Физиология вирусов

Вирусы — облигатные внутриклеточные па­разиты, способные только к внутриклеточно­му размножению. В вирусинфицированной клетке возможно пребывание вирусов в раз­личных состояниях:

• воспроизводство многочисленных новых вирионов;

• пребывание нуклеиновой кислоты вируса в интегрированном состоянии с хромосомой клетки (в виде провируса);

• существование в цитоплазме клетки в ви­де кольцевых нуклеиновых кислот, напоми­нающих плазмиды бактерий.

Поэтому диапазон нарушений, вызывае­мых вирусом, весьма широк: от выраженной продуктивной инфекции, завершающейся ги­белью клетки, до продолжительного взаимо­действия вируса с клеткой в виде латентной инфекции или злокачественной трансформа­ции клетки.

Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой: продуктивный, абортивный и ин-тегративный.

1. Продуктивный тип — завершается обра­зованием нового поколения вирионов и ги­белью (лизисом) зараженных клеток (цитоли-тическая форма). Некоторые вирусы выходят из клеток, не разрушая их (нецитолитическая форма).

2. Абортивный тип — не завершается обра­зованием новых вирионов, поскольку инфек­ционный процесс в клетке прерывается на одном из этапов.

3. Интегративный тип, или вирогения — характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и их совместным сосуществованием (совместная репликация).

3.3.1. Репродукция вирусов

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 (рис. 3.7-3.10).

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 гликопроте-ины) в составе липопротеиновой оболочки.

Специфические рецепторы клеток имеют различную природу, являясь белками, липи-дами, углеводными компонентами белков, ли-пидов 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 СD4-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 гепатотропны-ми, в нервных клетках — нейротропными, в

иммунокомпетентных клетках — иммунот-ропными 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 (эн-досомы), 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 лизосома-ми, которые разрушают оставшиеся вирусные компоненты. Процесс выхода безоболочеч-ных (просто организованных) вирусов из эн­досомы в цитозоль остается малоизученным. 2. Слияние оболочки вириона с клеточной мемб­раной характерно только для некоторых оболо-чечных 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 клетки. «Раздевание» (депротеинизация) вирусов. В

результате депротеинизации удаляются повер­хностные структуры вируса и 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 пикорнави-русов — 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» пикорнавирусов 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.

Синтез вирусных компонентов. Следующей стадией репродукции является 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).

Синтез вирусных белков. В зараженной клет­ке вирусный геном кодирует синтез двух групп белков: неструктурных белков, обслуживаю­щих внутриклеточную репродукцию вируса на разных его этапах; 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.

□ ДНК-содержащие вирусы реализуют ге­
нетическую информацию так же, как и кле­
точный геном, по схеме:

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

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

□ 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.

а 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
иРНК -» трансляция белка вируса. ______ ]

а 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 —> транс-ляция белка вируса.

Репликация вирусных геномов, т. е. синтез ви­русных нуклеиновых кислот, приводит к на­коплению в клетке копий исходных вирусных геномов, которые используются при сборке ви-рионов. Способ репликации генома зависит от типа нуклеиновой кислоты вируса, наличия ви-русоспецифических 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 ДНК-вирусы. Репликация дву-нитевых 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 иРНКучаствуют 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 послед­него. 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 — пи-корнавирусы, 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 и РНК, 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, па-рамиксовирусы, 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 и РНК для синтеза вирусных белков. Полные копии являются матрицей (промежуточная стадия) для синтеза минус-нитей геномной РНК потомства (рис. 3.9).

5. Двунитевые РНК-вирусы. Механизм реп­ликации этих вирусов (реовирусов и ротави-русов) сходен с репликацией минус-однони-тевых 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 нуклеино-

вых 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 ви-риона 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 пр инципы 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, па-рамиксовирусов) в сборку вовлекается так назы­ваемый матриксный белок (М-белок), который расположен под модифицированной клеточной мембраной. Обладая гидрофобными свойствами, он выполняет роль посредника между нуклеокап-сидом и вирусной липопротеиновой оболочкой.

□ Сложноустроенные вирусы в процессе
формирования включают в свой состав неко­
торые 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, экзоцитоз 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, пара-миксовирусы, тогавирусы — рис. 3.2 и 3.3). либо через мембраны эндоплазматической сети с последующим их выходом на поверх­ность клетки (например, буньявирусы).

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

3.3.2. Абортивный тип взаимодействия вирусов с клеткой

Этот тип взаимодействия не завершается образованием вирусного потомства и может возникать при следующих обстоятельствах:

1) заражение чувствительных клеток дефект­
ными вирусами или дефектными вирионами;

2) заражение стандартным вирусом генети­чески резистентных к нему клеток;

3) заражение стандартным вирусом чувс­твительных клеток в непермиссивных (нераз­решающих) условиях.

Различают дефектные вирусы и дефект­ные вирионы.

Дефектные вирусы существуют как само­стоятельные виды, которые репродуциру­ются лишь при наличии вируса-помощника (например, вирус гепатита D репродуциру­ется только в присутствии вируса гепатита В).

Дефектные вирионы обычно лишены части генетического материала и могут на­капливаться в популяции многих вирусов при множественном заражении клеток.

Абортивный тип взаимодействия чаще на­блюдается при заражении нечувствительных клеток стандартным вирусом. Механизм гене­тически обусловленной резистентности кле­ток к вирусам широко варьирует. Он может быть связан: с отсутствием на плазматической мембране специфических рецепторов для ви­русов; с неспособностью данного вида клеток инициировать трансляцию вирусной иРНК; с отсутствием специфических протеаз или нуклеаз, необходимых для синтеза вирусных макромолекул, и т. д.

Абортивный тип взаимодействия может также возникать при изменении условий, в которых происходит репродукция вирусов: повышение температуры организма, измене­ние рН в очаге воспаления, введение в орга­низм противовирусных препаратов и др. При устранении неразрешающих условий абор­тивный тип переходит в продуктивный тип взаимодействия вирусов с клеткой.

3.3.3. Интегративный тип взаимодействия вирусов с клеткой (вирогения)

Это взаимное сосуществование вируса и клетки в результате интеграции (встраива­ния) нуклеиновой кислоты вируса в хро­мосому клетки хозяина. При этом интег­рированный геном вируса реплицируется и

функционирует как составная часть генома клетки.

Интегративный тип взаимодействия ха­рактерен для умеренных ДНК-содержащих бактериофагов, онкогенных вирусов и не­которых инфекционных вирусов как ДНК-содержащих (например, вируса гепатита В), так и РНК-содержащих (например, вируса иммунодефицита человека). Для интегра­ции с геномом клетки необходимо наличие кольцевой формы двунитевой ДНК-вируса. Геном ДНК-содержащих вирусов в кольце­вой форме прикрепляется к клеточной ДНК в месте гомологии нуклеотидных последо­вательностей и встраивается в определен­ный участок хромосомы при участии ряда ферментов (рестриктаз, эндонуклеаз, лигаз). У РНК-содержаших вирусов процесс ин­теграции более сложный. Он начинается с механизма обратной транскрипции, кото­рый заключается в синтезе комплементар­ной нити ДНК на матрице вирусной РНК с помощью вирусоспецифического фермента обратной транскриптазы (ревертазы). После образования двунитевой ДНК и замыкания ее в кольцо происходит интеграция ДНК-транскрипта в хромосому клетки (рис. 3.4). Встроенная в хромосому клетки ДНК ви­руса называется провирусом, или провирус -ной ДНК. Провирус реплицируется в составе хромосомы и переходит в геном дочерних клеток, т. е. состояние вирогении наследует­ся. Однако под влиянием некоторых физи­ческих или химических факторов провирус может исключаться из хромосомы клетки и переходить в автономное состояние с разви­тием продуктивного типа взаимодействия с клеткой.

Дополнительная генетическая информация провируса при вирогении сообщает клетке новые свойства, что может быть причиной онкогенной трансформации клеток и разви­тия опухолей, а также развития аутоиммун­ных и хронических заболеваний. Сохранение вирусной информации в виде провируса в составе клеточного генома и передача ее по­томству лежит в основе персистенции (лат. persistentia — упорство, постоянство) вирусов в организме и развития латентных (скрытых) вирусных инфекций.