Рэплікацыя віруса ў клетках гаспадара
Вірусы — гэта мікраскапічныя інфекцыйныя агенты, якія не могуць выжываць і размнажацца самастойна. У адрозненне ад бактэрый або грыбоў, якія маюць свае ўласныя метабалічныя сістэмы, вірусы амаль цалкам залежаць ад клетак гаспадара для вытворчасці новых кампанентаў. Такім чынам, працэс рэплікацыі віруса — працэс, з дапамогай якога вірусы капіююць свой генетычны матэрыял і збіраюць новыя вірусныя часціцы — заўсёды адбываецца ўнутры клеткі гаспадара. Разуменне стадый рэплікацыі віруса мае вырашальнае значэнне ў біялогіі, медыцыне і грамадскім здароўі, паколькі многія стратэгіі прафілактыкі і лячэння распрацаваны для інгібіравання аднаго з ключавых этапаў гэтага цыклу.
Асноўная структура вірусаў і іх залежнасць ад гаспадара
У цэлым, вірусы складаюцца з генетычнага матэрыялу (нуклеінавай кіслаты), які можа быць ДНК або РНК, абароненага бялковай абалонкай, якая называецца капсідам. Некаторыя вірусы маюць дадатковы пласт, абалонку, атрыманую з мембраны клеткі гаспадара, абсталяваную паверхневымі бялкамі для прымацавання да клетак-мішэняў. Вірусам не хапае рыбасом, мітахондрый або поўных метабалічных ферментаў. Такім чынам, для размнажэння вірусы павінны "захапіць" клетачны апарат гаспадара, у тым ліку ферменты рэплікацыі, сістэмы транскрыпцыі-трансляцыі і крыніцы энергіі і сыравіны.
Нягледзячы на тое, што вірусы вельмі адрозніваюцца, іх цыкл рэплікацыі можна зразумець праз некалькі ключавых этапаў: адсорбцыя (прымацаванне), пранікненне (уваход), вызваленне абалонкі (вызваленне генетычнага матэрыялу), рэплікацыя і сінтэз бялку, зборка і вызваленне. Варыяцыі залежаць ад тыпу віруснага геному (ДНК/РНК, адналанцуговы/двухланцуговы) і наяўнасці або адсутнасці абалонкі.
1. Адсорбцыя: прымацаванне віруса да клеткі гаспадара
Першым крокам у рэплікацыі з'яўляецца адсорбцыя, працэс, з дапамогай якога вірус распазнае і прымацоўваецца да паверхні клеткі-гаспадара. Гэта прымацаванне не выпадковае; вірусы валодаюць спецыялізаванымі бялкамі (напрыклад, шыпападобным у некаторых абалончаных вірусаў), якія звязваюцца са спецыфічнымі рэцэптарамі на клеткавай мембране. Гэтыя рэцэптары могуць быць бялкамі, глікапратэінамі або іншымі кампанентамі на паверхні клеткі.
Спецыфічнасць звязвання віруса з рэцэптарам вызначае трапізм віруса, гэта значыць, якія тыпы клетак або тканін ён можа заразіць. Напрыклад, некаторыя вірусы могуць заразіць толькі клеткі дыхальных шляхоў, таму што неабходныя рэцэптары ў вялікай колькасці знаходзяцца толькі ў гэтай тканіне. Гэта адна з прычын, чаму вірус можа атакаваць пэўныя органы і выклікаць характэрныя сімптомы.
2. Пранікненне: трапленне віруса ў клетку
Пасля прымацавання вірус павінен пранікнуць у клетку. Спосабы пранікнення адрозніваюцца ў залежнасці ад тыпу віруса:
1. Зліццё мембран: у вірусаў з абалонкай вірусная абалонка можа злівацца з мембранай клеткі-гаспадара, так што нуклеакапсід трапляе ў цытаплазму.
2. Эндацытоз: клеткі «глытаюць» вірусы, утвараючы везікулы (эндасомы). Шматлікія вірусы выкарыстоўваюць гэты шлях, як абалонкавыя, так і неабалонкавыя.
3. Ін'екцыя генетычнага матэрыялу: распаўсюджана ў бактэрыяфагаў (вірусаў, якія заразляюць бактэрыі). Вірус прымацоўваецца да клеткавай сценкі бактэрыі, а затым уводзіць сваю нуклеінавую кіслату ў клетку.
Гэтая стадыя пранікнення часта з'яўляецца мішэнню для распрацоўкі лекаў, таму што калі вірус не пранікае, цыкл інфекцыі не можа працягвацца.
3. Зняцце пакрыцця: вызваленне віруснага генетычнага матэрыялу
Пасля траплення ў клетку (альбо ў цытаплазму, альбо ў эндасому), вірус падвяргаецца агаленню, гэта значыць вызваленню капсіда, што робіць яго генетычны матэрыял даступным для рэплікацыі. У некаторых вірусаў змены pH унутры эндасомы выклікаюць змены формы бялкоў капсіда, што прыводзіць да вызвалення віруснага геному. У іншых вірусаў ферменты клеткі-гаспадара або ўласныя ферменты віруса дапамагаюць агаляць капсід.
Зняцце абалонкі — найважнейшы этап: калі геном не вызвалены належным чынам, рэплікацыя не адбудзецца. Больш за тое, на гэтым этапе ахоўная сістэма клеткі можа пачаць выяўляць прысутнасць віруса, напрыклад, праз чужародныя РНК/ДНК-сенсары, якія выклікаюць прыроджаны імунны адказ.
4. Рэплікацыя геному і сінтэз віруснага бялку
Наступны этап — гэта сутнасць рэплікацыі: вірус выкарыстоўвае клетку-гаспадара для рэплікацыі свайго геному і вытворчасці вірусных бялкоў. Механізм у значнай ступені залежыць ад тыпу віруснага геному.
а. ДНК-вірусы
Многія ДНК-вірусы пранікаюць у ядро клеткі-гаспадара, выкарыстоўваючы ферменты рэплікацыі ДНК і транскрыпцыйны механізм клеткі. Вірусная ДНК транскрыбуецца ў мРНК РНК-палімеразай гаспадара, якая затым трансліруецца ў вірусныя бялкі рыбасомамі. Некаторыя буйныя ДНК-вірусы маюць уласныя ферменты, што робіць іх больш самадастатковымі, але ім усё роўна патрэбныя клетачныя рэсурсы.
б. РНК-вірусы
РНК-вірусы звычайна рэплікуюцца ў цытаплазме, таму што ў клетках чалавека няма ферментаў, якія могуць рэплікаваць РНК з РНК. Таму РНК-вірусы звычайна нясуць або кадуюць фермент РНК-залежную РНК-палімеразу (RdRp). Гэты фермент стварае копіі віруснай РНК і выпрацоўвае мРНК для сінтэзу бялку.
РНК-вірусы могуць быць:
– Адналанцуговая РНК з станоўчым сэнсам (+): яе геном можа функцыянаваць непасрэдна як мРНК і адразу транслюецца.
– Адналанцуговая РНК з адмоўным сэнсам (-): спачатку павінна быць скапіявана ў РНК з пазітыўным сэнсам, каб быць трансляванай.
– Двухланцуговая РНК (дцРНК): для атрымання мРНК патрабуецца спецыяльны фермент.
в. Рэтравірус
Рэтравірусы маюць РНК-геном, але выкарыстоўваюць фермент зваротнай транскрыптазы для пераўтварэння РНК у ДНК. Затым гэтая ДНК інтэгруецца ў геном клеткі-гаспадара з дапамогай фермента інтэгразы. Пасля інтэграцыі вірусны генетычны матэрыял можа быць як «спакойным», так і актыўным, ствараючы новыя мРНК і вірусныя геномы. Гэты механізм інтэграцыі ўскладняе поўнае знішчэнне рэтравірусных інфекцый.
Акрамя рэплікацыі геному, клеткі гаспадара таксама вымушаныя выпрацоўваць структурныя бялкі (капсід, абалонкавыя бялкі) і неструктурныя бялкі (рэплікацыйныя ферменты, пратэазы, рэгуляторныя фактары). Многія вірусы выпрацоўваюць бялкі ў выглядзе доўгіх поліпратэінаў, якія затым расшчапляюцца на функцыянальныя адзінкі віруснымі пратэазамі.
5. Зборка і паспяванне
Пасля таго, як геном і бялкі сфарміраваны, вірус пераходзіць у фазу зборкі. Капсідныя бялкі збіраюцца ў пэўныя структуры (напрыклад, ікасаэдрычныя або спіральныя), адначасова ўпакоўваючы вірусны геном. Гэты працэс можа адбывацца ў цытаплазме або ядры, у залежнасці ад віруса.
Некаторым вірусам патрабуецца стадыя паспявання, каб стаць інфекцыйнымі. Паспяванне можа ўключаць расшчапленне бялку пратэазамі, змены канфармацыі капсіда або даданне дадатковых кампанентаў. Без паспявання атрыманыя вірусныя часціцы могуць выглядаць цэлымі, але не здольныя заразіць наступныя клеткі.
6. Вызваленне новых вірусаў з клетак гаспадара
Заключны этап — вызваленне вірыёнаў (поўных вірусных часціц) з клеткі для заражэння іншых клетак. Механізмы ўключаюць:
1. Лізіс клетак: клетка разрываецца і гіне, вызваляючы адразу шмат вірыёнаў. Распаўсюджана пры безабалонкавых вірусах і некаторых вострых інфекцыях, якія пашкоджваюць тканіны.
2. Пупышкаванне: вірусы з абалонкай узнікаюць, захопліваючы частку мембраны клеткі-гаспадара ў якасці абалонкі. Гэты працэс не заўсёды адразу забівае клетку, але можа парушыць яе функцыі і выклікаць запаленне.
3. Экзацытоз: некаторыя вірусы выкарыстоўваюць сакрэторны шлях клеткі для выхаду праз везікулы.
Гэты цыкл можа быць хуткім (ад гадзін да дзён) або павольнейшым і можа суправаджацца латэнтнай фазай, у залежнасці ад характарыстык віруса і рэакцыі гаспадара.
Уплыў рэплікацыі віруса на клеткі і арганізм
Рэплікацыя віруса можа выклікаць пашкоджанне клетак некалькімі спосабамі: знясільваючы клетачныя рэсурсы, пашкоджваючы мембраны і арганэлы, запускаючы запраграмаваную гібель клетак (апаптоз) або выклікаючы імуналагічны стрэс. На ўзроўні тканін пашкоджанне і запаленне прыводзяць да сімптомаў захворвання.
З іншага боку, імунная сістэма спрабуе спыніць рэплікацыю з дапамогай інтэрферонаў, натуральных клетак-кілераў, антыцелаў і цытатаксічных Т-клетак. Аднак вірусы маюць розныя стратэгіі ўхілення, такія як інгібіраванне сігналізацыі інтэрферону, хуткая мутацыя або хаванне ў латэнтнай фазе.
Рэплікацыя як мішэнь для тэрапіі і прафілактыкі
Шмат якія супрацьвірусныя прэпараты прызначаны для ўздзеяння на пэўныя стадыі, напрыклад:
– перашкаджае пранікненню вірусаў,
– інгібіруе ферменты рэплікацыі (RdRp, зваротную транскрыптазу),
– інгібіруе пратэазы, каб прадухіліць паспяванне,
– перашкаджае вызваленню вірыёнаў.
Вакцыны працуюць у першую чаргу шляхам падрыхтоўкі імуннай сістэмы да хуткага распазнавання віруса, перш чым ён пачне некантралюема размнажацца. З дапамогай нейтралізуючых антыцелаў і моцнай рэакцыі Т-клетак можна прадухіліць прымацаванне, пранікненне або шырокае распаўсюджванне віруса.
Закрыццё
Рэплікацыя віруса ў клетках гаспадара — гэта карпатлівы, шматэтапны працэс, ад прымацавання да вызвалення новых вірыёнаў. Нягледзячы на тое, што вірусы здаюцца «простымі», іх здольнасць выкарыстоўваць клетачныя сістэмы робіць іх вельмі эфектыўнымі ў распаўсюджванні і выкліканні хвароб. Разуменне гэтых механізмаў рэплікацыі мае не толькі акадэмічнае значэнне, але і фундаментальнае значэнне для распрацоўкі супрацьвірусных прэпаратаў, вакцын і стратэгій барацьбы з успышкамі. Арыентуючыся на крытычныя моманты жыццёвага цыклу віруса, людзі могуць паменшыць уплыў інфекцый і палепшыць устойлівасць грамадскага здароўя.
