Механизмы репликации рнк-содержащих вирусов

Обновлено: 18.04.2024

Репродукция ДНК-вирусов. Репликативный цикл ДНК-содержащих вирусов. Репродукция паповавирусов. Репродукция аденовирусов.

Вирусы, лишённые суперкапсида (например, аденовирусы) проникают в клетки путём виропексиса, а имеющие таковой (покс- и герпесвирусы) — за счёт слияния суперкапсида с клеточной мембраной. Репродуктивный цикл ДНК-содержащих вирусов включает раннюю и позднюю стадии (рис. 5-4). У крупных ДНК-вирусов имеется явное несоответствие между кодирующе ёмкостью генома и молекулярной массой вирусиндуцированных белков и белков, входящих состав вирионов. Например, у герпесвирусов лишь 15% ДНК кодирует все белки вирионов и их предшественников. Возможно, значительная часть генома содержит гены, кодирующие синтез ферментов и регуляторных белков. Папова-, адено- и герпесвирусы репродуцируются относительно однотипно, в то время как репродукция поксвирусов имеет некоторые особенности.

Регуляторные белки выполняют различные функции. При заражении клетки они блокируют синтез клеточных РНК, ДНК и белка и одновременно способствуют экспрессии вирусного генома, изменяя специфичность реагирования клеточных полимераз и полирибосом. Они так же запускают репликацию клеточной ДНК, модифицированной встроенными геномами ДНК содержащих вирусов и ретровирусов, то есть репликацию вирусных геномов. Вирусспецифические полимеразы. В репликацию вирусных геномов также вовлечены вирусоспецифические ДНК-полимеразы, участвующие в образовании молекул ДНК дочерних популяций.

Матричные белки необходимы для репликации нуклеиновых кислот и сборки дочерних популяций. Они образуют электронно-плотные скопления в клетке, известные как тельца включений (например, тельца Гварнери при натуральной оспе).

Паповавирусы и аденовирусы. Репродукция паповавирусов. Репродукция аденовирусов.

Адсорбция, проникновение и депротеинизация аналогичны таковым у РНК-содержащих вирусов, но у папова- и аденовирусов депротеинизация протекает в ядре, а у РНК-вирусов — в цитоплазме.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

Синтез геномной вирусной ДНК в принципе не отличается от синтеза клеточной ДНК. У разных вирусов это происходит с использованием разных механизмов. Известно, что клеточные ДНК-полимеразы могут начинать синтез новой цепи ДНК только с короткого праймера.

Для решения этой проблемы ДНК-вирусы разных семейств пользуются различной стратегией. Одни из них имеют циркулярный ДНК-геном, другие —линейный геном с комплементарными концами, у третьих имеется белковый праймер на 5'-конце.

Для репликации вирусной ДНК необходимы некоторые кодируемые вирусом ферменты: геликаза (с АТФазной активностью), чтобы расплести двойную спираль; белок, дестабилизирующий двойную спираль до тех пор, пока каждая из нитей не будет скопирована; ДНК-полимераза для копирования каждой цепи в направлении от 5'-конца к З'-концу; РНКаза для разрушения РНК-праймера после его функционирования; ДНК-лигазы для соединения ДНК-фрагментов, если она синтезируется не целиком. Часто один большой фермент обладает двумя и более активностями.

Геном парвовирусов использует для своей репликации клеточные ферменты, включая ДНК-полимеразу А. Ранний вирусный белок присоединяется к месту регуляторной последовательности вирусного генома и начинается репликация ДНК.

Происходит непрерывный и прерывистый синтез, соответственно, двух растущих цепей ДНК: главной и ответвляющейся. Прерывистый синтез ответвляющейся цепи связан с повторяющимися короткими олигонуклеотидными праймерами, поочередно рождающими короткие цепи ДНК (фрагменты Оказаки), которые затем соединяются ковалентно индуцированной вирусом ДНК-лигазой в одну растущую цепь.

Инициирующими единицами репликации папиллома- и полиомавирусов являются ковалентно связанные циркулярные (±)ДНК и линейные (±)ДНК адено- и герпесвирусов. Праймером синтеза аденовирусной ДНК служит предшественник белка, ковалентно связанный с вирионной ДНК. Репликация ДНК происходит непрерывно от 5'-конца к 3'-концу с использованием вирионной ДНК полимеразы. Синтез фрагментов Оказаки не происходит. Герпесвирусы кодируют большинство (если не все) белков, необходимых для репликации ДНК, включая ДНК-полимеразу, геликазу, праймазу, белок, соединяющий одноцепочечные ДНК, и белок, различающий начало репликации.

Вирусы оспы и асфаравирусы, которые размножаются целиком в цитоплазме, являются самодостаточными по механизму репликации. Гепаднавирусы, подобно ретровирусам, используют положительно полярные одноцепочечные РНК транскрипты в качестве посредников в синтезе ДНК с помощью обратной транскрипции. Синтез вирусной ДНК может происходить как в цитоплазме, так и в ядре зараженной клетки. Например, ДНК вирусов оспы синтезируется в цитоплазме, а ДНК герпес-, адено-, папиллома-, полиома- и парвовирусов — в ядре.

Делеция значительного количества генов (~ 40%) у оспо- и герпесвирусов не оказывает существенного влияния на их размножение в культуре клеток, возможно, что они важны для выживания этих вирусов в природе.

Репликация вирусных РНК молекул. Этапы репликации РНК генома вирусов.

Репликация вирусных РНК является уникальным феноменом. Существенное отличие механизма синтеза вирусных РНК от механизма синтеза клеточных РНК состоит в том, что в качестве матрицы в первом случае используется РНК, а во втором — ДНК.

Для транскрипции РНК на РНК-матрице необходима вирионная РНК-зависимая РНК-полимераза. Репликация вирусной РНК требует, прежде всего, синтеза комплементарной РНК, которая затем служит матрицей для производства большого количества вирусной РНК.

Когда вирусная РНК имеет отрицательную полярность (орто-, парамиксо-, рабдо-, фило-, борна-, арена- и буньявирусы), комплементарная РНК будет иметь положительную полярность и РНК-полимераза, подобно вирионной транскриптазе, используется для первичной транскрипции мРНК.

Так как большинство транскриптов, синтезируемых на каждой вирусной (-)цепи РНК, являются молекулами субгеномной РНК, некоторые полноразмерные цепи служат матрицами для синтеза (репликации) вирусной РНК. Некоторые вирусы для транскрипции и репликации используют различные РНК-полимеразы, тогда как в других случаях одни и те же ферменты могут выполнять различные функции.

У многих РНК-вирусов, (пикорна-, калици-, астро-, тога-, флави-, корона-, артери-, нодавирусы) комплементарная РНК является отрицательно полярной. На одной комплементарной РНК-матрице может транскрибироваться одновременно несколько молекул вирусной РНК, а на каждом РНК-транскрипте начинается продукция полимеразы. Образуется структура, известная как реплика-тивный посредник, — частично двуцепочечная структура с одноцепочечными хвостами.

Для начала репликации РНК пикорнавирусов и калицивирусов, а также ДНК аденовирусов требуется небольшой белок, связанный ковалентно с 5'-концом вновь синтезированных (+) или (—) цепей РНК, так же как с родительской вирионной РНК, но не с мРНК.

Вновь синтезированные (+)РНК могут иметь разное назначение: включаться в репликативный комплекс и служить матрицей для синтеза комплементра-ных (—)РНК; выполнять функции мРНК; включаться в качестве генома в новые вирионы. Механизм, определяющий судьбу вновь синтезированных (+)РНК, не известен.

Ретровирусы имеют геномную (+) одноцепочечную РНК. В отличие от других РНК-вирусов, они реплицируются посредством ДНК-посредника. Вирионная обратная транскриптаза, используя РНК-молекулу как праймер, создает односпиральную ДНК-копию. Затем, функционируя как рибонуклеаза, тот же самый фермент удаляет родительскую молекулу РНК из ДНК-РНК-гибрида и копирует одноцепочечную ДНК-цепь, чтобы образовать линейную двуцепочечную ДНК, которая содержит дополнительную последовательность, известную как длинный концевой повтор (LTR) на каждом конце.
Эта двуцепочечная ДНК затем циркулирует и интегрирует с клеточной хромосомальной ДНК. Вирусная РНК транскрибируется с интегрированной (провирусной) ДНК.

Репликация (вирусология) – это процесс самовоспроизведения нуклеиновых кислот, генов, хромосом. В его основе лежит ферментативный синтез ДНК или РНК, проходящий по матричному синтезу [2] .

Механизм репликации, также, как и механизм транскрипции, зависит от типа геномной НК вирусов [1] .

Механизм репликации ДНК-вирусов

При репликации двухнитчатых ДНК-вирусов матрицей для синтеза комплементарных дочерних цепей служит каждая из цепей родительской ДНК. Для репликации геномных ДНК большинство вирусов используют клеточные ферменты, в частности ДНК-зависимые ДНК-полимеразы. Некоторые крупные вирусы кодируют собственные репликазы [3] [1] .

Вирусы, содержащие плюс-ДНК, начинают репликацию с синтеза комплиментарной минус-ДНК нити. Образуется двухспиральная репликативная форма, которая выступает в роли матрицы для синтеза новых плюс-цепей. Последние, вытесняются из репликативной формы и заключаются в белковую оболочку, превращаясь в вирионы [1] .

Принципиальное отличие в репликации однонитевых ДНК содержащих вирусов от двухнитевых состоит в том, что в первом случае для формирования дочерних молекул используется только минус-цепь [3] [1] .

Механизм репликации однонитевых РНК-вирусов

Репликация однонитевых РНК-вирусов в общих чертах сходна с репликацией однонитевых ДНК-вирусов. В начале процесса однонитевая родительская плюс-РНК служит матрицей для синтеза дочерней минус-РНК. В результате формируется двухспиральная репликативная форма [1] .

Но за долго до окончания синтеза первой дочерней РНК, на репликативной форме инициируется синтез второй и последующих дочерних плюс-нитей. Этот процесс приводит к преобразованию репликативной формы в новую форму, именуемую репликативным предшественником [1] .

Механизм репликации двухцепочечных РНК-вирусов

РНК-вирусы с двухцепочечным геномом используют в качестве матриц для репликации только минус-нити. Эти вирусы отличает то, что уже на ранних стадиях инфекции в клетках-хозяевах накапливаются плюс-РНК. Некоторые из них становятся матрицами для репликации. Другие используются как иРНК [3] [1] .

Репликация ретровирусов

Репликация ретровирусов (семейство вирусов для которых характерен процесс обратной транскрипции) наблюдается на матрице провирусов (генома вируса, встроенного в ДНК клетки хозяина) после их индукции (процесса исключения провируса из состава хромосомы клетки-хозяина) [1] .

Репликация провирусов происходит с помощью клеточных ферментов. В результате синтезируются многочисленные молекулы плюс-РНК и необходимые для сборки вирионов белки и ферменты [1] .

Репродукция вируса – это процесс размножения вирусных частиц в чувствительных к ним клетках. Репродуцируются только вирулентные вирусы, обладающие высокой степенью патогенности [3] .

Содержание:

Общие закономерности репродукции вируса

К самостоятельному размножению вирусы не способны. Синтез вирусных белков и воспроизведение копий вирусного генома обеспечиваются биосинтетическими процессами клетки-хозяина. Для вирусов характерен дизъюнктивный (разобщенный) тип репродукции. Он осуществляется при взаимодействии вируса с инфицируемой клеткой. В этом случае белковые молекулы и нуклеиновые кислоты образуются отдельно друг от друга. После чего происходит сборка дочерних популяций [3] .

Особенности репродукции вирусов зависят от типа вирусного генома. Однако отмечается существование целого ряда общих закономерностей репродукции вируса:

Все вирусы, содержащие молекулу РНК, кроме вирусов гриппа и ретровирусов, репродуцируются в цитоплазме клетки. Геномы ретровирусов и вирусов гриппа при репродукции проникают в ядро клетки-хозяина [2] .
Все вирусы, содержащие молекулу ДНК, кроме вирусаоспы репродуцируются в ядре и в цитоплазме клетки. В ядре происходит транскрипция и репликация вирусных нуклеиновых кислот, а в цитоплазме – трансляция вирусных белков и сборка дочерних вирионов. Вирусоспы размножается только в цитоплазме клетки [2] .
Процесс синтеза нуклеокапсидных белков происходит на свободных полирибосомах (не связанных с мембраной). Процесс синтеза суперкапсидных белков проходит на рибосомах, ассоциированных с мембранами [2] .
Белки вирусов после образования подвергаются протеолитическому процессингу (разрезанию или расщеплению) [2] .
Суперкапсидные белки оболочечных вирусов при транспортировке к клеточной мембране проходят гликозирование (присоединении к полипептиду углеводных остатков) [2] .

Этапы репродукции (жизненного цикла) вируса

1. Адсорбция вируса на мембране клетки.; 2. Проникновение вируса в клетку.; 3. Депротеинизация.; 4. Синтез компонентов вирусов.; 5. Формирование дочерних вирионов.; 6. Выход вирионов [2] .

Этапы репродукции вируса

Репродукцию или жизненный цикл вируса делят на шесть последовательных этапов:

Адсорбция на мембране клетки [2] .
Проникновение в клетку [2] .
Депротеинизация [2] .
Синтез компонентов вирусов[2] .
Формирование дочерних вирионов[2] .
Выход вирионов[2] .

Процесс адсорбции вириона на поверхности клетки

1. Вирион.; 2. Клеточный рецептор.; 3. Прикрепительный белок; 4. Клеточная мембрана [2] .

Адсорбция на мембране клетки

Адсорбция вириона на мембране клетки идет по пути взаимодействия вирусного белка (антирецептора) с клеточными рецепторами. Для каждого вируса на клеточной мембране существуют специфические рецепторы, с которым он и связывается. По химической природе рецепторы, фиксирующие вирус, могут являться мукопротеиновыми либо липопротеиновыми. Распознавание клеточных рецепторов осуществляют капсидные или суперкапсидные белки вириона [2] .

Антирецепторы вирионов являются прикрепительными белками. Они могут иметь форму шипов, нитей, грибовидных структур [2] .

В самом процессе адсорбции большую роль играют электрические заряды. Вирусы обычно отрицательно заражены, а участки клеточной стенки – положительно [2] .

Процесс адсорбции занимает от пяти до девяноста минут. Количество специфических рецепторов на поверхности одной клетки 10 4 –10 5 [2] .

Проникновение вируса в клетку (Путь I)

Слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной

1. Вирион.; 2. Инфицируемая клетка.; 3. Ядро [2] .

Проникновение в клетку

Путь проникновения вируса в клетку зависит от наличия оболочки у вириона [2] . Существует два пути:

Путь I – слиянии вирусной оболочки с клеточной мембраной [2] .
Путь II – рецептор-опосредованный эндоцитоз [2] .

Путем слияния суперкапсида с клеточной мембраной (путь I) в клетку проникают оболочечные вирусы. Этот процесс обусловлен наличием специфических белков слияния. При этом наблюдается высвобождение нуклеокпсида в цитоплазму клетки [2] .

Путем рецептор-опосредованного эндоцитоза (путь II) в клетку проникают безоболочечные вирусы. Первоначально вирион связывается со специфическими рецепторами, расположенными на клеточной поверхности. Затем наблюдается инвагинация (впячивание) клеточной мембраны, образование эндосом (внутриклеточных вакуолей) и их слияние с лизосомами. В заключении, вирусный геном в цитоплазме клетки освобождается из эндосомы [2] .

Проникновение вируса в клетку (Путь II)

1. Вирион.; 2. Клетка.; 3. Эндосома.; 4. Ядро [2] .

Депротеинизация

Процесс депротеинизации (освобождения вирусной нуклеиновой кислоты – раздевание вируса) осуществляют протеолитические ферменты клетки (протеазы и липазы) [2] .

Смысл этого процесса состоит в удалении капсидов (вирусных оболочек). Конечные продукты раздевания вируса – сердцевины, нуклеокапсиды, нуклеиновые кислоты. Некоторые вирусы в качестве конечного продукта представлены нуклеиновыми кислотами, связанными с внутренним вирусным белком. После прохождения этапа депротеинизации выделить вирус из культуры клеток невозможно. Такое положение называют теневой фазой или фазой эклипса (затмения). В этот период вирус перестает существовать в качестве оформленного вириона [2] .

Синтез компонентов вируса

Синтез компонентов вирусов заключается в репликации вирусных нуклеиновых кислот и синтезе вирусных белков. Под репликацией понимается процесс самовоспроизведения нуклеиновых кислот, генов и хромосом, в основе которого лежит ферментативный синтез ДНК или РНК, проходящий по матричному синтезу [1] .

Место синтеза компонентов дочерних вирионов зависит от типа генома:

реализация генетической информации у ДНК-содержащих вирусов идет по пути: ДНК → транскрипция → иРНК → трансляция → белок;
реализация генетической информации у +РНК-содержащих вирусов идет без этапа транскрипции: +-РНК → трансляция → белок;
реализация генетической информации у РНК-содержащих вирусов с негативным геномом идет по схеме: минус-РНК → транскрипция → иРНК → трансляция → белок;
РНК-содержащие ретровирусы идут по следующему пути передачи информации: РНК → обратная транскрипция → ДНК → транскрипция → иРНК → трансляция → белок [2] .

ДНК-содержащий вирус, проникший в цитоплазму, транспортирует нуклеокапсид к ядру клетки. Вирусная ДНК проникает в структуры клеточного ядра, где и совершается транскрипция или переписывание информации с ДНК на РНК при помощи клеточной полимеразы. Исключение – вирус оспы. Несмотря на то, что он относится к ДНК-содержащим, но его транскрипция протекает в цитоплазме при участии ДНК-полимеразы, проникающего в клетку в составе вириона [2] .

Результатом транскрипции является и то, что на одной из нитей ДНК синтезируется иРНК. В последствии, она перемещается в цитоплазму клетки и запускает процесс трансляции – перевода генетической информации с иРНК на последовательность аминокислот в вирусных белках [2] .

Синтез белков наблюдается в рибосомах клетки-хозяина. Одновременно в ядре клетки протекает репликация (образование) дочерних нуклеиновых кислот на матрице материнской ДНК [2] .

Синтезированные дочерние молекулы ДНК в составе нуклеокапсида путем почкования перемещаются из ядра клетки в цитоплазму. При этом они захватывают фрагмент ядерной мембраны. В цитоплазме процесс репродукции завершается [2] .

РНК-содержащие ретровирусы отличаются тем, что после проникновения в клетку генетическая информация с их РНК переписывается на ДНК, то есть с помощью фермента ревертаза происходит обратная транскрипция. Ревертаза так же попадает в клетку вместе с ретровирусом. Вновь образованная ДНК интегрирует с клеточным геномом и в его составе участвует в образовании иРНК, необходимой для синтеза вирусных белков. Транскрипцию интегрированной ДНК в составе клеточных геномов (переписывание информации с ДНК на РНК) осуществляет клеточная ДНК-зависимая РНК полимераза [2] [4] .

Формирование дочерних вирионов

Сборка дочерних вирионов возможна только при узнавании вирусных нуклеиновых кислот и белков, и самопроизвольном их соединении друг с другом. На мембранах эндоплазматического ретикулума взаимодействуют нуклеиновая кислота и белки просто устроенных вирусов, что приводит к образованию упорядоченной структуры [2] .

Сложно устроенные вирусы характеризуются многоступенчатой сборкой. Первоначально их нуклеиновые кислоты взаимодействуют с внутренними белками, образуя нуклеокапсиды. Затем нуклеокапсиды выстраиваются с внутренней стороны клеточной мембраны под участками модифицированными оболочечными вирусными белками. В результате происходит самосброска вирионов. Количество зрелых вирионов, сформировавшихся в клетке, варьирует от 10 до 10000 и более [2] .

Выход вирионов

Высвобождение дочерних вирионов из клетки может быть осуществлено двумя способами:

взрывной – путем лизиса клетки;
путем почкования[2] .

Путь лизиса клетки тесно связан ее деструкцией. Он характерен для безоболочечных вирусов, не имеющих суперкапсидной оболочки (суперкапсида) [2] .

Выход путем почкования характерен для оболочечных вирусов. При этом клетка-хозяин некоторое время сохраняет жизнеспособность. Содержащие суперкасид вирусы, высвобождаются в течении 2–6 часов. В начале суперкапсидные белки устанавливаются на наружной поверхности мембраны в виде своеобразных шипов, вытесняя клеточные белки. Затем через модифицированную клеточную мембрану проходит нуклеокапсид с образованием суперкапсида [2] .

Читайте также: