Вируси: определение, структура, размножаване и заболявания

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.

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

 

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.

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.

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.

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.

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.

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.