ОБЩАЯ ВИРУСОЛОГИЯ Шабан Ж Г Вирусология

ОБЩАЯ ВИРУСОЛОГИЯ Шабан Ж. Г.

Вирусология – наука, изучающая морфологию, физиологию, генетику, экологию и эволюцию вирусов

Задачи медицинской вирусологии 1. Изучение: Ø биологии вирусов, поражающих человека Ø роли вирусов в патогенезе заболеваний человека 2. Разработка методов: Ø диагностики вирусных инфекций Ø специфической профилактики вирусных инфекций Ø этиотропной терапии вирусных инфекций 3. Подготовка медицинских вирусологов

Открытие вирусов 1500 г. до н. э. – на мумиях обнаружены повреждения, характерные для натуральной оспы

Открытие вирусов 1500 г. до н. э – деформация ноги на фреске свидетельствует о полиомиелите

Открытие вирусов Термин Virus (греч. – яд) – Дженнер, 1798 Ø Начало XIX в. – все инфекционные агенты считали вирусами Ø Конец XIX в. – доказана этиологическая роль бактерий

12 февраля 1892 г. – день рождения вирусологии Русский учёный Дмитрий Иосифович Ивановский (1864 -1920) – основоположник вирусологии На заседании Российской академии наук сообщил, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус Вирусы мозаичной болезни табака удалось впервые увидеть в электронный микроскоп только в 1939 г.

Открытие вирусов 1892 Вирусы растений 1898 Вирусы животных 1901 Вирусы человека • Ивановский опубликовал работу по изучению мозаичной болезни табака • Леффлер и Фрош показали, что болезнь крупного рогатого скота – ящур – вызывается пикорнавирусом • Рид и Кэррол выделили фильтрующийся агент из трупов людей, умерших от жёлтой лихорадки • 1915 -1917 Д’Эррель и Туорт обнаружили вирусы у бактерий. Бактерио фаги Позднее Д’Эррель назвал их «бактериофагами» (пожирателями бактерий) • Выделены вирусы грибов, простейших, насекомых

Гипотезы происхождения вирусов 1. Регрессивная: вирусы – продукт дегенерации облигатных внутриклеточных паразитов (риккетсий, хламидий) 2. Прогрессивная: нормальные клеточные НК приобрели способность к независимой репликации и стали вирусами Пути эволюции: ДНК-вирусы – из плазмид РНК-вирусы – из и. РНК ретровирусы – из ретротранспозонов 3. Независимая: вирусы развивались независимо

Вирусные инфекции: всегда актуальны и высоко летальны Ø 1000 лет назад : европейцы завезли в Америку натуральную оспу, ветряную оспу, корь массовая гибель аборигенов Ø 100 лет назад: - 1918 -1919 гг. – 20 млн человек погибло от испанки, вызванной новым штаммом в. гриппа - 1950 -1960 гг. – эпидемия полиомиелита среди детей и подростков Ø Последние десятилетия: - глобальная пандемия ВИЧ (летальность > 90%) - новые вирусы гепатитов (С, D, E, F, SEN, TTV) - вирусы геморрагических лихорадок (Эбола, Ханта) - респираторные вирусы (SARS, птичий грипп, свиной грипп) - прионы

Особенности вирусов 1. Широко распространены (маркёры жизни) 2. Доклеточные формы жизни, не имеют клеточного строения 3. Субмикроскопические размеры: 25 -250 нм, филовирусы – до 4000 нм 4. Содержат один тип НК (ДНК или РНК) в качестве генома 5. Нет собственных систем метаболизма и получения энергии 6. Облигатные внутриклеточные паразиты: реплицируются в клетках, используя их белоксинтезирующие и энергетические системы 7. Генетические паразиты: НК вируса способна встраиваться в геном хозяина 8. Высокая генетическая изменчивость: мутируют гораздо быстрее клеток хозяина (в. гриппа А в 106 раз, ВИЧ в 109 раз) 9. Культивируются только в чувствительных клетках хозяина (лабораторные животные, куриные эмбрионы, культуры клеток) 10. Не способны к прогрессивному росту и делению 11. Способны к самовоспроизведению, размножаются путём репродукции

Формы существования вирусов 1. Вирион (вирусная частица): - покоящаяся форма вируса - образуется в клетке - находится вне клетки - предназначена для распространения инфекции от клетки к клетке 2. Внутриклеточный (вегетативный) вирус: - активно реплицируется - находится в клетке 3. Провирус (интегративная форма): - покоящаяся форма вируса - находится в клетке, его геном интегрирован с ДНК клетки-хозяина - предназначена для выживания в клетке

Структура вириона Ø нуклеопротеид – геном + белки Ø капсид – белковая оболочка Ø суперкапсид (только у сложных) – наружная липидная оболочка

Морфология вириона Простые вирионы – Сложные вирионы – нуклеопротеид + капсид + суперкапсид ВГА ВИЧ

Геном вириона (его сердцевина) – вирусная НК Вирусы имеют только 1 тип НК (ДНК или РНК) НК может быть: Ø по форме: линейной / кольцевой Ø по структуре: цельной / фрагментированной Ø по строению: однонитевой / двунитевой Ø по полярности (у однонитевых): - положительной: вирионная НК – матрица для синтеза новых геномов и и. РНК - отрицательной: вирионная НК – только матрица для синтеза новых геномов

Геном вириона НК может укладываться: Ø клубком форма вириона: - многогранник - шар Икосаэдрический тип симметрии: А - простой вирус Б - сложный вирус Ø спирально (однонитевые РНК-вирусы) форма вириона: - палочка - извитая нить - шар Спиральный тип симметрии: В - простой вирус Г - сложный вирус

Типы вирусных НК Типы ДНК: 1 – парвовирусов 2 – фага 174 3 – аденовирусов, в. герпеса 4 – фага Т 5 5 – в. оспы 6 – папиломавирусов, полиомавирусов 7 – в. гепатита В Типы РНК: 1 – пикорна-, тога-, парамиксо-, рабдовирусов 2 – ортомиксо-, аренавирусов 3 – буньявирусов 4 – реовирусов 5 – ретровирусов

Геном вирионов содержит от 3 (папилломавирусы) до 200 (герпесвирусы) генов: 1) структурные – кодируют синтез белков вириона 2) неструктурные (регуляторные): - регулируют скорость биосинтеза компонентов вириона - изменяют экспрессию генов клетки хозяина Геном человека > 6 млрд генов Геном высших эукариотов – 1 млн генов Геном E. coli – 5000 генов

Белки вирусов Ø структурные (гликопротеины) и неструктурные (ферменты) Ø способны к самоактивации Ø полифункциональны: - HA – гемагглютинин - N – нейраминидаза - М – матриксный белок - F – белок слияния Ø Функции белков: - защита генома - рецепция - слияние мембран - нейтрализация защитных факторов

Ферменты вирусов кодируются генами Ø РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза) – у всех –РНК вирусов Ø ДНК-зависимая РНК-полимераза – у поксвирусов Ø РНК-зависимая ДНК-полимераза (ОТ) – у ретровирусов Ø В геноме некоторых вирусов есть гены, кодирующие РНК-азы, эндонуклеазы, протеинкиназы

Капсид вириона – белковый чехол, покрывающий снаружи НК Капсид состоит из белковых субъединиц – капсомеров Капсомеры: - количество вариабельно, характерно для отдельных вирусов - укладываются спирально или по граням правильных многогранников - создают симметричную конструкцию Белки капсида малореакционно способны простые вирусы устойчивы во внешней среде

Функции капсида Ø защитная Ø рецепторная Ø антигенная Ø ферментная Ø регуляторная

Типы симметрии капсида Кубическая (икосаэдрическая) – капсомеры укладываются по граням икосаэдра – многогранника, имеющего: Ø 20 поверхностей (равносторонних треугольников) Ø 12 вершин (здесь встречаются 5 вершин треугольников) Ø 30 граней (между каждыми двумя треугольниками) Спиральная – капсомеры укладываются по спирали

Суперкапсид сложных вирионов – дополнительная внешняя оболочка Суперкапсид состоит из: 1) внутреннего белкового слоя (М-белка) 2) внешнего билипидного слоя (из ЦПМ клетки хозяина) 3) поверхностных гликопротеидов: встраиваются в липидный бислой - образуют разные по форме выпячивания - выполняют рецепторную функцию - обладают антигенными свойствами - Функции суперкапсида: Ø Ø защитная рецепторная антигенная ферментная

Схема строения вирусов, патогенных для человека ДНК-вирусы: 1 – вирусы оспы 2 – вирусы герпеса 3 – аденовирусы 4 – паповавирусы 5 – гепаднавирусы 6 – парвовирусы РНК-вирусы: 7 – парамиксовирусы 8 – вирусы гриппа 9 – коронавирусы 10 – аренавирусы 11 – ретровирусы 12 – реовирусы 13 – пикорнавирусы 14 – калицивирусы 15 – рабдовирусы 16 – тогавирусы, флавивирусы 17 – буньявирусы

Систематика и номенклатура вирусов Названия таксонов пишется по латыни с Прописной (Большой) буквы Царство Vira Порядок – суффикс -virales (Caudovirales) Семейство – суффикс -viridae (Adenoviridae) Подсемейство (у нек. семейств) – суффикс –virinae Род – суффикс –virus (Mastadenovirus) Вид Human adenovirus C Варианты Субвариант (субтип) Штамм

Названия вирусов – на основании данных, известных при открытии Ø Ассоциация с заболеваниями: вирус кори, вирус гриппа Ø Место открытия: вирусы Коксаки Ø Ассоциация с цитопатологией: РСВ, цитомегаловирус Ø Поражаемый биотоп: Adenovirus, Enterovirus, Rhinovirus, Hepadnavirus Ø Первооткрыватель: вирус Эпштейна-Барр Ø Физико-химические свойства: Picornavirus, Retrovirus

Критерии классификации вирусов 1. Строение вириона: - размер и форма - наличие суперкапсида - тип симметрии 2. Тип НК (РНК/ДНК), её структура: - одно- или двунитевая - линейная или кольцевая - цельная или фрагментированная 3. Стратегия вирусного генома в клетке хозяина (используемый вирусом путь транскрипции, трансляции, репликации, выхода из клетки) 4. Антигенные и физико-химические свойства

Критерии классификации вирусов 5. Феномены генетических взаимодействий 6. Экологические взаимодействия: спектр хозяев ареал распространения 7. Биологические свойства: резистентность к факторам внешней среды: -излучению, t, детергентам, эфиру чувствительность к противовирусным препаратам 8. Механизмы передачи 9. Реализация патогенности: характер изменений в клетках образование внутриклеточных включений изменения экспрессии генов клеток хозяина апоптоз и трансформация клеток

Классификация вирусов Мировая коллекция вирусов – 30 000 штаммов Последняя классификация – 2000 г. : 1550 вирусов объединены в 3 порядка, 56 семейств, 9 подсемейств, 203 рода Вирусы человека и животных в 25 семействах: 15 РНК-геномных и 10 ДНК-геномных

Классификация вирусов

Размножение вирусов Ø только внутриклеточно Ø дисъюнктивный способ репродукции: вирусные белки и НК синтезируются в разных частях клетки Ø производство многочисленных копий вирусных белков и НК сборка новых вирионов

Репродукция вирусов – 2 периода Ранний: Адсорбция вириона на рецепторах определённых типов клеток Проникновение вириона в клетку Депротеинизация вириона и освобождение НК Репликация вирусного генома Поздний: Синтез вирусных компонентов Сборка вирусных частиц Созревание вирусных частиц Выход вирусных частиц из клетки

Жизненный цикл вирусов Созревание Прикрепление Выход Рецептор Проникновение ЦПМ Геном Сборка Регуляторные белки Структурные белки Раздевание Репликация Цитоплазма Ядро Экспрессия генов

Адсорбция – рецепторное взаимодействие Поверхностные белки вириона комплементарны рецепторам мембраны клетки-мишени Происходит специфическое связывание вириона с клеточными мукопротеидами и липопротеидами

Пути проникновения в клетку Ø Транслокация в цитоплазму (полиовирусы) – связывание клеточного рецептора (CD 155) изменение конформации капсомера и образованию поры в мембране клетки Ø Виропексис (рецепторный эндоцитоз) - вирус попадает в эндосому, которая транспортируется к месту репродукции вируса (SV-40) Ø Слияние вирусного суперкапсида с ЦПМ клетки (в. гриппа, ВИЧ) Ø Разрыв мембраны (реовирусы)

Проникновения вирусов в клетку путём виропексиса (вверху) и путём слияния с ЦПМ клетки (внизу) 1 – вирусная частица 2 – ЦПМ клетки 3 – ямка на поверхности клетки, содержащая рецепторы 4 – образующаяся клеточная вакуоль 5 – сливающаяся клеточная вакуоль 6 – клеточная вакуоль, образующаяся после слияния (рецептосома) 7 – выход генетического материала вируса в ЦП

Депротеинизация (раздевание) вириона Ø освобождение генома вируса от защитных оболочек Ø происходит с помощью клеточных или вирусных ферментов Ø может осуществляться в несколько стадий Ø продукты депротеинизации: - НК или - НК, связанные с внутренним вирусным белком

Реализация генома вирусов Репликация – синтез НК, гомологичных вирусному геному Транскрипция – переписывание информации с ДНК (РНК) вируса на и. РНК согласно генетическому коду в соответствии со стратегией генома Трансляция – перевод генетической информации, содержащейся в и. РНК, на специфическую последовательность аминокислот и синтез вирусспецифических белков

Стратегия вирусных геномов Ø У ДНК-вирусов реализация стратегии генома идёт так же, как и в клетках хозяина: транскрипция ДНК и. РНК трансляция белков Ø У +РНК-вирусов (пикорнавирусы, тогавирусы) этап транскрипции отсутствует. +РНК выполняет функцию и. РНК, путь реализации генома: +РНК (и. РНК) трансляция белков Ø У –РНК-вирусов (вирусы гриппа, парагриппа), путь реализации генома: транскрипция -РНК и. РНК трансляция белков

Стратегия вирусных геномов Геном гепаднавирусов – кольцевая двунитевая ДНК – реплицируется через РНК интермедиат: транскрипция ДНК РНК обратная транскрипция ДНК и. РНК трансляция белков У ретровирусов (+РНК-геном и фермент ОТ) – уникальный путь передачи генетической информации: обратная транскрипция РНК ДНК-копия транскрипция и. РНК трансляция белков ДНК-копия интегрируется в геном клетки-хозяина (провирус)

Поздний период репродукции вирусов Наработка клеткой вирусных компонентов Сборка вирусных частиц осуществляется на мембранных структурах клетки, не требует энергии Выход вирионов из клетки

Пути выхода вирионов из клетки 1. Секреция в составе везикул комплекса Гольджи 2. Аутолиз инфицированной клетки 3. Лизис вирусинфицированных клеток иммуноцитами 4. Взрыв клетки – у простых вирусов (пикорна-, рео-, аденовирусов) После накопления 10000 -100000 вирионов разрывается (цитолитическая инфекция) 5. мембрана клетки Почкование – у сложных вирусов (в. гриппа, ВИЧ, в. герпеса) Вирус одевается в мембрану клетки и отсоединяется Клетка сразу не погибает, даёт многократное вирусное потомство, пока не истощатся её ресурсы (нецитолитическая инфекция)

Выход вирусных частиц из клетки путём почкования 1 – ЦПМ клетки 2 – сердцевина вируса 3 – вирусные поверхностные белки, встроенные в ЦПМ клетки 4 – почкование через ЦПМ 5 – зрелая вирусная частица

Экология вирусов - раздел экологической вирусологии - исследует взаимодействие вирусов между собой и с внешней средой Изучает: - экологическую среду - формы и факторы эволюционной изменчивости - влияние физических и химических факторов на вирусы Использует знания в борьбе с вирусными инфекциями

Изменение экологии новые вирусные инфекции 1 • Крымская ГЛ – 1943 г. – солдаты и переселенцы прибыли в Крым для земледелия. Вспаханные после долгого перерыва поля – хорошая среда для переносчика – клеща Hyalomma 2 • Аргентинская ГЛ, вызываемая вирусом Хунин – 1950 г. –большие площади были засеяны кукурузой хорошее размножение и выживание грызунов Calomys – резервуара вируса Хунин 3 4 5 • ГЛ Эбола зарегистрирована в сельских местностях Ю. Судана и Сев. Заира. Предполагается существование природных источников вируса лихорадки Эбола • Вспышка ГЛ Марбург в 1967 г. в г. Марбург (Германия) среди сотрудников вирусологической лаборатории, которые готовили вакцину против полиомиелита на культуре клеток почек • Хантавирусы в РБ вызвали Кобринскую ГЛ с почечным синдромом, а в США эти же вирусы – поражение лёгких

Антропогенные факторы, влиящие на эволюцию вирусов Загрязнение внешней среды промышленными отходами Применение пестицидов, антибиотиков, вакцин Урбанизация, развитие транспорта, освоение неиспользованных территорий

Бактериофаги (фаги) – вирусы, поразитирующие в бактериальных клетках БФ всегда сопутствуют бактериям, широко распространены в природе: их выделяют из воды, почвы, организмов животных и человека Размеры фагов 25 -200 нм Геном фагов: РНК или ДНК, содержит 8 -200 генов

Классификация БФ аналогична подходам к систематике вирусов Принципы классификации БФ: - морфология - химический состав - антигенная структура - спектр действия БФ при электронной микроскопии

Свойства БФ 1. Резистентны к физическим воздействиям, переносят: - высокие t(50 -700 С) - прямой солнечный свет - УФО в низких дозах 2. Резистентны к химическим воздействиям, переносят действие дезинфектантов Чувствительны к кислотам и формалину 3. Иммуногенны синтез специфических АТ

Формы существования БФ 1. Вирион – внеклеточный БФ 2. Вегетативная форма – БФ, размножающийся в клетке 3. Провирус – БФ, интегрированный с геномом клетки-хозяина

Типы вирионов бактериофагов 1. Нитевидные: - однонитевая ДНК 2. Головка с аналогом отростка: - большинство - РНК-содержащие - один БФ (jc-174) - с кольцевой однонитевой ДНК 3. Головка с коротким отростком: - линейная однонитевая ДНК (Т-фаг 3) - линейная двунитевая ДНК (Т-фаг 7) 4. Головка с несокращающимся отростком: - двунитевая ДНК (Т-фаги 1 и 5) 5. Головка с сокращающимся чехлом отростка, который заканчивается базальной пластиной: - двунитевая ДНК (Т-фаги 2 и 4)

Строение бактериофагов Большинство БФ напоминают сперматозоиды Имеют: а) головку кубической симметрии с заключённым в ней геномом б) хвостовой отросток, в котором различают: - полый стержень - окружающий его чехол из актиноподобного, способного к сокращению спирального белка - базальную пластинку с шипами и нитями (рецепторами) на дистальном конце стержня, обеспечивает специфическую адсорбцию на клетке-хозяине Строение БФ

Взаимодействие БФ с бактерией подобно взаимодействию вирусов животных с эукариотической клеткой 1. Адсорбция фага на бактериальной клетке

Взаимодействие БФ с бактерией 2. Введение вирусной НК в бактериальную клетку: - пластинка с шипами прикрепляется к клеточной стенке - лизоцим в месте контакта повреждает КС - белок чехла сокращается стержень БФ прокалывает КС ДНК фага инъецируется в ЦП клетки - капсидные белки фага остаются снаружи

БФ по типу взаимодействия с бактерией ВИРУЛЕНТНЫЕ (литические) УМЕРЕННЫЕ

Вирулентные БФ Вызывают продуктивную инфекцию клетки - образуются зрелые инфекционные фаговые частицы инфицированные бактерии лизируются Вирулентные БФ по спектру литического действия: - типовые (Т-фаги) – лизируют бактерии отдельных типов внутри вида - моновалентные – лизируют бактерии одного вида - поливалентные – лизируют бактерии нескольких видов

Литическое взаимодействие фага с бактериальной клеткой Ø Клеточные полимеразы БФ вводит вирусную ДНК (в. ДНК) в ЦП бактерии транскрибируют ДНК в и. РНК, транслирующуюся на рибосомах Ø Синтезируется вирусная ДНК-полимераза и ранние вирусные белки Ø Вирусная полимераза участвует в образовании в. ДНК дочерних популяций Ø Часть образовавшейся в. ДНК используется как матрица для синтеза белков головок и хвостов Ø После присоединения в. ДНК белки головок и хвостов образуют дочернюю популяцию фагов

Умеренные БФ проникают в клетку ДНК фага встраивается в геном клетки-хозяина (=профаг) – явление лизогения Бактерии, несущие умеренный БФ, – лизогенные Геном фага репродуцируется одновременно с геномом бактерии, передаётся по наследству дочерним клеткам Профаг может превратиться в вирулентную форму и начать репродуцироваться: - спонтанно - под действием индукторов (УФО, рентгеновское облучение, Н 2 О 2, избыток витамина С) Образующиеся дочерние вирионы могут вести себя: - как вирулентные БФ - как умеренные БФ t,

Практическое использование БФ 1. Идентификация бактерий путём постановки пробы фаголизиса с БФ: - до уровня вида (сальмонеллы, бруцеллы, шигеллы) - до уровня биовара (холерные вибрионы) 2. Определение источника инфекции путём фаготипирования и определения фаговара бактерии (при стафилококковой инфекции, брюшном тифе, сальмонеллёзе, склероме) 3. Определение бактериальной контаминации объектов внешней среды путём обнаружения в них соответствующих БФ

Практическое использование БФ 4. Фаготерапия: - инфекций (дизентерийный, брюшнотифозный, озенозный БФ) - обширных ожогов с нагноением (стафилококковый, колипротейный, клебсиеллёзный БФ) 5. Фагопрофилактика инфекций (дизентерийный, холерный БФ) 6. Для изучения генетики микроорганизмов 7. Для стимуляции клеточного иммунного ответа (в экспериментах)

Прионы (инфекционные белковые агенты, не содержат НК): Ø открыты Прузинером (1982) Ø гликопротеиды (фибриллы, длина 50 -500 нм, толщина 6 нм) Ø резистентны: - к УФО, -излучению, высоким t - протеазам, спиртам, кислотам, формалину Ø инактивация: - сжигание - 90% фенол - 60 мин - 1 N Na. OH - 60 мин - гипохлорит - 60 мин, затем автоклавирование 1340 С - 60 мин

Пути инфицирования прионами 1. Трансфузионный (переливание крови и её препаратов) 2. Парентеральный: - ч/з контаминированные мед. инструменты - при введении препаратов из мозга и лимфоидных органов КРС (миелопептиды, церебролизин) 3. Алиментарный (субпродукты рогатого скота, даже термически обработанные) 4. Контактный – при использовании мазей (солкосерил) и косметических кремов, содержащих продукты животного происхождения

Роль прионов в патологии Ø Репродуцируются и в органах и тканях Ø В клетке накапливается патологический белок, он не утилизируется Ø Прогрессирующий дегенеративный тип поражения (необратимо изменяется конформация нормального белка при взаимодействии с патологическим белком) Ø Не вызывают воспаления и иммунитета Ø Инкубационный период до 20 лет Ø Возбудители летальных медленных инфекций: - куру - амиотрофический лейкоспонгиоз - болезнь Крейцфельда-Якоба (губчатая энцефалопатия) - коровье бешенство (губчатая энцефалопатия) - семейная фатальная бессонница - болезнь Альцгеймера (старческое слабоумие)

Диагностика прионных заболеваний Ø Клиника малоспецифична Ø Инструментальные исследования мозга: ЭЭГ, КТ, ЯМР Ø Культуральный метод: заражение лабораторных животных или культур клеток материалом от больного Ø Иммуноцитохимия: обнаружение патологического белка Ø Генетические методы: детекция дефектных генов

Благодарю за внимание !