Характеристика и основные особенности фитовирусов, энтеровирусов, бактериофагов и бактериоцинов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Фитовирусы

Фитовирусы широко распространены в природе. В разных регионах Земли они поражают самые разнообразные виды растений: дикорастущие и возделываемые, одно- и многолетние, овощные и плодовые культуры, травянистые, кустарники и деревья. Больше всего фитопатогенных вирусов выделено из цветковых растений, из папоротников и голосеменных Ї в редких (единичных) случаях. Размножаясь, фитопатогенные вирусы вызывают закукливание, цветовую пестролистность, мозаику, скручивание, бугристость и другие деформации листьев; локальный и диффузный их некроз; обезображивание плодов; задержку роста растений.

Окончательная таксономия фитопатогенных вирусов далека от завершения, что во многом связано с трудностью их выращивания in vitro в протопластах клеток растений и однослойных культурах клеток насекомых-переносчиков, в которых не происходит полный цикл их развития.

Лучше всего изучены вирусы экономически важных культур. Среди них выделяют две группы фитопатогенных вирусов: обычные классифицированные вирусы и вироиды (греч.? eides, подобные), или вирусоподобные агенты.Подавляющее большинство классифицированных вирусов растений Ї РНК-вирусы семейств рабдо- и реовирусов. Исключение составляют изометрические вирусы (50 нм) мозаики цветной капусты и мозаики георгины, содержащие обычную двухцепочечную ДНК и дефектные сателлиты вируса некроза табака и кольцевой пятнистости табака с неполноценным геномом. Репликация и созревание, которых происходят только в присутствии родительского вируса-помощника.

Группа РНК-вирусов с полноценным геномом насчитывает около сотни видов. Большинство из них вирионы с одноцепочечной линейной цельной РНК. По морфологии их подразделяют на три подгруппы: а) бациллярные (около 10 видов), отличающиеся таким же поперечником, как и у рабдовируса желтой карликовости картофеля, имеющего размеры 380 х 75 нм; б) палочковидные (более 30 видов), поперечник которых не превышает 18 нм, а длина варьирует от 300 нм, как у вируса табачной мозаики (ВТМ) и близких ему вирусов зеленой крапчатости мозаики огурца, кольцевой пятнистой орхидеи, мозаики подорожника и гороха, до 1250 нм, как у вирусов желтой свеклы и пятнистого некроза гвоздики; в) изометрические (более 30 видов), в диаметре не превышающие 30 нм, типичными представителями которых являются вирусы мозаики костра, крапчатости коровьего гороха, мозаики огурца, некротической кольцевой пятнистости сливы, кольцевой пятнистости табака, желтухи ячменя, кустистой карликовости томата, желтой мозаики турнепса.

К вирусам с двухцепочечной сегментированной РНК относят вирус раневой опухоли, геном которого состоит из 11 фрагментов, сходные с ним вирусы карликовости кукурузы и риса, сахарного тростника островов Фиджи и измельченности початков кукурузы.

Классификация вирусов растений не поднялась пока выше создания родов. Кроме вирусов растений, вошедших в семейство Reoviridae (роды Phytoreovirus и Fijivirus), и рабдовирусов растений, насчитывается свыше 20 групп (родов) вирусов, поражающих высшие растения. Отличительной особенностью многих вирусов растений является разобщенный геном, фрагменты которого находятся в различных вирионах. Для репликации таких вирусов необходимо, чтобы в клетке присутствовали вирионы, несущие в сумме полный набор генома.

Фитовирусы, содержащие геномные РНК: Carlavirus Ї группа вируса латентной мозаики гвоздики, Comovirus Ї группа вируса мозаики коровьего гороха, Cucumovirus Ї группа вируса огуречной мозаики, Nepovirus Ї группа вируса кольцевой пятнистости табака, Potexvirus Ї группа ХВК (вирус Х картофеля). Tobamovirus Ї группа вируса табачной мозаики, Tobravirus Ї группа вируса погремковости табака, Tombusvirus Ї группа вируса кустистой карликовости томатов, Tymovirus Ї группа вирусов желтой мозаики турнепса, Closterovirus Ї группа вируса желтухи свеклы, Hordeivirus Ї группа вируса штриховатой мозаики ячменя, Luteovirus Ї группа вируса желтой карликовости ячменя, Ilarvirus Ї группа изометрических лабильных вирусов концевых пятнистостей.

Фитовирусы, содержащие ДНК: Caulimovirus - группа вируса мозаики цветной капусты.

Основные фитовирусы:

Гемивириды: 1-2 молекулы одноцепочечнойДНК, форма 2 неполных икосаэдра, 18 на 20 нм, 22 общих капсомера. Поражает двудольные и однодольные растения (кукуруза, фасоль, молочай, маниока, томаты, табак). Тип предст вирус полосатости кукурузы: в результате медленного персистирующего размножения клетки теряют способность к синтезу хлорофилла и возникает хлоратическая исчерченность листьев. Распростр цикадками. Белокрылками.

Фикодновириды: кольц 2-х цепоч ДНК, капсид сферический диаметр 50 нм. Группа вирусов мозаики цветной капусты (хлоритическое пожелтение жилок, скручивание листьев, задержка роста и гибель).

Потивириды: 1 цеп РНК, нитевидный капсид спирального типа симметрии. Х-вирус картофеля 600 и 10 нм, крапчатая мозаичность листьев. Распростр путем механического контакта. У-вирус 900 и 15-20 нм, боле широкий спектр хозяев: кукуруза, турнепс, арбуз, морковь, просо. Вызывает полосчатый некроз жилок вдоль листа, распространяется тлями.

Тобановириды: 1 цеп. РНК, палочковидной формы, 300 и 30-40 нм. Вирус табачной мозаики, хозяева: табак, свекла, картофель, нарциссы. Передача через семена, механическим путем.

Томбусвириды: 1 цеп нитев ДНК, спиралтный тип симметр, 30 нм, хозяева многие покрытосем раст. Вирус кустистой карликовости томатов, передача механическим путем.

Комовидиды: 2-х фрагмент 1 цеп +нить РНК, кубич тип симметрии, 30 и 30 нм. Пораж картофель, бобы, клевер. Вирус мозаики коровьего гороха, предача - тли.

Бромовидиды: 3-х фрагмент нить РНК, куич тип симметр, 25 нм, вирусы группы мозаики костра: малина, виноград, томаты. Передача: механический контакт, тли.

Фитореовирусы: 10-ти фрагмент 2-х цеп РНК, куб тип симетр, шаровид формы до 70 нм. Возд раневых опухолей клевера, вирус карликовости риса. Перенос цикадки, тли.

Фиторабдовирусы: 1 цепоч -нить РНК, спиральн тип симмтр. Пулевидн форма, 400 и 100 нм. Тли и цикадки - биолог переносчики. Вирус способен размножаться и накапливаться в их организме. Вирус некротической желтухи латука, карликовости картофеля. Поражает табак, картофель, томаты, георгины.

Фитотоговирусы: 1 цеп +нить РНК, куб тип симметр, 30 нм, в составе вириона нет липидов. Вирус хлоорачитеской карликовости кукурузы. Передача цикадки.

2. Энтеровирусы

Семейство пикорнавирусов (pico - маленький, RNA - РНК) включает в себя наиболее просто организованные вирусы, многие из которых патогенны для человека. Они относятся к четырем родам (Enterovirus, Rinovirus, Cardiovirus, Aphtovirus), имеющим ряд общих признаков: мелкие размеры (около 28 нм), положительный РНК-содержащий геном, который функционирует в качестве иРНК и обладает инфекционными свойствами, отсутствием внешней оболочки, кубическим типом симметрии капсида и сходными механизмами репродукции. В основе дифференциации родов лежат антигенные различия, неодинаковая чувствительность к низким значениям рН, разная патогенность для человека и некоторые другие признаки. Энтеровирусы вызывают у людей нейроинфекции и заболевания различных органов и тканей. Кардиовирусы и афтовирусы патогенны преимущественно для животных. К афтовирусам относится вирус ящура. Патогенными для человека являются вирусы полиомиелита, Коксаки группы А и В, ECHO, энтеровирусы серотипов 68-72 и вирус гепатита А. Полагают, что энтеровирусы весьма интенсивно эволюционируют, о чем свидетельствует формирование новых типов возбудителей с необычной локализацией в организме. Например, энтеровирус серотипа 70 поражает конъюнктиву глаза, вызывая острый геморрагический конъюнктивит. Все энтеровирусы близки между собой по своей структуре, химическому составу, резистентности к физическим и химическим факторам и другим свойствам. Наиболее изученным из них является вирус полиомиелита.

Энтеровирусная инфекция.

Энтеровирусы человека входят в семью Picornaviridae, которая насчитывает более 70 представителей: 3 серотипа полиовируса, 29 серотипов вирусов Коксаки, 32 серотипа вирусов ECHO и 4 энтеровирусы 68-71-го серотипов. Сюда отнесены также и вирус гепатита А, который часто называют энтеровирусом 72-го серотипа. Для лабораторной диагностики энтеровирусных инфекций используют вирусологические, серологические и экспресс-методы. В последнее время резко снизилась заболеваемость полиомиелитом и выросло количество полиомиелитоподибних заболеваний, которые вызывают вирусы Коксаки, ECHO. Итак, вирусологические исследования необходимо проводить одновременно на выявление всех энтеровирусов.

3. Бактериофаги

Бактериофаги или фамги (от др.-греч. ц?гщ -- «пожираю») -- вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают их лизис. Как правило, бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты (ДНК или, реже, РНК).

Роль бактериофагов в биосфере.

Бактериофаги представляют собой наиболее многочисленную, широко распространённую в биосфере и, предположительно, наиболее эволюционно древнюю группу вирусов. Приблизительный размер популяции фагов составляет более 1030 фаговых частиц.

В природных условиях фаги встречаются в тех местах, где есть чувствительные к ним бактерии. Чем богаче тот или иной субстрат (почва, выделения человека и животных, вода и т.д.) микроорганизмами, тем в большем количестве в нём встречаются соответствующие фаги. Так, фаги, лизирующие клетки всех видов почвенных микроорганизмов, находятся в почвах. Особенно богаты фагами чернозёмы и почвы, в которые вносились органические удобрения.

Бактериофаги выполняют важную роль в контроле численности микробных популяций, в автолизе стареющих клеток, в переносе бактериальных генов, выступая в качестве векторных «систем».

Действительно, бактериофаги представляют собой один из основных подвижных генетических элементов. Посредством трансдукцииони привносят в бактериальный геном новые гены. Было подсчитано, что за 1 секунду могут быть инфицированы 1024 бактерий. Это означает, что постоянный перенос генетического материала распределяется между бактериями, обитающими в сходных условиях.

Высокий уровень специализации, долгосрочное существование, способность быстро репродуцироваться в соответствующем хозяине способствует их сохранению в динамичном балансе среди широкого разнообразия видов бактерий в любой природной экосистеме. Когда подходящий хозяин отсутствует, многие фаги могут сохранять способность к инфицированию на протяжении десятилетий, если не будут уничтожены экстремальными веществами либо условиями внешней среды.

Бактериофаги различаются по химической структуре, типу нуклеиновой кислоты, морфологии и характеру взаимодействия с бактериями. По размеру бактериальные вирусы в сотни и тысячи раз меньше микробных клеток.

Типичная фаговая частица (вирион) состоит из головки и хвоста. Длина хвоста обычно в 2--4 раза больше диаметра головки. В головке содержится генетический материал -- одноцепочечная или двуцепочечная РНК или ДНК с ферментомтранскриптазой в неактивном состоянии, окружённая белковой или липопротеиновой оболочкой -- капсидом, сохраняющим геном вне клетки.

Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид. Бактериофаги могут иметь икосаэдральный капсид, собранный из множества копий одного или двух специфичных белков. Обычно углы состоят из пентамеров белка, а опора каждой стороны из гексамеров того же или сходного белка. Более того, фаги по форме могут быть сферические, лимоновидные или плеоморфные. Хвост, или отросток, представляет собой белковую трубку -- продолжение белковой оболочки головки, в основании хвоста имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для инъекции генетического материала. Существуют также бактериофаги с коротким отростком, не имеющие отростка и нитевидные.

Головка округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45--140 нм. Отросток толщиной 10--40 и длиной 100--200 нм. Одни из бактериофагов округлы, другие нитевидны, размером 8x800 нм. Длина нити нуклеиновой кислоты во много раз превышает размер головки, в которой находится в скрученном состоянии, и достигает 60--70 мкм. Отросток имеет вид полой трубки, окружённой чехлом, содержащим сократительные белки, подобные мышечным. У ряда вирусов чехол способен сокращаться, обнажая часть стержня. На конце отростка у многих бактериофагов имеется базальная пластинка, от которой отходят тонкие длинные нити, способствующие прикреплению фага к бактерии. Общее количество белка в частице фага -- 50--60 %, нуклеиновых кислот -- 40--50 %.

Фаги, как и все вирусы, являются абсолютными внутриклеточными паразитами. Хотя они переносят всю информацию для запуска собственной репродукции в соответствующем хозяине, у них отсутствуют механизмы для выработки энергии и рибосомы для синтеза белка. У некоторых фагов в геноме содержится несколько тысяч оснований, тогда как фаг G, самый крупный из секвенированных фагов, содержит 480 000 пар оснований -- вдвое больше среднего значения для бактерий, хотя всё же недостаточного количества генов для такого важнейшего бактериального органоида, как рибосомы.

Систематика бактериофагов.

Большое количество выделенных и изученных бактериофагов определяет необходимость их систематизации. Классификация вирусов бактерий претерпевала изменения: основывалась на характеристике хозяина вируса, учитывались серологические, морфологические свойства, а затем строение и физико-химический состав вириона.

В настоящее время согласно Международной классификации и номенклатуре вирусов бактериофаги в зависимости от типа нуклеиновой кислоты разделяют на ДНК- и РНК-содержащие.

По морфологическим характеристикам ДНК-содержащие фаги выделены в следующие семейства: Myoviridae, Siphoviridae, Podoviridae, Lipothrixviridae, Plasmaviridae, Corticoviridae, Fuselloviridae, Tectiviridae, Microviridae, Inoviridae Plectovirus и Inoviridae Inovirus.

РНК-содержащие: Cystoviridae, Leviviridae.

Взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками.

По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные фаги. Вирулентные фаги могут только увеличиваться в количестве посредством литического цикла. Процесс взаимодействия вирулентного бактериофага с клеткой складывается из нескольких стадий: адсорбции бактериофага на клетке, проникновения в клетку, биосинтеза компонентов фага и их сборки, выхода бактериофагов из клетки.

Первоначально бактериофаги прикрепляются к фагоспецифическим рецепторам на поверхности бактериальной клетки. Хвост фага с помощью ферментов, находящихся на его конце (в основном лизоцима), локально растворяет оболочку клетки, сокращается и содержащаяся в головке ДНК инъецируется в клетку, при этом белковая оболочка бактериофага остаётся снаружи. Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние иРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полуконсервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз. После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс -- созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц.

Продолжительность этого процесса может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Затем происходит лизис клетки, и освобождаются новые зрелые бактериофаги. Иногда фаг инициирует лизирующий цикл, что приводит к лизису клетки и освобождению новых фагов. В качестве альтернативы фаг может инициировать лизогенный цикл, при котором он вместо репликации обратимо взаимодействует с генетической системой клетки-хозяина, интегрируясь в хромосому или сохраняясь в виде плазмиды. Таким образом, вирусный геном реплицируется синхронно с ДНК хозяина и делением клетки, а подобное состояние фага называется профагом. Бактерия, содержащая профаг, становится лизогенной до тех пор, пока при определённых условиях или спонтанно профаг не будет стимулирован на осуществление лизирующего цикла репликации. Переход от лизогении к лизису называется лизогенной индукцией или индукцией профага. На индукцию фага оказывает сильное воздействие состояние клетки хозяина предшествующее индукции, также как наличие питательных веществ и другие условия, имеющие место в момент индукции. Скудные условия для роста способствуют лизогенному пути, тогда как хорошие условия способствуют лизирующей реакции.

Очень важным свойством бактериофагов является их специфичность: бактериофаги лизируют культуры определённого вида, более того, существуют так называемые типовые бактериофаги, лизирующие варианты внутри вида, хотя встречаются поливалентные бактериофаги, которые паразитируют в бактериях разных видов.

Жизненный цикл.

Умеренные и вирулентные бактериофаги на начальных этапах взаимодействия с бактериальной клеткой имеют одинаковый цикл.

· Адсорбция бактериофага на фагоспецифических рецепторах клетки.

· Инъекция фаговой нуклеиновой кислоты в клетку хозяина.

· Совместная репликация фаговой и бактериальной нуклеиновой кислоты.

· Деление клетки.

· Далее бактериофаг может развиваться по двум моделям: лизогенный либо литический путь.

Умеренные бактериофаги после деления клетки находятся в состоянии профага (Лизогенный путь).

Вирулентные бактериофаги развиваются по Литической модели:

· Нуклеиновая кислота фага направляет синтез ферментов фага, используя для этого белоксинтезирующий аппарат бактерии. Фаг тем или иным способом инактивирует ДНК и РНК хозяина, а ферменты фага совсем расщепляют её; РНК фага «подчиняет» себе клеточный аппарат синтеза белка.

· Нуклеиновая кислота фага реплицируется и направляет синтез новых белков оболочки. Образуются новые частицы фага в результате спонтанной самосборки белковой оболочки (капсид) вокруг фаговой нуклеиновой кислоты; под контролем РНК фага синтезируется лизоцим.

· Лизис клетки: клетка лопается под воздействием лизоцима; высвобождается около 200--1000 новых фагов; фаги инфицируют другие бактерии.

Векторы на основе фага лямбда: принципы конструирования.

В основе конструирования фаговых векторов лежит несколько принципов. В середине молекулы лямбда-ДНК длиной около 45 т.п.о. расположен участок хромосомы (около 15 т.п.о.), который не является необходимым для литического развития бактериофага. Поэтому его можно заменить на любой фрагмент ДНК аналогичного размера и осуществить клонирование фрагмента путем размножения рекомбинантного бактериофага.

Механизм упаковки хромосомной ДНК в фаговые частицы основан на включении ДНК строго определенного размера, поэтому рекомбинантные ДНК, содержащие фрагменты клонируемой ДНК, не соответствующие оптимальному размеру, не упаковываются и не клонируются. Это позволяет легко освобождаться от фаговых частиц, не содержащих вставки клонируемой ДНК, и оптимизировать процесс клонирования путем снижения в упаковочных экстрактах доли нежизнеспособных фаговых частиц. Процесс упаковки фаговой ДНК в зрелые фаговые частицы осуществляется в смеси бесклеточных экстрактов двух штаммов E. coli, лизогенных по дефектным бактериофагам лямбда. В одном штамме амбер-мутацией инактивирован один из белков фагового капсида (продукт гена E), а в другом - ген A , продукт которого необходим для включения фаговой ДНК в головку бактериофага. Имеются и другие пары лизогенных штаммов E. coli, позволяющие производить упаковку ДНК в фаговые частицы с использованием тех же общих принципов. Объединение бесклеточных лизатов обоих штаммов E. coli приводит к взаимной комплементации недостающих функций с помощью соответствующих белков дикого типа. Таким образом, в объединенных экстрактах имеются все компоненты, необходимые для сборки зрелых инфекционных фаговых частиц, в них происходит упаковка рекомбинантной ДНК с эффективностью образования 104-105 фаговых частиц на 1 мкг упаковываемой ДНК.

Помимо вышеупомянутых мутаций ДНК лямбда-лизогенов содержат температурно-чувствительную мутацию в репрессоре, который инактивируется после переноса лизогенных клеток E. coli на непермиссивную температуру (42o), что сопровождается индукцией профага лямбда и накоплением внутри бактериальных клеток белковых продуктов, необходимых для упаковки ДНК. ДНК профагов также содержит делецию b2, элиминирующую сайт, необходимый для интеграции фаговой ДНК в бактериальную хромосому. Это предотвращает выход ДНК профага из бактериальной хромосомы, а, следовательно, и ее упаковку.

Кроме того, в хромосоме профага имеется мутация, инактивирующая ген S , кодирующий лизоцим, что препятствует преждевременному лизису бактериальных клеток после индукции профага и позволяет сконцентрировать бактериальные клетки перед получением упаковочных экстрактов. И, наконец, бактериальные лизогенные клетки содержат мутацию recA , которая предотвращает гомологичную рекомбинацию между ДНК профага и рекомбинантными ДНК, упаковываемыми в фаговые частицы.

4. Бактериоцины

фитовирус генетический хромосомный бактериоцин

Бактериоцины -- вещества белковой природы, продуцируемые бактериями многих видов, угнетающие развитие родственных микроорганизмов. От других антибиотиков. Бактериоцины отличаются узким диапазоном действия. В настоящее время известно более 20 видов бактериоцинов, и перечень их продолжает пополняться. Свойство продуцировать ингибиторные вещества присуще большинству видов бактерий. Б. именуются по видовому названию микроба-продуцента: пестицины -- у чумного микроба, вибриоцины -- у холерного вибриона, стафилококкцины -- у стафилококков, туберкулоцины -- у туберкулезных микобактерий, мегацины -- у Вас. megaterium, колицины -- у энтеробактерий.

Синтез бактериоцинов контролируется генетическими элементами, относящимися к классу эписом -- бактериоциногенными факторами. Способность синтезировать бактериоцины может быть передана бактериям того же или близкородственного вида при совместном культивировании путем конъюгации. Бактерии, продуцирующие Б., составляют небольшую часть популяции; остальные сохраняют эту способность потенциально в неограниченном числе поколений. Активировать бактериоциногенную популяцию можно воздействием ультрафиолетовыми лучами и другими индуцирующими факторами (некоторые красители и др.). Микробная клетка, синтезирующая бактериоцины, погибает в большинстве случаев без лизиса, наблюдаемого при воздействии бактериофага. За счет гибели части популяции микробов и подавления развития других бактерий, нуждающихся в тех же питательных субстратах, обеспечивается преимущественное развитие бактериоциногенных популяций в среде их естественного обитания.

Большинство бактериоцинов выделяются в среду, в которой культивируется микроб, и могут быть накоплены в значительных количествах. На плотной среде наличие Б. определяется по характерным зонам задержки роста чувствительных бактерий -- индикаторных штаммов. Величина зоны показывает активность Б. и скорость его диффузии в агар.

Накопленные в жидкой среде бактериоцины после отделения от микробной массы центрифугированием и обработки хлороформом для стерилизации могут быть использованы в качестве антибактериальных препаратов ограниченного спектра действия. У условно патогенных или патогенных микробов бактериоциногенность может быть дополнительным фактором патогенности.

Отсутствие роста индикаторной культуры (темная зона) вокруг макроколонии бактерий, продуцирующих бактериоцины.

Размещено на Allbest.ru