Молекулярные основы патогенности вирусов

ВНИМАНИЕ! САЙТ ЛЕКЦИИ.ОРГ проводит недельный опрос. ПРИМИТЕ УЧАСТИЕ. ВСЕГО 1 МИНУТА.

Вирусный инфекционный процесс

Вирусный инфекционный процесс (вирусная инфекция) – это процесс взаимодействия вирусов с макроорганизмом в конкретных условиях окружающей и социальной среды. Вирусный инфекционный процесс варьирует от бессимптомной персистенции вирусов до клинически манифестных вариантов вирусных заболеваний, которые являются его крайними формами проявления. Развитие того или иного типа инфекционного процесса определяется биологическими свойствами вирусов, их инфицирующей дозой и состоянием макроорганизма. Факторы окружающей и социальной среды влияют на распространенность инфекционного вирусного процесса в популяции людей или других живых существ.

Факторы патогенности вирусов.

Вирусы абсолютно патогенны, поскольку не способны размножаться вне живой клетки. Непатогенных вирусов нет. Патогенность вирусов – это потенциальная их способность вызывать инфекционный процесс. Патогенность вирусов генетически детерминирована. Патогенность даже гомологичных вирусов для разных типов клеток различна, что определяется в вирусной популяции удельным весом вирусов-мутантов, проявляющих больший или меньший тропизм к той или иной клеточной культуре. Фенотипическим проявлением патогенности вирусов является вирулентность (инфекционность) – способность прикрепляться, проникать и размножаться в чувствительной клетке.

Факторами патогенности вирусов являются: адгезины, нуклеиновые кислоты, белки и ферменты.

Адгезины – это протеиновые, гликопротеиновые или гликолипопротеиновые структуры, расположенные на вирусном суперкапсиде или капсиде и выполняющие функцию рецепторов. Посредством адгезинов вирионы прикрепляются к чувствительным клеткам, имеющим гомологичный вирусному рецептору клеточный антирецептор. Вирионы, полностью лишенные адгезинов, неинфекционны. Клетка, не имеющая антирецепторов к адгезинам конкретного вируса, данным вирусом не инфицируется, что лежит в основе видового иммунитета. Аналогичная ситуация развивается при блокаде клеточных антирецепторов лекарственными веществами.

Нуклеиновые кислоты – основной фактор патогенности вирусов. Вирусные РНК и ДНК инфекционны – обладают способностью проникать в клетки и обеспечивать репродукцию вирусов. Вирусные геномы содержат гены, продукты которых обеспечивают переключение рибосом клетки-хозяина на синтез вирусных белков, прежде всего, ферментов, участвующих в репликации вирусной нуклеиновой кислоты. Блокада клеточного метаболизма сопровождается нарушением специфических функций клетки; развитием гипоксии и активации перекисного окисления липидов, которое ведет к дестабилизации клеточных мембран и к их разрушению. Вирусные РНК и ДНК являются индукторами продукции клеткой интерферона, молекулы которого фиксируются на клеточных цитоплазматических мембранах и являются активаторами натуральных киллеров, разрушающих инфицированные вирусами интерферонпродуцирующие клетки. Вирусные нуклеиновые кислоты при интеграции в ДНК клетки-хозяина способны вызывать либо мутации, ведущие к опухолевой трансформации клеток, либо персистенцию вирусов.

Вирусные белки могут вызывать интоксикацию организма как непосредственно, так и за счет стимуляции гиперпродукции макрофагами интерлейкина-1β (эндогенного пирогена) и фактора некроза опухолей-β (кахектина). Белки многих вирусов способны индуцировать клеточный апоптоз – программируемую гибель клетки. Встроенные в состав суперкапсидов в клеточные цитоплазматические мембраны, вирусные белки являются мишенью для Т-киллеров и антител, разрушающих вирусинфицированные клетки. Белки некоторых вирусов обладают канцерогенным и мутагенным действием. Вирусные белки обладают иммуносупрессивным действием.

Ферменты вирусов участвуют в проникновении в клетку и раздевании вирионов (нейраминидаза, протеазы), интеграции вирусного геном в геном клетки-хозяина; способны индуцировать апоптоз клеток путем расщепления клеточного рецептора bcl-2. Ферменты вирусов способны модифицировать (дефосфорилировать) клеточные гены роста и пролиферации, что ведет к их активации и развитию опухолевой трансформации клетки. Вирусные ферменты обладают антигистоновой активностью: они инактивируют белки-гистоны, которые принимают участие в структурно-функциональной организации хроматина клетки и являются регуляторами иммунитета.

Патогенные свойства вирусов складываются из следующих компонентов:

1.способности ви­руса проникать в организм и адсорбироваться на клеточных мембранах,

2.проникать в чувс­твительные к ним клетки;

3.способности этих клеток депротеинизировать вирусный геном и делать его функционально активным;

4.пермиссивности клеток или возможности этих клеток обеспечить транскрипцию и репликацию гене­тического материала, полноценную сборку вирионов;

5.возможности воспроизведения в клет­ках нескольких циклов репродукции вирусов, цитопатического действия вируса;

6.способнос­ти вирусов распространяться на новые клетки, расположенные рядом с пораженными; распро­странения вирусов за пределы первичного очага поражения по всему организму;

7.способности вызывать местные и общие патологические цроцессы, лежащие в основе клинических про­явлений вызываемых ими заболеваний;

8.спо­собности вйируса к переходу в новый организм и обеспечение его эстафетной передачи.

Все эти свойства необходимы, но в то же время сами по себе они могут быть недо­статочными для патогенного действия виру­са. Некоторые из этих свойств обусловлены клетками, в которых они размножаются, что получило название хозяйского ограничения клеткой.

Многие вирусы проникают в организм не­посредственно через слизистые оболочки, ко­торые служат входными воротами инфекции и защищены целым рядом неспецифических факторов резистентности, поэтому вирусы должны быть устойчивы к действию данных неблагоприятных факторов, что детермини­руется генами вирусов. Например, кишечные вирусы обычно устойчивы к кислым значени­ям рН, детергентному действию солей желч­ных кислот и к разрушающему их действию протеолитических ферментов.

Способность вирусов адсорбироваться на мембранах чувствительных к вирусам кле­ток является специфическим процессом для вирусов. Этот процесс протекает при учас­тии прикрепительных белков (антирецепторов) у вирусов и чувствительных к ним клеточ­ных рецепторов. Простые вирусы содержат прикрепительные белки в составе капсида, а сложноустроенные вирусы — в составе супер-капсида. Такие сложные вирусы, как вирус осповакцины и вирус простого герпеса, мо­гут иметь прикрепительные белки нескольких видов. Способность вирусов адаптироваться к новому хозяину обус­ловлена изменением первичной структуры в области участка прикрепительного белка, узнающего клеточный рецептор. Эти участки консервативны по своему строению и рас­положены в углублениях-каньонах, которые чрезвычайно малы по своим размерам, благо­даря чему недоступны для активных центров антител, реагирующих лишь с окружающими эти углубления гипервариабельными участка­ми, что позволяет вирусам избежать иммуно­логического пресса. Мутации в генах, коди­рующих антирецепторы, иногда приводят к полной потере способности вирусов взаимо­действовать с клеточными рецепторами.

В отличие от парамиксовирусов, у вирусов гриппа белком слияния является гемагглютинин, обуславливающий также адсорбцию вирусов к клетке. Однако функции прикреп­ления и слияния разделены между разными его участками большой (НА1) и малой (НА2) субъединицами соответственно. Важным фак­тором патогенности у вирусов гриппа является нейраминидаза, которая, удаляя остатки сиаловой кислоты с вирусного гемагглютинина, делает его доступным для протеолитического расщепления, необходимого для проявления инфекционности вирусов.

Очевидно, что сходный по функции с бел­ками слияния сложных вирусов белок сущес­твует в составе капсида простых вирусов, и один из поверхностно расположенных белков капсида вызывает дестабилизацию клеточной мембраны, что способствует проникновению модифицированного капсида из эндоцитарной вакуоли в цитоплазму.

Взаимодействие вируса и клетки — это всег­да взаимодействие вирусного и клеточного генома. В результате адсорбции вируса, его проникновения в клетку и раздевания проис­ходит освобождение генетического материала вирусов, который становится функционально активным, так как освобождается от внешних защитных оболочек, препятствующих его экспрессии. Степень активности генома обус­ловлена разной степенью депротеинизации у вирусов разных семейств. Депротеинизация

клетки приспособлен для трансляции только моноцистронных мРНК, так как он не рас­познает внутренних участков инициации в мРНК. В результате вирусы вынуждены син­тезировать либо отдельные мРНК для каждо­го гена, либо мРНК, включающие несколько генов и кодирующие большой полипротеин, который затем разрезается на индивидуаль­ные белки. Транскрипция вирусного генома строго регулируется на протяжении инфекци­онного процесса многочисленными вирусо-специфическими и клеточными факторами. Со степенью транскрипции нередко связан характер инфекции, ее тип (от продуктивной до абортивной инфекции).

Важную роль в регуляции процессов транс­крипции играют гены усилители и трансак­тиваторы. Они расположены в специальной области генома вирусов и содержат гены, усиливающие и активирующие экспрессию структурных генов. Усилители— это генети­ческие элементы, усиливающие транскрип­цию. Структура вирусных усилителей не от­личается от структуры клеточных. Факторы транскрипции, связывающиеся с промото­ром и усилителем, выполняют одну и ту же функцию и могут представлять собой как клеточные, так и вирусные белки. Усилители, контролирующие уровень экспрессии генов, обнаружены у паповавирусов, гепаднавиру-сов, герпесвирусов, ретровирусов и ряда дру­гих вирусов.

Белки трансактиваторыне обладают спе­цифичностью действия. Они связываются с регуляторными областями генов и одновре­менно активируют усиленную транскрипцию всех генов, в том числе и других вирусов, что сопровождается взрывной продукцией вирус­ных частиц, а также включают экспрессию бактериальных генов и клеточных онкогенов. Они действуют не только на стадии транс­крипции, но и на посттранскрипционном уровне. Взаимодействие вирусных и клеточ­ных трансактиваторов может приводить к пе­реходу латентной инфекции в литическую, а также к онкогенной трансформации зара­женных клеток. Как и усилители, трансакти­ваторы содержат две важные для их функции области. Одна из них определяет транспорт и связывание белка с мишенью, а другая пред-

Усилители и трансактиваторы являются не­обходимым атрибутом вирусов как генетичес­ких паразитов, конкурирующих с клеточным геномом. Неравные шансы небольших по раз­мерам вирусов на победу уравновешиваются возникшими в ходе эволюции генетическими элементами, позволяющими гораздо мень­шей по величине молекуле вирусного генома успешно завершить экспрессию своих генов и создать вирусное потомство. При этом вирусы широко используют механизмы клеточного происхождения, которые теперь обращены против клетки хозяина.

Важную роль в формировании патогенное -ти сложных вирусов, помимо посттрансляци­онной модификации вирусных белков,.играет синтез М-белка (матриксного белка), участву­ющего в сборке вирусной частицы. Включение М-белка в плазматическую мембрану являет­ся лимитирующим событием, определяющим возможность почкования вирусных частиц. Синтез М-белка жестко регулируется как ви-русоспецифическими, так и клеточными меха­низмами. Количество М-белка в зараженных клетках во многом определяет особенности репродукции вируса в данной клеточной сис­теме. Аберрантный синтез М-белка и его нару­шенный внутриклеточный транспорт служат одной из частых причин абортивных и персис-тентных вирусных инфекций. Экспрессия ге­на М значительно варьирует в клетках разного происхождения.

Патогенность вирусов обусловлена также их белковыми продуктами, блокирующими апоптоз клетки и изменяющими защитные реакции в макроорганизме, подавляя про­дукцию цитокинов, что способствует реп­родукции вирусов и их распространению по макроорганизму. Например, вирусы натуральной оспы образуют TNF-связывающий белок, белки, подавляющие созревание ан­тигенов МНС 1 класса и аналог рецепто­ров у-интерферона. Вирус иммунодефици­та человека, наоборот, усиливает продукцию цитокинов пораженными им клетками, что ведет к усилению воспалительной реакции и развитию нейротоксического действия. Как и другие микробы, вирусы, благодаря наличию внешней липидсодержащей оболочке, обра­зованной из мембраны клетки хозяина, ва­риабельности структуры поверхностных ан­тигенов, интеграции в геном клетки, гибели Т-лимфоцитов и т. д., обладают способностью уходить от воздействия иммунной системы макроорганизма.

Заражение восприимчивых клеток вовсе не означает, что в клетках неизбежно будет про­исходить размножение вируса, так как вос­приимчивость не идентична пермиссивнос-ти клеточной системы. Это одна из главных концепций в вирусологии. Многие стадии взаимодействия вируса с клеткой имеют не столько вирусоспецифическую, сколько опос­редованную клеткой природу (эндоцитоз, де-протеинизация, синтез вирусоспецифических белков и т.д.). Клетка принимает активное участие в формировании патогенных вирусов лишь в пермиссивной клеточной системе, со­держащей весь набор необходимых факторов, используемых вирусами на разных стадиях инфекционного процесса, а репликативный цикл завершается и приводит к образованию инфекционного потомства, что не будет про­исходить в полупермиссивных и непермис-сивных клеточных системах (хозяинная или хозяйская рестрикция).

Тканевой тропизм определяется не толь­ко наличием на клетках рецепторов, но и возможностью осуществления в клетках ви-русоспецифических синтезов. В зависимости от пермиссивности клеточной системы ин­фекция восприимчивых клеток может быть продуктивной, ограниченной и абортивной.Продуктивная инфекция происходит в пер-миссивных клетках и характеризуется полным циклом репродукции, который заканчивается формированием инфекционного потомства. Пермиссивность клеточной системы обуслав­ливает и многократную цикличность размно­жения в ней вирусов.

Абортивной называется инфекция, которая не завершается образованием инфекционных вирусных частиц или при которой они обра­зуются в гораздо меньшем количестве, чем при продуктивной инфекции. Абортивная инфекция может наступить в силу двух об­стоятельств. Во-первых, несмотря на вос­приимчивость к заражению, клетки могут оказаться непермиссивными, так как в них могут экспрессироватся не все, а лишь не­которые гены вирусов. В основе механизмов генетически обусловленной непермиссивнос-ти клеток лежит либо отсутствие клеточных факторов, необходимых для репродукции, ли­бо наличие факторов, нарушающих процессы репродукции вирусов. Во-вторых, абортив­ная инфекция может быть результатом зара­жения как пермиссивных, так и непермиссив-ных клеток дефектными вирусами,у которых отсутствует полный набор вирусных генов, необходимых для репродукции. Дефектные вирусы представляют собой крайнюю форму паразитизма, так как они используют генные продукты, образованные другими, часто не родственными им, не гомологичными ви­русами. Примером таких вирусов являются аденоассоциированные вирусы и вирус гепа­тита D, помощником которого служит вирус гепатита В. Абортивную инфекцию вызывают также дефектные интерферирующие вирусные

частицы,которые тоже лишены части генети­ческого материала. В отличие от дефектных вирусов, в ходе репликации они интерфери­руют с гомологичными инфекционными ви­русами, в связи с чем их назвали дефектными интерферирующими вирусными частицами (ДИ-частицами). Образование ДИ-частиц иг­рает важную роль в ослаблении летального действия полноценных вирусов в силу ин­терференции и предрасполагает некоторые клетки к формированию в них длительной персистентной инфекции.

Наконец, клетки могут быть только вре­менно пермиссивными, вследствие чего ви­рус либо сохраняется в клетках до момента, когда они становятся пермиссивными, либо в любой данный момент вирусное потомство образуется только в немногих клетках попу­ляции. Этот вид инфекции одними иссле­дователями был определен как рестриктив-ный (restrictive), другими — как ограниченный (restringent). В ряде случаев цитолитические вирусы могут только лишь изменять функ­циональную активность клеток, не вызывая их морфологических повреждений (изменять синтез гормонов, холестерина и т. д.), или вы­зывать опухолевую трансформацию клеток. Дополнительным следствием как ограничен­ной, так и абортивной инфекции является сохранение в клетке вирусного генома.

Если геном вируса реплицируется незави­симо от клеточного генома, такая инфекция называется автономной. Если вирусный ге­ном интегрирует в состав генома клетки и реплицируется вместе с ним, то такая инфек­ция называется интегративной (вирогения). Интегрировать может как полный геном, так и часть его. Например, при гепатите В воз­можна интеграция полного генома, при аде­новирусной или герпесвирусной инфекциях обычно интегрирует часть генома, при зара­жении онковирусами может интегрировать как полный геном, так и часть его. Вирусные последовательности, входящие в состав гено­ма клетки, называются провирусом или про-вирусной ДНК. Интеграционный тип инфек­ционного процесса возможен при заражении адено-, папиллома-, герпесвирусами, вирусом гепатита В и обязателен для ретровирусов, имеющих фермент — обратную транскриптазу. Возникшая интеграция может явиться причиной ряда хронических и автоиммунных заболеваний.

По исходу взаимодействия с клеткойин­фекция может быть

Вадим Израилевич Агол — член-корреспондент РАН и РАМН, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М. П. Чумакова, заведующий отделом Научно-исследовательского института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ. Область научных интересов — молекулярная биология и генетика вирусов.

Считается, что вирусы (от лат. virus — яд) — нечто противное, приносящее одни неприятности. Но это грубая ошибка. Вирусы — ключевые созидатели живой природы и двигатели ее эволюции.

Каковы главные защитные механизмы зараженной клетки? Это компоненты врожденного иммунитета: деградация РНК (вирусных, а также клеточных), угнетение синтеза белков (как вирусных, так и клеточных), самоликвидация (апоптоз и другие виды программируемой гибели) и, наконец, воспаление. Собственно, многие вирусы так и обнаружили свое существование — из-за вызываемого ими воспаления (энцефалита, воспаления легких и т. д.). Клетка борется с вирусом, нарушая собственные обмен веществ и / или структуру, и ее защитные механизмы, как правило, самоповреждающие. Можно сказать, что человек, умерший от полиомиелита (а умирает менее 1%), сам убил себя, борясь с инфекцией.

У растений в качестве противовирусного механизма очень важную роль играет РНК-интерференция. Из вирусной РНК образуется двуцепочечная (важный фактор, по которому клетка узнает о наличии вируса). При участии компонентов системы РНК-интерференции — фермента Dicer, который разрезает эту двуцепочечную РНК на фрагменты длиной 21–25 пар нуклеотидов, а затем РНК-белкового комплекса RISC — в конце концов образуются одноцепочечные короткие фрагменты РНК. Гибридизуясь с вирусной РНК, они вызывают либо ее деградацию, либо угнетение ее трансляции. Такой защитный механизм эффективен, но может повреждать саму клетку, что хорошо видно на примере вироидов. Это патогены растений, короткие (несколько сотен нуклеотидов) молекулы кольцевой одноцепочечной РНК, не покрытые белковой оболочкой. Вироиды не кодируют белки, но могут вызывать тяжелые симптомы в зараженном растении. Это происходит потому, что клетка защищается. Образующаяся вироидная двуцепочечная РНК подвергается действию всех компонентов системы РНК-интерференции, в результате образуются фрагменты одноцепочечной РНК, которые гибридизуются уже не с вирусной РНК, а с клеточной. Это приводит к ее деградации и развитию симптомов заболевания. Однако многие вирусы растений кодируют разнообразные белки, препятствующие РНК-интерференции (viral suppressors of RNA silencing — VSR). Они либо угнетают распознавание и расщепление вирусных РНК, либо подавляют формирование и функционирование комплекса RISC. Поэтому эти VSR-белки могут нарушать механизмы физиологически важной (не связанной с вирусами) РНК-интерференции, вызывая патологические симптомы.

Схема полипротеина (белка-предшественника) пикорнавирусов

Модель вируса полиомиелита. Фото: virology.wisc.edu

Модель менговируса (штамма вируса энцефаломиокардита). Фото: virology.wisc.edu

Эффект одновременного выключения клеточных защитных и вирусных противозащитных механизмов. Зараженные менговирусом дикого типа, клетки HeLa (а, незараженные) быстро гибнут от некроза (б, 4 ч после заражения). Клетки, зараженные частично разоруженным вирусом, у которого инактивирован лидерный белок, живут чуть дольше и гибнут уже от апоптоза (в, 8 ч после заражения). Когда же частично разоружены и вирус (инактивирован его лидерный белок), и клетки (у них выключен апоптоз добавлением химического соединения, которое угнетает каспазы), даже через вдвое больший промежуток времени клетки чувствуют себя значительно лучше, чем те, которые не были разоружены (г, д, 8 и 16 ч после заражения). Большинство клеток на панелях г и д морфологически больше похожи на клетки на панели а, чем на б и в. Сканирующая электронная микроскопия. Фото С. И. Галкиной

Однако длительная коэволюция хозяина и вируса должна приводить к снижению патогенности последнего (взаимовыгодному обоюдному разоружению). Классический пример — вирус миксомы / фибромы. В середине XIX в. в Австралию завезли европейских кроликов, которые быстро размножились и стали серьезной угрозой для сельского хозяйства. Через 100 лет для контроля их популяции стали использовать патогенный вирус фибромы / миксомы (из семейства поксвирусов, к которому относится и вирус оспы). Разные кролики по-разному реагируют на этот вирус. У бразильских кроликов через три недели после заражения он вызывает доброкачественную опухоль — фиброму (локализованный узелок на коже). Но у европейских кроликов, чувствительных к этому вирусу, уже через 10 дней после заражения развивается генерализованное смертельное заболевание.

Мой рассказ далеко не исчерпывает тему: о природе патогенности вирусов известно значительно больше. Многое из того, что мы сейчас знаем, удалось изучить в самые последние годы, и есть все основания ожидать новых сюрпризов. Можно и нужно винить вирусы за тяжелые болезни и необходимо бороться с ними, но мы должны быть благодарны вирусам за существование и разнообразие живой природы, и в том числе — за существование человека.

Автор благодарен коллегам по научной кооперации — сотрудникам Института полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М. П. Чумакова РАМН, Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Института белка РАН (Пущино Московской области), Университета Базеля (Швейцария), Университета штата Висконсин (США), Университета Неймегена им. Радбода (Нидерланды).

Главными факторами патогенности бактерий являются адгезины, капсула, токсины, ферменты агрессии и инвазии.

Часть из них кодируется непосредственно генами нуклеоида (например, капсула и ферменты у некоторых видов). Другая часть кодируется внехромосомными факторами наследственности – плазмидами и эписомами (см. выше). Плазмидные гены обычно определяют взаимодействие возбудителей с эпителием, а хромосомные – существование и размножение бактерий внеклеточно в органах и тканях.

Распространение и передача генов вирулентности среди бактерий осуществляется несколькими путями. Одним из важных способов является фаговаяили лизогенная конверсия. В этом случае клетка становится вирулентной только при наличии в геноме профага, кодирующего факторы вирулентности (в первую очередь – токсины). Так, дифтерийный токсин выделяют только те коринебактерии, у которых имеются tox-гены, полученные от умеренного фага. Часть лизогенных штаммов E.coli образуют цитотоксин, напоминающий по действию классический токсин Shigella dysenteriae.

Одним из наиболее распространенных механизмов передачи генов патогенности является и передача плазмид при конъюгации.

Плазмиды, несущие данные гены, делят на плазмиды вирулентности и плазмиды устойчивости. Плазмиды вирулентности могут кодировать экзотоксины, адгезины или факторы инвазии.

Плазмиды устойчивости (R-плазмиды) передают информацию об устойчивости к антибиотикам и часто определяют множественную резистентность к лекарственным препаратам. Интегрированные опероны плазмид нередко содержат вместе гены антибиотикорезистентности и гены резистентности к тяжелым металлам.

Следует отметить, что возникающая и постоянно повышающаяся устойчивость микроорганизмов к применяемым лекарственным средствам стала одной из главных проблем современной химиотерапии. Штаммы бактерий, обладающие множественной устойчивостью к антибиотикам и антисептикам, определяют течение инфекционного процесса, особенно в госпитальных условиях. Примером здесь могут служить метициллин-резистентные штаммы золотистого стафилококка, нечувствительные к большинству применяемых антибиотиков.

У бактерий выделяют природную резистентность к лекарственным препаратам – генетически обусловленное отсутствие чувствительности микроорганизма к антибактериальным средствам (например, устойчивость вирусов к антибиотикам, грамотрицательных бактерий к пенициллину и т.п.) Приобретенная устойчивость возникает в результате мутации отдельных штаммов бактерий и селекции устойчивых клонов микроорганизмов или в результате обмена генетической информацией между отдельными бактериальными клетками.

Все эти процессы приводят к следующим фенотипическим проявлениям антибиотикоустойчивости:

Происходит превращение активной формы антибиотика в неактивную вследствие ферментативной инактивации или модификации (наиболее часто встречается выработка b-лактамаз и цефалоспориназ – ферментов, разрушающих b-лактамное кольцо пенициллинов, цефалоспоринов, монобактамов и карбапенемов;

Осуществляется блокирование специфических рецепторов для антибиотиков;

Утрачивается проницаемость клеточной стенки для данного препарата;

Изменяются структуры клеточных мишеней для антибиотика (например, пенициллинсвязывающих белков);

Нарушается система специфического транспорта данного химиопрепарата в бактериальную клетку;

У микроорганизмов может возникать альтернативный путь получения жизненно важного метаболита, заменяющего основной путь, блокированный препаратом.

Частота случаев антибиотикоустойчивости обусловлена двумя процессами: распространением генов, детерминирующих устойчивость, среди бактерий и распространением резистентных клонов бактерий среди восприимчивых организмов.

Образование устойчивых популяций микроорганизмов проходит через несколько этапов. Например, в результате спонтанной мутации возникают отдельные резистентные особи (или уже есть природно-устойчивые клоны) в бактериальной популяции (одна мутация на 10 5 -10 7 микроорганизмов). Далее повышение количества резистентных особей происходит путем генетических рекомбинаций, на фоне действия антимикробного агента (искусственная селекция). Формирование лекарственно-устойчивых бактериальных популяций происходит и путем селекции за счет подавления роста чувствительных к препарату микроорганизмов (особенно при назначении низких доз антибиотика и частой смене препаратов). Завершается процесс распространением устойчивых штаммов от больных к больным и за счет носительства среди медперсонала.

5.10. Генетика вирусов

Геном вирусов содержит единственный тип нуклеиновой кислоты – либо ДНК, либо РНК. В свою очередь, нуклеиновая кислота вируса может находиться в одно- или двунитчатой форме.

В зависимости от типа его нуклеиновой кислоты репликация генома вируса, а также процесс транскрипции происходят различными путями.

ДНК-содержащие вирусы размножаются в ядре клеток. Для транскрипции они используют клеточную полимеразу (вирусы герпеса, аденовирусы).

Если ДНКовый вирус репродуцируется в цитоплазме (как вирус оспы), то транскрипция осуществляется его собственным ферментом.

Транскрипция вирусных генов регулируется взаимодействием специфических ДНК-связывающих белков с промоторными и энхансерными элементами вирусного генома. Промоторные элементы являются инициаторами транскрипции (например, нуклеотидная ТАТА-последовательность). Энхансеры усиливают транскрипцию. Эти элементы обладают сходной последовательностью нуклеотидов с соответствующими участками клетки-хозяина, что обеспечивает использование регуляторных факторов самой клетки для репликации вируса.

Более сложные вирусы обладают собственными факторами транскрипции. Первоначально транскрибируются матричные вирусные РНК, кодирующие неструктурные (ранние) вирусные белки. Обычно они представляют собой ферменты, участвующие в синтезе вирусной нуклеиновой кислоты. Активация поздних генов приводит к образованию структурных вирусных компонентов. Вирусные гены могут иметь в составе интронные некодирующие последовательности. После транскрипции они удаляются из мРНК (посттрансляционный процессинг и сплайсинг мРНК).

РНК-содержащие вирусы могут быть плюс-нитевыми и минус-нитевыми. В последнем случае с вирусной РНК не может напрямую осуществляться процесс трансляции.

У однонитчатых плюс-нитевых вирусов (пикорнавирусы, флавивирусы и др.) трансляция прямо осуществляется с исходной РНК.

У однонитчатых минус-нитевых вирусов происходит предварительный синтез смысловой комплементарной копии РНК. Для этой цели такие вирусы (ортомиксовирусы, парамиксовирусы, рабдовирусы и др.) обладают вируспецифическим ферментом – РНК-зависимой РНК-поли­меразой (транскриптазой).

При репликации РНК однонитчатых вирусов в клетке образуются промежуточные структуры, состоящие из двух цепочек РНК. Такие образования встречаются только в клетках, зараженных вирусом.

У двунитчатых РНКовых вирусов (к ним относятся вирусы семейства Reoviridae) плюс-нить не транскрибируется, и в жизненном цикле вируса используется минус-цепь РНК, как у остальных минус-нитевых вирусов.

Наиболее сложен цикл у представителей семейства Retroviridae. Они обладают плюс-нитевым вирусным геномом. Тем не менее генетическая информация первоначально переписывается на ДНК, т.е. по РНК вируса образуется комплементарная цепь ДНК. Этот процесс возможен из-за наличия вирусспецифической РНК-зависимой ДНК полимеразы (обратной транскриптазы, ревертазы). Образующаяся ДНК интегрирует с геномом клетки. Транскрипцию встроенной ДНК обеспечивают клеточные РНК-полимеразы.

Как и бактерии, вирусы подвергаются генотипической (мутационной, рекомбинационной) и фенотипической изменчивости.

Вирусные мутации, возникающие в естественных условиях, обычно связаны с неточным действием вирусных полимераз. Частота мутаций у ДНК-содержащих вирусов ниже, чем у РНК-содержащих.

При генетической рекомбинации вирусов может быть обмен полными генами (межгенная рекомбинация), или участками одного и того же гена (внутригенная рекомбинация).

При заражении клетки одновременно несколькими вирусами возможны различные виды взаимодействия – множественная реактивация, перекрестная реактивация, рекомбинация, пересортировка генов, гетерозиготность. При взаимодействии на уровне продуктов генов (т.е. фенотипических проявлений) возникают негенетические взаимодействия: комплементация, фенотипическое смешивание.

Множественная реактивациявозникает при заражении клетки несколькими вирусами с дефектными геномами. Если эти повреждения генома различны у разных вирусов, то вирус может репродуцироваться. Это связано с тем, что вирусы с поражением разных генов дополняют друг друга за счет рекомбинации геномов. Результатом этого является продукция жизнеспособного вируса.

Перекрестная реактивация(кросс-реактивация)возникает тогда, когда клетку заражают два вируса, один из которых имеет дефектный геном, а у другого генотип не поврежден. При смешанной инфекции двумя подобными вирусами возникает рекомбинация уцелевших участков генома поврежденного вируса с геномом полноценного вируса; в результате этого появляются вирионы со свойствами обоих родителей.

Гетерозиготность – это формирование вирусов, содержащих в своем составе два разных генома или один полный геном и часть второго. Такой процесс может происходить при совместном культивировании двух штаммов вируса. В свою очередь, у двухцепочечных вирусов (например, у представителей семейства Retroviridae) гетерозиготность представляет собой рядовое явление, такие вирусы могут быть гетерозиготными по большинству маркеров.

Интерференция вирусов отражает конкуренцию близких или родственных типов вируса за репликативные ферментные системы клетки-хозяина. При этом размножение одного из таких вирусов может подавляться или полностью прекращаться.

Фенотипическое смешивание (или транскапсидация) возникает тогда, когда при совместном культивировании и репликации геном одного из вирусов оказывается заключенным в капсид другого.