Меню
Яндекс.Метрика

Репликация

Под репликацией подразумевают процесс внедрения вирусов в восприимчивые к ним клетки, воспроизведение их генетического материала и белков, сборки и высвобождения способного к инфицированию потомства. Разнообразие вирусов, а именно их структуры и типа генетического материала, проявляется в целом ряде отличных друг от друга вариантов репликации. Первая стадия проникновения вирусов в клетки-мишени начинается с абсорбции вирусных частиц и заканчивается появлением вновь сформированного, способного к дальнейшему инфицированию поколения вирусов. Эта стадия, называемая часто эклипсным периодом (периодом затмения), продолжается от 1—5 ч у пикорнавирусов, тогавирусов, рабдовирусов, ортомиксовирусов, герпесвирусов и до 8—14 ч у аденовирусов, паповавирусов. В этот период происходит резкое снижение количества активных вирусов, поступающих из разрушенных клеток.

Адсорбция представляет собой, по всей видимости, первоначально обратимый процесс, являющийся результатом случайных столкновений вирусов с клетками-мишенями. Было установлено, что лишь в одном случае из 103—104 таких столкновений происходит более тесное их связывание (склеивание). Связывание облегчается соответствующими ионными условиями и рН.

Однако этот процесс в основном не зависит от температуры и не требует затрат энергии. Адсорбция вируса на клетке-мишени подразумевает специфическое соединение вирусных белков с рецепторами клеточной мембраны (этот процесс также называется связыванием). У ряда вирусов были идентифицированы структуры, участвующие в процессе связывания вируса с клеткой. У вирусов, заключенных в конверты, белком связывания в типичных случаях служит один из пиков, находящихся на внешней поверхности вирусной оболочки, как, например, гемагглютинины (ГА) вирусов гриппа. Некоторые вирусы, имеющие оболочку, такие как герпесвирусы и вакцинии, содержат несколько типов белков, связывающихся с клетками. У вирусов без оболочки в качестве белков, связывающихся с клетками, часто выступают поверхностные полипептиды, такие как волокнистый белок аденовирусов и гемагглютинин (сигма 1) реовирусов.

Точная природа клеточных рецепторов животных вирусов установлена только для нескольких специфических видов. Даже если специфические рецепторы неизвестны, то с помощью исследований по конкурентному связыванию можно установить семейства или классы вирусных рецепторов. Вирусы одного вида, но разных серотипов могут конкурировать за рецепторы одного и того же класса (например, полиовирусы серотипов 1, 2, 3) или за рецепторы, принадлежащие к различным классам (например, риновирусы 2 и 14). Вирусы разных семейств (например, вирусы Коксаки В3 и аденовирусы 2) могут также конкурентно связываться с рецепторами одного и того же класса. Проведенные исследования по изучению процесса связывания показали, что на одной клетке имеется в целом 104—106 мест для связывания с вирусом (рецепторы).

После того как присоединение вируса к клетке произошло, весь вирус или его субструктура, содержащая геном, и какая-либо вирусная полимераза, необходимая для первичной транскрипции, должны быть перенесены через плазматическую мембрану клетки. Скорость проникновения их различна и зависит от природы вируса, типа инфицируемой клетки и факторов окружающей среды, таких как температура. Некоторые не имеющие оболочки вирусы, такие как полиовирус и реовирус, вовлекаются в процесс эндоцитоза, регулируемого рецепторами (виропексис), в результате чего они попадают в цитоплазму внутри эндоцитотического пузырька. Другие не имеющие оболочки вирусы способны непосредственно проникать через плазматическую мембрану и находятся в цитоплазме в свободном состоянии без транспортных эндоцитотических пузырьков.

Проникновение в клетку вирусов, покрытых оболочкой, также может осуществляться двумя путями. Примером первого служит вирус леса Семлики (ВЛС). ВЛС, являющийся представителем семейства тогавирусов, связывается со специфическими рецепторами клеточной поверхности, которые затем группируются в определенных местах плазматической мембраны (прикрытые колодцы), а затем поступают внутрь клетки посредством рецепторного эндоцитоза. Впоследствии они появляются в клеточной цитоплазме ,в пузырьках, покрытых клатрином. Слияние оболочки вируса с эндосомальной мембраной вызывает высвобождение вирусного капсида в цитоплазму. Второй механизм проникновения покрытых вирусов имеет место у парамиксовирусов (например, Сендай). Оболочка вируса сливается непосредственно с клеточной плазматической мембраной, и вирусный нуклеокапсид в свободном виде поступает в цитоплазму.

Раздевание представляет собой процесс удаления или распада части или всего вирусного белкового капсида на этапе подготовки вирусного генома к транскрипции и трансляции. Во многих случаях проникновение и раздевание являются частью одного процесса. У некоторых пикорнавирусов, например, могут происходить изменения структуры и функции капсида, нарушаться его целостность и исчезать внутренние белки по мере продвижения вируса через плазматическую мембрану. Структурные изменения, сопровождаемые утратой белка, облегчают внедрение вирусной РНК в цитоплазму.

Вирусы, не покрытые оболочкой, например аденовирусы, поступая в эндосомы, индуцируют слияние лизосом с эндосомой, в результате чего их капсид удаляется под воздействием лизосомальных ферментов. В случае реовирусов интраэндосомальные протеазы последовательно убирают три внешних белка капсида, в результате чего образуется субвирусная частица. Этот процесс ведет к активации вирусной транскриптазы. Раздевание поксвирусов, таких как вирус осповакцины, на первых этапах заключается в разрушении внешнего белкового покрытия с помощью интраэндосомальных ферментов, а затем и белков оставшегося ядра. В конечном итоге высвобождается вирусная ДНК. Данный этап, видимо, требует синтеза вирусспецифического раздевающего белка.

Транскрипция вирусного генома в иРНК и последующая трансляция иРНК в белок могут проходить по целому ряду путей. В целом для эукариотических клеток необходимо, чтобы иРНК имели один-единственный начальный участок для трансляции белка (т. е. они моноцистроничны). Путь у вирусов, содержащих иРНК, заключается в трансляции ее в большой первичный полипротеин, который затем расщепляется с образованием нескольких вирусных протеинов. Примером такого пути могут быть вирусы, нуклеиновая кислота которых находится в форме (+)-полярной, односпиральной РНК (осРНК) и выступает в роли иРНК, в частности пикорнавирусы и тогавирусы. Она связывается с большими полирибосомами и полностью {53) транслируется, образуя один большой полипротеин, который затем расщепляется, проходя несколько стадий, что сопровождается появлением неструктурных, ядерных и капсидных белков.

У тогавирусов вирусная РНК выступает в роли и иРНК, формируя полипротеин, расщепляющийся с последующим формированием неструктурных протеинов, необходимых для репликации РНК. Затем вирусная РНК транскрибируется в (—) РНК, служащую матрицей длины генома, с которой копируются два основных типа (+) РНК. Между альфа-вирусами и флавовирусами семейства тогавирусов существуют большие различия. Например, длина иРНК флавовирусов соответствует длине генома, в то время как размеры иРНК альфа-вирусов меньше генома. Кроме того, гены структурных белков флавовирусов локализуются на 5^конце вирусного генома, в то время как гены структурных белков альфа-вирусов находятся на его 3^конце.

Как у пикорнавирусов, так и у тогавирусов вирусная закодированная РНК-полимераза синтезирует комплементарную РНК, используя в качестве матрицы РНК генома. Вновь синтезированная РНК в свою очередь служит матрицей для синтеза последующих РНК генома. Новые геномные РНК могут выступать в роли иРНК или предшественников РНК для следующих поколений вирусов.

Вирусы, содержащие линейную или сегментарную РНК, продуцируют не одну большую молекулу иРНК, а специфические иРНК для каждого вирусного белка. Для создания иРНК из геномной РНК необходим фермент транскриптаза, содержащийся в вирионе (вирусная полимераза). Наличие множества иРНК позволяет регулировать количество каждого синтезируемого белка. Один участок геномной РНК может иметь множество считывающих рамок, каждая из которых транскрибируется в уникальную иРНК. А она в свою очередь транслируется в отдельный белок. Геномная (—) осРНК реплицируется с участием (+) осРНК-посредника, которая затем служит матрицей для синтеза большого количества (—) осРНК генома.

Реовирусы содержат РНК-зависимую РНК-полимеразу, транскрибирующую (+) осРНК из (—)-трабекул каждого сегмента двуспиральной (дс) РНК. Эти (+)осРНК с силой выбрасываются из ядра вируса через каналы в ядерных пиках и служат в качестве моноцистрональных иРНК для трансляции в вирусные белки. Вирусная РНК-полимераза также синтезирует (+)осРНК, которые в свою очередь служат матрицами для комплементарных (—)-трабекул во время репликации вирусного генома.

У ретровирусов единый путь репликации. Вирусная (+) осРНК служит матрицей для вирусной РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратная транскриптаза) и первичных транспортных РНК (тРНК). Получается копия осДНК, которая первоначально соединена водородной связью с ее комплементарной (+) осРНК. Вирусная закодированная рибонуклеаза расшифровывает осРНК, после чего синтезируется комплементарная цепь ДНК. Затем дсДНК интегрируется в хромосомную ДНК ядра клетки-хозяина. Транскрипция этой интегрированной вирусной ДНК находится под контролем транскриптаз клетки-хозяина.

ДНК-содержащие вирусы способны использовать пути, сходные с теми, которые описаны для эукариотических клеток при их репликации во время литической инфекции. Паповавирусам, аденовирусам и герпесвирусам свойствен такой путь репликации, при котором транскрипция вирусной ДНК в иРНК происходит в ядре клетки-хозяина и зависит от ферментов последней. У паповавирусов (т. е. SV40) первичными протеинами, образующимися после внедрения, являются Т-антигены (опухолевые антигены, или ранние белки). Некоторые из Т-антигенных белков способны взаимодействовать с дсДНК вирусного генома, присоединяясь вблизи от мест, запускающих репликацию ДНК, что облегчает репликацию последней. Впоследствии транскрибируются иРНК, в которых закодированы полипептиды капсида (поздние белки). Все ранние иРНК являются производными какой-либо одной из двух цепей вирусной ДНК (называемой Р, или ранней, цепью), а поздние иРНК — другой (П, или поздней, цепью). Аденовирусы также имеют ранние и поздние гены, но они располагаются не на разных цепях вирусной ДНК, а беспорядочно на обеих.

При репликации как паповавирусов, так и аденовирусов ранние белки играют главным образом регулирующую роль и часто проявляют плейотропное действие. Поздние белки включают структурные протеины. Отдельные иРНК как для ранних, так и для поздних белков часто комплементарны сегментам, находящимся на разных участках вирусной ДНК. Это указывает на значительное сращивание участков вирусной ДНК с удалением участков, находящихся между комплементарными сегментами, в последующем. Во многих случаях иРНК синтезируются на основе накладывающихся друг на друга участков вирусной ДНК. Такой тип наслаивания позволяет уменьшить количество вирусной ДНК, необходимой для кодирования вирусных белков.

Репликация вирусной ДНК паповавирусов и аденовирусов несколько различается. В обоих случаях необходимо участие ДНК-полимеразы, выделенной из клеток хозяина. Репликация ДНК у паповавирусов начинается в каком-то одном месте и затем распространяется в двух направлениях вдоль циркулярной дсДНК до тех пор, пока обе репликационные вилки не встретятся. Синтез ДНК протекает не бесконечно. Небольшие вновь синтезированные фрагменты ДНК позже соединяются вместе по меньшей мере на одной из двух цепей ДНК. Репликация дсДНК у аденовирусов облегчается ее линейной, а не циркулярной организацией. Репликация каждой отдельной комплементарной цепи ДНК происходит независимо, а вновь синтезированные цепи могут инициировать следующий круг репликации.

У герпесвирусов вирусная ДНК первоначально транспортируется в клеточное ядро, где происходит транскрипция и репликация. Самые ранние появляющиеся протеины выполняют регуляторную функцию. Протеины, появившиеся позднее, участвуют в синтезе вирусной ДНК. Белки, сформированные позже всех, имеют структурную природу.

Поксвирусы являются наиболее сложными из всех известных вирусов животных. Соответственно их репликационный цикл также сложен. Все первичные стадии транскрипции и трансляции протекают, по всей видимости, в цитоплазме клетки-хозяина. Для этого требуется, чтобы вирус имел собственную ДНК-зависимую РНК-полимеразу, инициирующую транскрипцию. Один из вирус -закодированных ранних белков отвечает за вторую стадию раздевания, после чего вирусная ДНК становится полностью доступной для транскрипции и репликации. Репликация, транскрипция, а позже и сборка вирусов — все это происходит на фабриках, находящихся в цитоплазме клетки-хозяина и активируемых вирусом. Остаточные группы вирусспецифических белков можно обнаружить в инфицированных клетках. К ранним белкам относятся некоторые ферменты (например, ДНК-полимераза и тимидинкиназа) и структурные белки. По мере прогрессирования инфекционного процесса начинается репликация ДНК, синтез ранних неструктурных белков прекращается и начинается синтез поздних белков, многие из которых являются структурными, другие — ферментами и протеинами, участвующими в сборке вирусов.

После окончания репликации вирусного генома и синтеза вирусных белков должны начаться сборка интактных вирионов и их выделение из клетки-хозяина. Сборка вирусов, не имеющих оболочки и нуклеокапсидов вирусных оболочек часто протекает по типу кристаллизации, который зависит от самосборки вирусных капсомеров.

В большинстве случаев вирусы, не имеющие оболочки, накапливаются внутри пораженной клетки и выделяются во внешнюю среду после гибели клетки. К разрушению клетки приводит следующая цепь событий: угнетение синтеза белков клетки-хозяина, ее липидов и нуклеиновых кислот; дезорганизация цитоскелета клетки-хозяина; изменение структуры мембраны клетки-хозяина. Разрыв мембран приводит к повышению клеточной проницаемости и высвобождению протеолитических ферментов из лизосом. Невозможность пополнить запасы высокоэнергетических молекулярных структур подавляет функцию насосов, обеспечивающих движение ионных потоков, и нарушает выведение продуктов распада и поступление необходимых питательных веществ.

Вирусы, имеющие оболочку, высвобождаются из инфицированной клетки, как правило, почкованием. Этот процесс может окончиться гибелью клетки. Во всех случаях вирусспецифические белки встраиваются в мембраны клеток хозяина, вызывая их структурную перестройку, смещая некоторые нормальные белковые компоненты. В последующем вирусные капсиды могут связываться с вирусспецифическими белками матрикса, выстилающими мембрану со стороны цитоплазмы в поврежденных участках. Капсиды вирусов, имеющих самые маленькие размеры и покрытые оболочкой, связываются с интрацитоплазматическими областями вирусных белков, встроенных в мембрану клетки-хозяина, а не с матриксными белками (тогавирусы).

Читать далее: Патогенез