Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002

Клетки и вирусы
РНК-содержащие вирусы

Рис. 5.1.

РНК-СОДЕРЖАЩИЕ ВИРУСЫ не имеют ДНК; генетическая информация этих вирусов закодирована в РНК. РНК может быть одно- или двухцепочечной, а клетка-хозяин — про- или эукариотической. Только вирусы с одноцепочечной РНК заражают бактерии, тогда как вирусы растений и животных могут быть как одно-, так и двухцепочечными.

Вирусы с двухцепочечной РНК заражают как растения, так и животных. Например, вирус колорадской клещевой лихорадки и вирус карликовости риса заражают соответственно насекомых и растения. Эти вирусы содержат РНК в сегментированной форме: в виде некоторого числа двухцепочечных фрагментов.

Вирусы с одноцепочечной РНК можно разделить на два типа: с «плюс»-цепью и «минус»-цепью. У вирусов первого типа цепь РНК может функционировать в клетке-хозяине непосредственно как мРНК, тогда как у вирусов второго типа на «минус»-цепи должна сначала с помощью клеточных РНК-полимераз образоваться «плюс»-цепь. Вирусы животных бывают как первого, так и второго типов, а большинство вирусов растений относятся к «плюс»-типу. Особый класс «плюс»-одноцепочечных вирусов образуют ретровирусы, которые способны заражать только клетки животных. Они отличаются от других РНК-содержащих вирусов тем, что имеют диплоидный геном, состоящий из двух идентичных «плюс»-цепей РНК. В качестве примеров одноцепочечных РНК-содержащих вирусов ниже будут рассмотрены вирус гриппа, вирус табачной мозаики и ретровирусы.

РЕОВИРУСЫ — это икосаэдрические вирусы без оболочки, белковый капсид которых состоит из двух слоев — наружного и внутреннего. Внутри капсида находятся 10 или 11 сегментов двухцепочечной РНК.

Инфекционный процесс начинается с проникновения в клетку РНК и затем протекает в соответствии со схемой 1 (см. рис. 5.2). После частичного разрушения наружного капсида ферментами лизосом РНК в образовавшейся таким образом субвирусной частице транскрибируется, ее копии покидают частицу и соединяются с рибосомами. Затем в клетке-хозяине продуцируются белки, необходимые для формирования новых вирусных частиц.

Рис. 5.2. Обобщенная схема размножения РНК-содержащих вирусов.

Репликация РНК вирусов происходит по консервативному механизму - в отличие от репликации у ДНК- содержащих организмов, которая полуконсервативна (гл. 20). Одна из цепей каждого сегмента РНК служит матрицей для синтеза большого числа новых «плюс»-цепей. На этих «плюс»-цепях образуются затем как на матрице «минус»-цепи; «плюс»- и «минус»-цепи при этом не расходятся, а остаются вместе в виде двухцепочечных молекул. Сборка новых вирусных частиц из новообразованных «плюс»- и «минус»-сегментов и капсидных белков связана каким-то образом с митотическим веретеном клетки-хозяина, однако точно механизм сборки не известен.

ВИРУС ГРИППА является примером вируса с «минус»-одноцепочечной РНК. У него есть оболочка и спиральная сердцевина. Последняя состоит из восьми сегментов «минус»-РНК, которые в комплексе с белками образуют спиралевидные структуры. Каждый сегмент кодирует один из белков вируса. В наибольшем количестве вирус содержит белок матрикса, располагающийся на внутренней стороне оболочки и придающий ей стабильность. Все белки оболочки кодируются вирусной РНК, тогда как липиды являются по своему происхождению клеточными (см. «ДНК-содержащие вирусы», раздел «Сборка»). Основные белки оболочки — гемагглютинин и нейраминидаза.

Инфекционный процесс, протекающий по схеме 1 (см. рис. 5.2), начинается с прикрепления вируса к поверхности клетки-хозяина через гемагглютинин. Затем происходит слияние оболочки с клеточной мембраной, нуклеопротеиновая сердцевина (нуклеокапсид) входит в клетку, и кодируемая вирусом РНК-зависимая РНК-полимераза синтезирует «плюс»-цепи мРНК на вирусных «минус»-цепях, после чего на рибосомах клетки-хозяина продуцируются вирусные белки. Некоторые из этих белков играют важную роль в репликации вирусного генома.

Репликация происходит в ядре, где с помощью той же, но, вероятно, модифицированной РНК-полимеразы образуются «минус»-цепи РНК. После того как в ядро поступают нуклеокапсидные белки, происходит сборка нуклеокапсида. Затем нуклеокапсид проходит через цитоплазму, присоединяя по пути белки оболочки, и покидает клетку, отпочковываясь от ее плазматической мембраны. Считается, что в процессе отпочковывания принимает участие нейраминидаза.

ВИРУС ТАБАЧНОЙ МОЗАИКИ - пример одноцепочечного вируса растений. Этот не имеющий оболочки спиральный вирус содержит 2130 идентичных молекул белка капсида и одну цепь РНК. РНК располагается в спиральном желобке, образованном белковыми субъединицами, и удерживается многочисленными слабыми связями.

Инфекционный процесс, протекающий по схеме 1 (см. рис. 5.2), состоит в проникновении вируса в растительную клетку с последующей быстрой утратой им капсида. Затем в результате трансляции непосредственно «плюс»-цепочечной вирусной РНК рибосомами клетки-хозяина образуются несколько белков, часть которых необходима для репликации вирусного генома.

Репликация осуществляется РНК-репликазой, продуцирующей копии РНК для новых вирионов. Синтез белка капсида происходит только после того, как инфицировавшая клетку РНК подвергается некоторой модификации, делающей возможным присоединение рибосом клетки к тому участку РНК, которым кодируется этот белок. Сборка вириона начинается с образования дисков из белка капсида. Два таких белковых диска, располагаясь концентрически, образуют похожую на бисквит структуру, которая после связывания с ней РНК приобретает форму спирали. Последующее присоединение молекул белка продолжается до тех пор, пока РНК не будет покрыта полностью. В своей окончательной форме вирион представляет собой цилиндр длиной 300 нм.

РЕТРОВИРУСЫ относятся к «плюс»-одноцепочечным РНК-содержащим вирусам животных; почти все они являются онкогенными. У ретровирусов есть оболочка и икосаэдрическая сердцевина, содержащая две идентичные молекулы «плюс»-цепочечной РНК.

Инфекционным процесс начинается с проникновения вируса в клетку, происходящего в соответствии со схемой 1 (см. рис. 5.2), но в дальнейшем протекает по схеме 2. После высвобождения РНК в цитоплазме

клетки-хозяина РНК-зависимая ДНК-полимераза, кодируемая вирусным геномом, синтезирует на «плюс»-цепях РНК «минус»-цепи ДНК. Затем рибонуклеиновая цепь в РНК/ДНК-гибриде разрушается, и на «минус»-цепи ДНК как на матрице образуется «плюс»-цепь ДНК. Получившаяся в результате двухцепочечная ДНК перемещается в ядро клетки-хозяина и встраивается там в клеточную ДНК.

Репликация ретровирусов происходит в процессе обычной, осуществляемой клеткой транскрипции клеточной ДНК, в которую теперь встроен вирусный геном. Параллельно идет синтез вирусных белков, которые вместе с копиями РНК, синтезированными транскрибирующими ферментами клетки-хозяина, формируют новые вирионы, отпочковывающиеся затем через плазматическую мембрану. Нередко в результате заражения ретровирусом изменяется характер роста клеток, и по своему поведению они начинают походить больше на опухолевые, чем на нормальные клетки: их рост становится быстрым и намного менее зависимым от поступающих извне стимуляторов, таких как гормоны или факторы роста. В настоящее время уже известно, что определенные гены ретровирусов кодируют белки, способные поддерживать клетки в таком состоянии, когда они более или менее непрерывно делятся (гл. 29). Выделение и идентификация этих белков будут способствовать пониманию механизма опухолевого роста.