ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИРУСОВ С КЛЕТКАМИ

Вирусные частицы, или вирионы являются инертны­ми, статическими формами вируса. Когда вирионы находятся вне клетки, они не репродуцируются. В настоящее время известно три типа взаимодействия вирусов с клетками хозяина.

Продуктивный тип взаимодействия заканчивается образова­нием вирусного потомства.

Абортивный тип не завершается образованием вирусных час­тиц, поскольку инфекционный процесс прерывается и не сопро­вождается формированием инфекционного потомства.

Интегративный тип взаимодействия вирусов с клеткой харак­терен для онкогенных вирусов, нуклеиновая кислота которых спо­собна встраиваться (интегрироваться) в клеточную хромосому, вызывая трансформацию клеток. Границы между вирусами с ав­тономной репликацией геномов и интеграционными вирусами довольно условны, и один и тот же вирус, в зависимости от вида клеток, может вести себя либо как инфекционный, либо как ин­теграционный геном. Результатом такого взаимодействия вируса и клетки является изменение наследственных свойств клетки. Данный тип взаимодействия вируса и клетки называют вироге-

нией, подобно лизогении при взаимодействии фагов с бактерия­ми. Вирусы, способные вызывать вирогению, относят к группе умеренных.

Продуктивный тип взаимодействия вируса и клетки получил название репродукции вирусов (от англ. rерroduсе — воспроизво­дить). Репродукция вирусов — это образование по принципу комплементарности и путем репликации копий вирусных нуклеиновых кислот и индуцирование молекулами последних биосинтеза вирусных белков с последующей самоорганизацией этих компонентов в вирусные частицы.

Синтез и репликацию нуклеиновых кислот вирусов осуществляют ферменты. Используя нуклеотиды клетки, ферменты создают из них полинуклеотидные цепи новых молекул нуклеиновых. кислот вирусов. В зависимости от типа синтезируемых нуклеиновых кислот они называются ДНК-полимеразами или РНК-синтетазами. В некоторых случаях нуклеиновые кислоты вирусов реплицируются клеточными полимеразами — ферментами, присутствующими в клетке до ее заражения вирусом, хотя чаще репликацию вирусных нуклеиновых кислот осуществляют полимеразы, появляющиеся после заражения клетки вирусом. Такие полимеразы называют вирусспецифическими, так как биосинтез их закодирован в структуре нуклеиновых кислот самих вирусов. И, наконец, репликация нуклеиновых кислот некоторых вирусов происходит за счет предсуществующих в вирионе полимераз. Синтез вирусспецифических полимераз и вирусных структурных белков осуществляется на рибосомах клетки. Вирусные полимеразы, например РНК-репликазы, являются строго специфичными.

При большом разнообразии механизмов репродукции вирусов общим для них является то, что источником мономеров для синтеза и репликации нуклеиновых кислот служат нуклеотиды клетки. Источником мономеров для синтеза и построения белков всех вирусов являются аминокислоты, и синтез белков всех вирусов независимо от ультраструктуры их нуклеиновых кислот осуществляется в клеточных рибосомах. Источником энергии для биосинтетических процессов при репродукции вирусов является АТФ, которая вырабатывается в митохондриях клет­ки-хозяина.

Процесс репродукции вирусов включает шесть этапов: адсор­бцию вируса на клетке; проникновение в клетку; депротеинизацию и освобождение вирусного генома; синтез вирусных компо­нентов в клетке-хозяине; сборку и формирование вирусов; выход зрелых вирусов из клетки.

Адсорбция, то есть прикрепление ви руса к клетке, осущес­твляется специфическими и неспецифическими механизмами. Неспецифический — определяется силами электростатического

взаимодействия. В этом процессе участвуют положительно заря­женные аминные группы вирусного белка и кислые фосфатные группы клеточной поверхности, имеющие отрицательный заряд. Специфический механизм взаимодействия вируса и клетки обус­ловлен комплементарными клеточными и вирусными рецепто­рами. Вирусные рецепторы подразделяют на липопротеиновые (у арбовирусов) и мукопротеиновые (у миксовирусов и аденовирусов). Спектр чувствительности клеток к вирусам часто опреде­ляется наличием соответствующих рецепторов.

Резистентность клеток можно преодолеть путем разрушения клеточной мембраны, для чего используют инактивированный вирус Сендай. Специфические противовирусные антитела и ан­титела к нормальным клеткам препятствуют адсорбции виру­сов. Процесс адсорбции состоит из двух периодов — обратимого и необратимого. Период обратимой адсорбции может закончить­ся десорбцией вируса. При длительном контакте клеток и вируса наступает стадия необратимой адсорбции. Адсорбированные вирионы таким образом могут частично элюироваться с поверхнос­ти клеток, небольшая часть остается интактной, а основная масса вирусных частиц проникает в клетку.

Проникновение вирусов в клетку осуществляется путем ви-ропексиса, или пиноцитоза. При этом в месте адсорбции вириона происходит сначала инвагинация наружной мембраны клетки и образование внутриклеточной вакуоли с вирусной частицей. Че­рез некоторое время вирусная и клеточная мембраны вакуоли лизируются и высвобождается нуклеокапсид вируса. Другие виру­сы, например вирус Неrреs simр1ех, проникают в клетку не путем виропексиса, а расплавления мембран вируса и клетки. После расплавления вирусный нуклеопротеид оказывается в цитоплаз­ме. Большинство вирусов проникают в клетку путем виропекси­са, меньшинство видов — путем сплавления. У фагов этот про­цесс, то есть освобождение ДНК и ее последующая инъекция сквозь оболочку бактериальной клетки, происходит непосредст­венно на поверхности этой клетки сразу же после прикрепления к ней фага.

Депротеинизация, или «раздевание» происходит постепенно в несколько этапов. Процесс освобождения вирусной нуклеино­вой кислоты идет при активном участии самого вируса, индуци­рующего образование в клетке ферментов и активаторов фермен­тов, необходимых для депротеинизации вирусной нуклеиновой кислоты. В процессе депротеинизации вирусов могут участвовать ферменты клеточных лизосом. Таким образом, депротеинизация завершается освобождением вирусного генома.

Как только вирусный геном освобождается от белка, вирус­ная нуклеиновая кислота дезорганизует работу клеточных систем. Вирус стимулирует синтез ингибитора клеточных РНК. Ингиби-

тор представляет собой белок — гистон, кроме того блокирующий процесс синтеза клеточной ДНК. Второй «ранний» вирусный белок препятствует осуществлению функции клеточной и-РНК. Термин «ранние» обозначает молекулы, синтезированные до репликации ДНК.

Реализация генетической информации вирусов осуществля­ется в соответствии с процессами транскрипции — синтеза ин­формационных РНК, комплементарных матричным ДНК или РНК; трансляции — синтеза белков на рибосомах клетки с участием и-РНК; репликации — синтеза молекул нуклеиновой кислоты, гомологичных геному (рис. 7).

| Синтез вирусных ДНК у ДНК-содержащих вирусов осущес­твляется с помощью ДНК-полимераз. Благодаря участию этого фермента из нуклеотидов клетки синтезируется и строится вторая комплементарная нить ДНК, в результате чего образуются новые двухцепочечные молекулы ДНК. Процесс репликации молекул ДНК продолжается до тех пор, пока в клетке не накопится определенное их количество, необходимое для потомства вирусной частицы, проникшей в клетку.

Поскольку типы и формы нуклеиновых кислот разнообразны — кроме двухцепочечной ДНК могут быть РНК, одно- и двухцепочечные, линейные и кольцевые молекулы — то и механизмы их репликации различны.

У вирусов, содержащих двунитевуюРНК, синтез вирусных компонентов происходит сходным образом. «Ранняя» транскрип­ция у них осуществляется благодаря вирионному ферменту — РНК-зависимой РНК-полимеразе. Вирусы с однонитевой РНК по характеру синтеза белков разделяются на две группы: вирусы,

Вирусные белки в т. ч. ферменты

ОАО

Новые молекулы вирусной ДНК

Рис. 7. Схема репликациодвухцепочечных молекул вирусных ДНК и передачи генетической информации в рибосомы

И-РНК(+)

Вирусные белки в т. ч. РНК-репликаза

Транскриптаза ———————^ Вирусная РНК

ОАО

Новые молекулы вирусных(-) РНК

 

Рис. 8. Схема репликации вирусных минус-РНК и передачи генети­ческой информации в рибосомы

у которых РНК обладает информационными свойствами и на­правляет синтез специфических белков (пикорна- и тогавирусы);

вирусы, у которыхРНК не является информационной, а служит только матрицей для синтезаи-РНК (ортомиксо-, парамиксо-, рабдовирусы) (рис. 8).

Особым способом репликации отличаются РНК-содержащие двухцепочечные ретровирусы. Существенное отличие состо­ит в том, что у них имеется фермент — РНК-зависимая-ДНК-полимераза, с помощью которой на матрице вирионной РНК синтезируется ДНК-провирус кольцевой формы. Этот провирус встраивается в клеточную хромосому и транскрибируется клеточ­ной РНК-полимеразой точно так же, как и обычные клеточные гены. Образующаяся РНК направляет синтез вирусных белков и одновременно является вирионной РНК. Вирусная нуклеино­вая кислота кодирует синтез двух классов белков: неструктурных белков — ферментов, которые обеспечивают процесс репродук­ции вирусов на разных его этапах, и структурных белков, кото­рые войдут в состав вирионов потомства. Наряду с синтезом бел­ков в клетке при репродукции вирусов, имеющих суперкапсид, например, вируса гриппа, происходит синтез углеводных цепей, входящих в состав гликопротеидов. Присоединение углеводов осуществляется с помощью клеточных ферментов трансфераз, син­тез липидов суперкапсида — клеткой-хозяином. Вирусный суперкапсид формируется при включении липидов из плазматической мембраны клетки-хозяина. Синтез вирусных нуклеиновых кис­лот и вирусспецифических белков происходит почти одновре-

менно и не менее чем на час опережает созревание вирусных частиц.

Сборка и формирование вирионов осуществляется после достижения критической концентрации нуклеиновой кислоты и белка так как чисто физико-химическая реакция агрегации белка с вирусными нуклеиновыми кислотами. Так, у парамиксовирусов формирование вирионов происходит путем самосборки, которая обусловлена «узнаванием» РНК белками. Вероятно, «узнающим» белком вляется белок Р, который наиболее жестко связан с РНК в вирионах. Нуклеокапсиды накапливаются в цитоплазме зараженных леток, причем скорость образования внутриклеточных нуклеокапсидов гораздо выше скорости образования вируса. Зрелые ви­русные сложноустроенные частицы формируются при прохождении их нуклеопротеидов через цитоплазматическую или ядерную мембрану клетки-хозяина.

Компоненты этих мембран становятся элементами наружной оболочки вириона — суперкапсида. Заключительная стадия репро-дукции вирусов — выход вновь сформированных вирионов из клетки. У различных групп вирусов этот процесс происходит по-разному. При выходе из клетки вирусов, не имеющих суперкапсидной оболочки, как правило, клетка погибает из-за взрывного выхода одновременно большого количества вирусных частиц. Вирусы, имеющие суперкапсидную оболочку, выходят из клетки путем почкования. На заключительном этапе сборки нуклеокапсиды сложноустроенных вирусов фиксируются на клеточной мембра­не, модифицированной вирусными белками, и постепенно вы­пячивают ее, в результате чего образуется «почка», содержащая нуклеокапсид. Затем «почка» отделяется от клетки, то есть внеш­няя суперкапсидная оболочка этих вирусов формируется в про­цессе их выхода из клетки.

При таком механизмевыхода вирионов из клетки последняя сохраняет в определенной мере свои функции. Так, например, процесс выхода вирусов гриппа может продолжаться более 30 ча­сов. Герпесвирусы могут выходить из клетки через цитоплазматические трубочки, соединяющие ядерную оболочку с наружной мембраной клетки. Благодаря такому механизму выделения эти вирусы передаются от клетки к клетке, не выходя во внешнюю среду. Образовавшиеся в процессе репродукции вирионы могут инфицировать новые клетки и проходить в них новый цикл реп­родукции.

Интегративный тип взаимодействия характеризуется встраи­ванием нуклеиновой кислоты вируса в хромосому клетки-хозяи­на. При этом вирусный геном функционирует как составная часть клеточного генома. Интегративный тип взаимодействия присут­ствует у бактериофагов, онкогенных вирусов, вируса гепатита В, вирусов герпеса и вируса иммунодефицита человека. В частности,

5 «Микробиология»

 

умеренные фаги вступают в симбиоз с частью бактерий, при этом ДНК фага встраивается в хромосому бактерии. В данном случае геномом фага называют профаг, ставший частью хромосомы бак­терии и не вызывающий ее лизиса.

Симбиоз микробной клетки с умеренным фагом называют лизогенией. Самопроизвольно или под действием ультрафиолета, или химических факторов профаг может из хромосомы перехо­дить в цитоплазму и вести себя как вирулентный фаг, лизирующий бактерии.

У онкогенных вирусов и вируса иммунодефицита человека процесс интеграции является обязательным в цикле их репродук­ции. У этих вирусов на матрице РНК с помощью фермента РНК-зависимой ДНК-полимеразы синтезируется ДНК-копия, кото­рая встраивается в хромосому клетки. ДНК вируса, находящаяся в составе хромосомы клетки, называется ДНК-провирусом. Клет­ка сохраняет свои функции и при делении передает ДНК-провирус дочерним клеткам.

Таким образом, состояние вирогении наследуется. ДНК-про-вирус несет дополнительную генетическую информацию, поэто­му интеграция является причиной некоторых аутоиммунных и хро­нических заболеваний, опухолей. Под действием некоторых физических и химических факторов ДНК-провирус может выре­заться из клеточной хромосомы и переходить в автономное состо­яние, включаясь в цикл репродукции.