Отличия геномов вирусов от геномов организмов

• Размеры. Если ориентировочно учесть, что геном эукариот имеет размер 4х109

п.н. и длину, достигающую 1,5-2 метра, а геном прокариот – 6х106 п.н., то размеры геномов вирусов значительно меньше. Так, размер генома крупных ДНК-содержащих вирусов составляет только 2-4х105 п.н. (200-450 т.п.н. у поксвирусов и вирусов герпеса), минимальные вирусы имеют геном длиной 1 мкм и состоящий из 1,2 т.п.н. Самый маленький геном среди вирусов, поражающих человека, имеет вирус гепатита В (3,2 т.п.н.).

• Экономичность. Размеры геномов вирусов определяются емкостью капсида вириона.

В связи с этим, вирусы очень экономно хранят генетическую информацию, что

проявляется отсутствием многократно повторяющихся генов и, часто, наличием

перекрывающихся ОРС.

• Наличие двух типов геномов. Носителем генетической информации у вирусов может

быть как ДНК, так и РНК.

Многообразие структурных форм и ДНК и РНК. Природа как бы испробовала на вирусах все возможные варианты структурной организации нуклеиновых кислот. Способ укладки. Способ укладки зависит от вида генома: (+)РНК может быть «голой»; (-)РНК, как правило, ассоциирована с белками нуклеокапсида и образует структуру под названием рибонуклеопротеид (РНП); ДНК вирусов ассоциирована с белками, подобными гистонам эукариот, и организована в виде типичных нуклеосом. Разнообразие стратегий репликации, основанных на ДНК-зависимом синтезе ДНК, РНК-зависимом синтезе РНК и РНК-зависимом синтезе ДНК.

Для сохранения генетической информации в окружающей среде и передачи ее новому

поколению вирусы упаковывают геномные нуклеиновые кислоты в белковый капсид и

часто в суперкапсид (липидсодержащая оболочка), формируя внеклеточную форму вируса

– вирион. Как правило, вирионы, попадая в клетку, обеспечивают продуктивный

инфекционный цикл, давая вирусное потомство. Однако целый ряд, так называемых

интегративных вирусов, встраивают свой геном в хромосомы хозяина, в том числе клеток

зародышевой линии, обеспечивая длительное сохранение генетической информации

вируса в ряду поколений хозяина.

Краткая характеристика универсального жизненного цикла вирусов

Нигде в природе нет таких паразитарных отношений, которые происходят между вирусом и клеткой-хозяином. Вирусы используют клетку для воспроизводства, эксплуатируя клеточные машины для репликации и сборки вирусных компонентов и выпуска потомства вирионов. Независимо от того, имеют ли вирусы ДНК или РНК геном, вирусы эукариот имеют общий жизненный цикл, который начинается с взаимодействия со специфическим рецептором на поверхности клетки (рис.3). После адсорбции вириона на клеточной поверхности в процессе проникновения, геном вирусов подвергается раздеванию. Раздетый, или частично раздетый, геном обеспечивает внутриклеточную репродукцию вируса. При реализации внутриклеточной стадии жизненного цикла вирус осуществляет три молекулярных процесса: репликацию геномной нуклеиновой кислоты, транскрипцию и трансляцию. На каждой стадии вирус вмешивается в клеточные синтетические механизмы и подчиняет их своим задачам, создавая приоритеты для вирусных нуклеиновых кислот.

Вирусные частицы показаны голубым цветом. Вирусы проникают в клетку через взаимодействие со специфическими рецепторами и/или другими компонентами на мембране клетки. Взаимодействие с клеточным рецептором стимулирует проникновение через мембрану клетки и раздевание вирионов.

Дезинтегрированные вирионы выпускают вирусный геном, после чего он становится доступным для транскрипции и трансляции. РНК-содержащие вирусы (за исключением ретровирусов) и поксвирусы реплицируются в

цитоплазме. Транскрипция всех других вирусных ДНК происходит в ядре. Транскрипцию и репликацию генома вируса сопровождают эндоплазматические стадии трансляции мРНК и сборки вириона. Выход зрелых вирионов может включать мембранный лизис и смерть клетки хозяина.

Механизмы репликации РНК-геномов.

Репликация РНК-геномов осуществляется вирусоспецифической RdRp, которая может входить в состав вириона или детерминироваться геномом. У тогавирусов (вирус Синдбис), репликация (+)РНК на стадии синтеза минус-нити (образование РФ) осуществляется только переходной версией RdRp, которая впоследствии протеолитически процессируется, что переключает матричную специфику RdRp на синтез положительных нитей.

Самый простой механизм репликации РНК реализует вирус гепатита дельта, в котором клеточная РНК-полимераза II с использованием механизма катящегося кольца синтезирует мультимерные РНК положительной и отрицательной полярности. После этого рибозим расщепляет линейные мономеры РНК на конкатамеры и ковалентно соединяет их в кольца, производя, таким образом, зрелые антигеномы и геномы, соответственно (рис.5А)Вирус гепатита дельта - единственный РНК-содержащий вирус животных, который использует для репликации РНК механизм катящегося кольца.

В отличие от ферментов, которые копируют ДНК с использованием затравки,

большинство RdRp могут начать синтез РНК de novo. Исключением является RdRp пикорнавирусов, которая для инициирования синтеза использует маленький вирусный белок (VPg), ковалентно связанный с урацилом. VPg удаляется при трансляции генома, но сохраняется при его инкапсидации (рис.5Б).

В другом механизме праймирования, ферменты, кодируемые ортомиксо- и

буньявирусами, отщепляют от клеточных мРНК короткие кэпированные

олигонуклеотиды и используют их для транскрипции, хотя репликацию РНК RdRp, ассоциированная с нуклеокапсидом, начинает de novo. RdRp аренавирусов также начинает репликацию (-)РНК de novo, для чего использует предпоследний нуклеотид матрицы, а затем перестраивает вновь синтезированный участок и использует его для репликации полного генома.

Уникальный механизм репликации генома осуществляют двукапсидные вирусы с сегментированным днРНК-геномом – реовирусы и бирнавирусы. У них первая стадиярепликации (она же и транскрипция) происходит в составе однокапсидной субвирусной частицы. Ассоциированная с коровой оболочкой RdRp синтезирует нити (+)РНК внутри субвирусной частицы, которые выходят в цитоплазму через поры (рис. 5В). Вновь синтезированные (+)РНК служат в качестве мРНК и как матрица для синтеза минус нити при сборке вириона.

Нельзя не отметить еще один механизм репликации, который осуществляют (+)РНК-содержащие ретровирусы. Это репликация через интеграцию с хромосомой клетки-хозяина. Сохраняя генетическую информацию в составе эндогенного провируса, ретровирусы реплицируют ее вместе с геномом клетки, подчиняясь его механизмам.

Репликация ДНК – содержащих вирусов.

На днДНК-матрице синтез идет через образование репликативной вилки

(рис.14) или с вытеснением цепи, на онДНК матрице – по-репарационному механизму. В репликативных вилках одна нить (ведущая) копируется непрерывно в направлении от 5’- к 3’-концу. Поскольку другая нить (отстающая) должна также синтезироваться от 5’- к 3’-концу, она копируется с перерывами, многократно инициируя синтез и соединяя короткие фрагменты Оказаки. Синтез ДНК в репликативной вилке обеспечивается целым набором белков-ферментов, которые могут иметь разное происхождение. Мелкие ДНК-содержащие вирусы используют клеточные репликативные белки. Лучше всех изучена репликация полиомавируса SV40, где вовлеченные репликативные белки были

идентифицированы в бесклеточной системе in vitro. Установлено, что в репликации ДНК SV40 принимают участие 10 белков. Девять из них имеют клеточное происхождение: ДНК-полимераза α (ответственна за инициацию синтеза ДНК в точке ori и синтез отстающей нити); праймаза (связана с ДНК-полимеразой и праймирует синтез фрагментов Оказаки); ДНК-полимераза d (ответственна за синтез лидирующей нити и завершение синтеза фрагментов Оказаки); пролиферативный клеточный ядерный антиген (PCNA), который связывается с ДНК-полимеразой d и формирует кольцо вокруг ДНК, увеличивая процессивность полимеразы; гетеропентамерный репликативный фактор C – RF-C (присоединяет кольцо PCNA на ДНК и стимулирует полимеразу d); RPA – онДНК-связывающий белок; РНаза H (удаляет все кроме одного рибонуклеотиды РНК-праймера);

Список использованной литературы:

• В.И. Иванов, Н.В. Барышникова, Дж.С. Билева, Е.Л. Дадали, Л.М. Константинова, О.В. Кузнецова, А.В. Поляков - Генетика, Москва, 2007

• Н.Н. Мушкамбаров, С.Л. Кузнецов – Молекулярная биология, Москва, 2003

• Н.А. Новикова - Учебно-методические материалы по программе повышения

квалификации «Хранение и обработка информации в биологических системах», Нижний Новгород, 2007

• Н.А. Агол., А.А. Богданов, В.А. Гвоздев и др. - Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. – М.: Высш. шк. – 1990.

• Н.А. Новикова, В.В. Новиков, Н.А. Добротина, В.Н. Мазепа -Вирусология. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского. – 2002.

• Ю.И. Полянский, А.Д. Браун, Н.М.Верзилин, А.С. Даниелевский, Л.Н. Жинкин, В.М. Корсунская, К.М. Суханова - Учебник общей биологии, Просвещение, 1999

Поиск по сайту: