Транскрипция вируса в клетке. Трансляция вирусов.
Обновлено: 18.05.2024
Вирусология:
Популярные разделы сайта:
Трансляция поксвирусов. Стадии трансляции вируса оспы
Можно ожидать, что в соответствии с различными классами образуемой мРНК белки, синтезированные поксвирусами, также относятся к раннему и позднему классам. Это, однако, не означает, что индуцируемые ферменты попадают в один класс, а структурные белки — в другой. Сочетая метод количественной иммунопреципитации и метод диффузии в геле на пластинах с последующей радиоавтографией, Сэлцмен и Себринг (1967) показали, что до начала синтеза вирусной ДНК синтезируются 5 вирусных структурных антигенов. После начала репликации вирусной ДНК их синтез прекращается и появляются другие вирусные белки. Вирусные антигены, синтезируемые в зараженной клетке, на основании их молекулярного веса можно разделить на две группы: низкомолекулярные антигены, синтез которых начинается на ранних стадиях и прекращается через 4 ч после начала инфекции, и высокомолекулярные антигены, которые образуются вслед за ними (Уилкокс и Коуэн, 1967). Более четкую картину последовательного синтеза белков осповакцины получают при определении индивидуальных структурных полипептидов и измерении ферментативных активностей, появляющихся при вирусной инфекции (если предположить, что такие активности являются вирус-специфическими).
Структурные белки. Вирионы осповакцины содержат по крайней мере 30 различных полипептидов, из которых 17 (включая 2 основных вирионных полипептида) относятся к вирусной сердцевине и 5 локализованы возле или на поверхности вириона (гл. 3). Координация их синтезов, которая должна контролировать сборку, в некотором смысле неожиданна; два полипептида сердцевины и один поверхностный полипептид образуются в отсутствие синтеза вирусной ДНК, т. е. представляют собой ранние белки (Холовчак и Йоклик, 1967b). Третий полипептид сердцевины — один из главных компонентов вириона (возможно, представляющий собой семейство полипептидов с близкими молекулярными весами), а также основная часть полипептидов с более низкими молекулярными весами образуются поздно. Один или два полипептида, по-видимому, образуются на протяжении всего цикла размножения (Мосс и Сэлцмен, 1968; Холовчак и Йоклик, 1967). Структурные полипептиды синтезируются в зараженных клетках не в тех соотношениях, в каких они входят в состав вириона; некоторые полипептиды с низким молекулярным весом вскоре после образования агрегируют, образуя структуры с очень большим молекулярным весом.
Индуцируемые вирусом ферменты. При инфекции, вызываемой поксвирусами, активность некоторых ферментов увеличивается. Поскольку кодирующий потенциал поксвирусного генома (около 160 белков с мол. весом 50 000) намного превышает величину, необходимую для образования известных структурных белков, предполагают, что вирус осповакцины несет информацию о синтезе ферментативных систем, имеющих отношение к биосинтезу нуклеиновых кислот. Есть несколько серьезных доводов, свидетельствующих о том, что индуцируемые вирусом ферменты кодируются геномом вируса, хотя они и основаны на косвенных данных. Так, показано (обзоры: Кит, 1968; Мак-Ослен, 1969а), что возраста ние ферментативной активности происходит параллельно с синтезом белка de novo, что ферменты до и после инфекции различаются по физико-химическим свойствам и что вирус может вызывать индукцию фермента в клетках, в которых тот ранее отсутствовал.
Тимидинкиназа индуцируется как герпесвирусом, так и вирусом осповакцины, однако мы ничего не знаем о ее роли при естественных вирусных инфекциях; известно лишь, что она не является необходимой для размножения вируса в культивируемых клетках. Синтез этого раннего фермента регулируется весьма интересным способом; пожалуй, это первый четко доказанный пример возможности регуляции синтеза белка на уровне трансляции. Синтез тимидинкиназы начинается через 1,5—2 ч после заражения и продолжается приблизительно 4 ч, а затем резко прекращается. Прекращение синтеза контролируется вирусным геномом. Опыты с актиномицином D и пуромицином показали, что матрица для синтеза тимидинкиназы весьма стабильна и что для подавления синтеза фермента необходимо образование какого-то белка.
Индукция ДНК-полимеразы поксвирусом контролируется сходным образом, однако этого нельзя сказать обо всех ранних ферментах. Например, две индуцируемые поксвирусом ДНКазы (см. обзор Мак-Ослена, 1969а), экзонуклеаза (специфичная к двухцепочечной ДНК, 2ц-ДНК) и эндонуклеаза (специфичная к одноцепочечной ДНК, 1ц-ДНК), вероятно, синтезируются рано (1,6—6 ч после начала инфекции) на мРНК с очень коротким периодом полужизни, хотя их синтез заканчивается в то же время, что и синтез тимидинкиназы. Синтез одного из внешних структурных полипептидов, раннего белка, по-видимому, вообще не прекращается, а продолжается на протяжении всего цикла -размножения.
Вслед за открытием в составе вирионов поксвирусов транскриптазы (Кейтс и Мак-Ослен, 1967) в ряде'лабораторий было обнаружено, что покевирионы содержат также несколько других ферментативных активностей, в том числе нуклеотид — фосфогидролазу (АТФазу; Маньон и др., 1968), специфичную к одноцепочечной ДНК экзонуклеазу и специфичную к одноцепочечной ДНК эндонуклеазу (Пого и Дейлс, 1969; Обертин и Мак-Ослен, 1972). Вирионная экзонуклеаза, несомненно, является поздним белком, индуцируемым поксвирусом. Она была получена в чистом виде и охарактеризована (Мак-Ослен и Кейтс, 1966). Функциональное значение упомянутых выше вирионных ферментов неизвестно, но они могут служить полезными маркерами для изучения сборки вирионов.
Обнаруженная на поздних стадиях цикла размножения РНК-полимеразная активность связана с частицами, вероятно с вновь образованными вирионами, находящимися на одном из последних этапов сборки (Питканен и др., 1968), так как ©ни синтезируют in vitro лишь раннюю мРНК.
Можно надеяться, что на ранних стадиях эта вирионная транскриптаза присутствует в растворимой форме, однако пока ее обнаружить не удалось. Во время такого рода поисков был найден фермент, который, используя в качестве матрицы полимер дАТ, синтезировал поли (А, У); этот фермент является ранним белком, кодируемым очень стабильной мРНК (Мак-Ослен, 1971). До сих пор с помощью этого фермента не удалось транскрибировать какую-либо матрицу, кроме полимера дАТ. Таким образом, существуют по крайней мере две индуцируемые поксвирусом полимеразные активности: ранняя дАТ-зависимая и поздняя, связанная с частицами и способная синтезировать in vitro раннюю мРНК.
Синтез гликопротеидов. Через 1 ч после заражения вирусом осповакцины в синтезе гликопротеидов происходят большие изменения (Моос и др., 1971b; Гарон и Мосс, 1971). Новые гликопротеиды — это вирус-специфические белки, в значительной степени связанные с клеточными мембранами. Возможно, введение в оболочку клетки новых гликопротеидов объясняет морфологические изменения, которые имеют место при заражении клеток вирусом фибромы или штаммами вируса осповакцины, вызывающими поликариоцитоз.
Вирион содержит два гликопротеида, единственным углеводным компонентом которых является глюкозамин, причем эти гликопротеиды не обнаружены ни на поверхности, ни в сердцевине вируса. Поскольку вирусные «фабрики» образуют в цитоплазме большие зоны, которые удалены от клеточных мембран, где локализованы клеточные гликозилирующие ферменты, возможно, что гликозилирование поксвирусных белков осуществляют вирус-специфические, а не клеточные ферменты.
ТРАНСЛЯЦИЯ вирусных белков
Стратегия вирусного генома, использующего клеточный аппарат трансляции, должна быть направлена на создание механизма для подавления трансляции собственных клеточных иРНК и для избирательной трансляции вирусных иРНК, которые всегда находятся в значительно меньшем количестве, чем клеточные матрицы. Этот механизм реализуется на уровне специфического узнавания малой рибосомальной субъединицей вирусных иРНК, т. е. на уровне формирования инициирующего комплекса. Поскольку многие вирусы не подавляют синтез клеточных иРНК, в зараженных клетках возникает парадоксальная ситуация: прекращается трансляция огромного фонда функционально активных клеточных иРНК, и на освободившихся рибосомах начинается трансляция одиночных молекул вирусных иРНК. Специфическое узнавание рибосомой вирусных иРНК осуществляется за счет вирусспецифических инициаторных факторов.
Два способа формирования вирусных белков:
1) иРНК транслируется в гигантский полипептид-предшественник, который после синтеза последовательно нарезается на зрелые функционально активные белки; 2) иРНК транслируется с образованием зрелых белков, или белков, которые лишь незначительно модифицируются после синтеза.
2) иРНК транслируется с образованием зрелых белков, или белков, которые лишь незначительно модифицируются после синтеза.
Первый способ трансляции характерен для РНК-со-держащих «плюс-нитевых» вирусов — пикорнавирусов и тогавирусов. Их иРНК транслируется в гигантскую поли пептидную цепь, так называемый полипротеид, который сползает в виде непрерывной ленты с рибосомного «конвейера» и нарезается на индивидуальные белки нужного размера. Нарезание вирусных белков является многоступенчатым процессом, осуществляемым как вирусспецифическими, так и клеточными протеазами.
Второй способ формирования белков характерен для ДНК-содержащих вирусов и большинства РНК-содержащих вирусов. При этом способе синтезируются короткие моноцистронные иРНК в результате избирательной транскрипции одного участка генома (гена).
Вирусные белки в процессе инфекции синтезируются в избыточном количестве. Так, только 35% всех вирусиндуцированных белков герпесвирусов включается в вирионы. Вирусные белки накапливаются и в ядре и в цитоплазме, однако это не говорит о месте их синтеза.
СБОРКА ВИРУСНЫХ ЧАСТИЦ
Синтез компонентов вирусных частиц в клетке разобщен и может протекать в разных структурах ядра и цитоплазмы. При таком дисъюнктивном способе репродукции образование вирусной частицы возможно лишь в том случае, если вирусные нуклеиновые кислоты и белки обладают способностью при достаточной концентрации узнавать друг друга в многообразии клеточных белков и нуклеиновых кислот и самопроизвольно соединяться друг с другом, т. е. способны к самосборке. В основе самосборки лежит специфическое белокнук-леиновое и белок-белковое узнавание, которое может происходить в результате гидрофобных, солевых и водородных связей, а также стерического соответствия. Белокнуклеиновое узнавание ограничено небольшим участком молекулы нуклеиновой кислоты и определяется уникальными последовательностями нуклеотидов в неко дирующей части вирусного генома. С этого узнавания участка генома вирусными капсидными белками начинается процесс сборки вирусной частицы. Присоединение остальных белковых молекул осуществляется за счет специфиче-ческих белок-белковых взаимодействий или неспецифических белокнуклеиновых взаимодействий.
В связи с разнообразием структуры вирусов животных разнообразны и способы формирования вирионов, однако можно сформулировать следующие общие принципы сборки.
1) У просто устроенных вирусов формируются прови-рионы, которые затем в результате модификаций белков превращаются в вирионы. У сложно устроенных вирусов сборка осуществляется многоступенчато. Сначала формируются нуклеокапсиды или сердцевины, с которыми взаимодействуют белки наружных оболочек.
2) Сборка сложно устроенных вирусов (за исключением сборки вирусов оспы и реовирусов) осуществляется на клеточных мембранах. Сборка ядерных вирусов происходит с участием ядерных мембран, сборка цитоплазмати-ческих вирусов — с участием мембран эндоплазматическои сети или плазматической мембраны, куда независимо друг от друга прибывают все компоненты вирусной частицы.
3) У ряда сложно устроенных вирусов существуют специальные гидрофобные белки, выполняющие функции посредников между сформированными нуклеокапсидами и вирусными оболочками. Такими белками являются матриксные белки у ряда «минус-нитевых» вирусов (ортомиксовирусов, парамиксовирусов, рабдовирусов).
4) Сборка нуклеокапсидов, сердцевин, провирионов и вирионов происходит не во внутриклеточной жидкости, а в специальных структурах, предсуществующих в клетке или индуцированных вирусом («фабриках»).
5) Сложно устроенные вирусы для построения своих частиц используют ряд элементов клетки-хозяина, например липиды, некоторые ферменты, у ДНК-геномного SV40 — гистоны, у оболочечных РНК-геномных вирусов — актин, а в составе ареновирусов обнаружены даже рибосомы. Клеточные молекулы несут определенные функции в вирусной частице, однако включение их в вирион может явиться и следствием случайной контаминации, как, например, включение ряда ферментов клеточных оболочек или клеточных нуклеиновых кислот.
Фаза экспрессии вирусного генома
Транскрипция — это переписывание ДНК на РНК по законам генетического кода. Это означает, что РНК состоит из нуклеотидных последовательностей, комплементарных ДНК. Нити ДНК в участке транскрипции разделяются и функционируют как матрицы, к которым присоединяются комплементарные нуклеотиды благодаря спариванию комплементарных оснований (аденин связывается с тимином, урацил — с аденином, гуанин — с цитозином и цитозин - с гуанином). Транскрипция осуществляется с помощью специального фермента — РНК-полимеразы, который связывает нуклеотиды путем образования 3'-5'-фосфодиэфирных мостиков. Такое связывание происходит лишь в присутствии ДНК-матрицы.
Продуктами транскрипции в клетке являются иРНК. Сама клеточная ДНК, являющаяся носителем генетической информации, не может непосредственно программировать синтез белка. Передачу генетической информации от ДНК к рибосомам осуществляет РНК-посредник. На этом основана центральная догма молекулярной биологии, которая выражается следующей схемой:
ДНК - (транскрипция) -и РНК - (трансляция) - белок
где стрелки показывают направление переноса генетической информации.
Реализация генетической информации у вирусов. Стратегия вирусного генома в отношении синтеза иРНК у разных вирусов различна. У ДНК-содержащих вирусов иРНК синтезируется на матрице одной из нитей ДНК. Формула переноса генетической информации у них такая же, как и в клетке.
ДНК-содержащие вирусы, репродукция которых происходит в ядре, используют для транскрипции клеточную полимеразу. К этим вирусам относятся паповавирусы, аденовирусы, вирусы герпеса. ДНК-содержащие вирусы, репродукция которых происходит в цитоплазме, не могут использовать клеточный фермент, находящийся в ядре. Транскрипция их генома осуществляется вирусспецифическим ферментом — ДНК-полимеразой, которая проникает в клетку в составе вируса. К этим вирусам относятся вирусы оспы и иридовирусы.
РНК-содержащие вирусы, у которых хранителем генетической информации является не ДНК, а РНК, решают эту проблему особым образом. У РНК-содержащих «плюс-нитевых» вирусов, у которых функции иРНК выполняет сам геном, передача генетической информации осуществляется по наиболее простой схеме:
К этой группе вирусов относятся пикорнавирусы, тогавирусы, коронавирусы. У них нет необходимости в акте транскрипции для синтеза вируспецифических белков. Поэтому транскрипцию как самостоятельный процесс у этих вирусов не выделяют. Иначе обстоит дело у вирусов, геном которых не может выполнять функцию иРНК. В клетке синтезируется комплементарная геному РНК, которая и является информационной. Передача генетической информации у этих вирусов осуществляется по схеме:
РНК- иPHK - белок
У этих вирусов транскрипция выделена как самостоятельный процесс в инфекционном цикле. К ним относятся две группы вирусов животных.
1.Вирусы, геном которых представлен однонитчатой РНК: ортомиксовирусы, парамиксовирусы, рабдовирусы, буньявирусы. Поскольку геномная РНК этих вирусов является «минус-нитью», указанную группу вирусов называют «минус-нитевыми» вирусами.
2. Вирусы, геном которых представлен двунитчатой РНК (диплорнавирусы). Среди вирусов животных к ним относятся реовирусы.
В клетке нет фермента, который может полимеризовать нуклеотиды на матрице РНК. Эту функцию выполняет вирусспецифический фермент — РНК-полимераза, или транскриптаза, которая находится в составе вирусов и вместе с ними проникает в клетку.
Среди РНК-содержащих вирусов животных есть семейство ретровирусов, которые имеют уникальный путь передачи генетической информации. РНК этих вирусов переписывается на ДНК, ДНК интегрирует с клеточным геномом и в его составе переписывается на РНК, которая обладает информационными функциями. Путь передачи генетической информации в-этом случае осуществляется по более сложной схеме:
РНК - ДНК - иРНК - белок
В составе этих вирусов есть уникальный вирусспецифический фермент, который переписывает РНК на ДНК. Этот процесс называется обратной транскрипцией, а фермент — обратная транскриптаза, или ревертаза. Тот же фермент синтезирует нить ДНК на матрице ДНК. Двунитчатая ДНК после замыкания в кольцо интегрирует с клеточным геномом, и транскрипцию интегрированной ДНК в составе клеточных геномов осуществляет клеточная РНК-полимераза. Поскольку иРНК ретровирусов гомологична геномной РНК (а не комплементарна ей), ретровирусы являются «плюс-нитевыми» вирусами.
Ферменты, транскрибирующие вирусный геном. Транскрипция ряда ДНК-содержащих вирусов — паповавирусов, аденовирусов, вирусов герпеса, парвовирусов, гепадна-вирусов осуществляется в ядре клетки, и в этом процессе широко используются механизмы клеточной транскрипции — ферменты транскрипции и дальнейшей модификации транскриптов. Транскрипция этих вирусов осуществляется клеточной РНК-полимеразой II — ферментом, который осуществляет транскрипцию клеточного генома. Однако особая группа транскриптов аденовируса синтезируется с помощью другого клеточного фермента — РНК-полимеразы III. У двух других семейств ДНК-содержащих вирусов животных - вирусов оспы и иридовирусов — транскрипция происходит в цитоплазме. Поскольку в цитоплазме нет клеточных полимераз, транскрипция этих вирусов нуждается в специальном вирусном ферменте — вирусной РНК-полимеразе. Этот фермент является структурным вирусным белком.
У РНК-содержащих вирусов транскрипция осуществляется вирусспецифическими транскриптазами, т. е. ферментами, закодированными в вирусном геноме. Вирусспецифические транскриптазы могут быть как структурными белками, входящими в состав вириона (эндогенная транскриптаза), так и неструктурными белками, которые синтезируются в зараженной клетке, но не включаются в вирион.
Транскрипция в зараженной клетке. Синтез комплементарных РНК на родительских матрицах с помощью родительской транскриптазы носит название первичной транскрипции в отличие от вторичной транскрипции, происходящей на более поздних стадиях инфекционного цикла на вновь синтезированных, дочерних матрицах, с помощью вновь синтезированной транскриптазы. Большая часть иРНК в зараженной клетке является продуктом вторичной транскрипции.
Транскриптивные комплексы. У сложно устроенных РНК-содержащих вирусов животных транскрипция происходит не на матрице голой РНК, а в составе вирусных нуклеокапсидов или сердцевин (транскриптивные комплексы). Связанные с геномом капсидные белки не только не препятствуют транскрипции, но и необходимы для нее, обеспечивая правильную конформацию тяжа РНК, защиту его от клеточных протеаз, связь отдельных фрагментов генома друг с другом, а также регуляцию транскрипции.
Регуляция транскрипции. Транскрипция вирусного генома строго регулируется на протяжении инфекционного цикла. Регуляция осуществляется как клеточными, так и вирусспецифическими механизмами. У некоторых вирусов, в основном ДНК-содержащих, существует три периода транскрипций — сверхранняя, ранняя и поздняя. К этим вирусам относятся вирусы оспы, герпеса, паповавирусы, аденовирусы. В результате сверхранней и ранней транскрипции избирательно считываются сверхранние и ранние гены с образованием сверхранних или ранних иРНК. При поздней транскрипции считывается другая часть вирусного генома — поздние гены, с образованием поздних иРНК. Количество поздних генов обычно превышает количество ранних генов. Многие сверхранние гены являются генами для неструктурных белков — ферментов и регуляторов транскрипции и репликации вирусного генома. Напротив, поздние гены обычно являются генами для структурных белков. Обычно при поздней транскрипции считывается весь геном, но с преобладанием транскрипции поздних генов.
Фактором регуляции транскрипции у ядерных вирусов является транспорт транскриптов из ядра в цитоплазму, к месту функционирования иРНК — полисомам.
Продуктом сверхранней транскрипции вирусов герпеса являются ά-белки. Функция одного или нескольких из них необходима для транскрипции следующей группы генов, кодирующих γ-белки. В свою очередь ά-белки включают транскрипцию последней группы поздних генов, кодирующих γ-белки. Такой тип регуляции получил название «каскадной».
У РНК-содержащих вирусов синтез транскриптов также строго контролируется в отношении как количества каждого класса транскриптов, так и периода инфекции, когда определенные транскрипты синтезируются с максимальной скоростью. На ранней стадии инфекции преимущественно синтезируются транскрипты двух генов вируса гриппа — NP и NS, на поздней стадии инфекции — транскрипты генов М, НА и NA. Остальные три гена для Р-белков синтезируются примерно с одинаковой скоростью на протяжении всего периода инфекции. У реовирусов на ранней стадии инфекции преимущественно транскрибируется 4 из 10 фрагментов генома и лишь на поздней стадии транскрибируется весь геном. Однако если поместить геном вируса в бесклеточную РНК-синтезирующую систему, будет происходить равномерная транскрипция всех 10 фрагментов генома. Эти факты говорят о жестком контроле транскрипции со стороны клетки-хозяина и возможном наличии специфических клеточных регуляторов.
У парамиксовирусов и рабдовирусов весь геном представляет собой одну транскрипционную единицу с единственным промотором (участок связывания транскриптазы и начала транскрипции) у З'-конца. Вдоль генома существует как бы градиент эффективности транскрипции. Ближайший к З'-концу ген (ген наиболее обильного белка NP) считывается наиболее часто. Напротив, ген для самого высокомолекулярного белка — транскриптазы,— содержащегося лишь в количестве нескольких молекул на вирион, находится на противоположном конце генома и транскрибируется значительно реже. Такая регуляция экспрессии генов путем порядка их расположения в геноме носит название «полярность». При этом способе регуляции количество молекул полипептидов определяется полярностью гена, т. е. расстоянием его от промотора.
ТРАНСЛЯЦИЯ
Синтез белка в клетке происходит в результате трансляции иРНК. Трансляцией называется процесс перевода генетической информации, содержащейся в иРНК, на специфическую последовательность аминокислот. Иными словами, в процессе трансляции осуществляется перевод 4-буквенного языка азотистых оснований на 20-буквенный язык аминокислот.
Транспортные РНК.Свою аминокислоту тРНК узнают по конфигурации ее боковой цепи, а специфический фермент аминоацил-синтетаза катализирует ассоциацию тРНК с аминокислотой. В клетке существует большое количество разнообразных видов тРНК. Поскольку для каждой аминокислоты должна быть своя тРНК, количество видов тРНК должно быть не меньше 20, однако в клетке их значительно больше. Это связано с тем, что для каждой аминокислоты существует не один, а несколько видов тРНК. Молекула тРНК представляет собой однонитчатую РНК со сложной структурой в виде кленового листа (рис. 18). Один ее конец связывается с аминокислотой (конец а), а противоположный — с нуклеоти-дами иРНК, которым они комплементарны (конец б). Три нуклеотида на иРНК кодируют одну аминокислоту и называются «триплет» или «кодон», комплементарные кодону три нуклеотида на конце тРНК называются «антикодон».
Рибосомы. Синтез белка в клетке осуществляется на рибосоме. Рибосома состоит из двух субъединиц, большой и малой, малая субъединица примерно в два раза меньше большой. Обе субъединицы содержат по одной молекуле рибосомальной РНК и ряд белков. Рибосомальные РНК синтезируются в ядре на матрице ДНК с помощью РНК-полимеразы. В малой рибосомальной субъединице есть канал, в котором находится информационная РНК. В большой рибосомальной субъединице есть две полости, захватывающие также малую рибосомальную субъединицу. Одна из них содержит аминоацильный центр (А-центр), другая — пептидильный центр (П-центр).
Фазы трансляции. Процесс трансляции состоит из трех фаз: 1) инициации, 2) элонгации и 3) терминации.
Инициация трансляции. Это наиболее ответственный этап в процессе трансляции, основанный на узнавании рибосомой иРНК и связывании с ее особыми участками. Рибосома узнает иРНК благодаря «шапочке» на 5'-конце и скользит к 3'-концу, пока не достигнет инициаторного кодона, с которого начинается трансляция. В эукариотической клетке инициаторным кодоном является кодон АУГ или ГУГ, копирующие метионин. С метионина начинается синтез всех полипептидных цепей.
Вначале с иРНК связывается малая рибосомальная субъединица. К комплексу иРНК с малой рибосомальной субъединицей присоединяются другие компоненты, необходимые для начала трансляции. Их по крайней мере три в прокариотической клетке и более девяти в эукариотической клетке. Инициаторные факторы определяют узнавание рибосомой специфических иРНК и, таким образом, являются определяющим фактором в дискриминации между различными иРНК, присутствующими в клетке, как правило, в избыточном количестве.
В результате формируется комплекс, необходимый для инициации трансляции, который называется инициаторным комплексом. В инициаторный комплекс входят: 1) иРНК; 2) малая рибосомальная субъединица; 3) аминоацил-тРНК, несущая инициаторную аминокислоту; 4) инициаторные факторы; 5) несколько молекул ГТФ.
В рибосоме осуществляется слияние потока информации с потоком аминокислот. Аминоацил-тРНК входит в А-центр большой рибосомальной субъединицы, и ее антикодон взаимодействует с кодоном иРНК, находящейся в малой рибосомальной субъединице. При продвижении иРНК на один кодон тРНК перебрасывается в пептидильный центр, и ее аминокислота присоединяется к инициаторной аминокислоте с образованием первой пептидной связи. Свободная от аминокислоты тРНК выходит из рибосомы и может опять функционировать в транспорте специфических аминокислот.
Элонгация трансляции. Это процесс удлинения, наращивания полипептидной цепи, основанный на присоединении новых аминокислот с помощью пептидной связи. Происходит постоянное протягивание нити иРНК через рибосому и. «декодирование» заложенной в ней генетической информации. иРНК функционирует на нескольких рибосомах, каждая из которых синтезирует одну и ту же полипептидную нить, кодируемую данной иРНК. Группа рибосом, работающих на одной молекуле иРНК, называется полирибосомой, или полисомой. Размер полисом значительно варьирует в зависимости от длины молекулы иРНК, а также от расстояния между рибосомами. Так, полисомы, которые синтезируют гемоглобин, состоят из 4—6 рибосом, высокомолекулярные белки синтезируются на полирибосомах, содержащих 20 и более рибосом.
Терминация трансляции. Терминация трансляции происходит в тот момент, когда рибосома доходит до терминирующего кодона в составе иРНК. Трансляция прекращается, и полипептидная цепь освобождается из полирибосомы. После окончания трансляции полирибосомы распадаются на субьединицы, которые могут войти в состав новых полирибосом.
Транскрипция вируса в клетке. Трансляция вирусов.
Размножение РНК вирусов. Транскрипция и трансляция РНК вирусов
Процесс размножения РНК-вирусов во многом отличается от только что рассмотренного нами процесса размножения ДНК-вирусов. Их геном представляет собой РНК, что является уникальным случаем среди генетических систем; эта РНК транскрибируется, транслируется и реплицируется совсем не так, как ДНК. Более того, механизмы этих процессов существенно различаются у РНК-вирусов разных групп.
По сравнению с большей частью ДНК-вирусов РНК-вирусы несут чрезвычайно ограниченное количество генетической информации и, следовательно, кодируют относительно немного ферментов; само собой разумеется, что им необходима по крайней мере одна РНК-зависимая РНК-полимераза. И наконец, для подавляющей части РНК-вирусов характерно то, что они созревают, почкуясь через цитоплазматические мембраны.
Прежде чем приступить к систематическому рассмотрению размножения РНК-вирусов, мы кратко остановимся на тех стадиях цикла, где между РНК- и ДНК-вирусами есть существенные различия.
Большая заслуга в формировании у вирусологов ясных представлений о разнообразных путях осуществления транскрипции, трансляции и репликации РНК-геномов у РНК-вирусов различных родов принадлежит Балтимору (1971b). Заметим, что выделенная из вируса РНК инфекционна лишь в тех случаях, когда а) геном не фрагментирован и б) в (Вирионе отсутствует транскриптаза. Последнее условие отражает полярность вирусной РНК.
Транскриптаза необходима лишь в том случае, когда вирусная РНК является «антиматрицей» и поэтому должна быть транскрибирована для образования комплементарной ей мРНК. Особый случай представляет собой обратная транскриптаза лейковирусов.
Чтобы упростить обсуждение, необходимо прежде всего объяснить терминологию, которой мы будем пользоваться для обозначения вирусных РНК различных видов. В этой книге для обозначения РНК, комплементарной РНК, входящей в состав вириона (вРНК), мы употребляем термин «кРНК» независимо от полярности вРНК. Иными словами, мРНК пикорнавирусов идентична вРНК (ее можно назвать вмРНК), тогда как мРНК рабдовирусов— это кРНК (или кмРНК).
Нам кажется, что с этой терминологией будет меньше путаницы, чем при использовании одной из двух альтернативных терминологий, с которыми читатель может столкнуться в литературе, а именно: а) традиционного обозначения вирионной РНК знаком «+», а комплементарной ей РНК знаком «—» или б) более позднего предложения Балтимора обозначать мРНК знаком «+», а комплементарную РНК знаком «—».
В обеих идеях есть логика, однако существование двух противоположных способов обозначения наводит на мысль о том, что мы не должны пользоваться ни одним из них; предлагаемая нами терминология однозначно определяет природу обсуждаемой РНК,.
Альтернативные механизмы, посредством котооых генетическая информация, закодированная в вРНК, может реализоваться в процессе трансляции, состоят в следующем:
1. Одноцепочечную молекулу вирусной РНК (вРНК) пикорнавирусов и тогавирусов можно рассматривать как гигантскую матричную молекулу (мРНК), которая содержит значащую генетическую информацию («имеющую смысл») и непосредственно транслируется рибосомами с образованием белка. Синтезирующийся в результате гигантский полипептид последовательно расщепляется ферментами на более короткие полипептиды.
2. Вместе с тем одноцепочечная молекула РНК парамиксовирусов и рабдовирусов является «антиматрицей». В данном случае в результате транскрипции должна сначала образоваться РНК с комплементарной нуклеотидной последовательностью (кРНК), и лишь она узнается молекулами тРНК и рибосомами как мРНК и может транслироваться с образованием белков.
Кодируемая вирусом РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза), находящаяся в спиральном рибонуклеопротеидном (РНП) нуклеокапсиде вирусов этих родов, катализирует синтез кРНК in situ во внутриклеточном рибонуклеопротеиде. По крайней мере часть синтезируемых транскриптов имеет длину полного генома; вопрос о способе образования более коротких молекул еще не решен. Во всяком случае, в результате ли прямой транскрипции или посредством расщепления молекул кРНК полной длины появляются короткие молекулы моноцистронных кРНК.
К 3-концу каждой из таких молекул добавляется поли (А), после чего она независимо транслируется с образованием отдельного полипептида.
3. Семь (или более) независимых одноцепочечных молекул РНК ортомиксовирусов также представляют собой «антиматрицы». Каждая из них транскрибируется при помощи находящейся в вирионе транскриптазы с образованием моноцистронной матрицы кРНК.
4. Одноцепочечная РНК лейковирусов транскрибируется находящейся в вирионе РНК-зависимой ДНК-полимеразой (обратной транскриптазой) с образованием гибрида РНК/ДНК, который является матрицей для синтеза двухцепочечной ДНК Образующаяся вирус-специфическая ДНК может встраиваться в клеточную ДНК, что приводит к состоянию скрытого носительства или к трансформации клеток. Она может также служить матрицей для образования одмоцепочечных мРКК и вРНК, которые идентичны по смыслу, но различаются по размеру.
5. Десять двухцепочечных молекул РНК реовирусов и орбивирусов транскрибируются с образованием десяти одноцепочечных молекул мРНК в присутствии транскриптазы, находящейся в сердцевине вириона. Действительно, вирионы, раздетые до стадии сердцевины, могут в течение длительного времени образовывать мРНК как in vivo, так и in vitro. Каждая молекула мРНК после добавления к ее З'-концу поли (А) транслируется на рибосомах с образованием какого-либо определенного белка.
В отличие от бактериальных систем в белоксинтезирующем аппарате клеток животных инициация трансляции отдельных цистронов в нескольких точках полицистронпой мРНК, по-видимому, невозможна, и задача образования ряда отдельных белков на одной-единственной матрице разрешалась у РНК-вирусов в процессе эволюции весьма различными способами.
Взаимодействие вируса с клеткой. Репродукция (размножение) вирусов
По строению различают 2 типа вирусных частиц: простые и сложные.
Внутренняя структура простых и сложных вирусов сходна.
Сердцевина вируса - вирусная нуклеиновая кислота вирусный геном. Вирусный геном может быть представлен одной из 4 молекул РНК или ДНК: однонитчатыми и двунитчатыми РНК и ДНК. Большинство вирусов имеют один цельный или фрагментированный геном, имеюший линейную или замкнутую форму. Однонитчатые геномы могут иметь 2 полярности: 1) позитивную, когда вирионная нуклеиновая кислота одновременно служит и матрицей для синтеза новых геномов и выполняет роль и-РНК; 2) негативную, выполняющую только функцию матрицы. Геном вирусов содержит от 3 до 100 и более генов, которые делятся на структурные, кодирующие синтез белков, входящих в состав вириона, и регуляторные, которые изменяют метаболизм клетки хозяина и регулируют скорость размножения вирусов.
Ферменты вирусов также закодированы в геноме. К ним относятся: РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза), которая обнаружена у всех РНК-содержащих вирусов с негативной полярностью. Поксвирусы содержат ДНК-зависимую РНК-полимеразу. Ретровирусы имеют уникальный фермент - РНК-зависимую ДНК-полимеразу, называемую обратной транскриптазой. В геноме некоторых вирусов имеются гены, кодирующие РНК-азы, эндонуклеазы, проте-инкииазы.
Снаружи нуклеиновая кислота покрыта белковым чехлом - капсидом, образуя комплекс - нуклеокапсид (в химическом смысле - нуклеопротеид). Кап-сид состоит из отдельных белковых субъединиц - капсомеров, которые представляют уложенную определённым образом полипептидную цепь, создающую симметричную конструкцию. Если капсомеры укладываются по спирали, такой тип укладки капсида носит название спиральной симметрии. Если капсомеры укладываются по граням многогранника (12-20-гранника), такой тип укладки капсида носит название икосаэдрической симметрии
Капсид представлен a-спиральными белками, способными к полимеризации, которые выполняют защиту генома от различных воздействий, выполняют рецепторную функцию у этой группы вирусов, обладают антигенными свойствами.
Сложные вирусы имеют внешнюю оболочку - суперкапсид, расположенную поверх капсида. В состав суперкапсида входят внутренний белковый слой - М-белок, затем более объёмный слой липидов и углеводов, извлечённых из клеточных мембран клетки-хозяина. Вирусспецифические гликопротеиды проникают внутрь суперкапсида, образуя снаружи фигурные выпячивания, которые выполняют рецепторную функцию. Вирусы существуют в трёх формах:
1) вирион (вирусная частица) - внеклеточная форма;
2) внутриклеточный (вегетативный) вирус;
3) интегрированный с ДНК хозяина вирус (провирус).
Взаимодействие вируса с клеткой. Репродукция (размножение) вирусов
Вирусы - облигатные внутриклеточные паразиты, способные размножаться только в живой клетке. В отличие от прокариотических и эукариотических микроорганизмов вирусы не размножаются бинарным делением. Размножение вирусов происходит путём репродукции (англ, "reproduce" - воспроизво-аить, делать копию), то есть воспроизведение их нуклеиновых кислот и белков z последующей сборкой вирионов. Синтез нуклеиновых кислот и белков вируса происходит в разных частях клетки (ядре и цитоплазме). Такой способ репродукции получил название дизъюнктивного (разобщённого).
Процесс репродукции вирусов условно можно разделить на 2 фазы. Первая фаза включает 3 стадии: 1) адсорбцию вируса на чувствительных клетках; 2) проникновение вируса в клетку; 3) депротеинизацию вируса. Вторая фаза включает стадии реализации вирусного генома: 1) транскрипцию, 2) трансляцию, 3) репликацию, 4) сборку, созревание вирусных частиц и 5) выход вируса из клетки.
Взаимодействие вируса с клеткой начинается с процесса адсорбции, т. е. с прикрепления вируса к поверхности клетки.
Адсорбция представляет собой специфическое связывание вирионного белка (антирецептора) с комплементарной структурой клеточной поверхности - клеточным рецептором. По химической природе рецепторы, на которых фиксируются вирусы, относятся к двум группам: мукопротеидным и липопротеидным. Вирусы гриппа, парагриппа, аденовирусы фиксируются на мукопротеидных рецепторах. Энтеровирусы, вирусы герпеса, арбовирусы адсорбируются на липопротеидных рецепторах клетки. Адсорбция происходит лишь при наличии определённых электролитов, в частности ионов Са2+, которые нейтрализуют избыточные анионные заряды вируса и клеточной поверхности и уменьшают электростатическое отталкивание Адсорбция вирусов мало зависит от температуры Начальные процессы адсорбции носят неспецифический характер, являются результатом электростатического взаимодействия положительно и отрицательно заряженных структур на поверхности вируса и клетки, а затем наступает специфическое взаимодействие прикрепительного белка вириона со специфическими группировками на плазматической мембране клетки. Простые вирусы человека и животных содержат прикрепительные белки в составе капсида. У сложно организованных вирусов прикрепительные белки входят в состав супер-капсида. Они могут иметь форму нитей (фибры у аденовирусов), либо шипов, грибоподобных структур у миксо-, ретро-, рабдо- и других вирусов. Вначале происходит единичная связь вириона с рецептором - такое прикрепление непрочное - адсорбция носит обратимый характер. Чтобы наступила необратимая адсорбция, должы появиться множественные связи между рецептором вируса и рецептором клетки, т. е. стабильное мультивалентное прикрепление. Количество специфических рецепторов на поверхности одной клетки составляет 10 4 -10 5 . Рецепторы для некоторых вирусов, например, для арбовирусов. содержатся на клетках как позвоночных, так и беспозвоночных, для других вирусов только на клетках одного или нескольких видов.
Проникновение вирусов человека и животных в клетку происходит двумя путями: 1) виропексисом (пиноцитозом); 2) слиянием вирусной суперкапсидной оболочки е клеточной мембраной. Бактериофаги имеют свой механизм проникновения, так называемый шприцевои, когда в результате сокращения белкового отростка фага нуклеиновая кислота как бы впрыскивается в клетку.
Депротеинизация вируса освобождение геиома вируса от вирусных защитных оболочек происходит либо с помощью вирусных ферментов, либо с помощью клеточных ферментов. Конечными продуктами депротеинизации являются нуклеиновые кислоты или нуклеиновые кислоты, связанные с внутренним вирусным белком. Затем имеет место вторая фаза вирусной репродукции, ведущая к синтезу вирусных компонентов.
Транскрипция - переписывание информации с ДНК или РНК вируса на и-РНК по законам генетического кода.
Трансляция - процесс перевода генетической информации, содержащейся в и-РНК, на специфическую последовательность аминокислот.
Репликация - процесс синтеза молекул нуклеиновых кислот, гомологичных вирусному геному.
Реализация генетической информации у ДНК-содержащих вирусов идёт так же, как и в клетках:
ДНК транскрипция и-РНК трансляция белок
У РНК-содержащих вирусов с негативным геномом (вирусы гриппа, пара-гриппа и др.) формула реализации генома следующая:
-РНК транскрипция и-РНК трансляция белок
У вирусов с позитивным РНК-геномом (тогавирусы, пикорнавирусы) транскрипция отсутствует:
У ретровирусов - уникальный путь передачи генетической информации:
ДНК интегрируется с геномом клетки-хозяина (провирус).
После наработки клеткой вирусных компонентов наступает последняя стадия вирусной репродукции сборка вирусных частиц и выход вирионов из клетки. Выход вирионов из клетки осуществляется двумя путями: 1) путём «взрыва» клетки, в результате чего клетка разрушается. Этот путь присущ простым вирусам (пикорна-, рео-, папова- и аденовирусам), 2) выход из клеток путём почкования. Присущ вирусам, содержащим суперкапсид. При этом способе клетка сразу не погибает, может дать многократное вирусное потомство, пока не истощатся её ресурсы.
Читайте также: