Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы

           Министерство образования и науки Республики Казахстан

               Карагандинский государственный медицинский университет

 

                 Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики

 

 

                                                       СРС

Тема: Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы.

 

Дисциплина: Молекулярная биология и медицинская биофизика

Специальность: 5В130100  «Общая медицина»

Курс: 1

 

                                                                   

 

                                                                     

                                                                                

                                                                                        Караганда 2012

 

 

Содержание:

1. Понятие о вирусах.
2. Действие вирусов на живые организмы.
3. Строение вирусов.
4. Генетический аппарат вирусов. ДНК- и РНК-содержащие вирусы.
5. Репликация вируса в клетке.
6. Репликация вирусных молекул. Этапы репликации РНК генома вирусов.
7. Репликация вирусов с одноцепочечным и двуцепочечным РНК геномом.
8. Ингибиторы обратной транскриптазы вирусов.
9. Ингибиторы ДНК-полимераз ДНК-содержащих вирусов.
10. Характеристика пикорнавирусов.
11. Характеристика рабдовирусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I Понятие о вирусах:

Вирус – (от лат. virus – яд) – это субклеточный инфекционный агент, имеющий геном, окруженный белковой оболочкой. Вирусы не воспроизводятся самостоятельно, они – облигантные внутриклеточные паразиты, репродуцирующиеся только в живых клетках.

По природе вирусы являются автономными  генетическими элементами, имеющими внеклеточную стадию в цикле развития.

Вирусы представляют собой микроскопические частицы, состоящие из молекул нуклеиновых  кислот – ДНК или РНК (мимивирусы имеют оба типа молекул), заключенные в белковую оболочку, способные инфицировать живые организмы. Белковую оболочку, в которую упакован геном, называют капсид. Наличие капсида отличает вируса от вирусоподобных инфекционных нуклеиновых кислот – вироидов.

По Балтимору классифицируют ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы.

Несмотря на довольно простую органическую структуру, вирусы являются полноправными  представителями живой природы. Им присущи основные признаки жизни, такие как: способность к самовоспроизведению, изменчивость, наследственность, способность  приспосабливаться к условиям окружающей среды, подчинение законам эволюции, определенное место в иерархии живых  организмов. Они могут проявлять свойства живых организмов только попав внутрь клетки.

От живых организмов (внутриклеточных  паразитов) отличаются полным отсутствием  основного и энергетического  обмена, и отсутствием сложнейшего  элемента живых систем – аппарата трансляции (синтеза белка).

Вирусы были открыты в 1892 г. русским биологом Д.И.Ивановским, ставшим основоположником вирусологии.

Изучением вирусов занимается наука  о вирусах – вирусология.

II Как действуют вирусы?

Вирусы содержат специфические  ферменты, участвующие в регуляции  жизненного цикла вируса. При проникновении  вируса внутрь клетки специальные белки  вирусной частицы связываются с  белками-рецепторами клеточной оболочки. Далее вирус высвобождает свой генетический материал, который, используя ресурсы  зараженной клетки, начинает образовывать новые вирусные частицы.

В животную клетку вирус может проникать  при процессах пино- и фагоцитоза, в растительную – при различных повреждениях клеточной стенки. Внутрь клетки проникает только нуклеиновая кислота вируса.

Вирус подавляет существующие в  клетке процессы транскрипции и трансляции. Он использует их для синтеза собственных  нуклеиновой кислоты и белка, из которых собираются новые вирусы. После этого клеточные оболочки разрушаются, и новообразованные вирусы покидают клетку, которая при этом погибает.

Вирусы способны поражать различные  живые организмы. Вирусную природу  имеют такие заболевания животных и человека как: натуральная оспа, бешенство, энцефалиты, лихорадки, инфекционные гепатиты, бородавки, многие злокачественные опухоли, СПИД, и др., кроме того вирусы способны вызывать генные мутации.

Вирус, вызывающий заболевание СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита) называемый ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), поражает клетки крови, обеспечивающие иммунитет организма. В результате больной СПИДом может погибнуть от любой инфекции. Вирусы иммунодефицита человека могут проникнуть в организм человека во время половых актов, или во время инъекций или операций при не соблюдении условий стерилизации. Профилактика СПИДа заключается в избегании случайных половых связей, применении одноразовых шприцев.

III Строение вирусов:

В структуре вирусов можно выделить 2 основных составляющих: нуклеиновая  кислота – носитель генетической информации и оболочка.

Оболочка  вирусов: Белковая оболочка вируса – капсид. Капсид состоит из большого числа белковых субъединиц – капсомеров, последние в свою очередь состоят из протомеров.

Белки защищают нуклеиновую кислоту  и обуславливают ферментативные и антигенные свойства вирусов. Форма капсида может быть палочковидной, нитевидной, сферической и другой.

Некоторые более сложные вирусы (гриппа, герпеса и др.) помимо белков капсида и нуклеиновой кислоты могут содержать липопротеиновую мембрану, углеводы и ряд ферментов.

Оболочка вирусов выполняет многочисленные функции: 1) она защищает хрупкую нуклеиновую кислоту от разрушений под воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды; 2) оболочка вируса несет на себе различные белки-рецепторы, которые распознают клетку-мишень и помогают этому опасному микроорганизму в нее проникнуть; 3) различные компоненты вирусной оболочки распознаются организмом хозяина как антигены и стимулируют развитие иммунного ответа.

В зависимости от присутствующей в  вирусе нуклеиновой кислоты различают  РНК-содержащие и ДНК-содержащие вирусы. Нуклеиновая кислота содержит генетическую информацию, обычно о строении белков капсида. Она может линейная или кольцевидная, в виде одно- или двухцепочечной ДНК, одно- или двухцепочечной РНК.

 

 

IV Генетический аппарат вирусов. ДНК- и РНК-содержащие вирусы:

Генетический  аппарат вирусов: Всем известно, что в природе носителем генетической информации являются нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). У большинства живых организмов нуклеиновые кислоты содержатся в ядре и цитоплазме. Вирусы хоть и являются неклеточными структурами, но также содержат нуклеиновые кислоты. Как я уже упомянула выше, по типу содержащейся нуклеиновой кислоты вирусы разделяют на 2 класса: ДНК-содержащие (вирус гепатита В, герпеса и др.) и РНК-содержащие вирусы (тогавирусы, пикорнавирусы, вирус гриппа, парагриппа, ВИЧ, гепатит А). У вирусов, как и у прочих живых организмов, информация и структуре различных белков (генетическая информация) закодирована в структуре нуклеиновых кислот в виде специфических последовательностей нуклеотидов (составных частей ДНК и РНК). Гены вирусных нуклеиновых кислот кодируют разнообразные ферменты и структурные белки. ДНК и РНК вирусов являются материальным субстратом наследственности и изменчивости этих микроорганизмов – двух основных составляющих в эволюции вирусов в частности и сей живой природы в целом. 

Вирусные ДНК образуют циркулярные, ковалентно-сцёпленные суперспирализованные (например, у паповавирусов) или линейные двухнитевые структуры (например, у герпес- и аденовирусов). Их молекулярная масса в 10-100 раз меньше массы бактериальных ДНК. Транскрипция вирусной ДНК (синтез мРНК) осуществляется в ядре заражённой вирусом клетки. В вирусной ДНК на концах молекулы имеются прямые или инвертированные (развёрнутые на 180") повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Их наличие обеспечивает способность молекулы ДНК замыкаться в кольцо. Эти последовательности, присутствующие в одно- и двух-нитевых молекулах ДНК, — своеобразные маркёры вирусной ДНК.

Вирусные РНК представлены одно- или двухнитевыми молекулами. Однонитевые молекулы могут быть сегментированными — от 2 сегментов у ареновирусов до 11 — у ротавирусов. Наличие сегментов ведёт к увеличению кодирующей ёмкости генома. Вирусные РНК подразделяют на следующие группы: плюс-нити РНК (+РНК), минус-нити РНК (-РНК). У различных вирусов геном могут образовывать нити +РНК либо -РНК, а также двойные нити, одна из которых -РНК, другая (комплементарная ей) — +РНК.

Плюс-нити РНК представлены одиночными цепочками, имеющими характерные окончания («шапочки») для распознавания рибосом. К этой группе относят РНК, способные непосредственно транслировать генетическую информацию на рибосомах заражённой вирусом клетки, то есть выполнять функции мРНК. Плюс-нити выполняют следующие функции: служат мРНК для синтеза структурных белков, матрицей для репликации РНК, упаковываются в капсид с образованием дочерней популяции. Минус-нити РНК не способны транслировать генетическую информацию непосредственно на рибосомах, то есть они не могут функционировать как мРНК. Однако такие РНК служат матрицей для синтеза мРНК.

Инфекционность нуклеиновых кислот вирусов: Многие вирусные нуклеиновые кислоты инфекционны сами по себе, так как содержат всю генетическую информацию, необходимую для синтеза новых вирусных частиц. Эта информация реализуется после проникновения вириона в чувствительную клетку. Инфекционные свойства проявляют нуклеиновые кислоты большинства +РНК- и ДНК-содержащих вирусов. Двухнитевые РНК и большинство -РНК не проявляют инфекционных свойств.

V Репликация вируса в клетке:

В зависимости от типа генетического  материала (ДНК или РНК), образование дочерних копий геномов протекает по-разному.

У ДНК-геномных вирусов репликация вирусных ДНК принципиально сходна с репликацией клеточных ДНК.

Репликацию РНК-геномных вирусов осуществляют вирусные РНК-зависимые РНК-полимеразы (репликазы). Исключение составляют ретровирусы, их +РНК служит матрицей для синтеза ДНК Синтез ДНК на матрице РНК осуществляет вирусная РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза), необходимая для переписывания информации с РНК на ДНК. Синтезируемая вирусная ДНК интегрируется в клеточный геном в форме ДНК-провируса.

Репликация однонитевых  РНК вирусов. Репликация протекает в два этапа: первый включает образование матрицы, комплементарной геному; второй — образование копий РНК с этой матрицы. При репликации +РНК-вирусов количество копий -РНК (на матрице родительской нити +РНК) строго контролируется, а количество копий +РНК (с матрицы синтезированной нити -РНК) не контролируется.

Репликация двухнитевых РНК вирусов. В качестве матрицы для синтеза +РНК вирусные репликазы используют минус-нить РНК и наоборот. Часть молекул -РНК соединяется с +РНК и образует двухнитевую молекулу РНК, а другая часть молекул -РНК функционирует как матрица для синтеза мРНК.

VI Репликация вирусных 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.