Генетические признаки вирусов и их использование в характеристике штаммов. Мутации у вирусов и их механизмы.

Вирусы имеют полифилетическое происхождение. В связи с этим, 20% вирусов несут в качестве генетического материала ДНК, 80% — РНК. Как генетический материал ДНК и РНК обладают разным эволюционными возможностями, так как с разной эффективностью реализуют внутренние источники наследственной изменчивости. Внутренними источниками изменений являются спонтанные генные мутации и рекомбинационные процессы, включающие интеграционные взаимодействия с геномом хозяина.
Мутации (точковые и множественные) представляют собой изменение генетического кода в результате замены (транзиции, трансверсии), выпадения (делеции) или вставки (инсерции) одного или нескольких нуклеотидов в геномной последовательности. Большинство мутаций носит нейтральный характер. К изменению фенотипа ведут только мутации, затрагивающие функционально активные последовательности белковой молекулы. По изменению фенотипа различают летальные, условно-летальные и нелетальные мутации. Примером летальных делеционных мутантов вирусов служат ДИ-частицы, условно-летальных — температурочувствительные (ts) мутанты. Нелетальные мутации обеспечивают антигенный дрейф и определяют существование различных серотипов и генетических вариантов вирусов.
В естественных условиях размножения движущей силой изменчивости вирусов являются спонтанные мутации, частота которых существенно варьирует внутри различных генетических групп вирусов. Скорость спонтанных мутаций в ДНК-геномах чрезвычайно мала и составляет 10 -10 ¹¹ на цикл репликации независимо от размера генома, в РНК-геномах эта величина составляет 10 -10 . Относительно низкая мутабельность ДНК-геномных вирусов компенсируется высокой численностью вирусных популяций (10 -10 вирионов в мл тканевой суспензии), где имеет значение не столько частота возникновения мутаций, сколько их абсолютное количество.
Различают два механизма мутагенеза — ошибка включения и ошибка репликации. В первом случае причиной мутаций является присутствие в клетке веществ, обладающих мутагенным действием — аналогов нуклеотидных оснований, свободных радикалов, перекисей и т. д. Во втором случае причина заложена в точности воспроизведения геномной нуклеиновой кислоты в процессе репликации. В отличие от ДНК-содержащих вирусов, РНК-содержащие обладают повышенной мутабельностью. Это свойство определяется химическим составом, структурой и способом репликации РНК, исключающим возможность исправления ошибок на неповрежденной комплементарной цепи. Вследствие отсутствия репарационного механизма при репликации РНК в каждом репликационном цикле около 10% потомства РНК-содержащих вирусов имеет мутации. У вирусов гриппа и ВИЧ замещается около 1% последовательности в год.
Сами по себе мутации, изменяющие генетические признаки отдельных вирусных частиц не могут привести к изменению наследственных свойств вирусной популяции в целом. Для этого необходим второй фактор — селекция, или направленный отбор мутантов, обладающих преимуществами для размножения в измененных условиях. Классическим примером выживания вируса за счет присутствия в популяции мутантов является выработка устойчивости к противовирусным препаратам. Другим широко известным проявлением естественной изменчивости вирусов является изменение антигенной структуры вируса гриппа A. В этом случае основной причиной изменчивости являются мутации в гене гемагглютинина, и как следствие — антигенный дрейф, который используется вирусом как механизм ухода из-под иммунологического надзора.
Рекомбинация — физическое взаимодействие между вирусными геномами в смешанно-зараженной клетке, при котором потомство, называемое рекомбинантами, содержит последовательности нуклеотидов, происходящие от обоих родителей. Различают два вида взаимодействий между геномами — внутримолекулярную рекомбинацию и реассортацию.
Внутримолекулярная рекомбинация представляет собой перераспределение последовательностей внутри одной молекулы геномной нуклеиновой кислоты. Установлена как для непрерывных, так и для сегментированных геномов, независимо от вида нуклеиновой кислоты.
У ДНК-содержащих вирусов внутримолекулярная рекомбинация является основной причиной эволюционных изменений и происходит обычным образом по механизму разрыв-воссоединение. Кроме этого, источником наследственной изменчивости вирусов может служить включение в вирусный геном генетического материала хозяина, которое наблюдается при интегративной вирусной инфекции.
У РНК-геномных вирусов в основе внутримолекулярной рекомбинации лежит механизм смены матрицы путем так называемого «прыжка» РНК-полимеразы на гомологичную область нуклеотидной последовательности. Рекомбинационные взаимоотношения могут наблюдаться на уровне одного вируса, между разными серотипами вируса и между разными вирусами. Описана внутримолекулярная рекомбинация между сегментами РНК трипартитного бромовируса растений, когда дефектный 3'-конец одной нити РНК был восстановлен за счет рекомбинации с 3'-концом другого РНК-сегмента.
Подтверждением межтиповой рекомбинации служит обнаружение природных штаммов полиовируса вакцинного происхождения, геном которых содержал последовательности генома всех трех серотипов вируса. Такие рекомбинанты возникают при вакцинации живой пероральной поливалентной полиовирусной вакциной, что создает возможность заражения одной клетки кишечника всеми тремя полиовирусами с последующей сменой матрицы РНК-полимеразой в процессе их репликации.
В качестве примера рекомбинационных взаимоотношений между разными вирусами может быть приведен вирус западного энцефалита лошадей (Alphavirus), который является гибридом вируса восточного энцефаломиелита лошадей и вируса Синдбис, от которого он приобрел регион, кодирующий поверхностный гликопротеин. РНК-содержащие вирусы могут изменяться путем приобретения последовательностей генома клетки-хозяина как за счет интегративных взаимоотношений (ретровирусы), так и без них. Так, пестивирус вирусной диареи быка рекомбинирует с клеточными мРНК, в результате чего нецитопатогенный вирус может стать цитопатогенным и вызвать смертельную мукозальную болезнь у хозяев.
Реассортация — перераспределение фрагментов сегментированного генома, является разновидностью рекомбинации. При реассортации вирусы с сегментированным геномом обмениваются сегментами, в результате у потомства, называемого реассортантами, в геном входят гены каждого из родителей. У вирусов с сегментированным геномом при реассортации сегменты перемешиваются случайным образом. Наиболее вероятно, что обмен происходит на стадии морфогенеза при условии двойного инфицирования клетки разными штаммами вируса. Явление реассортации в естественных условиях широко распространено у реовирусов, ротавирусов, бирнавирусов, вирусов гриппа. В том случае, если в результате реассортации произошла замена гена, определяющего антигенные характеристики вируса, и образовавшееся потомство приобретает новые антигенные свойства, речь идет об антигенном шифте.
Реассортация генов при смешанном инфицировании клеток вирусами разной видовой специфичности может служить причиной возникновения реассортантов не только с новыми антигенными свойствами, но и с новым эпидемическим потенциалом, дающим возможность реассортантам преодолевать межвидовые барьеры (межвидовая трансмиссия, переход от одного вида хозяина к другому). В общебиологическом смысле межвидовая трансмиссия — процесс смешения популяций, приводящий к нарушению их изоляции, влекущий за собой одно-, или двусторонний обмен генами и приводящий к увеличению запасов наследственной изменчивости популяций за счет поступления генов из генофонда другой популяции. Явление межвидовой трансмиссии широко распространено в природе у вируса гриппа и ротавирусов.
Для вируса гриппа преодоление межвидового барьера является одним из источников формирования пандемичных штаммов. Известные в.настоящее время пандемичные штаммы вируса гриппа A возникли в результате реассортации генов вируса гриппа человека и вируса гриппа птиц при смешанной инфекции в организме свиней. Для ротавирусов человека показано появление новых штаммов, связанных с трансмиссией от кошек, свиней, собак, овец, крупного рогатого скота. Реассортанты, несущие гены ротавирусов животных, привнесли в популяции ротавирусов человека новые серотип-определяющие гены.