Тема 20 Лекция 13 Основы вирусологии Вирусы

Тема 20. Лекция 13. Основы вирусологии

Вирусы (лат. «яд» ) – облигатные внутриклеточные паразиты. Они поражают все группы живых организмов, живут в клетках растений, животных, человека и даже бактерий (бактериофаги).

Ивановский Дмитрий Иосифович (1864 - 1920) – русский физиолог растений и микробиолог, основоположник вирусологии. В 1892 г. обнаружил вирус табачной мозаики. www. cultinfo. ru В 1898 г. независимо вирус табачной мозаики был описан М. Бейеринком.

• Вирусы долгое время оставались неисследованным и из-за того, что имели мельчайшие размеры (от 20 до 300 нм). ВТМ

➲ Д. И. Ивановский описал необычные свойства возбудителя болезни табака - так называемой табачной мозаики. ➲ Этот возбудитель проходил через бактериальные фильтры. ➲ Таким образом, здоровые растения табака можно заразить бесклеточным фильтратом сока больного растения.

• В 1898 г. М. Бейеринк обнаружил, что возбудитель мозаичной болезни табака диффундирует через агаровый гель и осаждается спиртом без потери инфекционности. • М. Бейеринк назвал этот возбудитель «жидким носителем инфекционности» .

➲ Через несколько лет Ф. Леффлер и П. Фрош обнаружили, что возбудитель ящура - болезни, нередко встречающейся у домашнего скота, также проходит через бактериальные фильтры. 1901 год – вирус желтой лихорадки, 1907 – натуральной оспы, ➲ 1909 – полиомиелита ➲

➲ В 1917 г. канадский бактериолог Ф. де Эрелль открыл бактериофаг - вирус, поражающий бактерии. ➲ В 1931 году А. М. Вудроф и Э. Дж. Гудпэсчур впервые применили метод выращивания вирусов в развивающемся курином эмбрионе. ➲ В 1935 г. У. М. Стенли впервые выделил вирус табачной мозаики в кристаллическом виде.

➲ В 1939 году А. В. Арден и Г. Руска впервые применили для изучения вирусов электронный микроскоп. В 1941 году Г. Херст установил, что вирус гриппа вызывает агглютинацию эритроцитов. ➲ в 1949 г. Дж. Эндерсу, Т. Уэллеру и Ф. Роббинсу удалось размножить вирус полиомиелита в клетках кожи и мышц человеческого зародыша. Метод культуры клеток стал одним из наиболее важных для культивирования вирусов. ➲

В 1956 году удалось показать, что носителем инфекционности вируса является содержащаяся в нем нуклеиновая кислота. ➲ В 1957 году А. Айзекс и Дж. Линдеман открыли интерферон. ➲ С. Бреннер и Д. Хорн ввели метод негативного контрастного окрашивания (изучение тонкого строения вирусов, их структурных элементов (субъединиц). ➲ В 1964 г. Д. К. Гайдузек с сотрудниками доказал инфекционный характер ряда хронических заболеваний центральной нервной системы человека и животных. ➲

➲ ➲ ➲ Б. С. Бламберг обнаруживает антиген сывороточного гепатита (австралийский антиген). В 1967 В. Stollar, T. Diener, W. Raymer открыли новый тип инфекционного агента, вызывающего заболевания растений – вироиды. ➲ В 1970 г. Х. М. Темин и Д. Балтимор независимо друг от друга открыли фермент обратную транскриптазу. ➲ В 1980 -х калифорнийский биохимик С. Прузинер выделил инфекционный белок, названный в 1982 прионом.

Вирусы – это субмикроскопические ДНК- или РНК-содержащие объекты, репродуцирующиеся только в живых клетках, заставляя их синтезировать так называемые вирионы, которые содержат геном вируса и способны перемещать его в другие клетки. Генетические вампиры.

Вирусы – это биологические объекты 1. Содержат в своем составе только один из типов нуклеиновых кислот: РНК или ДНК 2. Не обладают собственным обменом веществ. Для размножения используют обмен веществ клетки-хозяина, ее ферменты и энергию. 3. Могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не размножаются вне клеток тех организмов, в которых паразитируют (в отличие от бактерий вирус паразитирует на генетическом уровне).

Что не могут и могут вирусы? - не дышат, - не проявляют раздражимости, - не способны самостоятельно двигаться, ➲ - не растут и не делятся, ➲ - способны (некоторые) в очищенном состоянии кристаллизоваться. ➲ ➲ ➲ - реплицируются, - эволюционируют (изменяются и передают эти изменения).

происхождение вирусов дискуссионно. три гипотезы: ➲ 1) вирусы – примитивные доклеточные формы жизни; ➲ 2) вирусы возникли из патогенных бактерий в результате их крайней деградации (регрессивной эволюции), в связи с облигатным паразитизмом; ➲ 3) вирусы возникли из нормальных клеточных компонентов, вышедших изпод контроля клеточных регулирующих механизмов, и превратились в самостоятельные единицы ➲

Вирусы существуют в двух основных формах: внеклеточной и внутриклеточной Размеры вирусов колеблются от 20 до 300 нм. В среднем они в 50 раз меньше бактерий. Их нельзя увидеть в световой микроскоп, так как их длины меньше длины световой волны.

Строение вирусов 1 - сердцевина (однонитчатая РНК); 2 - белковая оболочка (капсид); 3 - дополнительная липопротеидная оболочка; 4 - капсомеры (структурные части капсида)

Классификации вирусов • По типу генома • По типу капсида • По типу хозяина

Классификация по типу капсид ➲ ➲ На первом месте стоит тип генома Но потом классификация основывается на типе касид.

По типам капсид Различают три основных типа симметрии: • Икосаэдрический • Спиральный • Сложный Схематичное строение Т-фага кишечной http: //gsbs. utmb. edu/microbook/ch 041. htm палочки со смешанным типом симметрии. 1 - кубоидальная капсидная головка, 2 - двух нитчатая ДНК, 3 - стержень, 4 - спиралеобразный сокращающийся капсид (чехол), 5 - базальная пластинка, 6 - хвостовые фибриллы http: //schools. keldysh. ru/school 1413/bio/vilegzh/str 4. htm

Спиральный тип симметрии характерен для многих вирусов растений и некоторых фагов. ➲ Спиральные вирусы подразделяют на палочковидные (ВТМ) и нитевидные (х -, у- и z-вирусы картофеля, вирус желтухи свеклы и др. ). ➲ Изометрические капсиды по форме почти идентичны сфере, представляют собой правильные многогранники. ➲ Сложные капсиды имеют большинство бактериофагов. ➲

Схематичное изображение расположения капсомеров в капсиде вирусов. полиомиелита Спиральный тип симметрии имеет вирус гриппа герпеса Кубический тип симметрии аденовируса

Классификация по типу хозяина Никак не соотносится с приведенными выше классификациями. Есть отдельно приведенный список семейств вирусов, которые паразитируют на позвоночных http: //www. mcb. uct. ac. za/tutorial/classif. htm#host

Классификация и Репликация Естественно, что тип репликации и транскрипции зависит от количества цепей. Таким образом, уже выделенные по количеству цепей семь классов можно характеризовать более подробно

Классификация и Репликация Тип репликации и транскрипции зависит от количества цепей.

№ 1. Двуцепочечная ДНК Транскрипция может происходить как в ядре, так и в цитоплазме, как с использованием белков клетки хозяина, так и при помощи своих белков. В общем, идет по обычному пути т. е. при синтезе м. РНК, в качестве матрицы используется ДНК. http: //www. tulane. edu/~dmsander/WWW/224/Classification 224. html

№ 2. Одноцепочечная «+» ДНК ➲ ➲ Репликация в ядре, причем ДНК становится двуцепочечной путем создания «–» цепи. Образование м. РНК, используя в качестве матрицы двойную ДНК-овые вирусы животных практически всегда невирулентны http: //www. tulane. edu/~dmsander/WWW/224/Classification 224. html

№ 3. Двуцепочечная РНК ➲ ➲ РНК двуцепочечная, разделена на сегменты, каждый из которых кодирует свой белок. Репликация РНК идет по консервативному механизму: одна из цепей каждого сегмента служит матрицей для синтеза большого количества новых «+» цепей (которые будут являться м. РНК). На этих «+» цепях как на матрице синтезируются «-» цепи. После чего они не расходятся http: //www. tulane. edu/~dmsander/WWW/224/Classification 224. html

№ 4. Одноцепочечная «+» РНК ➲ Собственно «+» цепь и является м. РНК http: //www. tulane. edu/~dmsander/WWW/224/Classification 224. html

№ 5. Одноцепочечная «-» РНК ➲ ➲ ➲ На основе имеющейся « –» цепи РНК, как на матрице продуцируется «+» цепь РНК = м. РНК Репликация в ядре, там снова синтезируются «» цепи Вирус отпочковывается от клетки – НЕВИРУЛЕНТНЫЙ http: //www. tulane. edu/~dmsander/WWW/224/Classification 224. html

№ 6. Одноцепочечная «+» РНК со стадией двуцепочечной ДНК в жизненном цикле ➲ ➲ Получившаяся в результате обратной транскрипции двуцепочечная ДНК мигрирует в ядро, где встраивается в ДНК клетки хозяина. Теперь репликация происходит в процессе транскрипции самой клетки. Нужно отметить, что «+» РНК не м. РНК, а шаблон для обратной транскрипции. Новые вирусы уходят из клетки, отпочковываясь. Клетка не гибнет, но приобретает свойства опухолевой клетки. http: //www. tulane. edu/~dmsander/WWW/224/Classification 224. html

№ 7. Двуцепочечная ДНК со стадией РНК в жизненном цикле Эта группа вирусов тоже использует обратную транскрипцию, но у них она происходит вне вирусной частицы во время ее развития. Первое что происходит в зараженной клетке – это репарация ДНК. http: //www. tulane. edu/~dmsander/WWW/224/Classification 224. html

Вирусная РНК. ➲ ➲ ➲ У вирусов РНК выполняет функции вещества наследственности. Может быть двух- или одноцепочечная. Геном одного вируса может быть фрагментированным. Эти фрагменты могут входить в состав одного вириона (моновирусы) или разных вирионов (ковирусы или мультивирусы). У некоторых представителей РНК-вирусов одна и та же вирионная молекула РНК может выполнять функции матрицы для собственной репликации и функции м. РНК, ее обозначают как (+) цепь РНК. Молекулы РНК, которые служат матрицей для собственной репликации и не могут транслироваться, обозначают как (-) цепь.

Вирусная ДНК. Молекулы вирусных ДНК могут быть двух цепочечными или одно цепочечными, линейными или кольцевыми. ➲ Большинство нуклеотидных последовательностей в вирусном геноме встречается лишь по одному разу. ➲ В составе ДНК фагов обнаружены аномальные азотистые основания: вместо цитозина – 5 -оксиметилцитозин или 6 -метилцитозин, а вместо тимина – 5 оксиметилурацил. ➲

Вирусные белки. Белки, входящие в состав вирионов, называют структурными. Количество структурных белков – от 1 -2 до 10 -30 видов. Белок всех исследованных до настоящего времени вирусов построен из L-аминокислот. ➲ У вирусов со сложной организацией вириона обнаружены основные (гистоноподобные), так называемые «внутренние» белки, которые связаны с нуклеиновой кислотой. ➲

Ферменты вирусов. ➲ ➲ Большинство вирусов на стадии вирионов лишено ферментативной активности. В составе вирионов миксовирусов содержится нейраминидаза – фермент, вызывающий гидролитическое отщепление нейраминовой кислоты, которая входит в состав оболочек эритроцитов. В составе некоторых вирусов обнаружены ферменты, участвующие в репликации вирусных нуклеиновых кислот: ДНК-зависимая РНКполимераза (вирус осповакцины), РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза) и РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза) (онкогенные вирусы). У бактериофагов обнаружены 2 вируоспецифичных фермента: лизоцим и аденозинтрифосфатаза.

Углеводы. Единственная группа вирусов, в которой наличие углеводов точно доказано, вирусы животных. ➲ В составе вируса гриппа и классической чумы птиц находятся до 17 % углеводов, олигосахаридов, образованных галактозой, маннозой и другими моносахарами; эти углеводные компоненты находятся в связанном состоянии в составе гликолипидов и гликопротеидов. ➲

Липиды. Двойной слой липидов образует основную массу наружной оболочки у тех вирусов, у которых она имеется. ➲ Чаще всего липиды вирионов близки по составу к липидам клетки хозяина. ➲ В вирусах животных липиды могут составлять значительную часть: вирион энцефаломиелита лошадей содержит 54% липидов, вирус гриппа – 18 -37%. ➲

Общая характеристика продуктивности процесса 1. Фаза эклипса (затмения). 2. Фаза созревания. Латентный инкубационный период Цикл размножения бактериофага Т 4 в клетках Е. coli

Основные стадии репродукции вируса - адсорбция, - проникновение вируса в клетку, - раздевание, - репродукция вируса, - самосборка, - выведение вируса из клетки.

Вирус вступает в контакт с клеткой и крепко цепляется за ее поверхность (абсорбция вируса на клетке). В месте контакта вирус выделяет специальный фермент, разъедающий оболочку клетки. В результате чего в мембране появляется отверстие. Вирус сокращается и впрыскивает, содержащуюся в нем, нуклеиновую кислоту (ДНК или РНК) в клеточную вакуоль. Проникший внутрь геном вируса берет под свой контроль жизнедеятельность клетки и, используя ее ресурсы, синтезирует свои копии. Все компоненты вируса независимо друг от друга прибывают к местам сборки в клетке и монтируют новые вирусы. После образования достаточного количества новых вирусов, они "взрывают" клетку и отправляются на поиски новой клетки-хозяина. Весь этот цикл от проникновения вируса в клетку до его воспроизводства занимает около 20 -25 минут.

Проникновение вируса в клетку Схема проникновения вирусов в клетку путем рецепторного эндоцитоза (виропексиса) : 2 — плазматическая мембрана 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 цитоплазму.

Проникновение вируса в клетку Схема проникновения вирусов в клетку через плазматическую мембрану клетки путем слияния с клеточной стенкой: 1 — вирусная частица; 2 — плазматическая мембрана клетки; 3 — ямка на поверхности клетки, содержащая рецепторы; 7 — выход генетического материала вируса в цитоплазму.

Проникновение вируса в клетку Проникновение ВИЧ в клетку путем слияния оболочки вириона с клеточной мембраной вирус опознает клет ку с помощью своего белка gp 120

Два пути проникновения оболочечного вируса в клетку. Слева — эндоцитоз и слияние в эндосоме: 1 — вирус, 2 — эндосома, 3 — ядро. Справа — слияние с плазматической мембраной.

Типы взаимодействия вируса и клетки • • Абортивная инфекция. Продуктивная инфекция. Интегративная инфекция. Система интерферона. Интерференция вирусов.

Этапы ВИЧ - инфекции, на которых ее возможно заблокировать с помощью si. RNA (показаны красными крестами).

Общие методы изучения вирусов ➲ ➲ Для статистической характеристики используется понятие «инфекционная единица» - это наименьшее количество вируса, способное в данном опыте вызвать инфекцию. LD 50 – 50%-ая летальная доза или число бляшек в культуре клеток. Титр вирусной суспензии, выраженный числом инфекционных единиц, содержащихся в единице объема, как правило, соответствует числу вирионов (или числу молекул вирусной нуклеиновой кислоты), способных при условиях данного опыта вызвать инфекцию.