Лекция 5. Вирусы. Взаимодействие вирусов с клеточными организмами. Бактериофаги

1. Лекция 5.

ВИРУСЫ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИРУСОВ
С КЛЕТОЧНЫМИ ОРГАНИЗМАМИ.
БАКТЕРИОФАГИ

2. Из истории открытия вирусов

Дмитрий Иосифович
Ивановский
1892 г
- доклад
Д.И.Ивановского о
возможности переноса мозаики табака соком,
пропущенным через бактериальные фильтры и
назвал
возбудителей
этой
болезни
фильтрующимся вирусом.
1898 г. М. Бейеринк дал общее название
микроорганизмам,
проходящим
через
бактериальные
фильтры,
“фильтрующиеся
вирусы”.
1935 г. - вирус табачной мозаики (ВТМ)
получен Стенли в кристаллической форме.
был
1941 г.- открытие Лёффлером и Фрошем
возбудителя
ящура.
Всеобщее
принятие
концепции
о
наличии
фильтрующихся
ультрамелких инфекционных частиц.

3. В настоящее время вирусология - одна из наиболее интенсивно развивающихся медико-биологических наук

Интерес к вирусологии обусловлен:
ведущей ролью вирусов в инфекционной патологии человека
и животных.
на моделях вирусов разрешают многие фундаментальные
вопросы биологии (например, об интронах, сплайсинге или
онкогенах).
одним из крупнейших вкладов вирусологии в современную
науку считают открытие обратной транскриптазы,
использование которой лежит в основе генной инженерии.

4.

РНК-зависимая ДНК полимераза (обратная
транскриптаза)
Открыта американскими вирусологами
в 1974 году у онкогенных вирусов. Это
открытие было отмечено Нобелевской
премией.
ДНК
РНК
Д. Балтимор
Обратная
транскрип
таза
РНК
ДНК
Белок
РНК
Белок
Х. Темин
Фундаментальное значение открытия: опровергло центральную
догму молекулярной биологии, постулированную Дж. Уотсоном.
Практическое
значение
открытия:
положило
начало
исследованиям, направленным на поиск лекарственных средств,
блокирующими работу этого фермента. Такие лекарства являются
мощным средством в борьбе с вирусными инфекциями,
вызываемыми РНК-вирусами.

5. Общая характеристика

Вирусы представляют собой особую группу неклеточных форм
жизни (царство Vira), обладающих собственным геномом,
способных к воспроизведению в клетках всех видов
организмов.
Вирусы - наименьшие (размеры вирусных частиц составляют
от 15-18 до 300-350 нм ) по размерам агенты, все они проходят
через бактериальные фильтры, практически недоступны для
изучения в световом микроскопе и лишены типичных
метаболических и репродуктивных потенций, характерных для
живых организмов.
Вирусы - облигатные внутриклеточные паразиты клеток
человека, животных, растений, грибов и бактерий (т. е. всех
эукариотов и прокариотов), их репродуктивные процессы
целиком зависят от состояния клетки-хозяина.

6. Основные свойства вирусов

Все вирусы существуют в двух качественно различных
формах: внеклеточной (вирион) и внутриклеточной (вирус) .
Вирусы содержат нуклеиновую кислоту только одного типа или ДНК, или РНК, что использовано для классификации
вирусов;
У них отсутствует клеточное строение, а следовательно и все
клеточные органоиды, белоксинтезирующие и ферментные
системы;
Вирусы не способны размножаться вне живой клетки;
Для репродукции вируса необходима только нуклеиновая
кислота;
Вирусы способны интегрировать в клеточный геном и
реплицировать синхронно с нуклеиновой кислотой хозяина.
Размеры вирусов варьируют в пределах примерно от 20 до
350 нм, что в среднем в сто раз меньше бактерий.

7. Морфология вирусов

Любая вирусная частица содержит
нуклеоид, окружённый защитной
протеиновой или смешанной (из
протеинов и липидов) оболочкой.
Вирусы представляют собой
субмикроскопические образования,
состоящие из белка и нуклеиновой
кислоты. У вирионов белковая
оболочка, в которую заключена
нуклеиновая кислота, называется
капсид. Иногда капсид покрыт
вирусной мембраной – двойным
слоем липидов, который называют
суперкапсидом.
Размеры вирусов определяют с
помощью электронной микроскопии,
методом ультрафильтрации через
фильтры с известным диаметром
пор, методом
ультрацентрифугирования.
Форма различных вирусов:
1-вирус оспы (самый крупный среди вирусов); 2-вирус
герпеса;
3-аденовирус;
4-паповавирус;
5гепадновирус; 6-парвовирус; 7-паромиксовирус; 8вирус гриппа; 9-коронавирус; 10-аренавирус; 11ретровирус;
12-реовирус;
13-пикорнавирус;
14капицивирус;
15-рабдовирус;
16-флавовирус,
тогавирус; 17-буньявирус

8.

Мегавирусы открыли в 2003 году в амебах французские ученые
Сначала их приняли за
грамположительные кокки,
но электронная микроскопия
показала наличие вирусных
частиц.
Их выделили в четвертый
домен живых организмов –
Megavirales (семейства
Marseilleviridae, Mimiviridae и
Iridoviridae).
Megavirales существует в
природе параллельно
доменам Bacteria, Archaea и
Eukarya. Огромный геном
позволяет им иметь широкий
круг хозяев среди
простейших, моллюсков,
членистоногих и других
животных.
Mimiviridae могут вызывать тяжелые пневмонии, кератиты, энтериты у человека.

9.

Культивирование вирусов
проводят с целью получения диагностических и вакцинных препаратов, для
лабораторной диагностики вирусных инфекций, в научно-исследовательской работе
при изучении разнообразных вопросов иммунитета и генетики.
Культивирование вирусов в
куриных эмбрионах
Культивирование вирусов
в соматических клетках
Исследования Бернета
и других учёных заложили в 1933
г. основы
культивирования вирусов в эмбрионах кур. Кроме куриных эмбрионов, в
лабораториях вирусы культивируются 1)в культурах соматических клеток, 2)в
эксплантах органов и 3)в организмах восприимчивых животных. Вирусы не
способны расти на питательных средах для бактерий и соматических клеток.

10. Индикация вирусов

Минимальные размеры вирусов не позволяют контролировать их наличие
в культурах клеток с помощью оптического микроскопа.
О наличии вирусов в культуре клеток судят по следующим признакам:
1) образованию бляшек (участков разрушенных вирусами клеток при
культивировании вирусов в однослойных клеточных культурах, покрытых
тонким слоем агара);
2) образованию в клетках включений (скопления вирусных частиц,
вирусных белков или клеточного материала, обнаруживаемых в ядре или
цитоплазме при специальных методах окраски);
3) цитопатическому эффекту (видимые под микроскопом морфологические
изменения клеток, вплоть до их гибели, возникающие в результате
повреждающего действия вирусов);
4) цветной реакции с продуктами метаболизма (основана на разнице в
цвете питательной среды с индикатором, используемой для выращивания
культур клеток);
5) феномену гемадсорбции (способности клеточных культур, зараженных
вирусом, адсорбировать на своей поверхности эритроциты. Многие вирусы
обладают гемадсорбирующими свойствами. Механизмы гемадсорбции и
гемагглютинации сходны).

11. Количественный учёт вирусов

Количество фагов в культуре бактерий можно подсчитать по так называемым
бляшкам. В том месте бактериального газона, куда попал бактериофаг, образуется
стерильное пятно или бляшка - зона лизиса бактерий, вследствие размножения
бактериофага. Количество образовавшихся негативных колоний бактериофага
соответствует количеству бактериофагов.
Образуемая фагом бляшка может
содержать 107 -109 вирионов и может служить
источником чистой линии фага. Размер бляшек
зависит от размера вирионов фага, а также от
скорости репликации фага, скорости
освобождения вирионов фага из клеток и их
адсорбции на поверхности новой,
незаражённой бактериальной клетки.
Морфология бляшки обычно характерна для
данного фага.
При волнообразном изменении скорости
роста бактерий возможно появление
кольцеобразных бляшек. Образование
ферментов, обладающих способностью
атаковать капсулу бактерий, может привести к
возникновению ореолов вокруг бляшек.
Фаг лямбда

12. Взаимодействие вируса с клеткой хозЯина

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИРУСА С КЛЕТКОЙ ХОЗЯИНА
Взаимодействие вируса с клеткой представляет собой сложный
многоступенчатый процесс, который во всех случаях начинается
с адсорбции вирионов на рецепторах клеточного организма.
Однако дальнейшее течение данного процесса может
происходить по-разному, в зависимости от сопутствующих
условий.
Известны три основных типа взаимодействия вируса с клеткой:
1)продуктивный тип, завершающийся образованием
многочисленного потомства - новых вирусных частиц;
2) абортивный тип, когда репродукции вирусов не
происходит, поскольку инфекционный процесс прерывается на
одном из этапов взаимодействия с клеткой;
3) интегративный тип, или вирогения, характеризующийся
встраиванием вирусной нуклеиновой кислоты в хромосому
клетки хозяина.

13.

Основные этапы репродукции вирусов в клетке
Адсорбция вирусных частиц на клетке
хозяине
Проникновение вирионов в клетку
«Раздевание» вирионов в клетке
Биосинтез вирусных компонентов в
клетке
Формирование (сборка) вирусных частиц
Выход вирусного потомства из клетки

14.

Интегративный тип взаимодействия вируса с клеткой - интеграция
вирусной нуклеиновой кислоты в клеточный геном (вирогения)
Нуклеиновая кислота вируса встраивается в хромосому клетки. При этом
вирусный геном реплицируется и функционирует как составная часть
клеточного генома. Характерен для определенных групп вирусов: онкогенных
(опухолеродных) вирусов, бактериофагов, вирусов герпеса, гепатита,
аденовирусов, ВИЧ и др.
Типичный пример
латентной инфекции герпетические инфекции с
характерными
периодическими
реактивациями процесса.
В случае ретровирусов
латентные инфекции могут
вызывать трансформацию
клеток и индуцировать
начало злокачественного
роста.

15.

Происхождение вирусов
Вирусы — сборная группа, не имеющая общего предка. Существует несколько
гипотез, объясняющих происхождение вирусов. Считается, что крупные ДНКсодержащие вирусы происходят от более сложных (и, возможно, клеточных,
организмов, таких как современные микоплазмы и риккетсии), внутриклеточных
паразитов, утративших значительную часть своего генома. Некоторые вирусные белки
не обнаруживают никакой гомологии с белками бактерий, архей и эукариот, что
свидетельствует о сравнительно давнем обособлении этой группы. ДНК-содержащие
бактериофаги и некоторые ДНК-содержащие вирусы эукариот, возможно, происходят
от мобильных элементов — участков ДНК, способных к самостоятельной репликации
Вирус папиломы
Вирус гриппа H1N1
Вирус оспы
Происхождение некоторых РНК-содержащих вирусов связывают с вироидами.
Известны примеры вирусов, содержащих выраженные вироидподобные участки
(вирус гепатита Дельта).

16. Классификация вирусов

Царство Vira подразделено по типу нуклеиновой кислоты на два подцарства или
класса - рибовирусы (РНК-содержащие вирусы) и дезоксирибовирусы (ДНКсодержащие
вирусы).
Следующие
таксономические
категории:
семейство,
подсемейство, род. Названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для
всех вирусов.
В основу классификации вирусов положены следующие категории и свойства:
• Тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК);
• Структура нуклеиновой кислоты (количество нитей, процентное содержание в
вирионе, особенности воспроизводства вирусного генома);
• Размеры и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии;
• Наличие суперкапсида;
• Особенности репродукции в клетке хозяина;
• Антигенные свойства;
• Чувствительность к отдельным химическим соединениям (эфиру, дезоксихолату).
Номенклатура Вирусы обычно называют в соответствии с вызываемыми
заболеваниями (например, вирус герпеса) либо по названию места, где они были
впервые выделены (например, вирусы Коксаки, вирус Норволк). Реже
используются фамилии учёных, впервые их выделевших (Эпстайна - Барр), либо
название отражает их уникальные эпидемиологические характеристики (например,
арбовирусы).

17. Роль вирусов в жизни человека, животных и растений

Вирусы вызывают множество инфекционных заболеваний человека и
животных: гриппозные инфекции, корь, бешенство, различные типы
гепатитов, ящур, ветрянку, СПИД и десятки других. Вирусы активно
участвуют в процессах канцерогенеза, могут передаваться человеку
разными
путями:
контактным,
аэрогеным,
алиментарным,
трансмиссивным, а также через плаценту от матери к плоду.
Фитопатогенные вирусы (вирусы растительных клеток) вызывают у
растений множество заболеваний. Эти вирусы попадают внутрь
растительных клеток через повреждения, а не в результате активного
внедрения. В естественных условиях распространение многих вирусов
происходит путем прямого контакта растений или через переносчиков.
Переносчиками многих вирусов служат насекомые.

18.

Онкогенные вирусы
Некоторые РНК-вирусы обладают свойством индуцировать образование опухолей.
На вирусной РНК с помощью фермента обратной транскриптазы синтезируется ДНК,
которая встраивается в хромосому хозяина. Таким образом ДНК вирусов (провирус),
встроившаяся в хромосому, может приводить к превращению здоровой клетки в
раковую. Для возникновения рака существенен не весь геном вируса, а лишь один из
его генов. Такой ген, вызывающий рак, назвали онкогеном. Онкогенные вирусы
отличаются тем, что, внедряясь в ДНК, не разрушают клетку, а заставляют её
бесконтрольно делится.
Онковирусы прямого действия
вирусы папиллом (рак шейки матки)
вирус гепатита В (рак печени)
герпес-вирус - Эпстайна-Барр (лимфома
Беркитта)
вирус герпеса типа 8 (саркома Капоши)
Онковирусы непрямого действия
Т-лимфотропный вирус человека (HTLV) Т-клеточный
лейкоз
Вирусы гепатита B (HBV) и вирусы гепатита С (HCV)
индуцируют карциному печени
Пролиферация клеток
фибробластов, инфицированных
вирусом герпеса

19.

Некоторые РНК-вирусы вызывают
персистирующие инфекции,
характеризуются постепенным
выделением вирусных частиц, что не
сопровождается гибелью клетки, иногда
они протекают без клинических
проявлений. В частности, вирусы
гепатита В и С способны вызывать
персистирующие поражения с развитием
хронического гепатита и часто опухолей
печени.
Природный резервуар вируса
неизвестен, но установлено, что кроме
человека гепатитом С болеют только
шимпанзе. Предполагается, что вирус
гепатита С проник в популяцию
человека около 300 лет назад, но
резкий подъём заболеваемости
пришёлся на конец XX века. Вирус
гепатита С передаётся только через
кровь.

20.

Синдром приобретённого иммунодифицита
Чумой ХХ века называют синдром приобретённого иммунодефицита или ВИЧИНФЕКЦИЮ. Впервые вирус ВИЧ был выделен Монтанье и Галло в США в 1983 г.
Ретроспективный анализ сывороток, хранящихся в Национальном Центре
контроля за инфекционными заболеваниями (США) показал, что первые случаи
СПИДа у человека относятся к 50 годам ХХ века, и что заболевание возникло в
Африке и затем распространилось по странам Европы и США. Вирус ВИЧ поражает
клетки иммунной системы и ведёт к резкому снижению защитных сил организма.
Больные СПИДом погибают от вторичных инфекций, вызываемых
микроорганизмами непатогенными для людей с нормальным иммунитетом, или
от злокачественных новообразований.
Больной СПИДом
Вирус иммунодефицита человека

21.

Неканонические вирусы - прионы и вироиды
Прионный белок, обладающий аномальной трёхмерной структурой,
способен прямо катализировать структурное превращение гомологичного
ему нормального клеточного белка в себе подобный (прионный),
присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Имеет вид
фибрилл толщиной 10-20 и длиной 100-200 нм. Прионы вызывают у
человека и животных энцефалопатии в условиях вяло текущей инфекции.
Прионовые белки выделены как инфекционное начало скрэпи, куру,
спонгиоформной энцефалопатии КРС (коровье бешенство).
Зелёное флуоресцентное свечение обусловлено
прионными белками коровьего бешенства в коре
мозжечка лабораторных мышей

22.

Медленные инфекции, вызывающие заболевания центральной
нервной системы
Большую известность прионы получили, благодаря эпидемии трансмиссивной
спонгиозной энцефалопатии коров (бешенство коров) в Англии. Аналогичное
заболевание - куру, возникающее в результате употребления мозга умерших
соплеменников во время ритуального каннибализма, регистрируется в одном из
племен Папуа-Новой Гвинеи. Куру, болезнь Кройтцфельдта-Якоба, синдром
Герстмана-Страусслера-Шайнкера, болезнь Альцгеймера – медленные прионные
инфекции ЦНС. Из-за длительного инкубационного периода ими болеют в основном
пожилые люди. Они объединены в группу старческих энцефалопатий. Смертность от
медленных инфекций 100%.
Гистологический срез ткани
мозга при губчатой
энцефалопатии
Прионные частицы в ткани мозга при
болезни Альцгеймера

23.

Вироиды
Вироиды —мельчайшие из известных возбудителей болезней. Известны только
вироиды растений. Они состоят из однонитевой молекулы РНК, лишены белковой
оболочки, автономно реплицируются в зараженных клетках. Считается, что
вироиды представляют собой «сбежавшие интроны» — вырезанные в ходе
сплайсинга незначащие участки мРНК, которые случайно приобрели способность к
репликации. Белков вироиды не кодируют. Вироиды - возбудители опасных
болезней. Один из них стал причиной гибели миллионов кокосовых пальм на
Филиппинах за последние пятьдесят лет. Наиболее изученным вироидом является
агент PSTV, вызывающий веретёновидность клубней картофеля.
РНК-молекула
вироида PSTV
Веретёновидность
клубней
Пятнистость листьев
хризантем
Растрескивание плодов у
яблони

24. Бактериофаги - вирусы, поражающие бактерии

Большинство фагов имеют форму головастика или сперматозоида. Они
состоят из головки, которая содержит нуклеиновую кислоту, и отростка.
У некоторых фагов отросток очень короткий или полностью отсутствует.
Размеры фагов колеблются в среднем от 20 до 200 нм. Средний
диаметр головки равен 70-100 нм, длина отростка составляет 80-200
нм.
Химический состав фагов
определяется в основном
наличием нуклеиновой
кислоты и белка.
Большинство из них
содержат двунитевую ДНК,
которая замкнута в кольцо.
Некоторые фаги содержат
РНК. В частицах некоторых
фагов под чехлом
дистальной части отростка
содержится фермент
лизоцим

25. Вирулентные и умеренные фаги различают по характеру взаимодействия с микробной клеткой

Вирулентные фаги, проникнув в бактериальную клетку, автономно
репродуцируются в ней и вызывают лизис бактерий. Процесс взаимодействия с
бактериями сходен с процессом продуктивного типа взаимодействия вирусов с
клеткой. По специфичности действия с бактериальной клеткой различают:
поливалентные фаги, способные взаимодействовать с родственными видами
бактерий; моновалентные фаги, взаимодействующие с бактериями определенного
вида; типовые фаги, лизирующие отдельные варианты (типы) данного вида бактерий.
Умеренные фаги инфицируют клетку, не вызывая ее лизиса. ДНК бактериофага
интегрирует с ее генетическим аппаратом и реплицируется синхронно (передается
по наследству). Фаговая ДНК встроенная в геном бактерии носит название профага.
Бактериальные клетки, содержащие профаг, называются лизогенными, культура
бактерий, содержащая профаг, называется лизогенной, а само явление - лизогенией.
Спонтанно лизогенные бактерии лизируются редко. Феномен активации продукции
фагов лизогенными клетками под влиянием химических соединений или физических
факторов назван индукцией профага. Лизогенные бактерии невосприимчивы к
заражению теми фагами, которые присутствуют в них в виде профага.
Изменение свойств микроорганизма под влиянием профага получило название
фаговой конверсии. Способность дифтерийной палочки образовывать экзотоксин
связана с наличием профага в клетке.

26. Практическое использование фагов

Бактериофаги — удобная модель для расшифровки генетического кода,
изучения тонкой структуры гена. Система «фаг — бактериальная клетка»
является идеальным объектом для изучения взаимоотношений вируса и
клетки, в частности процессов онкогенеза.
Умеренные фаги используют в биотехнологии и генетической инженерии в
качестве векторов для получения рекомбинантной ДНК и штаммов
микроорганизмов с практически полезными свойствами и
характеристиками. Они являются мощным фактором изменчивости
микроорганизмов.
Фаги применяют для идентификации возбудителей инфекционных
заболеваний. Вследствие высокой специфичности фагов можно определить
вид возбудителя или варианты внутри вида.
Фаги применяют для лечения и профилактики инфекционных болезней. В
России налажено производство стафилококкового, стрептококкового,
дизентерийного, протейного, синегнойного, брюшнотифозного,
сальмонеллезных и других фагов.

27.

Литература
Пиневич А.В. Микробиология. Биология прокариотов: учебник. В 3 т.
Т.2. Вирусология. СПб.6 Изд-во СПбГУ, 2007. 257 с.
Домарадский И.В. Основы вирусологии для экологов/ Под. Ред. В.Л.
Алёшкина. М: ЛексЭст, 2007. 80 с.
Филдс Б., Найп Д. (Ред.) Вирусология, Т 1. - Москва, Мир. 1989, 494
с.
Баррет Т., Берд П., Клегг Дж. Вирусология. Методы. /Под ред. Мейхи
Б.М: Мир, 1988.
Современная микробиология. Прокариоты (в 2-х тт.). – М.: Мир, 2005.
Т.2 – 449 с.

28. Экологический диапазон распространения

Поступление вирусов в наземные
экосистемы
происходит
с
бытовыми
и
сельскохозяйственными стоками,
шламами и твёрдыми отходами.
Концентрация
вирусов
в
неочищенных стоках в среднем
составляет
104 инфекционных
единиц на литр. Патогенные для
человека
вирусы
в
хорошо
увлажнённой почве переживают не
менее 11, а зимой более 170 дней.
Они могут встречаться в овощах и
накапливаться в почве.
Дефицит
влаги
отрицательно
сказывается
на
персистенции
вирусов.
Постоянное
промачивание
значительно
ускоряет вертикальную миграцию.
Вирусы устойчивы к прямому
воздействию видимого света.
Под воздействием ветра на водных
поверхностях образуются аэрозоли, в
которых концентрация вирусов повышается
в 10-100 раз.