Про структуру і функцію вірусного генома

Видео: Условия и причины зарождения жизни, структура ДНК и РНК, чёрная дыра, вирус вне воды (Левашов Н.В.)

У соматичних клітинах кожного біологічного виду в нормі є строго визначений набір хромосом. Кожна хромосома є парною. Набір хромосом подвійний (диплоїдній), а в зрілих статевих клітинах - одиничний (гаплоїдний). При мітозі відбувається подвоєння хромосом і звичайно рівний розподіл їх між клітинами.

Вірусам, як і більш досконалим організмам, притаманні спадковість і мінливість. Дослідженням саме цих властивостей займається генетика вірусів. Зміст і специфіка цієї наукової дисципліни визначається біологічними особливостями вірусів, з яких найважливішими є відносна простота організації, надзвичайна різноманітність генетичного матеріалу і популяційна структура.

У вірусів існує рівень організації, який знаходиться вище рівня організації індивідуальної вірусної частки (віріону). Це є популяційний рівень. Вірус, що розмножується в організмі господаря, в біологічному плані представляє собою не механічне скупчення віріонів, а певне суспільство з ознаками і властивостями популяції. Еволюція, гомеостаз, регуляція чисельності та інші важливі процеси, що відбуваються у вірусних популяціях, здійснюються на основі біологічних і генетичних законів. Ці закони вивчає спеціальний розділ генетики вірусів - популяційна генетика. Вона займає особливе місце в генетиці вірусів.

У вищих організмів сфера дослідження класичної, молекулярної і популяційної генетики чітко розмежована. Класична і молекулярна генетика вивчають структуру і функцію генетичного матеріалу на рівні особини, гена і молекулярних структур, а популяційна - на рівні популяції. У вірусів у переважній більшості випадків вивчається не окремий віріон і його геном, а величезна за чисельністю вірусна популяція і генетичні явища, що відбуваються в ній, а також популяція генів, молекулярних структур і генних продуктів. Генетичне і молекулярне дослідження вірусів проводиться на популяційній основі. Кінцева мета генетичного дослідження вірусів - розуміння деталей структури і функції вірусного генома і кожного з генних продуктів.

Генетичний апарат вірусів на відміну від клітинного генома надзвичайно різноманітний. Він представлений як ДНК, так і РНК, які бувають одно - і дволанцюгові, лінійні фрагментовані і кільцеві, плюс - нитчасті і мінус – нитчасті. Геном вірусів тварин гаплоїдний, за винятком ретровірусів, які мають диплоїдний геном, представлений двома ідентичними молекулами одноланцюгової плюс - нитчастої РНК, що з`єднані між собою водневими зв`язками. Функціональна роль такої організації генома невідома.

В спадковому апараті вірусів, як і в інших організмів, використовується триплетний генетичний код. Це означає, що три нуклеотиди в одноланцюгових молекулах або три пари нуклеотидів в дволанцюгових молекулах нуклеїнові кислоти, які утворюють триплет, або кодон, кодують одну амінокислоту. Кодуюча здатність вірусного генома визначається його молекулярною масою, яка коливається в межах ( 1,6 - 250) х 106 Д для ДНК і ( 2,5 - 12) х 106 Д для РНК.

Найдосконалішим генетичним матеріалом у вірусів є дволанцюгова ДНК. Подвійний запис генетичного коду забезпечує глибокий консерватизм спадковості і створює передумови для збереження основних видових властивостей. Крім того, ланцюги ДНК характеризуються високою міцністю і утворюють відносно крупні молекули, які вміщають більше генетичної інформації в порівнянні з РНК. Тому саме ДНК відповідає потребам прогресивної еволюції, що веде до ускладнення структури і функції біологічних систем. Якщо як критерії еволюційного розвитку розглядати кодуючу здатність генома, то очевидно, що ДНК - вмістні віруси просунулися по еволюційних шаблях значно дальше, ніж РНК - вмістні.

Можливість збільшити ємність генома РНК - вмістних вірусів лімітується величиною 2,5 х 106 Д для одноланцюгових і 12 х 106 Д для дволанцюгових РНК. Це обмеження зумовлено відносно низькою фізичною і хімічною стабільністю молекули РНК, що спричинено не міцним фосфодиефірним зв`язком на основі рибози і вільним станом значної частини аміногруп азотистих основ. Максимальні розміри молекули РНК обмежені також механізмом її взаємодії з рибосомами . Збільшення ємності генома РНК - вмістних вірусів еволюційно йшло за рахунок не зростання розмірів молекули РНК, а структурних змін. Результатом цього процесу є фрагментована будова і відносно більша кодуюча здатність генома ортоміксо-, арена-, бунья-, рео - і бірнавірусів. Фрагментований геном РНК - вмістних вірусів відноситься до великих еволюційних досягнень і представляє собою вершину розвитку РНК - вмістних генетичних структур. За своєю біологічною суттю цей тип організації спадкового матеріалу нагадує хромосоми, які виникли в результаті еволюції ДНК - вмістних генетичних систем. Перевага фрагментованого генома полягає в тому, що в декількох фрагментах РНК, кожен з яких не досягає критичного розміру, міститься такий об`єм спадкової інформації, збереження якого не може забезпечити ціла молекула РНК. Крім того, наявність фрагментів створює передумови для здійснення рекомбінацій, в основі яких лежить обмін крупними блоками спадкового матеріалу. Цей унікальний механізм служить для РНК - вмістних вірусів з фрагментованим геномом могутнім джерелом спадкової мінливості, що забезпечує їх генетичну пластичність.

Ген у вірусів - це одиниця структурної і функціональної спадковості, яка представляє собою ділянку ДНК або РНК, що кодує як правило, один білок. Продуктами генів є структурні і неструктурні вірусні білки, в тому числі ферменти, які входять до складу віріону або утворюються в зараженій клітині і беруть участь в інфекційному циклі.

Сукупність всіх генів вірусу називається геномом. Не дивлячись на те, що вірусний геном за молекулярною масою в 105 - 106 разів менший від клітинної ДНК (1,8 х 1012 Д), він успішно конкурує і примушує клітину функціонувати за генетичною програмою вірусу.

Кількість генів у ДНК - вмістних вірусів коливається від 3 до 160, а у РНК - вмістних - від 5 до 15. У вірусів з фрагментованим геном кожний фрагмент представляє собою один ген.

Сукупність генетичних ознак ( або генетичної інформації) вірусу називається генотипом. Він визначається структурою спадкового матеріалу - ДНК або РНК, тобто послідовністю нуклеотидів в молекулі нуклеїнової кислоти. Генотип є постійною властивістю вірусу, проте, він може змінюватися внаслідок мутацій, що відбуваються в геномі.

Сукупність генетичних ознак вірусу, які проявляються в конкретних умовах навколишнього середовища, називається фенотипом. В ньому ніколи не реалізуються всі генетичні можливості розвитку вірусу. Фенотип вірусу - це окремий випадок прояву функції вірусного генома в конкретних умовах довкілля. Фенотип не є постійною властивістю вірусу, він може змінюватися в процесі репродукції вірусу, а також в результаті мутацій. Наприклад, патогенність являється генетичною ознакою вірусу. Фенотипічним проявом патогенності є вірулентність - ступінь патогенності. Ця ознака значно варіює в різних системах, що залежать від особливостей штаму і методу його підтримання і введення в організм. Так, вірус жовтої гарячки - пантропний і високовірулентний для людини і мавп, але при серійних пасажах в ЦНС білих мишей стає нейротропним і непатогенним для природних господарів.

Популяційна структура вірусів

Центральним об`єктом генетичного дослідження вірусів є вірусна популяція. Це вірус певного виду, який розмножується в природній або експериментальній чутливій системі і проходить в ній значну кількість генерацій, протягом яких між окремими віріонами відбуваються генетичні і негенетичні взаємодії. Вірусні популяції є важливою ланкою в структурі виду і виконують роль основних одиниць еволюції. В природних умовах вони утворюються в організмі заражених господарів. Властивостями популяції, хоч і в меншій мірі, володіє вірус, який розмножується в культурі клітин. Це створює можливість експериментального дослідження внутрішньо популяційних явищ.

Популяційна структура вірусів і специфіка генетичних процесів, що відбуваються у вірусних популяціях, визначаються рядом факторів.

З них найважливішими є такі:

1) висока чисельність вірусних популяцій: В організмі господаря нагромаджуються колосальні за чисельністю вірусні популяції. Потомство одного віріону за індивідуальний циклрозвитку нараховує в середньому 102, а через три генерації - 106 вірусних часток. Вже чисто кількісний бік явища підвищує ймовірність появи в популяції рідкої мутації, яка може бути підхоплена відбором при зміні умов існування.

2) швидка зміна поколінь: Величезна різниця в тривалості життєвого циклу вірусів та їх хребетних господарів дозволяє вивчати мінливість вірусів у лабораторії і спостерігати еволюцію в природі. Можливі наслідкимінливості вірусів у природних умовах - поява нових штамів збудникаі виникнення епідемії та епізоотій, а в експерименті -селекція варіантів із заданими властивостями.

3) гаплоїдність і нестатевий спосіб розмноження: а) визначають генетичну структуру вірусних популяцій- б) виключають можливість збереження запасів мінливості за рахунок диплоїдності- в) ставлять мутації, котрі виникають, під негайний контроль відбору, що визначає їх наступну долю- г) знижують ефективність впливу відбору на нейтральні мутації- д) визначають спосіб генетичної перебудови вірусної популяції, що полягає в заміні одних клонів іншими.

4) мала ємність генома і відсутність генів, які повторюються: Для здійснення інфекційного циклу вірусів необхідна функціональна цілісність усіх генів. Незначна зміна функції будь - якого унікального гена, яка настає в результаті мутації, може дати летальний або умовно - летальний ефект. Ця обставина поряд з високою вірогідністю мутації генетичного матеріалу впливає на розмір генетичних змін, які можливі у вірусних популяціях.

5) безперервність у часі епідемічного та епізоотичного процесів: Обов`язковою умовою збереження вірусів як біологічних видів є їх передача новим чутливим господарям. Тому генетична історія вірусної популяції, що утворилася і закінчила своє існування в організмі певного індивідуума, продовжується при переході до нового господаря і при наступній передачі збудника по ланках епідемічного або епізоотичного ланцюга. Сама можливість передачі вірусу, а також її кількісна та якісна характеристика визначається чисто випадковими причинами. Випадковість слугує передумовою дії в стадії передачі збудника могутнього еволюційного фактора - генетичного дрейфу. При передачі вірусу посилюється також діяльність відбору. Таким чином, еволюційні сили впливають на віруси не тільки під час їх репродукції в клітинах сприйнятливого організму, але й при переході від одного господаря до іншого.

Вірусні популяції характеризуються високою генетичною неоднорідністю. Треба розрізняти такі поняття, як штам, тип (серотип), варіант, мутант, клон. Всі ці терміни в загальному означають вірус, який генотипічно відрізняється від батьківського дикого ( природного ізоляту), який представляє природну вірусну популяцію.

Штам - це вірус, виділений з природної вірусної популяції від заражених господарів або об`єктів навколишнього середовища. Фактично штами називають різні дикі типи одного вірусу, які адаптовані до лабораторних умов. Наприклад, штам Fixe вірусу сказу.

Тип (серотип) визначають за нейтралізацією інфекційної активності. Наприклад, вірус інфекційної катаральної гарячки овець має 24 серотипи, а вірус африканської чуми коней - 10 серотипів.

Варіант - це вірус, який фенотипічно відрізняється від дикого типу, але разом з тим генотипічна основа цієї відмінності невідома.

Мутант - відрізняється від дикого типу за відомими генетичними ознаками.

Клон - це вірус, популяція якого походить від одного віріону і представляє собою сукупність генетично однорідних вірусних часток.

Природні вірусні популяції можуть добре адаптуватися до зовнішніх умов і при постійності середовища залишатися стабільними протягом тривалого часу. Проте при зміні факторів довкілля передумовою існування популяції є не збереження її в незмінному вигляді, а перебудова спадкової структури, що забезпечує пристосування до нового середовища. Ця перебудова може здійснюватися тільки при наявності в популяції запасу генетичної мінливості генотипічно різних варіантів.

Генетичний склад вірусної популяції називається генофондом. Іншими словами, генофонд вірусної популяції - це сукупність всіх генів, які є у вірусів, що складає дану популяцію. Генофонд, так само як і вірусний геном, пристосований для виконання певних життєвих функцій. Спадкова інформація, що міститься в геномі, забезпечує відтворення вірусу, а генотипічна різноманітність, представлена в генофонді, дозволяє вірусам пристосовуватися і виживати в мінливих умовах навколишнього середовища.

Структурна організація генома клітини. У складі генома є структурні гени, що кодують визначені біополімери (білки чи РНК), і регуляторні гени, що контролюють функцію структурних генів. Регуляція відбувається за допомогою білкових продуктів регуляторних генів — репресорів, що придушують активність структурних генів. Регуляторними ділянками генів, що контролюють транскрипцію, є підсилювач транскрипції (enhancer) і промотор — область ДНК, яка знаходиться безпосередньо перед структурними генами з боку З’- кінця ланцюга.

Характерною рисою генів еукаріотичної клітини є їх мозаїчна структура, тобто переривчастість гена. У складі гена кодуючий один білок, що кодують ділянки перериваються вставними послідовностями, що не несуть ніякої інформації, що кодує, і не транслюються. Ділянки гена, що кодують, називаються екзонами, а вставки - інтронами.

При транскрипції зчитується весь ген, включаючи екзони і інтрони. Згодом відбувається дозрівання (процессинг) іРНК: з утвореного довгого первинного транскрипту віддаляються ділянки, що відповідають інтронам, а ділянки, що відповідають екзонам, «зшиваються». У результаті подібної модифікації з первинного транскрипту утвориться зріла іРНК. Цей процес вирізання інтронів і зшивання екзонів називається сплайсингом (від англ. слова splice — з’єднувати, зрощувати кінці каната).

У вірусів роль хромосом виконує нитка нуклеїнової кислоти (ДНК чи РНК), в одних вона цільна, в інших (рео- аренавіруси, віруси грипу) — фрагментована. Окремі ділянки нуклеїнової кислоти, відповідальні (детермінуючі) за синтез визначеного поліпептиду, одержали назву генів.

Фенотип — це сукупність усіх зовнішніх і внутрішніх ознак і функції даного вірусу. Фенотипічні властивості вірусу можуть бути встановлені морфологічними і серологічними методами. Генотип же визначається тільки структурою спадкоємного матеріалу - ДНК чи РНК, тобто послідовністю нуклеотидів у їх молекулах. Фенотип вірусу не є його постійною властивістю, вона може змінюватися як у результаті його мутацій, так і під впливом зовнішніх умов репродукції. Генотип же — це постійна властивість вірусу, і міняється він у результаті мутацій, які відбуваються в геномі. Мутаційні зміни в геномі вірусу можуть виражатися в зміні його фенотипу.

Структурна організація генома вірусу. Віруси є одним з улюблених об`єктів молекулярної генетики завдяки простій будові і малій молекулярній масі їх геномів. Організація генетичного апарата в ряду вірусів, наприклад у SV40, настільки подібна з генами еукаріотичної клітини, що одержала назву мініхромосоми. Число генів у вірусів значно варіює: найпростіші з відомих вірусів містять від 3 до 5 генів (вірус поліоми)- у пікорнавірусів 6—8 генів. Однак у більш складних вірусів число генів буде значно більшим.

Геном вірусів тварин є гаплоїдним, за винятком ретровірусів, які мають диплоїдній геном, представлений двома ідентичними молекулами РНК. У вірусів із фрагментарним геномом (віруси грипу, реовіруси) кожен фрагмент звичайно являє собою один ген.

Так само, як і геном еукаріотичної клітини, ДНК-геном ряду вірусів тварин має мозаїчну структуру, при якій значимі послідовності (екзони) чергуються з неінформативними послідовностями (інтронами). Механізм сплайсингу при формуванні іРНК широко розповсюджений і серед ДНК-вмістимих так РНК-вмістимих вірусів. У складі генів ДНК-вмістимих вірусів є регуляторні ділянки, у тому числі промотор, що контролюють функцію структурних генів. Сильними промоторами є кінці багатьох вірусних ДНК, що представляють собою довгі кінцеві повтори. Сильний промотор має гени тимидінкінази, вірусів віспи і герпесу. Ці промотори використовуються в генній інженерії для посилення транскрипції досліджуваного гена.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!