Вирус

Эта статья о типе возбудителя. Тип вредоносного ПО см. в разделе Компьютерный вирус . Чтобы узнать о других значениях, см. Вирус (значения) .

Более доступное и менее техническое введение в эту тему см. в разделе « Введение в вирусы» .

Вирус
SARS-CoV-2 , представитель подсемейства Coronavirinae.
Классификация вирусов
(без рейтинга):	Вирус
Царства
Аднавирия Дуплоднавирус Моноднавирия Рибовирия Рибозивирус Вариднавирия

Вирус , — субмикроскопический инфекционный агент только внутри живых клеток организма . который размножается Вирусы заражают все формы жизни , от животных и растений до микроорганизмов , включая бактерии и археи . Вирусы встречаются практически во всех экосистемах Земли и являются самым многочисленным типом биологических объектов. Со времени статьи Дмитрия Ивановского 1892 года, описывающей небактериальный патоген, поражающий растения табака, и открытия вируса табачной мозаики Мартинусом Бейеринком в 1898 году, более 11 000 из миллионов видов вирусов . подробно описано Изучение вирусов известно как вирусология , раздел микробиологии .

При заражении клетка-хозяин часто вынуждена быстро производить тысячи копий исходного вируса. Находясь вне инфицированной клетки или в процессе заражения клетки, вирусы существуют в виде независимых вирусных частиц, или вирионов , состоящих из (i) генетического материала . е. длинных молекул ДНК , т или РНК , кодирующих структуру белки, с помощью которых действует вирус; (ii) белковая оболочка, капсид , которая окружает и защищает генетический материал; и в некоторых случаях (iii) внешняя оболочка из липидов . Формы этих вирусных частиц варьируются от простых спиральных и икосаэдрических форм до более сложных структур. У большинства видов вирусов вирионы слишком малы, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп , и они составляют одну сотую размера большинства бактерий.

Происхождение вирусов в эволюционной истории жизни до сих пор неясно. Некоторые вирусы, возможно, произошли от плазмид — фрагментов ДНК, способных перемещаться между клетками. Другие вирусы, возможно, произошли от бактерий. В эволюции вирусы являются важным средством горизонтального переноса генов , который увеличивает генетическое разнообразие аналогично половому размножению . считают вирусы Некоторые биологи формой жизни, поскольку они несут генетический материал, размножаются и развиваются посредством естественного отбора , хотя им не хватает ключевых характеристик, таких как клеточная структура, которые обычно считаются необходимыми критериями для определения жизни. Поскольку вирусы обладают некоторыми, но не всеми такими качествами, их называют «организмами на грани жизни». и как репликаторы .

Вирусы распространяются разными способами. Один из путей передачи – через болезнетворные организмы, известные как переносчики : например, вирусы часто передаются от растения к растению насекомыми, питающимися соком растений , такими как тля ; а вирусы животных могут переносить кровососущие насекомые. Многие вирусы распространяются в воздухе при кашле и чихании, включая вирусы гриппа , SARS-CoV-2 , ветряной оспы , оспы и кори . Норовирус и ротавирус , частые причины вирусного гастроэнтерита , передаются фекально-оральным путем , при контакте из рук в рот, через пищу или воду. Инфицирующая доза норовируса, необходимая для заражения человека, составляет менее 100 частиц. ВИЧ – один из нескольких вирусов, передающихся половым путем и при контакте с инфицированной кровью. Разнообразие клеток-хозяев, которые вирус может заразить, называется диапазоном хозяев : он узкий для вирусов, специализирующихся на инфицировании только нескольких видов, или широкий для вирусов, способных заражать многие виды.

Вирусные инфекции у животных вызывают иммунный ответ , который обычно уничтожает заражающий вирус. Иммунные реакции также могут быть вызваны вакцинами , которые придают искусственно приобретенный иммунитет к конкретной вирусной инфекции. Некоторые вирусы, в том числе те, которые вызывают ВИЧ/СПИД , инфекцию ВПЧ и вирусный гепатит , уклоняются от этих иммунных реакций и приводят к хроническим инфекциям. несколько классов противовирусных препаратов Разработано .

Этимология

См. также: Форма множественного числа слов, оканчивающихся на -us.

Английское слово «вирус» происходит от латинского vīrus , что означает яд и другие ядовитые жидкости. Вирус происходит от того же индоевропейского корня, что и санскритская виша , авестийская виша и древнегреческий ἰός ( iós ), которые все означают «яд». Первое засвидетельствованное использование слова «вирус» на английском языке появилось в 1398 году в Джона Тревизы переводе » Бартоломеуса Англикуса «De Proprietatibus Rerum . Вирулентный , от латинского virulentus («ядовитый»), датируется ок. 1400 . Значение слова «агент, вызывающий инфекционное заболевание» впервые зафиксировано в 1728 году. задолго до открытия вирусов Дмитрием Ивановским в 1892 году. Английское множественное число — вирусы (иногда также вира ), тогда как латинское слово является массовым существительным , которое не имеет классически подтвержденного множественного числа ( вира используется в неолатинском языке). ). Прилагательное вирусное датируется 1948 годом. Термин вирион (множественное число вирионов ), появившийся в 1959 г., также используется для обозначения одной вирусной частицы, которая высвобождается из клетки и способна инфицировать другие клетки того же типа.

Происхождение

Смотрите также: Эволюция вируса

Вирусы встречаются везде, где есть жизнь, и, вероятно, существовали с момента появления живых клеток. Происхождение вирусов неясно, поскольку они не образуют окаменелостей, поэтому молекулярные методы . для выяснения того, как они возникли, используются Кроме того, вирусный генетический материал иногда интегрируется в зародышевую линию организма-хозяина, благодаря чему он может передаваться вертикально потомству хозяина на протяжении многих поколений. бесценный источник информации Это предоставляет палеовирологам для отслеживания древних вирусов, существовавших еще миллионы лет назад.

Существуют три основные гипотезы, призванные объяснить происхождение вирусов:

Регрессивная гипотеза

Вирусы, возможно, когда-то представляли собой маленькие клетки, паразитирующие на более крупных клетках. Со временем гены, не необходимые для их паразитизма, были потеряны. Бактерии риккетсии и хламидии представляют собой живые клетки, которые, как и вирусы, могут размножаться только внутри клеток-хозяев. Они поддерживают эту гипотезу, поскольку их зависимость от паразитизма, вероятно, привела к потере генов, которые позволили им выжить вне клетки. Это еще называют «гипотезой вырождения». или «гипотеза редукции».

Гипотеза клеточного происхождения

Некоторые вирусы могли возникнуть из фрагментов ДНК или РНК, «ускользнувших» от генов более крупного организма. Ускользнувшая ДНК могла произойти из плазмид (кусков обнаженной ДНК, которые могут перемещаться между клетками) или транспозонов (молекул ДНК, которые реплицируются и перемещаются в разные положения внутри генов клетки). Транспозоны, которые когда-то называли «прыгающими генами», являются примерами мобильных генетических элементов и могут быть источником некоторых вирусов. Они были обнаружены в кукурузе Барбарой МакКлинток в 1950 году. Иногда это называют «гипотезой бродяжничества». или «гипотеза побега».

Гипотеза коэволюции

Это также называется «гипотезой первоочередности вирусов». и предполагает, что вирусы могли развиться из сложных молекул белка и нуклеиновой кислоты в то же время, когда клетки впервые появились на Земле, и зависели от клеточной жизни в течение миллиардов лет. Вироиды — это молекулы РНК, которые не классифицируются как вирусы, поскольку у них отсутствует белковая оболочка. Они имеют характеристики, общие для нескольких вирусов, и их часто называют субвирусными агентами . Вироиды – важные патогены растений. Они не кодируют белки, но взаимодействуют с клеткой-хозяином и используют механизмы хозяина для своей репликации. Вирус гепатита дельта человека имеет геном РНК, сходный с геномом вироидов, но имеет белковую оболочку, полученную из вируса гепатита В, и не может производить собственную. Следовательно, это дефектный вирус. Хотя геном вируса гепатита дельта может реплицироваться независимо внутри клетки-хозяина, ему требуется помощь вируса гепатита В, чтобы обеспечить белковую оболочку, чтобы его можно было передать новым клеткам. Аналогичным образом вирофаг-спутник зависит от мимивируса , который заражает простейших Acanthamoeba castellanii . Эти вирусы, существование которых зависит от присутствия других видов вирусов в клетке-хозяине, называются « сателлитами » и могут представлять собой эволюционные промежуточные продукты вироидов и вирусов. >

В прошлом со всеми этими гипотезами были проблемы: регрессивная гипотеза не объясняла, почему даже самые маленькие клеточные паразиты никоим образом не похожи на вирусы. Гипотеза побега не объясняла сложные капсиды и другие структуры вирусных частиц. Гипотеза «вирус прежде всего» противоречит определению вирусов, поскольку им необходимы клетки-хозяева. Сегодня вирусы признаны древними и имеют происхождение, предшествовавшее расколу жизни на три домена . Это открытие заставило современных вирусологов пересмотреть и переоценить эти три классические гипотезы.

Доказательства существования древнего мира РНК- клеток а компьютерный анализ последовательностей вирусной ДНК и ДНК хозяина дает лучшее понимание эволюционных взаимоотношений между различными вирусами и может помочь идентифицировать предков современных вирусов. На сегодняшний день такой анализ не доказал, какая из этих гипотез верна. Кажется маловероятным, что все известные в настоящее время вирусы имеют общего предка, и вирусы, вероятно, возникали в прошлом много раз с помощью одного или нескольких механизмов.

Микробиология

Открытие

Основная статья: История вирусологии

Первые доказательства существования вирусов были получены в результате экспериментов с фильтрами, поры которых были достаточно малы, чтобы удерживать бактерии. В 1892 году Дмитрий Ивановский использовал один из этих фильтров, чтобы показать, что сок больного растения табака остается заразным для здоровых растений табака, несмотря на фильтрацию. Мартинус Бейеринк назвал профильтрованное инфекционное вещество «вирусом», и это открытие считается началом вирусологии.Последующее открытие и частичная характеристика бактериофагов Фредериком Твортом и Феликсом д'Эрелем еще больше послужили катализатором развития этой области, и к началу 20 века было открыто множество вирусов. В 1926 году Томас Милтон Риверс определил вирусы как облигатные паразиты. продемонстрировал, что вирусы представляют собой частицы, а не жидкость, Уэнделл Мередит Стэнли а изобретение электронного микроскопа в 1931 году позволило визуализировать их сложные структуры.

Свойства жизни

Научные мнения расходятся во мнениях относительно того, являются ли вирусы формой жизни или органическими структурами, взаимодействующими с живыми организмами. Их описывают как «организмы на грани жизни». поскольку они напоминают организмы в том смысле, что обладают генами , развиваются путем естественного отбора , и размножаются, создавая множество своих копий посредством самосборки. Хотя у них есть гены, у них нет клеточной структуры, которую часто считают основной единицей жизни. Вирусы не имеют собственного метаболизма и требуют клетки-хозяина для производства новых продуктов. Поэтому они не могут естественным образом размножаться вне клетки-хозяина. — хотя некоторые бактерии, такие как риккетсии и хламидии, несмотря на то же ограничение, считаются живыми организмами. Принятые формы жизни используют деление клеток для размножения, тогда как вирусы спонтанно собираются внутри клеток. Они отличаются от автономного роста кристаллов тем, что наследуют генетические мутации , подвергаясь естественному отбору. Самосборка вируса внутри клеток-хозяев имеет значение для изучения происхождения жизни , поскольку она подтверждает гипотезу о том, что жизнь могла зародиться как самоорганизующиеся органические молекулы . Модель вироцеллы , впервые предложенная Патриком Фортером, считает инфицированную клетку «живой формой» вирусов и что вирусные частицы (вирионы) аналогичны спорам . Хотя дебаты о живом и неживом мире продолжаются, модель вироклеток получила некоторое признание.

Структура

Вирионы некоторых наиболее распространенных вирусов человека и их относительный размер. Нуклеиновые кислоты не в масштабе.

вируса Схема того, как можно построить капсид с использованием нескольких копий всего двух белковых молекул.

Структура вируса табачной мозаики : РНК свернута в спираль повторяющихся белковых субъединиц.

Строение икосаэдрического аденовируса . Электронная микрофотография с изображением формы.

Структура вируса ветряной оспы . Они имеют липидную оболочку.

Структура вируса икосаэдрической мозаики вигны

Капсид бактериофага Escherichia вируса MS2 . Этот сферический вирус также обладает икосаэдрической симметрией.

Вирусы имеют большое разнообразие размеров и форм, называемых « морфологиями ». В целом вирусы намного меньше бактерий, и внутри Escherichia coli поместится более тысячи вирусов-бактериофагов. клетки бактерии Многие изученные вирусы имеют сферическую форму и диаметр от 20 до 300 нанометров . Некоторые филовирусы , представляющие собой нити, имеют общую длину до 1400 нм; их диаметр составляет всего около 80 нм. Большинство вирусов невозможно увидеть в оптический микроскоп сканирующие и просвечивающие электронные микроскопы . , поэтому для их визуализации используются Для увеличения контраста между вирусами и фоном используются электронно-плотные «пятна». Это растворы солей тяжелых металлов, например вольфрама , которые рассеивают электроны из участков, покрытых пятном. Когда вирионы покрыты красителем (положительное окрашивание), мелкие детали не видны. Негативное окрашивание решает эту проблему, окрашивая только фон.

Полная вирусная частица, известная как вирион , состоит из нуклеиновой кислоты, окруженной защитной белковой оболочкой, называемой капсидом . Они образуются из белковых субъединиц, называемых капсомерами . Вирусы могут иметь липидную «оболочку», полученную из мембраны клетки- хозяина . Капсид состоит из белков, кодируемых вирусным геномом , и его форма служит основой для морфологического различия. Субъединицы белка, кодируемые вирусом, будут самособираться с образованием капсида, что обычно требует присутствия вирусного генома. Сложные вирусы кодируют белки, которые помогают в построении их капсида. Белки, связанные с нуклеиновой кислотой, известны как нуклеопротеины , а ассоциация белков вирусного капсида с вирусной нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом. Капсид и всю структуру вируса можно механически (физически) исследовать с помощью атомно-силовой микроскопии . В целом выделяют пять основных морфологических типов вирусов:

спиральный

Эти вирусы состоят из одного типа капсомеров, расположенных вокруг центральной оси и образующих спиральную структуру, которая может иметь центральную полость или трубку. Такое расположение приводит к образованию вирионов, которые могут представлять собой короткие и очень жесткие палочки или длинные и очень гибкие нити. Генетический материал (обычно одноцепочечная РНК, но в некоторых случаях и одноцепочечная ДНК) связан со спиралью белка за счет взаимодействия между отрицательно заряженной нуклеиновой кислотой и положительными зарядами белка. В целом длина спирального капсида связана с длиной содержащейся в нем нуклеиновой кислоты, а диаметр зависит от размера и расположения капсомеров. Хорошо изученный вирус табачной мозаики. и иновирус являются примерами спиральных вирусов.

икосаэдрический

Большинство вирусов животных имеют икосаэдрическую или почти сферическую форму с хиральной икосаэдрической симметрией . Правильный икосаэдр — оптимальный способ образования замкнутой оболочки из одинаковых субъединиц. Минимальное количество капсомеров, необходимое для каждой треугольной грани, равно 3, что дает 60 для икосаэдра. Многие вирусы, такие как ротавирус, имеют более 60 капсомеров и кажутся сферическими, но сохраняют эту симметрию. Для этого капсомеры на вершинах окружены пятью другими капсомерами и называются пентонами. Капсомеры на треугольных гранях окружены шестью другими и называются гексонами . Гексоны по своей сути плоские, а пентоны, образующие 12 вершин, изогнуты. Один и тот же белок может выступать в качестве субъединицы как пентамеров, так и гексамеров, или они могут состоять из разных белков.

Растянуть

Это икосаэдр, вытянутый по оси пятого порядка и являющийся обычным расположением головок бактериофагов. Эта конструкция состоит из цилиндра с крышками на обоих концах.

обернутый

Некоторые виды вирусов окутывают себя модифицированной формой одной из клеточных мембран , либо внешней мембраной, окружающей инфицированную клетку-хозяина, либо внутренними мембранами, такими как ядерная мембрана или эндоплазматическая сеть , таким образом приобретая внешний липидный бислой, известный как вирусная оболочка . Эта мембрана покрыта белками, кодируемыми вирусным геномом и геномом хозяина; сама липидная мембрана и любые присутствующие углеводы полностью происходят от хозяина. Вирус гриппа , ВИЧ (вызывает СПИД ) и коронавирус 2 тяжелого острого респираторного синдрома (вызывает COVID-19 ). используйте эту стратегию. Инфекционность большинства оболочечных вирусов зависит от оболочки.

Сложный

Эти вирусы обладают капсидом, который не является ни чисто спиральным, ни чисто икосаэдрическим и может иметь дополнительные структуры, такие как белковые хвосты или сложную внешнюю стенку. Некоторые бактериофаги, такие как фаг Enterobacteria T4 , имеют сложную структуру, состоящую из икосаэдрической головки, связанной со спиральным хвостом, который может иметь шестиугольную базовую пластинку с выступающими белковыми хвостовыми волокнами. Эта хвостовая структура действует как молекулярный шприц, прикрепляясь к бактериальному хозяину и затем вводя вирусный геном в клетку.

Поксвирусы — это крупные сложные вирусы с необычной морфологией. Вирусный геном связан с белками внутри структуры центрального диска, известной как нуклеоид . Нуклеоид окружен мембраной и двумя латеральными тельцами неизвестной функции. Вирус имеет внешнюю оболочку с толстым слоем белка, покрывающим ее поверхность. Весь вирион слегка плеоморфен , от яйцевидной до кирпичной формы.

Гигантские вирусы

Основная статья: Гигантский вирус

Мимивирус — один из крупнейших охарактеризованных вирусов, диаметр капсида которого составляет 400 нм. Белковые нити размером 100 нм выступают из поверхности. Под электронным микроскопом капсид кажется шестиугольным, поэтому капсид, вероятно, икосаэдрический. В 2011 году исследователи обнаружили самый крупный из известных на тот момент вирусов в образцах воды, собранных со дна океана у побережья Лас-Крусес, Чили. Его условно называют Megavirus chilensis , и его можно увидеть в простой оптический микроскоп. В 2013 году род Pandoravirus был обнаружен в Чили и Австралии, его геномы примерно в два раза больше, чем у Megavirus и Mimivirus. Все гигантские вирусы имеют геномы дцДНК и делятся на несколько семейств: Mimiviridae , Pithoviridae, Pandoraviridae , Phycodnaviridae . и Mollivirus род

Некоторые вирусы, поражающие архей, имеют сложную структуру, не связанную с какой-либо другой формой вируса, и имеют широкий спектр необычных форм: от веретенообразных структур до вирусов, напоминающих крючковидные стержни, капли или даже бутылки. Другие архейные вирусы напоминают хвостатые бактериофаги и могут иметь несколько хвостовых структур.

Геном

Геномное разнообразие вирусов

Свойство	Параметры
Нуклеиновая кислота	ДНК РНК И ДНК, и РНК (на разных стадиях жизненного цикла)
Форма	Линейный Круговой Сегментированный
Неблагополучие	Одноцепочечный (сс) Двухцепочечный (ds) Двухцепочечный с участками одноцепочечной структуры.
Смысл	Позитивный смысл (+) Отрицательный смысл (-) Амбисенс (+/−)

можно наблюдать огромное разнообразие геномных структур У вирусных видов ; Как группа, они содержат больше структурного геномного разнообразия, чем растения, животные, археи или бактерии. Существуют миллионы различных типов вирусов, хотя подробно описано менее 7000 типов. По состоянию на январь 2021 года база данных геномов вируса NCBI насчитывает более 193 000 полных последовательностей генома. но, несомненно, еще многое предстоит открыть.

Вирус имеет геном ДНК или РНК и называется ДНК-вирусом или РНК-вирусом соответственно. Большинство вирусов имеют геномы РНК. Вирусы растений, как правило, имеют геномы с одноцепочечной РНК, а бактериофаги, как правило, имеют геномы с двухцепочечной ДНК.

Вирусные геномы кольцевые, как у полиомавирусов , или линейные, как у аденовирусов . Тип нуклеиновой кислоты не имеет отношения к форме генома. Среди РНК-вирусов и некоторых ДНК-вирусов геном часто разделен на отдельные части, в этом случае его называют сегментированным. У РНК-вирусов каждый сегмент часто кодирует только один белок, и они обычно находятся вместе в одном капсиде. Для того чтобы вирус был инфекционным, не обязательно, чтобы все сегменты находились в одном и том же вирионе, как это продемонстрировали вирус бромовой мозаики и некоторые другие вирусы растений.

Вирусный геном, независимо от типа нуклеиновой кислоты, почти всегда либо одноцепочечный (ss), либо двухцепочечный (ds). Одноцепочечные геномы состоят из неспаренной нуклеиновой кислоты, аналогичной половине лестницы, разделенной посередине. Двухцепочечные геномы состоят из двух комплементарных пар нуклеиновых кислот, аналогично лестнице. Вирусные частицы некоторых семейств вирусов, например, принадлежащих к Hepadnaviridae , содержат геном, который частично является двухцепочечным и частично одноцепочечным.

Говорят, что для большинства вирусов с геномами РНК и некоторых с геномами одноцепочечной ДНК (оцДНК) одиночные цепи имеют либо положительный смысл (так называемый «плюс-цепь»), либо отрицательный смысл (так называемый «минус-цепь»). ), в зависимости от того, комплементарны ли они вирусной информационной РНК (мРНК). Вирусная РНК с положительным смыслом имеет тот же смысл, что и вирусная мРНК, и, таким образом, по крайней мере ее часть может быть немедленно транслирована клеткой-хозяином. Вирусная РНК с отрицательным смыслом комплементарна мРНК и, следовательно, перед трансляцией должна быть преобразована в РНК с положительным смыслом с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы . Номенклатура ДНК для вирусов с геномной оцДНК аналогична номенклатуре РНК в том, что вирусная оцДНК с положительной цепью идентична по последовательности вирусной мРНК и, таким образом, является кодирующей цепью, тогда как вирусная оцДНК с отрицательным смыслом комплементарна вирусной мРНК и, таким образом, шаблонная прядь. Некоторые типы вирусов оцДНК и оцРНК имеют амбисенсные геномы , поскольку транскрипция может происходить с обеих цепей в двухцепочечном репликативном промежуточном продукте. Примеры включают геминивирусы , которые представляют собой оцРНК-вирусы растений, и аренавирусы , которые представляют собой оцРНК-вирусы животных.

Размер генома

Размер генома сильно различается у разных видов. Самые маленькие — цирковирусы с оцДНК семейства Circoviridae — кодируют только два белка и имеют размер генома всего две тысячи оснований; самые крупные из них — пандоравирусы — имеют размеры генома около двух мегабаз, которые кодируют около 2500 белков. Гены вирусов редко имеют интроны и часто располагаются в геноме таким образом, что перекрываются .

Как правило, РНК-вирусы имеют меньший размер генома, чем ДНК-вирусы, из-за более высокой частоты ошибок при репликации и имеют максимальный верхний предел размера. Помимо этого, ошибки при репликации делают вирус бесполезным или неконкурентоспособным. Чтобы компенсировать это, РНК-вирусы часто имеют сегментированные геномы — геном разделен на более мелкие молекулы — что снижает вероятность того, что ошибка в однокомпонентном геноме выведет из строя весь геном. Напротив, ДНК-вирусы обычно имеют более крупные геномы из-за высокой точности их ферментов репликации. Вирусы с одноцепочечной ДНК являются исключением из этого правила, поскольку частота мутаций в этих геномах может приближаться к пределу, свойственному вирусу с оцРНК.

Генетическая мутация и рекомбинация

Механизмы эволюции вируса гриппа А. (A) Антигенный дрейф : постепенное накопление мутаций в геноме IAV приводит к появлению новых вариантов вируса. (B) Антигенный сдвиг : Реассортация генетических сегментов между двумя или более вторгшимися IAV в клетку-хозяин может привести к появлению нового антигенного подтипа.

Вирусы претерпевают генетические изменения по нескольким механизмам. К ним относится процесс, называемый антигенным дрейфом , при котором отдельные основания ДНК или РНК мутируют в другие основания. Большинство этих точковых мутаций «тихие» — они не меняют белок, который кодирует ген, — но другие могут давать эволюционные преимущества, такие как устойчивость к противовирусным препаратам . Антигенный сдвиг происходит, когда в геноме вируса происходят серьезные изменения. Это может быть результатом рекомбинации или реассортации . Вирус гриппа А очень склонен к реассортации; иногда это приводило к появлению новых штаммов , которые вызывали пандемии . РНК-вирусы часто существуют как квазивиды или группы вирусов одного и того же вида, но с несколько разными нуклеозидными последовательностями генома. Такие квазивиды являются главной мишенью естественного отбора.

Сегментированные геномы дают эволюционные преимущества; разные штаммы вируса с сегментированным геномом могут перемешивать и комбинировать гены и производить вирусы-потомки (или потомки), обладающие уникальными характеристиками. Это называется реассортацией или «вирусным сексом».

Генетическая рекомбинация — это процесс, при котором цепь ДНК (или РНК) разрывается, а затем присоединяется к концу другой молекулы ДНК (или РНК). Это может произойти, когда вирусы одновременно заражают клетки, и исследования вирусной эволюции показали, что у изученных видов широко распространена рекомбинация. Рекомбинация свойственна как РНК-, так и ДНК-вирусам.

Коронавирусы имеют геном однонитевой положительной РНК . Репликация генома катализируется РНК -зависимой РНК-полимеразой . Механизм рекомбинации, используемый коронавирусами, вероятно, включает переключение матрицы полимеразой во время репликации генома. Этот процесс, по-видимому, является адаптацией для борьбы с повреждением генома.

Цикл репликации

Типичный цикл репликации вируса

Некоторые бактериофаги вводят свои геномы в бактериальные клетки (не в масштабе).

Вирусные популяции не растут за счет деления клеток, поскольку они бесклеточные. Вместо этого они используют механизм и метаболизм клетки-хозяина для производства множества своих копий и собираются в клетке. При заражении клетка-хозяин вынуждена быстро производить тысячи копий исходного вируса.

Их жизненный цикл сильно различается у разных видов, но в их жизненном цикле есть шесть основных стадий:

Прикрепление представляет собой специфическое связывание белков вирусного капсида со специфическими рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Эта специфичность определяет диапазон хозяев и тип клетки-хозяина вируса. Например, ВИЧ поражает ограниченный круг лейкоцитов человека . Это связано с тем, что его поверхностный белок gp120 специфически взаимодействует с молекулой CD4 — хемокиновым рецептором — который чаще всего встречается на поверхности CD4+ Т-клеток . Этот механизм развился в пользу тех вирусов, которые заражают только те клетки, в которых они способны к репликации. Присоединение к рецептору может вызвать изменения в белке вирусной оболочки, которые приводят к слиянию вирусных и клеточных мембран или изменениям необолоченных поверхностных белков вируса, которые позволяют вирусу проникнуть.

Проникновение или проникновение вируса следует за прикреплением: вирионы проникают в клетку-хозяина посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза или слияния мембран . Заражение клеток растений и грибов отличается от заражения клеток животных. У растений жесткая клеточная стенка состоит из целлюлозы , а у грибов — из хитина, поэтому большинство вирусов могут проникнуть внутрь этих клеток только после травмы клеточной стенки. Почти все вирусы растений (например, вирус табачной мозаики) также могут перемещаться непосредственно от клетки к клетке в виде одноцепочечных нуклеопротеиновых комплексов через поры, называемые плазмодесмами . Бактерии, как и растения, имеют прочные клеточные стенки, которые вирус должен пробить, чтобы заразить клетку. Учитывая, что клеточные стенки бактерий намного тоньше стенок растительных клеток из-за их гораздо меньшего размера, некоторые вирусы развили механизмы, которые вводят свой геном в бактериальную клетку через клеточную стенку, в то время как вирусный капсид остается снаружи.

Снятие покрытия — это процесс удаления вирусного капсида: это может происходить путем разложения вирусными ферментами или ферментами хозяина или простой диссоциацией; конечным результатом является высвобождение вирусной геномной нуклеиновой кислоты.

Репликация вирусов предполагает прежде всего размножение генома. Репликация включает синтез вирусной информационной РНК (мРНК) из «ранних» генов (за исключением РНК-вирусов с положительным смыслом), синтез вирусного белка , возможную сборку вирусных белков, а затем репликацию вирусного генома, опосредованную экспрессией раннего или регуляторного белка. Для сложных вирусов с более крупными геномами за этим может последовать один или несколько дополнительных раундов синтеза мРНК: «поздняя» экспрессия генов, как правило, связана со структурными или вирионными белками.

Сборка . После структурно-опосредованной самосборки вирусных частиц часто происходит некоторая модификация белков. У вирусов, таких как ВИЧ, эта модификация (иногда называемая созреванием) происходит после того, как вирус высвобождается из клетки-хозяина.

Высвобождение . Вирусы могут высвобождаться из клетки-хозяина путем лизиса , процесса, который убивает клетку, разрывая ее мембрану и клеточную стенку, если она присутствует: это особенность многих бактериальных и некоторых вирусов животных. Некоторые вирусы подвергаются лизогенному циклу , при котором вирусный геном встраивается путем генетической рекомбинации в определенное место хромосомы хозяина. Вирусный геном тогда известен как « провирус » или, в случае бактериофагов, « профаг ». Всякий раз, когда хозяин делится, вирусный геном также реплицируется. Вирусный геном внутри хозяина в основном «молчит». В какой-то момент провирус или профаг могут дать начало активному вирусу, который может лизировать клетки-хозяева. Вирусы с оболочкой (например, ВИЧ) обычно высвобождаются из клетки-хозяина путем отпочкования . В ходе этого процесса вирус приобретает оболочку, которая представляет собой модифицированный кусок плазмы хозяина или другой внутренней мембраны.

Репликация генома

Генетический материал внутри вирусных частиц и метод его репликации значительно различаются у разных типов вирусов.

ДНК-вирусы

Репликация генома большинства ДНК-вирусов клетки происходит в ядре . Если клетка имеет на своей поверхности соответствующий рецептор, эти вирусы проникают в клетку либо путем прямого слияния с клеточной мембраной (например, герпесвирусы), либо, что чаще, путем рецептор-опосредованного эндоцитоза. Большинство ДНК-вирусов полностью зависят от механизмов синтеза ДНК и РНК и механизмов обработки РНК в клетке-хозяине. Вирусы с более крупными геномами могут сами кодировать большую часть этого механизма. У эукариот вирусный геном должен пересечь ядерную мембрану клетки, чтобы получить доступ к этому механизму, тогда как у бактерий ему достаточно проникнуть в клетку.

РНК-вирусы

Репликация РНК-вирусов обычно происходит в цитоплазме . РНК-вирусы можно разделить на четыре различные группы в зависимости от способов их репликации. Полярность (независимо от того , может ли она использоваться непосредственно рибосомами для создания белков) одноцепочечных РНК-вирусов во многом определяет механизм репликации; другой важный критерий — является ли генетический материал одноцепочечным или двухцепочечным. Все РНК-вирусы используют собственные ферменты РНК-репликазы для создания копий своих геномов.

Вирусы с обратной транскрипцией

Вирусы с обратной транскрипцией содержат в своих частицах оцРНК ( Retroviridae , Metaviridae , Pseudoviridae ) или дцДНК ( Caulimoviridae и Hepadnaviridae ). Вирусы с обратной транскрипцией с геномами РНК ( ретровирусы ) используют промежуточную ДНК для репликации, тогда как вирусы с геномами ДНК ( параретровирусы ) используют промежуточную РНК во время репликации генома. Оба типа используют обратную транскриптазу или РНК-зависимый фермент ДНК-полимеразу для преобразования нуклеиновой кислоты. Ретровирусы интегрируют ДНК, полученную путем обратной транскрипции, в геном хозяина в виде провируса как часть процесса репликации; параретровирусы этого не делают, хотя интегрированные копии генома параретровирусов растений, особенно растений, могут давать начало инфекционным вирусам. Они чувствительны к противовирусным препаратам , ингибирующим фермент обратной транскриптазы, например зидовудину и ламивудину . Примером первого типа является ВИЧ, который является ретровирусом. Примерами второго типа являются Hepadnaviridae , включающие вирус гепатита В.

Цитопатическое воздействие на клетку-хозяина

Спектр структурного и биохимического воздействия вирусов на клетку-хозяина обширен. Это так называемые « цитопатические эффекты ». Большинство вирусных инфекций в конечном итоге приводят к гибели клетки-хозяина. Причины смерти включают лизис клеток, изменения поверхностной мембраны клетки и апоптоз . Нередко гибель клетки вызвана прекращением ее нормальной деятельности из-за подавления вирусспецифическими белками, не все из которых входят в состав вирусной частицы. Различие между цитопатическими и безвредными происходит постепенно. Некоторые вирусы, такие как вирус Эпштейна-Барра , могут вызывать пролиферацию клеток, не вызывая злокачественных опухолей. в то время как другие, такие как вирусы папилломы , являются установленными причинами рака.

Спящие и латентные инфекции.

Некоторые вирусы не вызывают видимых изменений в инфицированной клетке. Клетки, в которых вирус находится в латентном состоянии и неактивен, проявляют мало признаков инфекции и часто функционируют нормально. Это вызывает стойкие инфекции, и вирус часто находится в состоянии покоя в течение многих месяцев или лет. Это часто бывает с вирусами герпеса .

Диапазон хостов

Вирусы, безусловно, являются наиболее распространенными биологическими объектами на Земле, и их численность превосходит все остальные вместе взятые. Они заражают все виды клеточной жизни, включая животных, растения, бактерии и грибы . Различные типы вирусов могут инфицировать лишь ограниченный круг хозяев, и многие из них являются видоспецифичными. Некоторые из них, например , вирус оспы , могут инфицировать только один вид — в данном случае человека. и, как говорят, имеют узкий круг хозяев . Другие вирусы, такие как вирус бешенства, могут инфицировать различные виды млекопитающих и, как говорят, имеют широкий спектр. Вирусы, поражающие растения, безвредны для животных, а большинство вирусов, поражающих других животных, безвредны для человека. Диапазон хозяев некоторых бактериофагов ограничен одним штаммом бактерий, и их можно использовать для отслеживания источника вспышек инфекций с помощью метода, называемого фаговым типированием . Полный набор вирусов в организме или среде обитания называется виромом ; например, все человеческие вирусы составляют человеческий виром .

Новые вирусы

Новый вирус – это тот, который ранее не был зарегистрирован. Это может быть вирус, выделенный из природного резервуара или выделенный в результате распространения к животному или человеку-хозяину , где вирус ранее не был идентифицирован. Это может быть возникший вирус , представляющий собой новый вирус, но это также может быть существующий вирус, который ранее не был идентифицирован . Коронавирус SARS -CoV-2, вызвавший пандемию COVID-19, является примером нового вируса.

Классификация

Основная статья: Классификация вирусов

Классификация направлена ​​на описание разнообразия вирусов путем присвоения им названий и группировки на основе сходства. В 1962 году Андре Львофф , Роберт Хорн и Поль Турнье первыми разработали способ классификации вирусов, основанный на иерархической системе Линнея . Эта система основана на классификации по типу , классу , отряду , семейству , роду и виду . Вирусы были сгруппированы в соответствии с их общими свойствами (а не свойствами их хозяев) и типом нуклеиновой кислоты, образующей их геномы. В 1966 году был создан Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). Система, предложенная Львоффом, Хорном и Турнье, изначально не была принята ICTV, поскольку небольшой размер генома вирусов и высокая скорость их мутаций затрудняли определение их происхождения вне порядка. Таким образом, система классификации Балтимора стала использоваться в качестве дополнения к более традиционной иерархии. Начиная с 2018 года ICTV начал признавать более глубокие эволюционные связи между вирусами, которые были обнаружены с течением времени, и принял 15-ранговую систему классификации, варьирующуюся от области до вида. Кроме того, некоторые виды одного рода объединены в геногруппу .

Классификация ICTV

ICTV разработала действующую систему классификации и написала рекомендации, которые придают больший вес определенным свойствам вируса для поддержания единообразия семейства. Установлена ​​единая таксономия (универсальная система классификации вирусов). Изучена лишь небольшая часть от общего разнообразия вирусов. 6 сфер, 10 царств, 17 типов, 2 подтипа, 40 классов, 72 порядка, 8 подотрядов, 264 семейства, 182 подсемейства , 2818 родов, 84 подрода и 11 273 вида вирусов. По состоянию на 2022 год ICTV определило

Ниже представлена ​​общая таксономическая структура ареалов таксонов и суффиксы, используемые в таксономических названиях. По состоянию на 2022 год ранги подцарства, подцарства и подкласса не используются, тогда как все остальные ранги используются.

Царство ( -вирия )

Подцарство ( -вира )

Королевство ( -virae )

Подцарство ( -виритес )

Тип ( -вирикота )

Подтип ( -viricotina )

Класс ( -viricetes )

Подкласс ( -viricetidae )

Заказ ( -вирусы )

Подотряд ( -virineae )

Семейство ( -viridae )

Подсемейство ( -virinae )

Род ( -вирус )

Подрод ( -вирус )

Разновидность

Балтиморская классификация

Основная статья: Балтиморская классификация

Балтиморская классификация вирусов основана на методе вирусной мРНК. синтеза

Лауреат Нобелевской премии по биологии Дэвид Балтимор разработал систему классификации Балтимора . Система классификации ICTV используется вместе с системой классификации Балтимора в современной классификации вирусов.

Балтиморская классификация вирусов основана на механизме продукции мРНК . Вирусы должны генерировать мРНК из своих геномов, чтобы производить белки и воспроизводить себя, но для достижения этой цели в каждом семействе вирусов используются разные механизмы. Вирусные геномы могут быть одноцепочечными (ss) или двухцепочечными (ds), РНК или ДНК и могут использовать или не использовать обратную транскриптазу (RT). Кроме того, вирусы оцРНК могут быть смысловыми (+) или антисмысловыми (-). Эта классификация делит вирусы на семь групп:

• I: вирусы с дцДНК (например, аденовирусы , герпесвирусы , поксвирусы )
• II: ДНК вирусов оцДНК (+ цепь или «смысловая») ДНК (например, парвовирусов )
• III: вирусы дсРНК (например, реовирусы )
• IV: (+)оцРНК вирусов (+ цепь или смысловая) РНК (например , коронавирусы , пикорнавирусы , тогавирусы )
• В: (-)оцРНК вирусов (-цепь или антисмысловая РНК) (например, ортомиксовирусы , рабдовирусы )
• VI: вирусы оцРНК-RT (+ цепь или смысловая) РНК с промежуточной ДНК в жизненном цикле (например, ретровирусы )
• VII: дцДНК-RT ДНК вирусов с промежуточной РНК в жизненном цикле (например, гепаднавирусы )

Роль в заболеваниях человека

Смотрите также: Вирусное заболевание

Обзор основных типов вирусных инфекций и наиболее известных их видов.

Примеры распространенных заболеваний человека, вызываемых вирусами, включают простуду , грипп , ветряную оспу и герпес . Многие серьезные заболевания, такие как бешенство , болезнь, вызванная вирусом Эбола , СПИД (ВИЧ) , птичий грипп и атипичная пневмония, вызываются вирусами. Относительная способность вирусов вызывать заболевания описывается с точки зрения вирулентности . Другие заболевания исследуются, чтобы выяснить, есть ли у них вирус в качестве возбудителя, например, возможная связь между вирусом герпеса человека 6 (HHV6) и неврологическими заболеваниями, такими как рассеянный склероз и синдром хронической усталости . Существуют разногласия по поводу того, может ли борнавирус , который ранее считался причиной неврологических заболеваний у лошадей, быть ответственным за психические заболевания у людей.

Вирусы имеют разные механизмы, с помощью которых они вызывают заболевания в организме, что во многом зависит от вида вируса. Механизмы на клеточном уровне в первую очередь включают лизис клеток, разрыв и последующую гибель клетки. В многоклеточных организмах , если погибнет достаточное количество клеток, от последствий начнет страдать весь организм. Хотя вирусы вызывают нарушение здорового гомеостаза , приводящее к заболеванию, они могут относительно безвредно существовать внутри организма. Примером может служить способность вируса простого герпеса , вызывающего герпес, оставаться в спящем состоянии в организме человека. Это называется задержка Он характерен для вирусов герпеса, включая вирус Эпштейна-Барра, вызывающий железистую лихорадку, и вирус ветряной оспы , вызывающий ветряную оспу и опоясывающий лишай . Большинство людей были инфицированы хотя бы одним из этих типов вируса герпеса. Эти латентные вирусы иногда могут быть полезными, поскольку присутствие вируса может повысить иммунитет против бактериальных патогенов, таких как Yersinia pestis .

Некоторые вирусы могут вызывать пожизненные или хронические инфекции, при которых вирусы продолжают размножаться в организме, несмотря на защитные механизмы хозяина. Это часто встречается при инфекциях, вызванных вирусом гепатита В и вирусом гепатита С. Хронически инфицированных людей называют носителями, поскольку они служат резервуарами инфекционного вируса. В популяциях с высокой долей носителей болезнь считается эндемической .

Эпидемиология

Вирусная эпидемиология — раздел медицинской науки, занимающийся передачей вирусных инфекций у человека и контролем над ними. Передача вирусов может быть вертикальной, то есть от матери к ребенку, или горизонтальной, то есть от человека к человеку. Примеры вертикальной передачи включают вирус гепатита В и ВИЧ, когда ребенок рождается уже инфицированным вирусом. Другим, более редким примером является вирус ветряной оспы , который, хотя и вызывает относительно легкие инфекции у детей и взрослых, может быть смертельным для плода и новорожденного ребенка.

Горизонтальная передача является наиболее распространенным механизмом распространения вирусов среди населения. Горизонтальная передача может произойти при обмене биологическими жидкостями во время сексуальной активности, при обмене слюной или при употреблении зараженной пищи или воды. Это также может произойти при аэрозолей, вдыхании содержащих вирусы, или от насекомых -переносчиков, например, когда инфицированные комары проникают через кожу хозяина. Большинство типов вирусов ограничены только одним или двумя из этих механизмов, и их называют «респираторными вирусами» или «кишечными вирусами» и так далее. Уровень или скорость передачи вирусных инфекций зависит от таких факторов, как плотность населения, количество восприимчивых людей (т. е. тех, у кого нет иммунитета), качество здравоохранения и погода.

Эпидемиология используется для разрыва цепочки заражения населения во время вспышек вирусных заболеваний . Применяются меры контроля, основанные на знаниях о том, как передается вирус. Важно найти источник или источники вспышки и идентифицировать вирус. После того как вирус идентифицирован, цепочку передачи иногда можно разорвать с помощью вакцин. Когда вакцины недоступны, санитария и дезинфекция могут быть эффективными. Часто инфицированных людей изолируют от остального сообщества, а тех, кто подвергся воздействию вируса, помещают в карантин . Для борьбы со вспышкой ящура среди крупного рогатого скота в Великобритании в 2001 году были забиты тысячи голов крупного рогатого скота. Большинство вирусных инфекций человека и других животных имеют инкубационный период , в течение которого инфекция не вызывает никаких признаков или симптомов. Инкубационный период вирусных заболеваний составляет от нескольких дней до недель, но известен для большинства инфекций. Несколько дублируя, но в основном следующий за инкубационным периодом, существует период коммуникативности — время, когда инфицированный человек или животное заразен и может заразить другого человека или животное. Это также известно для многих вирусных инфекций, и знание продолжительности обоих периодов важно для борьбы со вспышками. Когда вспышки вызывают необычно высокий процент случаев среди населения, сообщества или региона, их называют эпидемиями. Если вспышки распространяются по всему миру, их называют пандемиями .

Эпидемии и пандемии

См. также: пандемия гриппа 1918 года , СПИД , болезнь, вызванная вирусом Эбола , и пандемия COVID-19.

Дополнительная информация: Список эпидемий.

Изображение, полученное с помощью трансмиссионного электронного микроскопа , воссозданного вируса гриппа 1918 года.

Пандемия – это всемирная эпидемия . Пандемия гриппа 1918 года , продолжавшаяся до 1919 года, представляла собой пандемию гриппа 5-й категории , вызванную необычайно тяжелым и смертоносным вирусом гриппа А. Жертвами часто становились здоровые молодые люди, в отличие от большинства вспышек гриппа, от которых преимущественно страдают несовершеннолетние, пожилые или иным образом ослабленные пациенты. По более ранним оценкам, от него погибло 40–50 миллионов человек. в то время как более поздние исследования показывают, что в 1918 году от него могло погибнуть до 100 миллионов человек, или 5% населения мира.

Хотя вирусные пандемии случаются редко, ВИЧ, который развился из вирусов, обнаруженных у обезьян и шимпанзе, является пандемическим, по крайней мере, с 1980-х годов. В течение ХХ века произошло четыре пандемии, вызванные вирусом гриппа, причем те, которые произошли в 1918, 1957 и 1968 годах, были тяжелыми. Большинство исследователей полагают, что ВИЧ зародился в странах Африки к югу от Сахары в 20 веке; сейчас это пандемия: по оценкам, во всем мире с этой болезнью живут 37,9 миллиона человек. В 2018 году от СПИДа умерло около 770 000 человек. По оценкам Объединенной программы Организации Объединенных Наций по ВИЧ/СПИДу (ЮНЭЙДС) и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), СПИД унес жизни более 25 миллионов человек с момента его первого признания 5 июня 1981 года, что делает его одной из самых разрушительных эпидемий за всю историю человечества. история. В 2007 году было зарегистрировано 2,7 миллиона новых ВИЧ-инфекций и 2 миллиона смертей, связанных с ВИЧ.

Вирусы Эбола (вверху) и Марбург (внизу)

Несколько высоколетальных вирусных патогенов относятся к семейству Filoviridae . Филовирусы представляют собой нитевидные вирусы, вызывающие вирусную геморрагическую лихорадку , и включают эболавирусы и марбургвирусы . Вирус Марбург , впервые обнаруженный в 1967 году, привлек широкое внимание прессы в апреле 2005 года из-за вспышки в Анголе . Болезнь, вызванная вирусом Эбола, также вызывала периодические вспышки с высоким уровнем смертности с 1976 года, когда она была впервые выявлена. Самая страшная и последняя из них — эпидемия в Западной Африке в 2013–2016 годах .

За исключением оспы, большинство пандемий вызваны недавно появившимися вирусами. Эти «новые» вирусы обычно представляют собой мутанты менее вредных вирусов, которые ранее циркулировали у людей или других животных.

Тяжелый острый респираторный синдром ( SARS ) и ближневосточный респираторный синдром (MERS) вызываются новыми типами коронавирусов . Известно, что другие коронавирусы вызывают легкие инфекции у людей. поэтому вирулентность и быстрое распространение инфекций атипичной пневмонии, которые к июлю 2003 года стали причиной около 8000 случаев заболевания и 800 смертей, были неожиданными, и большинство стран не были к этому готовы.

Родственный коронавирус, коронавирус тяжелого острого респираторного синдрома 2 (SARS-Cov-2) , предположительно возникший у летучих мышей, появился в Ухане , Китай, в ноябре 2019 года и быстро распространился по всему миру. Заражение вирусом вызвало пандемию COVID-19 , начавшуюся в 2020 году. Беспрецедентные в мирное время ограничения были введены на международные поездки. комендантский час . в ответ на пандемию в нескольких крупных городах мира был введен

Рак

Дополнительная информация: Онковирус.

Вирусы являются установленной причиной рака у людей и других биологических видов. Вирусный рак встречается только у меньшинства инфицированных людей (или животных). Раковые вирусы происходят из целого ряда семейств вирусов, включая как РНК-, так и ДНК-вирусы, поэтому не существует единого типа « онковируса » (устаревший термин, первоначально использовавшийся для острой трансформации ретровирусов). Развитие рака определяется множеством факторов, таких как иммунитет хозяина. и мутации в организме хозяина. Вирусы, вызывающие рак человека, включают некоторые генотипы вируса папилломы человека , вируса гепатита В , вируса гепатита С , вируса Эпштейна-Барра , герпесвируса , ассоциированного с саркомой Капоши, и Т-лимфотропного вируса человека . Последний обнаруженный вирус рака человека – это полиомавирус ( полиомавирус клеток Меркеля ), который вызывает большинство случаев редкой формы рака кожи, называемой карциномой клеток Меркеля . Вирусы гепатита могут перерасти в хроническую вирусную инфекцию, приводящую к раку печени . Заражение Т-лимфотропным вирусом человека может привести к тропическому спастическому парапарезу и Т-клеточному лейкозу взрослых . Вирусы папилломы человека являются признанной причиной рака шейки матки , кожи, ануса и полового члена . Внутри Herpesviridae герпесвирус , ассоциированный с саркомой Капоши, вызывает саркому Капоши и лимфому полостей тела , а вирус Эпштейна-Барра вызывает лимфому Беркитта , лимфому Ходжкина , B- лимфопролиферативное заболевание и карциному носоглотки . Полиомавирус клеток Меркеля, тесно родственный SV40 , и полиомавирусы мышей, которые уже более 50 лет используются в качестве животных моделей вирусов рака.

Защитные механизмы хозяина

См. Также: Иммунная система

Первой линией защиты организма от вирусов является врожденная иммунная система . Сюда входят клетки и другие механизмы, которые неспецифически защищают хозяина от инфекции. Это означает, что клетки врожденной системы распознают патогены и реагируют на них общим образом, но, в отличие от адаптивной иммунной системы , она не обеспечивает хозяину долговременного или защитного иммунитета.

РНК-интерференция является важной врожденной защитой от вирусов. Многие вирусы имеют стратегию репликации, включающую двухцепочечную РНК (дцРНК). Когда такой вирус заражает клетку, он высвобождает свою молекулу или молекулы РНК, которые немедленно связываются с белковым комплексом, называемым дайсером , который разрезает РНК на более мелкие кусочки. Активируется биохимический путь — комплекс RISC , который обеспечивает выживание клеток за счет разрушения вирусной мРНК. Ротавирусы эволюционировали, чтобы избежать этого защитного механизма, не снимая полностью покрытие внутри клетки и высвобождая вновь произведенную мРНК через поры во внутреннем капсиде частицы. Их геномная дцРНК остается защищенной внутри ядра вириона.

Когда адаптивная иммунная система позвоночного сталкивается с вирусом, она вырабатывает специфические антитела , которые связываются с вирусом и часто делают его неинфекционным. Это называется гуморальным иммунитетом . Важны два типа антител. Первый, называемый IgM , очень эффективен при нейтрализации вирусов, но вырабатывается клетками иммунной системы лишь в течение нескольких недель. Второй, называемый IgG , вырабатывается неопределенно долго. Присутствие IgM в крови хозяина используется для проверки острой инфекции, тогда как IgG указывает на инфекцию когда-то в прошлом. Антитела IgG измеряются при тестов на иммунитет . проведении

Антитела могут продолжать оставаться эффективным защитным механизмом даже после того, как вирусам удалось проникнуть в клетку-хозяина. Белок, находящийся в клетках, называемый TRIM21 , может прикрепляться к антителам на поверхности вирусной частицы. системы клетки Это запускает последующее разрушение вируса ферментами протеосомной .

Два ротавируса : тот, что справа, покрыт антителами, которые препятствуют его прикреплению к клеткам и их инфицированию.

Вторая защита позвоночных животных от вирусов называется клеточным иммунитетом и включает в себя иммунные клетки, известные как Т-клетки . Клетки организма постоянно отображают короткие фрагменты своих белков на поверхности клетки, и, если Т-клетка распознает там подозрительный вирусный фрагмент, клетка-хозяин разрушается «Т-киллерами» и вирус-специфичные Т-клетки размножаются. Такие клетки, как макрофаги, являются специалистами в презентации этого антигена . Производство интерферона является важным защитным механизмом хозяина. Это гормон, вырабатываемый организмом при наличии вирусов. Его роль в иммунитете сложна; в конечном итоге он останавливает размножение вирусов, убивая инфицированную клетку и ее ближайших соседей.

Не все вирусные инфекции вызывают такой защитный иммунный ответ. ВИЧ уклоняется от иммунной системы, постоянно изменяя аминокислотную последовательность белков на поверхности вириона. Это известно как «мутация ускользания», поскольку вирусные эпитопы ускользают от распознавания иммунным ответом хозяина. Эти стойкие вирусы уклоняются от иммунного контроля путем секвестрации, блокады представления антигена , устойчивости к цитокинам , уклонения от активности естественных клеток-киллеров , ухода от апоптоза и антигенного сдвига . Другие вирусы, называемые « нейротропными вирусами », распространяются путем нейронного распространения, когда иммунная система может быть не в состоянии достичь их из-за иммунных привилегий .

Профилактика и лечение

Поскольку для репликации вирусы используют жизненно важные метаболические пути внутри клеток-хозяев, их трудно уничтожить без использования лекарств, которые оказывают токсическое воздействие на клетки-хозяева в целом. Наиболее эффективными медицинскими подходами к вирусным заболеваниям являются вакцинация для обеспечения иммунитета к инфекции и противовирусные препараты, избирательно препятствующие репликации вируса.

Вакцина

Дополнительная информация: Вакцинация.

Вакцинация – дешевый и эффективный способ предотвращения заражения вирусами. Вакцины использовались для предотвращения вирусных инфекций задолго до открытия самих вирусов. Их использование привело к резкому снижению заболеваемости (заболеваний) и смертности (смертности), связанных с вирусными инфекциями, такими как полиомиелит , корь , эпидемический паротит и краснуха . Инфекция оспы ликвидирована. Доступны вакцины для предотвращения более тринадцати вирусных инфекций человека. и другие используются для профилактики вирусных инфекций животных. Вакцины могут состоять из живых ослабленных или убитых вирусов, вирусных белков ( антигенов ) или РНК . Живые вакцины содержат ослабленные формы вируса, которые не вызывают заболевания, но тем не менее придают иммунитет. Такие вирусы называются аттенуированными. Живые вакцины могут быть опасны при введении людям со слабым иммунитетом (которых называют людьми с ослабленным иммунитетом ), поскольку у этих людей ослабленный вирус может вызвать исходное заболевание. Для производства субъединичных вакцин используются методы биотехнологии и генной инженерии. В этих вакцинах используются только капсидные белки вируса. Вакцина против гепатита B является примером вакцины этого типа. Субъединичные вакцины безопасны для пациентов с ослабленным иммунитетом , поскольку они не могут вызвать заболевание. Вакцина против вируса желтой лихорадки , живой аттенуированный штамм под названием 17D, вероятно, является самой безопасной и эффективной вакциной, когда-либо созданной.

Противовирусные препараты

Дополнительная информация: Противовирусный препарат.

Строение основы ДНК гуанозина и противовирусного препарата ацикловир

Противовирусные препараты часто представляют собой аналоги нуклеозидов (поддельные строительные блоки ДНК), которые вирусы ошибочно включают в свои геномы во время репликации. Жизненный цикл вируса затем останавливается, поскольку вновь синтезированная ДНК становится неактивной. Это связано с тем, что в этих аналогах отсутствуют гидроксильные группы, которые вместе с атомами фосфора соединяются вместе, образуя прочный «остов» молекулы ДНК. Это называется терминацией цепи ДНК . Примерами аналогов нуклеозидов являются ацикловир при инфекциях, вызванных вирусом простого герпеса, и ламивудин при инфекциях, вызванных вирусом ВИЧ и гепатита В. Ацикловир – один из старейших и наиболее часто назначаемых противовирусных препаратов. Другие используемые противовирусные препараты нацелены на разные стадии жизненного цикла вируса. ВИЧ зависит от протеолитического фермента, называемого протеазой ВИЧ-1 Чтобы стать полностью заразным, . Существует большой класс препаратов, называемых ингибиторами протеазы , которые инактивируют этот фермент. Существует около тринадцати классов противовирусных препаратов, каждый из которых нацелен на разные вирусы или стадии репликации вируса.

Гепатит С вызывается РНК-вирусом. У 80% инфицированных заболевание носит хронический характер, и без лечения они остаются инфицированными на всю оставшуюся жизнь. Существуют эффективные методы лечения, в которых используются противовирусные препараты прямого действия . Лечение хронических носителей вируса гепатита В также было разработано с использованием аналогичных стратегий, включающих ламивудин и другие противовирусные препараты.

Инфекция у других видов

Вирусы заражают всю клеточную жизнь, и, хотя вирусы встречаются повсеместно, каждый вид клеток имеет свой собственный определенный диапазон, который часто заражает только этот вид. Некоторые вирусы, называемые сателлитами , могут размножаться только внутри клеток, уже зараженных другим вирусом.

Вирусы животных

Основные статьи: Вирусы животных и ветеринарная вирусология

Вирусы являются важными патогенами домашнего скота. Такие заболевания, как ящур и блютанг , вызываются вирусами. Животные-компаньоны, такие как кошки, собаки и лошади, если не вакцинированы, восприимчивы к серьезным вирусным инфекциям. Собачий парвовирус вызывается небольшим ДНК-вирусом, и инфекции часто приводят к летальному исходу у щенков. Как и все беспозвоночные , медоносная пчела восприимчива ко многим вирусным инфекциям. Большинство вирусов безвредно сосуществуют со своим хозяином и не вызывают никаких признаков или симптомов заболевания.

Вирусы растений

Основная статья: Растительный вирус

Перцы, зараженные вирусом легкой крапчатости

Существует много типов вирусов растений, но зачастую они вызывают лишь потерю урожая , и бороться с ними экономически нецелесообразно. Вирусы растений часто передаются от растения к растению организмами, известными как переносчики . Обычно это насекомые, но переносчиками являются некоторые грибы, нематоды , одноклеточные организмы и растения-паразиты. Когда борьба с вирусными инфекциями растений считается экономичной (например, в отношении многолетних фруктов), усилия концентрируются на уничтожении переносчиков и удалении альтернативных хозяев, таких как сорняки. Вирусы растений не могут заразить человека и других животных, поскольку могут размножаться только в живых растительных клетках.

Родом из Перу, картофель стал основной культурой во всем мире. Картофельный вирус Y вызывает заболевание картофеля и родственных ему видов, включая томаты и перец. В 1980-х годах этот вирус приобрел экономическое значение, когда оказалось, что с ним трудно бороться в посевах семенного картофеля. Передаваемый тлей , этот вирус может снизить урожайность сельскохозяйственных культур до 80 процентов, вызывая значительные потери урожая картофеля.

Растения обладают сложными и эффективными механизмами защиты от вирусов. Одним из наиболее эффективных является наличие так называемых генов устойчивости (R). Каждый ген R придает устойчивость к определенному вирусу, вызывая локализованные области гибели клеток вокруг инфицированной клетки, которые часто можно увидеть невооруженным глазом в виде больших пятен. Это останавливает распространение инфекции. РНК-интерференция также является эффективной защитой растений. > При заражении растения часто производят естественные дезинфицирующие средства, убивающие вирусы, такие как салициловая кислота , оксид азота и активные молекулы кислорода .

Частицы растительного вируса или вирусоподобные частицы (VLP) находят применение как в биотехнологии, так и в нанотехнологиях . Капсиды большинства растительных вирусов представляют собой простые и надежные структуры и могут производиться в больших количествах либо путем заражения растений, либо путем экспрессии в различных гетерологичных системах. Частицы растительного вируса могут быть модифицированы генетически и химически для инкапсулирования инородного материала и могут быть включены в супрамолекулярные структуры для использования в биотехнологии.

Бактериальные вирусы

Основная статья: Бактериофаг

Просвечивающая электронная микрофотография нескольких бактериофагов, прикрепленных к клеточной стенке бактерий.

Бактериофаги представляют собой распространенную и разнообразную группу вирусов и являются наиболее распространенным биологическим объектом в водной среде: в океанах этих вирусов до десяти раз больше, чем бактерий. достижение уровня 250 000 000 бактериофагов на миллилитр морской воды. Эти вирусы заражают определенные бактерии, связываясь с поверхностными молекулами рецепторов , а затем проникая в клетку. За короткий промежуток времени, в некоторых случаях всего за несколько минут, бактериальная полимераза начинает транслировать вирусную мРНК в белок. Эти белки впоследствии становятся либо новыми вирионами внутри клетки, либо белками-помощниками, которые помогают сборке новых вирионов, либо белками, участвующими в лизисе клеток. Вирусные ферменты способствуют разрушению клеточной мембраны, и, в случае фага Т4 , всего за двадцать минут после инъекции может быть высвобождено более трехсот фагов.

Основным способом защиты бактерий от бактериофагов является выработка ферментов, разрушающих чужеродную ДНК. Эти ферменты, называемые эндонуклеазами рестрикции , разрезают вирусную ДНК, которую бактериофаги вводят в бактериальные клетки. Бактерии также содержат систему, которая использует последовательности CRISPR для сохранения фрагментов геномов вирусов, с которыми бактерии ранее контактировали, что позволяет им блокировать репликацию вируса посредством формы РНК-интерференции . Эта генетическая система обеспечивает бактериям приобретенный иммунитет к инфекции.

Некоторые бактериофаги называются « умеренными », поскольку они вызывают латентные инфекции и не сразу уничтожают клетки-хозяева. Вместо этого их ДНК включается в клетку-хозяина в виде профага . Эти скрытые инфекции становятся продуктивными, когда ДНК профагов активируется такими стимулами, как изменения в окружающей среде. В кишечнике животных, в том числе человека, содержатся умеренные бактериофаги, которые активируются различными раздражителями, включая изменения в диете и антибиотики. Хотя впервые это было обнаружено у бактериофагов, известно, что многие другие вирусы образуют провирусы , включая ВИЧ.

Архейные вирусы

Основная статья: Архейный вирус

Некоторые вирусы размножаются внутри архей : это ДНК-вирусы необычной, а иногда и уникальной формы. Наиболее подробно эти вирусы изучены на термофильных археях, в частности на порядках Sulfolobales и Thermoproteales . Защита от этих вирусов включает вмешательство РНК из повторяющихся последовательностей ДНК в геномах архей, которые связаны с генами вирусов. Большинство архей имеют системы CRISPR-Cas в качестве адаптивной защиты от вирусов. Это позволяет археям сохранять участки вирусной ДНК, которые затем используются для нацеливания и устранения последующих заражений вирусом, используя процесс, аналогичный РНК-интерференции.

Роль в водных экосистемах

Основная статья: Морской вирус

Вирусы являются наиболее распространенным биологическим объектом в водной среде. В чайной ложке морской воды их около десяти миллионов. Большинство этих вирусов представляют собой бактериофаги, инфицирующие гетеротрофные бактерии, и цианофаги, инфицирующие цианобактерии, и они необходимы для регуляции морских и пресноводных экосистем. Бактериофаги безвредны для растений и животных и необходимы для регуляции морских и пресноводных экосистем. являются важными агентами смертности фитопланктона , основы пищевой цепи в водной среде. Они заражают и уничтожают бактерии в водных микробных сообществах и являются одним из наиболее важных механизмов переработки углерода и круговорота питательных веществ в морской среде. Органические молекулы, высвобождаемые из мертвых бактериальных клеток, стимулируют рост новых бактерий и водорослей в процессе, известном как вирусный шунт . В частности, было показано, что лизис бактерий вирусами усиливает круговорот азота и стимулирует рост фитопланктона. Вирусная активность может также влиять на биологический насос — процесс, посредством которого в глубинах углерод улавливается океана.

Микроорганизмы составляют более 90% биомассы моря. По оценкам, вирусы убивают примерно 20% этой биомассы каждый день, а в океанах вирусов в 10–15 раз больше, чем бактерий и архей. Вирусы также являются основными агентами, ответственными за разрушение фитопланктона , включая вредоносное цветение водорослей . Число вирусов в океанах уменьшается по мере удаления от берега и глубже в воду, где меньше организмов-хозяев.

В январе 2018 года ученые сообщили, что 800 миллионов вирусов, преимущественно морского происхождения, ежедневно оседают из Земли . атмосферы на каждый квадратный метр поверхности планеты в результате глобального атмосферного потока вирусов, циркулирующих над погодной системой но ниже высоты обычного авиаперелета, распространяя вирусы по планете.

Как любой организм, морские млекопитающие восприимчивы к вирусным инфекциям. В 1988 и 2002 годах тысячи тюленей погибли в Европе от вируса чумы чумы . Многие другие вирусы, в том числе калицивирусы , герпесвирусы , аденовирусы и парвовирусы , циркулируют в популяциях морских млекопитающих.

В декабре 2022 года ученые сообщили о первом наблюдении вироворы в ходе эксперимента с прудовой водой, содержащей хлорвирус , который обычно заражает зеленые водоросли в пресноводной среде. Когда все другие источники микробной пищи были удалены из воды, инфузорий Halteria наблюдалось увеличение численности из-за активного потребления хлоровируса в качестве источника пищи вместо типичного для них бактериоядного рациона.

Роль в эволюции

Основная статья: Горизонтальный перенос генов

Вирусы являются важным естественным средством передачи генов между различными видами, что увеличивает генетическое разнообразие и стимулирует эволюцию. Считается, что вирусы играли центральную роль в ранней эволюции, до того, как последний универсальный предок превратился в бактерии, археи и эукариоты. Вирусы по-прежнему являются одним из крупнейших резервуаров неизведанного генетического разнообразия на Земле.

Приложения

Науки о жизни и медицина

Ученый, изучающий H5N1 вирус гриппа

Вирусы важны для изучения молекулярной и клеточной биологии , поскольку они представляют собой простые системы, которые можно использовать для манипулирования клетками и исследования их функций. Изучение и использование вирусов предоставили ценную информацию об аспектах клеточной биологии. Например, вирусы были полезны при изучении генетики и помогли нам понять основные механизмы молекулярной генетики , такие как репликация ДНК , транскрипция , процессинг РНК , трансляция , транспорт белков и иммунология .

Генетики часто используют вирусы в качестве векторов для введения генов в изучаемые клетки. Это полезно для того, чтобы заставить клетку производить чужеродное вещество или изучить эффект от введения нового гена в геном. Точно так же виротерапия использует вирусы в качестве векторов для лечения различных заболеваний, поскольку они могут специфически воздействовать на клетки и ДНК. Он показывает многообещающее применение в лечении рака и в генной терапии . Восточноевропейские ученые уже некоторое время используют фаготерапию в качестве альтернативы антибиотикам, и интерес к этому подходу растет из-за высокого уровня устойчивости к антибиотикам, обнаруженного в настоящее время у некоторых патогенных бактерий. Экспрессия гетерологичных белков вирусами лежит в основе нескольких производственных процессов, которые в настоящее время используются для производства различных белков, таких как вакцинные антигены и антитела. Недавно были разработаны промышленные процессы с использованием вирусных векторов, а несколько фармацевтических белков в настоящее время проходят доклинические и клинические испытания.

Виротерапия

Основная статья: Виротерапия

Виротерапия предполагает использование генетически модифицированных вирусов для лечения заболеваний. Ученые модифицировали вирусы, чтобы они размножались в раковых клетках и уничтожали их, но не заражали здоровые клетки. Talimogene laherparepvec (T-VEC), например, представляет собой модифицированный вирус простого герпеса , в котором ген, необходимый вирусам для репликации в здоровых клетках, удален и заменен человеческим геном ( GM-CSF ), который стимулирует иммунитет. Когда этот вирус заражает раковые клетки, он уничтожает их, и при этом наличие гена GM-CSF привлекает дендритные клетки из окружающих тканей организма. Дендритные клетки перерабатывают мертвые раковые клетки и передают их компоненты другим клеткам иммунной системы . После успешных клинических испытаний вирус получил одобрение для лечения меланомы в конце 2015 года. Вирусы, перепрограммированные для уничтожения раковых клеток, называются онколитическими вирусами .

Материаловедение и нанотехнологии

С точки зрения материаловеда, вирусы можно рассматривать как органические наночастицы . На их поверхности имеются специальные инструменты, которые позволяют им преодолевать барьеры клеток-хозяев. Точно определены размеры и форма вирусов, количество и характер функциональных групп на их поверхности. Таким образом, вирусы обычно используются в материаловедении в качестве каркасов для ковалентно связанных модификаций поверхности. Особое качество вирусов заключается в том, что их можно адаптировать путем направленной эволюции. Мощные методы, разработанные науками о жизни, становятся основой инженерных подходов к наноматериалам, открывая широкий спектр приложений, выходящих далеко за рамки биологии и медицины. Благодаря своему размеру, форме и четко определенной химической структуре вирусы использовались в качестве шаблонов для организации материалов на наноуровне. Примеры включают работу в Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, по использованию частиц вируса мозаики вигны (CPMV) для усиления сигналов в датчиках на основе микрочипов ДНК . В этом приложении вирусные частицы отделяют флуоресцентные красители, используемые для передачи сигналов, чтобы предотвратить образование нефлуоресцентных димеров , которые действуют как тушители . Другим примером является использование CPMV в качестве наноразмерного макета для молекулярной электроники.

Синтетические вирусы

Многие вирусы могут быть синтезированы de novo («с нуля»). Первый синтетический вирус был создан в 2002 году. Хотя это некоторое заблуждение, синтезируется не сам вирус, а скорее его ДНК-геном (в случае ДНК-вируса) или кДНК- копия его генома (в случае РНК-вирусов). Для многих семейств вирусов обнаженная синтетическая ДНК или РНК (после ферментативного преобразования обратно из синтетической кДНК) является заразной при введении в клетку. То есть они содержат всю необходимую информацию для создания новых вирусов. Эта технология сейчас используется для исследования новых стратегий вакцинации. Способность синтезировать вирусы имеет далеко идущие последствия, поскольку вирусы больше нельзя считать вымершими, пока известна информация о последовательности их генома и пермиссивные доступны клетки. По состоянию на июнь 2021 года полноразмерные последовательности генома 11 464 различных вирусов, включая оспу, общедоступны в онлайн-базе данных, поддерживаемой Национальными институтами здравоохранения .

Оружие

Дополнительная информация: Биологическая война.

Способность вирусов вызывать разрушительные эпидемии в человеческом обществе привела к опасениям, что вирусы могут быть использованы в качестве оружия для биологической войны . Дополнительную обеспокоенность вызвало успешное воссоздание гриппа 1918 года . в лаборатории печально известного вируса Вирус оспы опустошал множество обществ на протяжении всей истории, прежде чем был искоренен. В мире есть только два центра, уполномоченных ВОЗ хранить запасы вируса оспы: Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «ВЕКТОР» в России и Центры по контролю и профилактике заболеваний в США. Его можно использовать как оружие, поскольку вакцина от оспы иногда вызывала серьезные побочные эффекты, она больше не используется на регулярной основе ни в одной стране. Таким образом, большая часть современного человечества почти не имеет устойчивой устойчивости к оспе и будет уязвима для этого вируса.

См. также

• Межвидовая передача
• Глоссарий вирусологии
• Закон снижения вирулентности – Опровергнутая гипотеза эпидемиолога Теобальда Смита
• Неклеточная жизнь
• Агент переноса генов
• Ретрозим
• Наименьшие организмы
• Теория вирулентности - теория биолога Пола В. Эвальда.
• Вирусная метагеномика
• Вироплазма
• Зооноз

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с вирусами, на Викискладе?
• Данные, связанные с вирусом , в Wikispecies
• ViralZone Ресурс Швейцарского института биоинформатики для всех семейств вирусов, предоставляющий общую молекулярную и эпидемиологическую информацию.