Классификация и культивирование вирусов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основы классификации вирусов

таксономия вирус нуклеокапсид геном

Современная классификация (таксономия) вирусов, созданная Международным комитетом по таксономии вирусов (МКТВ), является Международной универсальной системой, единой для всех вирусов позвоночных, беспозвоночных, растений, грибов и бактерий.

Она основана на фундаментальных свойствах вирусов, главными из которых являются признаки, характеризующие нуклеиновую кислоту, стратегию вирусного генома, а также морфологию нуклеокапсида и наличие или отсутствие липопротеидной оболочки. Все вирусы независимо от круга естественных хозяев по фундаментальным признакам занимают в классификации следующие уровни (таксоны): порядок, семейство, подсемейство, род и вид. Однако, согласно правилам МКТВ, обязательными среди них считаются таксоны: семейство, род и вид.

Основой классификации является вид вируса. Большинство видов группируются в роды, а большинство родов -- в семейства. Виды, не отнесенные к роду, считаются не классифицированными внутри семейства. Роды, не отнесенные к семейству, считаются не классифицированными, или «свободными». Некоторые семейства группируются вместе в порядок. Подразделения на подсемейства проводятся только для решения сложных иерархических вопросов.

Ниже уровня вида существуют такие подразделения, как серотип, штамм, вариант, изолят. Их классификацией занимаются международные группы специалистов, которые принимают решение об отнесении того или иного изолята или группы изолятов в отдельный вид. Естественно возникающие изоляты, имеющие геном, рекомбинированный из штаммов разных видов, классифицируются как виды или подвидовые сущности. Искусственно созданные вирусы и вирусы-мутанты не включены в Международную классификацию.

Вироиды могут классифицироваться по тем же правилам, которые относятся и к вирусам.

Сателлиты, т. е. вирусы, реплицирующиеся только в присутствии вируса-помощника, и прионы не классифицируются как вирусы. Они имеют свою условную классификацию, удобную для специалистов, работающих с ними.

Характеристика таксономических уровней. Под видом понимают политетический класс вирусов, составляющих реплицирующую линию и занимающих определенную экологическую нишу. Это означает, что члены вида имеют общее происхождение (предшественника), ряд общих признаков, среди которых нет единого определяющего, что объясняет их вариабельность внутри вида и схожую биотическую среду обитания. В основе формирования вида лежат следующие критерии: феномены генетических взаимодействий; антигенные свойства; спектр естественных хозяев; клеточный тропизм; патогенность и цитопатология; пути передачи.

Род объединяет группу видов вирусов, имеющих определенные общие признаки. К ним относятся: морфология вирионов (в том числе размер, тип симметрии и число капсомеров); наличие липопротеидной оболочки; физико-химические свойства (в том числе чувствительность к растворителям, pH среды, температуре и т. д.).

Семейство объединяет группу родов, имеющих ряд наиболее постоянных общих признаков. К ним относятся: тип нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) и ее структура (количество цепей и их форма); стратегия вирусного генома (в том числе полярность и возможность обратной транскрипции для некоторых вирусов).

Современная классификация позволила объединить все известные вирусы (имеющие таксономический статус) в три порядка, объединяющих семейства вирусов по сходной организации генома и единой стратегии репликации, 56 семейств, 9 подсемейств, 233 рода и 1550 видов. Вирусы позвоночных входят в 28 семейств, из которых 10 ДНК-содержащие и 18 -- РНК-содержащие, и в два «свободных» рода. Некоторые из этих семейств имеют в своем составе также вирусы беспозвоночных и растений.

Исходя из того, что классификация не является раз и навсегда установленной, а предполагает периодическое внесение изменений и дополнений, то помимо ранее уже выделенных семейств вирусов позвоночных (Gepadnoviridae, Flaviviridae и Bimaviridae) в последние годы появились новые: Arteriviridae, Asfaviridae, Bornaviridae, Polyomaviridae, Papillomaviridae и два «свободных» рода: Deltavirus и «Hepatitis Е-like viruses».

Некоторые вирусы обладают уникальной способностью преодолевать филогенетические барьеры и размножаться как в позвоночных, так и в беспозвоночных хозяевах (клещи, комары, москиты). Для этих вирусов членистоногие являются и естественными хозяевами, и переносчиками вирусов между позвоночными. Они составляют группу арбовирусов (вирусы позвоночных, передающихся членистоногими).

Номенклатура вирусов. При создании названия вирусов используют специальные правила номенклатуры (от лат. nomina наименование), сформулированные МКТВ. Так, название вида должно состоять из минимального количества слов, но не ограничиваться только словом «вирус» и названием вида хозяина. Обычно используют название болезни (вирус бешенства), а также места, где был выделен вирус (вирус болезни Тешена), или фамилию автора, описавшего инфекцию (вирус болезни Ауэски). В названиях допускаются цифры, сокращения, буквы и их сочетания.

Название рода, подсемейства, семейства и порядка обозначается одним латинизированным словом и имеет окончание: для рода -- «virus», подсемейства -- «virinae», семейства -- «viridae», порядка -- «virales». Для названия вироидов формальным окончанием в названии вида является слово «viroid», рода -- окончание «viroid», подсемейства -- «viroinae», семейства -- «viroidae».

Особенности вирусов, отличающие их от всех других живых существ:

наличие только одного типа нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК, в то время как клетки всех остальных живых существ содержат ДНК и РНК, взаимодействие которых необходимо для биосинтеза белков;

отсутствие собственных белоксинтезирующих систем и клеточного строения;

внутриклеточный паразитизм на молекулярном (генетическом) уровне;

убиквитарность (распространенны повсеместно);

имеют микроскопические размеры.

Внеклеточная форма вируса - вирион и вирус, находящийся внутри клетки хозяина - это две разные формы вируса.

Вирионы разных вирусов имеют размеры от 15 до 400 нанометров. Нанометр - это 10^-9 метра. Наиболее мелкие вирусы - вирусы полиомиелита - имеют вирион размером 17-25 им, средние - вирус гриппа - 80-120 нм, крупные - вирус оспы - 300-400 им.

В центре вириона располагается его геном. Это нуклеиновая кислота - ДНК или РНК (однонитевая или двунитевая). Плюс-однонитевая РНК несет две функции: наследственную и информационную, например, у вируса полиомиелита. Минус-однонитевая РНК, как, например, у вируса гриппа, несет только наследственную функцию, и только в процессе репродукции вируса к ней достраивается плюс-нить и РНК.

Вокруг нуклеиновой кислоты симметрично располагаются белковые молекулы - капсомеры, составляющие капсид (лат. capsa - коробка). Различают спиральный тип симметрии, когда капсомеры уложены по всей длине молекулы нуклеиновой кислоты, и кубический, когда капсомеры располагаются в виде двадцатигранника (икосаэдра).

Вирионы, содержащие только нуклеиновую кислоту и белок, составляют нуклеокапсид. Это простые вирусы, например, ВТМ, вирус полиомиелита.

У вирионов сложноорганизованных вирусов имеется еще поверхностная оболочка - суперкапсид, содержащий, кроме белков, также углеводы, липиды, компоненты клетки хозяина. Строение вириона лежит в основе классификации вирусов. По типу нуклеиновой кислоты их делят на: рибовирусы и дезоксири-бовирусы, далее по структуре вирионов, по месту размножения и по другим признакам проводится деление на семейства и роды.

Вследствие малых размеров вирусы не видны в световом микроскопе. Только наиболее крупный из них - вирус оспы - можно наблюдать в виде мелких точечных образований - элементарных телец Пашена.

Размножаясь в чувствительных клетках организма, вирусы оспы, бешенства, гриппа образуют в них внутриклеточные включения. Их можно обнаружить в световом или в люминесцентном микроскопе. Обнаружение внутриклеточных включений используется для диагностики. Например, включения Бабеша-Негри в нервных клетках обнаруживаются при бешенстве.

Морфологию вирионов изучают в электронном микроскопе. Вирусы имеют разные формы: сферическую, нитевидную, палочковидную.

Типы взаимодействия вируса с клеткой. Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой: продуктивный, абортивный и интегративный.

Продуктивный тип -- завершается образованием нового поколения вирионов и гибелью (лизисом) зараженных клеток (цитолитическая форма). Некоторые вирусы выходят из клеток, не разрушая их (нецитолитическая форма). Абортивный тип -- не завершается образованием новых вирионов, поскольку инфекционный процесс в клетке прерывается на одном из этапов. Интегративный тип, или вирогения -- характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и их совместным сосуществованием (совместная репликация).

Репродукция вирусов осуществляется в несколько стадий, последовательно сменяющих друг друга: адсорбция вируса на клетке; проникновение вируса в клетку; «раздевание» вируса; биосинтез вирусных компонентов в клетке; формирование вирусов; выход вирусов из клетки.

Адсорбция. Взаимодействие вируса с клеткой начинается с процесса адсорбции, т. е. прикрепления вирусов к поверхности клетки. Это высокоспецифический процесс. Вирус адсорбируется на определенных участках клеточной мембраны -- так называемых рецепторах. Клеточные рецепторы могут иметь разную химическую природу, представляя собой белки, углеводные компоненты белков и липидов, липиды. Число специфических рецепторов на поверхности одной клетки колеблется от 104 до 105. Следовательно, на клетке могут адсорбироваться десятки и даже сотни вирусных частиц. Проникновение в клетку. Существует два способа проникновения вирусов животных в клетку: виропексис и слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной. При виропексисе после адсорбции вирусов происходят инвагинация (впячивание) участка клеточной мембраны и образование внутриклеточной вакуоли, которая содержит вирусную частицу. Вакуоль с вирусом может транспортироваться в любом направлении в разные участки цитоплазмы или ядро клетки. Процесс слияния осуществляется одним из поверхностных вирусных белков капсидной или суперкапсидной оболочки. По-видимому, оба механизма проникновения вируса в клетку не исключают, а дополняют друг друга. «Раздевание». Процесс «раздевания» заключается в удалении защитных вирусных оболочек и освобождении внутреннего компонента вируса, способного вызвать инфекционный процесс. «Раздевание» вирусов происходит постепенно, в несколько этапов, в определенных участках цитоплазмы или ядра клетки, для чего клетка использует набор специальных ферментов. В случае проникновения вируса путем слияния вирусной оболочки с клеточной мембраной процесс проникновения вируса в клетку сочетается с первым этапом его «раздевания». Конечными продуктами «раздевания» являются сердцевина, нуклеокапсид или нуклеиновая кислота вируса. Биосинтез компонентов вируса. Проникшая в клетку вирусная нуклеиновая кислота несет генетическую информацию, которая успешно конкурирует с генетической информацией клетки. Она дезорганизует работу клеточных систем, подавляет собственный метаболизм клетки и заставляет ее синтезировать новые вирусные белки и нуклеиновые кислоты, идущие на построение вирусного потомства. Реализация генетической информации вируса осуществляется в соответствии с процессами транскрипции, трансляции и репликации. Формирование (сборка) вирусов. Синтезированные вирусные нуклеиновые кислоты и белки обладают способностью специфически «узнавать» друг друга и при достаточной их концентрации самопроизвольно соединяются в результате гидрофобных, солевых и водородных связей. Существуют следующие общие принципы сборки вирусов, имеющих разную структуру:

1. Формирование вирусов является многоступенчатым процессом с образованием промежуточных форм;

2. Сборка просто устроенных вирусов заключается во взаимодействии молекул вирусных нуклеиновых кислот с капсидными белками и образовании нуклеокапсидов (например, вирусы полиомиелита). У сложно устроенных вирусов сначала формируются нуклеокапсиды, с которыми взаимодействуют белки суперкапсидных оболочек (например, вирусы гриппа);

3. Формирование вирусов происходит не во внутриклеточной жидкости, а на ядерных или цитоплазматических мембранах клетки;

4. Сложно организованные вирусы в процессе формирования включают в свой состав компоненты клетки-хозяина (липиды, углеводы).

Выход вирусов из клетки. Различают два основных типа выхода вирусного потомства из клетки. Первый тип -- взрывной -- характеризуется одновременным выходом большого количества вирусов. При этом клетка быстро погибает. Такой способ выхода характерен для вирусов, не имеющих суперкапсидной оболочки. Второй тип -- почкование. Он присущ вирусам, имеющим суперкапсидную оболочку. На заключительном этапе сборки нуклеокапсиды сложно устроенных вирусов фиксируются на клеточной плазматической мембране, модифицированной вирусными белками, и постепенно выпячивают ее. В результате выпячивания образуется «почка», содержащая нуклеокапсид. Затем «почка» отделяется от клетки. Таким образом, внешняя оболочка этих вирусов формируется в процессе их выхода из клетки. При таком механизме клетка может продолжительное время продуцировать вирус, сохраняя в той или иной мере свои основные функции.

Время, необходимое для осуществления полного цикла репродукции вирусов, варьирует от 5--6 ч (вирусы гриппа, натуральной оспы и др.) до нескольких суток (вирусы кори, аденовирусы и др.). Образовавшиеся вирусы способны инфицировать новые клетки и проходить в них указанный выше цикл репродукции.

2. Культивирование вирусов

Основные методы культивирования вирусов:

1) биологический - заражение лабораторных животных. При заражении вирусом животное заболевает. Если болезнь не развивается, то патологические изменения можно обнаружить при вскрытии. У животных наблюдаются иммунологические сдвиги. Однако далеко не все вирусы можно культивировать в организме животных;

2) культивирование вирусов в развивающихся куриных эмбрионах. Куриные эмбрионы выращивают в инкубаторе 7--10 дней, а затем используют для культивирования. В этой модели все типы зачатков тканей подвержены заражению. Но не все вирусы могут размножаться и развиваться в куриных эмбрионах.

В результате заражения могут происходить и появляться:

1) гибель эмбриона;

2) дефекты развития: на поверхности оболочек появляются образования - бляшки, представляющие собой скопления погибших клеток, содержащих вирионы;

3) накопление вирусов в аллантоисной жидкости (обнаруживают путем титрования);

4) размножение в культуре ткани (это основной метод культивирования вирусов).

Различают следующие типы культур тканей:

1) перевиваемые - культуры опухолевых клеток; обладают большой митотической активностью;

2) первично трипсинизированные - подвергшиеся первичной обработке трипсином; эта обработка нарушает межклеточные связи, в результате чего выделяются отдельные клетки. Источником являются любые органы и ткани, чаще всего - эмбриональные (обладают высокой митотической активностью).

Для поддержания клеток культуры ткани используют специальные среды. Это жидкие питательные среды сложного состава, содержащие аминокислоты, углеводы, факторы роста, источники белка, антибиотики и индикаторы для оценки развития клеток культуры ткани.

О репродукции вирусов в культуре ткани судят по их цитопатическому действию, которое носит разный характер в зависимости от вида вируса.

Основные проявления цитопатического действия вирусов:

1) размножение вируса может сопровождаться гибелью клеток или морфологическими изменениями в них;

2) некоторые вирусы вызывают слияние клеток и образование многоядерного синцития;

3) клетки могут расти, но делиться, в результате чего образуются гигантские клетки;

4) в клетках появляются включения (ядерные, цитоплазматические, смешанные). Включения могут окрашиваться в розовый цвет (эозинофильные включения) или в голубой (базофильные включения);

5) если в культуре ткани размножаются вирусы, имеющие гемагглютинины, то в процессе размножения клетка приобретает способность адсорбировать эритроциты (гемадсорбция).

Размещено на Allbest.ru