Калинина О.С., Паникар И.И., Скибицкий В.Г. Ветеринарная вирусология

Подождите немного. Документ загружается.

Розділ 4

взаємодіє з комплементарним кодоном іРНК. У результаті за раху-

нок утворення пептидних зв’язків між амінокислотами починає бу-

дуватися поліпептидний ланцюг.

Елонгація трансляції — це процес нарощування поліпептид-

ного ланцюга, що ґрунтується на приєднанні нових амінокислот за

допомогою пептидного зв’язку. При цьому відбувається постійне

проходження нитки іРНК через рибосому і реалізація (розшифру-

вання) генетичної інформації. іРНК функціонує на кількох рибосо-

мах, кожна з яких синтезує один і той самий поліпептидний ланцюг

згідно з генетичним кодом. Група рибосом, зв’язаних з однією моле-

кулою іРНК, називається полірибосомою, або полісомою.

Термінація трансляції — це закінчення процесу в той мо-

мент, коли рибосома доходить до термінувального кодону іРНК

(УАГ або УАА). Рибосома сходить із нитки іРНК, синтезований по-

ліпептидний ланцюг звільняється. У процесі термінації трансляції

полісома поступово розпадається на окремі рибосоми, які можуть

увійти до складу нових полісом.

Стратегія вірусного геному спрямована на те щоб переключити

білок-синтезувальний апарат клітини на продукцію вірусних біл-

ків. Яким чином це здійснюється? Багато вірусів не пригнічують

синтезу клітинних іРНК. Тим самим у зараженій клітині створюєть-

ся парадоксальна ситуація: незважаючи на наявність функціональ-

но активних клітинних іРНК і рибосом, здатних їх транслювати,

синтез клітинних білків не відбувається, а транслюються вірусні

іРНК, яких значно менше. Механізм дискримінації між клітинними

та вірусними іРНК реалізується на рівні функціонування рибосом.

Вірусний контроль над трансляцією здійснюється в процесі

зв’язування іРНК із рибосомою та ініціації трансляції. Вірусоспе-

цифічні ініціювальні фактори блокують зв’язування клітинних

іРНК із рибосомами та стимулюють трансляцію вірусних іРНК. Та-

кими ініціювальними факторами є певні вірусні білки, зокрема у

вірусу поліомієліту цю функцію виконують деякі капсидні білки.

рибосоми

вірусний

геном

моноцистронні

іРНК

індивідуальні

білки

Рис. 36. Схема синтезу білків ДНК-вмісних і РНК-вмісних вірусів із негати-

вним геномом і дволанцюговою РНК

(цифрами 1, 2, 3 умовно позначені окремі гени та продукти їхньої експресії)

Репродукція вірусів

Геном вірусів тварин кодує синтез від 3 до 30 і більше білків

(структурних і неструктурних). Стратегія вірусного геному щодо ре-

алізації генетичної інформації розрахована на два основні механіз-

ми синтезу вірусних білків. У ДНК-вмісних і більшості РНК-

вмісних вірусів (за винятком плюс-нитчастих) на батьківській мат-

риці синтезуються в результаті вибіркової транскрипції одного гена

короткі моноцистронні

іРНК, кожна з яких несе інформацію про

один білок. Вони транслюються на рибосомах з утворенням зрілих

вірусних білків (рис. 36).

У РНК-вмісних плюс-нитчастих вірусів віріонна РНК, як відо-

мо, може функціонувати як іРНК. У пікорна- і флавівірусів вона

транслюється на рибосомах з утворенням гігантського поліпептиду-

попередника (поліпротеїну), який потім послідовно нарізується на

зрілі функціонально активні білки (рис. 37). Нарізання вірусних

білків є багатоетапним процесом, який починається на полісомах і

завершується на клітинних мембранах, куди транспортуються фра-

гменти-попередники для структурних і неструктурних вірусних біл-

ків. Протеолітичне нарізання здійснюють вірусоспецифічні та клі-

тинні протеази.

Трансляція РНК-вмісних плюс-нитчастих тогавірусів відбува-

ється також з утворенням і наступним нарізанням поліпротеїну.

Але, на відміну від пікорна- і флавівірусів, віріонна РНК тогавірусів

транслюється з формуванням поліпептиду-попередника для не-

структурних білків, а структурні білки утворюються з поліпротеїну

після трансляції субгеномної РНК, яка становить одну третину ге-

номної РНК. Субгеномна РНК тогавірусів синтезується в результаті

вибіркової транскрипції мінус-нитки РНК, утвореної під дією ново-

синтезованої реплікази (рис. 38).

Цистрон — синонім гена.

рибосоми

вірусний

геном

поліпротеїн

індивідуальні

білки

Рис. 37. Схема синтезу білків пікорна- і флавівірусів

Розділ 4

У ретровірусів, які мають унікальний шлях передавання генети-

чної інформації — з РНК на ДНК, синтез білків відбувається після

транскрипції ДНК-копії, інтегрованої з клітинним геномом. У ре-

зультаті трансляції новосинтезованих плюс-ниток РНК (як ідентич-

них батьківській РНК, так і субгеномних) утворюються поліпротеїни

різної довжини, які потім нарізуються на окремі білки (рис. 39).

У РНК-вмісних плюс-нитчастих корона-, каліци- та артерівіру-

сів білки синтезуються за таким самим механізмом, як і в більшості

вірусів, — із формуванням моноцистронних іРНК, що кодують лише

один білок. Спочатку віріонна РНК транслюється на рибосомах з

рибосоми

РНК+ ДНК

іРНК

індивіду-

альні

білки

клітинний

геном

полі-

протеїн

Рис. 39. Схема синтезу білків ретровірусів

РНК+

РНК–

неструктурні білки

(у т.ч. репліказа)

рибосоми

поліпротеїн

неструктурних

білків

рибосоми

поліпротеїн

структурних

білків

структурні

білки

субгенома

РНК+

Рис. 38. Схема синтезу білків тогавірусів

Репродукція вірусів

утворенням реплікази, а потім слугує матрицею для синтезу ком-

плементарної мінус-нитки за участю цього ферменту. Далі зчиту-

ється мінус-нитка РНК, і синтезуються моноцистронні іРНК, які

транслюються на рибосомах з утворенням окремих білків (рис. 40).

Отже, існує два механізми синтезу вірусних білків:

1) утворення зрілих білків у результаті трансляції моноцистрон-

них іРНК (у більшості вірусів);

2) утворення зрілих білків після нарізання поліпротеїну, який

формується внаслідок трансляції геномних або субгеномних плюс-

ниток РНК із функцією іРНК (у РНК-вмісних плюс-нитчастих піко-

рна-, флаві-, тога- і ретровірусів).

Оскільки довжина вірусних іРНК коливається в широких межах

залежно від способу трансляції, розміри вірусоспецифічних полісом

теж різні: від 3 – 4 до кількох десятків рибосом на одній нитці іРНК.

Великі полісоми формуються в процесі репродукції РНК-вмісних

плюс-нитчастих вірусів, у яких індивідуальні білки утворюються

після нарізання поліпротеїну, наприклад, агрегати з 20 – 60 рибо-

сом у випадку пікорнавірусів. Вірусоспецифічні полісоми можуть

бути вільними або зв’язаними з клітинними мембранами.

Послідовність і кількість синтезованих білків регулюється на рівні

транскрипції, а в деяких випадках — і на рівні ініціації трансляції.

Вірусні білки зазнають численних посттрансляційних мо-

дифікацій, таких як глікозилування, сульфування, ацилування,

метилування, фосфорилування і протеолітичне нарізання.

Глікопротеїни вірусів синтезуються на зв’язаних із мембранами

полісомах. Глікозилування є багатоетапним процесом, що здійсню-

ється клітинними ферментами під час синтезу і транспортування

поліпептидів до плазматичної мембрани клітини. Остаточне впоря-

дкування вуглеводного ланцюга відбувається в комплексі Гольджі.

Досягнувши за ходом шорстких і гладеньких мембран плазмолеми,

глікопротеїни включаються в певні її ділянки. У цих модифікова-

рибосоми

РНК+

моноцистронні

іРНК

індивіду-

альні

білки

рибосоми репліказа

РНК–

Рис. 40. Схема синтезу білків корона-, каліци- та артерівірусів

Розділ 4

них ділянках відбувається складання віріонів потомства складно

організованих вірусів.

Ряд глікопротеїнів сульфується після трансляції, при цьому су-

льфатна група зв’язується з цукровим компонентом глікопротеїну.

Сульфування, так само як і глікозилування, потрібне для експресії

біологічної активності білка. Деякі глікопротеїни складно організо-

ваних РНК-вмісних вірусів ацилуються: містять ковалентно

зв’язані 1 – 2 молекули жирних кислот. Глікопротеїнам властиве

також метилування — приєднання метилової групи.

Фосфопротеїни входять до складу практично всіх вірусів тварин,

незалежно від їхньої структури. Зазвичай фосфорилуються білки,

що зв’язані з вірусним геномом і здійснюють регуляцію його експре-

сії. У складі більшості вірусів виявлено протеїнкіназу, яка каталізує

фосфорилування. Не виключається участь у цьому процесі клітин-

них ферментів. Фосфорилування білків відіграє регулювальну роль

у транскрипції й трансляції вірусних іРНК, впізнаванні їх рибосо-

мами, а також специфічному впізнаванні синтезованих білків і ну-

клеїнових кислот на стадії складання віріонів потомства. З проце-

сом фосфорилування пов’язаний механізм противірусної дії інтер-

ферону. У заражених клітинах інтерферон індукує синтез протеїн-

кінази, яка фосфорилує субодиницю ініціювального фактора транс-

ляції. У результаті порушується стадія ініціації, й трансляція вірус-

них іРНК блокується.

Багато вірусних білків (насамперед глікопротеїни) набувають

функціональної активності лише після того, як відбудеться їхнє на-

різання в специфічних точках. Практично всі віруси використову-

ють механізм посттрансляційного нарізання білків, а не тільки

РНК-вмісні плюс-нитчасті пікорна-, флаві-, тога- і ретровіруси, для

яких цей процес є обов’язковим. Нарізання глікопротеїнів багатьох

складно організованих вірусів потрібне для формування функціо-

нально активних білків прикріплення і злиття, які забезпечують

адсорбцію та проникнення вірусу в клітину. Протеолітичне нарі-

зання відбувається зазвичай за участю клітинних протеаз, а в де-

яких випадках — і вірусоспецифічних.

РЕПЛІКАЦІЯ

Реплікацією називається синтез нуклеїнових кислот — точних

копій геному. Реплікацію вірусного геному здійснюють ферменти,

що характеризуються високою специфічністю: ДНК-полімераза

(ДНК-залежна ДНК-полімераза) і репліказа (РНК-залежна РНК-

полімераза). Джерела їх різні. Такі ДНК-вмісні віруси, як папілома-,

поліома-, парво- і цирковіруси використовують клітинну ДНК-

полімеразу. Гепаднавіруси мають свою власну ДНК-полімеразу, що

Репродукція вірусів

входить до складу віріонів. ДНК-

полімераза покс-, герпес-, адено-,

іридо- та асфарвірусів та репліказа

РНК-вмісних вірусів синтезуються на

початкових етапах експресії вірусно-

го геному. У реплікації ретровірусів

бере участь віріонний фермент зво-

ротна транскриптаза (ревертаза),

а також клітинна транскриптаза.

Реплікація двонитчастих ДНК.

Механізм реплікації вірусних двонит-

частих ДНК подібний до реплікації

клітинного геному (рис. 41). Для ініці-

ації цього процесу потрібний попере-

дній синтез коротких ділянок РНК на

матриці ДНК, що називається затра-

вкою (або РНК-праймером). Із затрав-

ки починається синтез нитки ДНК,

після чого РНК швидко видаляється.

Реплікація відбувається на розплете-

них ділянках ДНК і йде одночасно на

обох нитках, на кожній з яких із нук-

леотидів клітини будується друга ком-

плементарна нитка (А…Т, Г…Ц). У

результаті утворюються дві нові спіра-

лі ДНК, які складаються з батьківсь-

кого і новосинтезованого ланцюга.

Реплікацію покс-, герпес-, адено-,

іридо- та асфарвірусів здійснює віру-

соспецифічний фермент ДНК-по-

лімераза, що синтезується в зараже-

ній клітині. Схема реплікації ДНК

цих вірусів представлена на рис. 42.

Для транскрипції геному герпес-

та аденовіруси використовують клітинну транскриптазу, а покс-,

іридо- та асфарвіруси мають власну транскриптазу. На одній із ни-

ток ДНК під впливом транскриптази синтезується іРНК

, яка

транслюється на рибосомах з утворенням вірусоспецифічної ДНК-

полімерази. Далі за участю цього ферменту на кожній із ниток ба-

тьківської ДНК будується друга комплементарна нитка. У резуль-

таті виникають дві нові двонитчасті молекули ДНК. Процес реплі-

кації триває доти, доки в клітині не нагромадиться достатня кіль-

кість молекул ДНК, потрібна для численного вірусного потомства.

іРНК у вірусів із дволанцюговою ДНК позначається як плюс- і мінус-нитки,

оскільки вони синтезуються на обох нитках ДНК.

Рис. 41. Схема реплікації ДНК

клітини (А.Г. Букрінська, 1986)

Розділ 4

Двонитчаста ДНК поліомавірусів — кільцева надспіралізована.

Реплікація її відбувається за участю клітинної ДНК-полімерази.

Для ініціації цього процесу обов’язково потрібний синтез вірусоспе-

цифічного неструктурного білка — Т-антигену, який з’являється в

зараженій клітині внаслідок ранньої транскрипції під впливом клі-

тинної транскриптази. Реплікація відбувається на розкручених ді-

лянках ДНК, проходить одночасно на обох нитках з утворенням

дволанцюгових дочірніх молекул (рис. 43).

Папіломавіруси, так само як і поліомавіруси, мають кільцеву

надспіралізовану ДНК, реплікація якої відбувається за участю клі-

тинної ДНК-полімерази (рис. 44). Оскільки папіломавіруси погано

культивуються in vitro, деталі їхньої реплікації не досліджені.

Унікальний механізм реплікації мають гепаднавіруси (рис. 45). У

зв’язку з відсутністю лабораторної моделі для культивування гепа-

днавірусів схема їхньої реплікації ґрунтується певною мірою на гі-

потетичних даних.

Як відомо, дволанцюгова ДНК гепаднавірусів має кільцеву форму

з дефектом плюс-нитки, внаслідок чого виявляється на 15 – 60 % од-

ДНК+/ДНК–

ДНК+

ДНК–

клітинна або

віріонна

рибосоми

НК-полімераза

транскриптаза

іРНК

Рис. 42. Схема реплікації покс-, герпес-, адено-, іридо- та асфарвірусів

ДНК+/ДНК

–

ДНК+/ДНК–

ДНК+

ДНК–

клітинна

рибосоми

Т-антиген

транскриптаза

іРНК

клітинна

НК-полімераза

Рис. 43. Схема реплікації поліомавірусів

ДНК+/ДНК

–

ДНК+/ДНК–

НК

–

клітиннам

НК-полімераза

ДНК+

ДНК+/ДНК–

Рис. 44. Схема реплікації папіломавірусів

Репродукція вірусів

ноланцюговою. Після проникнення вірусу в клітину віріонна ДНК-

залежна ДНК-полімераза добудовує дефектну нитку. Потім під

впливом клітинної транскриптази на матриці вірусної ДНК синтезу-

ється комплементарна РНК двох типів: іРНК, яка кодує вірусні біл-

ки, і плюс-нитка РНК, що слугує матрицею для синтезу мінус-нитки

ДНК. іРНК транслюється на рибосомах з утворенням ферменту ДНК-

полімерази, яка має властивості зворотної транскриптази. За участю

цього ферменту відбувається зворотна транскрипція, аналогічна

механізму реплікації ретровірусів. На матриці плюс-нитки РНК син-

тезується комплементарна мінус-нитка ДНК, і виникає гібридна мо-

лекула РНК/ДНК. Причому в процесі синтезу ДНК поступово розще-

плюється нитка РНК під дією рибонуклеази Н. Далі на матриці мі-

нус-нитки ДНК під впливом новосинтезованої ДНК-полімерази син-

тезується плюс-нитка ДНК, і в результаті утворюється дволанцюгова

ДНК. Зворотна транскрипція відбувається всередині серцевини віру-

су, яка формується при взаємодії плюс-нитки РНК, ДНК-полімерази

(зворотної транскриптази) і серцевинного білка.

Результати наукових досліджень, отримані на моделі заражених

вірусом гепатиту В клітин печінки людини, дають змогу припустити

саме такий механізм реплікації гепаднавірусів, як у ретровірусів.

Так, вірусні частинки, виявлені в заражених гепатоцитах людини,

містять вірусні гібридні молекули РНК/ДНК. Ендогенна ДНК-

полімеразна активність вірусних частинок каталізує включення нук-

леотидів у мінус-нитки ДНК гібридних молекул у присутності або за

відсутності актиноміцину D, який, як відомо, пригнічує ДНК-

залежний синтез ДНК. Звідси виходить, що реплікація вірусної ДНК

може здійснюватися лише через проміжну РНК. Такі самі результати

отримані при дослідженні клітин печінки качок, заражених вірусом

гепатиту В качок. Окрім того, в останньому випадку виявлено, що

нитка РНК гібридної молекули РНК/ДНК розщеплюється в міру збіль-

шення довжини ДНК-ланцюга, що нагадує аналогічне явище в рет-

ровірусів, у яких це відбувається під дією вірусної рибонуклеази Н.

Реплікація однонитчастих ДНК. Реплікація однонитчастих

ДНК парво- і цирковірусів відбувається за участю клітинної ДНК-

полімерази і дуже залежить від клітинних функцій. Для цього про-

цесу потрібно, щоб заражена клітина знаходилася в S-фазі, коли

ДНК+/ДНК

–

ДНК+/ДНК–

НК–

клітинна

рибосоми

НК-полімераза

(зворотна

транскриптаза

іРНК

НК+

РНК+/ДНК–

рибонуклеаза Н

НК–

РНК+

Рис. 45. Схема реплікації гепаднавірусів

Розділ 4

відбувається реплікація її ДНК. Парво- і цирковіруси мають мінус-

нитчасту ДНК, яка слугує матрицею для синтезу комплементарної

плюс-нитки ДНК. У результаті виникає проміжна реплікативна

форма — дволанцюгова ДНК. Далі на матриці новосинтезованної

плюс-нитки ДНК утворюється багато копій мінус-ниток (рис. 46).

Частина віріонів парвовірусів (1 – 50 %) може містити ДНК із по-

зитивною полярністю. Реплікація плюс-ниток ДНК відбувається

аналогічно з утворенням проміжної реплікативної форми.

Серед парвовірусів є дефектні аденоасоційовані віруси, що роз-

множуються лише в присутності помічника — аденовірусу або віру-

су простого герпесу. Вірус-помічник забезпечує аденоасоційовані

віруси деякими білками, які конче потрібні для їхньої реплікації, а,

можливо, і для транскрипції та трансляції (явище комплементації).

Зокрема, вірус простого герпесу надає свою ДНК-полімеразу. Аде-

насоційовані віруси представлені двома типами віріонів, що містять

одноланцюгову ДНК різних полярностей — плюс- і мінус-нитки.

Реплікація аденосоційованих вірусів подібна до реплікації автоно-

мних парвовірусів, відбувається на матриці віріонних ДНК обох по-

лярностей з утворенням проміжної реплікативної форми.

Реплікація однонитчастих РНК. Як відомо, віруси, що містять

одноланцюгову РНК, поділяються на плюс-нитчасті (з позитивним

геномом) і мінус-нитчасті (з негативним геномом).

У вірусів із позитивним геномом віріонна РНК виконує дві фун-

кції: іРНК і матриці для реплікації. Після проникнення і депротеї-

нізації вірусу плюс-нитчаста РНК переносить генетичну інформа-

цію на рибосоми, де відбувається синтез вірусних білків, у тому чис-

лі реплікази. За участю цього ферменту на матриці віріонної плюс-

нитки РНК синтезується комплементарна мінус-нитка. У результаті

утворюється проміжна реплікативна форма — дволанцюгова РНК.

Далі під впливом реплікази на матриці новосинтезованої мінус-

нитки РНК синтезуються плюс-нитки (рис. 47).

У вірусів із негативним геномом віріонна РНК функціонує як

матриця і для транскрипції, і для реплікації. Проте при

ДНК–

НК–

клітинна

ДНК-полімераза

ДНК+

ДНК–/ДНК+

Рис. 46. Схема реплікації парво- і цирковірусів

РНК+ рибосоми репліказа

РНК– РНК+/РНК

–

РНК+

Рис. 47. Схема реплікації РНК-вмісних плюс-нитчастих вірусів

Репродукція вірусів

транскрипції зчитуються певні ділянки геному, а при реплікації —

весь геном. Спочатку під впливом вірусного ферменту транскрипта-

зи на матриці віріонної мінус-нитки РНК синтезуються комплемен-

тарні плюс-нитки — моноцистронні іРНК, які транслюються на ри-

босомах з утворенням вірусних білків, у тому числі реплікази. За

участю цього ферменту на матриці віріонної мінус-нитки РНК син-

тезується плюс-нитка, яка у свою чергу слугує матрицею для синте-

зу мінус-ниток РНК (рис. 48). Реплікація одноланцюгової фрагмен-

тованої РНК відбувається одночасно на всіх фрагментах (7 – 8 фра-

гментів у ортоміксовірусів, 3 фрагменти у буньявірусів і 2 фрагмен-

ти в аренавірусів).

Реплікація двонитчастих РНК. На матриці двонитчастої РНК

під впливом віріонного ферменту транскриптази транскрибується

лише мінус-нитка. У результаті синтезуються комплементарні

плюс-нитки РНК, які виконують дві функції. Частина з них функці-

онує як іРНК, транслюючись на рибосомах з утворенням вірусних

білків, у тому числі реплікази. Друга частина плюс-ниток РНК слу-

гує матрицею для синтезу комплементарних мінус-ниток за участю

новосинтезованої реплікази, внаслідок чого виникають молекули

дволанцюгової РНК (рис. 49). Вірусна двонитчаста РНК є фрагмен-

тованою (10 – 12 фрагментів у реовірусів і 2 фрагменти в бірнавіру-

сів), тому транскрипція та реплікація відбувається одночасно на

всіх фрагментах.

Реплікація ретровірусів. Ретровіруси — єдині віруси, геном

яких диплоїдний: представлений двома ідентичними молекулами

одноланцюгової плюс-нитчастої РНК. У складі ретровірусів містить-

ся унікальний фермент — зворотна транскриптаза, або реверта-

за, що має три ферментативні властивості. Цей фермент функціонує

як РНК-залежна ДНК-полімераза, ДНК-залежна ДНК-полімераза і

рибонуклеаза Н.

РНК–

іРНК рибосоми репліказа

транскриптаза

РНК+

РНК–

Рис. 48. Схема реплікації РНК-вмісних мінус-нитчастих вірусів

РНК+/РНК–

рибосоми

репліказа

іРНК

РНК+/РНК–

РНК+

транскриптаза

РНК–

Рис. 49. Схема реплікації рео- та бірнавірусів