Молекулярная вирусология - Molecular virology

Сотрудник CDC в вирусологической лаборатории максимального сдерживания

Молекулярная вирусология это изучение вирусы на молекулярном уровне. Вирусы субмикроскопичны паразиты которые воспроизводятся внутри клетки-хозяева.[1][2] Они способны успешно заражать и паразитировать на всех формах жизни - от микроорганизмов до растений и животных - и в результате вирусы обладают большим биологическим разнообразием, чем все остальные царства бактерий, растений и животных вместе взятые.[2][3] Изучение этого разнообразия - ключ к лучшему пониманию того, как вирусы взаимодействуют со своими хозяевами, размножаются внутри них и вызывают заболевания.[2]

Вирусная репликация

Вирусы полагаются на своего хозяина для репликации и размножения. Это связано с тем, что вирусы не могут пройти через клеточное деление, поскольку они являются бесклеточными - это означает, что им не хватает генетической информации, которая кодирует необходимые инструменты для синтеза белка или выработки метаболической энергии; следовательно, они полагаются на своего хозяина для воспроизведения и размножения. Используя механизмы клетки-хозяина, вирус генерирует копии своего генома и производит новые вирусы для выживания своего вида и заражения новых хозяев. вирусная репликация процесс варьируется в зависимости от генома вируса.[2]

Классификация

В 1971 г. Дэвид Балтимор, а Нобелевская премия - биолог-победитель, создал систему под названием Балтиморская система классификации В соответствии с этой системой вирусы классифицируются на семь классов в зависимости от их стратегии репликации:[2][4]

  • Класс I: двухцепочечная ДНК. В зависимости от места репликации генома этот класс можно разделить на две группы: (а) вирусы, в которых репликация происходит исключительно в ядре и, таким образом, относительно зависит от клеточных факторов; (б) вирусы, реплицирующиеся в цитоплазме, которые в основном независимы от клеточного аппарата из-за того, что они приобрели все необходимые факторы для транскрипции и репликации своего генома.[2]
  • Класс II: одноцепочечная ДНК. Эти вирусы размножаются только в ядре. В процессе репликации образуется двухцепочечный промежуточный продукт, который служит матрицей для синтеза одноцепочечной ДНК вируса.[2]
  • Класс III: двухцепочечная РНК. Вирусы этого класса имеют сегментированный геном. Каждый сегмент транскрибируется индивидуально для получения монохроматической мРНК, кодирующей только один белок.[2]
  • Класс IV: Одноцепочечная РНК - с положительным смыслом. Геном этих вирусов позитивно-смысловые РНК, в котором РНК непосредственно транслируется в вирусный белок. Эти вирусы можно разделить на две группы в зависимости от процесса их трансляции: (а) вирусы с полицистронной мРНК, в которых РНК транслируется в несколько белковых продуктов; (b) вирусы с более сложной транскрипцией, чем первая группа, где для получения геномной РНК необходимы либо субгеномные РНК, либо два раунда трансляции.[2]
  • Класс V: одноцепочечная РНК с отрицательным смыслом. Все вирусы этого класса имеют отрицательно-смысловые РНК, в котором РНК дополняет мРНК, транскрибируется в позитивно-смысловую РНК через вирусный полимераза, и переводится в вирусный белок. Вирусы этого класса имеют либо сегментированную, либо несегментированную РНК; в любом случае репликация происходит в цитоплазме клетки.[2]
  • Класс VI: одноцепочечная позитивно-смысловая РНК с промежуточной ДНК. Эти вирусы используют обратная транскриптаза для преобразования положительно-смысловой РНК (в качестве матрицы) в ДНК. Ретровирусы - самая известная семья среди этого класса.[2]
  • Класс VII: двухцепочечная ДНК с промежуточной РНК. В геноме этих вирусов имеются двухцепочечные разрывы, которые впоследствии заполняются с образованием cccDNA (ковалентно замкнутая кольцевая ДНК). Эта группа также использует обратную транскрипцию в процессе созревания.[2]
Цикл вирусной репликации - упрощенный

Цикл репликации

Независимо от различий между вирусными видами, все они разделяют шесть основных стадий репликации:[2][5]

Вложение является отправной точкой цикла и состоит из специфических связываний между антирецепторами (или белками прикрепления вируса) и молекулами клеточных рецепторов, такими как (глико) белки. Диапазон хозяев вируса определяется специфичностью связывания. Присоединение заставляет вирусный белок изменять свою конфигурацию и, таким образом, сливаться с клеточной мембраной хозяина; тем самым позволяя вирусу проникать в клетку.[6]

Проникновение вируса происходит либо через мембранный сплав или рецептор-опосредованный эндоцитоз и приводит к вирусное проникновение. Из-за их жестких целлюлоза -сделали

(хитин в случае грибковых клеток) клеточные стенки, растения и грибковые клетки заражаются иначе, чем клетки животных. Часто для проникновения вируса в клетку требуется травма клеточной стенки.[6]

Непокрытие - это удаление вирусных капсид, что делает вирусные нуклеиновые кислоты доступными для транскрипции. Капсид мог быть разрушен ферментами хозяина или вируса, высвобождая вирусный геном в клетку.[6]

Репликация это умножение генетического материала вируса. Процесс включает транскрипцию мРНК, синтез и сборку вирусных белков и регулируется экспрессией белка.[6]

Процесс сборки включает сборку и модификацию вновь созданных вирусных нуклеиновых кислот и структурных белков для формирования нуклеокапсида вируса.[2][7]

Выпуск вирусов может осуществляться двумя разными механизмами в зависимости от типа вируса. Литические вирусы разрушают мембрану или стенку клетки посредством процесса, называемого лизис чтобы освободить себя. С другой стороны, вирусы в оболочке выпускаются процессом, называемым подающий надежды при котором вирус получает свою липидную мембрану, когда он выходит из клетки через мембрану или внутриклеточные везикул. Процессы лизиса и почкования сильно повреждают клетку, за исключением ретровирусы, и часто приводят к гибели клетки.[2][6]

Вирусный патогенез

Патогенность это способность одного организма вызывать болезнь у другого. Есть специальная область обучения в вирусология называется вирусный патогенез в котором он изучает, как вирусы заражают своих хозяев на молекулярном и клеточном уровне.[2]

Чтобы вирусное заболевание развилось, необходимо предпринять несколько шагов. Во-первых, вирус должен проникнуть в организм и имплантироваться в ткань (например, в дыхательную ткань). Во-вторых, вирус должен воспроизводиться внеклеточно после вторжения, чтобы создать достаточные копии самого себя. В-третьих, синтезированные вирусы должны распространяться по организму через системы кровообращения или нервные клетки.[8]

Инфекция респираторно-синцитиальным вирусом (RSV) обычно вызывает широко распространенный бронхиолит и интерстициальную пневмонию, которая иногда может быть связана с гигантскими клетками. Это изображение показывает неспецифический паттерн интерстициальной пневмонии без гигантских клеток.

Что касается вирусных заболеваний, важно рассмотреть два аспекта: (а) прямое влияние репликации вируса; (б) реакция организма на инфекцию. Течение и тяжесть всех вирусных инфекций определяется динамикой взаимодействия вируса и хозяина. Общие симптомы вирусных инфекций - лихорадка, ломота в теле, воспаление и кожная сыпь. Большинство этих симптомов вызвано реакцией нашей иммунной системы на инфекцию, а не прямым следствием репликации вируса.[2]

Цитопатические эффекты вируса

Часто можно распознать инфицированные вирусом клетки по ряду общих фенотипических изменений, называемых эффектами цитопатии. Эти изменения включают:[2]

  • Измененная форма: форма прикрепленных клеток - клеток, которые прикрепляются к другим клеткам или искусственным субстратам - может меняться от плоской до круглой. Кроме того, расширения клетки, напоминающие усики, участвующие в подвижности и прикреплении клеток, втягиваются в клетку.[2]
  • Отслоение от субстрата: происходит в результате повреждения прикрепленных клеток. Повреждение клеток происходит из-за частичной деградации цитоскелет.[2]
  • Лизис: в этом случае вся клетка разрушается из-за поглощения внеклеточной жидкости и отек. Не все вирусы вызывают лизис.[2]
  • Мембранный синтез: Мембраны соседних клеток сливаются вместе и производят массу, называемую синцитий, в котором цитоплазма содержит более одного ядра и выглядит как гигантская клетка. Эти клетки имеют короткую продолжительность жизни по сравнению с другими клетками.[2]
  • Увеличение проницаемости мембраны: вирусы могут увеличивать проницаемость мембраны, что позволяет многим внеклеточным ионам (например, ионам йода и натрия) проникать в клетку.[2]

Вирусные инфекции

Существует пять различных типов вирусных инфекций:[2]

  • Абортивная инфекция: Этот вид инфекции возникает, когда вирус успешно вторгается в клетку-хозяин, но не может завершить свой полный цикл репликации и произвести больше инфекционных вирусов.[2]
Вирион вируса Эбола. Эта цветная трансмиссионная электронная микрофотография (ПЭМ), созданная микробиологом из ГХ Синтией Голдсмит, выявила часть ультраструктурной морфологии вириона вируса Эбола.
  • Острая инфекция: многие распространенные вирусные инфекции следуют этой схеме. Острые инфекции носят кратковременный характер, так как часто полностью устраняются иммунной системой. Острая инфекция часто связана с эпидемиями, поскольку репликация вируса в большинстве случаев происходит до появления симптомов.[2]
  • Хроническая инфекция: эти инфекции имеют длительное течение и их трудно устранить, поскольку вирус остается в организме хозяина в течение значительного периода времени.[2]
  • Устойчивая инфекция: в этой схеме существует тонкий баланс между хозяином и вирусом. Вирус регулирует свою репликацию и уровни патогенности, чтобы поддерживать жизнь хозяина в своих интересах. Хотя вирус может жить и размножаться внутри хозяина в течение всего его срока службы, часто хозяин в конечном итоге уничтожает вирус.[2]
  • Скрытая инфекция: будучи последней инфекцией, скрытые вирусные инфекции, как правило, существуют внутри хозяина на протяжении всей его жизни. Хорошо известным примером такой инфекции является простой герпес вирус у человека. Этот вирус способен останавливать репликацию и ограничивать экспрессию гена, чтобы остановить распознавание инфицированной клетки иммунной системой хозяина.[2]

Профилактика и лечение

Популярный вакцина содержат инактивированные вирусы, утратившие способность к репликации. Эти вакцины могут предотвратить или снизить интенсивность вирусного заболевания. Разработка вакцин против оспы, полиомиелита и гепатита B за последние 50 лет оказала значительное влияние на здоровье в мире и, следовательно, на население мира. Тем не менее, вспышки вирусов продолжаются (например, Эбола и Вирусы Зика ) за последние несколько лет затронули миллионы людей по всему миру.[9] Следовательно, для разработки новых вакцин и контроля текущих / будущих вирусных вспышек необходимо более глубокое понимание молекулярной вирусологии и вирусов.[2]

Альтернативным способом лечения вирусных инфекций могут быть противовирусные препараты, в которых они блокируют цикл репликации вируса. Специфика противовирусного препарата - залог его успеха. Эти препараты токсичны как для вируса, так и для хозяина, но для минимизации их повреждения они разработаны таким образом, чтобы быть более токсичными для вируса, чем для хозяина. Эффективность противовирусного препарата измеряется химиотерапевтическим индексом, который определяется по:[2]

Чем выше эффективность препарата, тем меньше значение химиотерапевтического индекса. В клинической практике этот индекс используется для получения безопасного и клинически полезного препарата.[2]

Рекомендации

  1. ^ Кроуфорд, Дороти (2011). Вирусы: очень краткое введение. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр.4–7. ISBN  978-0199574858.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс y z аа ab ac объявление ае аф Канн, Алан (2012). Принципы молекулярной вирусологии. Эльзевье. п. 214. ISBN  9780123849403.
  3. ^ Кунин, Евгений В .; Сенкевич, Татьяна Г .; Доля, Валериан В. (1 января 2006 г.). «Древний вирусный мир и эволюция клеток». Биология Директ. 1: 29. Дои:10.1186/1745-6150-1-29. ISSN  1745-6150. ЧВК  1594570. PMID  16984643.
  4. ^ Диммок, Найджел (2007). Введение в современную вирусологию. Вили-Блэквелл. ISBN  978-1-119-97810-7.
  5. ^ Кольер, Лесли; Balows, Альберт; Суссман, Макс (1998) Микробиология и микробные инфекции Топли и Вильсона девятое издание, Том 1, Вирусология, редакторы тома: Мэхи, Брайан и Коллиер, Лесли. Арнольд. ISBN  0-340-66316-2.
  6. ^ а б c d е Диммок, штат Нью-Джерси; Истон, Эндрю Дж; Леппард, Кит (2007) Введение в современную вирусологию шестое издание, Blackwell Publishing, ISBN  1-4051-3645-6.
  7. ^ Бармен, S; Али, А; Hui, EK; Адхикари, L; Наяк, Д.П. (2001). «Транспорт вирусных белков к апикальным мембранам и взаимодействие матричного белка с гликопротеинами в сборке вирусов гриппа». Вирус Res. 77 (1): 61–9. Дои:10.1016 / S0168-1702 (01) 00266-0. PMID  11451488.
  8. ^ Барон, S (1996). Медицинская микробиология Глава 45 Вирусный патогенез. Галвестон (Техас).
  9. ^ «Вспышка болезни, вызванной вирусом Эбола, 2014 г. в Западной Африке». ВОЗ. 21 апреля 2014 г.

Дополнительные ссылки