ГБОУ ВПО Тюменская государственная медицинская академия Кафедра микробиологии

ГБОУ ВПО Тюменская государственная медицинская академия Кафедра микробиологии ОБЩАЯ ВИРУСОЛОГИЯ. БИОЛОГИЯ ВИРУСОВ. БАКТЕРИОФАГИ Лекция № 2

Цель: изучить биологические особенности вирусов; биологические свойства бактериофагов и их практическое применение

1. Общая характеристика вирусов Вирусы – своеобразная форма жизни, неклеточные биологические объекты, способные воспроизводиться только внутри живых клеток организма. Относятся к царству Vira.

Принципы классификации вирусов 1. Тип нуклеиновой кислоты: § Дезоксирибовирусы (ДНК-содержащие) – 7 семейств § Рибовирусы (РНК-содержащие) – 13 семейств 2. Форма вириона и тип симметрии 3. Наличие суперкапсидной оболочки 4. Особенности репродукции (жизненный цикл вируса) 5. Антигенные свойства 6. Механизм передачи возбудителей 7. Круг восприимчивых хозяев

Вирусы располагаются на границе жизни Сходства вирусов с неживой природой: 1. Форма кристалла 2. Отсутствие метаболизма вне клетки хозяина Сходства вирусов с живой природой: 1. Самовоспроизводство и наследственность 2. Изменчивость 3. Тропность вирусов (способность избирательно поражать определенные клетки)

Отличия вирусов от прокариотической клетки: • Вирусы мелких размеров (нм) • Наличие одного типа нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК ) • Отсутствие клеточного строения • Не способны расти и бинарно делиться • Отличаются дисъюнктивным (разобщенным) способом репродукции (размножения) • Вирусы - внутриклеточные паразиты на генетическом уровне • Не имеют белоксинтезирующих и энергетических систем

Морфология вирионов Вирусы существуют в двух морфологических формах: 1. Внеклеточная форма - вирион 2. Внутриклеточная форма - вирус палочковидная пулевидная

Формы вирионов § Палочковидная (вирус табачной мозаики) § Пулевидная (вирус бешенства)

§ Шаровидная (вирус гриппа, кори, ВИЧ) § Кубоидальная – форма икосаэдра (аденовирусы, вирус полиомиелита, гепатитов А и Е) § Сперматозоидная (бактериофаги)

Строение просто устроенного вириона Нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) Белковая оболочка – капсид, состоит из капсомеров Размеры вириона от 10 – 20 до 400 нм

Спиральный тип симметрии (вирус табачной мозаики) Капсомеры уложены вокруг НК в виде винтовой структуры

Капсид со спиральным типом симметрии • • • Особенности: Белковая оболочка состоит из капсомеров, уложенных по спирали вокруг своей оси Капсомеры идентичны другу Максимальное взаимодействие между нуклеиновой кислотой и белком (нуклеокапсид) Требуется большое количество белка для формирования вирионов Высвобождение нуклеиновой кислоты невозможно без разрушения капсида

Кубический тип симметрии (аденовирусы) Капсомеры уложены вокруг НК в виде 20 -гранника - икосаэдра

Кубический тип симметрии капсида • • • Особенности: Белковая оболочка имеет форму икосаэдра Слабое взаимодействие между нуклеиновой кислотой и белком Капсомеры образованы разными белками Требуется небольшое количество белка для построения этой модели Высвобождение нуклеиновой кислоты возможно без разрушения капсида

Функции капсида (суперкапсида): § Защитная § Скелетная (придает прочность, жесткость конструкции) § Адгезивная (избирательно взаимодействует с рецепторами клеток) § Антигенная § Иммуногенная

Смешанный (бинарный) тип симметрии (бактериофаги) Сочетание кубического и спирального типа симметрии

Структура сложно устроенного вириона • Сложно устроенные, или оболочечные, вирионы имеют нуклеиновую кислоту, покрытую капсидной оболочкой • Нуклеокапсид покрывает суперкапсидная оболочка – биологическая мембрана, состоящая из липидного бинарного слоя со встроенными белками

Строение сложно устроенного вириона Суперкапсид Капсид НК Матрикс

Химический состав вирионов 1. Вирусная ДНК - у ДНКсодержащих вирусов Молекулярная масса ДНК вирусов в 10 -100 раз меньше молекулярной массы ДНК бактерий

Геном ДНК-содержащих вирусов • 1 -нитевая линейная ДНК (парвовирусы) • 2 -нитевая линейная (вирус герпеса) • 2 -нитевая кольцевая (папилломавирус) • 2 -нитевая кольцевая с дефектом одной цепи (вирус гепатита В)

2. Вирусная РНК – у РНК-содержащих вирусов • 1 -нитевая линейная «+» РНК (полиовирусы) • 1 -нитевая линейная «-» РНК (вирус парагриппа) • 1 -нитевая линейная фрагментированная «-» РНК (вирус гриппа) • 2 -нитевая линейная фрагментированная (ротавирусы)

3. Ферменты вирусов (у всех вирусов) 1 группа: ферменты репликации и транскрипции (ДНК -полимераза и РНК – полимераза) 2 группа: вирусиндуцированные ферменты, участвующие в проникновении вирусной нуклеиновой кислоты в клетку хозяина и выходе образовавшихся вирионов (нейраминидаза, лизоцим, АТФ - аза)

4. Белки суперкапсида Функции белков: ü адгезивная ü слияние мембраны вируса с мембраной клетки ü распространение вируса в макроорганизме. 5. Липиды - у сложноустроенных вирусов Функции липидов: ü защитная ü липиды укрепляют скелет вириона 6. Углеводы - у сложноустроенных вирусов Функции углеводов: ü придают жесткость суперкапсидной оболочке ü являются факторами адгезии

Взаимодействие вируса с клеткой хозяина (стадии репродукции) 1 - адсорбция вириона на клетке; 2 - проникновение вириона в клетку путем виропексиса; 3 - вирус внутри вакуоли клетки; 4 - раздевание вириона вируса; 5 - репликация вирусной нуклеиновой кислоты; 6 - синтез вирусных белков на рибосомах клетки; 7 - формирование вириона; 8 - выход вириона из клетки путем почкования (или взрыва).

Взаимодействие вируса с клеткой хозяина (стадии репродукции)

Продуктивная инфекция (Репродукция вирусов) Репродукция вируса происходит в несколько стадий: 1. Адсорбция вириона на клетке

Адсорбция осуществляется за счет специфического взаимодействия антирецептора вириона с комплементарными рецепторами мембраны клетки хозяина. Этот процесс не зависит от температуры.

2. Проникновение в цитоплазму (пенетрация) У просто устроенных вирусов осуществляется путем эндоцитоза - образуется эндоцитарная вакуоль, в которую заключен вирион

У сложно устроенных вирусов проникновение в цитоплазму осуществляется путем слияния клеточной мембраны с суперкапсидной оболочкой

3. Депротеинизация (раздевание) § Осуществляется клеточными ферментами, разрушающими капсид § При этом вирусный геном освобождается от белков. Вирус на время как бы исчезает § Эта стадия называется эклипс

4. Синтез вирусных компонентов На этой стадии синтезируются вирусные белки и нуклеиновые кислоты

Стратегия вирусного генома ДНК- содержащих вирусов (аденовирусы, вирус гепатита В, вирус герпеса) В ядре пораженной клетки с вирусной ДНК синтезируется информационная РНК с участием ДНК – полимеразы ДНК → транскрипция и. РНК → трансляция белка вируса ДНК вируса

Стратегия вирусного генома РНК- содержащих вирусов § «+» однонитевые РНК- вирусы (пикорнавирусы, тогавирусы, вирусы гепатита А, Е и др. ). Геномная плюс-нить РНК выполняет функцию и. РНК. В цитоплазме пораженной клетки: +РНК → трансляция белка вируса РНК вируса § «-» однонитевые РНК-вирусы (орто -, парамиксо -, рабдовирусы и др. ). Имеют в своем составе РНК-зависимую РНК-полимеразу В цитоплазме пораженной клетки: - РНК → транскрипция и. РНК → трансляция белка вируса РНК вируса

§ Плюс-нитевые диплоидные РНК – вирусы, содержащие обратную транскриптазу (ретровирусы - ВИЧ) В цитоплазме пораженной клетки с РНК синтезируется ДНК вируса РНК → комплементарная ДНК → транскипция и. РНК → трансляция белка вируса РНК вируса

Ферменты, осуществляющие синтез вирусных нуклеиновых кислот • ДНК-зависимая - ДНК-полимераза • ДНК-зависима - РНК-полимераза • РНК-зависимая - ДНК-полимераза (обратная транскриптаза)

5. Сборка вирионов - Может происходить в цитоплазме, на внутренней поверхности клеточной мембраны или на мембране ядра клетки

6 а. Выход из клетки просто устроенных вирусов • Сформировавшиеся вирионы выходят из клетки путем взрыва. В результате наблюдается деструкция клетки (литический тип репродукции - вирус полиомиелита)

6 б. Выход из клетки сложно устроенных вирусов • Сформировавшиеся вирионы выходят методом почкования. Деструкция клетки не наблюдается (нелитический тип репродукции вирус гепатита В).

Интегративная инфекция Интеграции (встраивание) вирусного генома в геном клетки хозяина. Интегрированная в клеточный геном вирусная ДНК называется провирусом. При этом образование дочерних вирусных частиц не происходит. При таких инфекциях вирусные гены, как и клеточные гены, передаются по наследству дочерним клеткам при делении.

Интеграция вирусного генома является одним из механизмов развития пожизненных персистентных инфекций. По этому признаку все вирусы делятся на 3 группы: 1. Обязательно интеграбельные (ВИЧ, онковирусы) 2. Факультативно интеграбельные (вирусы гепатита В, папилломы) 3. Неинтеграбельные (респираторные, кишечные, арбовирусы)

Интеграция Провирус

Культивирование вирусов Вирусы не культивируются на питательных средах. Для репродукции вирусов используют биологические модели: 1. Культура клеток (неперевиваемые, полуперевиваемые и перевиваемые) 2. Куриный эмбрион 3. Лабораторные животные

Первичные клеточные культуры • Получают методом трипсинизации тканей (как правило, эмбриональных), выдерживают не более 5 -10 пассажей после выделения из тканей Пример: фибробласты эмбриона человека (ФЭЧ)

Полуперививаемые культуры Получают из диплоидных клеток эмбриона человека (сохраняют при пассажах диплоидный набор хромосом) Полуперевиваемые культуры погибают после 50 -60 пересевов

Перевиваемые культуры • Получают из опухолевых клеток • Сохраняют жизнеспособность в Hep-2 процессе неограниченного числа пересевов (десятки лет) Примеры: • Культура клеток рака шейки матки – Не. La • Культура клеток рака гортани – Нер-2 He. La

Феномены репродукции вирусов 1. ЦПД (цитопатогенное действие вирусов) – образование внутриклеточных включений 2. Образование «бляшек» 3. Реакция гемадсорбции и гемагглютинации 4. «Цветная» реакция

Бактериофаги • Бактериофаги - вирусы прокариот • Открыты в 1917 году французским микробиологом Д’Эррелем • Автор назвал вирус бактерий бактериофагом ( «пожиратель» бактерий от лат. рhagos пожирающий)

Морфология бактериофагов I. ДНК – содержащие, нитевидные фаги II. РНК – содержащие фаги с головкой и рудиментом хвоста III. ДНК – содержащие с головкой и коротким хвостом IV. Фаги с V. ДНК – содержащие имеют головку, сокращающийся хвост, заканчивающийся базальной пластинкой

Структура Т- бактериофага • Форма сперматозоида • Внутри двунитевая ДНК • Головка кубического типа симметрии • Воротничок • Хвостовой отдел спирального типа симметрии, снаружи сократительный чехол, заканчивающийся базальной пластинкой • От базальной пластинки отходят белковые нити – фибриллы

Взаимодействие бактериофага с бактериями 1. Зрелый фаг, или вирион, существует вне клетки. 2. Продуктивная инфекция. Вирулентный (вегетативный) фаг способен размножаться в бактерии и приводит к ее лизису. 3. Интегрированная инфекция. Умеренный фаг, или профаг, интегрируется (встраивается) в клеточный геном, т. о. вступает в своеобразный симбиоз с микробной клеткой.

Стадии взаимодействия фагов с бактериальной клеткой 1. Адсорбция фага 2. Проникновение НК фага в клетку 3. Репликация фаговой НК 4. Сборка фаговых частиц 5. Выход зрелых фагов из бактериальной клетки

Умеренные бактериофаги • В неактивной стадии профага бактериальная клетка сохраняет жизнеспособность и все потомство зараженной клетки содержит профаг • Такая зараженная умеренным фагом культура называется лизогенной • Умеренный фаг может активироваться в результате воздействия физических и химических факторов • В результате активации профага происходит синтез новых фаговых частиц (взрыв репродукции) и бактериальная клетка погибает

Лизогенная конверсия • Некоторые умеренные бактериофаги имеют гены, кодирующие сильные токсины • В результате заражения такими фагами непатогенная культура бактерий становится патогенной (токсигенной) • Это явление называется лизогенная конверсия • Пример – дифтерийная палочка. Заболевание вызывают только лизогенные штаммы

Практическое применение бактериофагов • Лечение и профилактика инфекционных заболеваний • Диагностика – определение вида микроорганизма и источника инфекции • Эпидемиологическая оценка количества патогенных бактерий по наличию специфических бактериофагов • Получение вакцинных штаммов с использованием умеренных бактериофагов

Благодарю за внимание!

В настоящее время в России для фаготерапии и фагопрофилактики производятся и используются: • моновалентные бактериофаги: брюшнотифозный, дизентерийный, протейный, синегнойный, холерный, стафилококковый, стрептококковый, коли-фаг • поливалентный сальмонеллезный бактериофаг • комбинированные препараты поливалентных бактериофагов: колипротейный, пиобактериофаг (включающий стафилококковые, стрептококковые, клебсиеллезные, эшерихиозные, протейные и синегнойные бактериофаги)

Актуальность применения препаратов бактериофагов: • Профилактика и лечение ОКИ и гнойно-воспалительных заболеваний, лечение дисбактериозов • При применении не нарушают нормального биоценоза человека • Незаменимы при устойчивости возбудителей к антибиотикам • Могут применяться в комплексной терапии с другими лекарственными средствами • Назначаются взрослым и детям

Способ применения бактериофагов: • назначают внутрь • используют для орошения ран • применяют для введения в дренированные полости (брюшную, плевральную, полости пазух носа, среднего уха, абсцессов, ран, матки, мочевого пузыря) • используют в виде аэрозолей

• Бактериофаг сальмонеллезный групп АВСДЕ способен вызывать лизис сальмонелл и близких к ним по антигенной структуре бактерий. Применяют для лечения сальмонеллеза у детей и взрослых, а также для профилактики сальмонеллезов по эпидемическим показаниям

• Бактериофаг стафилококковый (Стафилофаг) обладает способностью лизировать стафилококковые бактерии, выделенные при гнойных инфекциях. Применяется для лечения и профилактики гнойных инфекций кожи, слизистых, висцеральных органов, вызванных стафилококковыми бактериями, а также при дисбактериозе кишечника