Морфогенез вирусов

Архитектура вирионов. Классификация вирусов

Лекция 3

Компоненты клетки-хозяина

В составе вирионов могут находиться компоненты клетки-хозяина. К таким компонентам могут относиться белки и даже целые клеточные структуры. Так, например, в составе ряда оболочечных вирусов может находиться белок цитоскелета актин, в составе паповавирусов содер­жатся клеточные гистоны. Ряд вирусов содержит клеточ­ные ферменты, например протеинкиназы. В составе аренавирусов обнаружены рибосомы.

Клеточные компоненты могут включаться в вирион случайно или закономерно. В некоторых случаях они игра­ют существенную роль в репродукции вируса, как, напри­мер, гистоны в репродукции паповавирусов.

Изучение строения вирионов привело к заключению, что их формирование подчиняется строгим математичес­ким законам построения пространственных структур — от кристаллов до архитектурных сооружений — законам, основанным на образовании структур с наименьшим уровнем свободной энергии. Поэтому понятие «структура вирионов» заменено более точным определением «архи­тектура вирионов», которое и укоренилось в вирусологии.

Обязательным структурным элементом вирусов явля­ется капсид — белковая оболочка, окружающая вирусную нуклеиновую кислоту. Просто устроенные вирусы, такие как пикорнавирусы и парвовирусы, состоят из капсида, окружающего одну молекулу нуклеиновой кислоты. Сложно устроенные вирусы имеют еще дополнительную внешнюю оболочку — суперкапсид. Эта терминология введена в 1962 г. Д. Каспаром и А. Клагом.

Морфологическими субъединицами капсида, видимыми в электронный микроскоп, являются капсомеры. Этот термин обычно применяют для изометрических капсидов с кубическим типом симмет­рии. Структурными единицами капсида являются белковые субъединицы, состоящие из од­ной или нескольких молекул белка. Структурная единица вируса табачной мо­заики состоит из одной моле­кулы белка, вируса полиомие­лита — из четырех молекул белка.

Существуют два типа строе­ния капсидов вирионов, кото­рые обеспечивают образование структуры с минимумом сво­бодной энергии. В одном случае капсомеры ассоциируются с ге­номом и образуют спиралевид­ную, винтообразную структуру. Такой тип укладки называется спиральным типом симметрии, а сама структура — нуклеокапсидом.

Такой тип симметрии нуклеокапсида характерен для ви­рионов табачной мозаики, ортомиксовирусов, парамиксовирусов, рабдовирусов. Нуклеокапсиды могут быть ригидны­ми, как, например, у парамиксовирусов, или гибкими, если межмолекулярные силы не слишком жестко связывают структурные единицы капсида, как, например, у вируса везикулярного стоматита.

В другом случае капсомеры образуют полое изомет­рическое тело, в центре которого находится геном. Такая укладка называется кубическим типом симметрии. Послед­нее означает, что тело является симметрическим в трех взаимно перпендикулярных направлениях (осях симмет­рии). Изометрические вирусные частицы с кубическим типом симметрии имеют форму геометрической фигуры икосаэдра — многогранника, состоящего обычно из 60 или кратных 60 геометрически идентичных элементов, имеющих 12 вершин, 20 граней, 20 ребер.

По типу икосаэдра по­строены многие мелкие вирусы и нуклеокапсиды сложно устроенных вирусов. Например, вирион полиомиелита представляет икосаэдр, состоящих из 60 капсомеров. Вирион парвовируса представляет икосаэдр, состоящий из 32 капсомеров. В зараженной клетке икосаэдры изометрических вирусов часто образуют кристаллоподобные скопления. Многие сложно устроенные вирусы имеют внешнюю липопротеидную оболочку — суперкапсид, представляющую собой липидный бислой со встроеными в него суперкапсидными белками. Форма таких вирионов приближается к сферической. Суперкапсидные белки являются типичными интрамембранными белками и чаще всего представлены гликопротеидами. Гликопроеиды формируют морфологические субъединицы, которые в электронном микроскопе выглядят в виде шипов.

Некоторые вирионы, содержащие спиральный нуклеокаисид, имеют своеобразную форму. Так, вирусы вези­кулярного стоматита, бешенства и некоторых болезней растений имеют форму винтовочной пули. Наружный и внутренний капсиды реовирусов построены по кубическому типу симметрии; оба они образуют как бы два футляра, один из которого вложен во второй. Капсомеры внутреннего капсида достигают наружного капсида, благодаря чему структура вириона напоминает обод колеса. Особенно четко такая форма выражена у представителей рода ротавирусов.

При недостатке генетического материала и при избы­точной продукции белков могут образоваться даже пустые вирусные частицы, лишенные нуклеиновой кислоты.

Весьма сложное строение имеют вирионы осповакцины. Сердцевина их, содержащая вирусную ДНК в составе нуклеопротеида, имеет форму двояковогнутого кольца и окружена двумя линзообразными латеральными тельцами. Вирус имеет несколько оболочек, из которых наиболее сложное строение имеет наружная оболочка. У ряда сложно устроенных вирусов капсид окружен дополнительными внутренними структурами (вирусным матриксом), образованными обычно внутренними бел­ками. В этом случае внутренний компонент обозначают как «сердцевина» (core), или нуклеоид.

При внутриклеточной репродукции вирусов формируются структуры, отсутствующие в незараженных вирусом клетках. Эти образования — места синтеза и сборки субвирусных структур (компонентов дочерних вирионов) получили разные наименования — клеточные матриксы, «фабрики», виропласты, включения. Эти структуры являются продуктами кооперативных процессов клетки и виpyca, где главенствующая роль принадлежит клетке. Морфологически матриксы выглядят по-разному у разных вирусов. Обычно это места синтеза белков, поэтому в матриксах обнаруживаются значительные скопления рибосом (полисомы). В их состав входят также разные клеточные структуры — мембраны, микротрубочки, осмиофильные волокна и т. п. При этом матриксы проделывают определенный цикл развития. Если вначале в них превалируют полисомы, то позже появляются субвирусные компоненты, которые можно выявить при использова­нии серологических ме­тодов исследования типа ИФ или ИЭМ, а нередко и при обычной ЭМ. При ряде инфекций матриксы связаны с мембранами эндоплазматической сети, аппа­ратом Гольджи и други­ми клеточными структу­рами, куда транспорти­руются все вирусные компоненты.

Образования, сход­ные с цитоплазматическими матриксами, обна­ружены также в ядрах, где происходит репро­дукция большинства ДНК-содержащих виру­сов. При окрашивании клеток они имеют вид внутриядерных включе­ний. На поздних стади­ях инфекции в матриксах или по соседству с ними накапливается большое число вирионов, часто образующих кристаллоподобные формирования. Внут­риядерные кристаллоподобные включения обнаружены, например, у реовирусов, аденовирусов, паповавирусов, парвовирусов. Процесс формирования вирионов у вирусов, имеющих липопротеидные оболочки, значительно более сложен, чем у просто устроенных вирусов, и про­текает многоступенчато. Так, например, изометрические нуклеокапсиды вируса герпеса формируются в ядрах и в дальнейшем транспортируются в цитоплазму путем почко­вания через ядерную мембрану. После этого вирионы транспортируются к аппарату Гольджи, проходя через мем­брану эндоплазматической сети и захватывая ее, как это было при прохождении через ядерную мембрану. Поэтому внеклеточный вирус имеет две оболочки, одна из которых формируется из ядерной, вторая — из цитоплазматической мембраны.

Формирование РНП вирионов парамиксовирусов про­исходит в цитоплазме, где они накапливаются в виде тяжей (рис 9) и затем транспортируются к плазмати­ческой мембране. В это время плазматическая мембрана клетки уже модифицирована, так как в нее встроены с наружной стороны вирусные гликопротеиды, а с внут­ренней стороны — матриксный белок. При приближении к таким модифицированным участкам плазматической мембраны рибонуклеопротеидные тяжи свертываются в плотно упакованные клубки и, проходя через плазмати­ческую мембрану, покрываются ею, приобретая таким путем внешнюю оболочку. Этот тип форми­рования вирионов называется почкованием. Почкование может происходить и во внутриклеточные вакуоли.

Морфогенез вируса оспы еще более сложен. В цито­плазме образуются сложные матриксы, в которых про­исходит синтез многочисленных вирусспецифических структур. Здесь же происходит и формирование вирионов, которые вначале представляют пузырчатые образования, и лишь позже из этих предшественников формируются зрелые вирионы. Выход вирусных частиц из клетки осуществляется либо путем почкования через мембраны во внутриклеточные вакуоли, либо при разру­шении клетки.