Вирусные инфекции на клеточном уровне

Лекция 8

Патогенез вирусных инфекций

Модуль 3

Комплексная цель модуля

Комплексная цель модуля состоит в необходимости объединить лекционный материал, касающийся всех возможных проявлений вируса на клеточном и организменном уровне, продемонстрировать единую систему протекания вирусной инфекции при заражении организма-хозяина. В задачу лекционного материала, объединенного в данный модуль входит необходимость обобщить информацию о классификации вирусных инфекций, о вирусном патогенезе на клеточном и организменном уровне, о цитопатическом эффекте вирусного поражения, а также путях проникновения и распространения вирусов в организме хозяина.

Модуль состоит из двух лекций, материал которых позволяет решить поставленную цель.

Под инфекцией понимают комплекс процессов, про­исходящих при взаимодействии инфекционного агента с организмом хозяина. Однако в связи с тем, что вирусы являются внутриклеточными паразитами, а точнее, генетическими паразитами, в основе их взаимодействия с организмом всегда лежит инфекционный процесс на уровне клетки, который реализуется путем взаимодействия вирус­ного и клеточного геномов. Поэтому возможно классифи­цировать инфекции как на клеточном уровне, так и на уровне организма

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИРУСНЫХ ИНФЕКЦИЙ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ

Автономные и интеграционные инфекции. Если вирус­ный геном реплицируется независимо от клеточного гено­ма, такая инфекция называется автономной. Понятие автономии относительно, оно ограничивается лишь отсут­ствием физической связи между вирусным и клеточным геномами, хотя взаимодействие их постоянно происходит в течение инфекции. Автономная форма вирусной инфек­ции характерна для большинства вирусов животных.

Если вирусный геном включается в состав клеточного генома, или, как принято называть этот процесс, интегри­рует с клеточным геномом и реплицируется вместе с ним, такая инфекция называется интеграционной. Интеграцион­ная инфекция возникает в результате физического объе­динения генома вируса и клетки. При этой форме инфек­ции вирусный геном реплицируется и функционирует как составная часть клеточного генома. Интегрировать могут как полный геном, так и часть генома. При гепатите В

возможна интеграция полного генома, при аденовирусных и герпесвирусных инфекциях обычно интегрирует часть генома, при инфекции онковирусами может интегрировать как полный геном, так и часть его. Вирусные последова­тельности в составе клеточного генома называются провирусом, или провирусной ДНК.

При интеграционных инфекциях нет ни сборки вирус­ной частицы, ни выхода вируса из клетки. Клетка может сохранить нормальные функции и при ее делении вирус­ные последовательности могут переходить в геном дочер­них клеток. Такая ситуация наблюдается в случае ин­фекции, вызванной онкогенными вирусами. Интеграция может привести к неопластической трансформации клет­ки. Трансформированная клетка приобретает способность к неограниченному делению в результате нарушения регуляторных механизмов, контролирующих деление. Ин­теграционный тип инфекции возможен для нескольких семейств ДНК-содержащих вирусов: аденовирусов, паповавирусов, вирусов герпеса, а также для вируса гепатита В и обязателен для одного семейства РНК-содержащих вирусов — ретровирусов. В соответствии с данными В. М. Жданова, интеграционная форма инфекции может возникнуть при заражении и другими РНК-содержащими вирусами, такими, как вирус клещевого энцефалита (семейство тогавирусов), вирусы кори и SV5 (семейство парамиксовирусов) и др. Обязательным условием в этом случае является присутствие в клетках фермента — обратной транскриптазы, необходимого для процесса интеграции. Возникающая интеграционная инфекция может явиться причиной ряда хронических и аутоиммунных за­болеваний.

Механизм интеграции вирусного генома с клеточным геномом. Из многих моделей, объяс­няющих процесс интеграции, наиболее признанной являет­ся модель Кемпбелла. В соответствии с этой моделью для интеграции с клеточным геномом необходима кольце­вая форма двунитчатой вирусной ДНК. Эта молекула ДНК прикрепляется к клеточной ДНК, в месте прикрепления обе молекулы разрезаются и образовавшиеся концы сшиваются таким образом, что вирусная ДНК становится ча­стью клеточного генома. Существенную роль в интеграции играют длинные концевые повторы двунитча­той ДНК, которые определяют специфичность интеграции в результате узнавания ими определенных участков кле­точного генома. ДНК паповавирусов является циркулярной и двунитчатой и полностью отвечает требованиям модели Кемпбелла.

Продуктивная и абортивная инфекции. Инфекция мо­жет быть продуктивной и абортивной. Продуктивная ин­фекция завершается образованием инфекционного потом­ства. Абортивной называется инфекция, которая не за­вершается образованием инфекционных вирусных частиц, или они образуются в гораздо меньшем количестве, чем при продуктивной инфекции. Абортивная инфекция может возникнуть при следующих трех обстоятельствах: 1) зара­жение чувствительных клеток дефектным вирусом; 2) за­ражение чувствительных клеток в неразрешающих услови­ях; 3) заражение нечувствительных клеток стандартным вирусом.

Заражение чувствительных клеток де­фектным вирусом. Дефектным называется такой ви­рус, который не способен проявить все генетические функции, необходимые для образования инфекционного потомства.

Существуют дефектные вирусы и дефектные вирусные частицы. Дефектными называются такие вирусы, которые репродуцируются лишь в присутствии вируса-помощника, например аденоассоциированный вирус (семейство парвовирусов), дающий потомство только в присутствии аденовируса-помощника. Дефектные вирусные частицы накапливаются в популяции многих вирусов, особенно при пассировании их с высокой множественностью инфекции. Дефектные частицы интерферируют при репро­дукции вируса с инфекционными вирусными частицами и потому называются дефектными интерферирующими ча­стицами (ДИ-частицами). Этот тип вирусных частиц наи­более хорошо изучен на модели вирусов везикулярного стоматита и гриппа. Получение дефектных частиц вируса гриппа при заражении куриных эмбрионов с высокой мно­жественностью инфекции получило название феномена фон Магнуса по имени исследователя, впервые его опи­савшего. Дефектные вирусные частицы вызывают абортив­ную инфекцию в связи с тем, что они лишены части генетического материала. Например, дефектные частицы вируса гриппа содержат неполные последовательности Р-генов, кодирующих три высокомолекулярных вирусных белка.

Заражение чувствительных клеток в не­разрешающих условиях. Абортивная Инфекция может возникать при изменении условий, в которых про­исходит инфекционный процесс. Эти условия возникают в организме и могут моделироваться в эксперименте; в организме — повышение температуры, изменение рН в очаге воспаления и концентрации ионов, наличие антиме­таболитов, ингибиторов и т. д.; в эксперименте — изме­нение температуры инкубации, состава питательной среды, внесение антиметаболитов и ингибиторов и т. д. В резуль­тате клетка либо погибнет без продукции инфекционного вируса, либо инфекция прерывается на определенном этапе. При устранении неразрешающих условий абортив­ная инфекция превращается в продуктивную. Смена абор­тивной инфекции на продуктивную может осуществить­ся и с помощью вируса-помощника.

Заражение нечувствительных клеток стандартным вирусом приводит к наиболее рас­пространенной форме абортивной инфекции.

Непермиссивность клетки к определенному вирусному агенту может проявиться на любом этапе инфекции. Чувствительность клетки к ряду вирусов определяется на­личием на клеточной поверхности специфических рецеп­торов, обусловливающих адсорбцию и проникновение вируса в клетку. Такой генетически обусловленный меха­низм клеточной резистентности наиболее четко установлен для пикорнавирусов, а также онковирусов птиц. Для боль­шинства вирусов можно подобрать две клеточные системы, в одной из которых будет развиваться продуктивная, а в другой — абортивная инфекция. Механизм генетически обусловленной резистентности клеток к вирусам широко варьирует, но в основе его лежит либо отсутствие клеточ­ных факторов, необходимых для репродукции вируса, либо наличие факторов, нарушающих процесс репродукции.

У сложно устроенных вирусов клеточная непермиссивность часто проявляется на стадии сборки вирусных частиц; нарушение сборки в некоторых непермиссивных системах для вирусов гриппа и парамиксовирусов обуслов­лено уменьшением количества молекул матриксного белка вируса.

Острая и хроническая инфекция. Как продуктивная, так и абортивная инфекция может протекать в виде ост­рой или хронической инфекции.

Острой называется такая форма инфекции, при кото­рой после образования вирусного потомства клетка либо погибает, либо выздоравливает и не содержит вирусных компонентов. Хроническая инфекция — это такая форма инфекции, при которой клетка продолжает продуцировать вирусные частицы или вирусные компоненты в течение длительного времени и передает эту способность дочер­ним клеткам.

Чаще хроническую форму приобретает абортивная ин­фекция, так как вирусный генетический материал обычно не входит в состав вирусного потомства, а накапливается в клетках и передается в дочерние клетки. Одним из фак­торов, вызывающих хроническую инфекцию, являются ДИ-частицы. Такие частицы, попадая в клетки вместе с инфекционными вирусными частицами, конкурируют с ни­ми за факторы репродукции и препятствуют образованию инфекционного потомства. В результате гибель клеток предотвращается. При появлении в системе новых чувст­вительных клеток в них вновь возникает продуктивная инфекция с образованием ДИ-частиц, и такой цикл инфек­ции возобновляется снова и снова.

Цитолитическая и нецитолитическая ин­фекции. Острая инфекция на клеточном уровне может быть цитолитической и нецитолитической в зависимости от судьбы зараженной клетки. Инфекция, завершающаяся гибелью (лизисом) клетки называется цитолитической. Ин­фекция, которая непосредственно не приводит к лизису клетки, и клетка еще может функционировать в течение некоторого периода времени, продуцируя вирусные ча­стицы, называется нецитолитической.

Смешанная инфекция. В естественных условиях рас­пространен феномен смешанной инфекции, при котором клетка заражается двумя или несколькими разными вируса­ми. Два и больше инфекционных процесса, происходящих одновременно в одной клетке, могут оказывать различное влияние друг на друга. Возможны несколько вариантов взаимодействия вирусов в процессе смешанной инфекции.

1. Один из вирусов подавляет репродукцию второго вируса, или подавляется репродукция обоих вирусов. Этот феномен называется интерференцией вирусов.

2. Вирус усиливает репродукцию второго вируса в ре­зультате комплементации или экзальтации. Комплемента­ция может происходить между двумя родственными или не­родственными вирусами, например между аденовирусом и аденоассоциированным вирусом человека или SV40, при этом вирус-помощник предоставляет другому вирусу не­структурный белок. Экзальтация может быть связана с по­давлением процесса образования интерферона первым ви­русом.

3. Оба вируса не оказывают существенного влияния на процесс репродукции каждого из них, однако может про­исходить нарушение морфогенеза обоих вирусов.

Смешанная инфекция широко используется вирусоло­гами для изучения генетических функций вирусов и де­фектности геномов.

ЦИТОПАТОЛОГИЯ ЗАРАЖЕННОЙ ВИРУСОМ КЛЕТКИ

Патологические изменения зараженных вирусами кле­ток обусловлены специфическими и неспецифическими процессами. К неспецифическим процессам относятся про­цессы, обусловленные изменением проницаемости плазма­тической мембраны, маргинация хроматина, хромосомные аберрации, пикноз ядер, вакуолизация цитоплазмы. По­следнее свойство может приобретать настолько своеобраз­ный и выраженный характер, что превращается в специфический признак некоторых вирусных инфекций. Так, один из вирусов, вызывающий такой процесс,— SV40 — получил название «вакуолизирующий вирус». Специфичес­кими изменениями являются, например, вирусные включе­ния, образование симпластов. Специфические и неспеци­фические процессы могут привести к деструкции клетки. Цитопатический эффект и его причины. Деструкцию клетки, возникающую при цитолитической инфекции, на­зывают цитопатическим эффектом, а вирус, вызывающий этот эффект, называют цитопатогенным. Большинство вирусов животных являются цитопатогенными, и это свой­ство лежит в основе патогенеза ряда вирусных инфекций. Цитопатический эффект широко используется в лабора­торной диагностике вирусных инфекций для индикации вируса в культуре клеток и выявления антител в сыво­ротках переболевших.

Цитопатический эффект является следствием несколь­ких причин: 1) нарушение нормальной жизнедеятельности клетки в результате механического повреждающего действия вирусных компонентов на клеточные структуры; 2) повреждение лизосом, в результате чего освобождаются высокоактивные лизосомальные ферменты, вызываю­щие аутолиз клетки; 3) интенсивное истощение белковых и энергетических ресурсов клетки за счет переключения клеточных ферментов и белок-синтезирующего аппарата на синтез вирусспецифических макромолекул; 4) специ­фическое повреждающее действие вирусов на клеточные молекулы. Эти причины повреждения клетки различным образом проявляются и сочетаются при разных вирусных инфекциях.

Среди РНК-содержащих цитопатогенных вирусов пикорнавирусы оказывают наиболее быстрое и глубокое действие на синтез клеточных белков. Причиной выключе­ния белкового синтеза является блокирование узнавания рибосомой «шапочки» клеточных иРНК. Поскольку РНК вируса полиомиелита транслируется по механизму, неза­висимому от «шапочки», происходит селективное подавле­ние трансляции клеточных иРНК.

Вирусные включения. Вирусные включения, выявляю­щиеся при окрашивании зараженных клеток, являются специфическими морфологическими признаками вирусной инфекции, часто имеющими диагностическое значение. Внутриклеточные вирусные включения были обнаружены гистологами еще в прошлом столетии. Д. И. Ивановский обнаружил в клетках растения, зараженного вирусом табачной мозаики, кристаллоподобное включение, которое впоследствии получило название «кристаллы Ивановско­го». Позже было доказано, что «кристаллы Ивановского» представляют собой скопление вирусов табачной мозаики. Вирусные включения выявляются в ядре или цитоплаз­ме зараженной клетки. В зависимости от прокрашивания разными красителями включения бывают базофильными и ацидофильными (эозинофильными). Включения при раз­ных вирусных инфекциях различаются по величине, фор­ме, численности. Они могут быть одиночными и множественными, крупными и мелкими, округлыми или неправиль­ной формы. Характерные ядерные включения формируются в клетках, зараженных вирусами герпеса, полиомы, аденовирусами, флавивирусами, вирусом ящура. Характерные цитоплазматические включения формируют­ся в клетках, зараженных вирусами оспы, гриппа, бешен­ства.

Природа включений разнообразна. Большей частью включения представляют собой «вирусные фабрики», т. е. очаги, в которых идет транкрипция и репликация вирус­ных геномов и сборка вирусных частиц. В клетках, зараженных реовирусом, образуются причудливые серповид­ные околоядерные включения; при электронно-микроско­пическом исследовании они оказались связанными с нитя­ми митотического веретена, в ассоциации с которыми идет репродукция этого вируса. Включения могут представлять собой скопление вирусных частиц, как, например, внутри­ядерные включения в клетках, зараженных аденовирусами и вирусом полиомы, либо скопление молекул вирусных белков, например ядерные и цитоплазматические включения в клетках, зараженных вируеом гриппа, представ­ляющие собой скопление молекул неструктурного вирусного белка. Некоторые включения содержат только клеточный материал, например ядерные ацидофильные включения в клетках, зараженных вирусами герпеса на поздней стадии инфекции.

Симпласты. Некоторые вирусы вызывают характерный цитопатический эффект, проявляющийся в слиянии клеток и образовании многоядерных клеток, называемых симпластами или синтицием. Образование симпластов обу­словлено действием на клеточные мембраны прилежащих друг к другу клеток вирусных белков слияния и опреде­ляется тем же механизмом, который обеспечивает слияние вирусной и клеточной мембраны и проникновение виру­сов в клетку. Слияние может происходить как за счет белков родительского вируса при заражении клеток боль­шими концентрациями вируса (слияние снаружи), так и за счет внутриклеточного накопления вновь синтезирован­ных вирусных белков слияния (слияние изнутри). Обра­зование симпластов вызывают многие вирусы: парамиксовирусы, некоторые ретровирусы, вирусы герпеса. В опре­деленных условиях (при низких значениях рН) слияние вызывают вирусы гриппа, буньявирусы и др.

Особенности вирусной инфекции в клеточной попу­ляции. Основной особенностью вирусной инфекции в клеточной популяции является гетерогенность системы в свя­зи с гетерогенностью вирусных частиц и клеток, входящих в состав популяции. В любом вирусном препарате наря­ду с инфекционными вирионами находятся ДИ-частицы. Клетки в каждой клеточной популяции широко варьируют по чувствительности к вирусу, и инфекция может протекать не так, как на клеточном уровне. Например, при заражении вирусом, вызывающим в клетках продуктив­ную инфекцию, чувствительные клетки популяции могут погибнуть, и в популяции за счет некоторого количества нечувствительных клеток может установиться хроническая инфекция.