Трансляция информационных РНК

Синтез белка в клетке происходит в результате трансляции иРНК. Трансляцией называется процесс перевода генетической информации, содержащейся в иРНК, на специфическую после­довательность аминокислот. Транспортные РНК. Связывание конкретной тРНК и амино­кислоты осуществляет фермент аминоацилсинтетаза, который имеет два центра связывания-узнавания: один для соответству­ющей тРНК, другой для аминокислоты.

Рибосомы. Синтез белка в клетке осуществляется на рибосо­мах. Рибосома состоит из двух субъединиц — большой и ма­лой, малая субъединица примерно в 2 раза меньше большой. Обе они содержат по одной молекуле рибосомальной РНК и ряд белков.

Фазы трансляции. Процесс трансляции состоит из трех фаз: 1) инициации; 2) элонгации и 3) терминации.

Инициация трансля­ции. Это наиболее ответствен­ный этап в процессе трансляции, основанный на узнавании рибосомой иРНК и связывании с ее особыми участками. Рибосома узнает иРНК благодаря «ша­почке» на 5'-конце и скользит к 3'-концу, пока не достигнет инициаторного кодона, с которого начинается трансляция.

Элонгация трансляции. Это процесс удлинения, на­ращивания полипептидной цепи, основанный на присоединении новых аминокислот с помощью, пептидной связи. Происходит постоянное протягивание нити иРНК через рибосому и «деко­дирование» заложенной в ней генетической информации.

Терминация трансляции. Она происходит в тот момент, когда рибосома доходит до терминирующего кодона в составе иРНК. Трансляция прекращается, и полипептидная цепь освобождается из полирибосомы.

Трансляция в зараженных вирусом клетках. Стратегия вирусного генома, использующего клеточный аппарат трансля­ции, должна быть направлена на создание механизма для подав­ления трансляции собственных клеточных иРНК и для избира­тельной трансляции вирусных иРНК, которые всегда находятся в значительно меньшем количестве, чем клеточные матрицы. Этот механизм реализуется на уровне специфического узнава­ния малой рибосомальной субъединицей вирусных иРНК, т. е. на уровне формирования инициирующего комплекса. Поскольку многие вирусы не подавляют синтез клеточных иРНК, в зара­женных клетках возникает парадоксальная ситуация: прекращается трансляция огромного фонда функционально активных клеточных иРНК, и на освобождавшихся рибосомах начина­ется трансляция одиночных молекул вирусных иРНК. Специ­фическое узнавание рибосомой вирусных иРНК осуществляется за счет вирусспецифических инициаторных факторов.

Два способа формирования вирусных белков. Существуют два способа формирования вирусных белков: 1) иРНК транслируется в ги­гантский полипептид-предшёственник, который после синтеза последовательно нарезается на зрелые функционально актив­ные белки; 2) иРНК транслируется с образованием зрелых белков.

Вирусспецифические полисомы. Поскольку длина вирусных иРНК варьирует в широких пределах, размер вирусспецифиче­ских полисом также широко варьирует: от 3—4 до нескольких десятков рибосом на одной нити иРНК.

Вирусспецифические полисомы могут быть как свободными, так и связанными с мембранами. Внутренние белки обычно синтезируются на свободных полисомах, гликопротеиды всегда синтезируются на полисомах, связанных с мембранами.

Модификация вирусных белков. В эукариотической клетке многие вирусные белки подвергаются посттранс­ляционным модификациям. Широко распространены такие посттрансляцнонные ковалентные модификации, как гликолизирование, ацилирование, метилирование, сульфирование (образование дисульфидных связей), протеолитическое нарезание и, наконец, фосфорилирование.

Гликозилирование. В процессе гликозилирования про­исходят последовательное присоединение углеводных остатков к углеводной цепочке в процессе транспорта полипеп­тида к плазматической мембране.

Сульфирование. Связывание сульфатной группы с углеводными остатками гликопротеида,

Ацилирование. Ряд гликопротеидов сложно устроен­ных РНК-содержащих вирусов содержат ковалентно связанные 1—2 моле­кулы жирных кислот.

Нарезание. Многие вирусные белки, и в первую очередь гликопротеиды, приобретают функциональную активность лишь после того, как произойдет их нарезание в специфических точ­ках протеолитическими ферментами. Нарезание происходит ли­бо с образованием двух функциональных белковых субъединиц, либо с образованием одного функционально активного белка и неактивного фермента. Нарезание обычно осуществляется клеточными ферментами.

Репликация генома вирусов

Репликация вирусных ДНК. Репликация генома ДНК-содержащих вирусов в основном катализируется клеточными фрагмен­тами, и механизм ее сходен с механизмом репликации клеточ­ной ДНК. Поскольку типы и формы вирусных нуклеиновых кислот весьма разнообразны, то механиз­мы их репликации тоже различны.

Синтез вирусных ДНК осуществляется с помощью ДНК-полимераз, источники которых могут быть различны. Благодаря учас­тию этого фермента из нуклеотидов клетки синтезируется и строится вторая комплементарная нить ДНК, в результате чего образуются новые двуспиральные молекулы ДНК.

Репликация одноцепочечных вирусных ДНК. Одноцепочечные вирусные ДНК синтезируются по принципу комплементарности с образованием промежуточной репликативной формы. В составе вирионов в качестве структурного компонента имеется ДНК-зависимая ДНК-полимераза. С помощью этого фермента по принципу комплементарности на вирус­ной односпиральной ДНК (плюс-нити) образуется одна комп­лементарная ей минус-нить. В дальнейшем на этой двуспираль­ной структуре синтезируются дочерние плюс-нити (матрицей для них являются минус-нити).

Репликация односпиральных вирусных РНК. Репликация вирусных РНК осуще­ствляется без непосредственного участия клеточных ДНК.

Одноцепочечные инфекционные РНК вирусов содержат в себе всю генетическую информацию, необходимую для синтеза вирусспецифических белков, и являются, таким образом, информационными (иРНК) с матричными функция­ми. После проникновения этих вирусов в клетку их инфекцион­ные РНК поступают непосредственно в рибосомы и индуциру­ют синтез вирусных белков, в том числе РНК-репликазы, ката­лизирующей репликацию самих вирусных РНК.

У односпиральных молекул РНК с кодирующими и матрич­ными функциями (плюс-РНК) процесс репликации происходит таким образом, что на исходной вирусной молекуле РНК (на плюс-нити) с участием фермента РНК-репликазы синтезируется вторая комплементарная минус-нить РНК, в результате чего образуется двуспиральная репликативная форма РНК. Многочисленные плюс-нити вирусных инфекционных РНК войдут затем в новые частицы вирусного потомства.

Минус-нити образуются на ранней стадии инфекции, и мак­симальный уровень их синтеза предшествует появлению плюс-нитей. Минус-нити, синтезированные вирионной РНК-транскриптазой на ранней стадии инфекции, являются иРНК.

Синтез РНК может осуществляться по одному из двух ме­ханизмов: 1) консервативному, при котором полинуклеотидные цепи, входящие в состав Репликативной Формы РНК, консервиру­ются и не переходят в односпиральную форму. Этот способ синтеза аналогичен способу синтеза односпиральных клеточных РНК на двуспиральной матрице ДНК; 2) образование плюс-ни­тей может происходить асимметрическим полуконсервативным путем, когда вновь строящаяся плюс-нить вытесняет ранее синтезированную плюс-нить из Репликативных Форм РНК.

Конечным продуктом синтеза в обоих случаях является односпиральная вирусная РНК.

РНК-транскриптаза и РНК-полимераза обнаружены в клет­ках, зараженных вирусом пикорнавирусами. Одна из них осу­ществляет синтез двуспиральной РНК, а другая продуцирует односпиральную плюс-РНК.

Репликация односпиральных вирусных РНК с негативным геномом. Имеется обширная группа односпиральных РНК-содержащих вирусов (пара- рабдо- и орто-миксовирусы), которые содержат негативный (неинфекцион­ный) геном. По составу, локализации, функции и особенностям биосинтеза белков вирусы этой группы весьма сходны. У них единая стратегия экспрессии генов. РНК их (минус-нить) не транслируется в рибосомах. Функции иРНК у этих вирусов выполняют плюс-нити, комплементарные геномным. В составе вирусов с негативным геномом нет вирусспецифичес-кого фермента типа РНК-репликазы, но содержится РНК-зависимая РНК-полимераза. Последняя синтезирует на минус-нити РНК комплементарные плюс-нити иРНК.

Таким образом, у каждой из перечисленных групп вирусов в механизме репликации их РНК имеются свои особенности, касающиеся количества молекул минус-РНК в геноме вирусов, порядка трансляции генов, локализации формирования вирус­ных нуклеокапсидов и вирусных частиц в клетке, роли в этих процессах клеточных мембран.

Репликация двуспиральных вирусных РНК. Двуспиральные РНК содержат реовирусы, вирусы ране­вых опухолей растений. В составе вириона содержится РНК-зависимая РНК-полимераза. Репликация происходит следующим образом: на минус-нити геномной двуспиральной РНК синтези­руется односпиральная плюс-нить, которая содержит сайт свя­зывания с рибосомой и сайт связывания с РНК-зависимой РНК-полимеразой, кодируемой вирусным геномом. Эти односпиральные (плюс-нитей) РНК служит вначале матрицей для синтеза вирусных белков, в том числе и упомянутой полимеразы. После синтеза последней она связывается с этими же плюс-нитевыми РНК и синтезирует на их матрице минус-нить РНК.

Вирусные двуспиральные РНК не могут поступать в рибо­сомы непосредственно. Заключенная в них генетическая инфор­мация может передаваться на рибосомы опосредованно, т. е. через односпиральные иРНК, поскольку в клетке нет вирусспецифического фермента, который синтезировал бы односпираль­ную иРНК на матрице двуспиральной вирусной РНК, а также нет фермента, который катализировал бы репликацию самой двуспиральной вирусной РНК. Фермент, синтезирующий односпиральную иРНК на матрице двуспиральной вирусной РНК, — РНК-транскриптаза - находится в самих вирионах. Роль РНК-транскриптазы сводится к переписыванию генетиче­ской информации с двуспиральных вирусных РНК на односпи­ральные иРНК.

Репликация онкорнавирусов. Сведения о меха­низме репродукции онкорнавирусов получены на модели виру­са саркомы Рауса. Процесс репликации онкорнавирусов со­пряжен с синтезом ДНК.

Для осуществления синтеза ДНК на матрице РНК необхо­димо наличие в зараженных клетках специфического фермен­та — РНК-зависимой ДНК-прлимеразы (обратной транскриптазы), который содержится в составе вирионов. Кроме того, в составе вирионов обнаружена ДНК-зависимая ДНК-полимераза, которая осуществляет синтез ДНК на матрице ДНК.

Общая схема репродукции онкорнавирусов представляется в следующем виде.

Образование вирусспецифической ДНК начинается на ви­русной РНК, причем синтез осуществляется при помощи фер­мента РНК-зависимой ДНК-полимеразы. В результате образу­ется гибридная двуспиральная молекула, одна нить которой РНК, вторая—ДНК. Далее, происходит избиратель­ное отщепление нити РНК-гибридной молекулы при помощи фермента рибонуклеазы Н.

На односпиральной молекуле ДНК, оставшейся после раз­рушения РНК, синтезируется комплементарная нить ДНК, в результате чего образуется двуспиральная ДНК. Эта реакция осуществляется той же полимеразой, которая принимает учас­тие в образовании первой нити ДНК. Затем двуспиральная ДНК встраивается в клеточную хромосому, при помощи различных ферментов.

Вирусспецифическая ДНК, встроенная в клеточный геном, транскрибируется с образованием вирусной РНК, которая вначале выполняет функции иРНК, направляя синтез вируспецифических белков, а затем соединяется с ними и, формируя новое поколение вирионов. На этом цикл репродукции онкорнавиру­сов завершается.

Синтез вирусных белков

В основе этого синтеза лежит тот же механизм, что и при син­тезе белка в нормальных клетках. У РНК-содержащнх пикорнавирусов функцию иРНК выполняют плюс-нити. У них односпиральная вирионная РНК транслируется е образованием од­ного гигантского полипептида, который затем расщепляется на отдельные функциональные белки.

Вирусные белки в процессе инфекции синтезируются в из­быточном количестве, чем требуется для образования инфек­ционного вируса.

У большинства вирусов синтез белков осуществляется в ци­топлазме. На разных стадиях инфекционного цикла могут преимуще­ственно образовываться то одни, то другие группы вирусспе­цифических белков. Скорость их регулируется либо на уровне транскрипции (с образованием иРНК), либо на уровне транс­ляции (считывание иРНК на рибосомах).

Синтез вирусных нуклеиновых кислот и вирусспецифических белков происходит почти одновременно и не менее чем на 1 ч опережает созрева­ние вирусных частиц.

Сборка вирионов

Синтез компонентов вирусных частиц в клетке разобщен и может протекать в разных структурах ядра и цитоплазмы. Вирусы, репликация которых проходит в ядрах, условно назы­вают ядерными. Вирусы, реплицирующиеея в цитоплазме, называют цитоплазматичеекими. Однако это разделение весьма относительно, по тому что в репродукции тех и других вирусов есть стадии, про­текающие соответственно в цитоплазме и ядре.

Внутри ядра и цитоплазмы синтез вирусспецифических мо­лекул также может быть разобщен. Так, например, синтез одних белков осуществляется на свободных полисомах, а дру­гих—на полисомах, связанных с мембранами.

В основе самосборки лежит специфическое белок-нуклеино­вое и белок-белковое узнавание, которое может происходить в результате гидрофобных ионных и водородных связей.

Объединение белка с вирусными нуклеиновыми кислотами в клетке происходит спонтанно как чисто физико-химическая реакция агрегации, требующая участия дополнительных фак­торов (рН, ионной силы, ионов металлов, осмоса и т. п.). Пос­ле того как концентрация вирусных РНК и белка достигает критического уровня, у сложно устроенных вирусов принципы самосборки обеспечивает от начала до конца морфогенез ви­рионов.

Образование нуклеокапсидов. Быстрое включение РНК в капсид обусловлено сравнительно быстрым и в избытке на­коплением в зараженной клетке структурных белков нуклео­капсидов. Формирование (ассемблирование) вирионов происхо­дит путем самосборки, которая обусловлена «узнаванием» РНК белками.

Нуклеокапсиды накапливаются в цитоплазме зараженных клеток, причем скорость образования внутриклеточных нуклео­капсидов гораздо выше, чем скорость образования вируса. Об­разование внутриклеточных нуклеокапсидов сопряжено во вре­мени с биосинтезом 50S РНК.

Организация вирусной мембраны. Структурной основой ви­русных и цитоплазматических мембран является двойной липидный слой. Последний у вирусной мембраны почти без изме­нений повторяет липидный слой плазматической мембраны клетки-хозяина.

Главная роль в организации липопротеидной мембраны ви­руса, равно как и во включении нуклеокапсида в участок поч­кования, видимо, принадлежит белку М.

Сборка РНК-содержащих вирусов. Сборка просто устроен­ных РНК-содержащих вирусов заключается в ассоциации ви­русного генома с вирусными капсидными белками с образова­нием нуклеокапсида.

У сложно устроенных РНК-содержащих вирусов процессы сборки нуклеокапсидов, сердцевин и зрелых вирионов обычно разобщены. Нуклеокапсиды мигрируют к месту сборки вирус­ных частиц—плазматической мембране. Сборка заключается в том, что участки, содержащие гликопротеиды с примыкающими к ним нуклеокапсидами, постепенно выпячиваются через модифи­цированную клеточную мембрану. В результате выпячивания образуется «почка», содержащая нуклеокапсид и оболочку с суперкапсидными белками. «Почка» отделяется от клеточной мембраны с образованием свободной вирусной частицы.

Все вирусные компоненты — нуклеокапсиды и суперкапсид­ные белки — прибывают к месту сборки независимо друг от друга.

Включение гликопротеидов в определенные зоны клеточных мембран приводит к модификациям мембран. Нуклеокапсид узнает эти участки и подходит к ним с внутренней стороны липидного бислоя.

Сборка ДНК-содержащих вирусов. Как и у РНК-содержащих вирусов, сборка ДНК-содержащих вирусов является многоступенчатым процессом с образованием промежуточных форм, отличающихся от зрелых вирионов по составу полипептидов. Первый этап сборки за­ключается в ассоциации ДНК с внутренними белками и форми­ровании сердцевин или нуклеокалсидов. При этом ДНК соединяется с предварительно сформированными «пустыми» капсидами.

В результате связывания ДНК с капсидами появляется но­вый класс промежуточных форм, которые называются непол­ными формами.

Сборка ядерных вирусов начинается в ядре, обычно — в ассоциации с ядерной мембраной.

У непочкующихся липидосодержащих вирусов (вирусов ос­пы) сборка вирионов происходит в уже описанных цитоплазматических «фабриках», Липидная оболочка вирусов в «фабри­ках» формируется из клеточных липидов путем автономной са­мосборки, поэтому липидный состав оболочек значительно от­личается от состава липидов в клеточных мембранах.