Мутация вирусов в информатике

Опасения, что новый коронавирус может мутировать и стать куда более заразным и смертоносным, вполне объяснимы. Но при этом они совершенно необоснованны.

Действительно, вирусы имеют склонность к мутации, поскольку распространяются по всему миру и приспосабливаются к разным температурным и климатическим условиям. Способность мимикрировать дает шанс инфекции приобрести во время мутации новые вредоносные качества. Однако, как доказано наукой, вероятность такого поворота событий крайне мала. Стоит ли бояться мутации коронавируса, разбирался научный портал Elemental.

БЕССМЫСЛЕННЫЕ ПРОГНОЗЫ

- На самом деле мутация является обычным делом для РНК-вируса, - поясняет доцент кафедры эпидемиологии Йельского Института здравоохранения Нейтан Грубау в своем материале, опубликованном в журнале Nature Microbiology. - SARS-CoV-2 является РНК-вирусом, потому что его генетический материал - это РНК, а не ДНК .

Поэтому специалист призывает общественность и своих коллег ученых не тратить время на размышления и прогнозы по поводу потенциальных последствий мутаций COVID-2019.

- Скорее всего, эти прогнозы окажутся бессмысленны, и к тому времени, когда мы сможем проверить, произошла ли мутация на самом деле, эпидемия уже закончится, - добавляет Грубау.

НЕЙТРАЛЬНЫЕ МУТАЦИИ

Так почему все-таки не стоит беспокоиться о мутации коронавируса? Перед тем, как вирус самовоспроизводится, он всякий раз делает копию своего генома. Для этого используется фермент, который называется РНК-полимеразой. Но он довольно часто допускает ошибки при копировании. И вот эти случайные ошибки в геноме вируса-копии и называются мутациями. Но далеко не все мутации оказывают значимое влияние на сам вирус и на ход эпидемии в целом.

Некоторые мутации вообще не оказывают никакого эффекта на качества вируса. Их называют нейтральными мутациями. Они могут передаваться из поколения в поколение и не вызывать никаких изменений в способности вируса выживать или заражать здоровые клетки. Большинство мутаций, грубо говоря, даже вредны для вируса, так как способны ослабить и даже убить его прежде, чем он снова сможет себя скопировать.

ОДИН НА МИЛЛИОН

Конечно, есть мутации, благодаря которым вирус становится более передаваемым. Но для того, чтобы такая мутация в одной частице смогла оказать влияние на всю популяцию вируса (то есть мы могли бы заявить о возникновении нового штамма), то она должна передаться и будущим копиям вируса. А чтобы это произошло, мутация должна также улучшить способность вируса к выживанию и размножению.

За те качества вируса, которые больше всего пугают людей - это заразность вируса и его способность вызывать осложнения (например, COVID-2019 приводит к вирусной пневмонии), отвечает множество генов. А это означает, что изменение этих признаков требует множества случайных, избирательно выгодных мутаций, которые должны происходить в одном и том же геноме вируса. И вероятность того, что это произойдёт за короткий промежуток времени, чрезвычайно мала.

ОТ 4 ДО 10 РАЗЛИЧИЙ

Карантин - это НЕ каникулы.В Москве ввели карантин. Но жители столицы решили, что это каникулы Такая безответственность поставила под удар не только самих нарушителей, но и всех окружающих. Поэтому c 30 марта власти запретили москвичам выходить из дома без веских причин

Поскольку вирус атипичной пневмонии, который бушевал в 2002-2003 годах, не отличался повышенной склонностью к мутации, то все вакцины, которые сейчас создаются, защищают людей довольно долго. Так как вирус SARS схож с COVID-2019, то есть вероятность, что ему также характерна медленная мутация. Пока эти предположения подтверждаются. Молекулярный генетик из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса Питер Тилен, который изучал штаммы SARS-CoV-2, заявил, что существует от 4 до 10 генетических различий между штаммами COVID-2019, бушующими в китайском городе Ухань и на территории США . А это довольно небольшое количество.

Медленная мутация вируса может сыграть на руку всем разработчикам вакцины. Не исключено, что долгожданное лекарство будет защищать организм человека на протяжении длительного времени, точно так же, как это делает вакцина против атипичной пневмонии. В этом случае не потребуется регулярно изобретать все новую вакцину, как это происходит ежегодно перед эпидемией гриппа. Вирус гриппа обладает уникальной способностью перестраивать свой собственный геном, и это никак не связано с мутацией.

Конечно, вероятность, что новый коронавирус мутирует и превратится в куда более смертоносную инфекцию, остается. Но этот шанс мизерный.

- Даже если мутация, влияющая на заразность или тяжесть заболевания, произойдет, то это все равно ничего не изменит, - констатирует Нейтан Грубау. - К тому времени, когда мы сможем установить это, пандемия, скорее всего, уже закончится. На самом деле, мы ничего не можем сделать, кроме того, как пропагандировать социальное дистанцирование, соблюдать строгий санитарно-эпидемиологический надзор, поддерживать работу больниц, отслеживать контакты с зараженными и разрабатывать вакцину.

— Несмотря на многочисленные опровержения учёных и представителей властей, в сети бытует мнение, что новый коронавирус мог быть создан искусственно.

— Эта распространенная гипотеза появилась ещё после возникновения предыдущих коронавирусов SARS-CoV и MERS-CoV. Уже тогда целый ряд исследователей начали поиск и оценку всевозможных коронавирусов в природе. Однако и тогда, и сейчас версии искусственного создания коронавирусов учёные признали маловероятными.

— Как вирусы преодолевают межвидовой барьер? Ещё вчера они поражали определённые виды животных, а сегодня способны инфицировать человека.

— Обычно вирус оказывается способным поражать нового хозяина только после определённых изменений в генах. Далее он должен размножаться внутри клетки, а это не всегда возможно. Для этого тоже нужны определённые условия. Например, если вирус поражает птиц, у которых температура тела выше, чем у человека, то, чтобы адаптироваться к температуре нового носителя, человека, ему нужна соответствующая мутация. Так, некоторые вирусы гриппа птиц выбрали подобный способ и смогли инфицировать человека.

— А что заставляет вирус изменяться? Почему он вдруг решает сменить один вид носителя на другой? Какие факторы на это влияют? И как часто вообще это происходит в природе?

— Любой вирус имеет геном. Он изменяется постоянно. Даже без влияния внешних факторов мутации происходят редко, но с постоянной скоростью. Внешние факторы могут повлиять на скорость и характер мутаций.

Вирусы не принимают решения о смене носителя. Просто их так много, и они так быстро размножаются и изменяются, что появляется много разных версий одного вируса. И какая-то из них в результате случайной мутации может преодолеть межвидовой барьер и поразить другого хозяина. Дальше вирус очень быстро размножается и уже эволюционирует в другом хозяине. Такой процесс постоянно происходит в природе.

Человек сталкивается с громадным числом вирусов животных, растений, грибов, бактерий. Обычно после такой встречи ничего не происходит, поскольку для преодоления вирусами межвидового барьера требуется сочетание множества факторов. На эволюцию вирусов, их мутации и преодоление барьера между видами влияют температура, влажность, иммунитет животного.

— Изменение климата тоже влияет на мутации вирусов?

— Сам климат как таковой на вирус никак не влияет, а вот на его хозяев, на миграции, образ жизни и питание может повлиять существенно. Есть интересная гипотеза, что с оттаиванием льдов и вечной мерзлоты оттаивают и древние вирусы.

— Можно ли повлиять на все эти факторы, чтобы предотвратить появление опасных возбудителей заболеваний или это человеку не подвластно?

— Не думаю, что можно как-то повлиять на эти факторы. Но можно снизить риски. К примеру, правильно применять препараты и проходить вакцинацию, чтобы избежать распространения устойчивых штаммов вирусов и бактерий.

— Способен ли коронавирус переходить от одних животных к другим?

— Теоретически способен. Такие механизмы сейчас изучаются, однако вряд ли это как-то значимо повлияет на эпидемиологию среди людей.

— В начале XXI века уже три коронавируса вызывали вспышки тяжёлых заболеваний у людей: SARS-CoV, MERS-CoV и SARS-CoV-2. А в прошлом веке сообщалось только про один такой вирус.

— Я предполагаю, их было много. В XX веке был хорошо изучен один известный постоянный коронавирус — респираторный человеческий вирус HCoV, Human Coronavirus. Это обычный вирус в структуре сезонного ОРВИ. Например, наши десятилетние исследования сезонных респираторных эпидемий выявили его в среднем у 2% пациентов с ОРВИ.

Могу предположить, что небольшие вспышки различных коронавирусов от животных могли происходить и ранее, но диагностика и методы исследований были не на таком уровне, как сегодня.

Не надо забывать, что коронавирусы окружают нас постоянно, они часто поражают домашних животных. Например, коронавирус кур, вызывающий у них инфекционный бронхит, приводит к большим потерям в сельском хозяйстве, но, к счастью, неопасен для людей.

— Какие вирусы, переходящие от животных к людям, могут представлять для человечества опасность в будущем?

— Наибольшую опасность представляют респираторные вирусы животных, которые вызывают острые воспалительные заболевания органов дыхания. Меньшую опасность представляют такие угрозы, как бешенство и клещевой энцефалит. Для заражения ими необходим укус животного или насекомого-переносчика, к тому же от подобных заболеваний разработаны вакцины.

Сейчас более актуальными становятся инфекции, переносимые насекомыми, которые вслед за изменением климата и потеплением проникают всё севернее и могут вызывать бактериальные и вирусные инфекции у человека. Например, вирус лихорадки Западного Нила, различные виды малярии, которые проникают в наши широты с распространением комаров.

— Может ли новый коронавирус мутировать и стать ещё опаснее для человека?

— Это маловероятно. Стратегия вируса заставляет его снижать вирулентность со временем, это показано для большинства актуальных вирусов. В целом высокая летальность — это эволюционный тупик для вируса.

— И он станет сезонным относительно безвредным явлением?

— Уже можно сказать, как этот SARS-CoV-2 поведёт себя в ближайшее время?

— Рискну предположить, что в начале лета распространение утихнет. Но в умеренной форме повторится в октябре — ноябре.

Мир узнал о существовании SARS-CoV-2 только три месяца назад, но ученые уже сделали некоторые предположения о том, откуда он взялся и почему так агрессивно себя ведет. Одна из немногих хороших новостей на фоне бушующей пандемии заключается в том, что по своей природе отдельные коронавирусы уничтожить легко. Каждая вирусная частица состоит из небольшого набора генов, заключенного в жировую оболочку, которую легко уничтожить мылом – 20 секунд тщательного мытья рук и вируса как не бывало. Также результаты многочисленных исследований показали, что новый коронавирус выживает не более одного дня на картоне и около двух-трех дней на металлических поверхностях и пластике. Иными словами, CoVID-19 – это паразит, которому нужны хозяева чтобы жить и размножаться. Но может ли он мутировать и если да, то как?

Коронавирус уже мутировал в два разных варианта, но что будет дальше?

Новый коронавирус – загадка для ученых

В нашем специальном материале, посвященном одному из важнейших научных открытий 2020 года – доказательству естественного происхождения нового коронавируса – мы подробно рассказывали о том, как вирус попадает в организм хозяина. По своей форме коронавирус – это шар с шипами (той самой короной), которые распознают и прикрепляются к белку под названием ACE2, который находится на поверхности наших клеток. Именно этот контакт – первый шаг к развитию заболевания. Аккуратные и точные контуры шипов SARS-CoV-2 позволяют вирусу гораздо сильнее прилипать к ACE2, чем его ближайшим родственникам SARS и MERS. Сегодня исследователи не исключают, что это действительно имеет решающее значение при передаче коронавируса от человека к человеку.

Есть еще одна важная особенность. Шипы коронавируса не только определяют внешнюю поверхность клеток, но и “взламывают” их, успешно пробираясь внутрь. По мнению ученых, как пишет The Atlantic, это – одна из наиболее необычных характеристик нового вируса. Однако именно она может означать, что дальнейших мутаций может и не быть.

Еще больше новостей о новом коронавирусе и других открытиях из мира популярной науки читайте на наших каналах в каналах в Google News и Яндекс.Дзен.

Так CoVID-19 выглядит под микроскопом

Например, большинство респираторных вирусов имеют тенденцию заражать либо верхние, либо нижние дыхательные пути. Как правило, инфекция верхних дыхательных путей распространяется легче, но протекает мягче, в то время как инфекция нижних дыхательных путей труднее передается, но переносится тяжелее. Новый коронавирус, по-видимому, заражает как верхние, так и нижние дыхательные пути. Этот двойной удар может также объяснить, почему вирус распространяется между людьми до появления симптомов: новый коронавирус передается пока находится в верхних дыхательных путях, а когда опускается в нижние, развивается пневмония. Однако большая часть биологии SARS-CoV-2 до сих пор остается загадкой.

Верхние дыхательные пути - носовая и ротовая полости, носоглотка, глотка
Нижние дыхательные пути - гортань, трахея, бронхи

Как изменился и изменится ли CoVID-19?

С начала пандемии вирус не претерпел никаких существенных изменений. Он мутирует так же, как и все вирусы. Но из 100 с лишним мутаций, которые были задокументированы, ни одна не стала доминирующей. Вирус удивительно стабилен, учитывая, сколько случаев передачи мы наблюдаем сегодня. При этом никакого эволюционного давления на вирус нет – он и так превосходно передается. Но это не значит, что CoVID-19 не будет мутировать. Так, в нескольких образцах вируса SARS-CoV-2, выделенных у инфицированных жителей Сингапура, отсутствует часть генов, которые также исчезли из SARS – тяжелый острый респираторный синдром – на более поздних стадиях его эпидемии в 2003 году. Однако причины, по которым некоторые коронавирусы смертельны, а другие нет, остаются неясными.

Как вы думаете, мутирует ли новый коронавирус в будущем? Поделитесь своим мнением в комментариях к этой статье а также с участниками нашего Telegram-чата

Пандемия – это плохо, однако она не будет длиться вечно

Как правило, большинство вирусов с которыми человечество хорошо знакомо, преследуют одну и ту же цель – размножаться как можно эффективнее. Так, смерть инфицированного хозяина не приносит вирусу ничего, кроме поражения – вирус погибает вместе с носителем. Причиной смерти является иммунный ответ организма – иногда иммунитет так агрессивно борется с возбудителем инфекции, что это приводит к повреждению здоровых тканей. Грубо говоря, иммунитет становится намного опаснее самого вируса. По мнению Акико Ивасаки из Йельской медицинской школы, любому вирусу нужно время, чтобы адаптироваться к новому хозяину. Когда вирусы впервые испытывают нас, они не знают, что делают, а потому склонны вызывать необычные реакции организма и становятся причиной смерти.

Мутирует ли новый коронавирус, тем временем, остается неизвестным. Учитывая скорость его распространения, его главная цель – размножение достигнута. Поэтому можно предположить, что CoVID-19 вряд ли мутирует в крайне опасный штамм с высокой летальностью. Скорее всего, спустя время и даже после изобретения вакцины SARS-CoV-2 никуда не денется. Многие ученые полагают, что вирус будет циркулировать среди популяции как обычные ОРВИ и сезонный грипп. Однако после того, как большая часть населения Земли переболеет CoVID-19, он больше не будет представлять такой опасности.

Наряду с полными вирионами в процессе репродукции фор­мируются необычные по структуре и функции вирусные части­цы, которые можно объединить в три группы: псевдовирусы, вирусы-мутанты и вирусы-рекомбинанты. Псевдо- и мутантные вирионы возникают в чистых и смешанных культурах вирусов, а рекомбинантные – только в смешанных.

Псевдовирусы представлены вирусными капсидами. Среди псевдовирусов различают:

– псевдовирионы, капсиды которых вместо вирусного генома содержат нуклеиновую кислоту клетки-хозяина.

Типы вирусных мутантов. В репродуктивных циклах вирусов зако­номерно появляются вирусные гибриды-мутанты [лат. mutation, изменение], по структуре и фенотипу отличающиеся от роди­тельского (дикого) типа, но имеющие его генетическую основу, и немутационные гибриды.

Различают спонтанную и индуцированную мутации вирусов.

Индуцированная мутация. Большая часть мутантов получена из популяций дикого типа, обработанных мутагенами, например, азотистой кислотой, гидроксиламином, алкилирующими агентами, ультрафиолетовым облучением.

Появляющиеся мутанты, как правило, являются делеционными (лат. deletion, выпадение), т. е. утрачивающими определенный участок генома родитель­ского вируса. Вирусные частицы с таким дефектным геномом сохраняют свою активность, но для репликации и созревания нуждаются в продуктах вирусного генома родителя – обычно в структурных и неструктурных белках. Такой характер воспроиз­водства вирусов называют негенетическим типом взаимодейст­вия или односторонней комплементацией(дополнением); роди­тельский вирус, стимулирующий репродукцию мутанта, – виру­сом-помощником, а репродуцирующийся с его помощью му­тант – вирусом-сателлитом (спутником).

В соответствии с этим различают 4 класса вирусов-мутантов: 1) вирусы с условно дефектными геномами; 2) ДИ-частицы, т. е. дефектные интерферирующие; 3) интеграционные вирусы с де­фектными геномами; 4) вирусы-сателлиты.

Условно-дефектные вирусы несут мутантные геномы, де­фектные в определенных условиях. Среди них чаще всего встре­чаются температурочувствительные ts- и холодочувствительные tc-мутанты, мутанты по спектру хозяев и мутанты по морфоло­гии бляшек.

У ts-мутантов нуклеотидная последовательность в геноме изменяется таким образом, что образованный ими белковый продукт сохраняет функционально активную конформацию только при пермиссивной [англ. permissive, разрешающий] температуре около 36–38°С, а при более высокой непермиссивной температуре 39–42 о С мутант становится нежизнеспособ­ным и прекращает развитие. Наоборот, tc-мутанты размножают­ся при более высокой, чем оптимальная, пермиссивной для них температуре.

Дефектные интерферирующие вирусы, или ДИ-частицы, представляют собой вирионы, у которых отсутствует некоторая часть геномной РНК или ДНК, но структурные белки остаются такими же, как у родительских вирусов. Репликация ДИ-частиц без родительских вирионов не происходит, но при совместном заражении клеток теми и другими она восстанавливается вследствие использования ген­ных продуктов дикого типа, которых они сами не вырабатыва­ют. Для ДИ-частиц родительский вирус с полно­ценным геномом является вирусом-помощником (хелпером). Название ДИ-частиц обусловлено тем, что утилизируя для своей репликации продукты генов хелпера, они вместе с тем угнетают репродукцию вируса-помощника, что в вирусологии называют интерференцией [лат. inter, взаимно и ferio, подавлять].

Интеграционные вирусы с дефектным геномом – это мутан­ты-типы (или виды) ретровирусов подсемейства онкорнавирусов, содержащие onс-гены [греч. oncoma, опухоль и англ. RNA – РНК], – прежде всего саркомные вирусы-гибриды, которые в процессе эволюции, как предполагают, приобрели клеточные onс-гены. Интегрируя с клеточным геномом, ДНК-транскрипты саркомных вирусов привносят в него onс-гены и, если они попа­дают под действие определенной регуляции клеток, после короткого латентного периода вызывают злокачественное их пе­рерождение.

Вирусы-сателлиты. Так же, как ДИ-частицы, они паразитируют на генных продуктах ви­руссов-помощников и часто интерферируют с ними, как, напри­мер, сателлит вируса некроза табака, полностью зависящий в своей репликации от одновременного заражения клеток табака его инфекционным вирусом-помощником.

Однако вирусы-сателлиты часто используют генные про­дукты неродственных им вирусов-помощников с негомологич­ными геномами.

Генетическое взаимодействие между вирусами. Различают два типа генетического взаимодействия между вирусами: комплементация и рекомбинация.

Комплементацией называют взаимодействие генных продуктов вируса в смешанных вирусных культурах клеток, которое приводит к увеличению выхода одного или обоих вирусов, в то время как их генотип остается неизменным.

Существует два типа комплементации:

1) неаллельная, или межгенная (наиболее типичная), при которой мутанты, дефектные по различным функциям, помогают друг другу в репликации, предоставляя функцию, дефектную у другого вируса;

2) аллельная, или внутригенная (наблюдается намного реже), которая происходит в том случае, если генный продукт, дефектный у обоих партнеров в разных доменах, образует мультимерный белок. Если такой белок состоит из субъединиц одного партнера, то он функционально неактивен, а если из субъединиц обоих партнеров, то он может принять функционально активную конформацию.

Вирус­ной рекомбинацией называют обмен генетическим материалом (отдельных участков и целых генов) между двумя вирусами с разными геномами или же вариантами одного и того же вируса, различающимися некоторыми структурными особенностями их генома. Вирус, в геноме которого при рекомбинациях произошло замещение-добавление определенного участка ДНК, называют вирусом-реципиентом (рекомбинантом).

Биологическое значение рекомбинаций: они не нарушают структуры вирусного генома (в отличие от мута­ций, они не летальны), а обновляют его или устраняют имеющиеся повреждения, обогащают при этом ге­нетический фонд вирусов и вносят существенный вклад в их эволюцию.

Внутримолекулярные рекомбинации у вирусов реализуются механизмом разрыв-воссоеди­нение, а у РНК-вирусов с сегментированным геномом – пере­мешиванием генов.

Среди генетических рекомбинаций ДНК-вирусов выделяют рекомбинации:

1) между двумя дикими типами вирусов с интактными (лат. intactus, нетронутый), т. е. полными, геномами. Рекомбинации между дикими типами могут быть межгенны­ми с передачей генов и внутригенными с обменом отдельных участков гена. При этом образующийся вирус-рекомбинант на­следует свойства обоих типов вирусов;

3) между вариантами мутантов дикого типа вируса. Формирование рекомбинантов происходит на основе мутантов. Также наблюдается реактивация повреж­дений геномов, но так как ее эффективность всецело зависит от количества и тесного кооперативного взаимодействия между рекомбинирующими вирусами, то ее называют не пере­крестной, а множественной реактивацией.

В рекомбинационном процессе между вирусами, имеющими полный сегментированный геном, происходит перетасовка (пе­ресортировка) их фрагментов и образование рекомбинантов, со­держащих родственные, но не свойственные для дикого типа ге­ны, например, гены гемагглютининов и нейраминидаз других сероваров вируса гриппа типа А.

Таким образом, в клетке, зараженной смешанной культурой родственных вирусов с интактными генами, возникают вирусы-рекомбинанты и реассортанты, а при одновременном ее инфи­цировании диким типом с его мутантом или несколькими му­тантами-реактивантами.

Генетического взаимодействия между биологически и эволюционно далекими вирусами в природе не происходит вслед­ствие их высокой специфичности по спектру клеток-хозяев и интерференции, т. е. в естественных условиях из гетерогенных вирусных геномов гибридов не возникает.

Негенетическое взаимодействие вирусов. Негенетические взаимодействия часто приводят к фенотипическому маскированию истинного вирусного генотипа и возникновению немутационных гибридов. К негенетическим взаимодействиям вирусов в частности относят гетерозиготность, фенотипическое смешивание, интерференцию.

Вирусы гетерозиготы (греч. heteros, иной, чужой и zygoo, со­единять) представляют собой вирусные частицы, в состав кото­рых входит не один, а два различных генома вирусов или один полный с некоторой частью второго. Образование гетерозигот сравнительно редкое явление.

Таким образом, немутационные вирусы-гибриды – полноценные вирионы. Подобно виру­сам-мутантам, возникают путем комплементации, а не вследст­вие скрещивания геномов, как рекомбинанты.

Состояния гетерозиготности и транскапсидизации вирусов неустойчивы и быстро исчезают при пассажах.

Биологическое значение немутационных гибридов: значение гетерозигот не выяснено. Транскапсидизация же может обеспечить вирусам-гибридам широкий круг хозяев и преодоле­ние межвидовых барьеров.

У вирусов роль хромосом выполняет нить нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), у одних она цельная, у других (грипп, рео- ареновирус) – фрагментированная. Отдель­ные участки нуклеиновой кислоты, ответственные (детерминирующие) за синтез определенного белка, получили название генов. Простейшие из известных вирусов содержат от трех до пяти генов (например, ДНК-содержащий вирус полиомы; у пикорнавирусов 6—8 генов). Однако у более сложного вируса (например, крупного бактериофага Т4) более 30 генов контролируют синтез белков оболочки и не менее 15 — синтез нуклеотидных предшественников; для размножения этого фага тре­буется участие примерно сотни генов.

Ген не является неделимым. У него имеются более мелкие участки (мутоны, реконы), несущие определенные функции. Как известно, ген является носителем одновременно трех свойств:

1) контролирует тот или иной признак организма (функция),

2) обменивается в скрещиваниях (рекомбинация) и

3) изменяется (мутация).

Понятие цистрон соответствует понятию ген - единице функции, т. е. соответствует инфор­мации об одном белке.

Синтез ферментов у вирусов закодирован в генах. Любой фермент (белок) может синтезироваться только в том слу­чае, если в нуклеиновой кислоте имеется соответствующий ген, кодирующий синтез данного фермента. Последовательность работы цистронов определяется индукцией или репрессией.

Под геномом вируса понимают совокупность всех генов данного вируса. У од­них вирусов геном образован одной молекулой нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), у других — несколькими молекулами (вирусы гриппа, рео- и аренавирусы).

Фенотип — это совокупность всех внешних и внутренних признаков и функции данного вируса. Генотип же определяется только структурой наследственного материала — ДНК или РНК, т. е. последовательностью нуй-леотидов в их молекулах или кодом белкового синтеза. Фенотип вируса не является его постоянным свойством. Генотип же — это постоянное свойство вируса, и меняется он в результате мутаций, происходящих в-геноме. Мутационные измене­ния в геноме вируса влекут за собой и изменения его фенотипа.

У многих вирусов молекулярная масса синтезирующихся белков превышает теоретически рассчитанную. Этот феномен объясняется наличием у вирусов механизмов, позволяющих получить развернутую информацию при максимальной экономии генетического материала; подобные механизмы выработаны в процессе эволюции вирусов как генетических паразитов.

Способами увеличения информации являются:

1) двукратное считывание одной и той же иРНК, но с другого иницирующено кодона;

2) сдвиг рамки трансляции;

Трансляция может происходить без сдвига рамки и со сдвигом ее. Генетический код является триплетным, это означает, что три нуклеотида, составляющих триплет или кодон, кодируют одну аминокислоту. В том случае, если триплеты сохранены и генетический код не изменился, при трансляции с двух разных инициирующих кодонов будут синтезироваться полипептиды, представляющие собой укороченный участок первого полипептида (трансляция без сдвига рамки).

В том случае, если произошел сдвиг на один или два нуклеотида, меняется смысл всех кодонов (триплетов), стоящих за местом сдвига. В этом случае одна молекула иРНК может транслироваться с образованием двух уникальных белков, т.е. таких, у которых нет идентичных аминокислотных последовательностей.

Таким образом, общее число триплетов в составе молекулы нуклеиновой кислоты может быть меньше суммы числа триплетов, входящих в состав всех генов. Более точные представления о числе генов можно получить путем биохимического и генетического анализов.

5) сплайсинг со сдвигом рамки широко распространен у ряда вирусов. В результате сплайсинга и сдвига рамки иРНК генов транслируются с образованием двух белков

Одним из способов экономии генетического материала является нарезание полипептида - предшественника на участки разной длины, в результате чего образуются разные полипептиды с перекрывающимся аминокислотными последовательностями.

4)транскрипция с перекрывающихся областей ДНК и и др.

Наследственность у вирусов

Наследственность — это свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обусловливать спе­цифический характер индивидуального развития. Изменчивость — свойство, про­тивоположное наследственности. Изменчивость вирусов может быть обусловлена мутацией генов.

Мутации у вирусов

В основе наследственного изме­нения свойств вирусов могут лежать два процесса:

1) мутация, т. е. изменение последовательности нуклеотидов в определенном участке генома вируса, ведущее к фенотипически выраженному изменению свойства, и

2) рекомбинация, т. е. обмен генетическим материалом меж­ду двумя близкими, но отличающимися по наследственным свойствам вирусами.

Мутация — изменчивость, связанная с изменением самих генов. Она может иметь прерывистый, скачкообразный характер и приводит к стойким изменениям наследственных свойств вирусов.

Все мутации вирусов делятся на две группы:

По протяженности их делят на:

-аберрационные (изменения, затрагивающие значительный участок генома).

Точечные мутации обусловлены заменой одного нуклеотида (для РНК-содержащих виру­сов) или одной пары комплементарных нуклеотидов (для ДНК-содержащих вирусов). Такие мутации могут иногда ревертировать с восстановлением исходной структуры генома.

Однако мутационные изменения способны захватывать и более крупные участки молекул нуклеиновых кислот, т. е. несколько нуклео­тидов. В этом случае тоже могут происходить выпадения, вставки и перемещения (транслокации) целых участков и даже повороты участ­ков на 180° (так называемые инверсии). Это будут уже более крупные перестройки в структуре нуклеиновых кислот, а следовательно, и нарушения генетической информации.

Следует отметить, что не всегда точечные мутации реализуются. Имеется ряд причин, в силу которых такие мутации могут не проявляться. Одна из них — вырожденность генетического кода. Как уже указывалось, код белкового синтеза вырожден, т, е. некоторые аминокислоты могут кодироваться несколь­кими триплетами (кодонами). Например, аминокислота лейцин может кодироваться шестью триплетами. Вот почему если в молекуле РНК вследствие каких-то воздействий произошла замена триплета ЦУУ на ЦУЦ, ЦУА на ЦУГ, то в молекуле синтезируемого белка все равно включится аминокислота лейцин. Поэтому ни структура белка, ни его биологические свойства не нарушатся.

Другое дело, когда какая-то аминокислота кодируется всего одни триплетом, например, синтез триптофана кодируется только одним триплетом УГГ и замены, т. е. синонима, не имеет. В этом случае в белок включается какая-нибудь иная аминокислота, что может привести к появлению мутантного признака.

Как спонтанные, так и индуцированные мутации делят также на прямые и обратные (реверсии). Прямые мутации меняют фенотип, а обратные его восстанавливают.

Спонтанные мутации

Спонтанные мутации у виру­сов возникают в популяции без искусственного вмешательства со стороны экспериментатора. Не может быть абсолютно однородных популяций. Однородность относительна, поэтому в вирусной популя­ции в процессе ее развития спонтанные мутанты возникают с опреде­ленной вероятностью.

Частота мутаций одного и того же признака может быть различной в зависимости от штамма. Так, частота мутаций по признаку rсt 40° у штамма W-Fox вируса полиомиелита составляла 2,4´10 -5 , тогда как у штамма.Ch-AT она была на порядок ниже — 2,0´10 -6 .

Каковы причины и механизмы возникновения спонтанных мутаций? По мнению Уотсона и Крика, спонтанные мутации могут возни­кать вследствие таутомерного (таутомерия – один из видов изомерии, при которой изомеры легко переходят друг в друга) превращения оснований, входящих в состав ДНК. Так, например, таутомерный сдвиг в положении атома водорода у аденина приводит к тому, что аденин при репликации спари­вается не с тимином, а с гуанином. Такая ошибка при спаривании осно­ваний приводит при последующих репликациях к замене пары AT и ГЦ.

Изучение мутационной изменчивости того или иного вируса состоит в определении физико-химических и биологических свойств мутанта. (вирулентностью, реактогенностью, иммуногенностью, способность репродукции в той или иной системе, термо-резистентность, гемагглютинирующие, гемолизирующие и другие свойства).

Мутации у вирусов могут возникать и в результате адаптации их к необычным биологическим системам in vitro (культуры клеток) и in vivo (животные, куриные эмбрионы).

Мутации при пассажах на животных. Стабильные высокоиммуногенные штаммы вирусов получают методом длительной адаптации к лабораторным, естественно-восприимчивым или невосприимчивым животным. Так, был по­лучен вакцинный штамм (virus fixe) бешенства.

При адаптации вирусов к естественно-невосприимчивым видам животных или к гетерогенным тканям экспериментально-восприимчивых животных решающее зна­чение имеют вид и возраст животного, способ введения вируса и его свойства, а также свойства штамма.

Для успеха адаптации вирусов к организму лабораторных животных сущест­венное значение имеет ослабление резистентное их путем воздействия кортизоном, температурой, облучением g-лучами и т. п.

Мутации при пассажах в культурах клеток. В культурах клеток и тканей успешно выращиваются и аттенуируются многие вирусы.

Причины возникновения мутаций в процессе адаптации. Изменение свойств вируса в процессе пассажей происходит ступенчато. В первых пассажах обнаруживают главным образом вирионы, изменившие ка­кой-либо один генетический признак; с увеличением пассажей в попу­ляции выявляют вирионы, изменившие два и более генетических признака; по мере пассирования количество таких частиц постоянно возрастает, и в дальнейшем у подавляющего большинства вирусных частиц наблюдают изменение многих генетических признаков.

В основе механизма наследственной изменчивости вирусной популяции при пассажах лежат два процесса: мутация и селекция, причем и в том, и в другом процессе важную роль играет внешняя среда, являющаяся одновременно индуктором мутации и се­лективным фактором.

Если гетерогенную вирусную популяцию, имеющую в своем составе измененные и исходные вирусные частицы, культивировать в обычных условиях, то это приводит к ее реверсии.

Наконец, накопилось большое число фактов об изменчивости вируса, вызываемой хозяином (host-controlled variation). Эти измене­ния заключаются в том, что клетка влияет на характер синтезирующих в ней компонентов вируса. Такие модификации не затрагивают нуклеотидную последовательность вирусного генома.

Таким образом, клетка хозяина может существенно влиять на фенотип вируса или блокировать (частично или полностью) его репро­дукцию.

Индуцированные мутации

Возникают при действии на вирус (на его вегетатив­ную или покоящуюся форму) различными химическими и физическими мутагенами, а также в процессе адаптации его к необычным биологическим системам (при адап­тационной изменчивости).

Применение искусственных мутагенов имеет два преимущества. Во-первых, они вызывают мутации в десятки и сотни раз эффективнее, чем природные факторы, и, во-вторых, действие некоторых искусственных мутагенов имеет известную напра­вленность, что позволяет заранее предвидеть, на какие элементы структуры нуклеи­новых кислот и каким образом действует тот или иной мутаген и какие изменения в них вызовет.

Химические мутагены. Предложено разделить мутагены на две основные группы:

1) мутагены, реагирующие с нуклеиновой кислотой только во время ее репликации (аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований);

2) мутагены вступающие в реакцию с покоящейся молекулой нуклеиновой кислоты, но требующие для формирования мутаций последующих ее репликаций (азотистая кислота, гидроксиламин, алкилирующие соединения).

В последние годы синтезирован и изучен целый ряд химических соединений — супермутагенов (нитрозопроизводных мочевины — нитрозогуанидин и его производ­ные)

Молекулярные механизмы мутагенного действия химических соединений. В основе молекулярных изменений вирусной нуклеиновой кислоты, приводящих к мутации, лежат два основных процесса за­мена основания и выпадение или вставка основания. Различает два типа за­мены оснований, входящих в состав вирусной нуклеиновой кислоты: простую (транзиция) и сложную (трансверсия). При простой замене на место одного пуринового основания встает другое (например, вместо аденина — гуанин) или вместо одного пиримидинового основания — другое пиримидиновое основание (вместо цитозина — урацил).

При сложной замене — трансверсии вместо пуринового основания появляется пиримидиновое или пиримидиновое основание заменяется пуриновым.

Другой процесс — выпадение (делеция) или вставка оснований— ведет к более глубоким изменениям генетического кода, чем простая - замена оснований. Мутационные повреждения в одном участке генома нередко приводят к изме­нению нескольких генетических признаков, имеющих различное фенотипическое проявление (плейотропия).

Мутагенное действие аналогов азотистых оснований (5-бромурацила, 5-фторурацила, 5-йодурацила, 2-аминопурина, 2,6-диаминопурина). Аналоги основании индуцируют мутации только при воздействии на реплицирующиеся молекулы ДНК и РНК. Из этой группы соединений наиболее хорошо изучены 5-бромурацил и 2-аминопурин. Tимин (Т) является урацилом (У), в котором атом водорода (Н) в одной из СН - групп заменен метильной группой (СН₃). Другими словами, тимин — это метилурацил. Однако в урациле этот атом водорода можно заменить и другим атомом, например брома (Вr). В результате такой замены получается новое соединение — бромурацил (БУ), который является аналогом тимина, так как структура основного ядра (кольца) у обоих соединений совершенно одинакова, а различие заключается лишь в одной группе (Вr вместо СН₃).

Мутации, индицируемые алкирующими соединениями. К веществам, под дей­ствием которых основания удаляются из нуклеиновой кислоты, относятся алкирующие соединения — иприт и его аналоги, этиленимин и его аналоги - этилметансульфонат и этилэтансульфонат и др. Они непосредственно взаимодействуют с нуклеи­новыми кислотами, пуринами и главным образом с гуанином, вызывая простые (транзиции) и сложные (трансверсии) замены; из ДНК удаляются пурины (в основ­ном гуанин) и, в зависимости от того, какой нуклеотид встретится напротив бреши при репликации, либо возникает мутация типа замены, либо не возникает ее совсем.

Кроме простых замен (пурин на пурин), алкилирующие агенты способны инду­цировать сложные замены — пурин на пиримидин.

Мутагенное действие гидроксиламина. Гидроксиламин индуцирует мутации по типу образования простых замен оснований в нуклеиновой кислоте, направление которых зависит от типа нуклеиновой кислоты, которую содержит вирус. У ДНК-содержащих вирусов этот мутаген реагирует исключительно с цитозином. При воз­действии на РНК-содержащие вирусы он вступает в реакцию как с цитозином, так и с урацилом, что обусловливает замены цитозина на урацил и наоборот.

Мутагенное действие азотистой кислоты. Среди веществ, химически изменяю­щих основания в покоящейся молекуле нуклеиновой кислоты, наиболее хорошо изучены азотистая кислота и гидроксиламин. Механизм действия азотистой кислоты (HNO₂) как мутагена на нуклеиновые кислоты вирусов заключается в дезаминировании органических оснований, т. е. отщеплении от их молекул аминогруппы (NH₂). В результате действия азотистой кислоты аденин (А) превращается в гипоксантин (Гк), гуанин (Г) — в ксантин (К), а цитозин (Ц) — в урацил (У). Вследствие этой реакции у дезаминированных органических основа­нии возникают новые свойства.

Мутагенное действие повышенной температуры. Влияние повышенной температуры (40—50 °С) обнаружил Фриз в опытах с фагом Т4 и Ю. 3. Гендон при обработке РНК вируса полиомиелита. Температура способ­ствует удалению пуринов (преимущественно гуанина) из ДНК. При репликации такой ДНК напротив бреши, вызванной утратой пурина могут быть включены в реплицирующую нить любые нуклеотиды. Если включится новый тип основания, которого ранее в этом участке не было, может произойти мутация (транзиция или трансверсия).

Мутагенное действие ультрафиолетовых лучей. Действие ультрафиолетовых лучей (УФ) как мутагенов состоит в том, что они взаи­модействуют с молекулами нуклеиновых кислот и поглощаются ими, особенно лучи с длиной волны 260—280 им. Попадая в молекулу нуклеиновой кислоты, они погло­щаются входящими в ее состав органическими основаниями. Оказалось, что тимин (Т), урацил (У) и цитозин-(Ц) более чувствительны к ультрафиолетовым лучам, чем аденин (А) и гуанин (Г). В результате облучения структура указанных пиримидинов изменяется. При облучении УФ-лучами две соседние, молекулы тиминов соединяются друг с другом в пары, образуя так называемые димеры.

Репарации

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.