Вирусы • Строение вириона • 1. Вирус, не имеющий липидной оболочки (простой вирус) (например, пикорнавирус). 2. Оболочечный (сложный) вирус (например, герпесвирус). Цифрами обозначены: (1) капсид, (2) геномная нуклеиновая кислота, (3) капсомер, (4) нуклеокапсид, (5) вирион, (6) липидная оболочка, (7) мембранные белки оболочки.
Строение вириона • Вирус с капсомером типа гексон. Эта иллюстрация показывает, что вирусный капсид может быть выстроен из множественных копий всего лишь двух белков
Строение вириона • Структура вириона неикосаэдрического оболочечного вируса на примере ВИЧ. Цифрами обозначены: (1) РНКгеном вируса, (2) нуклеокапсид, (3) капсид, (4) белковый матрикс, подстилающий (5) липидную мембрану, (6) gp 120 — гликопротеин, с помощью которого происходит связывание вируса с клеточной мембраной, (7) gp 41 — гликопротеин. Цифрами 8— 11 обозначены белки, входящие в состав вириона и необходимые вирусу на ранних стадиях инфекции: (8) — интеграза, (9) — обратная транскриптаза, (10) — Vif, Vpr, Nef и p 7, (11) — протеаза.
Строение вириона • Строение бактериофага Т 4 • 1 — головка, 2 — хвост, 3 — нуклеиновая кислота, 4 — капсид, 5 — «воротничок» , 6 — белковый чехол хвоста, 7 — фибрилла хвоста, 8 — шипы, 9 — базальная пластинка
Жизненный цикл вирусов • Типичная репликация вируса на примере вируса гепатита С
Генетика вирусов • Размер генома широко варьирует у различных видов. Наименьший вирусный геном у одноцепочечного ДНКсодержащего цирковируса, семейство Circoviridae. Его геном кодирует лишь два белка и содержит только 2000 пар оснований. Самый крупный геном у мимивируса, он содержит свыше 1, 2 млн пар оснований и кодирует более тысячи белков. В общем, РНК-содержащие вирусы имеют меньший геном, чем ДНК-содержащие, из-за большего количества ошибок во время репликации, и наибольший размер генома у них, таким образом, ограничен. Не будь его, ошибки в геноме во время репликации сделали бы вирус нежизнеспособным и неконкурентоспособным. Чтобы скомпенсировать это, РНК-вирусы часто имеют сегментированные геномы (геном разделён на небольшие молекулы) — это уменьшает вероятность того, что ошибка в одном из сегментов окажется фатальна для всего генома. Напротив, ДНК-содержащие вирусы обычно имеют более крупные геномы благодаря лучшей работе их ферментов, осуществляющих репликацию. Одноцепочечные ДНКсодержащие вирусы являются исключением из этого правила — количество мутаций в их геномах приближается к таковому у одноцепочечных РНК-содержащих вирусов
Генетика вирусов • Генетические изменения происходят у вирусов по разным механизмам. В их число входит дрейф генов, при котором отдельные основания в РНК или ДНК мутируют в другие. Большинство этих точечных мутаций являются «тихими» — они не меняют белок, кодируемый генами, но в других случаях в результате таких изменений вирус может приобрести эволюционные преимущества, такие как устойчивость к противовирусным препаратам. • Антигенное перемещение имеет место тогда, когда в геноме вируса происходят масштабные изменения. • Это может быть результатом рекомбинации или реассортимента – перемешивания генов. Когда это случается с вирусом гриппа, результатом может стать пандемия. • РНК-вирусы часто существуют как квазивиды или смесь вирусов одного вида, но с чуть различающимися нуклеотидными последовательностями в геноме. Такие квазивиды являются главной мишенью для естественного отбора
Реасортимент (схема) появления нового высокопатогенного штамма человеческого гриппа
Генетика вирусов • Сегментированный геном даёт эволюционные преимущества; различные штаммы вируса с сегментированными геномами могут перетасовывать и комбинировать гены и производить потомков с уникальными характеристиками. Это называется вирусным реассортиментом. • Генетическая рекомбинация — это процесс, при котором цепь ДНК разрывается, и обрывки потом присоединяются к концам различных молекул ДНК. Это может происходить, когда вирусы поражают клетку одновременно. Изучения эволюции вирусов показали, что у изученных видов рекомбинация имела широкое распространение. Рекомбинация характерна как для РНК-, так и для ДНК-содержащих вирусов
Классификация вирусов по Балтимору • Классификация вирусов по Балтимору - в зависимости от типа геномной нуклеиновой кислоты (ДНК, РНК, одноцепочечная, двуцепочечная) и способа ее репликации. Предложена Балтимором в 1971 году
Классификация вирусов по Балтимору • • Эта система включает в себя семь основных групп: (I) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющие РНК-стадии (например, герпесвирусы, поксвирусы, паповавирусы, мимивирус). (II) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу ДНК (например, парвовирусы). В этом случае ДНК всегда положительной полярности. (III) Вирусы, содержащие двуцепочечную РНК (например, ротавирусы). (IV) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК положительной полярности (например, пикорнавирусы, флавивирусы). (V) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК негативной или двойной полярности (например, ортомиксовирусы, филовирусы). (VI) Вирусы, содержащие одноцепочечную положительную молекулу РНК и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретровирусы (например, ВИЧ). (VII) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроидные вирусы (например, вирус гепатита B).
• Класс I: вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК • Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК для репликации попадают в ядро клетки, так как им требуется клеточная ДНК-полимераза. Также репликация ДНК этих вирусов сильно зависит от стадии клеточного цикла. В некоторых случаях вирус может вызывать деления клетки, что может приводить к раковому перерождению. Примерами таких вирусов являются. • - покрытые оболочкой • Герпесвирусы • Поксвирусы • - без облочки: • Аде нови русы • Папилломавирусы • Полиомавирусы
• Класс II: вирусы, содержащие одноцепочечную ДНК • Вирусы семейств Circoviridae и Parvoviridae реплицируют геномную ДНК в ядре и в ходе репликации образуют интермедиат — двуцепочечную ДНК • Класс III: вирусы, содержащие двуцепочечную РНК • Как и большинство РНК-вирусов, представители класса III реплицируют геномную РНК в цитоплазме и используют полимеразы хозяина в меньшей степени, чем ДНК-вирусы. Класс III включает в себя два крупных семейства Reoviridae и Birnaviridae. Репликация моноцистронная, геном сегментирован, каждый ген кодирует один белок. • Реовирусы
• Класс IV: вирусы, содержащие одноцепочечную (+)РНК • Непосредственно на (+) геномной РНК вирусов IV класса может идти синтез белка на рибосомах клетки хозяина. Вирусы классифицируют на две группы, в зависимости от особенностей РНК: • у вирусов с полицистронной м. РНК трансляция приводит к образованию полипротеина, который затем разрезается на зрелые белки. С одной цепи РНК может синтезироваться несколько разных белков, что снижает длину генов. • вирусы со сложной транскрипцией содержат субгеномные м. РНК, синтез белка идет со сдвигом рамки считывания, также используется протеолитический процессинг полипротеинов. Эти механизмы обеспечивают синтез разных белков с одной цепи РНК. • Примеры вирусов данного класса включают представителей семейств • Коронавирусы • Флавивирусы • Пикорнавирусы
• Класс V: вирусы, содержащие одноцепочечную (-)РНК • Геномные РНК вирусов класса V не могут быть транслированы на рибосомах клетки хозяина, предварительно требуется транскрипция вирусными РНК-полимеразами в (+)РНК. Вирусы пятого класса классификации по Балтимору классифицируют на две группы: • вирусы, содержащие несегментированный геном, на первом этапе репликации происходит транскрипция (-)РНК вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразной в моноцистронную м. РНК, и далее синтезируются дополнительные копии (+)РНК, служащие матрицами для синтеза геномных (-)РНК. Репликация геномных РНК таких вирусов осуществляется в цитоплазме. • вирусы с сегментированными геномами, репликация геномных РНК которых происходит в клеточном ядре, вирусная РНК-зависимая РНКполимераза синтезирует моноцистронные м. РНК с каждого сегмента генома. Наибольшим отличием данной группы вирусов от другой группы пятого класса состоит в том, что репликация осуществляется в двух местах. • Представители данного класса входят в состав семейств: • Аренавирусы • Ортомиксовирусы • Буньявирусы • Филовирусы • Рабдовирусы
• Класс VI: вирусы, содержащие одноцепочечную (+)РНК, реплицирующиеся через стадию ДНК • Наиболее хорошо изученным семейством данного класса вирусов, являются ретровирусы. Вирусы класса VI используют фермент обратную транскриптазу для превращения (+)РНК в ДНК. Вместо использования РНК в качестве матрицы для синтеза белков, вирусы этого класса используют матрицу ДНК, которая встраивается в геном хозяина ферментом интегразой. Дальнейшая репликация происходит при помощи полимераз клетки хозяина. • Ретрови русы • Семейство Retroviridae включает три подсемейства: • Oncovirinae (онковирусы), важнейший представитель которого — T-лимфотропный вирус человека типа 1 ; • Lentivirinae (лентивирусы), к которому относится ВИЧ ; и • Spumavirinae (спумавирусы, или пенящие вирусы).
• Класс VII: вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК, реплицирующиеся через стадию одноцепочечной РНК • Небольшая группа вирусов, имеют двуцепочечную геномную ДНК, которая ковалентно замкнута в форме кольца и является матрицей для синтеза м. РНК вируса, а также субгеномных РНК. Субгеномная РНК служит матрицей для синтеза ДНК-генома ферментом обратной транскриптазой вируса • Гепаднавирусы реплицируются через стадию РНК, на матрице которой происходит обратная транскрипция в ДНК • Гепаднавирусы - семейство вирусов, которые вызывают заболевания печени у человека и животных. • типовой вид Вирус гепатита B
Бактериофаги • Бактериофаги (фаги) — это вирусы, поражающие бактериальные клетки (в качестве клетки-хозяина). Вирионы фагов состоят из головки, содержащей нуклеиновую кислоту вируса, и более или менее выраженного отростка. Нуклеокапсид головки фага имеет кубический тип симметрии, а отросток — спиральный тип, т. е. бактериофаги имеют смешанный тип симметрии нук-леокапсида. • Большинство фагов содержат кольцевую двунитчатую ДНК, и лишь некоторые - РНК или однонитчатую ДНК. • По характеру взаимодействия фага с клеткой все бактериофаги делятся: • • на вирулентные (литические), вызывающие продуктивную инфекцию и лизис бактериальной клетки; • • умеренные, вызывающие латентную инфекцию и ассоциацию генома вируса с бактериальной ДНК. Умеренные фаги, в отличие от вирулентных, не вызывают гибели бактериальных клеток и при взаимодействии с ней переходят в неинфекционную форму фага, называемую профагом. • Явление носит название - лизогения.