ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИРУСА С КЛЕТКОЙ — ЭКЛИПС, РЕПЛИКАЦИЯ И СОЗРЕВАНИЕ

Общая картина взаимодействия вируса с клеткой, вырисовывающая­ся при анализе результатов исследований,  выглядит следующим образом.

Эклипс

В результате контакта между вирусной частицей и чувствительной клеткой наблюдается серия реак­ций, ведущих к появлению внутри клетки, свободного генетического ма­териала вируса. Следовательно, в этот момент инфицирующие вирионы перестают существовать как организованные структуры. Поскольку инфекционность генетического материала вируса, т. е. его свободной ну­клеиновой кислоты, как правило, во много раз меньше инфекционности цельной вирусной частицы, освобождение вирусного генома и введение его внутрь клетки-хозяина сопровождается уменьшением или исчезно­вением инфекционности. Инфекционность не обнаруживается в течение так называемого скрытого периода инфекции. Это явление, наблюдаемое при любой вирусной инфекции, получило название эклипса, а период, в течение которого отсутствует инфекционность, периода эклипса.

Репликация вирусов

Истинные вирусы никогда не репродуцируются так, как клетки, е. путем увеличения их размеров, сопровождающегося делением. Размножение вирусов происходит путем репликации генетического мате­риала. Основные события, имеющие место при репликации вирусов, про­исходят на том же биохимическом уровне, что и репликация макромолекулярных компонентов клетки, обладающих генетической непрерыв­ностью, т. е. нуклеиновых кислот и органелл клетки.

Проникновение нуклеиновой кислоты вируса в клетку в процессе ее заражения может происходить различными путями. Так, у фагов этот процесс, т. е. освобождение ДНК и ее последующая инъекция сквозь обо­лочку бактериальной клетки, происходит непосредственно на поверхно­сти этой клетки сразу же после прикрепления к ней фага. В других случаях в результате взаимодействия внешней оболочки вируса с плаз­матической мембраной в цитоплазму клетки сначала целиком про­никает внутренний капсид вируса, и лишь затем происходит освобожде­ние генома, т. е. нуклеиновой кислоты, от белков капсида. При некоторых других вирусных инфекциях, например при заражении клеток вирусом осповакцины, сначала весь вирион, прикрепившийся к поверхности клет­ки, окружается выпячивающейся клеточной мембраной, в результате чего этот вирион в конце концов оказывается внутри клеточной вакуо­ли. Дальнейший процесс освобождения вирусной нуклеиновой кислоты идет при активном участии самого вируса, индуцирующего образование в клетке ферментов и активаторов ферментов, необходимых для депротеинизации вирусной нуклеиновой кислоты. Несколько вирионов в одной клетке могут активно кооперироваться при осуществлении этих процессов.

Как только вирусный геном—носитель генетической информации ви­руса — освободится от белка, он может быть использован, во-первых, для репликации и, во-вторых, для индукции биосинтеза специфических соединений. Репликация, однако, начинается лишь в том случае, если предварительно выполнены соответствующие условия, для чего может потребоваться осуществление ряда этапов. Одним из таких условий яв­ляется достижение вирусным геномом соответствующего участка клетки. Например, у одного из миксовирусов, а именно у вируса гриппа, ранняя стадия репродукции происходит в ядре, что, вероятно, вызвано специфи­ческими условиями освобождения вирусной РНК из нуклеокапсида. Ча­сто предварительным условием репликации является образование в клет­ке новых ферментов. Например, для того чтобы началась репликация ДНК вируса оспы (этот процесс происходит в цитоплазме клетки-хозяи- на), необходимо, чтобы сначала синтезировались ферменты, катализи­рующие синтез ДНК. Было показано, что «фабрики», производящие цель­ные вирионы вируса оспы, также образуются в цитоплазме. Близ­кая по характеру ситуация имеет место при синтезе ДНК некоторых фагов. Было показано, что для синтеза ДНК таких фагов необхо­дим ряд ферментов, отсутствующих в незараженной бактерии-хозяине, в связи с чем в этих случаях обязательным условием синтеза фаго­вой ДНК является предварительная индукция синтеза этих фермен­тов.

Удивительная ситуация возникает при репродукции РНК-содержа­щих вирусов, требующей предварительного синтеза специфических и идентичных РНК-репликаз. Имеются убедительные доказательства, что репродукция многих РНК-содержащих вирусов происходит без предва­рительного образования ДНК-реплики. Так, например, было показано, что ингибирование синтеза ДНК не оказывает какого-либо отрицатель­ного действия на репродукцию РНК-содержащих вирусов. С по­мощью метода отжига было также установлено, что РНК вирусов, по- видимому, не обнаруживает гомологии в отношении к ДНК клетки-хо­зяина.

До сих пор в незараженных клетках не были обнаружены фермен­ты, способные катализировать независимый от ДНК синтез РНК. Име­ются веские основания полагать, что такой процесс существовать не мо­жет. Поэтому можно прийти к выводу, что в клетках, зараженных РНК- содержащими вирусами, синтез ферментов, необходимых для репликации вирусной РНК (РНК-репликаз), генерируется самими ви­русами.

Очевидно, что в упомянутых выше случаях вирусный геном должен обеспечить стимул, а часто и структурную генетическую информацию, требуемую для биосинтеза новых ферментов. Если вирус содержит до­статочно большое количество генетического материала, то возможность выполнения им подобной совокупности функций представляется вполне реальной. Например, крупные фаги и вирионы вирусов группы оспы со­держат количество ДНК, вполне достаточное для кодирования синтеза полипептидных цепей пятидесяти, а быть может, и большего числа раз­личных белков. Интересный вопрос возникает, однако, в связи с репродукцией наиболее мелких вирусов, ДНК или РНК кото­рых имеют молекулярный вес порядка 10⁶ далътон. Генетическая инфор­мация, содержащаяся в таких вирусах, в состоянии обеспечить синтез лишь очень небольшого числа белков. Поскольку одна аминокислота (средний молекулярный вес аминокислот составляет примерно 110 даль- тон) кодируется тремя нуклеотидами (молекулярный вес трех нуклеоти­дов составляет примерно 1000 дальтон, а трех нуклеотидных пар — 2000 дальтон), отношение молекулярного веса нуклеиновой кислоты к молекулярному весу кодируемого ею белка для одноцепочечных ДНК или РНК равно 9 : 1, а для двухцепочечной ДНК— 18:1. Следовательно, реализация комплекса функций, выполняемых в клетке-хозяине такими мелкими вирусами, зависит от активности очень небольшого числа генов.

В качестве примера крайней ситуации, при которой нуклеиновая кислота вируса содержит крайне незначительное количество генетиче­ской информации, можно привести репродукцию вируса-сателлита ви­руса некроза табака, фактически представляющего собой «субвирус». РНК этого вируса-сателлита состоит всего из 1200 нуклеотидов, а харак­терный для него капсид построен из белковых субъединиц, каждая из которых состоит из 400 аминокислотных остатков. Очевидно, что ко­личество генетической информации, содержащейся в РНК этого вируса- сателлита, не превышает необходимой для синтеза его капсида, а для какой-либо дополнительной информации в РНК этого вируса просто не остается места! Следовательно, либо при репродукции данного вируса функцию РНК-репликазы выполняет белок капсида, либо эту функцию выполняют какие-то иные компоненты, доставляемые в клетку извне. И действительно, этот вирус является «паразитом», или сателлитом, дру­гого РНК-содержащего вируса — вируса некроза табака, обладающего, по-видимому, неспецифической РНК-репликазой.

Как только в клетке возникают благоприятные условия, вирусная нуклеиновая кислота начинает реплицироваться. Иногда репликацию удается выявить по косвенным признакам. Одним из таких признаков является, например, эктопическое образование ДНК, имеющее место, в частности, при размножении вирусов группы оспы, происходящем, как известно, в цитоплазме. Однако непосредственным доказательством та­кой репликации является увеличение содержания в клетке экстрагируе­мой инфекционной нуклеиновой кислоты или нуклеиновой кислоты, об­ладающей специфическим химическим составом, характерным для дан­ной вирусной нуклеиновой кислоты. Впрочем, вирусная нуклеиновая кислота, находящаяся в репликативной форме, по своей структуре дей­ствительно может отличаться от нуклеиновой кислоты, выделяемой из вирионов. Так, например, фаги, в вирионах которых содержится одноце почечная ДНК, при репродукции индуцируют образование двухцепочеч ных структур, служащих промежуточной репликативной формой. У некоторых фагов линейная молекула ДНК вириона при репродукции в клетке-хозяине превращается в молекулу, имеющую форму замкнутого кольца, или индуцирует образование длинных цепей ДНК.

Несмотря на то что возникновение контактов между несколькими копиями нуклеиновой кислоты одного и того же или родственных виру­сов может привести к генетической рекомбинации, вирусный геном в про­цессе размножения вируса не распадается на отдельные фрагменты. Ре­зультаты, полученные при изучении генетических рекомбинаций у фагов и вирусов животных, показывают, что последовательность расположения генетических детерминантов в вирусном геноме сохраняется, даже если’ и имеет место некоторая реорганизация, аналогичная наблюдаемой на­ми в генетическом материале высших организмов (делеции, инверсии и даже перенос генов клетки-хозяина в геном вируса). И действительно, включение генома фага в геном клетки-хозяина, наблюдаемое у лизоген­ных бактерий, представляет собой один из примеров генетической пере­стройки.

Согласно одному из наиболее важных обобщений, вирусная нуклеи­новая кислота во время репликации не связывается со специфическими белками или иными веществами, содержащимися в зрелых вирионах. В самом деле, бурная репликация вирусной нуклеиновой кислоты может иметь место даже в том случае, когда биосинтез белка полностью пред­отвращен, например при действии химических ингибиторов биосинтеза белка. Обычно, когда биосинтез белков капсида только начинается, реп­ликация вирусной нуклеиновой кислоты уже давно находится в полном разгаре. Благодаря синтезу этих белков накапливается фонд предшест­венников, служащих источником материала, используемого при сборке капсида. Образование капсида является, по-видимому, конечной стадией процесса в том смысле, что вновь синтезированная нуклеиновая кислота, заключенная в капсид, внутри той же клетки, как правило, не освобож­дается. Следовательно, при сборке капсида вирусный геном удаляется из реплицирующейся популяции. Внешние оболочки в тех случаях, когда они имеются у вириона, присоединяются к капсиду позднее, что происхо­дит часто при физическом контакте капсида с внутриклеточными мем­бранами или с плазматической мембраной клетки.

В один и тот же капсид или внешнюю оболочку вируса могут вклю­чаться белки, детерминированные геномами различных вирусов. Это явление было названо фенотическим смешиванием. В результате фенотического смешивания образуются частицы, у которых специфич­ность, определяемая белками вириона, отличается от специфичности со­держащегося в них генома.

Созревание вируса

Комплекс явлений, ведущих к включению вирусного генома в капсид и к завершению формирования вириона, на­зывается созреванием.

Конечным этапом репродукции вируса является либо лизис клетки-хозяина, сопровождаемый выходом полностью сформированных вирио­нов во внешнюю среду, либо выталкивание вируса во внешнюю среду вместе с частью цитоплазмы, либо, наконец, выход из клетки единичных вирионов или небольших их групп. Вместе с целыми вирусными части­цами во внешнюю среду могут выходить как не полностью сформиро­ванные вирионы, так и их отдельные компоненты. Вся совокупность со­бытий, ведущих к образованию зрелых вирионов и выходу их во внеш­нюю среду, называется продуктивным циклом. Некоторые вирусы живот­ных с трудом выделяются из клетки во внешнюю среду. Выход таких вирусов из клеток и их распространение по организму хозяина осуществ­ляется благодаря захвату фагоцитами убитых вирусом клеток и их пе­ревариванию.