Материал: Домарадский И.В. Основы вирусологии для экологов

УДК 578 ББК 28.080+28.3

Д66

Домарадский И.В. Основы вирусологии для экологов. Под редакцией академика РАЕН В.А. Алёшкина. – М.: ЛексЭст, 2007.– 80 с.

ISBN 5–901638–69–7

В книге сделана попытка изложить главные аспекты вирусологии. Рассмотре ны основные вопросы биологии вирусов, а также взаимоотношений их с пред ставителями пяти царств живой материи. Книга снабжена кратким глоссарием.

Книга рассчитана на специалистов разных профилей, интересующихся проб лемами экологии.

Библиогр.: 50 названий. Ил. 13. Табл. 5

© Домарадский И.В. 2007 © Lex est. 2007

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая книга имеет целью ознакомить с основами ви русологии лиц, занимающихся проблемами экологии. При этом по понятным причинам главный акцент приходится на отношения вирусов с клетками и организмами, а глобальные аспекты эколо гии отодвинуты на второй план. Впрочем, автор надеется, что на фоне изданных им книг (см. указатель литературы) этот пробел не будет уж столь разительным.

Исходя из поставленной задачи, автор старался познакомить читателя со всеми типами вирусов, а именно вирусами животных, растений, грибов, простейших и бактерий. Однако, поскольку ос новной прогресс достигнут в изучении вирусов человека и живот ных, книга содержит сведения главным образом о животных виру сах, а материалы, касающиеся вирусов других форм живой мате рии, даются в сжатой форме. Такой подход, как кажется автору, был вполне оправдан, поскольку позволил избежать повторений, особенно когда речь шла о структуре вирусов и молекулярно био логических аспектах их существования.

К книге придается словарь основных терминов и понятий, а соответствующие слова в тексте выделены курсивом. В конце дает ся список использованной литературы, а также работ, которые по могут читателю расширить сведения по заинтересовавшим его вопросам.

Книга была начата в 2001 году при участии известного вирусо лога профессора В.П. Карелина, но после его скоропостижной кончины осенью того же года работа над ней возобновилась толь ко летом 2006 года. Вполне понятно, что книгу пришлось допол нить новыми данными и заново отредактировать. Тем не менее ав тор далек от мысли, что и сейчас еще избранный им формат книги является оптимальным и лишен существенных недостатков. Поэ тому он будет весьма признателен за все критические замечания и предложения.

И. Домарадский

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Глава 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВИРУСОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.1. Методы исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.2. Классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Глава 2. ТИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВИРИОНОВ . . . . . . . . . . . .11

2.1. Структура вирионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 2.2. Физико химические особенности. . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Глава 3. РЕПРОДУКЦИЯ ВИРУСОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

1. Адсорбция и проникновение вирусов в клетки . . . . . . . . .13 2. «Раздевание» вирионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 3. Экспрессия вирусных геномов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 3.1. Транскрипция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3.2. Трансляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 3.3. Репликация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 3.4. Сборка и выход вирионов из клеток . . . . . . . . . . . . . . . . .17 3.5. Некоторые следствия избыточного синтеза белка . . . . .19

Глава 4. САТЕЛЛИТНЫЕ ВИРУСЫ И ВИРОИДЫ . . . . . . . .20

4.1. Сателлитные вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 4.2. Вироиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Глава 5. ВИРУСНЫЕ ИНФЕКЦИИ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

5.1. Патогенез вирусных инфекций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 5.2. Вирусная инфекция клеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 5.3. Медленные инфекции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 4

Глава 6. ПРОТИВОВИРУСНЫЙ ИММУНИТЕТ . . . . . . . . . . .29

6.1. Иммунитет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

6.2. Интерферон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

Глава 7. ЛЕЧЕНИЕ И ПРОФИЛАКТИКА ВИРУСНЫХ ИНФЕКЦИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

Глава 8. ВИРУСЫ И БИОСФЕРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

8.1. Общие вопросы экологии вирусов . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 8.2. Членистоногие и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 8.3. Простейшие и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 8.4. Грибы и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 8.5. Растения и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 8.6. Бактерии и вирусы (бактериофаги) . . . . . . . . . . . . . . . . .47 8.7. Человек и вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

Глава 9. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВИРУСОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

9.1. Происхождение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 9.2. Эволюция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

Глава 10. ОПУХОЛИ И ВИРУСЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 СЛОВАРЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

5

ВВЕДЕНИЕ

Представление о вирусах сложилось в конце ХIХ века, когда были открыты фильтрующихся формы возбудителей, т. е. агентов, сохраняющих инфекционность после прохождения через фильт ры, задерживающие бактерий.

Как нам кажется, наиболее приемлемое определение вирусов дали Лурия и Дарнелл (1970): «Вирусы – это объекты, геном кото рых представлен одним типом нуклеиновой кислоты – ДНК или РНК; эта нуклеиновая кислота репродуцируется в живых клетках и, используя их синтетический аппарат, заставляет клетки синте зировать вирионы – специализированные частицы, содержащие геном вируса и способные передавать его в другие клетки».

Долгое время дискутировался вопрос, являются ли вирусы живы ми организмами или представляют собой только комбинацию гигант ских молекул. Однако теперь, когда особенности строения и репро дукции вирусов оказались выясненными, вопрос о том, являются ли они живыми, постепенно утратил свое значение, и некоторые относят их к особому надцарству живой природы с царством «Вирусы».

Вирусы являются самой распространенной формой органичес кой материи на планете по численности своей популяции и, по ви димому, одной из самых распространенных по биомассе.

Вирусы – внутриклеточные облигатные паразиты. Впрочем, внутриклеточный паразитизм свойственен не только вирусам, но так же некоторым бактериям (например, гонококкам, хламидиям или риккетсиям), грибам и простейшим (например, плазмодиям). Одна ко в приведенном выше определении вирусов подчеркивается особая природа их паразитизма – паразитизм на генетическом уровне.

В структуре современной инфекционной заболеваемости число вирусных инфекций достигает 85 %. В частности, вирусы являются са мой распространенной причиной респираторных и желудочно кишеч ных заболеваний. Особое медицинское значение имеют онкогенные вирусы, они же служат объектами интенсивного научного изучения.

Вирусология как наука сыграла ключевую роль в рождении

новых фундаментальных направлений биологии, например моле кулярной биологии. Новейшие направления современной биоло гии, в том числе генная инженерия, активно используют методы, объекты и научные достижения вирусологии.

6

Глава 1

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ÈКЛАССИФИКАЦИЯ ВИРУСОВ

1.1.Методы исследования

Вирусы как облигатные внутриклеточные паразиты не спо собны расти на искусственных питательных средах. Они могут размножаться только в организмах восприимчивых хозяев (in vivo) или в живых чувствительных к вирусу клетках (in vitro).

Организм восприимчивого хозяина для исследования вирусов используется в тех случаях, когда нет экспериментальных систем in vitro, для изучения патогенеза вирусных инфекций, при тестирова нии безопасности вирусных вакцин или специфической безвред ности вирусных препаратов. Кроме очевидных достоинств, методы in vivo имеют недостатки и ограничения, связанные с трудностями стандартизации и воспроизводимости результатов, а также из за относительно высокой стоимости экспериментов.

Культуры клеток, введенные в исследовательскую практику в 1940 х годах, кардинально изменили методический арсенал вирусоло гии. В настоящее время культуральные методы являются основными в экспериментальной и практической вирусологии.

Помимо указанных, в вирусологии широко используются дру гие методы.

Иммунологические методы играют важную роль в исследовани ях вирусов. Некоторые методы, например агглютинация эритроци тов вирусом гриппа («гемагглютинация»), отражают специфические свойства вирусных молекул, другие, например реакция нейтрализа ции, позволяют исследовать значение тех или иных антигенов для проявления инфекционности вирусов. Большое значение имеют также иммуноферментные методы, которые широко применяют как для диагностики вирусных инфекций, так и для антигенного анали за их возбудителей. После внедрения в практику моноклональных ан, тител открылись возможности и для тестирования отдельных эпи топов вирусных антигенов.

Методы изучения ультраструктуры вирусов. Основной вклад в исследование морфологии вирионов внесли методы электронной микроскопии. Сочетание традиционной техники электронной микроскопии с иммунологическими методами (иммуноэлектрон, ная микроскопия) позволяет проводить экспресс диагностику ви русных инфекций.

7

В изучении ультраструктуры вирусов большую роль играли и продолжают играть физические и химические методы исследова ния, в частности ультрацентрифугирование, гельфильтрационные технологии, молекулярная гибридизация нуклеиновых кислот и секве нирование нуклеотидных последовательностей. Но наиболее перс пективной оказалась полимеразная цепная реакция (ПЦР), которая позволяет выявлять минимальные количества вирусного генетичес кого материала (вплоть до единичных генов). Удешевление и авто матизация ПЦР может повсеместно улучшить диагностику вирус ных инфекций.

1.2. Классификация

Первоначально, на рубеже XIX–XX веков, единственное от личие от бактерий усматривали в способности вирусов проходить через бактериологические фильтры. Затем, вплоть до 50 х годов, классификацию вирусов строили на сведениях об их патогенных свойствах (вирусы гриппа, гепатита, желтой лихорадки), органопа тогенности (рино , аденовирусы) или экологической общности (арбовирусы) и т.п. Но это приводило к появлению у разных иссле дователей взаимоисключающих классификаций. Поэтому с целью выработки единого подхода в 1966 году был создан Международ ный комитет по номенклатуре и таксономии вирусов. Комитет со бирался каждые 4 года, имел ряд постоянных комиссий, представ лявших собой научные дискуссионные клубы. В 1991 году был опубликован пятый доклад этого комитета «Классификация и но менклатура вирусов», где все известные тогда вирусы были отнесе ны к 72 семействам или группам. Семейства вирусов обозначили словами с окончанием « viridae», роды – с окончаниями « virus». Группы, подгруппы и видовые названия вирусов остались неуни фицированными и могут обозначаться как буквами и цифрами, так и своими историческими наименованиями. Сочетание истори ческих и рациональных наименований характерно даже для выс ших таксонов – семейств: например, «Picornaviridae» от «pico » – маленький и « rna» – РНК, «Papovaviridae» – название образовано первыми буквами родов «Ра »–«Papillomavirus», «ро » –

«Polyomavirus» и «va » – вакуолизирующий вирус SV40 (Toga) или «Togaviridae» – от морфологического признака (строения внешней оболочки вирионов, «Toga» – накидка).

Несмотря на значительный вклад эмпирических характерис тик, основой современной классификации вирусов являются при рода и основные свойства геномов, поскольку инфекционность

вирусов зависит именно от них1. По этим признакам различают следующие группы:

вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющие РНК

стадии (напр., герпесвирусы, поксвирусы, мимивирусы); вирусы, содержащие двуцепочечную РНК (напр., ротавирусы)

(рис. 1); вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК и имею

щие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретровирусы (напр., ВИЧ);

вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроид ные вирусы (напр., вирус гепатита B);

вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу ДНК (напр., парвовирусы);

вирусы положительной полярности (напр., пикорнавирусы, флавивирусы);

вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК негативной или двойной полярности (напр., ортомиксовирусы, филовирусы).

Подразделение вирусов на группы также проводят часто без указания стратегии репликации, но с учетом типа симметрии и на личия или отсутствия оболочки (табл. 1).

Таблица 1

Классификация вирусов

(http://schools.keldysh.ru/school1413/bio/vilegzh/str4.htm)

1Впервые это было доказано в 1952 году Херши и Чейзом (A.D. Hershey и M. Chase) в опытах с бактериофагом Т2.