ЛЕКЦИЯ 6. Онкогенные вирусы.

1. Общая характеристика онкогенных вирусов.

2. Механизм образования вирусиндуцированных опухолей.

3. Особенности онкогенных вирусов.

Это группа вирусов, относящихся к различным семействам, но обладающих одним общим свойством – способностью превращать нормальную клетку в опухолевую (неопластическая трансформация).

Различают две группы их:

- Вирусы исключительно онкогенные (вирус лейкоза кур)

- Способные вызывать острую инфекцию и обладающих онкогенными свойствами.

К числу онкогенных вирусов относят как РНК-содержащий вирус (единственное семейство), так и группу ДНК-геномных вирусов. Все онкогенные вирусы обладают способностью в той или иной степени превращать нормальную клетку в опухолевую, то есть индуцировать формирование опухолей.

В группе РНК-геномных вирусов выделяют единственное семейство, обладающее онкогенными свойствами - Retroviridae. Вирусы семейства обычно выделяются из клетки путем почкования без ее повреждения, и способны передаваться из поколения в поколение.

В группе ДНК-геномных вирусов онкогенными свойствами обладают следующие семейства:

· Poxviridae

· Adenoviridae

· Herpesviridae

· Papovaviridae

· Parvoviridae

2.

Под действием онкогенных вирусов нормальная клетка трансформируется в опухолевую. Механизм образования и развития опухолей называется карциногенез (или онкогенез).

Существует несколько теорий, объясняющих это явление. Одна из них называется гипотеза онкогена.

Согласно этой гипотезе, в каждой клетке организма присутствует ген, называемый онкогеном, кодирующий особый белок (трансформирующий белок), вызывающих усиленную репродукцию клеток. Функционально этот белок является ростовым фактором. В организме после рождения онкоген находится в состоянии репрессии при участии другого регулирующего белка-репрессора. В таком состоянии клетка считается здоровой (неопухолевая клетка).

При действии различных факторов (физические, химические или биологические) происходит разблокирование онкогена, синтезируется трансформирующий белок, который вызывает неограниченное неконтролируемое размножение клетки.

Рассмотрим механизм активизации онкогена под действием вирусов. Он может быть различным. Чаще всего такие вирусы, попадая внутрь клетки, привносят свои онкогены, которые по структуре отличаются от клеточных онкогенов, но выполняют ту же функцию.

Например, вирус саркомы Рауса содержит онкоген, обозначаемый src, кодирующий фермент тирозинкиназу. Данный фермент фосфорилирует аминокислоту тирозин отдельных поверхностных белков клетки, после чего модифицированные белки начинают функционировать в качестве ростового фактора для клетки.

Другие вирусы способны активизировать клеточные онкогены. Особенностью таких вирусов является наличие промоторов в составе их генома – участков нуклеиновой кислоты, которые сами не кодируют и-РНК, а запускают процесс транскрипции рядом расположенного гена. Например, ретровирусы цыплят содержат в составе собственной нуклеиновой кислоты несколько промоторов. Эти вирусы после проникновения в клетки-мишени интегрируют в клеточную нуклеиновую кислоту как раз в месте расположения клеточного онкогена (c-myc), запуская механизм его активизации. Все это, в конце концов, приводит к усиленному размножению клетки.

3.

1. Они вызывают неопластическую трансформацию клеток. При этом нуклеиновая кислота вируса интегрирует в клеточный геном, нарушается дифференциация клеток, они становятся опухолевыми и не стареют. Происходит неконтролируемый их рост.

2. Онкогенные вирусы в значительной степени снижают резистентность макроорганизма.

3. Онкогенные вирусы по-разному выделяются из организма: ДНК- вирусы на ранних стадиях болезни, а РНК-вирусы - постоянно.

4. Для них характерно то, что от момента внедрения до появления первых признаков проходит длительный период и переход зависит от многих причин.

5. Свойства онкогенности не абсолютно.

6. Распространение онкогенных вирусов происходит не только горизонтально, но и вертикально. Заражение может происходить контактно, алиментарно, через укусы насекомых, воздушно-капельным путем.

7. Онкогенные вирусы способны преодолевать видовые и классовые барьеры (лейкоз мышей у крыс, саркома Рауса птиц у крыс, кролики).

8. Онкогенные вирусы обычно вызывают зооантропонозные болезни.

 

ЛЕКЦИЯ 7. Генетика вирусов.

1. Введение.

2. Генетическая организация вирусного генома.

3. Генетические признаки вирусов.

4. Изменчивость вирусов.

5. Взаимодействие вирусов в условиях смешанной инфекции.

1.

Все вирусы позвоночных обладают свойствами наследственности и изменчивости. Изучение этих свойств составляет науку генетика вирусов.

Содержание раздела генетики вирусов определяется биологическими свойствами вирусов: их простая организация, многообразие форм и присутствие большого числа вирусных частиц в популяции. При этом размножающиеся в клетке вирусы представляют собой определенное сообщество, обладающее рядом признаков и свойств популяции.

Попадающий внутрь чувствительной клетки вирион представляет собой родительский (дикий) тип вируса. Затем в ходе репродукции вируса в клетке происходит формирование популяции дочерних вирусов (дочерняя популяция), которая может включать полные вирусные частицы, то есть вирусы по генотипу и фенотипу идентичные родительским вирусам и неполные вирусные частицы, то есть вирусы, отличающиеся от родительского типа по некоторым признакам.

Неполные вирусные частицы могут быть представлены:

- псевдовирусами, которые представляют собой полые вирусные частицы без нуклеиновой кислоты (полый капсид) или вирусные частицы, содержащие клеточную нуклеиновую кислоту. При этом первая группа псевдовирусов может образовываться в результате избыточного синтеза вирусных структурных белков, а вторая – в результате нарушения механизмов распознавания вирусной нуклеиновой кислоты, вследствие чего при сборке вирусных частиц в состав вириона включается ДНК или РНК клетки;

- вирусы- мутанты, которые представляют собой вирусные частицу, несколько отличающиеся от родительских вирусов по структуре и генотипу, но однако имеющие их генетическую основу;

- вирусы- рекомбинанты, которые представлены вирусными частицами с генетической основой, отличной от родительских вирусов и образованной путем обмена генетической информации между несколькими вирусами или путем пересортировки ее внутри одного вируса;

- вирусы- гибриды, которые представляют собой вирусные частицы, образованные в результате объединения (но не обмена) генетической основы двух вирусов под одним капсидом с образованием вирусов-гетерозигот, а также заключения нуклеиновой кислоты одного вируса под капсид другого вируса в процессе так называемого фенотипического смешивания с образованием вирусов-химер.

2.

По химической природе геномы вируса делятся на две группы – РНК и ДНК - геномы.

РНК- вирусы представляют собой самостоятельное направление эволюции – их геном имеет линейную структуру и содержит однонитчатую (или двунитчатую) РНК. При этом двунитчатая молекула РНК у зоопатогенных вирусов сегментирована на несколько фрагментов (например, у вирусов семейства Reoviridae молекула РНК сегментирована на 10 фрагментов, а вирусов семейства Birnaviridae – на 2 фрагмента).

Геном ДНК-геномных вирусов может иметь линейную структуру, а также циркулярную. Особое место представляют вирусы семейства Parvoviridae и Circoviridae с однонитчатой молекулой ДНК. Популяция парвовирусов делится на два класса – один несет –цепь, второй +нить.

Нуклеиновая кислота у зоопатогенных вирусов построена по аналогичной схеме, как и нуклеиновая кислота животных и растительных клеток. По химическому составу ДНК бактериофагов отличается от ДНК вирусов растений и животных наличием оксиметилцитозина вместо цитозина.

Триплет в односпиральной НК или два триплета двуспиральной НК кодируют одну аминокислоту. По сравнению с РНК ДНК является более совершенным генетическим материалом, так как в ней имеется двойная запись генетического кода, что обусловливает большую сохранность генетической основы вируса. При этом увеличение емкости РНК пошло по линии фрагментации, что также является достижением в эволюции вирусов.

Несколько триплетов составляют ген или цистрон. У вирусов один ген кодирует один белок и количество генов у разных вирусов различно, что зависит от размеров нуклеиновой кислоты (например, у поксвирусов имеется 160 генов, а у энтеровирусов – только 5 генов).

Ген делится на несколько реконов и мутонов - единицы рекомбинации и мутации. Реконы и мутоны представляют собой участки молекулы нуклеиновой кислоты, которые изменяются в процессе рекомбинации или мутации.

3.

Все вирусы обладают определенными признаками. В широком смысле признаками биологического объекта являются все те признаки, которые отличают его от других объектов и придают ему уникальность (неповторимость)

Генетическими признаками являются все те признаки, которые вирус способен сохранять, проявлять и передавать следующей генерации вируса. Совокупность всех генетических признаков составляет генотип вируса.

Все генетические признаки вирусов делятся на групповые, видовые и штаммовые. Например, у пикорнавирусов содержится молекула только однонитчатой РНК, все вирусы семейства имеют одинаковый размер, определенный тип симметрии (групповые признаки). У афтовирусов семейства Picornaviridae отмечается слабая устойчивость к кислотам, эпителиотропность, патогенность для парнокопытных (видовые признаки). У вируса ящура рода Aphtovirus имеются различные сероварианты (штаммовые признаки).

Каждый генетический признак обозначается начальными буквами латинского названия (Р – патогенность, V – вирусемия, P_bo – патогенность для КРС, Р⁺ - признак присутствует, t – терморезистентность, Ag – антигенность).

Разнообразные признаки вирусов обычно не связаны между собой, поэтому изменение одного признака не влияет на другой признак.

4.

В процессе репродукции вирусов могут образовываться вирусные частицы с измененным генотипом, что является следствием изменчивости вирусов. При этом изменения могут касаться величины вируса, формы, патогенности, антигенной специфичности и других признаков.

У вирусов возможна мутационная и рекомбинационная изменчивость, а также гибридизация.

Мутация – стабильное наследуемое изменение в нуклеиновом составе генома вируса, приводящее к внезапно наступающим наследуемым изменениям свойств вируса. Сущность мутаций у вирусов заключается в нарушении генетического кода.

К появлению вирусов – мутантов приводит биологическое явление, называемое спонтанный мутагенез, в основе которого лежит ошибочное спаривание азотистых оснований. Могут быть замены оснований, их выпадения, вставки, перестановки. Эти нарушения могут ограничиваться отдельными нуклеотидами или распространяться на значительные участки. Ошибки происходят потому, что в природе существует две таутомерные формы азотистых оснований, что обусловлено различным пространственным расположением атомов в молекуле. Во время репликации вирусной нуклеиновой кислоты спаривание правильного азотистого основания с таутомерным приводит к простой замене (транзиции) пурина на пурин или пиримидина на пиримидин. При этом скорость спонтанного мутагенеза в геномах ДНК- вирусов составляет 10^-8 – 10^-10 на каждый включенный нуклеотид, а в РНК- геномах – 10^-3 – 10^-4 .

Также различают:

1. Спонтанные мутации. Они возникают в природе под действием невыясненных причин.

2. Индуцированные, то есть те мутации, возникновение которых может быть вызвано действием определенных факторов.

Мутации в вирусном геноме приводит к изменению определенного участка нуклеиновой кислоты, а вместе с ним выпадению (делеции) определенного признака у вируса. При этом такие вирусы называют мутантными.

Различают четыре класса вирусов – мутантов:

1. Вирусы с условно дефектными вирусными геномами. Они представляют собой вирусные частицы с частично измененным генотипом, которое проявляется только при определенных внешних условиях. Подобные вирусы после мутации сохраняют свою патогенность, однако при определенных условиях они не способны проявлять свои патогенные свойства. Эти условия могут касаться изменения температуры чувствительной клетки, при которой вирус вызывает патологический процесс, в редких случаях изменения спектра хозяев (чаще в сторону сужения).

2. Дефектные интерферирующие частицы (ДИ- частицы). Они представляют собой вирусы с измененной нуклеиновой кислотой, при этом вирус утрачивает способность к синтезу функциональных белков, в результате чего этот вирус становиться неспособным к собственной репродукции. При заражении клетки дефектными вирусными частицами совместно с полноценными вирусами ДИ- частицы способны к саморепродукции. Утилизируя для своей репликации продукты генов полноценных вирусов, ДИ- частицы угнетают репродукции вируса- помощника.

3. Интеграционные вирусы с дефектным геномом. Они представляют собой вирусы, которые в ходе репродукции включают в свой геномный аппарат отдельные гены клеток. Все интеграционные вирусы с дефектным геномом представлены исключительно вирусами семейства Retroviridae, включающие в свой геномный состав определенные гены клетки (onc- гены), вызывающие трансформацию нормальных клеток в опухолевые. Многие опухолевые заболевания, вызываемые вирусами данного семейства, инициируются при внедрении в клетки интеграционных вирусов, содержащие onc- гены.

4. Вирусы-саттелиты. Представляют собой вирусы, которые для собственной репродукции требуют присутствия продуктов генома другого неродственного вируса. Такой тип репродукции свойственен отдельным вирусам семейства Parvoviridae (род Dependovirus), которые репродуцируются только при наличии аденовирусов. По характеру взаимодействия вирусы-саттелиты очень похожи на ДИ- частицы, однако у последних взаимодействие происходит только между родственными вирусами.

Мутации генома могут затрагивать только один или небольшое число нуклеотидов, расположенных в ограниченном числе генов. В таком случае говорят о точечных мутациях. При этом мутации генома происходят в виде транзиций – замена пуриновых на пуриновые основания или трансверсий- замены пуриновых на пиримидиновые основания. Кроме того, возможны мутации обширных участков генома, затрагивающие значительную протяженность последовательности нуклеотидов в нескольких генах.

Рекомбинации (лат. re- вновь, combino- сочетать)представляют собой обмен генетическим материалом (отдельными участками или целыми генами) между двумя вирусами или же вариантами одного и того же вируса, различающимися некоторыми структурными особенностями их генома. Такой тип взаимодействия может иметь место только при инфицировании одной клетки несколькими вирусными частицами с отличными геномами.

Рекомбинации представляют собой перераспределение генетического материала, и в отличие от мутаций они не вызывают нарушение структуры генома вируса-рекомбинанта. В этой связи рекомбинации не являются летальными.

Различают две группы рекомбинаций, происходящих внутри вирусных популяций: рекомбинации (обмен) отдельными генами между двумя отличными вирусами, а также перемешивание (изменение последовательности генов друг за другом) генов с передачей полных генов или их отдельных участков между двумя вирусами. Первый тип взаимодействия характерен для ДНК-геномных вирусов, при этом один из рекомбинантов, участвующих в процессе рекомбинации обязательно является мутантным. При таком типе взаимодействия, рекомбинация между интактным (нетронутым) и мутантным вирусами устраняет повреждение последнего, восстанавливая структуру последнего. Такой тип взаимодействия называют перекрестной кросс-реактивацией. Реактивация вирусов может также происходить путем рекомбинации между двумя мутантными вирусами, однако вероятность восстановления активности вирусов при этом значительно ниже. В отличие от кросс-реактивации, происходящей между интактным и мутантным вирусам, такой тип рекомбинации называют иначе множественной реактивацией.

Второй тип рекомбинации характерен для РНК- геномных вирусов, содержащих сегментированный геном. При это взаимодействие происходит чаще всего между двумя нетронутыми (интактными) вирусами одного вида, принадлежащих различным серовариантам. При этом образуются рекомбинанты, содержащие родственные, но не свойственные для исходного (дикого) вируса гены. В связи с тем, что такое перераспределение генов ведет к появлению вирусов-рекомбинантов, содержащих нетронутые гены от исходных вирусов, но в иной последовательности, то такой тип рекомбинации иначе называют пересортировкой генов. Очень часто этот тип рекомбинации между вирусами гриппа семейства Orthomyxoviridae, содержащих сегментированную РНК, и ведет к появлению новых вирусов-рекомбинантов, имеющие поверхностные белки- гемагглютинины и нейраминидаз других серовариантов. Это явление, происходящее в природе, объясняет частую заболеваемость популяции животных и человека гриппом.

Все типы реактиваций, а также пересортировка генов может привести к появлению активных вирусов лишь в том случае, когда дефектные гены находятся на разных участках генома двух рекомбинирующих вирусов. Такой феномен, приводящий к восстановлению утраченного в ходе мутации признака (маркера), нередко называют феноменом «спасения маркера».

Важным при осуществлении рекомбинаций является то обстоятельство, что взаимодействие может происходить только между биологически и эволюционно родственными вирусами. Рекомбинаций между гетерогенными вирусами в естественных условиях не происходят. В экспериментальных условиях иногда удается добиться рекомбинантных геномов. Например, первой гибридной являлась ДНК, полученная из неполного генома вируса обезьян SV-40 и части генома умеренного бактериофага λ.

Гибридизация – тип изменчивости вирусов, происходящий вследствие объединения геномов двух вирусов под одним капсидом или же заключения генома одного вируса под капсидом другого вируса. В первом случае говорят о формировании вирусов-гетерозигот, а во втором - вирусов-химер.

При образовании вирусов-гетерозигот (греч. heteros - иной zygoo - соединять) может происходить объединение двух полных геномов различных вирусов, а также полного генома одного вируса с частью генома другого вируса. Образующаяся при этом гетерозиготная молекула нуклеиновой кислоты заключается под капсид одного из участвующих в процессе типов вирусов. Образование гетерозиготности сравнительно редкое явление, и биологическое значение его до конца не выяснено.

При образовании вирусов-химер происходит заключение полноценного генома одного вируса в белковый капсид другого вируса. В связи с тем, что при таком типе гибридизации вирусный геном не изменятся, то этот тип изменчивости у вирусов называют негенетическим, а само явление – фенотипическим смешиванием или иначе транскапсидацией. Фенотипическое смешивание довольно широко распространено в природе, и происходит чаще всего среди близкородственных безоболочечных (не содержащих суперкапсид) вирусов, например, многих пикорнавирусов. Транскапсидация имеет огромное значение в природе вирусов, так как она придает вирусам способность преодолевать межвидовые барьеры, расширяя спектр патогенности вирусов.

Необходимо отметить, что оба образующихся типа вирусов-гибридов достаточно неустойчивы в природе и быстро исчезают при пассажах.

5.

Таким образом, рассмотрев основные вопросы генетики вирусов, можно отметить, что вирусы обладают способностью наследственности, что обеспечивает сохранность вирусов в биосфере, а также изменчивости, что обеспечивает способность вирусов приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды. При этом вирусы способны не только взаимодействовать с клеткой-хозяином, изменяясь и приспосабливаясь для осуществления собственной репродукции, но и между собой, обеспечивая сохранение и повышение собственного генетического потенциала.

Взаимодействие вирусов между собой может происходить только при заражении одной клетки несколькими вирусами (смешанная инфекция). При этом характер взаимодействия в условиях смешанной инфекции может быть генетический и негенетический.

Генетические взаимодействия:

1. Кросс-реактивация – это тип рекомбинации между двумя вирусами, один из которых является неизмененным (интактным), а другой - мутантным инактивированным. При этом в ходе рекомбинации происходит восстановление активности инактивированного вируса в следствие замены дефектных генов нормальными от интактного вируса.

2. Множественная реактивация. Представляет собой также тип рекомбинации, происходящий между двумя мутантными инактивированными вирусами. При этом, вирусы, взаимодействуя, передают друг другу недефектные гены с формированием полноценного генома. В обоих случаях реактивации образующиеся в процессе рекомбинации вирусные частицы называются вирусы-реактиванты.

3. Пересортировка генов. Это отдельный тип рекомбинации, происходящий между двумя родственными вирусами с сегментированными молекулами РНК. При этом происходит обмен либо целыми фрагментами РНК, либо отдельными генами, либо отдельными участками генов, однако в любом случае при рекомбинации участвует недефектный генетический материал. Образующиеся в процессе рекомбинации вирусы называют вирусы-реассортанты

4. Гетерозиготность – нестойкое объединение нуклеиновых кислот двух вирусов под одним капсидом. Образующиеся при этом вирусные частицы называют вирусы-гетерозиготы.