезни приводит резкое нарушение процессов жизнедеятельности зараженной клетки. Многие вирусные заболевания у животных можно предупредить путем иммунизации, эффективность которой против оспы была впервые продемонстрирована в 1790-х годах английским врачом Эдуардом Дженнером. Однако, как уже установлено, вирусные заболевания с трудом поддаются лечению, поскольку вирусы не чувствительны к антибиотикам. К счастью, во многих случаях иммунная система ограничивает дальнейшее распространение инфекции.

  Клетки живого организма одновременно могут быть инфицированы различными вирусами. Иногда вирус, выделенный от одного хозяина, может заражать клетки другого хозяина. Поэтому трудно сделать вывод, сколько видов вирусов существует на сегодняшний день; описано по меньшей мере 400 вирусов растений, которые можно подразделить на 25 групп. Вирусы поражают не только эукариотические организмы, но и бактерии. Вирусы бактерий называются

бактериофагами («пожиратели бактерий») или просто фагами. Фаги – это очень важный инструмент современной молекулярной биологии; исследуя взаимодействие фагов и бактерий, мы узнали много нового о механизме синтеза белка и организации генов. Вирусы широко используются для исследований репликации ДНК, регуляции генов, транскрипции, трансляции, процессинга РНК и природы раковых заболеваний. Они представляют собой, по сути, естественные переносчики генетической информации и именно поэтому незаменимы в современной биотехнологии. На их основе получены векторы для переноса генов в бактериальные, животные и растительные клетки. Использование вирусов в генной инженерии растений будет в ближайшее время несомненно расширяться и окажет значительное влияние на ботанические и сельскохозяйственные исследования. Кроме того, ученые полагают, что наряду с бактериями вирусы можно использовать для стимулирования в клетках процессов синтеза полезных и нужных нам веществ.

  Сейчас изучаются разнообразные формы вирусов, инфицирующих насекомых, с целью разработки нового биологического способа борьбы с вредителями. Уже наметились некоторые успехи, например в США с хлопковой совкой (Не-liothis zeae) эффективно борются с помощью вируса. Данные методы борьбы практически безвредны по сравнению с многократным использованием химических пестицидов; более того, вирус имеет высокую специфичность по отношению к паразитам, что немаловажно. 

ПРИРОДА ВИРУСОВ

Существование вирусов было впервые установлено при изучении мозаичной болезни табака. Оказалось, что возбудитель этой болезни может проходить через фарфоровый фильтр, обычно используемый для улавливания бактерий. Размер вирусов колеблется от 17 до 300 нм в диаметре. Таким образом, по величине они сравнимы с молекулами, например атом водорода имеет диаметр около ОД нм, а размер молекулы белка в среднем равен десяткам нанометрам.

  Как уже упоминалось выше, вирусы размножаются только в живых клетках; многие из них высокоспецифичны по отношению к типу инфицируемых клеток. Они радикально изменяют биосинтетические процессы клетки-хозяина; при этом нуклеиновая кислота вируса переключает клетку на синтез вирусспепифических структур, конкурируя, таким образом, с ее генетическим аппаратом (см. рис. 8-3). Например, респираторные вирусы размножаются в клетках слизистой оболочки дыхательных путей, вызывая характерные симптомы простуды. Чаще всего вирусы имеют узкий круг хозяев; одним из быстрых методов идентификации неизвестных бактерий может служить использование специфических бактериофагов, разрушающих определенные бактериальные клетки (рис. 12-1). И наоборот, реакция некоторых видов растений на неизвестный вирус может быть использована (в совокупности с другими методами) для идентификации данного вируса.

  До 1930-х гг. вирусы рассматривались как мельчайшие бактерии. В 1933 г. эта точка зрения была опровергнута. Уэнделл Стэнли, работавший в Рокфеллеровском институте, получил экстракт вируса табачной мозаики из инфицированных растений и очистил его. Очищенный вирус осаждался в виде кристаллов. Кристаллизация – это один из главных тестов на присутствие химически чистого соединения, не содержащего примеси; таким образом, стало ясно, что с химической точки зрения вирус намного проще живого организма. Когда Стэнли растворил игловидные кристаллы и нанес на лист табака, то характерные симптомы мозаичной болезни появились вновь. Тем самым было показано, что вирус сохраняет инфекционность после кристаллизации и ресуспендирования.

  Большинство вирусов растений, подобно вирусу табачной мозаики, содержат только РНК, в то время как другие вирусы – только ДНК. В отличие от вирусов все клеточные организмы содержат оба типа нуклеиновых кислот. Вирусы лишены рибосом, а также ферментов, необходимых для синтеза белка и генерирования энергии. В этом отношении вирусы принципиально отличаются от организмов, имеющих клеточную организацию. 

СТРУКТУРА ВИРУСНЫХ ЧАСТИЦ

С помощью электронного микроскопа изучена структура большого числа вирусов. Вирус табачной мозаики, например, имеет палочковидную форму; его длина составляет 300 нм и диаметр – 15 нм. В состав вируса входит единственная молекула РНК размером в 6000 нуклеотидов (рис. 12-2). Кап-сид состоит из 2000 идентичных молекул белка, уложенных по спирали (рис. 12-3). Наиболее распространенная форма вирусных капсидов – икосаэдр с 20 гранями. Икосаэдр – это многогранник с кубическим типом симметрии, образованный большим числом идентичных субъединиц и имеющий максимальный объем внутреннего пространства (геодезические куполы сконструированы по этому же принципу). К икоса-эдрическим относятся многие вирусы, вызывающие респираторные заболевания человека (рис. 12-4), полиомиелит, оспу птиц, пузырчатую лихорадку, папиллому человека, многие виды рака у мышей и других животных, болезни растений, включая пятнистую мозаику яблонь (рис. 12-5 ,А), кольцевую мозаику табака, мозаику огурцов и плодов бобовых. Рабдо-вирусы растений и животных имеют пулевидную форму и окружены внешней липопротеиновой оболочкой (рис. 12-5,Б). Палочковидные вирусы со спиральной симметрией, подобные вирусу табачной мозаики, наиболее характерны для растений; они часто напоминают неплотную спираль и выглядят как длинные гибкие нити (рис. 12-5,В).

Рис. 12-6. Электронная микрофотография (А) и модель (Б) бактериофага Т4; фаги этой группы инфицируют бактерии Escherichia coli. Хвостовой отросток, полый внутри, окружен чехлом, который способен к сокращению за счет специальных волокон, содержащих А ТР. На конце хвостового отростка имеется базальная пластинка, от которой радиально отходит шесть длинных нитей. Они прикрепляются к клеточной стенке бактерии и притягивают к ней базальную пластинку. Затем белки отростка сокращаются, вводя его, как шприц, в бактерию; молекула ДНК, которая в 650 раз длиннее головки, «впрыскивается» в клетку, оставляя белковую оболочку снаружи 

  Один из распространенных бактериофагов – Т4 (рис. 12-1,12-6) имеет более сложную структуру, чем обсуждавшиеся вирусы. Длина его составляет 100 нм, а сам бактериофаг состоит из пяти «частей»: гексагональной головки, отростка, чехла отростка, способного к сокращению, базальной пластинки и нитей отростка. Длинная молекула ДНК уложена в виде спирали внутри головки фага. Фаг Т4, подобно другим вирусам, способен к синтезу многих белков, не входящих в состав самих вирусных частиц. Эти белки используются для репликации ДНК и других целей. Один из них – фермент лизоцим – вызывает лизис бактериальной клетки в конце инфекционного цикла. Четкие пятна, называемые бляшками, появляются на бактериальных колониях в тех местах, где произошел активный лизис клеток бактериофагами.

  Другие крупные сложные вирусы могут состоять из нескольких молекул ДНК или РНК и различных белков. Такие вирусы могут содержать до 200 генов. Большинство же вирусов, однако, имеет простую кубическую или спиральную организацию и содержит несколько генов, например вирус табачной мозаики имеет всего три гена. 

Инфекционные свойства вирусов

Белковые капсиды отдельных вирусных частиц часто окружены или даже заменены оболочной, богатой липидами. У многих вирусов на оболочке имеются выступы – шипы, состоящие из гликопротеинов и липидов. Свойства молекул, образующих капсиды, оболочку или шипы вирусов, определяют их инфекционные особенности. Например, вирус, проникающий в животную клетку, сначала связывается со специфическим рецептором, расположенным на плазматической мембране клетки. Для вирусов растений специфические рецепторы неизвестны; они проникают через поврежденные поверхности.

  На примере вируса гриппа можно проиллюстрировать распространение вирусной инфекции (рис. 12-7). Специфические гликопротеины, образующие шипы на оболочке вирусных частиц, определяют их инфекционные свойства, которые могут быть изменены в результате рекомбинации и мутаций. Иммунитет к вирусам основан на узнавании специфических белков вирусной оболочки, и поэтому новый штамм вируса, возникший путем рекомбинации или мутации, может вызвать заболевание в популяции, которая уже была предварительно иммунизирована. Свойства поверхностных гликопротеинов вируса гриппа меняются постоянно, и, следовательно, меняются инфекционные свойства индивидуальных штаммов этого вируса.

  Промежуток между эпидемиями гриппа соответствует тому отрезку времени, который необходим для возникновения и стабилизации нового штамма вируса. Грипп – это единственное инфекционное заболевание, которое проявляется в виде периодических глобальных эпидемий, опасных

100 нм

Рис. 12-7. Вирус гриппа. Хорошо видны шипы на оболочке отдельных вирусных частиц

для жизни человека. Зимой 1968/69 гг. в США было зарегистрировано 50 млн. случаев гонконгского гриппа, при этом 70 ООО человек погибло. Колоссальная эпидемия гриппа 1918/19 гг. охватила весь земной шар, проходила в виде трех волн и унесла 20 млн. жизней. Другие вирусные инфекции, включая болезни растений, могут распространяться в зависимости от особенностей строения и изменения капсидов и оболочек, однако они менее изучены, чем грипп. 

РЕПЛИКАЦИЯ ВИРУСОВ

Перед репликацией вирусная нуклеиновая кислота освобождается от капсида и оболочки. Например, у бактериофага Т4 капсид остается снаружи клетки-хозяина; у других капсид или оболочка отделяются от нуклеиновой кислоты внутри клетки; в третьем случае они могут растворяться ферментами клетки-хозяина. У некоторых вирусов часть белков должна внедриться в заражаемую клетку в комплексе с нуклеиновой кислотой, поскольку многие из них представляют собой полимеразы, которые необходимы для репликации вируса. Когда геном вируса освободится от капсида или оболочки внутри клетки-хозяина, дальнейшие события могут развиваться двумя путями.

1. Вирус размножается, используя генетический аппарат клетки. Размножение вируса происходит в три этапа. Во-первых, вирусные нуклеиновые кислоты «заставляют» клетку синтезировать новые вирусные ферменты. Во-вторых, синтезируются в необходимом количестве вирусспецифические нуклеиновые кислоты и белки. И наконец, происходит сборка вирусных частиц. Перечисленные этапы перекрываются во времени и регулируются генетически; в результате образуется большое количество (иногда тысячи) вирусных частиц на клетку. В случае бактериофагов дочерние вирусные частицы выходят из клеток хозяина, разрушая их. Про такие клетки говорят, что они подверглись лизису (от греч. lysis – распад), а подобные вирусы называют литическими. Продуктивная инфекция не всегда приводит к лизису. Многие вирусы животных выходят из клетки, отпочковываясь от клеточной мембраны, а вирусы растений перемещаются по плазмодесмам и в конце концов по проводящим тканям в другие части растения.
2. Геном вируса встраивается в геном клетки-хозяина. Некоторые бактериофаги, например, имеют фрагменты ДНК, гомологичные участкам бактериального генома. Данные вирусы могут встраиваться в геном клеток путем рекомбинации, и в этом случае их называют умеренными фагами, поскольку лизиса клеток не происходит. Встроенный вирус называют профагом. Вирусы, участвующие в трансдукции, являются умеренными фагами. К умеренным вирусам относятся и некоторые вирусы животных, однако среди вирусов растений подобные случаи неизвестны.