Vīruss

Genoms

Vīrusu genomu daudzveidība
Īpašums	Parametri
Nukleīnskābe	RNS DNS Gan RNS, gan DNS (dažādos dzīves cikla posmos).
Forma	Lineārais Apļveida Segmentēts
Strandedness	Viendzīslas Dubultās virtenes Dubultšķiedru ar vienšķiedru apgabaliem
Sense	Pozitīvā jēga (+) Negatīvā jēga (-) Ambisense (+/-)

Vīrusos ir daudz genoma struktūru. Kā grupai tiem ir lielāka strukturālā genomu daudzveidība nekā augiem, dzīvniekiem, arhejām vai baktērijām. Ir miljoniem dažādu vīrusu tipu, bet tikai aptuveni 5000 no tiem ir detalizēti aprakstīti. ⁴⁹

Vīrusam ir RNS vai DNS gēni, un to sauc attiecīgi par RNS vai DNS vīrusu. Lielākajai daļai vīrusu ir RNS genomi. Augu vīrusiem parasti ir vienšķiedru RNS genomi, bet bakteriofāgiem - divšķiedru DNS genomi. ^96/99

Vīrusa replikācijas cikls: 1-pievienošanās, 2-piefiltrēšanās, 3-apvalināšana, 4-sintēze (4a-transkripcija, 4b-translācija, 4c-genoma replikācija), 5-samontāža, 6-atbrīvošana.

Replikācijas cikls

Vīrusu populācijas neaug šūnu dalīšanās procesā, jo tām nav šūnu. Tā vietā tās izmanto saimnieka šūnas mehānismu un metabolismu, lai radītu daudzas savas kopijas, un tās montējas (saliekas kopā) šūnā.

Vīrusu dzīves cikls dažādās sugās ir ļoti atšķirīgs, taču vīrusu dzīves ciklā ir seši galvenie posmi:^75/91

• Piestiprināšanās ir specifiska vīrusa kapsīdas proteīnu saistīšanās ar īpašiem receptoriem uz saimnieka šūnas virsmas.
• Pēc piestiprināšanas seko iekļūšana: Vīrusi (atsevišķas vīrusa daļiņas) iekļūst saimnieka šūnā, izmantojot receptoru mediētu endocitozi vai membrānas saplūšanu. To bieži sauc par vīrusa iekļūšanu.
  Augu un sēnīšu šūnu inficēšanās atšķiras no dzīvnieku šūnu inficēšanās. Augiem ir stingra šūnas sieniņa no celulozes, bet sēnēm - no hitīna. Tas nozīmē, ka lielākā daļa vīrusu šūnās var iekļūt tikai ar spēku. ⁷⁰ Piemērs: vīruss ceļo ar kukaiņu pārnēsātāju, kas barojas ar augu sulām. Šūnu sieniņu bojājumi ļautu vīrusam iekļūt iekšā.
  Baktērijām, tāpat kā augiem, ir spēcīgas šūnu sieniņas, kurām vīrusam ir jāizlaužas cauri, lai inficētu šūnu. Tomēr baktēriju šūnu sieniņas ir daudz plānākas nekā augu šūnu sieniņas, un dažiem vīrusiem ir mehānismi, kas ievada savu genomu baktērijas šūnā pāri šūnas sieniņai, bet vīrusa kapsīda paliek ārpus tās. ⁷¹
• Pārklājuma noņemšana ir process, kurā tiek noņemta vīrusa kapsīda: Tas var notikt, vīrusu enzīmu vai saimnieka enzīmu iedarbībā vai vienkārši disociējot; galarezultāts ir vīrusa nukleīnskābes atbrīvošanās.
• Vīrusu replikācija ietver genoma pavairošanu. Tam parasti ir nepieciešama vīrusu vēstnešu RNS (mRNS) ražošana no "agrīnajiem" gēniem. Sarežģītiem vīrusiem ar lielākiem genomiem tam var sekot viens vai vairāki turpmāki mRNS sintēzes cikli: "vēlo" gēnu ekspresija ir strukturālo vai viriona proteīnu ekspresija.
• Pēc vīrusa daļiņu strukturālās pašsaliktības bieži vien notiek proteīnu modifikācija. Vīrusiem, piemēram, HIV, šī modifikācija (dažkārt saukta par nobriešanu) notiek pēc tam, kad vīruss ir atbrīvojies no saimnieka šūnas.
• Vīrusus var atbrīvot no saimnieka šūnas, veicot līzi - procesu, kurā šūna iet bojā, pārraujot tās membrānu un šūnas sieniņu. Tā ir raksturīga daudziem baktēriju un dažu dzīvnieku vīrusiem.
  Dažos vīrusos vīrusa genoms, izmantojot ģenētisko rekombināciju
  , tiek ievietots noteiktā vietā saimnieka hromosomā. Vīrusa genomu tad sauc par "provirusu" vai bakteriofāgu gadījumā - par "profāgu". ⁶⁰
  Ikreiz, kad saimnieks dalās, replicējas arī vīrusa genoms. Vīrusa genoms saimniekorganismā lielākoties ir kluss; tomēr kādā brīdī provīruss vai profāgs var radīt aktīvu vīrusu, kas var izārdīt saimnieka šūnas. ^{15. nodaļa}
  Apvalka vīrusi (piemēram, HIV) parasti atbrīvojas no saimnieka šūnas pēc tam, kad vīruss iegūst savu apvalku. Apvalks ir pārveidots saimnieka plazmas membrānas gabals. ^185/7

Ģenētiskais materiāls un replikācija

Ģenētiskais materiāls vīrusa daļiņās un metode, ar kādu šis materiāls tiek replicēts, ievērojami atšķiras starp dažādiem vīrusu tipiem.

RNS vīrusi

Replikācija parasti notiek citoplazmā. RNS vīrusus var iedalīt četrās dažādās grupās atkarībā no to replikācijas veida. Visi RNS vīrusi izmanto savus RNS replikāzes enzīmus, lai izveidotu savu genomu kopijas. ⁷⁹

DNS vīrusi

Vairuma DNS vīrusu genoma replikācija notiek šūnas kodolā. Lielākā daļa DNS vīrusu ir pilnībā atkarīgi no saimnieka šūnas DNS un RNS sintēzes un RNS apstrādes mehānismiem. Vīrusi ar lielākiem genomiem var paši kodēt lielu daļu no šiem mehānismiem. Eikariontos vīrusa genomam ir jāpārvar šūnas kodola membrāna, lai piekļūtu šim mehānismam, bet baktērijās tam ir tikai jāiekļūst šūnā. ⁵⁴⁷⁸

Vīrusu apgrieztā transkribēšana

Reversās transkribēšanas vīrusi ar RNS genomu (retrovīrusi) replikācijai izmanto DNS starpposmu. Tie, kam ir DNS genomi (pararetrovīrusi), genoma replikācijas laikā izmanto RNS starpposmu. Tie ir jutīgi pret pretvīrusu zālēm, kas inhibē enzīmu reverso transkriptāzi. Pirmā tipa piemērs ir HIV, kas ir retrovīruss. Otrā tipa piemēri ir Hepadnaviridae dzimtas vīrusi, kas ietver B hepatīta vīrusu. ^88/9

Šajā viltus krāsu transmisijas elektronu mikroattēlā attēlotas gripas vīrusa daļiņas jeb "viriona" ultrastrukturālās detaļas. Gripas vīruss ir vienšķiedru RNS organisms.

Saimnieka aizsardzības mehānismi

Iedzimtā imūnsistēma

Organisma pirmā aizsardzības līnija pret vīrusiem ir iedzimtā imūnsistēma. Tajā ir šūnas un citi mehānismi, kas aizsargā saimnieku no jebkuras infekcijas. Iedzimtas sistēmas šūnas atpazīst patogēnus un reaģē uz tiem vispārīgā veidā.

RNS interference ir svarīga iedzimta aizsardzība pret vīrusiem. Daudzu vīrusu replikācijas stratēģijā ir izmantota divdzīslu RNS (dsRNS). Kad šāds vīruss inficē šūnu, tas atbrīvo savu RNS molekulu. Pie tās pielīp olbaltumvielu komplekss, ko sauc par dicer, un sagriež RNS gabaliņos. Tad sākas bioķīmisks ceļš, ko sauc par RISC kompleksu. Tas uzbrūk vīrusa mRNS, un šūna izdzīvo infekciju.

Rotavīrusi no tā izvairās, pilnībā neatbrīvojoties no apvalka šūnā un atbrīvojot jaunizveidoto mRNS caur porām daļiņas iekšējā kapsīdā. Genomiskā dsRNS paliek aizsargāta viriona kodolā.

Interferona ražošana ir svarīgs saimnieka aizsardzības mehānisms. Tas ir hormons, ko organisms ražo vīrusu klātbūtnes gadījumā. Tā loma imunitātē ir sarežģīta; galu galā tas aptur vīrusu vairošanos, nogalinot inficēto šūnu un tās tuvos kaimiņus.

Adaptīvā imūnsistēma

Krustkaulniekiem ir otra, specifiskāka imūnsistēma. To sauc par adaptīvo imūnsistēmu. Kad tā saskaras ar vīrusu, tā ražo specifiskas antivielas, kas saistās ar vīrusu un padara to neinfekciozu. Svarīgi ir divu veidu antivielas.

Pirmais no tiem, ko sauc par IgM, ir ļoti efektīvs vīrusu neitralizēšanā, bet imūnsistēmas šūnas to ražo tikai dažas nedēļas. Otrais, ko sauc par IgG, tiek ražots neierobežotu laiku. IgM klātbūtni saimnieka asinīs izmanto, lai pārbaudītu akūtu infekciju, savukārt IgG norāda uz infekciju, kas notikusi kādreiz pagātnē. IgG antivielas mēra, veicot imunitātes testus.

Vēl viena mugurkaulnieku aizsardzība pret vīrusiem ir šūnu mediētā imunitāte. Tā ietver imūnšūnas, ko sauc par T-šūnām. Ķermeņa šūnas uz šūnas virsmas pastāvīgi izvieto īsus savu olbaltumvielu fragmentus, un, ja T šūna tur atpazīst aizdomīgu vīrusa fragmentu, T šūnas nogalinātājas iznīcina saimnieka šūnu, un vīrusam specifiskās T šūnas vairojas. Tādas šūnas kā makrofāgi ir antigēna prezentācijas speciālisti.

Izvairīšanās no imūnsistēmas

Ne visas vīrusu infekcijas izraisa aizsargreakciju. Šie noturīgie vīrusi izvairās no imūnsistēmas kontroles, veicot sekvestrāciju (slēpšanos), bloķējot antigēna prezentāciju, veidojot rezistenci pret citokīniem, izvairoties no dabisko nāvējošo šūnu aktivitātes, izvairoties no apoptozes (šūnu nāves) un antigēnu maiņas (mainot virsmas olbaltumvielas). HIV izvairās no imūnsistēmas, pastāvīgi mainot viriona virsmas olbaltumvielu aminoskābju secību. Citi vīrusi, ko sauc par neirotropiskiem vīrusiem, pārvietojas pa nerviem uz vietām, kuras imūnsistēma nevar sasniegt.

Divi rotavīrusi: labajā pusē redzamais ir pārklāts ar antivielām, kas neļauj tam pieķerties šūnām un inficēt tās.

Evolūcija

Vīrusi nepieder nevienai no sešām valstībām. Tie neatbilst visām prasībām, lai tos klasificētu kā dzīvus organismus, jo tie nav aktīvi līdz inficēšanās brīdim. Tomēr tas ir tikai vārdisks punkts.

Acīmredzot to uzbūve un darbības veids nozīmē, ka tie ir attīstījušies no citām dzīvām būtnēm, un daudzu endoparazītu normālās uzbūves zudums ir vērojams. Vīrusu izcelsme dzīvības evolūcijas vēsturē ir neskaidra: daži no tiem, iespējams, ir attīstījušies no plazmīdēm - DNS gabaliņiem, kas var pārvietoties starp šūnām, bet citi, iespējams, ir attīstījušies no baktērijām. Evolūcijas gaitā vīrusi ir svarīgs horizontālās gēnu pārneses līdzeklis, kas palielina ģenētisko daudzveidību.

Nesenie atklājumi

Nesenā projektā, ņemot paraugus no vairāk nekā 200 bezmugurkaulnieku sugām, tika atklāti gandrīz 1500 jaunu RNS vīrusu. "Pētnieku komanda... ieguva to RNS un, izmantojot nākamās paaudzes sekvenēšanu, atšifrēja bezmugurkaulnieku RNS bibliotēkās esošo 6 triljonu burtu secību". Pētījums parādīja, ka vīrusi ar dažādu ģenētisko mehānismu palīdzību mainīja savas RNS bitus un gabaliņus. "Bezmugurkaulnieku viroms [piemīt] ievērojama genoma elastība, kas ietver biežu rekombināciju, laterālu gēnu pārnesi starp vīrusiem un saimniekiem, gēnu iegūšanu un zaudēšanu, kā arī sarežģītus genomu pārkārtojumus".

Lielākais vīruss

Lielu vīrusu grupa inficē amebas. Lielākais no tiem ir pithovirus. Pārējie pēc lieluma ir Pandoravīruss, tad Megavīruss, tad Mimivīruss. Tie ir lielāki par dažām baktērijām un ir redzami gaismas mikroskopā.

Izmanto

Vīrusus plaši izmanto šūnu bioloģijā. Ģenētiķi bieži izmanto vīrusus kā vektorus, lai ieviestu gēnus pētāmajās šūnās. Tas ir noderīgi, lai liktu šūnai ražot svešas vielas vai lai pētītu jauna gēna ieviešanas ietekmi uz genomu. Austrumeiropas zinātnieki jau kādu laiku izmanto fāgu terapiju kā alternatīvu antibiotikām, un interese par šo pieeju pieaug, jo dažām patogēnām baktērijām ir augsta rezistence pret antibiotikām.