Вируси - геном, репродукция, класификация

Печат
Посещения: 9655

Геном

Подобно на всички останали живи организми вирусите притежават две основни свойства - наследственост и изменчивост. Те са генетично детерминирани. Материален носител на наследствената информация на вирусите е нуклеиновата киселина - ДНК или РНК.

Вирусните гени притежават биологична активност и кодират образуването на структурните белтъци и ензими, включени в състава на вириона. При вирусите представата за това, че всеки ген е отговорен за синтезата на един белтък се разширява. При някои фаги и вируси един ген може да кодира едновремено синтезата на два белтъка. Геномът на всички РНК вируси и малките ДНК вируси изцяло се състои от структурни гени. Въпреки това обаче, структурните белтъци при тях поемат и регулаторната функция.

Повечето вируси са РНК вируси; растителните вируси обикновено имат едноверижни РНК геноми, а фагите – двойно верижни ДНК геноми. Геномният размер варира в голяма степен. Най-малките геноми кодират само 4 белтъка и имат маса около 106 Da. Най-големите геноми са с маса около 108 Da и кодират над 100 белтъка. Количеството на гените при РНК вирусите варира от 3 до 15, а при ДНК от 30 до 160 гена, т.е. РНК вирусите като цяло имат по-малки геноми; причината е, че грешките при репликация са повече – имат определена граница на размера, над която грешките стават твърде много; за да избегнат това, РНК вирусите понякога имат сегментиран геном (намалява се шансът за грешка). ДНК-овите вируси имат по-големи геноми, поради по-голямата прецизност на репликационните ензими.

Вирусните геноми могат да са кръгови (например полиомавируси) или линейни (например аденовируси). При РНК вирусите геномът често е разделен на отделни части във вириона (сегментиран геном); обикновено всеки сегмент кодира един белтък и обикновено сегментите се откриват заедно в рамките на един капсид; не е необходимо всеки сегмент да е в една вирусна частица, за да бъде вирусът като цяло инфекциозен (например brome mosaic virus). Сегментираните геноми дават еволюционни предимства; различни щамове от вирус със сегментиран геном могат да се смесят и да комбинират гените си, при което се получава потомство с уникални характеристики (reassortment).

Вирусният геном може да бъде едноверижен или двойноверижен (от две комплементарно сдвоени вериги), а съществуват и вируси (Hepadnaviridae), чиито геном е частично двойноверижен и частично едноверижен.

При РНК-овите вируси и вирусите с едноверижен ДНК геном веригите са или с положителна полярност ((+) верига) или с отрицателна полярност ((-)верига), в зависимост от това дали са комплементарни на вирусната иРНК. (+) РНК е идентична с иРНК и по тази причина може да се транслира непосредствено. (-) РНК е комплементарна на иРНК и затова трябва да се презапише в (+) верга от РНК полимераза преди транслация. При ДНК вирусите кодиращата верига за вирусната иРНК е комплементарна на нея (-), а некодиращата е нейно копие (+).

Генетичната изменчивост на вирусите се дължи на няколко механизма. Те включват генетичен дрейф, при който отделни бази мутират до други бази. Повечето от тези точкови мутации са тихи (не се променя кодираният белтък), но други могат да доведат до резистентност към определени лекарства. Друг процес е Antigenic shift (при него поне 2 различни щама от даден вирус (или различни вируси), особено грипни, се комбинират и формират нов субтип, чиито повърхностни антигени са смес от антигените на двата оригинални щама), при него се наблюдава значителна промяна в генома и при грипните вируси може да доведе до пандемия. РНК вирусите обикновено съществуват като квазивидове – много вируси от един вид, но с малки разлики в нуклеоридната последователност. Друг процес е reassortment. Генетичната рекомбинация също е честа и при ДНК, и при РНК вирусите.

Репродукция на вирусите

Вирусната обвивка съдържа няколко копия от белтък, който се свързва — абсорбира специфично от отделни клетъчни рецептори на клетката гостоприемник. Дадена клетка може да бъде инфектирана от определен вирус само ако има рецептори за него. След прикрепването на вируса към клетката при някои вируси в цитоплазмата навлиза само вирусната НК (както е при фагите), в други случаи навлизат и белтъци от вътрешната обвивка на вируса. От цитоплазмата вирусната НК може да се пренася в ядрото, където с помощта на клетъчни ензими се транскрибира.

Новосинтезираната вирусна иРНК отива в цитозола и се транслира от рибозомите на клетката. Вирусните белтъци, които се синтезират от клетката гостоприемник, се делят на три категории: инхибиторни белтъци, които спират синтезата на клетъчната ДНК, РНК и белтъци специфични вирусни ензими, които осигуряват вирусната репликация, и структурни вирусни белтъци, които изграждат нови вирусни частици. Последователните етапи на адсорбация , проникване, репликация на вирусната нуклеинова киселина, синтез и сглобяване на вирусните частици и напускане на клетката се означават като вирусен литичен цикъл или за краткост "репликация" на вируса.

Вирусната репродукция се обуславя от няколко биологични и генетични особености на генома:

  • Изграден е от ДНК или РНК, която може да бъде едно или двуверижна с положителна или отрицателна полярност, сегментирана или не.
  • Вирусът не съдържа собствени синтезиращи системи и използва рибозомите на клетката.
  • Структурните елементи на новия вирус се синтезират вътре в цитоплазмата или ядрото на клетката след което се сглобяват.

Репродукцията условно преминава през три периода като всеки от тях има отделни фази преминаващи последователно една в друга.

Начален период

Адсорбция

Представлява взаимодействие между капсидни белтъци на вириона и рецепторите на клетката. Представлява двуфазов физико-химичен процес включваш неспецифична (обратима) и специфична (необратима) адсорбция. Неспецифичната адсорбция се дължи на електростатичното взаимодействие между положително заредените аминни групи на вирусния белтък и отрицателно заредените киселофосфатни групи на клетката. Специфичната адсорбция е по-дълготрайно взаимодействие и зависи от комплементарността между вирусните и клетъчните рецептори. Скоростта на вирусната адсорбция варира в рамките на 5 до 90 минути. Специфичността определя диапазона на клетките гостоприемници за даден вирус. Например ХИВ инфектира само Т клетки, т.к. белтъкът gp120 от вирусната повърхност взаимодействие с CD4 и хемокиновите рецептори на Т клетъчната повърхност. Благодарение на този механизъм вирусите инфектират само клетки, в които могат да се реплицират.

Проникване (пенетрация)

Този процес се осъществява по няколко начина в зависимост от вида на вирусите:

Виропексис (чрез вакуола, рецепторна ендоцитоза) - клетъчната мембрана се вгъва и обхваща вируса. Вакуолата и вирусната обвивка се разрушават с помощта на ензими и освобождават вирусния геном.

Фузия — сливане на вирусната с клетъчната обвивка. Характерен за едрите вируси. В клетката прониква само нуклеокапсидът на вириона.

Фагов механизъм — вирусния геном се инжектира в клетката.

Растенията имат ригидна клетъчна стена от целулоза и вирусите могат да проникнат в клетката след нарушаване на целостта на клетъчната стена, от друга страна вируси като вируса на тютюневата мозайка, могат да преминават от клетка в клетка през плазмодезмите.

Разсъбличане (депротеинизация – капсидът се разгражда от вирусни ензими или ензими на клетката гостоприемник) и освобождаване на нуклеиновата киселина

Процесът се извършва в мястото на репликация на вируса. Нуклеиновата киселина се освобождава в цитоплазмата с помощта на клетъчните лизозоми. Вирусите, които се размножават в ядрото запазват капсидната си структура в цитоплазмата и се разсъбличат в ядрото.

Среден (еклипс) период

Процесът е температурно и енергийно зависим. Нарича се еклипс (затъмнение) период поради това, че вирусът не може да се установи в клетката. Протича в рамките на десетина минути при вируса на грипа и до няколко часа при реовирусите. Изисква температура от 37 до 39°C и енергия около 70,0 cal/mol.

Реорганизация на клетката

Образува се своеобразен хибридом (вирус-клетка), при който вирусът информира клетката и определя новата генетична структура. Клетката със своите органели го произвежда. В повечето случаи се потиска клетъчния синтез.

Процесът протича последователно и преминава през три периода.

Транскрипция — презаписване на информацията от нуклеиновата киселина върху информационна РНК (с изклчение на РКН вирусите с (+) верига); синтез на в белтъци (транслация); репликация на вирусния геном.

 

Заключителен период

Формиране на вирионите

Сглобяването е съзряването на вирусите се извършва в мястото на репликацията — в цитоплазмата или ядрото. Наблюдава се етапно присъединяване на белтъците към нуклеиновата киселина. Понякога след сглобяването се наблюдават посттранслационни модификации на вирусните белтъци. При ХИВ модификациите (понякога нарича зреене) се осъществяват след освобождаване на вируса от клетката.

Излизане на зрелите вириони

Едни вируси напускат клетката чрез лизис – мембраната на клетката се разрушава и клетката се унищожава. Някои вируси търпят лизогенен цикъл – вирусният геном се инкорпорира (рекомбинация) на специфично място в хромозомата на гостоприемника; тогава вирусният геном се нарича провирус (или профаг). Когато клетката гостоприемник се дели, геномът се реплицира. В определен момент провирусът може да се активира – получават се вируси, които лизират клетките. Вирусите със суперкапсид обикновено се освобождават от клетката чрез пъпкуване, като по време на този процес вирусът получава липидната си обвивка, която всъщност е модифицирана част от плазмената мембрана на гостоприемника.

Методът на реликация зависи от типа вирус:

  1. ДНК вируси – репликацията на генома при повечето от тях става в ядрото. Ако клетката има подходящ рецептор на повърхността, вирусът влиза чрез фузия с клетъчната мембрана или чрез ендоцитоза. Повечето ДНК вируси са изцяло зависими от репликациония и транскрипционния апарат на клетката гостоприемник.
  2. РНК вируси – реплик обикновено е в цитоплазмата. Има 4 групи РНК вируси в зависимост от типа репликация. Полярността на РНК, както и това дали е едно- или двойноверижна определя механизма. РНК вирусите използват свои РНК репликазни ензими, които синтезират копия на генома им.
  3. Ретровируси – използват обратна транскриптаза (ОТ), която синтезира ДНК при матрица РНК. РНК-ови вируси с ОТ използват междинен продукт ДНК, докато ДНК-овите използват РНК междинен продукт. Ретровирусите често интегрират ДНК, получена от действието на ОТ в генома на гостоприемника. Те са податливи на антивирусни лекарства, които инхибират ОТ (например зидовудин и лами вудин). Такива вируси са ХИВ и хепатитните.

Класификация

В Таксономията на видовете вирусите са отделени в таксон Vira. Включва огромен брой неклетъчни представители, паразитиращи по гръбначни и безгръбначни животни, растения, бактерии и нисши организми. Предложени са редица класификации F.Holnes (1948), ВVМVЖданов (1950), A.Lwoff et all. (1962). Всички те се базират на клетъчния тропизъм на вируса, клиничната изява на заболяването, начин на разпространение, морфология и други свойства.

Систематиката и таксономията на вирусите се кодифицира и поддържа от Международния кометет по таксономия на вирусите (МКТВ, International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV). Този комитет ръководи кодирането вна вирусите и разработването на единни карти за всички вирусни изолати. Записите от тях (The Universal Virus Database ICTVdB) се съхраняват в Куинсландския университет в Австралия.

Класификацията на вирусите предложена от МКТВ е единна, универсална система, включваща в едно семейство вируси по различни видове организми с общ еволюционен произход и близки характеристики. По-нисшите елементи като подвид, щам и вариант се използват при кодиране на вирусите и работа с тях в лабораториите. При класификацията на МКТВ са взети под внимание три основни групи белези — морфология и свойства на вириона, размножаване на вируса в клетката и биологични особености.

ICTV класификация

През 1966 г. Международният комитет па таксономия на вирусите приема единна класификация на вирусите базираща се на типа нуклеинова киселина (РНК и ДНК), количество на нуклеиновата киселина (едно- или двуверижна). Класификацията представлява серия от йерархични таксони:

Разред (-virales)

Семейство (-viridae)

Подсемейство (-virinae)

Род (-virus)

Вид (-virus)

Класификация на Балтимор [редактиране]

Схема на групите по класификацията на Балтимор

Нобеловият лауреат, биологът Дейвид Балтимор предлага своя схема за класификацията на вирусите. Тя се базира на различията в механизма на продукция на иРНК. Тази система включва седем основни групи:

(I) Вируси, съдържащи двуверижна ДНК и не преминаващи през РНК-стадии (херпесвируси, поксвируси, паповавируси).

(II) Вируси, съдържащи едноверижна молекула ДНК (парвовируси).

(III) Вируси, съдържащи двуверижна РНК (ротавируси).

(IV) Вируси, съдържащи едноверижна РНК с положителна полярност (пикорнавируси, флавивируси).

(V) Вируси, съдържащи едноверижна РНК с отрицателна или двойна полярност (ортомиксовируси, филовируси).

(VI) Вируси, съдържащи едноверижна РНК, които в своя жизнен цикъл имат стадий на синтез на ДНК с помощта на информационна РНК (ретровируси).

(VII) Вируси, съдържащи двуверижна ДНК, които в своя жизнен цикъл имат стадий на синтез на ДНК с помощта на информационна РНК (хепаднавируси).

 

Използвана литература:

1.      Lehninger principles of biochemistry (4th ed.): Nelson, D., and Cox, M.

2.      Molecular Cell Biology (8th ed): Lodish et.al.

3.      Molecular Biology Of The Cell (4th ed): Alberts B. et.al.

4.      Genes VIII: AND Molecular Biology of the Gene: Lewin B. et.al.

5.      https://www.znam.bg

6.      https://www.wikipedia.org

 

 

Добавете коментар

Защитен код
Обнови