Репродукция вирусов (продуктивный)

Продуктивный тип взаимодействия виру­са с клеткой, т. е. репродукция вируса (лат. re — повторение, productio — производство), проходит в 6 стадий:

1 ) адсорбция вирионов на клетке;

2) проникновение вируса в клетку;

3) «раздевание» и высвобождение вирусного генома (депротеинизация вируса);

4) синтез вирусных компонентов;

5) формирование ви­рионов;

6) выход вирионов из клетки.

У раз­личных вирусов эти стадии отличаются

Адсорбция вирусов. Первая стадия репродук­ции вирусов — адсорбция, т. е. прикрепление вириона к поверхности клетки. Она протекает в две фазы. Первая фаза — неспецифическая, обусловленная ионным притяжением между вирусом и клеткой, включая и другие механиз­мы. Вторая фаза адсорбции — высокоспецифи­ческая, обусловленная гомологией, комплемен-тарностью рецепторов чувствительных клеток и «узнающих» их белковых лигандов вирусов. Белки на поверхности вирусов, узнающие спе­цифические клеточные рецепторы и взаимо­действующие с ними, называются прикрепи­тельными белками (в основном это гликопротеины) в составе липопротеиновой оболочки.

Специфические рецепторы клеток имеют различную природу, являясь белками, липидами, углеводными компонентами белков, липидов и др. Так, рецепторами для вируса грип­па является сиаловая кислота в составе гли-копротеинов и гликолипидов (ганглиозидов) клеток дыхательных путей. Вирусы бешенства адсорбируются на ацетилхолиновых рецепто­рах нервной ткани, а вирусы иммунодефицита человека — на СО4-рецепторах Т-хелперов, моноцитов и дендритных клеток. На одной клетке находится от десяти до ста тысяч спе­цифических рецепторов, поэтому на ней могут адсорбироваться десятки и сотни вирионов.

Наличие специфических рецепторов лежит в основе избирательности поражения вируса­ми определенных клеток, тканей и органов. Это так называемый тропизм (греч. tropos — поворот, направление). Например, вирусы, репродуцирующиеся преимущественно в клетках печени, называются гепатотропными, в нервных клетках — нейротропными, в иммунокомпетентных клетках — иммунотропными и т. д.

Проникновение вирусов в клетку. Вирусы проникают в клетку путем рецептор-зависи­мого эндоцитоза (виропексиса), или слияния оболочки вируса с клеточной мембраной, или же в результате сочетания этих механизмов.

1. Рецептор-зависимый эндоцитоз происхо­дит в результате захватывания и поглоще­ния вириона клеткой: клеточная мембрана с прикрепленным вирионом впячивается с образованием внутриклеточной вакуоли (эн­досомы), содержащей вирус. За счет АТФ-зависимого «протонного» насоса содержимое эндосомы закисляется, что приводит к слия­нию липопротеиновой оболочки сложно ор­ганизованного вируса с мембраной эндосомы и выходу вирусного нуклеокапсида в цитозоль клетки. Эндосомы объединяются с лизосомами, которые разрушают оставшиеся вирусные компоненты. Процесс выхода безоболочечных (просто организованных) вирусов из эн­досомы в цитозоль остается малоизученным.

2. Слияние обточки вириона с клеточной мемб­раной характерно только для некоторых оболочечных вирусов (парамиксовирусов, ретровиру-сов, герпесвирусов), в составе которых имеются белки слияния. Происходит точечное взаимо­действие вирусного белка слияния с липидами клеточной мембраны, в результате чего вирус­ная липопротеиновая оболочка интегрирует с клеточной мембраной, а внутренний компонент вируса попадает в цитозоль.

А) «Раздевание» (депротеинизация) вирусов. В результате высвобождается его внутренний компонент, способный вызы­вать инфекционный процесс. Первые этапы «раздевания» вируса начинаются в процессе его проникновения в клетку путем слияния вирус­ных и клеточных мембран или же при выходе вируса из эндосомы в цитозоль. Последующие этапы «раздевания» вируса тесно взаимосвя­заны с их внутриклеточным транспортом к местам депротеинизации. Для разных вирусов существуют свои специализированные учас­тки «раздевания» в клетке: для пикорнавирусов— в цитоплазме с участием лизосом, аппарата Гольджи; для герпесвирусов — около­ядерное пространство или поры ядерной мем­браны; для аденовирусов — сначала структуры цитоплазмы, а затем ядро клетки. Конечными продуктами «раздевания» могут быть нуклеи­новая кислота, нуклеопротеин (нуклеокапсид) или сердцевина вириона. Так, конечным продуктом раздевания пикарновирусов является нуклеиновая кислота, ковалентно связанная с одним из внутренних белков. А у многих оболочечных РНК-содержащих вирусов ко­нечными продуктами «раздевания» могут быть нуклеокапсиды или сердцевины, которые не только не препятствуют экспрессии вирусного генома, а, более того, защищают его от кле­точных протеаз и регулируют последующие биосинтетические процессы.

В) Синтез вирусных компонентов. Синтез белков и нуклеиновых кислот вируса, который разобщен во времени и пространстве. Синтез осущест­вляется в разных частях клетки, поэтому такой способ размножения вирусов называется дизъ­юнктивным (от лат. disjunctus — разобщенный).

С) Синтез вирусных белков. В зараженной клет­ке вирусный геном кодирует синтез двух групп белков:

1. неструктурных белков, обслуживаю­щих внутриклеточную репродукцию вируса на разных его этапах;

2. структурных белков, которые входят в состав вириона (геномные, связанные с геномом вируса, капсидные и су-перкапсидные белки).

К неструктурным бел­кам относятся: 1) ферменты синтеза РНК или ДНК (РНК- или ДНК-полимеразы), обеспе­чивающие транскрипцию и репликацию ви­русного генома; 2) белки-регуляторы; 3) пред­шественники вирусных белков, отличающиеся своей нестабильностью в результате быстрого нарезания на структурные белки; 4) фермен­ты, модифицирующие вирусные белки, на­пример, протеиназы и протеинкиназы.

Синтез белков в клетке осуществляется в со­ответствии с хорошо известными процессами транскрипции (от лат. transcriptio — переписы­вание) путем «переписывания» генетической информации с нуклеиновой кислоты в нуклео-тидную последовательность информационной РНК (иРНК) и трансляции (от лат. translatio — передача) — считывания иРНК на рибосомах с образованием белков. Передача наследствен­ной информации в отношении синтеза иРНК у разных групп вирусов неодинакова.

I. ДНК-содержашие вирусы реализуют ге­нетическую информацию так же, как и кле­точный геном, по схеме:

геномная ДНК вируса -» транскрипция иРНК -» трансляция белка вируса.

Причем ДНК-содержашие вирусы исполь­зуют для этого процесса клеточную полимеразу (вирусы, геномы которых транскри­бируются в ядре клетки — аденовирусы, па-повавирусы, герпесвирусы) или собственную РНК-полимеразу (вирусы, геномы которых транскрибируются в цитоплазме, например поксвирусы).

II. Плюс-нитевые РНК-содержашие вирусы (например, пикорнавирусы, флавивирусы, то гавирусы) имеют геном, выполняющий функ­цию иРНК; он распознается и транслируется рибосомами. Синтез белков у этих вирусов осу­ществляется без акта транскрипции по схеме:

геномная РНК вируса -> трансляция белка вируса.

III. Геном минус-однонитевых РНК-содержаших вирусов (ортомиксовирусов, парамиксовирусов, рабдовирусов) и двунитевых (реовирусов) служит матрицей, с которой транскрибируется иРНК, при участии РНК-полимеразы, связанной с нуклеино­вой кислотой вируса. Синтез белка у них происхо­дит по схеме:

геномная РНК вируса -» транскрипция и- РНК - трансляция белка вируса.

IV. Ретровирусы (вирусы иммунодефицита человека, онкогенные ретровирусы) имеют уникальный путь передачи генетической ин­формации. Геном ретровирусов состоит из двух идентичных молекул РНК, т. е. является диплоидным. В составе ретровирусов есть осо­бый вирусоспецифический фермент — обрат­ная транскриптаза, или ревертаза, с помощью которой осуществляется процесс обратной транскрипции, т. е. на матрице геномной РНК синтезируется комплементарная однонитевая ДНК (кДНК). Комплементарная нить ДНК копируется с образованием двунитевой ком­плементарной ДНК, которая интегрирует в клеточный геном и в его составе транскриби­руется в иРНК с помощью клеточной ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Синтез белков для этих вирусов осуществляется по схеме:

геномная РНК вируса -> комплементарная ДНК -» транскрипция иРНК

-»трансляция белка вируса.

Репликация вирусных геномов, т. е. синтез ви­русных нуклеиновых кислот, приводит к на­коплению в клетке копий исходных вирусных геномов, которые используются при сборке вирионов. Способ репликации генома зависит от типа нуклеиновой кислоты вируса, наличия вирусоспецифических или клеточных полимераз, а также от способности вирусов индуцировать образование полимераз в клетке.

Механизм репликации отличается у вирусов, имеющих:

1) двунитевую ДНК;

2) однонитевую ДНК;

3) плюс-однонитевую РНК;

4) минус-одноните-вую РНК;

5) двунитевую РНК;

6) идентичные плюс-нитевые РНК (ретровирусы).

1. Двунитевые ЛНК-вирусы. Репликация двунитевых вирусных ДНК происходит обычным полуконсервативным механизмом: после рас-
плетения нитей ДНК к ним комплементарно достраиваются новые нити. Каждая вновь син­тезированная молекула ДНК состоит из одной родительской и одной вновь синтезирован­ной нити. К этим вирусам относится большая
группа вирусов, которые содержат двунитевую ДНК в линейной (например, герпесвирусы, аденовирусы и поксвирусы) или в кольцевой форме, как папилломавирусы. У всех вирусов, кроме поксвирусов, транскрипция вирусного генома происходит в ядре.

Уникальный механизм репликации харак­терен для гепаднавирусов (вируса гепатита В). Геном гепаднавирусов представлен дву-нитевой кольцевой ДНК, одна нить которой короче (неполная плюс-нить) другой нити. Первоначально достраивается (рис. 3.7). Затем полная двунитевая ДНК с помощью клеточ­ной ДНК-зависимой РНК-полимеразы транс­крибируется с образованием небольших моле­кул иРНК и полной однонитевой плюс-РНК. Последняя называется прегеномной РНК; она является матрицей для репликации генома ви­руса. Синтезированные иРНК участвуют в про­цессе трансляции белков, в том числе вирусной РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы). С помощью этого фермента мигрирующая в цитоплазму прегеномная РНК обратно транскрибируется в минус-нить ДНК, которая, в свою очередь, служит матрицей для синтеза плюс-нити ДНК. Этот процесс за­канчивается образованием двунитевой ДНК, содержащей неполную плюс-нить ДНК.

2. Однонитевые ДНК-вирусы. Единствен­ными представителями однонитевых ДНК-вирусов являются парвовирусы. Парвовирусы
используют клеточные ДНК-полимеразы для создания двунитевого вирусного генома, так называемой репликативной формы послед­
него. При этом на исходной вирусной ДНК (плюс-нить) комплементарно синтезируется минус-нить ДНК, служащая матрицей для синтеза плюс-нити ДНК нового вириона. Параллельно синтезируется иРНК, происхо­дит трансляция вирусных пептидов.

3. Плюс-однонитевые РНК-вирусы. Эти виру­сы включают большую группу вирусов — пикорнавирусы, флавивирусы, тогавирусы (рис.3.8), у которых геномная плюс-нить РНК вы­полняет функцию иРНК. Например, РНК
полиовирусов после проникновения в клетку связывается с рибосомами, работая как иРНК, и на ее основе синтезируется большой поли­пептид, который расщепляется на фрагменты:
РНК-зависимую РНК-полимеразу, вирусные протеазы и капсидные белки. Полимераза на основе геномной плюс-нити РНК синтези­рует минус-нить РНК; формируется времен­но двойная РНК, названная промежуточным
репликативным звеном. Это промежуточное репликативное звено состоит из полной плюс-нити РНК и многочисленных частично завер­шенных минус-нитей. Когда образованы все минус-нити, они используются как шаблоны
для синтеза новых плюс-нитей РНК. Этот механизм используется как для размножения геномной РНК вируса, так и для синтеза боль­шого количества вирусных белков.

4. Минус-однонитевые РНК-вирусы. Минус -однонитевые РНК-вирусы (рабдовирусы, парамиксовирусы, ортомиксовирусы) имеют в своем составе РНК-зависимую РНК-полиме­разу. Проникшая в клетку геномная минус-
нить РНК трансформируется вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразой в неполные и полные плюс-нити РНК. Неполные копии выполняют роль иРНК для синтеза вирусных белков. Полные копии являются матрицей (промежуточная стадия) для синтеза минус-нитей геномной РНК потомства

5. Двунитевые РНК-вирусы. Механизм реп­ликации этих вирусов (реовирусов и ротави-русов) сходен с репликацией минус-однонитевых РНК-вирусов. Отличие состоит в том, что образовавшиеся в процессе транскрипции плюс-нити функционируют не только как иРНК, но и участвуют в репликации: они яв­ляются матрицами для синтеза минус-нитей
РНК. Последние в комплексе с плюс-нитями РНК образуют геномные двунитевые РНК вирионов. Репликация вирусных нуклеиновых кислот этих вирусов происходит в цитоп­лазме клеток.

6. Ретровирусы (плюс-нитевые диплоидные РНК-содержащие вирусы). Обратная транс-криптаза ретровирусов синтезирует (на матри­це РНК-вируса) минус-нить ДНК, с которой копируется плюс-нить ДНК с образованием двойной нити ДНК, замкнутой в кольцо (рис. 3.10). Далее двойная нить ДНК интегриру­ет с хромосомой клетки, образуя провирус. Многочисленные вирионные РНК образуются в результате транскрипции одной из нитей интегрированной ДНК при участии клеточной ДНК-зависимой РНК-полимеразы.

Формирование вирусов. Вирионы формиру­ются путем самосборки: составные части вириона транспортируются в места сборки ви­руса — участки ядра или цитоплазмы клетки. Соединение компонентов вириона обуслов­лено наличием гидрофобных, ионных, водо­родных связей и стерического соответствия.

Существуют следующие общие принципы сборки вирусов:

Формирование вирусов— многоступенча­тый процесс с образованием промежуточных форм, отличающихся от зрелых вирионов по
составу полипептидов.

□ Сборка просто устроенных вирусов за­ключается во взаимодействии вирусных нук­леиновых кислот с капсидными белками и в образовании нуклеокапсидов.

□ У сложноустроенных вирусов сначала фор­мируются нуклеокапсиды, которые взаимо­действуют с модифицированными мембранами клеток (будущей липопротеиновой оболочкой вируса).

Причем сборка вирусов, реплициру­ющихся в ядре клетки, происходит с участием мембраны ядра, а сборка вирусов, репликация которых идет в цитоплазме, осуществляется с
участием мембран эндоплазматической сети или плазматической мембраны, куда встраиваются гликопротеины и другие белки оболочки вируса.

□ У ряда сложноустроенных вирусов минус-нитевых РНК-вирусов (ортомиксовирусов, парамиксовирусов) в сборку вовлекается так назы­ваемый матриксный белок (М-белок), который расположен под модифицированной клеточной ембраной. Обладая гидрофобными свойствами, он выполняет роль посредника между нуклеокапсидом и вирусной липопротеиновой оболочкой.

□ Сложноустроенные вирусы в процессе формирования включают в свой состав неко­торые компоненты клетки хозяина, например липиды и углеводы.

Выход вирусов из клетки. Полный цикл реп­родукции вирусов завершается через 5—6 ч (вирус гриппа и др.) или через несколько су­ток (гепатовирусы, вирус кори и др.). Процесс репродукции вирусов заканчивается выходом их из клетки, который происходит взрывным путем или почкованием, экзоцитозом.

□ Взрывной путь: из погибающей клетки одновременно выходит большое количество вирионов. По взрывному пути выходят из клетки просто устроенные вирусы, не имею­щие липопротеиновой оболочки.

□ Почкование, экзоцшпт присущи вирусам, имеющим липопротеиновую оболочку, которая является производной от клеточных мембран. Сначала образовавшийся нуклеокапсид или сердцевина вириона транспортируется к кле­точным мембранам, в которые уже встроены вирусоспецифические белки. Затем в области контакта нуклеокапсида или сердцевины ви­риона с клеточной мембраной начинается вы­пячивание этих участков. Сформировавшаяся почка отделяется от клетки в виде сложно устроенного вируса. При этом клетка способна длительно сохранять жизнеспособность и про­дуцировать вирусное потомство.

Почкование вирусов, формирующихся в цитоплазме, может происходить либо через плазматическую мембрану (например, парамиксовирусы, тогавирусы), либо через мембраны эндоплазматической сети с последующим их выходом на поверх­ность клетки (например, буньявирусы).

Вирусы, формирующиеся в ядре клетки (например, герпесвирусы), почкуются в перинуклеарное пространство через модифициро­ванную ядерную мембрану, приобретая таким образом липопротеиновую оболочку. Затем они транспортируются в составе цитоплазма-тических везикул на поверхность клетки.