РНК-вирусы размножаются в цитоплазме, кроме вирусов гриппа и ретровирусов, которые осуществляют это в ядре. Однако ДHК-поксвирусы репродуцируются в цитоплазме
Репродукция вирусов протекает в несколько стадий (рис. 7).
1. Адсорбция вируса на специфических рецепторах чувствительной клетки благодаря белкам прикрепления (адгезинам) и адресным. Число специфических рецепторов на поверхности одной клетки 104-105. Белки адгезины имеют форму нитей (фибры у аденовирусов) или шипов у орто-, парамиксовирусов, рабдовирусов. Адсорбция определяется неспецифическими слоями межмолекулярного натяжения и специфической комплементарностью рецепторов чувствительных клеток и вирусов. Вначале происходит единичная связь вириона с рецептором – такое прикрепление непрочное – адсорбция носит обратимый характер. Чтобы наступила необратимая адсорбция должны появиться множественные связи между рецептором вируса и рецептором клетки, т.е. стабильное мультивалентное прикрепление.
На клетках существуют различные структуры-рецепторы, к которым прикрепляются вирусы своими рецепторами. У орто- и парамиксовирусов их роль выполняют ганглиозиды (сиалосодержащие гликолипиды), у вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) – гликопротеид 120 и др. Примеры клеточных рецепторов: CD4 – молекула для ВИЧ, рецепторы для С3-комплемента – для вируса Эпштейна-Барра, b-адренергические рецепторы – для реовирусов.
2. Проникновение вируса в клетку может идти двумя путями: виропексиса и слияния вирусной и клеточной мембран.
При виропексисе (эндоцитозе) происходит инвагинация участка клеточной мембраны, образование внутриклеточной вакуоли, а далее вакуоль с вирусом может попадать в разные участки цитоплазмы или в ядро клетки.
Процесс слияния осуществляется с помощью вирусных белков капсидной или суперкапсидной оболочек, которые сливаются с плазматической мембраной клетки хозяина.
У парамиксовирусов имеется специальный F-белок, вызывающий слияние клеточных и вирусных мембран. Сходные белки имеются у других вирусов. У вируса гриппа это гемагглютин, который обусловливает адсорбцию его на мембране клетки. Белки слияния служат важнейшими факторами вирулентности вирусов. Они приводят к образованию клеточного синцития (например, при ВИЧ-инфекции).
3. «Раздевание» вирионов или депротеинизация – это процесс освобождения нуклеиновой кислоты вируса от окружающей ее оболочки с последующим проникновением ее в цитоплазму или в ядро клетки. «Раздевание» вириона начинается сразу же после его прикрепления к клеточным рецепторам и продолжается в эндоцитарной вакуоли, а также в ядерных порах и околоядерном пространстве.
4. Биосинтез компонентов вирусов. Нуклеиновая кислота, проникшая в клетку, несет генетическую информацию, которая конкурирует с генетической информацией клетки. Она дезорганизует работу клеточных систем, подавляет метаболизм клетки и заставляет ее синтезировать вирусные белки и нуклеиновые кислоты, которые идут на построение вирусного потомства.
Так как генетический аппарат вирусов различен, то передача наследственной информации и синтез ДНК и РНК отличаются.
При инфицировании ДНК-содержащим вирусом идет транскрипция ДНК-вируса на иРНК с помощью ДНК-зависимой РНК полимеразы, которая может быть вирусной при репродукции его в цитоплазме или клеточной, если это происходит в ядре (аденовирусы и др.). Причем, если это происходит в цитоплазме (поксвирусы), то вирусная РНК-полимераза считывает часть ДНК-генома и запускает синтез иРНК, а она – образование первичных ферментов для репликации вирусной ДНК. Эти ферменты индуцируют считывание второй части исходной ДНК – появляется «поздняя» иРНК, обеспечивающая синтез структурных белков.
При инфицировании РНК-содержащим вирусом РНК синтезируется с помощью РНК-полимеразы на матрице вирусной РНК; синтез вирусных белков происходит в цитоплазме, а РНК в ядре или в цитоплазме (пикорнавирусы, тогавирусы).
Для (+)РНК-нитевых вирусов (флави-, пикорна-, тогавирусы) функцию информационной РНК выполняет сам геном, который является матрицей для новых молекул РНК, на основе которых в рибосомах синтезируются вирусные белки.
У (-)РНК-вирусов (орто-, парамиксо-, рабдовирусы) геном не выполняет функцию информационной РНК, не обладает инфекционностью, но вирусы имеют РНК-полимеразы, необходимые для синтеза РНК, комлементарных геному, т.е. мРНК, которые обеспечивают синтез вирусных белков.
Иначе осуществляется репликация РНК-содержащих ретровирусов (онкогенные, ВИЧ), в составе которых есть обратная транскриптаза или ревертаза (см. рис. 7). Уникальность этого фермента состоит в его способности индуцировать синтез цепи вирусной ДНК на матрице вирусной РНК. Этот процесс называется обратной транскрипцией. На матрице одной ДНК-цепи синтезируется комплементарная ей вторая; образовавшаяся двунитевая ДНК переносится в ядро. Клеточная ДНК подвергается сплайсингу (под влиянием эндонуклеаз) с образованием рекомбинантов с этой вирусной ДНК. Возникает ДНК-провирус. С помощью клеточной ДНК-зависимой РНК-полимеразы интегрированный в ДНК клетки ДНК-провирус считывается с последующим синтезом вирусных (+)РНК и мРНК, которые определяют образование вирусных структурных белков и ферментов. Продолжающийся синтез цепей ДНК обеспечивает новые вирионы геномом.
Количество генов в вирусном геноме ограничено, поэтому есть дополнительные механизмы для передачи большей информации, чем несет вирусная нуклеиновая кислота. Например, транскрипция информации с переписывающихся участков ДНК на иРНК может происходить путем сплайсинга (вырезание бессмысленных кодонов и сшивание концов), а также вследствие считывания антикодонами тРНК с разных нуклеотидов одной и той же молекулы иРНК, в результате возникают новые триплеты и увеличивается транслируемая информация.
Формирование нуклекапсидов происходит, тогда, когда синтезированные вирусные нуклеиновые кислоты и белки специфично узнают друг друга и соединяются гидрофобными солевыми и водородными связями. Основой самосборки простых вирионов служит способность вирусных полипептидов соединяться в капсомеры, образующие многогранник. Полипептиды могут также окружать в виде спирали вирусную нуклеиновую кислоту.
Для вирусов важен синтез М-белка (матриксный белок), который участвует в сборке вирионов.
Нередко простые вирионы монтируются на репликативных комплексах, которыми служат мембраны эндоплазматического ретикулума. Сборка нуклеокапсида сложных вирионов начинается на репликативных комплексах и продолжается на плазматической мембране, где присутствуют гликопротеиды суперкапсида.
Нуклеокапсиды вируса герпеса и многих ДНК-содержащих вирусов монтируются в ядре клетки на ее мембране. Затем они отпочковываются и приобретают суперкапсидную оболочку. Окончательное формирование вириона осуществляется в мембранах эндоплазматического ретикулума и в аппарате Гольджи.
Выход вирусов из клетки происходит: 1) путем «взрыва» оболочки (клетка при этом погибает), что характерно для вирусов, не имеющих суперкапсида (пикорнавирусы); 2) путем почкования, что присуще вирусам, имеющим суперкапсид. На заключительном этапе сборки нуклеокапсиды фиксируются на клеточной плазматической мембране и выпячивают ее, образуется «почка», которая затем отделяется от клетки (орто-, парамиксо-, рабдовирусы). Клетка при этом сохраняет жизнеспособность.
Время, необходимое для репродукции, колеблется от 5-6 часов (пикорновирусы) до нескольких суток (вирусы кори, аденовирусы).
Интеграцияс клеточным геномом. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) вирусов могут быть включены в геном клетки с помощью эндонуклеаз, рестриктаз и лигаз. Вирусная ДНК в кольцевой форме интегрируется в клеточный геном. Место включения в геном определяется гомологичными нуклеотидными последовательностями определенных участков (ДНК-сайтов). После включения в геном клетки ДНК-вируса становится провирусом, который может изменять клеточный метаболизм, что приводит к возникновению аутоиммунных, хронических заболеваний и опухолей. Под влиянием физических и химических факторов ДНК-провирус вырезается из клеточной хромосомы и становится обычным вирусом.
Геном РНК-вирусов включается в клеточный геном при участии обратной транскриптазы, образующей ДНК-транскрипт одной цепи на матрице РНК (см. рис. 7). Образовавшаяся нить ДНК служит матрицей для образования второй нити, а затем двуцепочечный ДНК-транскрипт замыкается в кольцо и встраивается в клеточный геном. Этот процесс интеграции РНК-вируса в геном клетки называют вирогенией. Как и в случае с ДНК-провирусами в клетке могут изменяться свойства, что приводит к заболеваниям.
Виды вирусной инфекции. На клеточном уровне выделяют автономные инфекции, если вирусный геном реплицируетсЯ независимо от клеточного и интеграционные инфекции, если вирусный геном включается в состав клеточного. Автономная инфекция делится на продуктивную, при которой образуется инфекционное потомство и абртивную, при которой инфекционный процесс обрывается и новые инфекционные частицы не образуются.
По течению различают острую и персистирующую инфекции. Острая инфекция в зависимости от судьбы зараженной клетки делится на цитолитическую и нецитолитическую, цитолитическая заканчивается образованием ЦПД. Она сопровождает продуктивную фазу взаимодействия вируса с клеткой. Персистирующая инфекция может протекать в виде вирусоносительства, латентной, хронической или медленной инфекции. Латентная – это инфекция без выделения вируса в окружающую среду. Хроническая инфекция сопровождается выделением вируса и периодами ремиссии и обострения. Медленная инфекция характеризуется длительным инкубационным периодом и последующим длительным прогрессирующим течением с летальным исходом.
На уровне организма вирусные инфекции делятся на очаговые – когда размножение вирусов происходит у входных ворот и генерализованные – когда вирус разносится по различным органам и тканям.