Что представляет собой рнк вируса
, PhD, Wadsworth Center, NYSDOH
Last full review/revision February 2018 by Laura D Kramer, PhD
Вирусы – это мельчайшие паразиты, обычно величиной от 0,02 до 0,3 μ м, хотя недавно были обнаружены несколько очень крупных вирусов длиной до 1 μ м (megavirus, pandoravirus). Размножение вирусов находится в полной зависимости от клеток (бактериальных, растительных или животных). Вирусы имеют внешнюю белковую, а иногда и липидную, оболочку, ядро РНК или ДНК и иногда ферменты, необходимые для первых этапов репликации вируса.
Вирусы классифицируются преимущественно в соответствии с природой и структурой их генома и способом их репликации, а не в зависимости от заболеваний, которые они вызывают. Таким образом, существуют ДНК-вирусы и РНК-вирусы; каждый тип может иметь одинарные или двойные цепи генетического материала. Одноцепочечные РНК-вирусы в свою очередь подразделяются на РНК с положительной полярностью и РНК с отрицательной полярностью. Как правило, ДНК-вирусы реплицируются в ядре клетки-хозяина, а РНК-вирусы обычно реплицируются в цитоплазме. В то же время, некоторые одноцепочечные РНК-вирусы с положительной полярностью, называемые ретровирусами, используют совершенно другой способ репликации.
Ретровирусы используют обратную транскрипцию для создания двухцепочечной ДНК-копии (провируса) их генома РНК, которая встраивается в геном клетки-хозяина. Обратная транскрипция осуществляется с помощью фермента обратной транскриптазы, который вирус несет с собой внутри своей оболочки. Примерами ретровирусов являются вирусы иммунодефицита человека и вирусы Т-клеточного лейкоза человека. После того, как провирус интегрируется в ДНК клетки-хозяина, он транскрибируется с использованием обычных клеточных механизмов для воспроизведения вирусных белков и генетического материала. Если инфицированная клетка относится к зародышевой линии, интегрированный провирус может укорениться как эндогенный ретровирус, который передаётся потомству.
Секвенирование генома человека выявило, что как минимум, 1% генома человека состоит из эндогенных ретровирусных последовательностей, представляющие собой предыдущие контакты с ретровирусами в процессе эволюции человека. Немногие эндогенные ретровирусы человека остаются транскрипционно активными и вырабатывают функциональные белки (например, синтицины, которые участвуют в образовании структуры человеческой плаценты). Ряд экспертов полагает, что некоторые заболевания неясной этиологии, такие как рассеянный склероз, определенные аутоиммунные нарушения, а также различные злокачественные опухоли, могут быть вызваны эндогенными ретровирусами.
Поскольку транскрипция РНК не использует те же самые механизмы для контроля ошибок, что и транскрипция ДНК, РНК-вирусы – в частности, ретровирусы – особенно склонны к мутации.
Для того, чтобы произошло инфицирование, вирус в первую очередь прикрепляется к одиночной или к одной из нескольких рецепторных молекул на поверхности клетки-хозяина. Затем вирусная ДНК или РНК проникает в клетку-хозяин и отделяется от внешней оболочки (декапсуляция вируса) и воспроизводится в клетке-хозяине с участием определенных ферментов. Вновь синтезированные компоненты вируса затем собираются в полноценные вирусные частицы. Клетка–хозяин, как правило, погибает, выделяя новые вирусы, которые заражают другие клетки хозяина. Каждый этап вирусной репликации задействует различные ферменты и субстраты и дает возможность для противодействия процессу инфицирования.
Последствия вирусного инфицирования в значительной степени варьируются. Многие инфекции вызывают острое заболевание после непродолжительного инкубационного периода, а некоторые являются бессимптомными или вызывают несущественные симптомы, которые никак нельзя распознать, кроме как ретроспективно. Многие вирусные инфекции устраняются защитными силами организма, но некоторые переходят в латентную форму, а некоторые становятся причиной хронического заболевания.
При скрытой инфекции вирусная РНК или ДНК остается в клетках-хозяина, но не реплицируется и не вызывает заболеваний в течение долгого времени, иногда в течение многих лет. Латентные вирусные инфекции могут передаваться в течение бессимптомного периода, что облегчает распространение от человека к человеку. Иногда реактивацию вызывает инициирующий фактор (в частности, иммуносупрессия).
К распространённым вирусам, которые переходят в латентную форму, относятся
РНК - вирус представляет собой вирус , который имеет РНК (рибонуклеиновая кислота) в качестве своего генетического материала . Это нуклеиновой кислоты , как правило , одноцепочечной РНК ( оцРНК ) , но может быть двухцепочечной РНК (дцРНК). Известные заболевания человека , вызываемые вирусами РНК включают Эбола hemorrhoragic лихорадка , SARS , Бешенство , простуду , грипп , гепатит С , лихорадки Западного Нила , полиомиелит и корь .
Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV) классифицирует РНК -содержащие вирусы , как те , которые принадлежат к группе III , IV группы или группы V по классификации Балтимор системы классификации вирусов и не рассматривают вирусы с ДНК интермедиатами в их жизненном цикле , как РНК - вирусы. Вирусы с РНК в качестве своего генетического материала , которые также включают в себя промежуточные продукты ДНК в их цикле репликации называются ретровирусы , и включают в себя группу VI классификации Балтимор. Известный ретровирус человека включает в себя ВИЧ-1 и ВИЧ-2 , причина заболевания СПИДА .
Другой термин для РНК -содержащих вирусов , которые явно исключает ретровирусов ribovirus .
содержание
Характеристики
РНК - вирусы могут быть дополнительно классифицированы по смыслу или полярности их РНКА в отрицательную смысле и положительный смысл , или двусмысловые РНК - вирусы. Положительно смысл вирусной РНК аналогична мРНК и , таким образом , могут быть немедленно переведены клеткой - хозяином. Отрицательные чувства вирусной РНК является комплементарной мРНК и , следовательно , должны быть преобразованы в положительной смысловой РНК с помощью РНК-зависимой РНК - полимеразы перед переводом. Таким образом , очищенный РНК вируса позитивно-смысловой может непосредственно вызвать инфекцию , хотя это может быть менее заразным , чем весь вирусной частицы. Очищенная РНК вируса отрицательного смысла не заразна сам по себе , как это должно быть расшифровано в положительном смысловой РНК; каждый из вирионов может быть переписана несколько положительно смысловых РНК. Двусмысловые РНК - вирусы похожи на вирусы РНК отрицательного смысла, за исключением того, что они также переводят гены от положительной цепи.
В (DS) вирусы двунитевой РНК представляют собой разнородную группу вирусов , которые широко варьировать в диапазоне хозяина (человека, животных, растений, грибов и бактерий ), генома номера сегмента ( от одного до двенадцати) и вириона организации ( номер триангуляции , капсида слои, шипы, башни и т.д.). Члены этой группы включают ротавирусы , известный во всем мире как наиболее распространенной причиной гастроэнтерита у детей младшего возраста, а также picobirnaviruses , известные во всем мире , как наиболее часто встречающийся вирус в фекальных образцах как людей , так и животных , с или без признаков диареи. Вирус КЛО является экономически важным патогеном крупного рогатого скота и овец. В последние годы значительный прогресс был достигнут в определении, на атомных и subnanometeric уровнях структуры ряда ключевых вирусных белков и вириона капсид нескольких вирусов дсРНК, выделяя значительные параллели в структуре и репликативные процессы многих эти вирусы.
РНК - вирусы , как правило , имеют очень высокие мутационные цены по сравнению с ДНК - вирусами , так как вирусный РНК - полимераза не хватает корректуру способности ДНК - полимераз . Это одна из причин , почему это трудно сделать эффективные вакцины для профилактики заболеваний , вызываемых вирусами РНК. Ретровирусы также имеют высокую частоту мутаций , даже если их ДНК промежуточные интегрируют в геном хозяина (и, таким образом , при условии размещения ДНК корректуры один раз интегрированной), так как ошибки в процессе обратной транскрипции встроены в обе нити ДНК до интеграции. Некоторые гены РНК вируса являются важными для вирусных циклов репликации и мутация не допускаются. Например, область вируса гепатита С геном , который кодирует основной белок высоко консервативен , так как она содержит структуру РНК , участвующих в внутреннем сайте рибосомного входа .
копирование
РНК-вирусы животных классифицируются по ICTV. Есть три отдельные группы РНК-вирусов, в зависимости от их генома и способа репликации:
- Двухцепочечные РНК-вирусы (III группа) содержат от одного до дюжины различных молекул РНК, каждый из кодирования для одного или нескольких вирусных белков.
- Положительно смысловые оцРНК вирусы (группы IV) имеют их геном непосредственно использованы в качестве мРНК, с принимающими рибосомыперевод его в один белок , который модифицирован путем хозяина и вирусных белков , чтобы сформировать различные белки , необходимые для репликации. Один из них включает в себя РНК-зависимой РНК - полимеразы (РНК - репликазы), который копирует вирусной РНК с образованием двухцепочечной репликативной формы. В свою очередь , это дсРНК управляет формированием новой вирусной РНК.
- Отрицательно смысл оцРНК вирусы (группа V) должны иметь свой геном скопированный с помощью РНК-репликазы с образованием положительной смысловой РНК. Это означает, что вирус должен принести вместе с ним РНК репликазы фермента. Молекула РНК положительной смысл тогда действует как вирусной мРНК, которая транслируется в белки принимающими рибосом.
Ретровирусы (VI группы) имеют одноцепочечной РНК - геном , но, в общем, не считаются РНК -содержащих вирусов , поскольку они используют промежуточные продукты ДНК для репликации. Обратные транскриптазы , вирусный фермент , который происходит от вируса себя после того, как она без покрытия, преобразует вирусной РНК в комплементарные нити ДНК, которая копируется , чтобы произвести двухцепочечную молекулу вирусной ДНК. После того, как эта ДНК интегрирована в геном хозяина с помощью вирусного фермента интегразы , экспрессия генов , кодируемых может привести к образованию новых вирионов.
классификация
Классификация вирусов РНК, оказалось трудной задачей. Это отчасти из-за высокой частоты мутаций эти геномы подвергаются. Классификация основана главным образом, от типа генома (двухцепочечный, или отрицательный положительным однонитевой) и числа генов и организации. В настоящее время существует 5 порядков и 47 семейств РНК-содержащих вирусов, признаваемые. Есть также много нераспределенных видов и родов.
Относящиеся к но отличаются от РНК - вирусов являются вироидов и РНК спутниковые вирусы . Они в настоящее время не классифицируются как РНК - вирусы и описаны на своих страницах.
Изучение нескольких тысяч вирусов РНК показал наличие по крайней мере , пяти основных таксонов: в levivirus и группы родственников; пикорнавирус супергруппа; альфавирус супергруппа плюс флавивирус супергруппа; вирусы дцРНКа; и католита вирусы прядей. Лентивирусов группа , как представляется, базальная для всех остальных РНК -содержащих вирусов. Следующее крупное подразделение лежит между picornasupragroup и остальными вирусами. Вирусы дцРНК , по всей видимости, произошли от + ве РНК предка и минусу РНК -содержащих вирусов из вирусов внутри дцРНК. Ближайший reltion к минусу скрученных РНК вирусов являются Reoviridae .
Это единственная самая большая группа РНК-содержащих вирусов с 30 семей. Делались попытки сгруппировать эти семьи в высших порядках. Эти предложения были основаны на анализе РНК-полимеразы и все еще находятся на рассмотрении. На сегодняшний день предложение, предложенное не было широко принято из-за сомнения по поводу пригодности одного гена, чтобы определить таксономию кладов.
Предложенная классификация положительно прядей РНК-вирусов на основе РНК-зависимой РНК-полимеразы. Три группы были признаны:
- Bymoviruses, comoviruses, nepoviruses, nodaviruses, пикорнавирусы, potyviruses, sobemoviruses и подмножество luteoviruses (свекла вирус западных желтеет и вирус Скручивание листьев картофеля) -The пикорнавирусы, как группы (Picornavirata).
- Carmoviruses, dianthoviruses, флавивирусов, пестивирусов, statoviruses, tombusviruses, одноцепочечные РНК бактериофаги, вирус гепатита С и подмножество luteoviruses (желтой карликовости ячменя вирус) -The flavi, как группы (Flavivirata).
- Альфавирусы, carlaviruses, furoviruses, hordeiviruses, potexviruses, rubiviruses, tobraviruses, tricornaviruses, tymoviruses, яблоко хлоротичного вирус пятна листьев, свекла желтеет вирус и гепатит Е вирус-альфа, как группы (Rubivirata).
Альфа , как супергруппы может быть дополнительно разделен на три клады : рубите-подобный, tobamo-подобный, и tymo-подобные вирусы.
Дополнительная работа определила пять групп положительных одноцепочечной РНК вирусов, содержащих четыре, три, три, три, и один заказ (ы), соответственно. Эти четырнадцать порядков содержат 31 семейства вирусов (в том числе 17 семей вирусов растений) и 48 родов (в том числе 30 родов вирусов растений). Этот анализ предполагает, что альфавирусы и флавивирусы могут быть разделены на два семейство-в Togaviridae и Flaviridae, соответственно, но предполагают, что другие таксономические задания, такие как пестивирусы, вирус гепатита С, rubiviruses, вирус гепатита Е, и arteriviruses, могут быть неправильными. В коронавирус и toroviruses, как представляется, отдельные семьи в различных заказов и не отличаются роды того же семейства, в настоящее время классифицируются. В luteoviruses, как представляется, две семьи, а не один, а яблоко вирус хлоротичное пятнистость листьев, кажется, не быть клостеровирус, но новый род Potexviridae.
Эволюция пикорнавирусах на основе анализа их РНК - полимеразы и геликаз , как представляется , дата дивергенции эукариот . Их предполагаемые предки включают бактериальную группа II ретроэлементы , семейство HtrA протеаз и ДНК бактериофагов .
Partitiviruses связаны и, возможно, произошли от totivirus предка.
Hypoviruses и barnaviruses по-видимому, разделяют родословную с potyvirus и sobemovirus линий соответственно.
Этот анализ также показывает, что вирусы дцРНКа не тесно связаны друг с другом, но вместо того, чтобы принадлежать к четырем дополнительным классам-Birnaviridae, Cystoviridae, Partitiviridae и Reoviridae - и один дополнительному заказу (Totiviridae) одного из классов положительных вирусов оцРНКа в же подтип, как положительно прядей РНК-вирусов.
Одно исследование предположило, что есть два больших клада: один включает в Caliciviridae, Flaviviridae и Пикорнавирусов семьи и второй, который включает в себя Alphatetraviridae, Birnaviridae и Cystoviridae, Nodaviridae и Permutotretraviridae семьи.
Эти вирусы имеют различные типы генома , начиная от одной молекулы РНК до восьми сегментов. Несмотря на их разнообразие кажется , что они , возможно, возникли в членистоногих и диверсифицируют оттуда.
Ряд спутниковых вирусов - вирусы , которые требуют помощи другого вируса , чтобы завершить свой жизненный цикл - также известны. Их таксономии выделялось еще предстоит урегулировать. Следующие четыре рода были предложены для положительных чувственных одноцепочечных РНК спутниковых вирусов , которые заражают растения - Albetovirus , Aumaivirus , Papanivirus и Virtovirus . Семейство - Sarthroviridae , который включает в себя род Macronovirus - был предложен для положительном смысле одноцепочечных РНК спутниковых вирусов, поражающих членистоногих .
Вирусы группы III-дцРНК
Есть двенадцать семей и ряд присвоенных в родах и видов, признанных в этой группе.
Группа IV-позитивно-смысловые вирусы оцРНК
Есть три порядка и 34 семей, признанных в этой группе. Кроме того, существует целый ряд неклассифицированных видов и родов.
Группа V-отрицательные чувства вирусы оцРНКа
С Exeption от вируса гепатита D , эта группа вирусов были помещены в один фила - Negarnaviricota . Этот тип был разделен на две subphyla - Haploviricotina и Polyploviricotina . В подтипа Haploviricotina четыре класса в настоящее время признаются: Chunqiuviricetes , Milneviricetes , Monjiviricetes и Yunchangviricetes . В подтипа Polyploviricotina два класса признаны: Ellioviricetes и Insthoviricetes .
Шесть классов, семь порядков и двадцать четыре семьи в настоящее время признаются в этой группе. Ряд присвоенных в видов и родов еще не классифицированы.
Россия готовится к тотальному тестированию, новые тест-системы позволяют быстро провести масштабную проверку на вирус. К массовому выпуску приступил один из разработчиков нового продукта, два других начинают производство. Олег Гусев, ведущий научный сотрудник Научно-клинического центра прецизионной и регенеративной медицины Казанского федерального университета и института физико-химических исследований RIKEN (Япония) помог РБК Тренды разобраться в том, как устроено тестирование на коронавирус в России и в мире.
Что предлагает ВОЗ
Глава Всемирной организации здравоохранения Тедрос Гебреисус еще в середине марта призвал страны проводить как можно больше тестов на вирус, который вызывает заболевание SARS-CoV-2, даже людям без симптомов. Согласно руководству ВОЗ, анализы на коронавирус COVID-19 должны проводиться методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) с обратной транскрипцией. Как говорится в рекомендациях, на сегодня это самый точный и надежный метод диагностики вирусной инфекции. Он позволяет определить даже очень небольшое количество РНК вируса в биологическом материале человека. Это помогает выявить болезнь в инкубационном периоде.
Изобретенный в 1983 году метод и сейчас считается фундаментальным в молекулярной диагностике. Американский ученый, который придумал способ значительного увеличения малых концентраций фрагментов ДНК в биологической пробе, получил за него Нобелевскую премию. Выявление ДНК/РНК методом ПЦР позволяет диагностировать такие заболевания, как ВИЧ, вирусные гепатиты, инфекции, передающиеся половым путем, туберкулез, боррелиоз, энцефалит и многие другие. Метод используют в археологии, криминалистике, генетике.
Как работает ПЦР-тест
Для анализа из физиологических жидкостей извлекают одноцепочечную РНК, моделируют на ее основе двуцепочечную ДНК и многократно дублируют с помощью специального фермента (полимеразы). Увеличение числа копий ДНК называется амплификацией. В результате концентрация определенных фрагментов ДНК/РНК в биологическом образце, изначально минимальная, значительно увеличивается. При исследовании копируется только необходимый для теста участок ДНК. И, конечно, дублирование происходит только в том случае, если искомый участок вирусной ДНК или РНК присутствует в исследуемом биоматериале. В случае с коронавирусом мазок для анализа берут из ротоглотки или носоглотки, поскольку в крови или в кале вирус появляется на более продвинутой стадии болезни.
Тест-система EMG — продукт совместной разработки российских и японских разработчиков, проводившейся с 2016 года, рассказывает Олег Гусев. На данный момент эти тесты включены в систему обязательного медицинского страхования в Японии.
В ближайшее время планируется производить до 2,5 млн. тестов и 1 тыс. портативных лабораторий в неделю. Сами тесты, как и многие реагенты производятся в России. Планируется, что цена на тесты EMG будет в среднем в пять раз меньше, чем на стандартные ПЦР-тесты в Европе.
Российско-японские тесты основаны на методе изотермальной молекулярной диагностики SmartAmp, превосходящем метод ПЦР по скорости работы в восемь раз, а переносная лаборатория позволяет тестировать до 20 пациентов в час, говорит Гусев.
Ключевое отличие теста EMG в том, что многие тесты, которые производятся сейчас, это тесты ИФА (имунноферментный анализ), а не ПЦР. Данные системы определяют антитела, которые организм начинает вырабатывать не ранее, чем через неделю после заражения. Российско-японская разработка позволяет получать результат уже за 30 минут, с точностью, равной почти 100%. Кроме того, тест EMG позволяет определить наличие вируса уже на самых ранних стадиях, в то время как другие системы диагностики короновируса обладают меньшей чувствительностью и не могут выявлять вирус на ранней стадии инфицирования.
Принцип технологии российско-японского теста, по сути, не отличается от классической ПЦР — это наращивание количества целевых фрагментов ДНК и их детекция. Однако в изотермической амплификации, в отличие от классической ПЦР, где необходимы циклы нагрева и охлаждения, все происходит при одной температуре. Это позволяет многократно увеличивать скорость реакции. Метод SmartAmp был изобретен более 15 лет назад (как и LAMP — другая популярная технология изотермальной амплификации, предшествующая SmartAmp). Впервые для инфекционных заболеваний эту технологию применили в 2009 году для быстрого выявления пандемического гриппа (H1N1) в Японии.
Повторные тесты необходимы при любом методе. Отрицательный тест на COVID-19 не гарантирует, что человек не заразится этим вирусом на следующий день. Поэтому, например, в японских лабораториях персонал тестируют каждые несколько дней. Повторный тест нужен и для того, чтобы подтвердить, что человек излечился.
Эта тест-система будет использоваться для диагностики COVID-19 не только в России и Японии. 40 тыс. тестов закупила Австрия, поступили заказы из других стран Европы, Ближнего Востока, и Латинской Америки. Подана заявка в Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (FDA) для поставок в эту страну.
На данный момент в России прошли регистрацию еще три теста на коронавирус.
По некоторым данным, в Москве проводится около 700 тестов на коронавирус в сутки. В планах у московских властей увеличить этот показатель до 10 тыс. тестов в сутки, а затем довести его до 25—28 тыс. тестов ежедневно.
Новые разработки за рубежом
Компания Bosch выводит на рынок свой тест на коронавирус, который сначала будет доступен в Германии, а вскоре появится в других странах. В его основе лежит диагностический аппарат Vivalytic, который, по словам изготовителей, станет первым автоматизированным тестом на COVID-19. Тест распознает не только коронавирус, но еще шесть респираторных заболеваний, например, вирусы гриппа А и B. Во время лабораторных испытаний аппарата его точность составила 95%.
Как пишет издание ZME Science, анализ может проводиться прямо в стационаре или медицинском центре — не нужно отправлять образцы в лабораторию и ждать, пока придет ответ. Врачи смогут быстрее идентифицировать и изолировать зараженных, а пациентам не придется пребывать в неизвестности несколько дней. Тест прост в обслуживании и не требует специальной подготовки. Медперсоналу нужно только взять мазок из носа или горла пациента, нанести его на картридж, содержащий реагент, и вставить картридж в анализатор. Каждый аппарат может выполнять до десяти анализов за 24 часа.
Еще более оперативный тест на COVID-19 разработали в Великобритании. Он позволяет выявить COVID-19 всего за 30 минут. Чтобы провести его, достаточно портативного оборудования стоимостью около $120 и набора полосок для мазков из носа и горла по $5 каждая. Одновременно проходить тест могут до шести человек.
FDA в экстренном порядке одобрило сверхбыстрый тест на коронавирус, разработанный калифорнийской компанией Cepheid. С его помощью диагноз можно будет поставить всего за 45 минут. Как отмечает Business Insider, для обработки результатов теста не требуется специальное обучение. Нужен лишь доступ к системе Cepheid GeneXpert — в США их 5 тыс., а по всему миру — 23 тыс.
Начало тотального тестирования людей на COVID-19 во всем мире — хорошая новость как для людей, так и для национальных органов здравоохранения. До сих пор в мире нет четкого представления о том, сколько людей заражены коронавирусом и выявление тех, у кого он уже есть: их госпитализация или отправка на домашний карантин позволит быстрее оценить масштаб угрозы и вовремя принять правильные меры.
| ← Предыдущая глава | Глава 1.6 | Следующая глава → |
| Вирусы — неклеточные формы жизни | ||
Ви́рус (от лат. virus — яд) — микроскопическая частица, состоящая из белков и нуклеиновых кислот и способная инфицировать клетки живых организмов. Вирусы являются облигатными паразитами — они не способны размножаться вне клетки. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Обнаружен также вирус, поражающий другие вирусы (Вирусы тоже болеют вирусными заболеваниями).
Вирусы представляют собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключённые в защитную белковую оболочку (капсид). Наличие капсида отличает вирусы от других инфекционных агентов, вироидов. Вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты: либо ДНК, либо РНК. Ранее к вирусам также ошибочно относили прионы, однако впоследствии оказалось, что эти возбудители представляют собой особые белки и не содержат нуклеиновых кислот.
Роль вирусов в биосфере
Вирусы являются одной из самых распространённых форм существования органической материи на планете по численности: воды мирового океана содержат колоссальное количество бактериофагов (около 10 11 частиц на миллилитр воды), их общая численность в океане — около 4 х 10 30 , а численность вирусов (бактериофагов) в донных отложениях океана практически не зависит от глубины и всюду очень высока [1]. В океане обитают сотни тысяч видов (штаммов) вирусов, подавляющее большинство которых не описаны и тем более не изучены [2][3]. Вирусы играют важную роль в регуляции численности популяций животных.
Вирусные частицы (вирио́ны) представляют собой белковую капсулу — капсид, содержащую геном вируса, представленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров — белковых комплексов, состоящих в свою очередь из протомеров. Нуклеиновая кислота в комплексе с белками обозначается термином нуклеокапсид. Некоторые вирусы имеют также внешнюю липидную оболочку. Размеры различных вирусов колеблются от 20 нм (пикорнавирусы) до 500 нм (мимивирусы). Вирионы часто имеют правильную геометрическую форму (икосаэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими её белками, и, следовательно, может быть построена из стандартных белков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу экономить место в геноме.
Фазы вирусной инфекции [ править ]
Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на несколько взаимоперекрывающихся этапов:
Классификация Балтимора и жизненные циклы вирусов [ править ]
Нобелевский лауреат, биолог Дэвид Балтимор, предложил свою схему классификации вирусов, основываясь на различиях в механизме продукции мРНК и связанных с этим особенностях жизненного цикла вирусов. .Эта система включает в себя семь основных групп:
- (VII) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроидные вирусы (например, вирус гепатита B).
История изучения вирусов [ править ]
В 1901 г. было обнаружено первое вирусное заболевание человека — жёлтая лихорадка. Это открытие было сделано американским военным хирургом У. Ридом и его коллегами.
В 1911 г. Фрэнсис Раус доказал вирусную природу рака — саркомы Рауса (лишь в 1966 г, спустя 55 лет, ему была вручена за это открытие Нобелевская премия по физиологии и медицине).
В последующие годы изучение вирусов сыграло важнейшую роль в развитии эпидемиологии, иммунологии, молекулярной генетики и других разделов биологии. Так, эксперимент Херши-Чейз стал решающих доказательством роли ДНК в передаче наследственных свойств. В разные годы еще как минимум шесть Нобелевских премий по физиологии и медицине и три Нобелевских премии по химии были вручены за исследования, непосредственно связанные с изучением вирусов.
В 2002 году, в университете Нью-Йорка был создан первый синтетический вирус (вирус полиомиелита).
В 1901 американский военный хирург У.Рид и его коллеги установили, что возбудитель желтой лихорадки также является фильтрующимся вирусом. Желтая лихорадка была первым заболеванием человека, опознанным как вирусное, однако потребовалось еще 26 лет, чтобы ее вирусное происхождение было окончательно доказано.
Свойства и происхождение вирусов. Наиболее просто устроенные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты, являющейся генетическим материалом (геномом) вируса, и покрывающего нуклеиновую кислоту белкового чехла. В состав некоторых вирусов входят также углеводы и жиры (липиды). Таким образом, вирусы можно рассматривать просто как мобильные наборы генетической информации. Вирусы лишены некоторых ферментов, необходимых для репродукции, и могут размножаться только внутри живой клетки, метаболизм которой после заражения перестраивается на воспроизводство вирусных, а не клеточных компонентов. Это свойство вирусов позволяет отнести их к облигатным (обязательным) клеточным паразитам. После синтеза отдельных компонентов формируются новые вирусные частицы. Симптомы вирусного заболевания развиваются как следствие повреждения вирусами отдельных клеток.
Принято считать, что вирусы произошли в результате обособления (автономизации) отдельных генетических элементов клетки, получивших, кроме того, способность передаваться от организма к организму. В нормальной клетке происходят перемещения нескольких типов генетических структур, например матричной, или информационной, РНК (мРНК), транспозонов, интронов, плазмид. Такие мобильные элементы, возможно, были предшественниками, или прародителями, вирусов.
Являются ли вирусы живыми организмами? В 1935 американский биохимик У.Стэнли выделил в кристаллической форме вирус табачной мозаики, доказав тем самым его молекулярную природу. Полученные результаты вызвали бурные дискуссии о природе вирусов: являются ли они живыми организмами или просто активированными молекулами? Действительно, внутри зараженной клетки вирусы проявляют себя как интегральные компоненты более сложных живых систем, но вне клетки представляют собой метаболически инертные нуклеопротеины. Вирусы содержат генетическую информацию, но не могут самостоятельно реализовать ее, не обладая собственным механизмом синтеза белка. Когда особенности строения и репродукции вирусов оказались выясненными, вопрос о том, являются ли они живыми, постепенно утратил свое значение.
Размеры вирусов. Величина вирусов варьирует от 20 до 300 нм (1 нм = 10 - 9 м). Практически все вирусы по своим размерам мельче, чем бактерии ( см. БАКТЕРИИ) . Однако наиболее крупные вирусы, например вирус коровьей оспы, имеют такие же размеры, как и наиболее мелкие бактерии (хламидии и риккетсии), которые тоже являются облигатными паразитами и размножаются только в живых клетках. Поэтому отличительными чертами вирусов по сравнению с другими микроскопическими возбудителями инфекций служат не размеры или обязательный паразитизм, а особенности строения и уникальные механизмы репликации (воспроизведения самих себя).
Вирионы со спиральным типом симметрии, как у вируса табачной мозаики, имеют форму удлиненного цилиндра; внутри белкового чехла, состоящего из отдельных субъединиц капсомеров, находится свернутая спираль нуклеиновой кислоты (РНК). Вирионы с икосаэдрическим типом симметрии (от греч. eikosi двадцать, hedra поверхность), как у полиовируса, имеют сферическую, а точнее, многогранную форму; их капсиды построены из 20 правильных треугольных фасеток (поверхностей) и похожи на геодезический купол.
Встречаются вирусы с еще более сложным строением. Вирионы поксвирусов (вирусы группы оспы) не имеют правильного, типичного капсида: между сердцевиной и наружной оболочкой у них располагаются трубчатые и мембранные структуры.
ДНК обычно существует в виде двухцепочечных структур: две полинуклеотидные цепочки соединены водородными связями и закручены таким образом, что образуется двойная спираль. РНК, напротив, обычно существует в виде одноцепочечных структур. Однако геном отдельных вирусов представляет собой одноцепочечную ДНК или двухцепочечную РНК. Нити (цепочки) вирусной нуклеиновой кислоты, двойные или одинарные, могут иметь линейную форму или замыкаться в кольцо.
У некоторых ДНК-содержащих вирусов сам цикл репродукции в клетке не связан с немедленной репликацией вирусной ДНК; вместо этого вирусная ДНК встраивается (интегрируется) в ДНК клетки-хозяина. На этой стадии вирус как единое структурное образование исчезает: его геном становится частью генетического аппарата клетки и даже реплицируется в составе клеточной ДНК во время деления клетки. Однако впоследствии, иногда через много лет, вирус может появиться вновь запускается механизм синтеза вирусных белков, которые, объединяясь с вирусной ДНК, формируют новые вирионы.
Так называемые ретровирусы содержат в качестве генома РНК и имеют необычный способ транскрипции генетического материала: вместо транскрипции ДНК в РНК, как это происходит в клетке и характерно для ДНК-содержащих вирусов, их РНК транскрибируется в ДНК. Двухцепочечная ДНК вируса затем встраивается в хромосомную ДНК клетки. На матрице такой вирусной ДНК синтезируется новая вирусная РНК, которая, как и другие, определяет синтез вирусных белков. См. также РЕТРОВИРУСЫ.
Тем не менее система классификации вирусов необходима в практической работе, и попытки ее создания предпринимались неоднократно. Наиболее продуктивным оказался подход, основанный на структурно-функциональной характеристике вирусов: чтобы отличить разные группы вирусов друг от друга, описывают тип их нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК, каждая из которых может быть одноцепочечной или двухцепочечной), ее размеры (число нуклеотидов в цепочке нуклеиновой кислоты), число молекул нуклеиновой кислоты в одном вирионе, геометрию вириона и особенности строения капсида и наружной оболочки вириона, тип хозяина (растения, бактерии, насекомые, млекопитающие и т.д.), особенности вызываемой вирусами патологии (симптомы и характер заболевания), антигенные свойства вирусных белков и особенности реакции иммунной системы организма на внедрение вируса.
В систему классификации вирусов не вполне укладывается группа микроскопических возбудителей болезней, называемая вироидами (т.е. вирусоподобными частицами). Вироиды вызывают многие распространенные среди растений болезни. Это мельчайшие инфекционные агенты, лишенные даже простейшего белкового чехла (имеющегося у всех вирусов); они состоят только из замкнутой в кольцо одноцепочечной РНК.
Эволюция вирусов и вирусных инфекций. Хотя вирусы не являются полноценными живыми организмами, их эволюционное развитие имеет много общего с эволюцией других патогенных организмов. Для того чтобы сохраниться как вид, ни один паразит не может быть слишком опасным для своего основного хозяина, в котором размножается. В противном случае это привело бы к полному исчезновению хозяина как биологического вида, а вместе с ним и самого возбудителя. В то же время любой патогенный организм не сможет существовать как биологический вид, если у его основного хозяина слишком быстро и эффективно развивается иммунитет, позволяющий подавлять репродукцию возбудителя. Поэтому вирус, вызывающий острое и тяжелое заболевание у какого-либо вида животных, обычно имеет еще и другого хозяина. Размножаясь в последнем, вирус не наносит ему (как виду) существенного вреда, однако такое относительно безвредное сосуществование поддерживает циркуляцию вируса в природе. Так, например, вирус бешенства в природе сохраняется среди грызунов, для которых заражение этим вирусом не является смертельным. Природным резервуаром для вирусов лошадиных энцефалитов, особо опасных для лошадей и в несколько меньшей степени для человека, являются птицы. Эти вирусы переносятся кровососущими комарами, в которых вирус размножается без существенного вреда для комара. Иногда вирусы могут передаваться насекомыми пассивно (без размножения в них), однако чаще всего они репродуцируются в переносчиках.
Для многих вирусов, например кори, герпеса и отчасти гриппа, основным природным резервуаром является человек. Передача этих вирусов происходит воздушно-капельным или контактным путем.
Распространение некоторых вирусных заболеваний, как и других инфекций, полно неожиданностей. Например, в группах людей, проживающих в антисанитарных условиях, практически все дети в раннем возрасте переносят полиомиелит, обычно протекающий в легкой форме, и приобретают иммунитет. Если же условия жизни в этих группах улучшаются, дети младшего возраста обычно полиомиелитом не болеют, но заболевание может возникнуть в более старшем возрасте, и тогда оно часто протекает в тяжелой форме.
Возбудители некоторых болезней, в том числе очень тяжелых, не укладываются ни в одну из вышеперечисленных категорий. К особой группе медленных вирусных инфекций еще недавно относили, например, болезнь Крейтцфельда Якоба и куру дегенеративные заболевания головного мозга, имеющие очень продолжительный инкубационный период. Однако оказалось, что они вызываются не вирусами, а мельчайшими инфекционными агентами белковой природы прионами ( см . ПРИОН) .
Лечение и профилактика. Репродукция вирусов тесно переплетается с механизмами синтеза белка и нуклеиновых кислот клетки в зараженном организме. Поэтому создать лекарства, избирательно подавляющие вирус, но не наносящие вреда организму, задача чрезвычайно трудная. Все же оказалось, что у наиболее крупных вирусов герпеса и оспы геномные ДНК кодируют большое число ферментов, отличающихся по свойствам от сходных клеточных ферментов, и это послужило основой для разработки противовирусных препаратов. Действительно, создано несколько препаратов, механизм действия которых основан на подавлении синтеза вирусных ДНК. Некоторые соединения, слишком токсичные для общего применения (внутривенно или через рот), годятся для местного использования, например при поражении глаз вирусом герпеса.
Известно, что в организме человека вырабатываются особые белки интерфероны. Они подавляют трансляцию вирусных нуклеиновых кислот и таким образом угнетают размножение вируса. Благодаря генной инженерии стали доступны и проходят проверку в медицинской практике интерфероны, производимые бактериями ( см. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ) .
К самым действенным элементам естественной защиты организма относятся специфические антитела (специальные белки, вырабатываемые иммунной системой), которые взаимодействуют с соответствующим вирусом и тем самым эффективно препятствуют развитию болезни; однако они не могут нейтрализовать вирус, уже проникший в клетку. Примером может служить герпетическая инфекция: вирус герпеса сохраняется в клетках нервных узлов (ганглиев), где антитела не могут его достичь. Время от времени вирус активируется и вызывает рецидивы заболевания.
Обычно специфические антитела образуются в организме в результате проникновения в него возбудителя инфекции. Организму можно помочь, усиливая выработку антител искусственно, в том числе создавая иммунитет заранее, с помощью вакцинации. Именно таким способом, путем массовой вакцинации, заболевание натуральной оспой было практически ликвидировано во всем мире. См. также ВАКЦИНАЦИЯ И ИММУНИЗАЦИЯ.
Накопление вирусов. Для приготовления вакцинных препаратов необходимо накопить вирус. С этой целью часто используют развивающиеся куриные эмбрионы, которых заражают данным вирусом. После инкубирования зараженных эмбрионов в течение определенного времени накопившийся в них вследствие размножения вирус собирают, очищают (центрифугированием или другим способом) и, если нужно, инактивируют. Очень важно удалить из препаратов вируса все балластные примеси, которые могут вызывать серьезные осложнения при вакцинации. Конечно, не менее важно убедиться, что в препаратах не осталось неинактивированного патогенного вируса. В последние годы для накопления вирусов широко используют различные типы клеточных культур.
Работы с бактериофагами способствовали расширению методического арсенала в изучении вирусов животных. До этого исследования вирусов позвоночных выполнялись в основном на лабораторных животных; такие опыты были очень трудоемки, дороги и не очень информативны. Впоследствие появились новые методы, основанные на применении тканевых культур; бактериальные клетки, использовавшиеся в экспериментах с фагами, были заменены на клетки позвоночных. Однако для изучения механизмов развития вирусных заболеваний эксперименты на лабораторных животных очень важны и продолжают проводиться в настоящее время.
Вирусология . Под редакцией Филдса Б., Найта Д., тт. 13, М., 1989
Читайте также:
