Введение

Формирование биологических вирусов в процессе инфекции

Вирусная репликация – это процесс формирования биологических вирусов в процессе инфекции в клетках-хозяевах. Прежде чем может начаться вирусная репликация, вирусы должны проникнуть в клетку. Создавая большое количество копий своего генома и упаковывая их, вирус продолжает заражать новые организмы. Репликация у разных вирусов значительно различается и зависит от типа генов, в ней участвующих. Большинство ДНК-вирусов собираются в ядре, а большинство РНК-вирусов развиваются исключительно в цитоплазме.

Привязка

Это первый шаг репликации вируса. Некоторые вирусы прикрепляются к клеточной мембране клетки-хозяина и внедряют свою ДНК или РНК в клетку-хозяина, чтобы инициировать инфекцию. Прикрепление к клетке-хозяина часто осуществляется с помощью вирусного белка прикрепления, который выступает из белковой оболочки, также известной как капсид, вируса. Этот белок отвечает за связывание с поверхностным рецептором на плазматической мембране (или мембранными углеводами) клетки-хозяина. Вирусы могут использовать нормальные функции клеточных рецепторов, чтобы обеспечить прикрепление, имитируя молекулы, которые связываются с рецепторами клеток-хозяев. Например, риновирус использует свой вирусный белок прикрепления для связывания с рецептором ICAM-1 на клетках-хозяевах, который обычно используется для облегчения адгезии между другими клетками-хозяевами.

Вход

Вхождение, или проникновение, является вторым этапом вирусной репликации. Этот этап характеризуется прохождением вируса через плазматическую мембрану клетки-хозяина. Наиболее распространенным способом проникновения вируса в клетку-хозяина является рецепторно-опосредованный эндоцитоз, который не требует затрат энергии от вируса, а только от клетки-хозяина. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз происходит, когда молекула (в данном случае вирус) связывается с рецептором на мембране клетки. Серия химических сигналов, возникающих в результате этого связывания, заставляет клетку обволакивать прикрепленный вирус плазматической мембраной, формируя внутриклеточный везикул, содержащий вирус. Вирусы также могут сливаться с плазматической мембраной и распространяться внутри организма хозяина посредством слияния или слияния клеток. Вирусы прикрепляются к белкам на поверхности клетки-хозяина, известным как клеточные рецепторы или факторы прикрепления, для облегчения проникновения. Имеются данные, свидетельствующие о том, что вирусы используют ионные каналы в клетках-хозяевах во время проникновения. Слияние: Внешние вирусные белки способствуют слиянию вириона с плазматической мембраной. Это формирует пору в мембране хозяина, и после проникновения вирион высвобождается (удаляется оболочка), а его геномный материал переносится в цитоплазму. Слияние клеток: Некоторые вирусы индуцируют экспрессию специфических белков на поверхности инфицированных клеток, чтобы привлечь неинфицированные клетки. Это взаимодействие вызывает слияние неинфицированной клетки с инфицированной клеткой при более низком pH, образуя многоядерную клетку, известную как синцитий. Эндоцитарные пути: процесс, при котором внутриклеточный везикул формируется путем инвагинации мембраны, что приводит к захвату внеклеточных и мембранно-связанных компонентов, в данном контексте – вируса. Неэндоцитарные пути: процесс, при котором вирусные частицы попадают в клетку путем слияния внеклеточной вирусной оболочки и мембраны клетки-хозяина. В лизогенном цикле вирусный геном интегрируется в геном хозяина. Геном хозяина проходит свой нормальный жизненный цикл, реплицируясь и делясь, реплицируя вирусный геном вместе со своим собственным. Вирусный геном может быть активирован для начала вирусной продукции под воздействием химических и экологических стимулов. Как только лизогенный вирус переходит в литический цикл, он продолжает вирусные пути продукции и переходит к транскрипции / продукции мРНК. (например, герпес, вирус простого герпеса (ВПГ) 1, лизогенные бактериофаги и т.д.)

Сборка

Сборка — это процесс, при котором вновь синтезированные вирусные белки и геномы собираются вместе, формируя незрелые вирусные частицы. Как и другие этапы жизненного цикла вируса, способ сборки зависит от типа вируса. Сборка может происходить в плазматической мембране, цитозоле, ядре, аппарате Гольджи и других внутриклеточных компартментах клетки-хозяина. Некоторые вирусы помещают свой геном в капсид только после завершения формирования капсида, в то время как у других капсид обволакивает геном по мере его репликации. Дэвид Балтимор, биолог, удостоенный Нобелевской премии, разработал систему классификации вирусов, известную как система классификации Балтимора, основанную на их уникальных стратегиях репликации. Эта система включает семь различных стратегий репликации (Классы Балтимора I, II, III, IV, V, VI, VII). Здесь кратко и в общих чертах представлены семь классов вирусов.

Класс 1: Двухцепочечные вирусы ДНК

Этот тип вируса обычно должен проникнуть в ядро клетки-хозяина, прежде чем он сможет реплицироваться. Некоторые из этих вирусов нуждаются в полимеразах клетки-хозяина для репликации своего генома, в то время как другие, такие как аденовирусы или вирусы герпеса, кодируют собственные факторы репликации. Однако, в любом случае, репликация вирусного генома сильно зависит от клеточного состояния, благоприятствующего репликации ДНК, и, следовательно, от клеточного цикла. Вирус может стимулировать клетку к принудительному делению, что может привести к трансформации клетки и, в конечном итоге, к раку. Примером семейства в этой классификации является Adenoviridae. Существует лишь один хорошо изученный пример, когда семейство вирусов класса 1 не реплицируется в ядре. Это семейство Poxviridae, включающее в себя высокопатогенные вирусы, инфицирующие позвоночных.

Класс 3: Двухцепочечные вирусы РНК

Как и большинство вирусов с РНК-геномами, вирусы с двухцепочечной РНК не полагаются на полимеразы хозяина для репликации в такой степени, как вирусы с ДНК-геномами. Вирусы с двухцепочечной РНК изучены хуже, чем другие классы. Этот класс включает два основных семейства: Reoviridae и Birnaviridae. Репликация является моноцистронической и включает в себя отдельные сегментированные геномы, то есть каждый ген кодирует только один белок, в отличие от других вирусов, у которых наблюдается более сложный трансляционный процесс.

Классы 4 и 5: одноцепочечные вирусы РНК

Эти вирусы состоят из двух типов, однако для обоих характерно то, что репликация происходит преимущественно в цитоплазме, и что репликация не так сильно зависит от клеточного цикла, как у ДНК-содержащих вирусов. Этот класс вирусов также является одним из наиболее изученных, наряду с вирусами с двуцепочечной ДНК.

Класс 4: одноцепочечные вирусы РНК - положительное значение

Положительные вирусы РНК, и вообще все гены, определяемые как положительные, могут быть непосредственно использованы рибосомами клетки хозяина для немедленного синтеза белков. Их можно разделить на две группы, обе из которых реплицируются в цитоплазме: вирусы с полицистронической мРНК, где геномная РНК служит мРНК и транслируется в полипротеин, который затем расщепляется на зрелые белки. Это позволяет гену использовать несколько способов для производства белков из одной цепи РНК, тем самым уменьшая размер генома. Вирусы со сложной транскрипцией, для которых используются субгеномные мРНК, рибосомный сдвиг рамки считывания и протеолитическая обработка полипротеинов. Все это различные механизмы для производства белков из одной цепи РНК. Примерами этого класса являются семейства Coronaviridae, Flaviviridae и Picornaviridae.

Класс 5: Одноцепочечные вирусы РНК - негативный

Негативные вирусы РНК и, вообще, все гены, определяемые как имеющие отрицательный смысл, не могут быть напрямую использованы рибосомами клетки хозяина для немедленного синтеза белков. Вместо этого они должны быть транскрибированы вирусными полимеразами в "читаемый" комплементарный положительный смысл. Эти вирусы также можно разделить на две группы: вирусы с несегментированными геномами, для которых первым этапом репликации является транскрипция с отрицательной цепи генома вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразой с образованием моноцистронных мРНК, кодирующих различные вирусные белки. Затем создается положительная копия генома, служащая матрицей для синтеза отрицательной цепи генома. Репликация происходит в цитоплазме. Вирусы с сегментированными геномами, для которых репликация также происходит в цитоплазме, и вирусная РНК-зависимая РНК-полимераза производит моноцистронные мРНК из каждого сегмента генома. Примеры этого класса включают семейства Orthomyxoviridae, Paramyxoviridae, Bunyaviridae, Filoviridae и Rhabdoviridae (включая вирусы, вызывающие бешенство).

Класс 6: одноцепочечные вирусы РНК с положительным чувством, которые реплицируются через промежуточный ДНК

К хорошо изученным семействам этого класса вирусов относятся ретровирусы. Одной из определяющих характеристик является использование обратной транскриптазы для преобразования одноцепочечной РНК положительной полярности в ДНК. Вместо использования РНК в качестве матрицы для синтеза белков, они используют ДНК для создания матрицы, которая встраивается в геном клетки-хозяина при помощи интегразы. Репликация затем может начаться с использованием полимераз клетки-хозяина.

Класс 7: Двухцепочечные вирусы ДНК, которые реплицируются через одноцепочечный промежуточный РНК

Эта небольшая группа вирусов, представленная вирусом гепатита B, имеет двухцепочечный геном с разрывами, который впоследствии заполняется, образуя ковалентно замкнутую кольцевую ДНК (cccDNA), служащую матрицей для синтеза вирусных мРНК и субгеномной РНК. Предгеномная РНК служит матрицей для вирусной обратной транскриптазы и для синтеза ДНК-генома.