16.Стадии репродукции вирусов: экспрессия вирусного генома (транскрипция, трансляция вирусных белков, репликация генома).

2. Экспрессия вирусного генома

Транскрипция – «переписывание» информации с геномной нуклеиновый кислоты на иРНК по законам генетического кода.

У ДНК-содержащих вирусов процессы проходят как в клетке: ДНК ^{_транскрипция_} иРНК

^{_трансляция_} белок. Информация переписывается на иРНК, а каждая из цепей молекулы ДНК может служить матрицей для синтеза. При этом транскрипция может происходить в ядре или в цитоплазме клетки.

ДНК-содержащие вирусы, размножающиеся в ядре (папова-, аденовирусы и вирусы герпеса), используют ферменты клетки – транскриптазу или ДНК-зависимую РНК-полимеразу. После их раздевания в клетке ДНК-геном вируса проникает в ядро, встраивается в геном клетки и РНКполимераза клетки инициирует транскрипцию иРНК.

ДНК-вирусы, размножающиеся в цитоплазме (поксвирусы, иридовирусы) имеют собственный структурный белок, выполняющий функцию транскриптазы, поскольку в цитоплазме отсутствуют клеточные ферменты, способные осуществлять эту функцию.

Для размножения одноцепочечных ДНК-вирусов сначала синтезируется вторая цепь, а затем процесс идет аналогично: ДНК ^{_транскрипция_} иРНК ^{_трансляция_} белок. У таких вирусов (парвовирусы) транскрипция происходит в ядре. Сначала на матрице вирусной ДНК при участии клеточной ДНК-зависимой ДНК-полимеразы синтезируется комплементарная молекула ДНК. Формируется двуспиральная молекула ДНК, которая после замыкания в кольцо интегрируется в клеточный геном и ее транскрипцию в иРНК осуществляет клеточная ДНК-зависимая РНК-полимераза.

Регуляция транскрипции у некоторых вирусов, в основном ДНК-геномных, происходит следующим способом. Существует три периода транскрипции: сверхранний, ранний и поздний. Сначала осуществляется транскрипция сверхранних и ранних генов (кодируют неструктурные белки, выполняющие роль ферментов) с образованием сверхранних иРНК для последующей трансляции так называемых α-белков. В свою очередь α-белки необходимы в качестве ферментов для ранней транскрипции, в процессе которой считываются ранние гены, кодирующие β-белки, которые инициируют транскрипцию группы поздних генов, кодирующих γ-белки (структурные белки). Такой тип регуляции называется каскадным. Количество поздних генов обычно превышает количество ранних. Обычно при поздней транскрипции считывается весь геном, но с преобладанием транскрипции поздних генов. Такой путь регуляции транскрипции характерен для покс-, герпес-, папилломаи полиомавирусов, аденовирусов, иридовирусов.

У РНК-вирусов (+)РНК с позитивным геномом (пикорна-, тогаи коронавирусы) процесс транскрипции отсутствует, т.к. РНК выполняет функцию иРНК генома: (+)РНК ^{_трансляция_} белок.

У вирусов с (-) РНК негативным геномом (двухцепочечные: рео-, одноцепочечные: ортомиксо-, парамиксо-, рабдои буньявирусы) собственный геном не может выполнять функции иРНК, поэтому вирусная РНК служит матрицей, на которой синтезируется комплементарная иРНК. У таких вирусов транскрипция выделена как самостоятельный процесс в инфекционном цикле: (-)РНК ^{_транскрипция_} (+) РНК ^{_трансляция_} белок. Вирус должен иметь в своем составе фермент РНК-зависимую РНК-полимеразу (транскриптазу), т.к. в клетке ее аналога нет.

Семейство РНК-содержащих ретровирусов содержит геном, представленный двумя отдельными молекулами РНК, так называемый димерный геном. Эти вирусы включают в себя обратный синтез (процесс обратной транскрипции). После «раздевания» вирусы проникают в ядро клетки в виде РНК-генома, связанного со структурным белком вируса. Данный белок выполняет уникальную функцию фермента, который инициирует «переписывание» информации (обратная транскрипция) с РНК вируса на комплементарную молекулу ДНК. Фермент обратная транскриптаза (РНК-зависимая ДНК-полимераза, ревертаза) находится в составе вириона. Синтезированная ДНК встраивается (интегрируется) в ДНК клетки и при участии клеточной ДНК-зависимой РНКполимеразы «переписывается» на РНК, которая обладает функцией иРНК: РНК ^{_обратная транскрипция_}ДНК+ геном клетки _транскрипция_ иРНК _трансляция_ белок.

У РНК-вирусов синтез транскриптов строго контролируется в отношении как количества каждого класса транскриптов, так и периода инфекции, когда определенные транскрипты синтезируются с максимальной скоростью. Синтезированные иРНК транспортируются к рибосомам.

Транскрипция может быть первичной (осуществляется с нуклеиновой кислоты, только проникнувшей в клетку) и вторичной (осуществляется на вновь синтезированных нуклеиновых кислотах).

Трансляция перевод генетической информации, содержащейся в иРНК в виде нуклеотидной последовательности в последовательность аминокислот, из которых синтезируется белок. Вирус использует белоксинтезирующий аппарат клетки. Синтез белка в клетке происходит на рибосомах, где идет слияние потока информации (иРНК) с потоком аминокислот, которые приносят транспортные РНК (тРНК). Для каждой аминокислоты должна быть своя тРНК. В клетке существует большое количество тРНК, молекулы которых представляют собой односпиральные РНК со сложной структурой, петли которой напоминают лист клевера. В одно из петель молекулы тРНК находится триплет нуклеотидов – антикодон, комплементарный определенному кодону иРНК. Молекула тРНК «узнает» определенную аминокислоту и связывается с ней с помощью клеточного фермента – аминоацил-тРНК-синтетазы с образованием аминоацил-тРНК.

Три нуклеотида на иРНК кодируют одну аминокислоту и называются триплетом или кодоном, а комплементарные им три нуклеотида на тРНК – антикодоном.

Трансляция проходит три этапа: инициация (узнавание), элонгация (удлинения) и терминация (окончание трансляции).

Инициация – наиболее ответственный этап, основанный на узнавании рибосомой вирусной иРНК, за счет нескольких вирусных молекул белка, так называемые инициаторные факторы. Инициации предшествует формирование инициирующего комплекса, состоящего из малой и большой субъединиц рибосомы, аминоацил-тРНК и белковых факторов инициации.

Инициация «запускается» специфической последовательностью на 5'-конце иРНК, содержащей кэп-структуру (кэп шапочка) – триплет, кодирующий метионин. Эту последовательность узнает малая субъединица рибосомы и связывается с ней, а аминоацил-тРНК одновременно связывается с обеими субъединицами рибосомы. Большая рибосомальная субъединица «протягивает» через себя иРНК и перемещается к ее 3'-концу, пока не достигнет инициаторного кодона.

Происходит слияние потока информации с потоком аминокислот, т.е. кодон (триплет), находящийся в малой рибосомальной субъединице узнает антикодон, находящийся в большой субъединице.

Элонгация – происходит наращивание полипептидной цепи, вследствие присоединения новых аминокислот. иРНК протягивается через рибосому и на ней кодируются аминокислоты. Происходит присоединение новых аминокислот к растущей полипептидной цепи.

Терминация – прекращение трансляции и полипептидная цепь освобождается из рибосомы, при этом рибосома распадается на субъединицы, которые затем могут войти в состав новых рибосом, транслирующих другую (или ту же) иРНК. Элонгация продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет терминального кодона в составе иРНК. Каждая иРНК связана одновременно с несколькими транслирующими рибосомами, образуя структуру, которая называется полисомой (полирибосомой). Такие структуру могут быть свободными или связанными с мембраной. Полисомы могут состоять из 4 – 6 или 20 и более рибосом.

Существует два пути формирования вирусных белков:

1. Синтез гигантского полипептид-предшественника, который затем нарезается на отдельные активные белки. Полипептид сползает в виде непрерывной ленты с рибосомного «конвейера» и нарезается на белки нужного размера за счет вирусных и клеточных протеаз. Такой путь реализуют (+)РНК-вирусы с позитивным геномом (пикорнаи тогавирусы).

2. Синтез отдельных зрелых белков – характерен для ДНК-вирусов и большинства РНКвирусов.

Функционально зрелые белки часто не идентичны их вновь синтезированным предшественникам. К посттрансляционным модификациям относятся гликозилирование, ацилирование, метилирование, сульфирование, фосфорилирование, протеолитическое нарезание.

Репликация – удвоение, синтез молекулы нуклеиновой кислоты идентичной геному. Репликация двухцепочечных ДНК-вирусов идет как и клеточных. После расплетения молеку лы на две нити каждая становится матрицей для синтеза новых дочерних цепей. Синтез идет одновременно на обеих нитях от 5'-конца к 3'-концу при участии белка с ферментативной активностью репликазы (ДНК-полимеразы). Каждая вновь синтезированная молекула ДНК состоит из одной родительской и одной вновь синтезированной дочерней нити.

При репликации вирусной одноцепочечной ДНК сначала синтезируется вторая цепь, приводящая к образованию двуспиральных форм, состоящих из плюси минус-цепей промежуточные репликативные формы. В дальнейшем на минус-цепях синтезируются дочерние плюс-нити ДНК.

При репликации одноцепочечных РНК сначала происходит синтез комплементарной РНК (репликативная форма РНК), а потом уже комплементарная ей (идентичная исходной РНК). В клетках нет собственных ферментов, способных осуществлять репликацию РНК-генома. Эту роль выполняют вирусоспецифические белки с функциональной активностью репликаз.

При репликации двухцепочечных РНК образуются также комплементарные формы, являющиеся матрицей для последующих цепей. На минус-нити синтезируются односпиральная плюсРНК, которая сначала выполняет функцию иРНК, за затем служат матрицей для синтеза комплементарной плюс-РНК. В результате этого образуются двуспиральные дочерние молекулы вирусной РНК.

Репликация одноцепочечной РНК ретровирусов, представляющая собой димер из двух отдельных плюс-РНК, происходит с участием вирусоспецифического фермента – обратной транскриптазы (ревертазы). Вначале в ядре клетки на одной молекуле РНК синтезируется комплементарная ей минус-нить ДНК, а затем (после разрушения РНК) – комплементарная ей плюс-нить ДНК. Двунитевая ДНК интегрируется в хромосому клетки. Вирусная ДНК, встроенная в клеточный геном, транскрибируется с образованием вирусной РНК, которая вначале выполняет функции иРНК, направляя синтез вирусоспецифических белков, а затем две такие молекулы ассоциируются с белками (сборка), формируя новое поколение вирионов.