Вируси: определение, структура, размножаване и заболявания

Вирусът е малък паразит — акуцелуларна биологична частица, която не може да се размножава самостоятелно извън жива клетка. Науката за тях е вирусологията.

Какво представляват вирусите

Вирусите могат да се видят само под електронен микроскоп. Те не са свободно живеещи организми: са облигатни вътреклетъчни паразити, което означава, че винаги се размножават в клетки на друг организъм. Вирусът съдържа нишка от нуклеинова киселина (РНК или ДНК) и защитна белтъчна обвивка (капсид). Обикновено нуклеиновата киселина е РНК, но някои вируси имат ДНК като носител на генетичната информация. Някои вируси имат допълнителен липиден външен слой (обвивка), който често произхожда от клетъчната мембрана на гостоприемника и съдържа вирусни гликопротеини — този слоят улеснява закрепването и проникването в следващата клетка.

Вирусите причиняват много видове заболявания, като например полиомиелит, ебола, различни форми на хепатит, грип и други. Някои вируси причиняват остра, краткотрайна инфекция; други предизвикват хронични и латентни състояния.

Структура и класификация

Генетичен материал: РНК или ДНК, едноверижна (ss) или двуверижна (ds), сегментирана или несегментирана.
Капсид: протеинова обвивка, която защитава генома и определя формата на вируса (например icosahedral/куполна, хеликална/нишкова или комплексна).
Обвивка (envelope): някои вируси са обвити; тя е съставена от липиден слой, придобит от клетъчната мембрана на гостоприемника и съдържа вирусни белтъци за прикрепване и сливане.
Размер: повечето вируси са много по-малки от бактериите и не бяха видими до появата на електронния микроскоп.

Жизнен цикъл и размножаване

Вирусите се размножават, като вкарват своята нуклеинова киселина в прокариотна или еукариотна клетка. Жизненият цикъл обикновено включва следните стъпки:

Прикрепване (attachment) — вирусът се свързва с конкретни рецептори на целевата клетка;
Проникване (penetration) — при еукариотни клетки това може да бъде чрез мембранно сливане или ендоцитоза; при някои прокариотни вируси, като бактериофагът, капсидът остава отвън, а генетичният материал се "инжектира" в клетката;
Разсвиване (uncoating) — освобождаване на нуклеиновата киселина;
Репликация и синтез — вирусната информация поема контрола върху клетъчните механизми, за да произведе нови копия на генома и вирусните белтъци;
Сглобяване (assembly) — образуват се нови вирусни частици;
Освобождаване (release) — новите вируси напускат клетката чрез лизис (разкъсване) или чрез пъпкуване/екзоцитоза при обвити вируси.

Някои вируси могат да следват лизогенен или латентен цикъл: вместо незабавно да разрушат клетката, вирусният геном може да се интегрира или да остане неактивен в клетката дълго време и да се активира по-късно. Това е характерно за определени бактериофаги и за някои животински вируси (например херпесвирусите).

Характерни свойства

Вирусите са изключително многобройни — те са сред най-разпространените биологични частици на планетата.
Те са инфекциозни частици, които причиняват различни заболявания.
Съдържат ядро от нуклеинови киселини — РНК или ДНК.
Обградени са от защитна протеинова обвивка (капсид) и при някои — от липиден слой.

Взаимодействие с гостоприемника и примери

При еукариотните клетки протеиновата обвивка или вирусните гликопротеини разпознават и се свързват с рецептори на клетъчната мембрана, което позволява проникване. При бактериите процесът често е механичен — бактериофагът физически инжектира своя геном в бактериалната клетка.

Някои вируси, наричани "вируси на обвивката", при напускане на клетката придобиват част от клетъчната мембрана и стават обвити с модифицирана форма на тази мембрана. Това е особеност на редица трудни за контролиране вируси като грипните вируси и ХИВ.

Имунен отговор, превенция и лечение

Вирусните инфекции при животните предизвикват имунен отговор, който често елиминира инфекцията. Ваксините стимулират подобен отговор и дават изкуствено придобит имунитет към специфични вируси.

Някои вируси обаче успяват да избегнат или потиснат имунните реакции и причиняват хронични инфекции (например причинителите на СПИН и някои форми на вирусен хепатит). Антибиотиците нямат ефект върху вирусите, но съществуват активни антивирусни лекарства и терапии, които могат да инхибират специфични етапи от вирусния цикъл (инхибитори на вход, полимеразни инхибитори, протеазни инхибитори и др.). Освен лекарства и ваксини, важни са мерки като лична хигиена, изолация на болни и контрол на векторите за намаляване на разпространението.

Роля в екологията и приложения

Вирусите имат важна екологична роля — те регулират популациите на микроорганизми, влияят на биогеохимични цикли и допринасят за генетичен обмен между организми. Бактериофагите се използват както в научните изследвания, така и все повече в медицината като алтернатива на антибиотиците (фагова терапия) и като инструменти за генно инженерство.

Когато клетката-гостоприемник завърши с производството на нови вируси, тя може да преживее лизис или да освободи вирусите по други механизми. Вирусите могат да останат "мълчаливи" (латентни) за дълъг период и да се реактивират при подходящи условия.

В обобщение: вирусите са прости по своята структура, но сложни по взаимодействието си с живите клетки. Те са ключови за разбирането на болестите, имунитета и много биологични процеси, както и за разработването на медицински и биотехнологични приложения.

Структура на вируса на тютюневата мозайка: РНК, навита в спирала от повтарящи се белтъчни субединици

Геном

Геномно разнообразие сред вирусите
Имоти	Параметри
Нуклеинова киселина	РНК ДНК РНК и ДНК (на различни етапи от жизнения цикъл)
Форма	Линейна Кръгла Сегментиран
Странност	Едноверижна Двойна верига Двойноверижни с участъци с едноверижна структура
Усещане	Положителен смисъл (+) Отрицателен смисъл (-) Ambisense (+/-)

Във вирусите има много геномни структури. Като група те са по-разнообразни от растенията, животните, археите или бактериите. Съществуват милиони различни видове вируси, но само около 7000 от тях са описани подробно.⁴⁹

Вирусът има или РНК, или ДНК гени и затова се нарича РНК или ДНК вирус. По-голямата част от вирусите имат РНК геноми. Растителните вируси обикновено имат едноверижни РНК геноми, а бактериофагите - двуверижни ДНК геноми.^96/99

Подробно са описани по-малко от 7000 вида, но несъмнено предстои да бъдат открити още много.

Цикъл на репликация на вируса: 1-прикрепване, 2-проникване, 3-отстраняване на покритието, 4-синтез (4а-транскрипция, 4б-транслация, 4в-репликация на генома), 5-сглобяване, 6-освобождаване

Цикъл на репликация

Вирусните популации не се разрастват чрез клетъчно делене, тъй като нямат клетки. Вместо това те използват механизмите и метаболизма на клетката-гостоприемник, за да произвеждат много свои копия, и се асемблират (събират) в клетката.

Жизненият цикъл на вирусите се различава значително при различните видове, но има шест основни етапа в жизнения цикъл на вирусите:^75/91

Закрепването е свързване между вирусните капсидни протеини и специфични рецептори върху клетъчната повърхност на гостоприемника.
Проникването следва привързването: Вирусите (единични вирусни частици) навлизат в клетката-гостоприемник чрез рецепторно медиирана ендоцитоза или сливане с липидния бислой. Това се нарича вирусно проникване.
Инфектирането на растителни и гъбични клетки се различава от това на животински клетки. Растенията имат твърда клетъчна стена, изградена от целулоза, а гъбите - от хитин. Това означава, че повечето вируси могат да проникнат в тези клетки само със сила.⁷⁰ Пример за това е: вирусът се придвижва с вектор от насекомо, което се храни с растителен сок. Увреждането на клетъчните стени ще позволи на вируса да проникне вътре.
Бактериите, както и растенията, имат здрави клетъчни стени, през които вирусът трябва да премине, за да зарази клетката. Клетъчните стени на бактериите обаче са много по-тънки от тези на растенията и някои вируси имат механизми, които инжектират генома им в бактериалната клетка, докато вирусният капсид остава извън нея.⁷¹
Отстраняването на обвивката е начинът, по който се отстранява вирусният капсид: Това може да стане с помощта на вирусни ензими, ензими на гостоприемника или чрез обикновена дисоциация; крайният резултат е освобождаване на вирусната нуклеинова киселина.
Репликацията на вирусите е размножаване на генома. Това обикновено означава производство на вирусна месинджър РНК (мРНК) от "ранни" гени. При сложните вируси това може да бъде последвано от един или повече допълнителни кръгове на синтез на мРНК: "късната" генна експресия е на структурни или вирионни протеини.
След самостоятелното сглобяване на вирусните частици често се стига до известна модификация на протеините. При вируси като ХИВ тази модификация (понякога наричана съзряване) настъпва, след като вирусът е освободен от клетката-гостоприемник.
Вирусите могат да бъдат освободени от клетката гостоприемник чрез лизис - процес, при който клетката се унищожава чрез разкъсване на мембраната и клетъчната стена. Това е характерно за много бактериални и някои животински вируси.
При някои вируси вирусният геном се поставя чрез генетична рекомбинация на определено място в хромозомата на гостоприемника. Тогава вирусният геном се нарича "провирус" или, в случая на бактериофагите, "профаг".⁶⁰
Всеки път, когато гостоприемникът се дели, вирусният геном също се репликира. Вирусният геном в повечето случаи е безшумен в гостоприемника; в даден момент обаче провирусът или профагът може да доведе до появата на активен вирус, който може да разложи клетките на гостоприемника. ^{глава 15}
Обвитите вируси (напр. HIV) обикновено се освобождават от клетката гостоприемник, след като вирусът придобие своята обвивка. Обвивката е модифицирана част от плазмената мембрана на гостоприемника.^185/7

Генетичен материал и репликация

Генетичният материал във вирусните частици и методът, по който той се репликира, варират значително между различните видове вируси.

РНК вируси

Репликацията обикновено се извършва в цитоплазмата. РНК вирусите могат да бъдат разделени на четири различни групи в зависимост от начина им на репликация. Всички РНК вируси използват свои собствени ензими РНК репликаза, за да създават копия на геномите си.⁷⁹

ДНК вируси

Репликацията на генома на повечето ДНК вируси се извършва в ядрото на клетката. Повечето ДНК вируси са изцяло зависими от механизмите на клетката гостоприемник за синтез на ДНК и РНК, както и от механизмите за обработка на РНК. Вирусите с по-големи геноми могат сами да кодират голяма част от тези механизми. При еукариотите вирусният геном трябва да премине през ядрената мембрана на клетката, за да получи достъп до този механизъм, докато при бактериите той трябва само да влезе в клетката.⁵⁴⁷⁸

Обратно транскрибиране на вируси

Обратно транскрибиращите се вируси с РНК геном (ретровируси) използват ДНК междинен продукт, за да се репликират. Тези с ДНК геноми (параретровируси) използват РНК междинен продукт по време на репликацията на генома. Те са чувствителни към антивирусни лекарства, които инхибират ензима обратна транскриптаза. Пример за първия тип е ХИВ, който е ретровирус. Примери за втория тип са Hepadnaviridae, които включват вируса на хепатит В.^88/9

На тази фалшиво оцветена трансмисионна електронна микрография са изобразени ултраструктурните детайли на частица от грипен вирус, или "вирион". Грипният вирус е едноверижен РНК организъм

Защитни механизми на гостоприемника

Вродена имунна система

Първата линия на защита на организма срещу вируси е вродената имунна система. Тя разполага с клетки и други механизми, които защитават гостоприемника от всяка инфекция. Клетките на вродената система разпознават патогените и реагират на тях по общ начин.

РНК интерференцията е важна вродена защита срещу вируси. Много вируси имат стратегия за репликация, която включва двойноверижна РНК (dsRNA). Когато такъв вирус инфектира клетка, той освобождава своята РНК молекула. Белтъчен комплекс, наречен dicer, се прилепва към нея и нарязва РНК на парчета. След това се задейства биохимичен път, наречен комплекс RISC. Той атакува вирусната мРНК и клетката оцелява след инфекцията.

Ротавирусите избягват това, като не се разопаковат напълно в клетката и освобождават новопроизведена мРНК през пори във вътрешния капсид на частицата. Геномната dsRNA остава защитена в сърцевината на вириона.

Производството на интерферон е важен защитен механизъм на гостоприемника. Това е хормон, произвеждан от организма при наличие на вируси. Ролята му в имунитета е комплексна; в крайна сметка той спира размножаването на вирусите, като убива заразената клетка и близките ѝ съседи.

Адаптивна имунна система

Гръбначните животни имат втора, по-специфична имунна система. Тя се нарича адаптивна имунна система. Когато срещне вирус, тя произвежда специфични антитела, които се свързват с вируса и го правят незаразен. Важни са два вида антитела.

Първият, наречен IgM, е много ефективен при неутрализирането на вируси, но се произвежда от клетките на имунната система само за няколко седмици. Вторият, наречен IgG, се произвежда за неопределено време. Наличието на IgM в кръвта на гостоприемника се използва за изследване на остра инфекция, докато IgG показва инфекция в миналото. Антителата IgG се измерват, когато се провеждат тестове за имунитет.

Друга защита на гръбначните животни срещу вируси включва имунни клетки, известни като Т-клетки. Клетките на организма постоянно показват кратки фрагменти от своите протеини на повърхността на клетката и ако Т-клетка разпознае там подозрителен вирусен фрагмент, клетката-гостоприемник се унищожава от Т-клетките-убийци, а вирус-специфичните Т-клетки се размножават. Клетки като макрофагите са специалисти в това представяне на антигени.

Заобикаляне на имунната система

Не всички вирусни инфекции предизвикват защитен имунен отговор. Тези устойчиви вируси избягват имунния контрол чрез секвестиране (скриване); цитокинова резистентност; избягване на активността на естествените клетки-убийци; избягване на апоптоза (клетъчна смърт) и антигенна промяна (промяна на повърхностните протеини). ХИВ избягва имунната система чрез постоянна промяна на аминокиселинната последователност на протеините на повърхността на вирионите. Други вируси се придвижват по нервите до места, до които имунната система не може да достигне.

Два ротавируса: този вдясно е покрит с антитела, които му пречат да се прикрепи към клетките и да ги зарази.

Еволюция

Вирусите не принадлежат към нито едно от шестте царства. Те не отговарят на всички изисквания, за да бъдат класифицирани като жив организъм, тъй като не са активни до момента на заразяване. Това обаче е само словесен въпрос.

Очевидно е, че структурата и начинът им на функциониране означават, че са еволюирали от други живи същества, а загубата на нормалната структура се наблюдава при много ендопаразити. Произходът на вирусите в еволюционната история на живота не е ясен: някои може да са еволюирали от плазмиди - парчета ДНК, които могат да се движат между клетките - докато други може да са еволюирали от бактерии. В еволюцията вирусите са важно средство за хоризонтален трансфер на гени, което увеличава генетичното разнообразие.

Скорошни открития

В рамките на неотдавнашен проект бяха открити близо 1500 нови РНК вируси чрез вземане на проби от над 200 вида безгръбначни животни. "Изследователският екип... извлече тяхната РНК и с помощта на секвениране от следващо поколение разшифрова последователността на зашеметяващите шест трилиона букви, присъстващи в библиотеките с РНК на безгръбначните". Изследването показа, че вирусите променят части от своята РНК чрез различни генетични механизми. "Виромът на безгръбначните [показва] забележителна геномна гъвкавост, която включва честа рекомбинация, латерален трансфер на гени между вирусите и гостоприемниците, придобиване и загуба на гени и сложни геномни пренареждания".

Как бактериите и археите се справят с вирусите

Вирусите са на тази планета от дълго време. Вече знаем, че бактериите и археите са се справили с тях преди да се развие нашият тип клетъчен живот. Подробности за защитните механизми, използвани от археите и бактериите, са разгледани на страницата CRISPR, която въвежда накратко темата за ранните защитни механизми срещу вируси.

Най-големият вирус

Група големи вируси заразяват амебите. Най-големият от тях е Pithovirus. Другите по големина са Pandoravirus, Megavirus и Mimivirus. Те са по-големи от някои бактерии и се виждат под светлинен микроскоп.

Вируси в морето

Вирусите са навсякъде в морето. Те могат да надхвърлят броя на всички други форми на морския живот поне с един порядък. Чрез селективна инфекция вирусите влияят върху кръговрата на хранителните вещества и еволюцията в океана.

Използва

Вирусите се използват широко в клетъчната биология. Генетиците често използват вируси като вектори за въвеждане на гени в клетките, които изучават. Това е полезно, за да се накара клетката да произвежда чуждо вещество или да се изследва ефектът от въвеждането на нов ген в генома. От известно време източноевропейските учени използват фаготерапията като алтернатива на антибиотиците, а интересът към този подход се увеличава поради високото ниво на антибиотична резистентност, което се наблюдава при някои патогенни бактерии.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява вирусът?

Отговор: Вирусът е малък паразит, който може да се види само под електронен микроскоп. Той се състои от белтъчна обвивка, която покрива низ от нуклеинова киселина, обикновено РНК или ДНК.

В: Какво изучава вирусологията?

О: Вирусологията изучава вирусите и тяхното въздействие върху живите организми.

В: Как се размножават вирусите?

О.: Вирусите се размножават, като вкарват нишката си от нуклеинова киселина в прокариотна или еукариотна клетка. След това РНК или ДНК нишката поема контрола над клетъчния механизъм, за да възпроизведе копия на себе си и протеиновата обвивка, преди да се разкъса и да разпространи новосъздадените вируси.

Въпрос: Има ли свободно живеещи вируси?

О: Не, всички вируси са паразити, които трябва да живеят в други живи същества, за да се размножават.

В: Какви видове заболявания могат да бъдат причинени от вируси?

О: Вирусите могат да причинят много видове заболявания, като полиомиелит, ебола и хепатит.

В: Как действат ваксините срещу вирусни инфекции?

О: Ваксините дават изкуствено придобит имунитет срещу конкретната вирусна инфекция, но някои вируси (включително тези, които причиняват СПИН и вирусен хепатит) избягват тези имунни реакции и причиняват хронични инфекции.

В: Могат ли антибиотиците да се използват срещу вируси?

О: Не, антибиотиците нямат ефект върху вирусите, но има някои други лекарства, които могат да се използват срещу тях.