Особенности формирования патоген-ности у вирусов. Формы взаимодействия вирусов с клеткой. Особенности вирусных инфекций

В отличие от других представителей ми­ра микробов, вирусы являются облигатными внутриклеточными паразитами на генетичес­ком (молекулярном) уровне. Среди них нет непатогенных, поэтому применительно к ним термин «патогенность» обычно не применя­ют, а вирулентность обозначают как инфек-ционностъ или инфекциозностъ. В связи с вы­шеизложенным инфекционный процесс при вирусных инфекциях связан прежде всего с поражением клеток, в которых они размно­жаются, и всегда является взаимодействием двух геномов — вирусного и клеточного.

Патогенные свойства вирусов складываются из следующих компонентов: способности ви­руса проникать в организм и адсорбироваться на клеточных мембранах, проникать в чувс­твительные к ним клетки; способности этих клеток депротеинизировать вирусный геном и делать его функционально активным; пермис-сивности клеток или возможности этих клеток обеспечить транскрипцию и репликацию гене­тического материала, полноценную сборку ви-рионов; возможности воспроизведения в клет­ках нескольких циклов репродукции вирусов, цитопатического действия вируса; способнос­ти вирусов распространяться на новые клетки, расположенные рядом с пораженными; распро­странения вирусов за пределы первичного очага поражения по всему организму; способности вызывать местные и общие патологические процессы, лежащие в основе клинических про­явлений вызываемых ими заболеваний; спо­собности вируса к переходу в новый организм и обеспечение его эстафетной передачи.

Все эти свойства необходимы, но в то же время сами по себе они могут быть недо­статочными для патогенного действия виру­са. Некоторые из этих свойств обусловлены клетками, в которых они размножаются, что получило название хозяинного или хозяйского ограничения клеткой.

Многие вирусы проникают в организм не­посредственно через слизистые оболочки, ко­торые служат входными воротами инфекции и защищены целым рядом неспецифических факторов резистентности, поэтому вирусы должны быть устойчивы к действию данных неблагоприятных факторов, что детермини­руется генами вирусов. Например, кишечные вирусы обычно устойчивы к кислым значени­ям рН, детергентному действию солей желч­ных кислот и к разрушающему их действию протеолитических ферментов.

Способность вирусов адсорбироваться на мембранах чувствительных к вирусам кле­ток является специфическим процессом для вирусов. Этот процесс протекает при учас­тии прикрепительных белков (антирецепторов) у вирусов и чувствительных к ним клеточ­ных рецепторов. Простые вирусы содержат прикрепительные белки в составе капсида, а сложноустроенные вирусы — в составе супер-капсида. Такие сложные вирусы, как вирус осповакцины и вирус простого герпеса, мо­гут иметь прикрепительные белки нескольких видов. Способность вирусов менять круг хо­зяев и адаптироваться к новому хозяину обус­ловлена изменением первичной структуры в области участка прикрепительного белка, узнающего клеточный рецептор. Эти участки консервативны по своему строению и рас­положены в углублениях-каньонах, которые чрезвычайно малы по своим размерам, благо­даря чему недоступны для активных центров антител, реагирующих лишь с окружающими эти углубления гипервариабельными участка­ми, что позволяет вирусам избежать иммуно­логического пресса. Мутации в генах, коди­рующих антирецепторы, иногда приводят к полной потере способности вирусов взаимо­действовать с клеточными рецепторами.

Сама по себе адсорбция вирусов на повер­хности клетки далеко не всегда приводит к проникновению вирусов в клетки. Многие вирусы, имеющие гемагглютинин на своей поверхности, адсорбируются на эритроци­тах, особенно на безъядерных эритроцитах млекопитающих, но не проникают в них, поскольку последние лишены способности к эндоцитозу. Это же в значительной степени справедливо и для сохранивших ядра птичьих

эритроцитов. Но если одновременно с эндо-цитозом не произойдет слияния клеточных и вирусных мембран при заражении сложными вирусами, имеющими суперкапсид, и сходного взаимодействия вирусного капсида с клеточной мембраной при заражении простыми вируса­ми, то только лишь эндоцитоза будет недоста­точно, так как эндоциторная вакуоль станет «кладбищем» для вирионов. Эта стадия взаи­модействия чрезвычайно важна и специфична для разных вирусов. В ней принимают участие специальные белки слияния, которые есть у многих оболочечных вирусов, или их функ­циональные участки. Белки слияния приводят к нарушению функции клеточных мембран, изменению их проницаемости. Белки сли­яния не идентичны прикрепительным бел­кам вирусов. Наиболее хорошо изучен белок слияния у парамиксовирусов, получивший название F-белка (от англ. fusion — слияние). Область F-белков, участвующая в слиянии, обладает высоким консерватизмом. Мутации в этой области блокируют процесс слияния. Слияние может происходить извне и изнутри. При высокой множественности заражения происходит слияние извне, которое появ­ляется почти сразу же после заражения и не требует синтеза кодируемых вирусом белков. Слияние изнутри обнаруживается при низ­кой множественности заражения. Оно обус­ловлено вновь синтезированными белками слияния и появляется на поздних стадиях инфекционного процесса. Для проявления инфекционной активности вирусов необхо­дим посттрансляционный процессинг белков слияния, заключающийся в протеолитичес-ком нарезании белка-предшественника в ре­зультате точечного или ограниченного про-теолиза, что ведет к его активации и обра­зованию фрагмента, взаимодействующего с клеточной мембраной. Этим белки слияния вирусов напоминают протоксины бактерий. Для нарезания вирусных белков требуются протеазы определенной специфичности. Эти протеазы могут иметь как клеточное, так и вирусное происхождение. Мутации в участке нарезания ведут к блокированию протеоли-за и продукции неинфекционных вирусов, не способных осуществлять многоцикловую инфекцию, поэтому инфекционный процесс

будет носить абортивный характер. Степень протеолиза имеет большое значение для гене­рализации вирусной инфекции в организме. Посттрансляционная модификация вирусных белков в результате протеолитического на­резания является критическим моментом в окончательном приобретении вирусами ин­фекционной активности и представляет уяз­вимую мишень для ингибиторов протеолиза. Белки слияния вирусов выводят из строя не только зараженные, но и не зараженные ви­русами клетки, входящие в состав синцития. Они обуславливают возможность перехода вирусов из клетки в клетку по образовав­шимся межклеточным мостикам, благодаря чему вирусы не попадают в межклеточное пространство и становятся недоступными для вируснейтрализующих антител.

В отличие от парамиксовирусов, у вирусов гриппа белком слияния является гемагглю-тинин, обуславливающий также адсорбцию вирусов к клетке. Однако функции прикреп­ления и слияния разделены между разными его участками большой (НА1) и малой (НА2) субъединицами соответственно. Важным фак­тором патогенности у вирусов гриппа является нейраминидаза, которая, удаляя остатки сиа-ловой кислоты с вирусного гемагглютинина, делает его доступным для протеолитического расщепления, необходимого для проявления инфекционности вирусов.

Очевидно, что сходный по функции с бел­ками слияния сложных вирусов белок сущес­твует в составе капсида простых вирусов, и один из поверхностно расположенных белков капсида вызывает дестабилизацию клеточной мембраны, что способствует проникновению модифицированного капсида из эндоцитар-ной вакуоли в цитоплазму.

Взаимодействие вируса и клетки — это всег­да взаимодействие вирусного и клеточного генома. В результате адсорбции вируса, его проникновения в клетку и раздевания проис­ходит освобождение генетического материала вирусов, который становится функционально активным, так как освобождается от внешних защитных оболочек, препятствующих его экспрессии. Степень активности генома обус­ловлена разной степенью депротеинизации у вирусов разных семейств. Депротеинизация

осуществляется либо клеточными протеаза-ми, либо поверхностно-активными структу­рами клетки (хозяинное ограничение клетки). Исключение составляют вирусы оспы. При этом для сложноустроенных вирусов мини­мальной инфицирующей структурой оказались внутренние компоненты вирусной частицы — сердцевины и нуклеокапсиды с модифици­рованными белками и измененной конфор-мацией, а для простых вирусов — нуклеино­вые кислоты, тесным образом соединенные с внутренними или геномными белками, функ­ция которых связана с функциями генома и их регуляцией. Ключевым моментом в репликации вирусов является использование для синтеза ви­русных белков хозяйских структур клетки, син­тезирующих белки. Эукариотическая клетка навязывает вирусу два ограничения. Во-первых, так как клетка синтезирует в ядре свою собс­твенную мРНК путем транскрипции своей ДНК и последующего посттранскрипционно­го процессинга транскрипта, ни в ядре, ни в цитоплазме нет ферментов, необходимых для транскрипции мРНК с вирусного РНК-гено­ма, а в цитоплазме нет ферментов, способных транскрибировать вирусную ДНК. Поэтому клеточную транскриптазу могут использовать только ДНК-геномные вирусы, способные проникать в ядро. Все другие вирусы должны создавать собственные ферменты для синте­за мРНК. Для транскрипции ДНК-геном­ных вирусов в цитоплазме клетки необходим специальный фермент — вирусная РНК-по-лимераза, которая является структурным ви­русным белком. У РНК-геномных вирусов транскрипция осуществляется вирусоспеци-фическими транскриптазами, которые могут быть как структурными (эндогенная транс-криптаза), так и неструктурными белками. У сложноустроенных РНК-геномных вирусов транскрипция происходит не на голой матри­це РНК, а в составе вирусных нуклеокапсидов или сердцевин (транскриптивные комплексы). Связанные с геномом капсидные белки необ­ходимы для транскрипции, так как они обес­печивают правильную конформацию тяжа РНК, защиту его от клеточных протеаз, связь отдельных фрагментов генома друг с другом, а также регуляцию транскрипции. Во-вторых, синтезирующий аппарат эукариотической

клетки приспособлен для трансляции только моноцистронных мРНК, так как он не рас­познает внутренних участков инициации в мРНК. В результате вирусы вынуждены син­тезировать либо отдельные мРНК для каждо­го гена, либо мРНК, включающие несколько генов и кодирующие большой полипротеин, который затем разрезается на индивидуаль­ные белки. Транскрипция вирусного генома строго регулируется на протяжении инфекци­онного процесса многочисленными вирусо-специфическими и клеточными факторами. Со степенью транскрипции нередко связан характер инфекции, ее тип (от продуктивной до абортивной инфекции).

Важную роль в регуляции процессов транс­крипции играют гены усилители и трансак­тиваторы. Они расположены в специальной области генома вирусов и содержат гены, усиливающие и активирующие экспрессию структурных генов. Усилители — это генети­ческие элементы, усиливающие транскрип­цию. Структура вирусных усилителей не от­личается от структуры клеточных. Факторы транскрипции, связывающиеся с промото­ром и усилителем, выполняют одну и ту же функцию и могут представлять собой как клеточные, так и вирусные белки. Усилители, контролирующие уровень экспрессии генов, обнаружены у паповавирусов, гепаднавиру-сов, герпесвирусов, ретровирусов и ряда дру­гих вирусов.

Белки трансактиваторы не обладают спе­цифичностью действия. Они связываются с регуляторными областями генов и одновре­менно активируют усиленную транскрипцию всех генов, в том числе и других вирусов, что сопровождается взрывной продукцией вирус­ных частиц, а также включают экспрессию бактериальных генов и клеточных онкогенов. Они действуют не только на стадии транс­крипции, но и на посттранскрипционном уровне. Взаимодействие вирусных и клеточ­ных трансактиваторов может приводить к пе­реходу латентной инфекции в литическую, а также к онкогенной трансформации зара­женных клеток. Как и усилители, трансакти­ваторы содержат две важные для их функции области. Одна из них определяет транспорт и связывание белка с мишенью, а другая пред-

ставляет собой активный центр и выполняет основную, активирующую, функцию белка. Блокировка функции трансактиваторов на основе конкуренции с белками-мутантами или пептидами, соответствующими функцио­нальным областям трансактиваторов является перспективным направлением в противови­русной терапии. Трансактиваторы обнаруже­ны у вируса иммунодефицита человека, виру­са гепатита В, герпесвирусов, аденовирусов, паповавирусов.

Усилители и трансактиваторы являются не­обходимым атрибутом вирусов как генетичес­ких паразитов, конкурирующих с клеточным геномом. Неравные шансы небольших по раз­мерам вирусов на победу уравновешиваются возникшими в ходе эволюции генетическими элементами, позволяющими гораздо мень­шей по величине молекуле вирусного генома успешно завершить экспрессию своих генов и создать вирусное потомство. При этом вирусы широко используют механизмы клеточного происхождения, которые теперь обращены против клетки хозяина.

Важную роль в формировании патогеннос -ти сложных вирусов, помимо постгрансляци-онной модификации вирусных белков, играет синтез М-белка (матриксного белка), участву­ющего в сборке вирусной частицы. Включение М-белка в плазматическую мембрану являет­ся лимитирующим событием, определяющим возможность почкования вирусных частиц. Синтез М-белка жестко регулируется как ви-русоспецифическими, так и клеточными меха­низмами. Количество М-белка в зараженных клетках во многом определяет особенности репродукции вируса в данной клеточной сис­теме. Аберрантный синтез М-белка и его нару­шенный внутриклеточный транспорт служат одной из частых причин абортивных и персис-тентных вирусных инфекций. Экспрессия ге­на М значительно варьирует в клетках разного происхождения.

Патогенность вирусов обусловлена также их белковыми продуктами, блокирующими апоптоз клетки и изменяющими защитные реакции в макроорганизме, подавляя про­дукцию цитокинов, что способствует реп­родукции вирусов и их распространению по макроорганизму. Например, вирусы нату-

ральной оспы образуют TNF-связывающий белок, белки, подавляющие созревание ан­тигенов МНС 1 класса и аналог рецепто­ров у-интерферона. Вирус иммунодефици­та человека, наоборот, усиливает продукцию цитокинов пораженными им клетками, что ведет к усилению воспалительной реакции и развитию нейротоксического действия. Как и другие микробы, вирусы, благодаря наличию внешней липидсодержащей оболочке, обра­зованной из мембраны клетки хозяина, ва­риабельности структуры поверхностных ан­тигенов, интеграции в геном клетки, гибели Т-лимфоцитов и т. д., обладают способностью уходить от воздействия иммунной системы макроорганизма.

Заражение восприимчивых клеток вовсе не означает, что в клетках неизбежно будет про­исходить размножение вируса, так как вос­приимчивость не идентична пермиссивнос-ти клеточной системы. Это одна из главных концепций в вирусологии. Многие стадии взаимодействия вируса с клеткой имеют не столько вирусоспецифическую, сколько опос­редованную клеткой природу (эндоцитоз, де-протеинизация, синтез вирусоспецифических белков и т. д.). Клетка принимает активное участие в формировании патогенных вирусов лишь в пермиссивной клеточной системе, со­держащей весь набор необходимых факторов, используемых вирусами на разных стадиях инфекционного процесса, а репликативный цикл завершается и приводит к образованию инфекционного потомства, что не будет про­исходить в полупермиссивных и непермис-сивных клеточных системах (хозяинная или хозяйская рестрикция).

Патогенность вирусов имеет адресный ха­рактер. Каждый вирус занимает свою эколо­гическую нишу. Одни из них поражают ши­рокий круг хозяев, другие — более или менее близкие между собой виды, третьи — один-единственный вид, хотя экспериментальны­ми моделями могут быть разные виды живот­ных. В пределах вида хозяина вирус поражает определенные клетки, которые имеют рецеп­торы к данному вирусу, что и определяет тка­невой тропизм вирусов. При этом разные ви­русы могут взаимодействовать с различными клеточными рецепторами, так как одни и те

же клетки могут иметь рецепторы для разных вирусов. С другой стороны, рецепторы для одного и того же вируса могут иметь разные клетки. Чаще всего наличие на клетках ре­цепторов для вирусов является и показателем возможности репродукции в них вирусов.

Тканевой тропизм определяется не толь­ко наличием на клетках рецепторов, но и возможностью осуществления в клетках ви-русоспецифических синтезов. В зависимости от пермиссивности клеточной системы ин­фекция восприимчивых клеток может быть продуктивной, ограниченной и абортивной. Продуктивная инфекция происходит в пер-миссивных клетках и характеризуется полным циклом репродукции, который заканчивается формированием инфекционного потомства. Пермиссивность клеточной системы обуслав­ливает и многократную цикличность размно­жения в ней вирусов.

Абортивной называется инфекция, которая не завершается образованием инфекционных вирусных частиц или при которой они обра­зуются в гораздо меньшем количестве, чем при продуктивной инфекции. Абортивная инфекция может наступить в силу двух об­стоятельств. Во-первых, несмотря на вос­приимчивость к заражению, клетки могут оказаться непермиссивными, так как в них могут экспрессироватся не все, а лишь не­которые гены вирусов. В основе механизмов генетически обусловленной непермиссивнос-ти клеток лежит либо отсутствие клеточных факторов, необходимых для репродукции, ли­бо наличие факторов, нарушающих процессы репродукции вирусов. Во-вторых, абортив­ная инфекция может быть результатом зара­жения как пермиссивных, так и непермиссив-ных клеток дефектными вирусами, у которых отсутствует полный набор вирусных генов, необходимых для репродукции. Дефектные вирусы представляют собой крайнюю форму паразитизма, так как они используют генные продукты, образованные другими, часто не родственными им, не гомологичными ви­русами. Примером таких вирусов являются аденоассоциированные вирусы и вирус гепа­тита D, помощником которого служит вирус гепатита В. Абортивную инфекцию вызывают также дефектные интерферирующие вирусные

частицы, которые тоже лишены части генети­ческого материала. В отличие от дефектных вирусов, в ходе репликации они интерфери­руют с гомологичными инфекционными ви­русами, в связи с чем их назвали дефектными интерферирующими вирусными частицами (ДИ-частицами). Образование ДИ-частиц иг­рает важную роль в ослаблении летального действия полноценных вирусов в силу ин­терференции и предрасполагает некоторые клетки к формированию в них длительной персистентной инфекции.

Наконец, клетки могут быть только вре­менно пермиссивными, вследствие чего ви­рус либо сохраняется в клетках до момента, когда они становятся пермиссивными, либо в любой данный момент вирусное потомство образуется только в немногих клетках попу­ляции. Этот вид инфекции одними иссле­дователями был определен как рестриктив-ный (restrictive), другими — как ограниченный (restringent). В ряде случаев цитолитические вирусы могут только лишь изменять функ­циональную активность клеток, не вызывая их морфологических повреждений (изменять синтез гормонов, холестерина и т. д.), или вы­зывать опухолевую трансформацию клеток. Дополнительным следствием как ограничен­ной, так и абортивной инфекции является сохранение в клетке вирусного генома.

Если геном вируса реплицируется незави­симо от клеточного генома, такая инфекция называется автономной. Если вирусный ге­ном интегрирует в состав генома клетки и реплицируется вместе с ним, то такая инфек­ция называется интегративной (вирогения). Интегрировать может как полный геном, так и часть его. Например, при гепатите В воз­можна интеграция полного генома, при аде­новирусной или герпесвирусной инфекциях обычно интегрирует часть генома, при зара­жении онковирусами может интегрировать как полный геном, так и часть его. Вирусные последовательности, входящие в состав гено­ма клетки, называются провирусом или про-вирусной ДНК. Интеграционный тип инфек­ционного процесса возможен при заражении адено-, папиллома-, герпесвирусами, вирусом гепатита В и обязателен для ретровирусов, имеющих фермент — обратную транскрип-

тазу. Возникшая интеграция может явиться причиной ряда хронических и автоиммунных заболеваний.

По исходу взаимодействия с клеткой ин­фекция может быть цитолитической и не-цитолитической. Инфекция, завершающаяся гибелью клетки, называется цитолитической. Инфекция, которая непосредственно не при­водит к лизису клетки, в результате чего клет­ка еще может функционировать в течение определенного периода времени, продуцируя вирусные частицы, называется нецитолити-ческой. Инфицирование клетки запускает механизмы ее запрограммированной гибели, что препятствует репродукции и распростра­нению вирусов. Поэтому ряд вирусов, на­пример поксвирусы, имеют в своем составе гены, белковые продукты которых ингиби-руют апоптоз. Вирусы могут изменять только лишь функциональную активность клеток, без изменения их морфологии, или вызывать опухолевую трансформацию клеток.

Взаимодействие вируса с клеткой может носить как острую, так и хроническую форму. Острой называется такая форма инфекции, при которой после образования вирусного потомства клетка либо погибает, либо выздо­равливает и не содержит вирусных компо­нентов. Хронической называется такая форма инфекции, при которой клетка длительное время продолжает продуцировать вирусные частицы или вирусные компоненты и переда­ет эту способность дочерним клеткам. Следует отметить, что для вирусных инфекций харак­терна гетерогенность вирусной популяции и изменение ее в динамике инфекционного процесса, формирование отдельных клонов, в том числе агрессивных, смена антигенной специфичности.

В результате разрушения клеток вирионы и вирусные компоненты, а также продукты распада клеток, образовавшиеся в результате автолиза клеток, поступают в ток крови, вы­зывая развитие симптомов интоксикации в виде лихорадки, а также вызывают развитие симптомов воспаления. Одновременно раз­виваются иммунные реакции как клеточного, так и гуморального типа.

Повреждение клеток вирусами, их отмира­ние и распад переносят вирусную инфекцию

с клеточного уровня на органный и организ-менный уровень. Распространение инфекции может происходить путем контакта с клетка­ми, в том числе и по межклеточным мости­кам, образовавшимся в результате слияния мембран изнутри; с выделениями слизистых оболочек как в близлежащие, так и более отдаленные ткани и органы; по ходу нервных стволов. Но чаще всего вирусы распространя­ются с током крови — гематогенно. Именно этим путем вирусы разносятся по организму и нередко принимают вторичную локализацию. Классическим примером служит полиомие­лит, при котором вирус первично локализует­ся в эпителии тонкой кишки. В подавляющем большинстве случаев инфекционный процесс здесь и заканчивается, однако в ряде случае развивается вирусемия, в результате которой вирус может вторично локализоваться в ЦНС, а именно в клетках передних рогов спинного мозга, а также в продолговатом мозге, что ве­дет к возникновению параличей и летальному исходу. Основную роль в распространении вирусов по макроорганизму играет состояние резистентности макроорганизма.

На организменном уровне вирусные инфек­ции можно разделить на очаговые инфекции, при которых действие вирусов проявляется в месте входных ворот инфекции, и гене­рализованные инфекции, при которых после ограниченного периода репродукции вирусов в первичном очаге происходит генерализация инфекционного процесса и вирус достигает чувствительных тканей макроорганизма, фор­мируя в них вторичные очаги. По длительнос­ти взаимодействия с макроорганизмом ин­фекция может быть острой и персистентной. Острая инфекция соответствует продуктив­ной инфекции на уровне клетки. Она может протекать как в клинически выраженной, так и инаппарантной форме и завершается либо выздоровлением, либо гибелью организма. Персистентная инфекция в зависимости от выделения вируса в окружающую среду и по­явления симптомов заболевания проявляется в виде вирусоносительства, латентной, хрони­ческой или медленной вирусной инфекции.

Медленной вирусной инфекцией называется такое взаимодействие вирусов с организмом, которое характеризуется длительным инку-

бационным периодом, длящимся многие ме­сяцы и годы, последующим медленным и прогрессирующим течением заболевания с неизбежным летальным исходом, поражени­ем какой-либо одной системы макроорганиз­ма (как правило, ЦНС).

Большинство вирусов человека и животных способны персистировать в макроорганизме, что ведет к проэпидимичиванию населения и сохранению вирусов как биологического вида. Способность к персистенции выработалась у многих вирусов как механизм длительного сохра­нения в организме теплокровного хозяина или членистоногого-переносчика. Персистенция вирусов может быть итогом действия многих причин, связанных как с вирусом, так и с клет­кой хозяина, например в результате изменения репликации и транскрипции вируса при зараже­нии неполным или дефектным вирусом, образо­вания мутантов, изменения экспрессии вирус­ных генов, нарушения функции иммуноцитов, приводящего к супрессии иммунного ответа. Способность к персистенции определяется во многом пермиссивностью клеточной системы. Так, в эпителиальных и других интенсивно деля­щихся клетках происходят полные многократные циклы репродукции герпесвирусов. В нервных же клетках, которые, как известно, не делятся, герпесвирусы не размножаются, а существуют в виде плазмиды, так как в этих клетках нет фер­ментов, обуславливающих клеточно-зависимый синтез вирусных ДН К.