Структурно-функціональна організація геному вірусів

1. Генетичний матеріал вірусів може бути представлений або ДНК, або РНК. Відповідно, віруси поділяють на ДНК-місткі та РНК-місткі. Більшість вірусів є РНК-місткими. Віруси рослин найчастіше містять одно ланцюгову РНК, а бактеріофаги зазвичай мають дволанцюгові ДНК.

2. Вірусні геноми незалежно від типу нуклеїнової кислоти практично завжди бувають або одноланцюговими, або дволанцюговими. Дволанцюговий геном включає пару комплементарних ланцюгів нуклеїнової кислоти, а одноланцюговий — тільки один ланцюг. Геном вірусів деяких родин (наприклад, Hepadnaviridae) частково одноланцюговий і частково дволанцюговий.

3. У лінійних дволанцюгових ДНК існують «липкі кінці» (одноланцюгові та комплементарні). Завдяки ним, наприклад, фаг λ здатний існувати як у лінійній, так і в кільцевій формах.

4. Вірусний геном може бути кільцевим, як у поліомавірусів, або лінійним, як в аденовірусів. ДНК може бути лінійною або кільцевою, РНК – тільки лінійною.

5. Інфікуючі частини ретровірусів мають один ланцюг РНК, який проникає в клітину хазяїна, де за рахунок зворотної транскрипції (здійснюється завдяки РНК-залежній ДНК- полімерази або ревертази) синтезується копія геному вірусу, котра може вбудовуватися в хромосому хазяїна. Такі інтегровані вірусні геноми називають провірусами.

6. Бактеріофаги, здатні вбудовуватися в хромосому бактерії і залишатися там в неактивному стані, називаються лізогенізуючими бактеріофагами, а саме явище – лізогенія (фаг λ, Мu). Наприклад, ретровірус – вірус СНІД, віріон, окрім власного геному має ревертазу та суміш молекул тРНК попереднього хазяїна, одна з яких служить затравкою в полімеразній реакції. На геномній РНК синтезується шляхом зворотної транскрипції ДНК-копія вірусного геному: спочатку один ланцюг, потім – дволанцюгова кільцева ДНК, яка вбудовується в геном хазяїна. Експресія генів (розвиток СНІД) пов’язана з транскрипцією РНК-полімеразою клітини-хазяїна вірусної ДНК.

7. Віруси не мають власних систем реплікації, транскрипції, трансляції – для цих процесів вони використовують матеріали, енергію, ферменти клітини-хазяїна, модифікуючи їх на свій лад.

8. Геном ДНК-містких вірусів, подібно геному прокаріот і еукаріот, включає: а) структурні гени, що кодують білки. Займають приблизно 95 % вірусної ДНК. Білки вірусів можна поділити на декілька груп: структурні білки, ферменти, білки-регулятори; б) регуляторні послідовності, що не кодують білки: промотори, оператори, термінатори. Зчитування інформації з оперонів контролюється енхансером (англ. enhancer) або посилювачем транскрипції; промотором (лат. promotum - просувати), що відповідає за її ініціацію (початок), з котрим зв’язується РНК-полімераза перед транскрипцією ДНК; оператором (от лат. робітник), що регулює транскрипцію оперона (або окремих генів) і термінатором (лат. terminare - обмежувати), який припиняє її. Регуляторні ділянки оперону є короткими послідовностями нуклеотидів ДНК; енхансер, промотор і оператор розміщені на його початку (перед структурними генами), а термінатор - в кінці; в) інші некодуючі ділянки (сайти), в тому числі: ділянка attP, яка забезпечує інтеграцію вірусної хромосоми в хромосому клітини–хазяїна; ділянка cos – липкі кінцеві ділянки лінійних вірусних хромосом, що забезпечують замикання лінійної хромосоми в кільце.

За структурою розрізняють цілісний (рабдо-, пикорнавіруси) та фрагментований (рео-, орто-, тогавіруси) геноми. У вірусів з фрагментованим геномом кожен фрагмент являє собою один ген, число яких значно варіює. Наприклад, прості полиомавіруси містять від 3 до 5 генів; пикорнавіруси — 6-8 генів. У складного вірусу бактеріофага Т4 більше 30 генів, що контролюють синтез білків оболонки і не менш 15 — синтез нуклеотидних попередників.
Геном вірусів гаплоїдний, тобто містить одну молекулу нуклеїнової кислоти. Виняток становлять представники ретровірусів, я кі мають диплоїдний геном (дві ідентичні молекули РНК).

9. Гени, що кодують рРНК і тРНК, у геномі вірусів зазвичай відсутні (крім геному великого фага Т4, де існують гени, що кодують декілька тРНК).

10. Економічність геному. Вся РНК або ДНК вірусу зайнята структурними генами. Геном вірусів відрізняється високою щільністю упаковки інформації. Наприклад, у фага φ Х174 в межах одного гена може знаходитися ще один ген. Зокрема, ген В знаходиться в межах гена А, а ген Е – в межах гена D. У дрібного РНК-місткого фагаf2 ген регуляторного білка, що блокує лізис (дозрівання віріонів і руйнування клітини), перекривається з двома іншими генами, віддаленими один від одного. Отже, ступінь економічності вірусних геномів збільшується за рахунок перекривання рамок зчитування: той самий фрагмент нуклеїнової кислоти містить інформацію про первинну структуру двох або більшої кількості поліпептидів. Рамка зчитування – один з трьох можливих способів зчитування генетичної інформації у вигляді ряда триплетів. При цьому генетичний код не перекривається – у кожному гені триплети зчитуються, починаючи з наступного нуклеотиду, завдяки чому транскрипція здійснюється в різних рамках зчитування.

11. Для вірусів еукаріотів характерні такі особливості: 1) інтронно-екзонна структура генів; 2) модифікація білків після синтезу поліпротеїнів: весь геном транскрибується в вигляді однієї молекули мРНК, яка служить матрицею для синтеза поліпротеїна – одного гигантського інертного білка, і тільки потім відбувається розщеплення поліпротеїна на білки, що виконують певні функції; 3) перекривання генів (мавпячий вірус SV 40, вірус грипу); 4) процес транскрипції знаходиться під контролем двох основних регуляторних елементів: промотора - ділянка ДНК, з якою зв’язується фермент PHK-полімераза та відбувається ініціація транскрипції генів; термінатора — ділянка ДНК, в якій РНК-полімераза від‘єднується від ланцюга та припиняється транскрипція. Після утворення первинного транскрипта відбувається видалення (сплайсинг) інтронів і формується функціональна матрична PHК. Наведений механізм широко поширений серед ДНК-містких вірусів, у котрих транскрипція відбувається в ядрі (адено-, герпес-віруси), де знаходяться необхідні ферменти. Сплайсинг первинного транскрипту та утворення функціональної мРНК характерний і для PHK-містких вірусів.

12. При трансляції у багатьох вірусів молекулярна маса синтезуємих білків перевищує теоретично розраховану. Цей феномен пояснюється наявністю різних механізмів, що дозволяють одержати розгорнуту генетичну інформацію за максимальної економії генетичного матералу. Подібні механізми вироблені в процесі еволюції вірусів як паразитів генетичного рівня. Вірусні мРНК на відміну від мРНК про - і еукаріотів можуть направляти синтез не одного, а двох-трьох білків, що дозволяє їм при мінімальному вмісті генетичного матеріалу збільшувати генетичну інформацію. Досягається це дворазовим зчитуванням тієї ж мРНК з двох-трьох ініціюючих АУГ-кодонов, які перебувають в ній у різних ділянках. Відбувається це, природно, при трансляції білка і в кожному випадку визначається, який саме АУГ-кодон (перший або наступні) впізнає мала рибосомна субодиниця. Поліпептиди, що утворилися з різних ініціюючих кодонів, будуть копіями, що відрізняються хіба тільки довжиною. При зсуві рамки зчитування на один або два нуклеотиди та появі нового генетичного коду молекула мРНК може транслюватися з утворенням таких поліпептидів, в яких немає ідентичних амінокислотних послідовностей, внаслідок чого їх називають унікальними білками. Нерідко способом збільшення генетичної інформації у вірусів є трансляція гігантських поліпептидів-попередників з подальшим нарізанням їх на більш дрібні. І, нарешті, відносно невисокий, як вважається, рівень генетичної інформації вірусів компенсується виключно точним механізмом перемикання з реплікації на транскрипцію і навпаки, що особливо яскраво проявляється при репродукції РНК-містких вірусів.

У результаті перекривання генів і порушення рамки зчитування поняття «ген» певною мірою втрачає первинне значення як дискретний фрагмент генома и набуває функціонального значення.

13. У дрібних вірусів транскрипція їхніх мало чисельних генів здійснюється одночасно. У складноорганізованних вірусів гени згруповані в блоки - оперони. Такі групи генів функціонують як одне ціле та мають загальну систему регуляції.

14. Оперони функціонують на різних стадіях дозрівання вірусних часток. Після проникнення фага в клітину спочатку функціонують ранні гени, що кодують ферменти, необхідні для реплікації ДНК віруса, для пригнічення синтезу ДНК клітини-хазяїна тощо. Пізніше транскрибуються пізні гени, що відповідають за синтез білків капсиду, збірку віріонів і їх вивільнення із зараженої клітини. Продукти діяльності ранніх генів блокують функцію надранніх, але включають пізні гени вірусу. Така часова регуляція функцій різних ділянок геному вірусів називається каскадною регуляцією.

15. Деякі віруси (аденовіруси, ретровіруси) можуть порушувати нормальне функціонування генетичного апарату клітини-хазяїна, що призводить до розвитку онкологічних захворювань.