Существуют некоторые общие закономерности размножения вирусов. Во-первых, все РНК-содержащие вирусы, кроме вирусов гриппа и ретровирусов, размножаются в цитоплазме. Для своего размножения вирусы гриппа А и В и ретровирусы проникают в ядро, что связано с особенностями поведения их генома. Во-вторых, размножение всех ДНК-содержащих вирусов, кроме вирусов оспы, протекает в ядре, где происходит транскрипция и репликация их геномных нуклеиновых кислот, и в цитоплазме, где происходит трансляция вирусных белков, их процессинг и морфогенез вирионов. Лишь размножение вирусов группы оспы происходит в цитоплазме клетки, поскольку они обладают собственными системами транскрипции.

Другая особенность размножения вирусов заключается в том, что их нуклеокапсидные белки синтезируются на свободных полирибосомах (не связанных с мембраной), а суперкапсидные белки - на рибосомах, ассоциированных с мембранами (на шероховатых мембранах). Кроме того, белки некоторых вирусов подвергаются протеолитическому процессингу и гликозилированию. Различают два типа протеолитического процессинга: каскадный и точечный.

При каскадном протеолизе вновь синтезированный вирусный полипептид-пред­шественник (полипротеин) подвергается последовательному «нарезанию» с образованием более коротких полипептидов, часть из которых дополнительно разрезается на более мелкие субъединицы. Ряд ступеней такого каскадного протеолиза осуществляется определенной областью самого полипротеина, обладающего протеазной активностью. Такому каскадному процессингу подвергаются белки у ретровирусов, пикорнавирусов, альфа-, флави- и других вирусов. Для них такое протеолитическое нарезание белков является жизненно важным этапом репродукции, поскольку оно обусловливает реализацию их функций.

При точечном протеолизе разрезанию подвергается один (реже несколько) из ви­русных полипептидов. Разрезание происходит, как правило, в определенном участке полипептида. Такой тип протеолиза необходим для того, чтобы определенный белок вируса приобрел свою специфическую активность. Например, суперкапсидный белок вируса гриппа - гемагглютинин - разрезается на две субъединицы: большую и мень­шую. В результате меньшая субъединица приобретает способность сливаться с мембранами клетки-мишени и ее лизосомами. Благодаря этому вирус гриппа приобретает способность проникать в клетку. Такой точечный протеолиз наблюдается у ортомиксовирусов, парамиксовирусов, ротавирусов, вирусов группы оспы и др. Точечный про­теолиз, как и каскадный, жизненно важен для вируса.

Наконец, еще одна особенность вирусов, обладающих суперкапсидом, заключается в том, что суперкапсидные белки подвергаются в ходе своей транспортировки на наружную поверхность клеточной мембраны гликозилированию.

Первооткрыватель вирусов Д. И. Ивановский выявил два их основных свойства они столь малы, что проходят через фильтры, задерживающие бактерии, и их невозможно, в отличие от клеток, выращивать на искусственных питательных средах. Лишь с помощью электронного микроскопа удалось увидеть эти мельчайшие из живых существ и оценить многообразие их форм.

Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию. Вирусы могут существовать в двух формах: внеклеточной и внутриклеточной. Вне клеток вирионы (вирусные частицы) не обнаруживают признаков жизни. Попав в организм, они проникают в чувствительные к ним клетки и переходят из покоящейся формы в размножающуюся.

Начинается сложное и многообразное взаимодействие вирусов и клетки, заканчивающееся образованием и выходом в окружающую среду дочерних вирионов.

В зависимости от длительности пребывания вируса в клетке и характера изменения её функционирования различают три типа вирусной инфекции. Если образующиеся вирусы одновременно покидают клетку, то она разрывается и гибнет. Вышедшие из неё вирусы поражают новые клетки. Так развивается литическая(разрушение, растворение) инфекция. При вирусной инфекции другого типа, называемой персистентной(стойкой) , новые вирусы покидают клетку хозяина постепенно. Клетка продолжает жить и делится, производя новые вирусы, хотя её функционирование может измениться.

Третий тип инфекции называется латентным(скрытым). Генетический материал вируса встраивается в хромосомы клетки и при её делении воспроизводится и передаётся дочерними клетками. При определённых условиях в некоторых из заражённых клеток латентный вирус активируется, размножается, и его потомки покидают клетки. Инфекция развивается по литическому или персистентному типу. Болезни, которые вызываются вирусами, легко передаются от больных здоровым и быстро распространяются. Долгое время полагали, что вирусы вызывают острые массовые заболевания. К настоящему времени накоплено много доказательств того, что вирусы являются причиной и различных хронических болезней длящихся годами и даже десятилетиями. Разработка методов изучения вирусов, открытие вирусов (теперь их известно около полутора тысяч), определение диапазона их болезнетворных проявлений и попытки борьбы с ними были основным содержанием вирусологии первый половины нашего столетия. Именно негативные свойства вирусов, точнее способность вызывать болезни, послужили вначале главным стимулом к их изучению. Но в процессе этой работы были обнаружены многие положительные свойства вирусов,благодаря которым во второй половине 20 в. они стали замечательной моделью для исследования фундаментальных проблем биологии. С их помощью были сделаны такие выдающиеся открытия, как расшифровка генетического кода и строение генетических нуклеиновых кислот, установлены закономерности синтеза белков. Вирусы оказались основным инструментом генетической инженерии. Теперь мы знаем что по своему строению и свойствам вирусы занимают промежуточное место между сложнейшими химическими веществами (полимерами, макромолекулами) и простейшими организмами (бактериями).

1.1Строение и химический состав вирионов.

Самые крупные вирусы (вирусы оспы) приближаются по размерам к небольшим размерам бактерий, самые мелкие (возбудители энцефалита, полиомиелита, ящура)к крупным белковым молекулам, направленных к молекулам гемоглобина крови. Иными словами, среди вирусов есть свои великаны и карлики. Для измерения вирусов используют условную величину, называемую нанометром (я1нм). Один нм составляет миллионную долю миллиметра. Размеры разных вирусов варьируют от 20 до нескольких сотеня1 нм.

Простые вирусы состоят из белка и нуклеиновый кислоты. Наиболее важная часть вирусной частицы нуклеиновая кислота является носителем генетической информации. Если клетки человека, животных, растений и бактерий всегда содержат два типа нуклеиновых кислот дезоксирибонуклеиновую кислоту ДНК и рибонуклеиновую РНК, то у разных вирусов обнаружен лишь один тип или ДНК, или РНК, что положено в основу их классификации. Второй обязательный компонент вириона белки отличаются у разных вирусов, что позволяет распознавать их с помощью иммунологических реакций.

Более сложные по структуре вирусы, кроме белков и нуклеиновых кислот, содержат углеводы, липиды. Для каждой группы вирусов характерен свой набор белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Некоторые вирусы содержат в своём составе ферменты. Каждый компонент вирионов имеет определённые функции: белковая оболочка защищает их от неблагоприятных воздействий, нуклеиновая кислота отвечает за наследственные и инфекционные свойства и играет ведущую роль в изменчивости вирусов, а ферменты участвуют в их размножении. Обычно нуклеиновая кислота находится в центре вириона и окружена белковой оболочкой (капсидом), как бы одета в неё.

Капсид состоит из определённым образом уложенных однотипных белковых молекул (капсомеров), которые образуют симметричные геометрические формы в месте с нуклеиновой кислотой вирусы (нуклеокапсид). В случае кубической симметрии нуклеокапсида нить нуклеиновой кислоты свёрнута в клубок, а капсомеры плотно уложены вокруг неё. Так устроены вирусы полиомиелита, ящура и др.

При спиральной (палочковидной) симметрии нуклеокапсида нить вируса закручена в виде спирали, каждый её виток покрыт капсомерами, темно прилегающими друг к другу. Структуру капсомеров и внешний вид вирионов можно наблюдать с помощью электронной микроскопии.

Большая часть вирусов, вызывающих инфекции у человека и животных, имеет кубический тип симметрии. Капсид почти всегда имеет форму икосаэдра правильного двадцатигранника с двенадцатью вершинами и с гранями из равносторонних треугольников.

Многие вирусы помимо белкового капсида имеют внешнюю оболочку. Кроме вирусных белков и гликопротеинов она содержит ещё и липиды, позаимствованные у плазматической мембраны клетки хозяина. Вирус гриппа пример спирального вириона в оболочке с кубическим типом симметрии.

Современная классификация вирусов основана на виде и формы их нуклеиновой кислоты, типе симметрии и наличии или отсутствие внешней оболочки.

1.2Размножение вирусов.

Размножение вирусов происходит особым, ни с чем не сравнимым способом. Сначала вирионы проникают внутрь клетки, и освобождаются вирусные нуклеиновые кислоты. Затем "заготавливаются" детали будущих вирионов. Размножение заканчивается сборкой новых вирионов и выходом их в окружающую среду.

Рассмотрим простейший способ размножения вирусов. Представим себе некий обобщённый вариант вирусной частицы, состоящей из двух основных компонентов нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), заключённой в белковой чехол (оболочку). Встреча вирусов с клетками начинается с его адсорбции, то есть прикрепления к клеточной стенки, плазматической мембране клетки. Причём каждый вирион способен прикрепляться лишь к определённым клеткам, имеющие специальные рецепторы. На одной клетке могут адсорбироваться десятки и даже сотни вирионов. Затем начинается внедрение или проникновение вириона в клетку, которое осуществляет она сама. Этот процесс называется виропексисом.

Клетка как бы "втягивает" прикрепившихся вирионов внутрь. Более просто устроены бактерии не способны сами захватывать вирионы из окружающей среды. Этим, по видимому, и можно объяснить наличие у поражающих их вирусов сложного и совершенного аппарата, подобно шприцу, впрыскивающего нуклеиновые кислоты.

В зараженной клетке бактериальные ферменты репликации синтезируют комплиментарную ей цепь, которая служит матрицей для образования фаговых ДНК. Они соединяются с фаговыми белками, также синтезированные бактериальными ферментами, и новые фаги покидают клетку хозяина.

Разнообразие видов и форм вирусов нуклеиновых кислот определяет и разнообразие способов их репликации. Бактериофаг (вирус, который поселяется в клетках бактерий) Т4 имеет одну двухцепочечную линейную молекулу, состоящую из 160x10 пар нуклеотидов. В ней закодировано более 150 различных белков, в том числе более 30 белков, участвующих в репликации фаговой ДНК. Обезьяний вирус SV40 имеет двухцепочечную кольцевую ДНК. Репликация у вирусов с двухцепочечной ДНК принципиально не отличается от репликации бактериальной и или эукариотической ДНК.

Многие вирусы растений содержат одну линейную молекулу РНК, например первый из описанных вирус табачной мозаики (ВТМ). Молекула РНК ВТМ заключена в белковый капсид, состоящий из 2130 идентичных полипептидных субъединиц.

Репликация РНК вируса табачной мозаики осуществляется ферментом, называемым РНК зависимой РНК полимеразой, закодированной в геноме вируса. Сначала этот фермент строит комплиментарную РНК, а затем по ней, как по матрице, синтезирует множество вирусных РНК.

Поразительно, как вирусы, которые в десятки и даже сотни раз меньше клеток, умело и уверенно распоряжаются клеточным хозяйством. Для построения себе подобных они используют клеточные материалы и энергию. Размножаясь, они истощают клеточные ресурсы и глубоко, часто необратимо, нарушают обмен веществ, что в конечном счёте является причиной гибели клеток.

Многие вирусы являются возбудителями заболеваний, таких как СПИД, коревая краснуха, эпидемический паротит (свинка), ветряная и натуральная оспа.

Вирусы имеют микроскопические размеры, многие из них способны проходить через любые фильтры. В отличие от бактерий, вирусы нельзя выращивать на питательных средах, так как вне организма они не проявляют свойств живого. Вне живого организма (хозяина) вирусы представляют собой кристаллы веществ, не имеющих никаких свойств живых систем.

Строение вирусов

Зрелые вирусные частицы называются вирионами. Фактически они представляют собой геном, покрытый сверху белковой оболочкой. Эта оболочка – капсид. Она построена из белковых молекул, защищающих генетический материал вируса от воздействия нуклеаз – ферментов, разрушающих нуклеиновые кислоты.

У некоторых вирусов поверх капсида располагается суперкапсидная оболочка, также построенная из белка. Генетический материал представлен нуклеиновой кислотой. У одних вирусов это ДНК (так называемые ДНК-овые вирусы), у других – РНК (РНК-овые вирусы).

Размножение вирусов

Ретровирус, обеспечивающие обратную транскрипцию: на матрице РНК строится одноцепочечная молекула ДНК. Из свободных нуклеотидов достраивается комплементарная цепь, которая и встраивается в геном клетки-хозяина. С полученной ДНК информация переписывается на молекулу и-РНК, на матрице которой затем синтезируются белки ретровируса.

Вирионы представляют собой инертные формы, которые сами по себе не размножаются, а лишь существуют для передачи от одного организма другому и для перехода из одной клетки хозяина в другую и сохранения во внешней среде. В последнем случае они как бы напоминают роль споровых форм микроорганизмов.

Размножение вирусов является результатом репликации их генома и репродукции других структурных компонентов вириона. Эти процессы происходят внутри инфицированной клетки. Для того, чтобы вирус мог размножиться, он должен вначале заразить клетку; чтобы заразить клетку, вирус должен связаться с клеточной поверхностью, проникнуть в клетку и «раздеться» до такой степени, чтобы его геном стал способен реализовать свои генетические функции, в результате чего появится новое потомство вируса. Спектр хозяев разных вирусов значительно варьирует, он определяется как видами животных, так и типами клеток, в которых данный вирус может размножаться.

Одни вирусы имеют широкий спектр хозяев, другие заражают лишь клетки одного типа определенных видов животных. Способность клеток и организма заражаться вирусом называют, соответственно, чувствительностью и восприимчивостью. Когда восприимчивый организм вступает в контакт с вирусом, первоначально заражаются лишь чувствительные клетки у входных ворот инфекции (например, миндалины). Однако для клинического проявления инфекции этого может оказаться недостаточно, так как болезнь возникает вследствие заражения клеток-мишеней (например, нейронов, гепатоцитов) после того, как вирус размножился на месте внедрения в организм. В ряде случаев клетки-мишени располагаются у входных ворот инфекции (например, кишечные, респираторные инфекции).

События, происходящие в инфицированной клетке, могут существенно различаться и конечный результат их также может быть различным - от размножения вируса (продуктивная инфекция) с разрушением или/без разрушения клеток до трансформации клеток, которые приобретают способность к неограниченному делению.

Многие цитопатогенные вирусы обладают способностью к установлению персистентной инфекции в чувствительных клетках. Молекулярные механизмы персистенции вирусов в клеточных культурах окончательно не выяснены.

Репликация вирусов занимает центральное место в молекулярной биологии. Основные закономерности репликации вирусов первоначально были изучены в опытах с бактериофагами, а с появлением культур клеток млекопитающих эти методы были адаптированы к вирусам животных.

В начале инфекций в клетку проникает вирусный геном (РН К или ДНК), часто вместе с необходимыми вирионными белками. Несмотря на существенные различия в стратегии размножения разных семейств ДНК- и РНК-вирусов, особенно в отношении транскрипции и репликации их геномов, этот процесс имеет общие характерные особенности, свойственные всем вирусам. Главная из них состоит в том, что способность вирусов к размножению и судьба зараженных клеток зависят от синтеза и функции продуктов вирусных генов - белков, которые обеспечивают: а) репликацию вирусного генома и синтез вирусных белков, б) упаковку генома в вирусные частицы (вирионы) и в) изменение структуры и (или) функции зараженных клеток.

Стратегия, применяемая вирусами для обеспечения этих функций, варьирует. Иногда вирусные белки (папиллома и полиомавирусы) просто помогают ферментам клетки хозяина реплицировать вирусный геном. В большинстве случаев вирусные белки сами обеспечивают репликацию вирусного генома, но даже наиболее независимые вирусы, как правило, используют при этом по крайней мере несколько белков хозяина.

Процесс размножения вирусов условно разделяют на 5 стадий (Стейниер, Эдельберг, Ингрэм, 1979):

проникновение в клетку хозяина;

синтез ферментов;

синтез составных частей вируса;

сборка составных частей вируса с образованием зрелых вирионов;

выход зрелых вирионов из клетки хозяина.

Установлено, что процессы проникновения вируса в клетку различны у вирусов бактерий, растений и животных. Так, если вирусы животных адсорбируются непосредственно на мембране клетки-хозяина, то вирусы бактерий и растений должны пройти через клеточную стенку. При этом вирусы растений не обладают специальным аппаратом для преодоления клеточной стенки, поэтому они могут попасть внутрь растения только через различные ранки. На листьях и корнях растений достаточно часто имеются мельчайшие механические поранения через которые и проникают вирусы табачной мозаики, Х-вирус картофеля и др. Однако большинство вирусов попадает в растения с помощью переносчиков, в роли которых чаще выступают насекомые с сосущим ротовым аппаратом (тли, цикадки), а также клещи, фитонематоды, грибы. Процесс проникновения завершается удалением белкового капсида (раздевание вириона) и появлением внутри клетки свободной нуклеиновой кислоты вируса, что приводит к синтезу вирус-специфических белков и репликации самой вирусной нуклеиновой кислоты.

4. Передача вирусов растений

Растительные вирусы могут передаваться от одного растения к другому только с клеточным соком. Источники инфекции и способы ее передачи могут быть различны: механическая передача соком от больного растения к здоровому; передача через почву или через семена и пыльцу; передача переносчиками: насекомыми, клещами, нематодами, грибами (Гиббс, Харрисон, 1978).

Передача путем механического контакта встречается крайне редко, например, при касании листьев здоровых растений, с листьями растений, инфицированными вирусами происходит повреждение краев листьев и листовых волосков. При этом выделяемый зараженными растениями сок проникает в ранки здоровых растений и таким образом заражает их. Иногда заражение вирусов происходит при соприкосновении под землей здоровых корней растений с зараженными. У древесных пород корни соседних растений иногда срастаются. Передача вирусов через почву заключается в перемещении свободных вирусных частиц током почвенного раствора. Такие вирусы попадают в почву после разложения питательных остатков. В условиях гидропонной культуры растения могут выделять свободные вирусы из корней в субстрат, которые с током питательного раствора заражают здоровые растения (Минкевич, 1984). Считается, что вирусы не столь часто передаются через семена и пыльцу, тем не менее насчитывается не менее тридцати вирусов, которые инфицируют растения таким образом. При этом, как считают А.Гиббс и Б.Харрисон (1978), возможность такой передачи зависит от множества факторов: температуры, генотипа хозяина, времени заражения. Наиболее успешно инфицируются растения при умеренных температурах, нежели при очень высоких или очень низких. Эффективность передачи вируса зависит от соотношения между моментом заражения и временем цветения, а также от расположения цветков на растении. Большинство вирусов, передающихся через пыльцу, не способно заражать растения, если опыление цветков уже произошло.

Вирусы могут передаваться также с вегетативными частями и органами растений: с клубнями, корнями, черенками и отводками. Однако наиболее часто вирусы передаются с помощью переносчиков, в роли которых выступают насекомые, клещи, нематоды, грибы. Вирус сохраняется в организме переносчика в инфекционной форме определенное время. Состояние, при котором переносчик сохраняет инфекционность после того как покинет зараженное растение, называется персистентностью. Различают три основные типа персистентности: неперсистентность, полуперсистентность и персистентность. Неперсистентность означает, что переносчик сохраняет инфекционность в течение нескольких часов (до четырех);

Полуперсистентность наблюдается в том случае, когда переносчик сохраняет инфекционность в течение 10-100 часов:

Персистентность – когда переносчик сохраняет инфекционность более 100 часов, а иногда в течение всей жизни. Среди насекомых основная роль в качестве переносчиков вирусов принадлежит тлям. Дело в том, что их ротовой аппарат очень хорошо приспособлен для инокуляции растений. Тли имеют очень тонкие стилеты, которыми прокалывают ткани растений, без грубых их повреждений, что способствует успешности заражения. Кроме тлей вторую по значимости группу переносчиков вирусов составляют цикадки, светоноски и горбатки. Переносимые этими насекомыми вирусы, чаще всего вызывают пожелтение или скручивание листьев у растений. Установлено, что эти переносчики питаются в основном флоэмой растений, поэтому вирусы концентрируются в основном во флоэме.

Переносчиками ряда вирусов, особенно в регионах с жарким климатом, могут быть белокрылки. Также как и цикадки они питаются в основном на флоэме, поэтому их личинки являются оседлыми. Чаще всего белокрылки являются переносчиками вирусов, вызывающих мозаики и деформации.

Среди жуков в роли переносчиков вирусов чаще выступают листоеды, реже долгоносики. Вирусы, передающиеся этими насекомыми, вызывают мозаику и крапчатость. Жуки приобретают вирус в течение 5 мин., причем здоровые растения могут заражаться вирусом либо сразу после поглощения их переносчиками, либо на следующий день. В жуках вирусы могут оставаться в течение нескольких дней или недель

В передаче вирусов участвуют насекомые и некоторых других групп, однако по каждой такой группе пока отмечено лишь небольшое число переносчиков. Переносчиками вирусов могут быть и клещи, хотя спектр растений-хозяев у них довольно ограничен. Передаваемые клещами вирусы вызывают реверсию смородины, мозаику персика, мозаику инжира, розеточные болезни роз. Клещи имеют тонкие стилеты, прокалывающие клетки растений. От растения к растению клещи чаще распространяются ветром.