Структура генома вирусов и фагов

 

Вирусы - это внеклеточная форма жизни, обладающая собственным геномом и способная к воспроизведению только в клетках живых организмов.

Вирион (или вирусная частица) состоит из одной или нескольких молекул ДНК или РНК, заключенных в белковую оболочку (капсид), иногда содержащую также липидные и углеводные компоненты.

Вирусы размножаются только после инфицирования живых клеток. Различные вирусы проникают в животные и растительные клетки, а также бактерии (вирусы бактерий называются бактериофагами ). Вирусы являются внутриклеточными паразитами на генетическом уровне и используют для своего размножения белок-синтезирующий аппарат клетки-хозяина.

Жизненный цикл вируса начинается с проникновения внутрь клетки. Для этого он связывается со специфическими рецепторами на ее поверхности и либо вводит свою нуклеиновую кислоту внутрь клетки, оставляя белки вириона на ее поверхности, либо проникает целиком в результате эндоцитоза. В последнем случае после проникновения вируса внутрь клетки следует его «раздевание» - освобождение геномных нуклеиновых кислот от белков оболочки. В результате этой процедуры вирусный геном становится доступным для ферментных систем клетки, обеспечивающих экспрессию генов вируса. Именно после проникновения вирусной геномной нуклеиновой кислоты в клетку заключенная в ней генетическая информация расшифровывается генетическими системами хозяина и используется для синтеза компонентов вирусных частиц.

По сравнению с геномами других организмов вирусный геном относительно мал и кодирует лишь ограниченное число белков, в основном белки капсида и один или несколько белков, участвующих в репликации и экспрессии вирусного генома. Необходимые метаболиты и энергия поставляются хозяйской клеткой.

Геном вирусов, заключенный внутри вирионов, может быть представлен ДНК или РНК, последние могут быть одно - и двуцепочечными, кольцевыми и линейными. Значения молекулярных масс ДНК вирусов находится в пределах 1∙10⁶ - 200∙10⁶; РНК - 1∙10⁶ - 15∙10⁶ дальтон.

По сложности строения генома вирусы широко варьируют - от фага Qβ (РНК-содержащий вирус бактерий), имеющего 4 гена, до вируса оспы (ДНК-содержащий вирус), геном которого насчитывает около 250 генов. Кроме того, все гены вируса могут быть заключены в одной молекуле нуклеиновой кислоты или распределены по нескольким молекулам, которые вместе и составляют геном такого вируса.

 

Типы генетического материала и механизм его репликации

У различных вирусов

3.1 РНК-содержащие вирусы (РНК → РНК)

Геномы почти всех известных РНК-содержащих вирусов, реплицирующихся по данной схеме - это линейные молекулы, их удобно разделить на 2 группы.

Первая группа -это однонитевые геномы положительной полярности, т.е. с нуклеотидной последовательностью, соответствующей таковой у мРНК.

Такие геномы обозначают как (+) РНК. Цепь РНК такого типа может сразу после проникновения в клетку-хозяина обеспечивать синтез вирусных белков. Однонитевый (+) РНК-геном характерен для фага Qβ, вирусов табачной мозаики, полиомиелита, клещевого энцефалита. Вирусные (+) РНК-геномы кодируют несколько белков, среди которых РНК-зависимая РНК-полимераза (репликаза), способная синтезировать молекулы РНК без участия ДНК. С помощью этого фермента синтезируются сначала (-) нити РНК вируса, а затем репликаза осуществляет синтез (+) нити РНК. На заключительной стадии из накопившихся вирусных белков и (+) РНК формируются новые вирионы.

Вторая группа - это однонитевые геномы с негативной полярностью, т.е. (-) РНК-геномы. К вирусам с негативным РНК-геномом относятся вирусы гриппа, кори, бешенства. Поскольку (-) РНК не может выполнять функции мРНК, для образования «своих» мРНК вирус внедряет в клетку не только геном, но и фермент, умеющий снимать с этого генома комплиментарные копии по схеме:

Этот вирусный фермент РНК-зависимая РНК-полимераза, синтезированная в предыдущем цикле размножения, упакован в вирионе в удобной для доставки в клетку форме. Инфекционный процесс начинается с того, что вирусный фермент копирует вирусный геном, образуя (+) РНК, которая выступает в качестве матрицы для синтеза вирусных белков, в том числе РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая входит в состав образующихся вирионов.

ДНК-содержащие вирусы

Первая группа - вирусы с двуцепочечной ДНК, репликация которых осуществляется по схеме: ДНК→РНК→ДНК. Они получили название ретроидные вирусы. Представителями этой группы вирусов являются вирус гепатита В и вирус мозайки цветной капусты.

Репликация ДНК-генома этих вирусов осуществляется при посредстве промежуточных молекул РНК:

 

Молекулы (+) РНК образуются в результате транскрипции вирусных ДНК в клеточном ядре хозяйским ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Транскрибируется только одна из нитей вирусной ДНК. Дальнейший синтез ДНК на РНК-матрице происходит в результате реакции, катализируемой обратной транскриптазой; сначала синтезируется (-) нить ДНК, а затем на вновь синтезированной (-) нити ДНК тот же фермент строит (+) нить. (+) РНК также используется для трансляции белков, необходимых для сборки вирусных частиц.

Вторая группа - вирусы с двухцепочечной ДНК, репликация которых осуществляется по схеме ДНК→ДНК. К этой группе относятся вирусы герпеса, оспы и др. В зараженной клетке ДНК-зависимая РНК-полимераза (фермент клетки-хозяина) транскрибирует с генома этих вирусов молекулы мРНК (т.е. (+) РНК), которые принимают участие в синтезе вирусных белков, а размножение вирусного генома осуществляет фермент ДНК-зависимая ДНК-полимераза:

Бактериофаги

Отмеченные особенности характерны для вирусов животных, растений и бактерий. Последние, называемые бактериофагами, наиболее детально изучены с генетической точки зрения. Связано это, прежде всего с легкостью их культивирования в лабораторных условиях.

Разные фаги обнаруживают специфичность действия - они действуют на бактерии лишь определенного вида, редко на близкие виды и часто - на отдельные штаммы данного вида. Фаги со специфическим приспособлением к тому или иному хозяину отличаются от других фагов морфологией, размерами, биохимическими и серологическими свойствами.

Биохимический анализ выявляет в фаговой частице два компонента -белок и нуклеиновую кислоту. Белок образует хвост фага и мембрану головки. При резком изменении осмотической силы среды мембрана может разрываться и ДНК освобождается.

Практически все известные фаги содержат ДНК. Молекулы у них состоят из двух комплементарных нитей. Каждая фаговая частица содержит лишь одну молекулу ДНК.

Поскольку размножение фагов происходит внутри бактериальной клетки, рассмотрим типичную картину взаимодействия фага и чувствительной бактерии.

Фаговые частицы адсорбируются на поверхности бактерии, прикрепляясь к ее оболочке своими хвостами. Зараженная бактерия через 15-45 мин лизируется, освобождая 100 и более зрелых частиц следующего поколения фага. Встречая чувствительные бактериальные клетки, они вновь заражают их, и весь цикл повторяется. Если размножение фага происходит в культуре в жидкой среде, то оно приводит к просветлению (из-за лизиса клеток) суспензии бактерий. Размножение фага на бактериях, растущих на плотной среде, выявляется в виде зон лизиса среди сплошного газона бактерий. Эти пятна обнаженного агара называются негативными колониями фага.