Реплікація генома вірусів
Видео: репликация ВИЧ
Реплікація вірусних ДНК. Механізм реплікації геному ДНК-містких вірусів в основному подібний з механізмом реплікації клітинної ДНК (Рис. 15). Оскільки типи і форми вірусних нуклеїнових кислот дуже різноманітні (ДНК, РНК, двоспіральні й односпіральні, лінійні і кільцеві молекули), то і механізми їх реплікації теж різні. Віруси різних родів і родин мають різні способи передачі генетичної інформації і реплікації.Синтез вірусних ДНК здійснюється за допомогою ДНК-полімераз, джерела яких можуть бути різні. Так, в адено- і герпесвірусів, що містять двоспіральні молекули ДНК, у складі віріонів немає ДНК-полімераз, тому на одній з ниток її синтезується іРНК і транслюється в рибосомах при синтезі ДНК-полімерази. Далі завдяки участі цього ферменту з нуклеотидів клітини синтезується і будується друга комплементарна нитка ДНК, у результаті чого утворюються нові двоспіральні молекули ДНК. Процес реплікації молекул ДНК продовжується доти, поки в клітині не нагромадиться кількість, необхідне для численного потомства вірусної частки, що проникнула в клітину.
Видео: Репликация ДНК
Рис. 15. Реплікативний цикл ДНК – геномних вірусів. Після адсорбції (1) вірус проникає в клітину шляхом злиття з мембраною (2), нуклеокапсид транспортується до ядерної оболонки (3), і вірусна ДНК ( вДНК) проникає в ядро, де починається її транскрипція (4). В результаті трансляції вірусного геному синтезуються ранні білки (5), включаючи регуляторні протеїни, вірусні полімерази і матричні білки. Вірусна полімераза проникає в геном клітини (6), де запускає синтез молекули ДНК дочірніх популяцій (7). Частина вірусної ДНК транскрибується клітинною РНК-полімеразою (8), що індукує синтез пізніх білків (9), необхідних для зборки дочірніх популяцій (10)- останні залишають ядро, відбруньковуються від його мембрани (11) і включають її фрагменти в склад власної оболонки (12). Зрілі віріони транспортуються через цитоплазму і залишають клітину через комплекс Гольджі або після вибуху клітини.
Реплікація одноланцюгових вірусних ДНК. Одноланцюгові вірусні ДНК у парвовірусів синтезуються по принципу комплементарності з проміжної реплікативної форми (ПРФ). У складі віріонів парвовірусів як структурний компонент є ДНК-залежна ДНК-полімераза. За допомогою цього ферменту за принципом комплементарності на вірусній односпіральній ДНК (плюс-нитці) утворюється одна комплементарна їй мінус-нитка. Надалі на цій двоспіральній структурі синтезуються дочірні плюс-нитки (матрицею для них є мінус-нитки).
Реплікація односпіральних вірусних РНК (пікорна- корона- і арбовірусів). Реплікація вірусних РНК здійснюється без безпосередньої участі клітинних ДНК (Рис.16). Це підтверджується тим, що придушення синтезу ДНК і клітинної іРНК на матриці ДНК клітини не впливає на репродукцію багатьох РНК-містких вірусів.
Як відомо, одноланцюгові інфекційні РНК вірусів містять у собі всю генетичну інформацію, необхідну для синтезу вірусоспецифічних білків, і є, таким чином, інформаційними (іРНК) з матричними функціями. Після проникнення цих вірусів у клітину їх інфекційні РНК надходять безпосередньо в рибосоми і індукують синтез вірусних білків, у тому числі РНК-реплікази, які каталізують реплікацію самих вірусних РНК.
В односпіральних молекул РНК із кодуючими і матричними функціями (плюс-РНК) процес реплікації відбувається таким чином, що на вихідній вірусній молекулі РНК (на плюс-нитці) за участю ферменту РНК-реплікази синтезується друга комплементарна мінус-нитка РНК, у результаті чого, утворюється двоспіральна реплікативна форма РНК. Інформація з плюс-РНК у рибосоми для синтезу вірусних білків передається безпосередньо плюс-РНК. Численні плюс-нитки вірусних інфекційних РНК увійдуть потім у нові частки вірусного потомства.
Після адсорбції вірус проникає в клітину шляхом піноцитозу (1). Реплікативний цикл починається після звільнення вірусного геному в цитоплазмі, так як молекулярна симетрія вірусної РНК ( + РНК) аналогічна мРНК і вона може безпосередньо розпізнаватися і транслюватися рибосомами (2). Клітинні протеази трансформують утворений вірусний поліпротеїн (3) в РНК - залежну РНК - полімеразу, вірусну протеазу та різноманітні структурні білки. Полімераза копіює +РНК ланцюг в вигляді - РНК (4), яка виконує функцію матриці для синтезу молекули +РНК (5), які використовуються в синтезі вірусних білків (6), або білків що входять в склад генома нових популяцій вірусу (7).
В ортоміксовірусів (вірусів грипу А, В і С) на відміну від параміксовірусів геном представлений не однією молекулою нуклеїнової кислоти, а набором односпіральних РНК у виді восьми окремих, неоднакових по розміру субодиниць.
Розрізняють два різновиди РНК-полімерази: віріонну РНК-транскриптазу і РНК-репліказу. Перша відповідальна за переважний синтез мінус-ниток у ранній період інфекції, а друга— за переважний синтез плюс-ниток на більш пізніх етапах реплікації ортоміксовірусів.
Мінус-нитки утворюються на ранній стадії інфекції, і максимальний рівень їх синтезу передує появі плюс-ниток. Мінус-нитки РНК з`являються через 15 хвилин після зараження і незабаром виявляються у вірусоспецифічних полісомах. Мінус-нитки, синтезовані віріонною РНК-транскриптазою на ранній стадії інфекції, є іРНК. Установлено, що і деяка частина плюс-ниток виконує функції іРНК.
Надалі в зараженій клітині була виявлена ще одна форма вірусоспецифічної РНК. Молекули цієї форми містять двоспіральну «серцевину» і односпіральні «хвости». Ця форма одержала назву реплікативного попередника (РП) чи реплікативної проміжної форми (РПФ). Після депротеїнізації вірусу в клітині вивільнена РНК виконує функцію іРНК, направляючи синтез вірус-специфічних білків, у тому числі РНК-полімерази.
Синтез РНК може здійснюватися по одному з двох механізмів: 1) консервативному, при якому полінуклеотидні ланцюги, що входять до складу РПФ РНК, зберігаються (консервуються) і не переходять в односпіральну форму. Цей спосіб синтезу аналогічний способу синтезу односпіральних клітинних РНК на двоспіральній матриці ДНК- 2) утворення плюс-ниток може відбуватися асиметричним напівконсервативним шляхом, коли знову створена плюс-нитка витісняє раніше синтезовану плюс-нитку з РПФ РНК.
При використанні обох механізмів виникають проміжні структури типу РПФ. Кінцевим продуктом синтезу в обох випадках є односпіральна вірусна РНК, причому значна частина її бере участь у трансляції в складі реплікативного комплексу.
Реплікація односпіральних вірусних РНК із негативним геномом. Є велика група односпіральних вірусів (рабдовіруси, пара-і ортоміксовіруси), що містять негативний (неінфекційний) геном. По складу, локалізації, функції й особливостям біосинтезу білків віруси цієї групи дуже подібні (Рис. 17). У них як би єдина стратегія експресії генів. РНК їх (мінус-нитка) не транслюється в рибосомах. Функції іРНК у цих вірусів виконують плюс-нитки, комплементарні геномним. У складі вірусів з негативним геномом немає вірусоспецифічного ферменту типу РНК-реплікази, але міститься (крім вірусу сказу) РНК-залежна РНК-полімераза (РНК-транскриптаза). Остання синтезує на інфекційній мінус-нитці РНК комплементарні плюс-нитки іРНК у виді окремих фрагментів двох типів: перші мають полі (А) - послідовності на З’- кінці, надходять у рибосоми і
Проникнення вірусу здійснюється після адсорбції і злиття з клітинною мембраною (1). Після роздягання (2) вірусна -РНК трансформується в плюс ланцюг РНК - залежною РНК-полімеразою, що входить в склад віріону (3), що призводить до утворення повних і коротких ланцюгів. Короткі +РНК- ланцюги зумовлюють синтез ферментів і білків для нових популяцій вірусів (4), серед останніх особливе значення має глікопротеїн оболонки (5), що вбудовується в клітинну стінку на етапах, які відбуваються до процесу відбруньковування. Повний ланцюг +РНК є матрицею для синтезу молекул -РНК нових популяцій вірусу (6). Нуклеокапсиди (утворюються із синтезованих білків) і -РНК прикріпляються до модифікованих ділянок клітинної стінки (7), відщеплюють фрагмент ліпідного шару (що завершує процес зборки вірусу) і відокремлюється шляхом брунькування (8).
служать матрицями для синтезу структурних білків і ферментів РНК-репліказ 1 і 2- другі не мають такої послідовності і служать матрицями для синтезу ниток віріонної РНК (мінус-ниток, що ввійдуть до складу нових часток вірусного потомства) за допомогою цієї синтезованої РНК-реплікази 2.
Реплікація двоспіральних вірусних РНК. Двоспіральні РНК містять реовіруси. Реовірус у складі віріону містить РНК-залежну РНК-полімеразу. Усі 10 фрагментів його генома транскрибуються зазначеною полімеразою. На одній з ниток (на мінус-нитці) синтезується односпіральна копія. Реплікація відбувається в такий спосіб. На мінус-нитці геномної двоспіральної РНК синтезується односпіральна плюс-нитка, що містить сайт зв`язування з рибосомою і сайт зв`язування з РНК-залежною РНК-полімеразою, який кодується вірусним геномом. Пул цих односпіральних (плюс-ниток) РНК служить спочатку матрицею для синтезу вірусних білків, у тому числі і згаданої полімерази. Після синтезу останньої вона зв`язується з цими ж плюс-нитками РНК і синтезує на їх матриці мінус-нитку РНК. Цей процес обумовлений двома унікальними явищами:
- по-перше - одна і та ж молекула РНК служить матрицею для синтезу і білка і комплементарної РНК- - по-друге - структура РНК-залежної РНК-полімерази реовірусів така, що по завершенні синтезу комплементарного ланцюга вона не відокремлюється від двоспіральної РНК. Як видно з викладеного вище, реплікація двоспіральних РНК має механізм, що у корені відмінний від механізму реплікації двоспіральних ДНК.
Вірусні двоспіральні РНК не можуть надходити в рибосоми безпосередньо. Укладена в них генетична інформація може передаватися в рибосоми опосередковано, тобто через односпіральні іРНК, оскільки в клітині немає вірусоспецифічного ферменту, що синтезував би односпіральну іРНК на матриці двоспіральній вірусної РНК, а також немає ферменту, що каталізував би реплікацію самої двоспіральної вірусної РНК. Фермент, що синтезує односпіральну іРНК на матриці двоспіральної вірусної РНК, — РНК- транскриптаза — знаходиться в самих віріонах. Роль РНК-транскриптази зводиться до переписування генетичної інформації з двоспіральних вірусних РНК на односпіральні іРНК, тобто фермент РНК-транскриптаза виконує функцію, подібну функції ДНК-залежної РНК-полімерази, що синтезує односпіральну іРНК на матриці двоспіральної ДНК клітини.
При передачі інформації з двоспіральних РНК у рибосоми, а також реплікації двоспіральних вірусних РНК РНК-транскриптаза синтезує на мінус-нитці двоспіральної РНК, як на матриці, комплементарну плюс-нитку і транскрибує на неї всю генетичну інформацію. Знову синтезована плюс-нитка РНК стає, таким чином, інформаційною вірусною РНК (іРНК). Остання надходить у рибосоми клітини, де індукує синтез вірусних білків, у тому числі РНК-реплікази. РНК-репліказа синтезує потім на плюс-нитці РНК- комплементарні мінус-нитки, і у результаті чого утворюються знову двоспіральні молекули РНК. Так забезпечується реплікація двоспіральних вірусних молекул РНК.
Реплікація ретровірусів. У ретровірусів для здійснення синтезу ДНК на матриці РНК необхідна наявність у заражених клітинах специфічного ферменту — РНК-залежної ДНК-полімерази (зворотної транскриптази), що міститься в складі віріонів (Рис. 18). Крім того, у складі віріонів виявлена ДНК-залежна ДНК-полімераза, яка здійснює синтез ДНК на матриці ДНК. Таким чином, в утворенні двоспіральної вірусоспецифічної ДНК беруть участь два різних ферменти. Зворотній транскриптазі належить, очевидно, провідна роль у процесах неопластичної трансформації клітин.
У складі віріонів, крім двох полімераз, є й інші ферменти, зв`язані з інтеграцією синтезованої ДНК із геномом клітини хазяїна. Сюди відносяться: ендонуклеаза, екзонуклеаза, полінуклеотидлігаза і рибонуклеаза Н.
Утворення вірусоспецифічної ДНК починається на вірусній РНК, причому синтез здійснюється за допомогою ферменту РНК-залежної ДНК-полімерази. У результаті утворюється гібридна двоспіральна молекула, одна нитка якої РНК, інша - ДНК. Далі, імовірно, відбувається вибіркове відщіплення нитки РНК-гібридної молекули за допомогою ферменту рибонуклеази Н.
Рис. 18. Схема реплікативного циклу ретровірусів. Інфекційна вірусна частинка (1) проникає в клітину шляхом злиття з клітинною мембраною після адсорбції на ній. Потім вірус роздягається (2), а зворотна транскриптаза, що входить в склад віріону індукує синтез - ДНК, яка використовує як матрицю молекулу РНК (3). +ДНК копіюється з нової синтезованої молекули - ДНК, в результаті чого утворюється подвійний ланцюг ДНК ( длДНК) (4). длДНК транспортується в ядро клітини, де клітина ДНК піддається сплайсингу з утворенням рекомбінантів з вірусною ДНК(5). Інтегрована молекула ДНК транскрибується клітинною ДНК -залежною РНК - полімеразою в +РНК , яка використовується в якості геномів нових популяцій (6), а також транслюється як мРНК для синтезу (через стадію утворення поліпротеїнів) структурних білків і ферментів (7). Деяка частина +РНК піддається сплайсингу з утворенням мРНК невеликого розміру, що кодує поверхневі, регуляторні та додаткові білки (8). Зрілі нові популяції вірусів вивільняються з клітини шляхом брунькування (9).
На односпіральній молекулі ДНК, що залишилася після руйнування РНК, синтезується комплементарна нитка ДНК, у результаті чого утворюється двоспіральна ДНК. Ця реакція здійснюється тією ж полімеразою, що бере участь в утворенні першої нитки ДНК. Потім двоспіральна ДНК вбудовується в клітинну хромосому, очевидно, за допомогою різних ферментів.
Вірусоспецифічна ДНК, убудована в клітинний геном, транскрибується з утворенням вірусної РНК, яка спочатку виконує функції іРНК, забезпечуючи синтез вірусних білків, а потім з`єднується з ними, формуючи нове покоління віріонів. На цьому цикл репродукції ретровірусів завершується.
Поделиться в соцсетях:
Похожие
