В состав вирусов обязательно входит днк да или нет

Открытие вирусов

В 1892 году Д.И. Ивановский (см. Рис. 1), изучая мозаичную болезнь табака (см. Рис. 2), установил, что причиной заболевания является некое инфекционное начало, содержащееся в листьях больных растений, которое проходит через фильтр, задерживающий обыкновенные бактерии. Если профильтрованный сок внести в листья здоровых растений, то они также заболевают мозаичной болезнью.

Рис. 1. Д.И. Ивановский

Рис. 2. Мозаичная болезнь табака

В 1898 году независимо от Ивановского аналогичные результаты получил голландский микробиолог М. Бейеринк. Однако он предположил, что мозаичную болезнь табака вызывают не мельчайшие бактерии, а некое жидкое заразное начало, которое он назвал фильтрующим вирусом.

Размеры вирусов определяются нанометрами (20-200 нм), поэтому их изучение началось после открытия электронного микроскопа. В настоящее время описаны вирусы практически всех групп живых организмов.

Строение вирусов

Вирусы – неклеточные формы жизни. Они состоят (см. Рис. 3) из фрагмента генетического материала (РНК или ДНК), составляющего сердцевину вируса, и защитной оболочки, которая называется капсид. У некоторых вирусов (герпес, грипп) есть дополнительная липопротеидная оболочка – суперкапсид, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина.

Рис. 3. Строение вируса

Вирусы не способны к самостоятельной жизнедеятельности. Они могут проявлять свойства живого, только попав в клетку-хозяина. Они используют потенциал и энергию этой клетки для создания своих новых вирусных частиц, следовательно, вирусы являются внутриклеточными паразитами.

Размножение вирусов

Обычно вирус связывается с поверхностью клетки-хозяина и проникает внутрь. Каждый вирус ищет своего хозяина, то есть клетки строго определенного вида. Например, вирус – возбудитель гепатита (желтуха) проникает и размножается только в клетках печени, а вирус эпидемического паротита (свинка) – только в клетках околоушных слюнных желез человека.

Проникнув внутрь клетки-хозяина, вирусная ДНК или РНК начинает взаимодействовать с ее генетическим аппаратом таким образом, что клетка начинает синтезировать белки, свойственные вирусу (см. Рис. 4).

Рис. 4. Схема репродукции вируса

При заражении ретровирусом (например, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ)), у которого в качестве генетического материала используется молекула РНК, наблюдается другая картина. При попадании ретровируса в клетку-хозяина происходит обратная транскрипция. То есть на основе вирусной РНК синтезируется вирусная ДНК, которая встраивается в ДНК человека. Такой тип взаимодействия вируса с клеткой называется интегративным, а встроенная в состав хромосомы клетки ДНК вируса называется провирусом. Далее провирус реплицируется (удваивается) в составе хромосомы и переходит в геном дочерних клеток. Однако под влиянием некоторых физических и химических факторов провирус может выщепляться из хромосомы клетки и переходить к продуктивному типу взаимодействия, то есть синтезировать новые вирусные частицы.

При заражении ВИЧ человек чувствует себя здоровым, пока вирусный генетический материал встроен в хромосому человека. Однако при выщеплении этого вирусного генетического материала из клетки она начинает образовывать новые вирусные частицы, вследствие чего развивается смертельное заболевание – синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД).

Вирусы являются возбудителями большого количества заболеваний человека: корь, грипп, оспа, краснуха, энцефалит, свинка, гепатиты, СПИД. Известен также целый ряд заболеваний растений, вызываемых вирусами, например мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов или скручивание листьев картофеля. Всего описано около 500 видов вирусов, поражающих клетки позвоночных животных, и около 300 вирусов растений. Некоторые вирусы участвуют в злокачественном перерождении клеток и тем самым провоцируют онкологические заболевания.

ДНК- и РНК-содержащие вирусы

В зависимости от содержащегося генетического материала вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие.

Одноцепочные РНК-содержащие вирусы подразделяются на:

1. Плюс-нитевые (положительные). Плюс-нить РНК этих вирусов вы­полняет наследственную (геномную) функцию и функцию информационной РНК (иРНК).

2. Минус-нитевые (отрицательные). Минус-нить РНК этих вирусов выпол­няет только наследственную функцию.

К РНК-содержащим вирусам относятся более
вирусов, вызывающих респираторные заболевания, а также вирус гриппа, кори, краснухи, свинки, ВИЧ. Также существует специфическая группа вирусов – арбовирусы, которые переносятся членистоногими.

Двухцепочные ДНК-содержащие вирусы вызывают такие заболевания, как папиллома человека или герпес, гепатит В (гепатит А и гепатит С вызывается РНК-содержащими вирусами).

ДНК-содержащие вирусы поражают также растения. Они вызывают, например, золотую мозаику бобов или полосатость у кукурузы.

Вирус гепатита С

По своему строению вирус гепатита С – это РНК-содержащий вирус, имеющий сферическую форму, сложно устроенный (см. Рис. 5).

В качестве генетического материала такой вирус содержит линейную однонитчатую молекулу РНК.

Рис. 5. Гепатит С

Вопреки бытующим предрассудкам, подцепить вирус гепатита C невозможно через социальные контакты (поцелуи, объятия), через продукты или воду, через грудное молоко. Вы ничем не рискнете, если разделите с носителем вируса трапезу или напитки. Заразиться гепатитом C можно при контакте с кровью инфицированного человека либо половым путем.

В настоящее время для лечения гепатита С используют два препарата: Интерферон альфа и Рибавирин.

Бактериофаги

Рис. 6. Бактериофаг (Источник)

Особую группу вирусов составляют бактериофаги (или просто фаги), которые заражают бактериальные клетки (см. Рис. 6). Фаг укрепляется на поверхности бактерии при помощи специальных ножек и вводит в ее цитоплазму полый стержень, через который проталкивает внутрь клетки свою ДНК или РНК. Таким образом, генетический материал фага попадает внутрь бактериальной клетки, а капсид остается снаружи. В цитоплазме начинается репликация генетического материала фага, синтез его белков, построение капсида и сборка новых фагов. Уже через 10 мин после заражения в бактерии формируются новые фаги, а через полчаса бактериальная клетка разрушается, и из нее выходят около 200 заново сформированных вирусов – фагов, способных заражать другие бактериальные клетки (см. Рис. 7). Некоторые фаги используются человеком для борьбы с болезнетворными бактериями, вызывающими холеру, дизентерию, брюшной тиф.

Рис. 7. Схема размножения бактериофага (Источник)

Список литературы

1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
3. Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

(Хранение и передача генетической информации вирусами)

СОСТАВ, РАЗМЕРЫ И ФОРМА.

Если у всех организмов клеточного строения наследственное вещество — это двуцепочечные молекулы ДНК, то вирусы могут содержать не только ДНК, но и РНК, причем оба типа нуклеиновых кислот встречаются как в двуцепочечной, так и в одноцепочечной форме. Для каждого вируса характерна определенная форма нуклеиновой кислоты. Молекулы вирусных РНК и ДНК – неразветвленные (иногда кольцевые) полимеры, построенные из множества звеньев – нуклеотидов, в одной такой молекуле — от нескольких тысяч до нескольких сот тысяч нуклеотидов. Вирусные нуклеиновые кислоты представляют собой длинные нити, более гибкие в случае одноцепочечных молекул и более упругие в случае двуцепочечных.

Существует несколько основных вариантов "внешности" вирионов. Вирусы, построенные только из нуклеиновой кислоты и белка, могут походить на жесткую палочкообразную или гибкую нитевидную спираль, на шар, а также на структуру, имеющую как бы головку и хвостовой отросток. Липиды, если присутствуют, образуют внешнюю мембрану, в которую включаются и некоторые вирусные белки, и такая липопротеидная оболочка обволакивает белковую "сердцевину" с "запечатанной" в ней нуклеиновой кислотой.

Размеры вирусных частиц также существенно варьируют. Наиболее "худые" имеют диаметр около 10 нм, а их длина у самых протяженных достигает 2 мкм. Диаметр сферических вирионов колеблется от-20 до 300 нм. Самые крупные из известных вирусов — родственники вируса оспы, их вирионы могут иметь длину до 450 нм и 260 нм в ширину и толщину .

Крупнейший из когда–либо открытых вирусов был обнаружен в водонапорной башне в городе Брэдфорд в Англии. Он паразитирует в организмах амеб, но исследователи считают, что он способен также поражать людей. Размеры вируса – 400 нм, он крупнее, чем некоторые бактерии. Однако, некоторые ученые полагают, что исследователи видят не сам вирус, а какую – то бактерию, связанную с ним. Так или иначе, вирус представляет потенциальную опасность. Он уникален не только по размерам в физическом смысле, но и по своему геному, который содержит более 900 генов. Выяснилось, что у человека вырабатываются антитела на этот вирус, поэтому можно полагать, что он поражает и людей.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ.

Есть вирусы, размножающиеся в клетках животных, растениий,бактерий и грибов.

Особенности строения заражаемой клетки — один из факторов, от которых зависит форма вириона.

У некоторых вирусов "прописка" очень строгая. Например, вирус полиомиелита может жить и размножаться только в клетках (да и то не во всех) человека и приматов.

ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Как известно, синтез белков осуществляется в рибосомах, а последовательность аминокислот синтезируемых белков задается молекулами матричных РНК (мРНК). При описании разнообразия способов хранения и передачи генетической информации у вирусов удобно обозначать молекулы мРНК как (+) РНК.

Есть обширная группа вирусов, генетический материал которых представляет собой мРНК. Геном таких вирусов называют положительным. Сюда, например, относят вирусы полиомиелита и клещевого энцефалита, а у растений — табачная мозаика. Попав в клетку хозяина, вирусная РНК обеспечивает синтез собственных белков. После этого начинается его размножение. На заключительной стадии из накопившихся вирусных белков и РНК монтируются вирионы.

Геном другой группы вирусов представлен молекулами не мРНК, а их комплиментарной копией, то есть молекулами (-) РНК. Среди них есть вирусы гриппа, кори, бешенства, желтой карликовости картофеля. Инфекционный процесс не может начаться с синтеза белков, записанных в зеркальной форме, т.к. рибосомы не распознают (-) РНК. Но и репликация вирусной РНК кажется невозможной, поскольку в клетке нет собственных ферментов, способных осуществить этот процесс. Вирусы с негативным РНК-геномом решают эту проблему так: они вводят в заражаемую клетку свой геном не в "голом" виде, как поступают вирусы первой группы, а в виде более сложных структур, содержащих, в частности, ДНК-зависимую РНК-полимеразу. Этот вирусный фермент, синтезированный в предыдущем цикле размножения, упакован в вирионе в удобной для доставки в клетку форме. Инфекционный процесс начинается с того, что вирусный фермент копирует вирусный геном, образуя комплиментарные молекулы РНК, то есть (+) РНК. Эти молекулы уже "находят общий язык" с рибосомами. Образуются вирусные белки, в том числе и ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая, с одной стороны, обеспечивает размножение вирусного генома в данной клетке, а с другой — "консервируется впрок" во вновь образующихся вирионах.

Есть вирусы, которые близнецы форм с негативной РНК, в их геноме наряду с участками, соответствующими (-) РНК, есть последовательности позитивной полярности.

У третьей группы вирусов наследственная информация хранится в виде двуцепочечной (или ±) РНК. Вместе с вирусной РНК в клетку попадает и фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза, который обеспечивает синтез молекул (+) РНК. В свою очередь, (+) РНК выполняет две работы: обеспечивает производство вирусных белков в рибосомах и служит матрицей для синтеза новых цепочек вирусной РНК-полимеразы. Цепочки (+) и (-) РНК, объединяясь друг с другом, образуют двунитевой (±) РНК - геном, который упаковывается в белковую оболочку.

Четвертая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК. Хотя геном этих вирусов и можно условно изобразить как (±) ДНК, во многих случаях в каждой из двух цепочек ДНК имеются участки, соответствующие как позитивной, так и негативной полярности.

Следующая группа — вирусы с одноцепочечным ДНК-геномом, который может быть представлен молекулами как позитивной, так и негативной полярности. Попав в клетку, вирусный геном сначала превращается в двуцепочную форму, это превращение обеспечивает клеточная ДНК-зависимая ДНК-полимераза.

Шестая группа — ретровирусы, — включающая, в частности, такую "знаменитость", как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Геном этих форм - одноцепочечная (+) РНК, но инфекционный процесс развивается по совершенно иному сценарию. В вирусном геноме закодирован необычный фермент (ревертаза), который обладает свойствами как ДНК-зависимой, так и ДНК-независимой ДНК-полимеразы. Этот фермент попадает в заражаемую клетку вместе с вирусной РНК и обеспечивает синтез ее ДНК-копии сначала в одноцепочечной форме [(-) ДНК], а затем и в двуцепочечной [(±) ДНК]. Далее события развиваются по обычному расписанию: синтез вирусных (+) РНК, синтез вирусных белков, формирование вирионов, выход из клетки.

Седьмая группа — ретроидные вирусы, из которых наиболее известен вирус гепатита В. В состав этих вирусов входит двуцепочечная ДНК, но реплицируется она иначе, чем у вирусов четвертой группы. Там вирусную ДНК копирует ДНК-зависимая ДНК-полимераза. Здесь же сначала с вирусной ДНК считывается (+) РНК, которая затем служит матрицей для синтеза двух компонентов вириона: белков и ДНК. Синтез ДНК осуществляет вирусный фермент с активностью ревертазы по схеме, которая реализуется у ретровирусов.

ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С КЛЕТКОЙ.

В другом случае в зараженной клетке постоянно производятся новые и новые поколения вирионов, но клетка при этом не погибает.

РАСШИФРОВАН ГЕНОМ ВИРУСА АТИПИЧНОЙ ПНЕВМОНИИ.

Ученые из США и Канады заявили о полной расшифровке генома вируса, который вызывает заболевание атипичной пневмонией. Ожидается, что в результате этого открытия станет возможным проведение более точных тестов, по которым среди многих подозрений на болезнь можно будет с достоверностью выявить действительные случаи заражения. "Наличие подобной информации чрезвычайно важно для проведения более быстрых анализов и, конечно, должно помочь нам в разработке антител и вакцины", - сообщила Джули Гербердинг, директор федерального Центра по контролю и предотвращению заболеваний в американском штате Атланта.
В этом центре уже были проведены два теста на антитела к вирусу атипичной пневмонии, но они оказались недостаточно точными для повсеместного использования. "Открытие полной последовательности должно привести к более точным генетическим анализам", - отмечает Гербердинг.

Таким образом можно отметить, что и внутреннее содержание и форма, и поведение вирусов очень разнообразны и индивидуальны.

Вирусы с негативной РНК устроены намного сложнее т.к. вирион содержит не только РНК, но и ферменты, которые способны ее реплицировать. Введение в клетку не только собственной РНК, но и РНК – полимеразы обеспечивает наработку множества молекул (+) РНК (в том числе и мРНК), которые могут конкурировать с клеточным мРНК не только умением, но и числом.

Вирусы, как и бактерии, можно обнаружить в каждой точке нашей планеты. Они встречаются в горячих источниках, на дне океанов и даже в арктических льдах. Химический состав вирусов долгое время удивлял ученых, так как он существенно отличается от состава всех ранее известных организмов: только вирусы способны хранить генетическую информацию на матрице РНК, транскрибировать ДНК на матрице РНК, встраивать свой геном в ДНК живой клетки под действием ферментов интеграз. В этой статье мы подробно разберем структуру, геном и химический состав вирусов.

Общие сведения о вирусах

Находясь вне живой клетки, вирусы не проявляют никаких признаков, характерных для живых организмов. Находящиеся в таком состоянии неактивные вирусы называют вирионами. В вирионе нет клеточных органелл, характерных для клеток других живых организмов, - плазматической мембраны, митохондрий, рибосом, ядрышка, ядра и других. Вирион включает оболочку из белковых субъединиц - капсид, дополнительную оболочку, которая есть не у всех вирусов, - суперкапсид и геном.

Генетический материал вируса реализуется только при попадании в живую клетку. В зависимости от типа вирусного генома, нуклеиновые кислоты реплицируются либо в ДНК клетки хозяина, либо на митохондриях в цитоплазме.

Структура простого вириона

Простой вирион состоит из генетического материала и внешней оболочки - капсида. Капсид состоит из белковых субъединиц, называемых капсомерами. Способ организации каспомеров определяет пространственную структуру вируса. Химический состав капсида представлен одним или несколькими видами белков. Форма капсида может быть икосаедрической (характерна для аденовирусов), спиральной (вирус табачной мозайки) или комплексной (встречается у проксивирусов и рабдовирусов). Капсид может состоять как из одного, так и из нескольких видов белков. Субъединицы капсида во многом определяют морфологию и химический состав вирусов.

Капсид защищает генетический материал вируса от механических повреждений, влияния перепадов температуры, рН, воздействия радиации и химических веществ. Капсид вместе с геномом вирусом называют нуклеокапсидом.

Структура сложного вириона

Сложно организованный вирион имеет в составе дополнительную структуру - суперкапсидную оболочку, которая находится над капсидом.

Строение и химический состав вирусов, содержащих суперкапсидную оболочку, существенно отличается от состава простых вирусов. Суперкапсидная оболочка формируется из клеточной мембраны клетки хозяина и состоит на 95 % из липидов и белков. В составе суперкапсида присутствует небольшое количество гликопротеинов - сложных белков, в которых белковая часть связана с углеводом ковалентными связями.

Суперкапсид, как и капсид, выполняет защитную функцию. Гликопротеины в составе суперкапсида служат для идентификации и связывания со специфическими рецепторами на поверхности клетки хозяина.

Вирусные белки

Бактериальные белки могут быть капсидными, суперкапсидными или геномными. Капсидные и суперкапсидные белки выполняют защитные функции. Геномные белки ковалентно связаны с геномом и образуют с молекулами вирусной РНК или ДНК рибо- или дезоксирибонуклеопротеины. Эти белки принимают участие в компактизации нуклеиновой кислоты, а также в репарации, транскрипции и трансляции.

Химический состав вирусов сложен. Особенно разнообразны по своей структуре и составу вирусные ферменты. В зависимости от выполняемой функции, их делят на два больших класса:

• ферменты, необходимые для репликации вирусного генома;
• ферменты, облегчающие проникновение вирусной нуклеиновой кислоты в клетку и обеспечивающие последующий выход вирионов из клетки.

К первому классу ферментов относится РНК- и ДНК-зависимая РНК-полимераза, ДНК-полимераза, обратная транскриптаза, интеграза, ДНК-бета-гликозилтрансфераза и многие другие.

Ко второму классу относится нейраминидаза, входящая в состав гликопротеинов, гемагглютинин-эстераза, эндолизин и некоторые другие.

Вирусные липиды

Липиды являются одним из основных компонентов химического состава вирусов и в большом количестве содержатся в суперкапсидной оболочке. Суперкапсид формируется из плазматической мембраны клетки хозяина, поэтому состав липидной композиции определяет химический состав этой мембраны. Вирусные липиды представлены в основном фосфолипидами (50-60 %) и холестерином (20-30 %), так как именно эти липиды в наибольших количествах представлены в плазмалемме. В следовых количествах может присутствовать фосфоинозитол.

Липиды являются обязательным компонентом состава суперкапсидной оболочки. Они вносят вклад в формирование поверхностного заряда клетки за счет заряженных групп в составе фосфолипидов, а также придают суперкапсиду гибкость, необходимую для противостояния внешним механическим повреждениям. Липиды также служат хорошим дополнительным изолятором для генетического материала вирусов в случае резких изменения температуры или кислотности среды, обеспечивают поддержание постоянного химического состава клетки. Вирусы с суперкапсидной оболочкой благодаря толстому слою липидов и белков более устойчивы к действию детергентов, чем простые вирионы.

Углеводы в составе вируса

Углеводы в составе вируса, как правило, связаны с липидами или белками капсида (при этом они называются гликолипидами или гликопротеинами соответственно). Гликопротеины образуют шиповатые выросты на поверхности клетки, которые обладают свойствами гемагглютининов (вызывают агглютинацию эритроцитов) или разрушают нейраминовую кислоту, входящую в состав клеточных стенок, с помощью нейраминидазы.

Генетический материал

Генетический материал вирусов может быть представлен как одно- или двуцепочечной ДНК, так и одно- или двуцепочечной РНК. Больше ни у каких живых организмов РНК не является основным носителем генетической информации. ДНК-вирусы реплицируются в ядре клетки, так как для этого процесса необходима клеточная ДНК-полимераза. РНК-вирусы реплицируются в цитоплазме, на рибосомах клетки хозяина.

Существуют вирусы, способные превращать молекулу РНК в молекулу ДНК с помощью обратной транскриптазы. Самым известным представителем этого класса вирусов является вирус иммунодефицита человека. Синтезированная на матрице РНК молекула вирусной ДНК под действием фермента интегразы страивается в хромосому клетки хозяина и транскрибируется вместе с нормальными участками ДНК.

Бактериальные вирусы: бактериофаги

Бактериофаги - особые вирусы, так как они поражают исключительно бактериальные клетки. Структура и химический состав вирусов и бактериофагов очень похожи. Однако у вторых есть дополнительный отросток из фибриллярных белков. Генетический материал бактериофагов может быть представлен как ДНК, так и РНК.

Проникновение бактериофага внутрь бактериальной клетки приводит к ее лизису. Таким образом бактериофаги регулируют численность бактериальной популяции. Кроме того, эти вирусы обеспечивают генетическое разнообразие бактерий. Благодаря бактериофагам осуществляется процесс трансдукции: фрагменты бактериальной хромосомы или плазмиды упаковываются в головку бактериофага, выходят в ее составе из исходной бактериальной клетки и подают в другую бактериальную клетку, где и реплицируются. Так в бактериальную клетку попадает новый для нее генетический материал.

В основу современной классификации положены следующие основные критерии:

1) тип нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), ее структура (количество нитей);

2) наличие липопротеидной оболочки;

3) стратегия вирусного генома;

4) размер и морфология вириона, тип симметрии, число капсомеров;

5) феномены генетических взаимодействий;

6) круг восприимчивых хозяев;

7) патогенность, в том числе патологические изменения в клетках и образование внутриклеточных включений;

8) географическое распространение;

9) способ передачи;

10) антигенные свойства.

На основании перечисленных признаков вирусы делятся на семейства, подсемейства, роды и типы. Деление на семейства произведено по критериям, изложенным в пунктах 1 и 2, деление на роды и типы – на основании нижеперечисленных признаков. Схематически строение семейств вирионов, поражающих позвоночных, приведено на рисунке 5 Дополнительно выделены еще 2 семейства: Gepadnaviridae и Flaviviridae (выделенные из семейства Togaviridae).

Современная классификация вирусов человека и животных охватывает более 4/5 всех известных вирусов, которые распределены в 19 семейств, из них 7 – ДНК-содержащих и 12 – РНК-содержащих вирусов. Некоторые допускаются привычные латинизированные обозначения, цифры при обозначении типов, сокращения, буквы и их сочетания.

В начале 1940-х годов стало более или менее ясно, что вирусы, как и другие живые организмы, содержат нуклеиновые кислоты. Однако, особенность строения вирусного генома заключается в том, что наследственная информация может быть записана как на ДНК, так и РНК в зависимости от типа вируса. Уникальное свойство вирусной РНК хранить наследственную информацию впервые было продемонстрировано Гирером, Шраммом и Френкель-Конратом при изучении инфекционности РНК вируса табачной мозаики (ВТМ). Было показано, что очищенные препараты РНК ВТМ сохраняют инфекционность при полном отсутствии белка. Это открытие противоречило всеобщему убеждению, что единственная роль РНК заключается в передаче информации от ДНК к белку. В настоящее время способность РНК служить хранилищем генетической информации уже ни у кого не вызывает сомнений.

Следует учитывать, что наличие одного вида нуклеиновой кислоты является характеристикой вириона, но не вируса. В жизненном цикле ДНК-содержащих вирусов геномная нуклеиновая кислота транскрибируется, образуя РНК. Присутствие у ДНК-содержащих вирусов (вирус осповакцины) ДНК-зависимой РНК-полимеразы было показано в 1967 г. Катес и МакАусланом. РНК-содержащие вирусы транскрибируют свой геном с использованием РНК-зависимой РНК-полимеразы, впервые обнаруженной у реовирусов в 1968 г. Целый ряд РНК-содержащих вирусов имеют в жизненном цикле стадию обратной транскрипции и синтезируют ДНК на матрице РНК с помощью фермента обратной транскриптазы (РНК-зависимая ДНКполимераза или ревертаза). Открытие этого фермента в составе онкогенных РНК-содержащих вирусов сделано Балтимором в 1970 г.

Примерно 20 % вирусов имеют ДНК-геном, 80 % – РНК-геном.

По своей химической природе нуклеиновые кислоты вирусов не отличаются от нуклеиновых кислот клеток (организмов) и представляют собой полинуклеотидные цепи, образованные чередованием четырех дезоксирибонуклеотидов в случае ДНК или рибонуклеотидов в случае РНК, соединенных фосфодиэфирными связями. Нуклеотид представляет собой азотистое основание (аденозин (А), гуанозин (G), цитидин (C), тимидин (T) или уридин (U) в случае РНК), связанное с дезоксирибозой (в ДНК), или рибозой (в РНК) гликозидной связью. Фосфорная кислота в нуклеиновых кислотах присоединяется сложноэфирной связью к 3’– и 5’-ОН группам сахаров смежных нуклеотидов. Отличительной особенностью ДНК целого ряда вирусов бактерий является наличие метилированных оснований (5’-метилцитозина, 6’метиламинопурина), которые могут входить в состав ДНК в качестве минорных или мажорных оснований. Так, ДНК фагов fd и ?Х174 (колифаги) содержит 1-2 метилированных основания, а в ДНК фага Х12, лизирующего морскую бактерию Xantomonas oryza, вообще нет обычного цитозина, который полностью замещен 5метилцитозином. Источником происхождения таких оснований является энзиматическое метилирование уже синтезированной цепи ДНК. Данный процесс осуществляют вирусспецифические метилазы, которые используют в качестве донора метильных групп S-аденозилметионин клетки хозяина.

Вирусные нуклеиновые кислоты характеризуются поразительным разнообразием форм. Вирусный геном может быть представлен как однонитчатыми, так и двунитчатыми молекулами РНК и ДНК. ДНК может быть как линейной, так и кольцевой молекулой (таблица 1), РНК – как непрерывной, так и фрагментированной и кольцевой молекулой (таблица 2, рисунок 4).

Таблиц 1 – Виды ДНК-геномов вирусов

Таблица 2 – Виды РНК-геномов вирусов

При обсуждении вопроса организации генома вирусов необходимо выделить ряд его характерных отличий от геномов организмов.

Размеры . Если ориентировочно учесть, что геном эукариот имеет размер 4?10 9 п.н. и длину, достигающую 1,5-2 метра, а геном прокариот – 6?10 6 п.н., то размеры геномов вирусов значительно меньше. Так, размер генома крупных ДНК-содержащих вирусов составляет только 2-4?10 5 п. н. (200-450 т.п.н. у поксвирусов и вирусов герпеса), минимальные вирусы имеют геном длиной 1 мкм и состоящий из 1,2 т.п.н. Самый маленький геном среди вирусов, поражающих человека, имеет вирус гепатита В (3,2 т.п.н.).

Экономичность . Размеры геномов вирусов определяются емкостью капсида вириона. В связи с этим, вирусы очень экономно хранят генетическую информацию, что проявляется отсутствием многократно повторяющихся генов и, часто, наличием перекрывающихся открытых рамок считывания.

Наличие двух типов геномов . Носителем генетической информации у вирусов может быть как ДНК, так и РНК.

Многообразие структурных форм ДНК и РНК . Природа как бы испробовала на вирусах все возможные варианты структурной организации нуклеиновых кислот, которые представлены на рисунок 4.

Рисунок 4 – Схема, иллюстрирующая виды нуклеиновых кислот вирусов

Разнообразие стратегий репликации, основанных на ДНК-зависимом синтезе ДНК, РНК-зависимом синтезе РНК и РНК-зависимом синтезе ДНК.

Изменчивость РНК. Полимеразы, катализирующие репликацию РНК, и обратная транскриптаза имеют минимальные возможности для исправления ошибок синтеза. В результате, частота возникновения ошибок при синтезе РНК приблизительно в 10 тысяч раз выше, чем при репликации ДНК, и она зависит от числа нуклеотидов, составляющих вирусный геном. Это означает, что геном любой индивидуальной частицы РНК– содержащего вируса будет содержать одну или несколько мутаций, отличающих его от последовательности дикого типа данной вирусной разновидности. Этот простой факт имеет далеко идущие последствия для биологии и эволюции РНК-содержащих вирусов, потому что потомство РНК-вируса (природное или лабораторное) представляет собой не совокупность однородных двойников, а скорее молекулярный рой родственных нуклеотидных последовательностей, сгруппированных в месте синтеза последовательностей. Этот молекулярный рой или “квази-разновидность” обеспечивает источник фенотипических вариантов, которые могут быстро ответить на изменяющееся давление естественного отбора. Как следствие, РНК-содержащие вирусы могут эволюционировать в миллион раз быстрее чем, ДНК-организмы. В тоже время высокая изменчивость РНК не обеспечивает быструю эволюцию РНК-содержащих вирусов, так, как размеры генома вирусов налагают верхние пределы на высокую норму ошибок полимеразы. Комбинация уровня репликационных ошибок и размера генома определяют “порог ошибки”, выше которого вирус не может поддерживать целостность последовательности квазиразновидностей. В результате, немногие РНК вирусы имеют размер генома более 30 килобаз (kb), чаще всего он колеблется в пределах 5-15 kb.

Принимая во внимание, что генетически разнообразное потомство может нести летальные мутации, что снижает потенциал для быстрого эволюционного ответа, РНК-геномы этого размера сбалансированы ниже их порогов ошибки.

Детально рассмотрим особенности организации вирусных ДНК и РНК.

Молекулярная масса вирусных ДНК варьирует в широких пределах от 1?10 6 до 250?10 6 . Самые большие вирусные геномы содержат несколько сотен генов, а самые маленькие содержат информацию, достаточную для синтеза лишь нескольких белков.

В геномах, представленных двунитчатыми ДНК, информация обычно закодирована на обеих нитях ДНК. Это свидетельствует о максимальной экономии генетического материала у вирусов, что является неотъемлемым свойством их как генетических паразитов. В связи с этим оценка генетической информации не может быть проведена по молекулярной массе молекул.

Хотя в основном структура ДНК уникальна, т. е. большинство нуклеотидных последовательностей встречаются лишь по одному разу, однако на концах молекул имеются повторы, когда в концевом фрагменте линейной ДНК повторяется ее начальный участок. Повторы могут быть прямыми и инвертированными.

Способность к приобретению кольцевой формы, которая потенциальнозаложена в концевых прямых и, инвертированных повторах, имеет большое значение для вирусов. Кольцевая форма обеспечивает устойчивость ДНК к экзонуклеазам. Стадия образования кольцевой формы обязательна для процесса интеграции ДНК с клеточным геномом. Наконец, кольцевые формы представляют собой удобный и эффективный способ регуляции транскрипции и репликации ДНК.

Инфекционный процесс при заражении этими вирусами возникает лишь при проникновении в клетку частиц обоих типов.

Из нескольких сотен известных в настоящее время вирусов человека и животных РНК-геном содержит около 80 % вирусов. Способность РНК хранить наследственную информацию является уникальной особенностью вируса.

У просто организованных и некоторых сложно организованных вирусов вирусная РНК в отсутствие белка может вызвать, инфекционный процесс. Впервые инфекционная активность РНК вируса табачной мозаики была продемонстрирована X. Френкель-Конратом и соавт. в 1957 г. и А. Гирером и Г. Шраммом в 1958 г. Впоследствии положение об инфекционной активности РНК было перенесено на все РНК-содержащие вирусы, однако долголетние усилия доказать это для таких вирусов, как вирусы гриппа, парамиксовирусы, рабдовирусы (так называемые минуснитевые вирусы), оказались бесплодными: у этих вирусов инфекционной структурой являются не РНК, а комплекс РНК с внутренними белками. Таким образом, геномная РНК может обладать инфекционной активностью в зависимости от своей структуры.

Структура вирусных РНК чрезвычайно разнообразна. У вирусов обнаружены однонитчатые и двунитчатые, линейные, фрагментированные и кольцевые РНК. РНК-геном в основном является гаплоидным, до геном ретровирусов – диплоидный, т.е. состоит из двух идентичных молекул РНК (таблица 2).

Многообразие видов РНК-геномов расширяется за счет существования последовательностей, отличающихся направлением связей сахаро-фосфатного остова. Однонитевые РНК могут иметь позитивную полярность – (+)РНК, негативную полярность – (-)РНК или могут быть представлены обоюдозначащей цепью – (+/-)РНК (амбисенс стратегия кодирования). В свою очередь, РНК позитивной полярности могут иметь разную структурную организацию. Являясь матричной РНК, могут иметь на 5’– конце кэп (7-метилгуанозин), а на 3’-конце – поли-А последовательность; могут не иметь кэпа или поли-А; могут иметь на 5’-конце геномный белок; могут иметь на 3’-конце тРНК-подобную или шпильковую структуру.

Рисунок 5 – Вторичная структура вирусных РНК

В основном однонитчатые РНК являются линейными молекулами, однако РНК-фрагменты буньявирусов обнаружены в виде кольцевой формы. Кольцевая форма возникает за счет образования водородных связей между концами молекул.

Двунитчатые РНК. Этот необычный для клетки тип нуклеиновой кислоты, впервые обнаруженный у реовирусов, широко распространен среди вирусов животных, растений и бактерий. Вирусы, содержащие подобный геном, называют диплорнавирусы.

Общей особенностью диплорнавирусов является фрагментированное состояние генома. Так, геном реовирусов состоит из 10 фрагментов, ротавирусов – из 11 фрагментов.

Как и в других живых системах, у вирусов соответствие между аминокислотной последовательностью белка и нуклеотидной последовательностью геномной нуклеиновой кислоты устанавливается с помощью универсального вырожденного генетического кода, где кодирующей единицей является триплет нуклеотидов (кодон). В вирусных системах используются те же наборы кодоновых значений, что и в бактериальных, архейных и эукариотических системах. Однако у вирусов генетическая информация может храниться, как в смысловой полинуклеотидной цепи, так и в последовательности матричной цепи.

Для сохранения генетической информации в окружающей среде и передачи ее новому поколению вирусы упаковывают геномные нуклеиновые кислоты в белковый капсид и часто в суперкапсид (липидсодержащая оболочка), формируя внеклеточную форму вируса – вирион. Как правило, вирионы, попадая в клетку, обеспечивают продуктивный инфекционный цикл, давая вирусное потомство. Однако целый ряд так называемых интегративных вирусов встраивают свой геном в хромосомы хозяина, в том числе клеток зародышевой линии, обеспечивая длительное сохранение генетической информации вируса в ряду поколений хозяина.

Несмотря на микроскопические размеры, нуклеиновые кислоты вирусов несут информацию не только о капсидных белках, но и о ферментах, необходимых для синтеза ДНК, РНК и их модификации, для синтеза РНК транскриптов и их процессинга, для обеспечения синтеза белков и их посттрансляционной модификации и воздействия на биосинтетические процессы клетки-хозяина. Данный факт объясняется наличием разнообразнейших механизмов увеличения генетической информации. Так, к способам увеличения информационной емкости вирусного генома являются: 1) двукратное считывание одной и той же иРНК, но с другого инициирующего кодона; 2) сдвиг рамки трансляции; 3) сплайсинг; 4) транскрипция с перекрывающихся областей ДНК и др.

Так, генетический материал мелкого бактериофага ?Х174 представлен одноцепочечной ДНК и состоит всего из 9 генов, продукты которых хорошо изучены. ДНК, необходимая для кодирования этих продуктов, должна состоять минимум из 6078 нуклеотидов. На самом же деле хромосома фага состоит из 5374 нуклеотидов. Этот парадокс был разрешен после проведения в 1978 г. группой Ф.Сенгера полного секвенирования ДНК этого фага. Оказалось, что кодирующие последовательности двух генов (В и Е) локализованы внутри кодирующих последовательностей двух других генов (А и D). При этом рамка считывания в каждом случае оказывалась сдвинутой на одну пару нуклеотидов. Например, в определенном участке внутри гена D находится последовательность, которая в полипептиде D кодирует последовательность Валин-тирозин-глицин-треонин. Рамка считывания гена Е смещена вправо на один нуклеотид от рамки считывания гена D. Поэтому триплет ATG распознается РНК-полимеразой как стартовый и в полипептиде Е появляется формилметионин, за которым последует Валин, кодируемый триплетом GTA, и т.д.

Сходным образом кодирующая последовательность гена В оказывается внутри кодирующей последовательности гена А. В результате сдвига рамки считывания кодируемые перекрывающимися генами полипептиды полностью отличаются друг от друга по последовательностям аминокислот. Вместе с тем в случае замены или делеции одного нуклеотида инактивируются сразу два гена.