Содержание
Симптомы вируса табачной мозаики
Как вредитель табачных плантаций долгое время не попадался в руки ученых и как он положил начало целой науке, какой вклад в его изучение внесла российская наука и один из первооткрывателей ДНК, Indicator.Ru рассказывает в рубрике «История науки».
Вирус табачной мозаики долго был обычным вирусом с одноцепочечной РНК, свернувшейся внутри, как пружинка. Он проживал свой краткий век, бурно размножаясь внутри растительных клеток на тысячи частиц, которые снова безжизненно замирали до встречи с новой жертвой, заставляя бледнеть оккупированные клетки, словно вывешивая на них табличку «занято».
Так продолжалось миллионы лет. Вирус менялся, эволюционировал и влачил существование, приличествующее объекту из двух с небольшим тысяч молекул. У него была всего одна «книга» наследственной информации длиной в 6400 нуклеотидов, завернутых в белковую оболочку — капсид.
Структура вируса табачной мозаики
Вирус поражал культурные растения, хотя начал он это делать явно раньше, чем те стали таковыми. Но тут у его жертв появился новый защитник — человек. За тысячелетия Homo напал на его след, но остановился в недоумении, не видя того, кто этот след оставляет. Нетрудно быть незаметным, имея 300 нанометров в длину!
Но даже не видя вируса, человек пытался поймать заразную частицу. Первым, кто доказал инфекционную природу заболевания табачной мозаики у пасленовых, был немецкий агроном Адольф Майер. Он искал паразита или грибок, смотрел на корни растений, проверял свет, температуру и прочие факторы, а потом, в лучших традициях Роберта Коха, «внезапно сделал открытие, что сок зараженных растений, полученный, если их истолочь в ступке, был, несомненно, инфицирующей субстанцией для здоровых растений».
Майер пропускал сок через фильтровальную бумагу, капал им на чашки, чтобы выделить и вырастить патогенные бактерии, но все было тщетно. Частицы были так малы, что удержать легко ускользающего сквозь поры бумаги виновника было практически невозможно — разве что белок мог быть так мал. Разочарованный, он решил, что белок не может размножаться сам, и не смог найти настоящее объяснение.
Адольф Майер (фотография 1875 года)
В конце XIX века поисками занялся русский ученый Дмитрий Ивановский. Он подошел к делу обстоятельнее, приготовив фарфоровые фильтры, которые использовались для выделения бактерий. Ничто крупнее бактерии не могло просочиться сквозь такие поры. Но и они не могли задержать вирус табачной мозаики. Много раз перепроверив фильтр и не найдя там ни трещин, ни другого брака, Ивановский понял, что частицы слишком малы. Он предположил, что это могла быть очень маленькая бактерия, которая почему-то не хочет культивироваться в лаборатории.
Ивановский рассказал о своей работе в Санкт-Петербургской Академии наук в 1892 году. Позже он также изучил таинственные кристаллические включения, которые образуются внутри клеток растений при заражении, и в 1903 году высказал гипотезу, что именно они и связаны с причиной заболевания. Но годом рождения вирусологии все равно считается 1892-й. Правда, само слово virus — «болезнетворный яд» — было придумано только в 1898 году голландцем Бейеринком, который считал его чем-то вроде инфекционной жидкости.
Так вирус табачной мозаики был «пойман с поличным» и постепенно стал знаменитым в микробиологическом мире. В 1908 году был открыт вирус полиомиелита, в 1911 — вирус саркомы Рауса (или саркомы кур), связанный с онкологическим заболеванием. Но лавры первого вируса (хоть и не из листьев пасленовых) принадлежали вирусу табачной мозаики безраздельно.
Вирус табачной мозаики
Ученым повезло, что структура вируса была не слишком сложной. Ровная белковая трубочка со спиральной симметрией и «пружинкой» РНК внутри, никаких икосаэдрических структур и дополнительных «одежд» из украденных у клетки кусков мембраны. Расплести ее удалось вскоре после появления подходящих методов.
В 1935 году вирус табачной мозаики кристаллизовал Уэнделл Стенли. Но вирус продолжал заражать листья табака и после этого, как ни в чем не бывало. Накапливались подтверждения, что ни одна известная бактерия так себя не ведет. Стенли увидел, что объект, вызывающий заражение, состоит почти полностью из белка, и решил, что перед ним фермент, который катализирует собственное размножение. За первую кристаллизацию вируса он получил Нобелевскую премию по химии в 1946 году.
В 1939 году вирус табачной мозаики впервые удалось увидеть в электронный микроскоп, изобретенный восемью годами ранее. Так виновник неурожайности табака потихоньку раскрыл свою личность, но не все его секреты так легко поддались ученым.
Строение вируса смогли разгадать только позже, с помощью кристаллографии. А поскольку одним из самых талантливых кристаллографов середины XX века была Розалинда Франклин, благодаря данным которой Уотсон и Крик смогли понять структуру ДНК, вирусу табачной мозаики повезло, что она решила связать с ним годы изысканий. Она предсказала его внутреннюю пустоту, а позже поняла и то, что его РНК была одноцепочечной.
Параллельно с ней работала и другая группа: Ханс Френкель-Конрат и Робли Уильямс из Беркли. В том же 1955 году они смогли показать, что в вирусе ничего нет, кроме РНК и белка. Они вплотную подошли к пониманию того, как вирусы размножаются, превращая клетку в фабрику своих деталей, которые сами собираются воедино. В 1960 году Френкель-Конрат и Уильямс секвенировали состояющую из 158 аминокислот последовательность вируса — самую длинную из известных на тот момент.
Так небольшой вирус, случайно найденный в соке растений, стал удобным объектом для изучения и обрел всемирную славу, превратившись в ключ к пониманию размножения и структуры всего своего царства. Для этого, как оказалось, не нужно быть выдающимся и сложным — ему достаточно было быть доступным для получения и вызывать большие проблемы у культивирующих табак агрономов, чтобы привлечь их внимание.
-
Наталия Белевцова 2 лет назад Просмотров:
1 8. Вирусы. Вирусы инфекционные агенты с простой, неклеточной структурой. Известно множество вирусных заболеваний человека, каждый год открываются новые заболевания, подобно атипичной пневмонии или птичьему гриппу. Первыми вирусными эпидемиями, описанными в истории, возможно, являются эпидемии кори и ветрянки в Римской Империи в гг. и гг. В Новом Свете ветрянка занесенная европейцами истребила до трети Астеков в 1520г. Миссионеры и исследователи в веках распространили инфекционные заболевания в Южной и Северной Америке, уничтожение коренного населения проложило дорогу освоению континента. История изучения вирусов. Первые знания о вирусных заболеваниях люди получили задолго до открытия вирусов. В начале 18в. в Англии стало известно о процедурах вариоляции (ранней практики оспопрививания) принятых в Османской Империи. Позже Эдуард Дженнер разработал метод вакцинации, его внимание привлекло популярное среди населения мнение о том, что люди, переболевшие оспой коров, не заболевают натуральной оспой. До 19 в. термин вирусы использовался для обозначения всех патогенов. В 1884г. коллега Пастера и изобретатель автоклава Чарльз Чемберлен создал фарфоровые фильтры, задерживающие бактериальный клетки. Российский исследователь Дмитрий Ивановский использовал фильтры для изучения вытяжки, полученной из растений, зараженных табачной мозаикой. Фильтрат не содержал бактериальных клеток, но заражал растения. В 1892г. Ивановский опубликовал работу о существовании инфекционных агентах, меньших размеров нежели бактерии (вирус табачной мозаики — ВТМ). 1
2 В 1900г. Уолтер Рид установил причину желтой лихорадки на Кубе вирус переносимый москитами. В 1915г. Фредерик Творт обнаружил бактериальные вирусы. Феликс д Эреллле описал лизис бактерий, вызывающих дизентерию и назвал вирусы бактериофагами Строение и жизненный цикл вирусов. Общие свойства вирусов. Вирусная частица вирион, содержит одну или несколько молекул ДНК или РНК и покрыта белковой оболочкой (внеклеточная форма). Внутриклеточная форма реплицирующаяся нуклеиновая кислота. Строение вирусов. Размер вирусных частиц нм в диаметре. Наименьшие вирусы немного больше рибосом, наибольшие (поксвирусы) сравнимы по размерам с небольшими бактериями и видимы в световой микроскоп. Все вирионы имеют нуклеокапсидное ядро (нуклеиновая кислота), снаружи белковый капсид. Спиралевидные капсиды образуют полую трубку (ВТМ) длиной 300 нм и диаметром 15-18нм. Вирус гриппа заключен в тонкую и гибкую оболочку. 2
3 Структура вируса табачной мозаики. Вирус гриппа оболочечный со спиральным капсидом. Вирус имеет сегментированный геном из 7 или 8 молекул РНК, каждая покрыта капсидными белками. Вирусы плеоморфны, Электронная микрофотография (350,000). 3
4 Икосаэдрические капсиды наиболее рациональное использование объема, лишь несколько генов необходимо для кодирования капсидных субъединиц, самоорганизующихся в капсидную структуру. Механизм сборки капсидов до конца не понятен, предполагается, что он проходит без участия ферментов. Икосаэдрические капсиды: а) Парвовирус собак, 12 капсомеров; б) Модель полиомавируса (72 капсомера, вызывает редкое димиелинизирующее заболевание ЦНС); в) Аденовирус (х ); г) Модель аденовируса. 4
5 Структура икосаэдрического капсида, сформированного из одного типа протомеров. Протомеры формируют пентоны и гексоны. 5
6 Вирусы со сложной структурой поксвирусы и бактериофаги. Один из самых больших вирус коровьей оспы (на рисунке). Некоторые бактериофаги имеют икосаэдрическую головку и спиральный хвост. Оболочечные вирусы. Многие вирусы животных имеют оболочку фрагмент мембраны клетки хозяина, также оболочка может состоять из пептидов, кодируемых геномом вируса. Один из наиболее изученных вирус гриппа, шипы на поверхности вируса (10нм), могут содержать фермент нейраминидазу, которая служит для выхода зрелых вирусных частиц из клетки-хозяина, также встречаются гемагглютинины, прикрепляющие вирусы к эритроцитам. Внутри капсида могут располагаться вирусные ферменты, например вирус гриппа несет РНКзависимую РНК полимеразу. 6
7 Вирусный геном. В геноме различных вирусов встречается ДНК и РНК в одно и двухцепочечном виде. Наименьшие геномы составляют нуклеотидов, у некоторых фагов достигает нуклеотидов и кодирует до 100 белков. ДНК-вирусы могут быть линейными или кольцевыми, некоторые могут переходить из одной формы в другую. РНК-вирусы (большинство имеют одиночную нить). Если последовательность РНК идентична ирнк положительная последовательность РНК (может сразу после попадания в клетку использоваться для синтеза белка). Отрицательная РНК комплементарна ирнк. Некоторые РНК-вирусы имеют сегментированные геномы, часто фрагменты кодируют по одному белку, встречаются вирусы с геномом, распределенным по нескольким вирусным частицам. 7
8 Типы вирусных геномов. Тип НК Структура НК Пример ДНК Одиночная Линейная Парвовирусы Кольцевая X174, M13, fd-фаги Линейная Вирус герпеса, цитомегаловирус, вирус Эпштейна-Барр, аденовирус, некоторые фаги Двойная Линейная с одиночными Т5 колифаги разрывами Двойная с замкнутыми Вирус ветряной оспы концами Кольцевая Полиомавирус, паппиломавирус РНК Одиночная Линейная, положительная Пикорнавирусы (полио, риновирусы), вирусы растений, фаги Линейная, отрицательная Рабдовирусы, паромиксовирусы (корь) Линейная, Вирус мозаики костра сегментированная, положительная Линейная, диплоидная (2 Ретровирусы (вирус саркомы Рауса, копии), положительная ВИЧ) Линейная, Парамиксовирусы, ортомиксовирусы сегментированная, отрицательная (грипп) Двойная Линейная, сегментированная Реовирусы, некоторые вирусы насекомых и растений Классификация вирусов. Современная «Балтиморская» система классификации вирусов основана на особенностях вирусного генетическом материала. 8
9 Репродукция вирусов. 9
10 Многие вирусы также культивируются на клеточных культурах или монослое клеток. Бактериальные и архейные вирусы воспроизводят, выращивая молодые колонии бактерий. Вирусы растений выращивают на целых растениях или клеточных культурах. Схема выделения вирусов. Происхождение вирусов. Происхождение вирусов остается неясным. Существует 2 основных гипотезы. Первая выдвигает предположение о том, сто наиболее сложные вирусы (поксвирусы, вирусы герпеса) произошли от небольших прокариотических клеток, которые вели паразитический образ жизни. Упрощение этих паразитических клеток (ретроградная эволюция) привело к возникновению вирусов. Однако вирусы радикально отличаются от прокариот и не известны более сложные вирусы промежуточные эволюционные формы. Другая гипотеза участки НК приобретшие частичную обособленность от клетки в результате ряда мутаций. НК ретровирусов и многие другие вирусы схожи с плазмидами и транспозонами. Малые РНК (вироиды) очень схожи с транспозонами. Возможно формирование вирусов шло по обоим направлениям. Различия между вирусами также крайне велики, вероятно независимое происхождение различных вирусов в ходе эволюции Вирусы прокариот. Вирусы бактерий бактериофаги, вирусы археев открыты недавно и изучены плохо. E. сoli может инфицироваться более чем 20 бактериофагами, фаги могут нарушать производственные процессы, основанные на использовании бактерий. Фаги археев отличаются от бактериальных. Фаги бактерий представлены всеми типами нуклеиновых кислот, вирусы археев только одноцепочечной ДНК. 10
11 Некоторые вирусы архебактерий способны к росту вне клетки хозяина. Рост вирусов археев вне клеток хозяина (a-d). Синтез белка и НК. ДНК-вирусы используют обычные механизмы для синтеза НК и белков. Т4 бактериофаг: через 2 минуты после попадания РНК полимераза синтезирует раннюю ирнк, используются для синтеза белков. Репликация ДНК инициируется в нескольких точках и идет в обе стороны. Фаг контролирует экспрессию своих генов, регулируя активность РНК полимеразы E. coli. Вирус использует обычную РНК полимеразу хозяина, затем она ингибируется. Поток генетической информации у ДНК-содержащих вирусов. 11
12 РНК фаги. Содержат обычно положительные РНК цепи, синтезирует РНрепликазу, которая синтезирует промежуточную молекулу РНК +/- (репликативная форма). Далее репликаза синтезирует тысячи копий +РНК, часть из которых функционирует как ирнк. Также обнаружено несколько дцрнк-фагов. Пример фаг ф6 (патоген растений), под капсидной оболочкой содержатся 3 фрагмента НК и РНК-зависимая РНКполимераза. Используя белки оболочки, вирус прикрепляется и проникает внутрь клетки. Внутри РНК-полимераза работает как транскриптаза, синтезируя вирусную ирнк на матрице каждого из сегментов. Также происходит репликация +РНК цепи. +РНК цепи заключенные в новый капсид, служат матрицами для синтеза РНК. Поток генетической информации у +РНК вирусов. 12
13 ДНК фаги. Известно много дцднк и несколько оцднк фагов. Воспроизведение кольцевых оцднк-фагов требует синтеза двухцепочечной репликативной формы ДНК с помощью полимеразы клетки. После сборки вирионов происходит лизис клетки и выход вирионов. Поток генетической информации у оцднк вирусов. Лизогенный и лизирующий циклы. Бактериофаг λ, паразит E. coli и классический объект вирусологических исследований один из фагов, способных к литическому и лизогенному жизненному циклу. В его ДНК есть регуляторный участок, содержащий два промотора, направленных в разные стороны. Этот участок очень мал, и поместиться на нём может только одна молекула хозяйской РНК-полимеразы. Она пойдёт либо в одном, либо в другом направлении, и продукт первого же гена, который она прочитает, закрепит сделанный выбор: альтернативный промотор будет заблокирован, и вирусу придётся следовать выбранному пути, до тех пор пока условия внешней среды не заставят его пересмотреть своё решение. 13
15 Схема «принятия решения» бактерией. В зависимости от направления движения РНК-полимеразы, реализуется тот или иной вариант жизненного цикла. Продвижение РНК-полимеразы вызывает синтез репрессора (b) либо активатора (с), последующие молекулы фермента могут двигаться только в одном, выбранном изначально направлении Вирусы эукариот. Из известных вирусов, большая часть поражает эукариотические клетки. Классификация вирусов разработана международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV) по признакам структуры генома, способа репликации, морфологии и генетического сходства. Воспроизведение вирусов эукариот. Адсорбция: Контакт вируса и клетки хозяина, для прикрепления используются рецепторы на поверхности мембраны клетки и вируса, так проявляется видовая и тканевая специфичность (вирус поражает клетки, имеющие определенные антигены). 15
16 Проникновение в клетку. Вирусы проникают через мембрану в клетку сразу после прикрепления. Механизмы различаются у оболочечных и безоболочечных вирусов. Разработано 2 модели: Слияние оболочки с мембраной, (парамиксовирусы, ретровирусы), в образующуюся пору входит капсид. Полимераза вируса, ассоциированная с оболочкой запускает транскрипцию вирусной РНК. Эндоцитоз (главным образом безоболочечных вирусов). Проникновение оболочечных (а и b) и безоболочесных (с) вирусов. 16
17 Репликация и транскрипция. «Ранние гены» направлены на синтез вирусной ДНК или РНК. Некоторые вирусы ингибируют синтез белков клетки, другие стимулируют синтез макромолекул. Парвовирусы инфицируют животных, включая человека, длина их генома (оцднк) около п.н., кодирует синтез 3 пептидов, все компоненты капсида. Вирусная ДНК реплицируется в S фазу клеточного цикла, одновременно с ДНК хозяина. Используя самокомплементарную последовательность на концах молекулы ДНК, парвовирус формирует праймер для запуска работы ДНК-полимеразы хозяина. Герпесовирусы представляют группу икосаэдрических оболочечных вирусов с линейной дцднк, длиной около п.н., кодирующей от 50 до 100 генов. После внедрения ДНК превращается в кольцо и РНК-полимераза хозяина транскрибирует её с образованием ирнк. Поксвирусы имеют дцднк, которая кодирует более 200 генов. Проникая по механизму рецептор-зависимого эндоцитоза в клетку, вирус синтезирует ирнк с помощью собственной ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Гепаднавирусы (гепатита В). Геном гепаднавирусов, полная, но разорванная цепь несет обратную транскриптазу, вторая неполная цепь с пробелом несет РНК фрагмент. В клетке хозяина пробел закрывается, образуя полную кольцевую молекулу. Белок вируса имеет три активности: ДНК-полимераза, обратная транскриптаза, РНКаза. 17
18 Воспроизведение РНК-вирусов более разнообразно, нежели ДНК-вирусов. Выделяют 4 основных стратегии воспроизведения РНК-вирусов. Общим является наличие РНК-зависимой РНК-полимеразы (транскриптаза) или реплицирования РНК (репликаза). Пикорнавирусы оц+рнк вирусы. Используют свою РНК в качестве ирнк, синтезируя на рибосомах хозяина РНК-зависимую РНК-полимеразу. Синтез оц-рнк (репликативной формы) далее синтез оц+рнк. Оц-РНК вирусы должны доставить в клетку хотя бы одну копию РНК полимеразы. Пример ортомиксовирусы (вирус гриппа А). 18
19 Другие проблемы возникают у дцрнк-вирусов, двойная структура не позволяет сразу же запускать трансляцию. Кроме того внедрение дуплекса запускает защитные механизмы клетки, которые могут прервать инфекционный процесс. Вирус не только вносит собственную РНК-полимеразу, но заключает геном в субвирусные частицы, в которых осуществляется синтез ирнк. После выхода из частиц, ирнк транслируется на рибосомах клетки. Ретровирусы (ВИЧ) имеют оцрнк, однако отличаются от других вирусов тем, что синтезируют ДНК перед транскрибцией ирнк. РНК-зависимая ДНК-полимераза (ОТ) копирует +РНК, формируя ДНК цепь. Далее синтезируется дцднк провирусная ДНК, которая интегрируется с геномом хозяина, затем ирнк синтезируется полимеразой хозяина. ирнк вирусов в отличие от эукаротических транслируют несколько белков. Возможен синтез полипротеина, у вирусов с сегментированными геномами каждым сегмент кодирует протеин. Другой механизм синтез субгеномных ирнк. Сборка капсидов и выход вирионов. Предполагается, что процесс самосборки капсидов происходит с уменьшением свободной энергии, нуклеиновая кислота в финале сборки попадает в готовый прокапсид. Некоторые оболочечные вирусы используют мембрану клетки для создания оболочки. Выход безоболочечных вирусов чаще сопровождается гибелью клеток. Некоторые вирусы меняют актиновые филаменты цитоскелета клетки. Вирус коровьей оспы образует длинный актиновый хвост и использует его для передвижения в цитоплазме. Выход вируса гриппа «почкованием». 19
20 Цитопатические эффекты вирусов. Ингибирование синтеза РНК, ДНК и белков. Повреждение эндосом с выходом гидролаз. Изменение антигенов мембраны клетки, атака собственной иммунной системы, возможен синцитий. Токсический эффект вирусных белков. Формирование включений, разрушение структур. Хромосомные нарушения. Злокачественная трансформация. Персистирующие, латентные инфекции. Острые инфекции (грипп) развиваются быстро, персистирующие инфекции могут длиться годами. Хронические инфекции слабые клинические симптомы, вирусы обнаруживаются (гепатит В, ВИЧ). Латентные инфекции репродукция вирусов останавливается, симптомов и вирусных частиц не обнаруживается (вирус герпеса, цитомегаловирус, Эппштейна-Барр вирус, вызывающий мононуклеоз). Причины изменение антигенов вирусов, процессы уменьшения вирулентности, делеции вызывают образование дефектных интерферирующих частиц, затрудняющих репродукцию вируса. Вирусы и рак. Неоплазия (аномальный клеточный рост) приводит к образованию опухоли. Доброкачественные опухоли не способны к метастазированию. Злокачественные опухоли образуют вторичные опухоли. Канцерогенез сложный процесс, который может быть инициирован мутагенами, однако для его проявления требуются еще одно событие (другой химический канцероген или вирус). Возможно, от 30 до 60% опухолей вызываются неправильным питанием и курением. Онкогены привносятся в геном вирусами, либо находятся в виде протоонкогенов. Вирусы которые приводят к развитию рака онковирусы. Все известные дцднк онковирусы человека запускают злокачественную трансформацию по одному механизму. Вирусы кодируют белок, связывающий и блокирующий клеточные супрессоры опухолей (Rb и р53). Rb необходим для поддержания нормального клеточного цикла, р53 тормозит клеточный цикл и запускает апоптоз в ответ на повреждение ДНК. Это способствует 20
21 пролиферации опухолей. Ретровирусы переносят протоонкогены либо встраиваясь в геном вблизи протоонкогенов. На сегодняшний день известно о влиянии вирусов на 8 типов злокачественных заболеваний человека. Вирус Эппштейна-Барр (герпесвирус) вызывает лимфому Баркетта и назофарингиальную карциному. Вирус гепатита В ассоциирован с гепатоцеллюлярной карциномой. Вирус гепатита С вызывает цирроз печени, приводящий к раку печени. Герпесвирус8 человека и ВИЧ ассоциированы с саркомой Капоши. Паппиломавирус вызывает рак шеи. Т-клеточный лимфотропный вирус I и II ассоциированы с Т-клеточной лейкемией. Вирусы растений. Строение капсидов вирусов растений аналогично вирусам животных и бактерий. Почти все они РНК-вирусы, лишь небольшая часть ДНК-вирусы. Внедрение в клетку происходит при механическом повреждении клеточной стенки насекомыми. Насекомые также могут переносить вирусы между растениями, и даже быть промежуточными хозяевами некоторых вирусов. Большинство РНК-вирусов растений +оцрнк, после подготовки (ВТМ), происходит трансляция РНК. Сборка ВТМ из компонентов и РНК показана на рисунке. 21
22 Вирусы грибов и простейших. Большинство миковирусов выделено из Penicillium и Aspergillus. Они содержат дцрнк и сферические полиэдрические капсиды от 25 до 50 нм в диаметре. Известно о возникновении заболеваний грибов, но не обнаружено цитопатических или токсических эффектов. Обнаружены также вирусы (линейная дцднк) инфицирующие фотосинтезирующих простейших. Гигантский Мимивирус (400 нм и п.н.) дцднк обнаружен у Acanthamoeba polyphaga. Амеба, инфицированная гигантскими вирусными частицами мимивируса. Вирусы насекомых. Насекомые переносят вирусы желтой лихорадки, болезни Западного Нила, нескольких типов энцефалитов. В качестве основных хозяев насекомых используют Baculoviridae, Reoviridae, Iridoviridae, Polydnaviridae. Многие инфекции насекомых связаны с образованием телец включений. Личинки заражаются, поедая листья контаминированные тельцами включений. В тканях личинок их концентрация доходит до на личинку. 22
23 Инфицирование вирусами личинок насекомых, для сравнения на правой фотографии представлена здоровая и зараженные личинки Невирусные инфекционные частицы. Вироиды и вирусоиды инфекционные агенты, состоящие из РНК. Вироиды вызывают более 20 болезней растений, представляют замкнутые кольцевые фрагменты оцрнк длиной нуклеотидов. Локализуются в ядре или цитоплазме, не кодируют белковых продуктов и не могут реплицировать себя. Воспроизведение происходит с помощью ДНК-зависимой РНК полимеразы клетки хозяина. Синтез РНК на матрице вироидной РНК приводит к образованию комплементарной оцрнк, которая в свою очередь используется для синтеза вироидной РНК. Сравнение размеров бактерии, вирусов и вироида (х ). 23
24 Механизмы патогенности вироидов не выяснены, предполагается, что болезнь вызывается ответом эукариотической клетки (РНК-сайленсинг), в норме необходимым для защиты от дцрнк вирусов. Вироид гибридизуется с участками ирнк хозяина, заставляя защиту клетки атаковать полученный гибрид, в результате происходит остановка экспресии генома клетки. Вирусоиды похожи на вироиды, кодируют один или несколько продуктов. Вирусоид гепатита D человека длиной нуклеотидов, упаковывается под оболочку вируса гепатита В человека. Прионы протеиновые инфекционные частицы вызывают ряд нейродегенеративных заболеваний. Одно из прионных заболеваний губчатая энцефалопатия (коровье бешенство), болезнь куру, фатальная семейная бессоница, болезнь Крейцфельда-Якоба, синдром Герштманна-Штраусслера-Шейнкера. Исход прогрессирующая дегенерация головного мозга и смерть. Вспышка коровьего бешенства в Соединенном Королевстве и Франции в 90-х унесла жизни более 90 человек. Заражение происходило с употреблением зараженного мяса. Куру обнаружена в одном из племен Новой Гвинеи, и связанна с каннибалистическими обычаями, в настоящее время болезнь полностью уничтожена. Прионные заболевания животных и человека относят к «конформационным» болезням, вызванным нарушением процессов формирования пространственной структуры некоторых белков, приводящим к изменениям клеточной физиологии. При амилоидных и прионных заболеваниях происходит вне- или внутриклеточное накопление белковых агрегатов фибриллярной структуры, состоящих из растворимых в норме клеточных белков. Первое обнаруженное прионное заболевание «скрэйпи» овец. Агент, вызывающий скрэйпи, получил название «прион» (prion proteinacious infectious particle). Этот агент представляет собой белок, названный PrP (Prion Protein). PrP является 24
25 мембранным белком, который в основном экспрессируется в клетках центральной нервной системы и лимфоретикулярной ткани. Нормальная форма белка PrP обозначается PrPC. Патологическая форма этого белка, обуславливающая инфекционность, была названа PrPSc (форма PrP, связанная со scrapie). PrPSc неотличим от PrPC по аминокислотной последовательности, но имеет другую конформацию. Для прионов отмечено штаммовое разнообразие. Нормальная молекула приона (1) перемещается на поверхностную мембрану, где участвует в передаче нервного импульса. Если такая молекула встречается в клетке с "неправильным" раскрученным прионом (2), она приобретает ее конфигурацию. Постепенно накапливаясь, аномальные прионы формируют на поверхности нейрона фибриллы и бляшки (3). 25
Фармацевтика, медицина, биология
Вирус табачной мозаики
Вирус табачной мозаики (ВТМ) — РНК-вирус, заражает растения рода Nicotiana, а также других представителей семейства Solanaceae. Первый известный вирус, открытый 1892 Дмитрием Ивановским. В отличие от многих вирусов растений СТМ успешно размножается в культурах протопластов облегчает работу с этим объектом. СТМ — один из наиболее подробно изученных растительных вирусов.
Для вируса табачной мозаики характерна спиральная симметрия. Его вирионы имеют вид жестких полых палочек размером 15-18 × 300 нм, капсид состоит из 2 130 одинаковых белков протомеры. Геном представлен одной однонитевой (+) — РНК.
История открытия
В 1886 году датский ученый Адольф Мейер показал, что мозаичная болезнь табака передаетсья от одного растения к другому. 1892 русский ботаник Дмитрий Ивановский пытался выделить возбудителя этого заболевания. Он показал, что экстракт из больного мозаику растения сохраняет инфекционные свойства даже после пропускания через керамический фильтр, с порами, задерживали маленькие из известных в то время бактерии. Так был открыт вирус табачной мозаики и вирусы вообще. Однако Ивановский предполагал, что инфекционные свойства сока могут быть обусловлены наличием определенного токсина.
Полностью оценить значение открытия Ивановского позволили дальнейшие исследования, в частности проведенные Мартинуса Бееринком в 1898-1900 годах. Он заметил, что возбудитель мозаики табака размножается только в живых клетках, но может сохраняться в высушенном состоянии длительное время. Именно Бееринк начал учения о вирусах, которые он назвал лат. «Contagium vivum fluidum» — живыми растворимыми микробами.
1935 Уэнделл Стэнли окончательно показал, что вирус мозаики табака не является жидкостью, а существует в форме мелких частиц, которые однако разительно отличаются от других микроорганизмв тем, что их можно кристаллизовать как химическое вещество, благодаря простоте и гомогенности строения. В 1930-х годах для исследования биологических объектов также начали использоваться электронные микросокпы. Первая электронная микрография СТМ была опубликована в 1939 году.
Строение вириона
Вирус табачной мозаики является одним из типичных представителей большого класса вирусов со спиральной симметрией. Его частицы имеют форму жестких полых палочек размером 15-18 × 300 нм и состоят из белков-протомеры и РНК. Белки размещены спирально, образуя в целом, 130 витков с шагом 23 ангстрем. Всего в состав капсида входит 2 130 протомеры, каждый длиной 158 аминокислотных остатков. Основная функция капсида — защита генетического материала вируса — одноцепочечной молекулы РНК, погружена в белок ближе к внутренней поверхности «палочки» и повторяет шаги белковой спирали.
Геном СТМ
Как и в большинстве вирусов растений геном СТМ представлен одной одноцепочечной (+) РНК (то есть кодирующих, такой с которой может идти трансляция) длиной 6400 нуклеотидов, кодирующей четыре гена (два гена полимеразы, ген белков-протомеры, и ген белка , необходимого для перемещения через плазмодесмы). 5′-конец этой РНК содержит 7-метилгуанозин, 3 ‘конец имеет выраженную вторичную структуру, однако без поли (А) последовательностей.
Жизненный цикл
После попадания в клеточную СТМ в первую очередь «раздевается», то есть освобождает свою РНК. Это видубваеться благодаря особлиовстям белков капсида, они содержат кластеры кислотных аминокислот, стабильные за пределами клетки при наличии достаточного количества ионов кальция. Однако в цитоплазме низкой концентрации кальция они отталкиваются между собой, из-за чего первые несколько протомеры покидают капсид. Обнажение РНК завершается благодаря клеточным рибосомам, когда те совершают первый акт трансляции. Далее видбуваетсья копирования вирусной РНК и синтез белков, после чего собираются новые вирионы.
Поскольку капсид СТМ состоит только из одного типа белков, спонтанно соединяются с очищенной вирусной РНК, сбора частиц СТМ удалось исследовать в деталях. Процесс начинается с формирования плоских двухслойных дисков, по 17 белков в каждом круге, одиы с таких дисков присоединяется к участку OAS («англ. Origin of assembly») вирусной РНК, расположенной между 5 444 и 5 518 нуклеотидов. При этом диск переходит в форму пружинной шайбы, содержит по 16,3 белки в каждом круге. Впоследствии в структуру добавляются новые и новые диски, сопровождается изменением их конформации. РНК при этом проходит через канал в центре палочки, и по мере ее нарастания укладывается в спираль.
Инфекция
СТМ очень стабильный и может храниться несколько лет в сигаретах изготовленных из больных листьев. Этот вирус может распространяться ветром или животными и проникает в растение через поврежденные участки. В клетках, инфицированных ВТМ, вирусные частицы накопичуюються в большом количестве и могут образовывать скопления, заметные под оптическим микроскопом. Также в этих клетках деградируют хлоропласты, а образование новых подавляется. По организму растения СТМ может перемещаться с флоемним соком, а между отдельными клетками — очень медленно (
1 мм в день) через плазмодесмы, в чем ему помогает специальный белок.