Вирусы: классификация и жизненный цикл

Содержание

1. 1. Вирусы: открытие и общая характеристика3
2. 2. Классификация вирусов: современные подходы5
3. 3. Строение вириона и его компоненты7
4. 4. Жизненный цикл вируса: этапы и механизмы9
5. Список литературы11

1. Вирусы: открытие и общая характеристика

В 1892 году Дмитрий Ивановский, работая с мозаичной болезнью табака, пропустил сок заражённых листьев через фарфоровые фильтры. Такие фильтры задерживали бактерии, однако фильтрат всё равно сохранял способность заражать здоровые растения. Учёный тогда решил, что столкнулся с бактериальным токсином или каким-то особо мелким микробом. Спустя шесть лет Мартин Бейеринк повторил эксперимент и сделал вывод более смелый: возбудитель не просто мал, он устроен принципиально иначе. Бейеринк назвал его «фильтрующимся вирусом» (от латинского virus, то есть яд). Он же подчеркнул, что этот агент размножается только в живых тканях растения и не культивируется на искусственных средах.

Так в науке появилось представление об инфекционных агентах, которые невидимы в световой микроскоп и не подчиняются правилам бактериологии. Дальнейшие исследования показали: открытие Ивановского и Бейеринка касалось не единичного случая, а целой группы биологических объектов. Вирусы находили у животных, растений и бактерий. К середине XX века стало очевидно, что речь идёт об отдельной форме существования материи.

Вирус клеткой назвать нельзя. У него нет ни цитоплазмы, ни рибосом, ни собственных ферментов для энергетического обмена. Вне живого организма вирион ведёт себя как инертная химическая частица: кислород не потребляет, вещества не синтезирует, на раздражители не реагирует. Всё это позволяет говорить о вирусах как об облигатных внутриклеточных паразитах. Паразитизм абсолютный: размножение идёт только внутри клетки-хозяина, чьи рибосомы, ферменты и энергию вирус переключает на сборку собственных копий.

Разница между вирусом и клеточным организмом принципиальна. Геном вируса содержит лишь один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), тогда как любая клетка имеет обе. Вирус лишён белоксинтезирующего

аппарата и систем генерации АТФ. И наконец, вирусная частица не имеет клеточного строения. Она устроена проще любой бактерии или археи: это нуклеиновая кислота, упакованная в белковую оболочку.

Такое сочетание свойств ставит вирусы в особое положение. Их не относят ни к живой природе в полном смысле, ни к неживой. С одной стороны, у них есть генетическая программа, они реплицируются и мутируют, что сближает их с живыми системами. С другой стороны, вне клетки вирус лишён атрибутов жизни, включая обмен веществ. Поэтому в биологической литературе вирусы часто описывают как переходную форму между химической и биологической организацией материи. Эта промежуточность, как отмечается в учебных пособиях по основам медицинской вирусологии, делает их удобным объектом для молекулярно-биологических исследований и одновременно серьёзным вызовом для систематики.

Примечательно, что открытие вирусов стало возможным благодаря технике. Фильтры, созданные для бактериологии, позволили выделить инфекционный агент, который не видел оптический микроскоп. Следующий шаг случился в 1930-х годах, когда появился электронный микроскоп: вирус табачной мозаики удалось увидеть и изучить его кристаллическую структуру. Сегодня вирусология оперирует данными о тысячах видов вирусов, но фундамент этой науки заложили наблюдения конца XIX века, когда учёные впервые осознали, что существуют патогены на грани живого и неживого.

2. Классификация вирусов: современные подходы

В 1971 году Дэвид Балтимор предложил систему, которой вирусологи пользуются до сих пор. Её логика сводится к простому вопросу: как конкретный вирус синтезирует мРНК, чтобы клетка-хозяин могла транслировать его белки. Всё разнообразие вирусов укладывается в эту схему. Группы I и II, это ДНК-содержащие вирусы. Они синтезируют мРНК стандартным путём, используя двуцепочечную или одноцепочечную матрицу. С РНК-вирусами всё сложнее, и они делятся на четыре группы: с плюс-цепью (она сразу служит мРНК), с минус-цепью (которой нужна собственная РНК-зависимая РНК-полимераза) и двуцепочечные РНК-вирусы. Отдельно стоят ретровирусы (группа VI): у них РНК-геном, но с помощью фермента обратной транскриптазы они сначала создают ДНК-копию, которая затем встраивается в геном хозяина. Группа VII, к которой относится вирус гепатита B, объединяет ДНК-вирусы с обратной транскрипцией. Такая схема полезна не только для каталогизации. Она напрямую указывает на мишени для лекарств. Например, ингибиторы обратной транскриптазы работают только против вирусов шестой и седьмой групп.

Балтиморовская классификация, однако, ничего не говорит об эволюционном родстве. Эту задачу решает Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV), который строит иерархию, устроенную иначе, чем у клеточных организмов. Таксономические ранги здесь идут от порядка и семейства до рода и вида. К примеру, порядок Herpesvirales объединяет семейства с общим происхождением; это подтверждается филогенетическим анализом генов, кодирующих ДНК-полимеразу. Названия таксонов и их границы пересматриваются по мере накопления геномных данных. В 2021 году ICTV официально принял деление вирусов на реалмы, что стало аналогом доменов для клеточной жизни.

Молекулярно-биологические критерии, не единственные. Морфология тоже имеет значение. Капсид может быть икосаэдрическим (как у аденовирусов), спиральным (как у вируса табачной мозаики) или сложным, сочетающим оба типа симметрии (как у бактериофагов с хвостовым отростком). Наличие липопротеиновой оболочки, заимствованной из мембраны клетки-хозяина, служит важным диагностическим признаком. Оболочечные вирусы, такие как вирус гриппа, обычно менее устойчивы во внешней среде, чем безоболочечные (например, полиовирус). И, конечно, круг хозяев: бактериофаги, фитопатогенные вирусы и вирусы животных, включая человека, образуют отдельные группы, у каждой из которых свои стратегии взаимодействия с клетками.

Практическая ценность такой многоуровневой системы очевидна. Определив таксономическую принадлежность возбудителя, эпидемиолог может предсказать пути передачи и устойчивость патогена. Клиницисту важно знать, оболочечный это вирус или нет, чтобы подобрать эффективные дезинфицирующие средства. А для фармаколога группа по Балтимору сужает поиск мишеней: если вирус несет минус-цепь РНК, его полимераза структурно отличается от человеческих ферментов, и на неё можно нацелить лекарство, не рискуя повредить клетки организма.

3. Строение вириона и его компоненты

После того как Балтимор упорядочил вирусы по способу синтеза мРНК, закономерен вопрос: а как вообще устроена сама вирусная частица? Вне клетки вирус существует в форме вириона. Это полноценная, зрелая частица, предназначенная для одного: доставить генетический материал в чувствительную клетку. Конструкция вириона у разных групп вирусов отличается, но базовый принцип един. Нуклеиновая кислота, ДНК или РНК, упакована в белковый футляр, капсид. Эту пару называют нуклеокапсидом.

Капсид выполняет двойную работу. С одной стороны, он механически защищает хрупкий геном от нуклеаз и физических повреждений во внеклеточной среде. С другой, именно белки капсида первыми контактируют с поверхностью клетки-хозяина, обеспечивая специфическое прикрепление вируса к рецепторам. Без этого узнавания заражение невозможно.

Сам капсид собирается из повторяющихся белковых субъединиц, капсомеров. Один и тот же белок может использоваться десятки раз. Это экономит генетический материал вируса: кодировать огромный капсид целиком было бы слишком затратно. Способ укладки капсомеров определяет форму вируса и тип его симметрии. Если белки укладываются по спирали вокруг нуклеиновой кислоты, получается палочковидная структура. Так устроен, например, вирус табачной мозаики, с которым работал Ивановский. Если же капсомеры образуют многогранник, напоминающий футбольный мяч, говорят об икосаэдрической симметрии. Эту стратегию используют аденовирусы и вирус полиомиелита. Икосаэдр из 20 граней и 12 вершин оптимален для замкнутой упаковки генома.

Однако многим вирусам капсида оказывается недостаточно. У них есть дополнительная липопротеиновая оболочка. Это, по сути, фрагмент мембраны клетки-хозяина, который вирус захватывает, когда выходит из неё почкованием. В эту заимствованную мембрану встроены вирусные

гликопротеины. Они торчат наружу в виде шипов и выполняют ключевую функцию: распознают рецепторы на новой клетке и инициируют слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной. Без этих белков проникновение внутрь было бы невозможным. Примером служат шипы гемагглютинина у вируса гриппа.

Наконец, существуют сложные вирионы, которые не укладываются в простые схемы. Самый показательный пример, бактериофаг T4, атакующий кишечную палочку. Его головка с геномом имеет икосаэдрическую форму, но к ней прикреплён хвостовой отросток, окружённый сократимым чехлом. На конце хвоста находятся фибриллы, которые «нащупывают» бактерию. После прикрепления чехол сокращается, и хвостовой стержень прокалывает клеточную стенку. Внутри стержня есть фермент, лизоцим, который разрушает пептидогликан. Через образовавшееся отверстие ДНК фага впрыскивается в цитоплазму бактерии. Такая сложная конструкция, напоминающая миниатюрный шприц, отражает адаптацию к преодолению жёстких барьеров прокариотической клетки.

Таким образом, архитектура вириона не случайна. Она всегда компромисс между экономией генетического материала, стабильностью вне клетки и эффективностью проникновения в неё. От того, как устроена частица, напрямую зависит, какой из механизмов заражения будет использован на следующем этапе, в ходе жизненного цикла.

4. Жизненный цикл вируса: этапы и механизмы

Разобравшись с тем, как устроен вирус и по какому принципу его систематизируют, логично перейти к главному вопросу: что происходит после того, как вирусная частица встречает подходящую клетку. Жизненный цикл вируса, это строго последовательный процесс, который можно разбить на несколько ключевых этапов. Первый из них, адсорбция, то есть специфическое связывание вирусных белков с рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Этот контакт напоминает подбор ключа к замку: вирус не прикрепляется к любой мембране, а ищет строго определённые молекулы, чаще всего гликопротеины. Отсутствие нужного рецептора делает клетку невосприимчивой к инфекции, что во многом объясняет тканевую избирательность вирусов. Например, вирус иммунодефицита человека связывается с рецептором CD4 на Т-лимфоцитах, тогда как вирусы гепатита B и C нацелены на гепатоциты.

После успешного прикрепления начинается проникновение. Механизм зависит от наличия оболочки и типа вируса. Безоболочечные вирусы чаще используют рецептор-опосредованный эндоцитоз: клетка сама захватывает частицу, втягивая её внутрь в составе эндосомы. Оболочечные вирусы могут пойти другим путём, сливая свою липопротеиновую мембрану с плазматической мембраной клетки, после чего нуклеокапсид оказывается в цитоплазме. Бактериофаги, в свою очередь, действуют жёстче: они прикрепляются к поверхности бактерии и впрыскивают через клеточную стенку только нуклеиновую кислоту, оставляя пустой капсид снаружи.

Оказавшись внутри, вирус сталкивается с главной задачей: заставить клеточный аппарат работать на себя. Репликация вирусного генома и синтез вирусных белков полностью зависят от типа нуклеиновой кислоты. У ДНК-содержащих вирусов, которые реплицируются в ядре, используются клеточные ДНК-полимеразы, хотя некоторые крупные вирусы, например поксвирусы, кодируют собственные ферменты. Сложнее обстоит дело с

РНК-вирусами. У них синтез мРНК идёт по одному из семи путей, описанных Балтимором, но в любом случае трансляция вирусных белков происходит на клеточных рибосомах. Клетка не различает «свои» и «чужие» матрицы, поэтому активно синтезирует вирусные полипептиды, зачастую в ущерб собственным белкам. Некоторые вирусы, такие как пикорнавирусы, даже отключают синтез клеточных белков, чтобы полностью переориентировать ресурсы на себя.

Финальная стадия, сборка новых вирионов. Капсид собирается самопроизвольно: капсомеры объединяются в симметричную структуру, в которую затем упаковывается нуклеиновая кислота. Этот процесс может идти в цитоплазме, в ядре или на мембранах эндоплазматического ретикулума. У оболочечных вирусов сборка завершается почкованием: нуклеокапсид подходит к участку мембраны, где уже встроены вирусные гликопротеины, и отшнуровывается, захватывая фрагмент мембраны в качестве собственной оболочки. Такой способ выхода не убивает клетку сразу. Безоболочечные вирусы выходят иначе, через лизис: клетка разрушается, и тысячи новых частиц высвобождаются наружу. Выход из клетки путём лизиса характерен для аденовирусов и энтеровирусов.

Стоит подчеркнуть, что описанный цикл, лишь один из возможных сценариев. Репродукция может протекать по литическому пути, который всегда заканчивается гибелью клетки, или по лизогенному. В последнем случае вирусный геном интегрируется в хромосому хозяина и пассивно реплицируется вместе с ней при делении клетки. Такое состояние, как у бактериофага лямбда, может сохраняться неопределённо долго, пока внешние стимулы не запустят переход в литический цикл. У эукариотических вирусов подобный механизм лежит в основе онкогенеза, как это происходит при инфицировании вирусом папилломы человека. Таким образом, жизненный цикл вируса, это не жёсткий сценарий, а набор стратегий, каждая из которых направлена на одну цель: воспроизводство и распространение генетического материала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основы медицинской вирусологии — https://rep.bsmu.by/bitstream/handle/BSMU/25127/978-985-21-0256-8.Image.Marked.pdf?sequence=1&isAllowed=y

2. Структура и репродукция вирусов — http://elib.usma.ru/bitstream/usma/945/1/UMK_2012_011.pdf

3. Вирусология — http://lib.ysu.am/disciplines_bk/ad45411a00b15a36083833b172403c4f.pdf

4. Основы общей вирусологии — https://snipchi.ru/updoc/2020/%D0%94%D0%BE%D0%BF%20%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5/9_12.pdf

5. Лекция 3 — https://teach-in.ru/lectures-conspects/virology-M-lecture3.pdf

6. МЕХАНИКА • Слепков Александр Иванович — https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/virology-M.pdf

7. Классификация вирусов | справочник Пестициды.ru — https://www.pesticidy.ru/dictionary/Virus_classification

8. Вирусы - Википедия — https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%81%D1%8B