Основное содержание

Course: Биология > Модуль 20

Урок 1: Вирусы

Введение в вирусы

Классная комната Google

Что такое вирус. Строение вируса и как он инфицирует клетку.

Основные моменты:

Вирус
- это инфекционная частица, которая размножается путем «захвата» клетки-хозяина и использования её структуры для создания вирусных частиц.
Вирус состоит из генома ДНК или РНК, а также внешней белковой оболочки, называемой капсидом. Некоторые вирусы имеют дополнительно еще и внешнюю мембранную оболочку, которая называется суперкапсидом.
Вирусы очень разнообразны по форме, структуре и типу генома. Одни вирусы имеют широкой спектр хозяев, другие заражают лишь клетки одного типа.
Вирусы размножаются, заражая клетку-хозяина и перепрограммируя её в «фабрику» по производству таких же вирусов.

Введение

Учёные оценивают количество вирусов в любой момент времени примерно в

10^{31}

вирусов

^{1}

. Это единица с

31

нулём! Если собрать эти

10^{31}

вирусов вместе и выстроить из них цепочку, поставив их один за другим, такая цепочка из вирусов растянулась бы в космос на расстояние почти

200

световых лет от Земли. Можно представить это число по-другому: вирусов в мире почти в 10 миллионов раз больше, чем звёзд во вселенной

^{2}

Означает ли это, что каждый из этих

10^{31}

вирусов только и ждёт, чтобы заразить нас? На самом деле, большинство этих вирусов обитают в океанах, где они атакуют бактерии и другие микробы

^{3}

. На первый взгляд, может показаться странным, что бактерии могут заразиться вирусом. Однако ученые полагают, что для каждого вида живого организма, вероятно, существует хотя бы один вирус, способный его заразить!

Что такое вирус?

Вирус — это микроскопическая частица, которая может размножаться, лишь заражая клетки других организмов. Вирус внедряются в клетку-хозяина и используют её ресурсы для создания новых вирусов, по сути превращая её в «фабрику вирусов». Поскольку вирусы не в состоянии размножаться самостоятельно (без клетки-хозяина), они не считаются живыми организмами. Кроме того, у вирусов нет клеток, они очень маленькие, гораздо меньше клеток живых организмов, и фактически представляют собой просто упакованную в белковую оболочку нуклеиновую кислоту (ДНК или РНК).

Тем не менее, вирусы имеют некоторые общие черты с клеточными формами жизни. Например, у них есть геномы нуклеиновых кислот, основанные на том же генетическом коде, который используется в наших клетках (и клетках всех живых существ). Точно так же, как у живых организмов, у вирусов наблюдаются вариации в генетическом коде, и они могут эволюционировать. Таким образом, вирусы не соответствуют определению жизни, и, по-видимому, находятся в "спорной" зоне. (Может быть, вирусы на самом деле живые мертвецы, как зомби или вампиры!)

Чем вирусы отличаются от бактерий?

Несмотря на то, что бактерии и вирусы приносят нам болезни, они сильно отличаются друг от друга на биологическом уровне. Бактерии – маленькие, одноклеточные, живые, самостоятельные организмы, процесс размножения которых не зависит от клетки-хозяина. Из-за этих различий бактериальные и вирусные инфекции лечатся совершенно по-разному. Например, антибиотики эффективны только против бактерий, но не против вирусов.

Кроме того размер бактерии намного больше, чем вируса. Диаметр типичного вируса составляет около

20

-

300

нанометров

(

1

нм

=

10^{-9}

м

)

^{4}

, в то время как диаметр обычной бактерии кишечной палочки E. coli составляет около

1000

нм

! На одной булавочной головке могут уместиться десятки миллионов вирусов.

Если рассуждать о размерах вирусов, то это зависит от того, когда вы об этом спросите! В последние годы ученые продолжают обнаруживать всё больше и больше ранее неизвестных вирусов. На данный момент крупнейший из известных вирусов - Pithovirus, инфицирующий амёб. Он имеет форму палочки, длиной примерно

1, 5

микрометров

0, 5

мкм

^{5}

в диаметре, то есть его размеры больше некоторых клеток!

Но вы должны понимать, что Pithovirus — это исключение из правил. Диаметр подавляющего большинства вирусов находится в диапазоне от

20

-

300

нм

, то есть гораздо меньше клеток.

Структура вируса

В мире существует огромное разнообразие вирусов. Они отличаются размером, формой и жизненным циклом. Если вам интересно узнать об этом подробнее, рекомендую посмотреть сайт ViralZone. Понажимайте на различные названия вирусов и посмотрите, какие причудливые формы и свойства у них могут быть!

Однако, вирусы имеют несколько общих ключевых черт, в том числе:

Защитную белковую оболочку - капсид
Геном, состоящий из ДНК и РНК, упакованный внутрь капсида
Дополнительную оболочку, покрывающую капсид, которая также называется суперкапсидом (имеется не у всех вирусов)

Давайте подробнее рассмотрим их.

Изображение изменено, источник: "Схема строения цитомегаловируса." by Emmanuel Boutet, CC BY-SA 2,5. Лицензия изменённого изображения — CC BY-SA 2,5 .

Капсид

Капсид, или белковая оболочка, — это не единая полая белковая молекула, а множество более мелких белков. Эти белки объединяются в группы — капсомеры, которые в свою очередь формируют капсид. Капсидные белки всегда кодируются геномом вируса, то есть инструкции для их синтеза предоставляет сам вирус, а не клетка-хозяин.

Можно представить себе капсид в виде футбольного мяча, где белые и черные шестиугольники - капсомеры.

Левая часть: Изображение изменено, источники: "Парвовирусы," by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0. Правая часть: "Мяч для футбола," by Pumbaa80, CC BY-SA 3,0.

Капсиды некоторых вирусов относительно просты и состоят из нескольких копий одного белка. Парвовирус собак (очень маленький вирус, поражающий собак) имеет капсид, представляющий собой

60

копий одного и того же капсидного белка. Капсид состоит из

12

капсомеров, каждый из которых содержит

5

белковых молекул. Капсиды других вирусов сложнее и могут состоять из множества копий молекул различных белков.

Капсиды бывают разных форм, но в основном они принимают одну из следующих форм:

Икосаэдрическая — Икосаэдрические капсиды имеют 12 граней. Они получили название от правильного двенадцатигранника — икосаэдра.
Нитевидная – эти капсиды названы так из-за вытянутой нитевидной формы. Их также можно назвать палочковидными или спиральными.
Комплексная
- это своего рода гибрид икосаэдрической и нитевидной форм. В основном он состоит из икосаэдрической головки, прикрепленной к нитевидному хвосту.
Изображение икосаэдрической (сферической), нитевидной (палочкообразной), и комплексной (соединенных вместе икосаэдрической и палочкообразной) форм вирусных капсидов.
Изображение изменено, источники: "Безоболочечный икосаэдрический," "Безоболочечный нитевидный," и "Комлексный," by Anderson Brito, CC BY-SA 3,0. Лицензия изменённого изображения — CC BY-SA 3,0

Вирусная оболочка, или суперкапсид

В дополнение к капсиду, некоторые вирусы также имеют внешнюю липидную мембрану, известную как суперкапсид, которая окружает весь капсид.

Вирусы с оболочкой-суперкапсидом не предоставляют инструкций для синтеза белков суперкапсида. Вместо этого вирусы, покидая клетку-хозяина, «заимствуют» фрагменты её мембраны. Однако в суперкапсиде содержатся белки, определяемые вирусом, которые, как правило, помогают частицам вируса прикрепляться к клетке-хозяину.

Хотя суперкапсиды встречаются довольно часто, особенно у вирусов, поражающих животных, однако они есть не у каждого вируса, то есть оболочка — не обязательное свойство вирусов.

Вирусные геномы

Все вирусы имеют генетический материал (геном) состоящий из нуклеиновой кислоты. Вы, как и все другие представители клеточной формы жизни, храните генетический материал в ДНК. А вирусы могут использовать для этого как РНК, так и ДНК, или же и то, и другое — разновидности нуклеиновых кислот.

Мы привыкли представлять ДНК в виде двойной спирали, а РНК — в виде одинарной, поскольку в наших клетках они выглядят именно так. Однако у вирусов встречаются все возможные комбинации количества цепочек в спирали и типы нуклеиновых кислот (двухцепочечная ДНК, двухцепочечная РНК, одноцепочечная ДНК или одноцепочечная РНК). Геномы вирусов также бывают различных форм, видов и размеров, но они в любом случае, как правило, меньше геномов клеточных организмов.

Геномы вируса крайне малы! Их размер варьируются от

2,

000

до нескольких сотен тысяч нуклеотидов в длину

^{6}

. (Нуклеотид — это «кирпичик» РНК или ДНК).

Для сравнения: геном бактерии кишечной палочки E. coli насчитывает

4, 6

миллионов

нуклеотидов в длину, а человеческий геном имеет длину

6, 6

миллиардов

нуклеотидов!

Примечательно, что ДНК и РНК вирусов используют тот же генетический код, что и живые клетки. Если бы они этого не делали, у них бы не было возможности перепрограммировать клетки-хозяина!

Что такое вирусная инфекция?

В повседневной жизни мы представляем вирусную инфекцию как набор неприятных симптомов, которые появляются, когда мы подхватываем вирус гриппа или ветряной оспы. Но что на самом деле происходит в нашем теле при заражении вирусом?

В микроскопическом масштабе вирусная инфекция означает, что множество вирусов использует ваши клетки, для создания еще большего количества своих копий. Вирусный жизненный цикл - это последовательность этапов, на которых вирус распознает клетку-хозяина и проникает в неё, «перепрограммирует» её, предоставляя инструкции в форме вирусной ДНК или РНК, и использует ресурсы клетки-хозяина для создания большого количества вирусных частиц. (результат вирусной «программы»).

Жизненный цикл типичного вируса может быть разделен на пять основных этапов (при этом особенности этих этапов будут различаться для каждого вируса):

Прикрепление. Вирус распознает и связывается с клеткой хозяином через молекулу-рецептор на поверхности клетки.
Вирус связывается с рецептором на поверхности клетки.
Изображение изменено, источники:"Вирус прикрепляется к клетке хозяина," by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.
При прикреплении определенный белок капсида вируса физически «прилипает» к специфичной, то есть подходящей для этого конкретного белка, молекуле на мембране клетки-хозяина.
Эта молекула называется рецептором, и по строению обычно является белком. Вирус распознает клетки через рецепторы, которые они несут на своей поверхности, и клетка без специфичных для вируса рецепторов, соответственно, не может быть заражена этим вирусом.
Проникновение. Вирус или его генетический материал проникает в клетку.
Одним из типичных путей проникновения вируса является слияние с мембраной, которое чаще всего встречается у оболочечных вирусов, имеющих дополнительную липидную оболочку (суперкапсид). Вирусы могут также обмануть клетку, чтобы она сама захватила вирусную частицу посредством транспортного процесса, называемого эндоцитозом. Некоторые даже вводят свою ДНК в клетку!
Пути проникновения включают в себя эндоцитоз (при котором мембрана складывается внутрь, окружает вирус и погружает его в свой пищеварительный пузырёк, затем втягивает вглубь клетки) и прямое слияние вирусной частицы с мембраной, при котором происходит переход содержимого вирусной частицы напрямую в клетку.
Изображение изменено, источники:"Проникновение вируса," by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.
Репликация. Вирусный геном копируется, и его гены экспрессируются с образованием вирусных белков.
Вирусный геном копируется, и его гены экспрессируются с образованием вирусных белков.
Изображение изменено, источники: "Репликация одноцепочечной (+)РНК-вирусы, by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.
Этот этап включает в себя увеличение количества копий вирусного генома и синтез большого количества вирусных белков для сборки новых вирусных частиц.
Материалы для этих процессов (например, нуклеотиды для создания новой ДНК или РНК) поступают из клетки-хозяина, а не от вируса. Большая часть «механизма» репликации и экспрессии генов также обеспечивается самой клеткой. Например, матричная РНК (мРНК), несущая вирусные гены, транслируется в вирусные белки с использованием рибосом клетки-хозяина. Однако некоторые шаги, такие как копирование генома РНК-вируса, не могут быть выполнены ферментами клетки-хозяина. В таких случаях вирусы должны кодировать свои собственные ферменты.
Производимые вирусные белки варьируются от вируса к вирусу. Все вирусы должны кодировать капсидные белки, а вирусы с суперкапсидом, соответственно, кодируют белки суперкапсида (которые часто помогают в распознавании клетки-хозяина). Вирусы также кодируют белки, которые воздействуют на геномом клетки-хозяина (например, блокируя защиту или управляя экспрессией генов в интересах вируса), способствуют репликации вирусного генома или играют роль в других этапах жизненного цикла вируса.
Сборка. Новые вирусные частицы собираются из копий генома и вирусных белков.
Во время сборки синтезированные капсидные белки соединяются вместе, образуя капсомеры, которые взаимодействуют с другими капсомерами, образуя полноразмерный капсид.
Некоторые вирусы, имеющие комплексные формы капсидов, сначала собирают «пустой» капсид, а затем помещают вирусный геном внутрь. Другие вирусы строят капсид вокруг готового вирусного генома, как показано ниже.
Белки капсида собираются вокруг вирусного генома, формируя новую вирусную частицу с геномом заключенным внутри капсида.
Изображение изменено, источники: "Вирусные капсиды, осуществляющие сборку в цитоплазме, by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.
Выход. Сформировавшиеся вирусные частицы покидают клетку и могут инфицировать другие клетки.
Вирусные частицы могут высвободиться путем лизиса клетки, экзоцитоза или отпочковывания от плазматической мембраны.
Изображение изменено, источники"Выход вируса из клетки-хозяина," by ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4,0.
Заключительным этапом жизненного цикла вируса является выход новых вирусных частиц из клетки-хозяина. Различные типы вирусов выходят из клетки разными способами: некоторые из них вызывают разрыв клетки-хозяина (процесс, называемый лизисом), другие выходят путем экзоцитоза, а третьи, отрываясь от плазматической мембраны, забирают с собой её кусочек.
В некоторых случаях выход новых вирусных частиц убивает клетку-хозяина (например, клетка, мембрана которой разрывается, не выживет). В других случаях клетка остается нетронутой, чтобы она могла продолжать производить еще больше вирусных частиц.

На диаграмме выше показано, как эти этапы протекают у вируса с одноцепочечной РНК. Реальные примеры жизненного цикла вирусов представлены в статьях о Бактериофагах (bacteria-infecting viruses) и Вирусах животных.

Статья опубликована под лицензией CC BY-NC-SA 4,0

Использованные материалы:

Weitz, J. S., and Wilhelm, S. W. (2013, July 1). An ocean of viruses. In The scientist. Retrieved from http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/36120/title/An-Ocean-of-Viruses/.
Zimmer, C. (2013, Feb 20). An infinity of viruses. In The loom: A blog by Carl Zimmer. Retrieved from http://phenomena.nationalgeographic.com/2013/02/20/an-infinity-of-viruses/.
Suttle, C. A. (2007). Marine viruses - major players in the global ecosystem. Nat. Rev. Microbiol.,. 5(10), 801-12.
Вирус. (2016, Май 4). Статья взята из Wikipedia, Май 10, 2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Virus.
Pithovirus. (2016, Март 26). Статья взята из Wikipedia, Март 10,2016: https://en.wikipedia.org/wiki/Pithovirus.
How big are genomes? (n.d.). Retrieved from http://www.weizmann.ac.il/plants/Milo/images/How%20big%20is%20the%20genome120112Clean.pdf.
Pierson, T. C. (2012, November 2). The flavivirus lifecycle. In Labs at NIAID. Retrieved from https://www.niaid.nih.gov/research/ted-c-pierson-phd

Дополнительные материалы:

Acheson, N. H. (2007). Introduction to virology. In Fundamentals of molecular virology. (1st ed., pp. 1-17). Hoboken, NJ: Wiley.

Bollati, M., Alvarez, K., Assenberg, R., Baronti, C., Canard, B., Cook, S., Coutard, B., Decroly, E., de Laballerie, X., Gould, E. A., Grard, G., Grimes, J. M., Hilgenfeld, R., Jansson, A. M., Malet, H., Mancini, E. J., Mastrangelo, E., Mattevi, A., Milani, M., Moureau, G., Neyts, J., Owens, R. J., Ren, J., Selisko, B., Speroni, S., Steuber, H., Stuart, D. I., Unge, T., and Bolognesi, M. (2010). Structure and functionality in flavivirus NS-proteins: Perspectives for drug design. Antiviral Res., 87(2), 125-148. http://dx.doi.org/10,1016/j.antiviral.2009,11.009.

Bortman, H. (2010, September 6). Tracking viruses back in time. In Astrobiology magazine. Retrieved from http://www.astrobio.net/topic/origins/extreme-life/tracking-viruses-back-in-time/.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2003). Viruses: Reproduction and recombination. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 258-263). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Racaniello, V. (2013, September 6). How many viruses on Earth? In Virology blog: About viruses and viral disease. Retrieved from http://www.virology.ws/2013/09/06/how-many-viruses-on-earth/.

Raven, P. H. and Johnson, G. B. (2002). The nature of viruses. In Biology (6th ed., p. 667). Boston, MA: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). A borrowed life. In Campbell biology (10th ed., pp. 392-393). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Structure of viruses. In Campbell biology (10th ed., pp. 394-395). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Viruses replicate only in cells . In Campbell biology (10th ed., pp. 395-403). San Francisco, CA: Pearson.

Travis, J. (2009). All the world's a phage. Science News, 2(164), 26-27. http://www.jstor.org/stable/3982016.

Zika virus (strain Mr 766). (n.d.) In ViralZone. Retrieved from http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/6756.html.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Войти

Сортировать по:

Пока нет ни одной записи.

Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.