Как уже отмечалось, вирусная частица состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белка. Белковая оболочка, которая окружает нуклеиновую кислоту, называется капсидом. Капсид каждого вируса со-
стоит из отдельных субъединиц - капсомеров. Капсиды некоторых ви- рионов окружены дополнительной мембраной. Если вирус имеет такую мембрану, то говорят, что он «в оболочке» или окружен суперкапсидом, при отсутствии мембраны вирус называют «раздетым» или «голым».
Капсид чаще всего имеет симметричное строение, при котором различают два типа симметрии - спиральную и кубическую.
При спиральной симметрии капсида вирусная нуклеиновая кислота образует спиральную (или винтообразную) фигуру, полую внутри, и субъединицы белка (капсомеры) укладываются вокруг нее тоже по спирали (трубчатый капсид) (рис. 26). Примером вируса со спиральной симметрией капсида является вирус табачной мозаики, который имеет палочковидную форму длиной 300 нм и диаметром 15 нм. В состав вирусной частицы входит одна молекула РНК размером около 6 тыс. нуклеотидов. Капсид состоит из 2 тыс. идентичных субъединиц белка, уложенных по спирали.
При кубической симметрии вирусная нуклеиновая кислота уложена плотно (свернута в клубок), а белковые молекулы окружают ее, образуя многогранник (икосаэдр). Икосаэдр - многогранник с 20 треугольными гранями, имеющий кубическую симметрию и приблизительно сферическую форму (рис. 27). К икосаэдрическим вирусам относятся вирус простого герпеса, реовирусы и др.
В зависимости от типа симметрии вирусы подразделяют на вирусы со спиральным, кубическим типом симметрии и сложные вирусы, которые имеют оба типа симметрии и состоят из икосаэдрической головки и хвоста. Примером сложных вирусов являются колифаги Т2, Т4 (т. е. бактериофаги, инфицирующие клетки бактерий E. coli) и др. У некоторых сложных вирусов икосаэдрический капсид включает в себя трубчатый нуклеокапсид.
Кроме того, вирусы подразделяют на две группы по наличию в вирусной частице той или иной нуклеиновой кислоты:
ДНК-содержащие, имеющие в качестве генетического материала либо одно-, либо двухцепочечную ДНК, которая может быть как линейной, так и кольцевой. Примером ДНК-содержащих вирусов являются ко- лифаги Т2, Т4, X ; вирус простого герпеса; вирус оспы и др.
РНК-содержащие вирусы, генетическая информация которых представлена РНК. РНК также может быть как одно-, так и двухцепочечной. Вирусы с одноцепочечной РНК можно разделить, в свою очередь, на два типа: с «плюс»-цепью РНК и с «минус»-цепью РНК. У вирусов первого типа цепь РНК может функционировать в клетке-хозяине непосредственно как информационная РНК, тогда как у вирусов второго типа на «минус»-цепи должна синтезироваться сначала с помощью клеточных РНК-полимераз «плюс»-цепь РНК, которая и служит информационной РНК. Примером РНК-содержащих вирусов являются реовиру- сы, вирус гриппа, ретровирусы и др.
В зависимости от организма хозяина выделяют вирусы, инфицирующие животных и человека, растения и микроорганизмы.
Вирусы растений иначе называются фитопатогенными вирусами. Эти вирусы попадают внутрь растительных клеток через поражения растительной ткани или с помощью переносчиков насекомых либо нематод. Фитопатогенные вирусы вызывают у растений множество болезней, особенно большой вред приносят вирусы, поражающие картофель.
У человека вирусы вызывают множество заболеваний, включая оспу, грипп, корь, свинку, инфекционный гепатит, желтую лихорадку, полиомиелит, герпес, бешенство, СПИД, раковые заболевания и др. Многие вирусные заболевания у человека и животных можно предупредить путем иммунизации. Вирусные заболевания трудно поддаются лечению, так как вирусы не чувствительны к большинству известных антибиотиков. Вирусы животных и человека передаются контактным путем, с помощью насекомых-переносчиков, а также через объекты окружающей среды.
Вирусы бактерий называются бактериофагами (фагами). Вероятно, в природе не существует бактерий, которые не были бы чувствительными к одному из типов бактериофагов.
Строение бактериофагов можно рассмотреть на примере колифага Т4, электронная микрофотография которого была получена одной из первых. Этот бактериофаг, как и все Т-четные колифаги, относится к сложным вирусам, т. е. он состоит из икосаэдрической головки диаметром 650 А, длиной 950 А и отростка, или хвоста (рис. 28). В капсиде головки находится плотно упакованная двухцепочечная линейная ДНК и фермент транскриптаза в неактивном состоянии. Отросток фага имеет сложное строение. В нем различают полый стержень, покрытый сократимым чехлом, который заканчивается базальной пластинкой с шипами и нитями. Все структуры отростка имеют белковую природу. В области базальной пластинки находится фермент - бактериофаговый лизоцим, способный разрушать муреин клеточной стенки бактерий. Здесь же имеется АТФаза, которая регенерирует энергию для сокращения чехла отростка бактериофага.
Некоторые изученные бактериофаги имеют более простое строение. В зависимости от формы зрелых фаговых частиц различают следующие морфологические типы бактериофагов:
состоящие из икосаэдрической головки и спирального хвоста с сократимым чехлом (Т-четные колифаги);
состоящие из икосаэдрической головки и длинного гибкого несократимого отростка (колифаги Т1 и Т5);
нитчатые бактериофаги (колифаг fd);
состоящие из икосаэдрической головки с коротким несократимым отростком (колифаги Т3 и Т7, фаг Р22 бактерий Salmonella typhimurium).
Большинство бактериофагов содержит двухцепочечную ДНК, но охарактеризованы и бактериофаги с одноцепочечной ДНК (колифаг М13) и с одноцепочечной РНК (колифаги fr, Q?, R17).
В зависимости от особенностей размножения в чувствительной клетке бактериофаги подразделяются на две группы: вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги всегда лизируют зараженные ими бактерии и имеют только один путь развития - литический цикл. Умеренные фаги могут вести себя двояко: после проникновения в клетку нуклеиновая кислота фага либо вовлекается в литический цикл, либо вступает с клеткой- хозяином в своего рода симбиотические отношения, т. е. встраивается в хромосому бактериальной клетки и превращается в профаг, передаваясь всему потомству данной клетки (лизогенный путь). Бактерии, которые содержат профаг, называются лизогенными (рис. 29).
Рассмотрим взаимодействие вирулентных фагов с чувствительной клеткой хозяином на примере колифага Т4.
При смешивании взвеси фаговых частиц с суспензией бактерий фаговые частицы в результате случайных столкновений с клетками бактерий прикрепляются к последним (адсорбируются). Адсорбция происходит на рецепторах, имеющихся в наружной мембране бактерий E. coli. За адсорбцией следует стадия инъекции, или введения ДНК, в клетку. Бакте- риофаговый лизоцим разрушает клеточную стенку бактерий и с затратами энергии, регенерируемой АТФазой, происходит сокращение чехла бактериофага. При этом прокалывается цитоплазматическая мембрана, полый стержень входит в бактериальную клетку и ДНК фага впрыскивается в нее.
Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки: прекращается синтез бактериальной ДНК, РНК и белков. ДНК бактериофага начинает транскрибироваться с помощью собственного фермента транскриптазы, который после попадания в бактериальную клетку активируется. Синтезируются сначала ранние, а затем поздние
иРНК, которые поступают на рибосомы клетки-хозяина, где синтезируются ранние (ДНК-полимеразы, нуклеазы) и поздние (белки капсида и хвостового отростка, ферменты лизоцим, АТФаза и транскриптаза) белки бактериофага. Репликация ДНК бактериофага происходит по полукон- сервативному механизму и осуществляется с участием собственных ДНК-полимераз.
После синтеза поздних белков и завершения репликации ДНК наступает заключительный процесс - созревание фаговых частиц или соединение фаговой ДНК с белком оболочки и образование зрелых инфекционных фаговых частиц. Созревание Т-четных фагов - сложный много
ступенчатый процесс. Сначала образуются капсиды, наполненные внутри белками. После растворения этих внутренних белков готовые головки заполняются ДНК в определенном количестве, зависящем от типа фага, и закрываются. На завершающей стадии происходит присоединение компонентов отростка и образуются зрелые фаговые частицы, которые после лизиса клетки-хозяина под действием лизоцима бактериофага высвобождаются. Оказавшись во внешней среде, они могут адсорбироваться на чувствительных клетках и повторять весь процесс инфекции. Литиче- ский цикл фага Т4 длится обычно 25 мин.
Развитие умеренных фагов (лизогения) подробно охарактеризовано для колифага X. Это сложный фаг, содержащий линейную двухцепочечную ДНК. На 5'-конце каждой ее цепи имеется одноцепочечная последовательность из 12 нуклеотидов - так называемые липкие концы (
Далее, как правило, эта кольцевая молекула бактериофаговой ДНК не приступает к транскрипции, а встраивается в бактериальную хромосому. Установлено, что гены фага X кодируют синтез четырех регуляторных белков, один из которых репрессорный белок с1 (кодируется геном с1) блокирует развитие событий литического цикла, а антирепрессорный белок Cro (кодируется геном его), наоборот, запускает их. После поступления ДНК фага X в клетку выбор между литическим и лизогенным путем развития зависит от относительной скорости накопления регуляторных белков: если преобладает антирепрессорная функция белка Cro, то развиваются события литического цикла, если успевает проявиться функция репрессорного белка с1, литический цикл не осуществляется, так как белок с1 связывается с ДНК фага X в особых участках, препятствуя транскрипции фаговых генов.
Встраивание ДНК фага X в бактериальную хромосому осуществляется согласно интегративной модели А. Кемпбелла. Этот процесс называется сайт-специфической рекомбинацией, так как встраивание ДНК фага X осуществляется в одном и том же месте (сайте) между генами gal и bio и не зависит от гесА-системы бактериальной клетки.
За интеграцию ДНК фага X ответствен фермент - лямбда-интеграза. Этот фермент узнает две разные последовательности: одну в хромосомной ДНК (attX), а другую - в ДНК фага (b2), с последующим разрывом молекул ДНК и их перекрестным воссоединением.
Завершением процесса является то, что ДНК фага X реплицируется с клеточной ДНК как единая структура, и все дочерние клетки при делении получают копию фаговой ДНК в составе хромосомы. Подобные клетки называются лизогенными, а ДНК фага X в них - профагом.
Состояние лизогении, поддерживаемое благодаря постоянному образованию белка-репрессора с1, довольно неустойчиво: в любой момент может произойти переключение на литический путь из-за проявления антирепрессорных функций белка Сго. Показано, что в популяции лизо-
2 5
генных бактерий в одной из 10-10 клеток происходит спонтанная индукция профага и запускается литический цикл и такие клетки подвергаются лизису. Эффективность данного процесса зависит как от состояния бактерии-хозяина, так и от действия разнообразных физических и химических факторов. Индукторами перехода лизогения ^ литический цикл являются ультрафиолетовое излучение, митомицин С, алкилирую- щие агенты, для некоторых фагов также и изменение температуры.
Явление индукции профага очень важно учитывать при составлении многокомпонентных заквасок для получения молочнокислых продуктов. Если среди штаммов, входящих в такие закваски, окажутся лизогенные и нелизогенные, но чувствительные к фагу, обусловившему лизогению бактерий, то произойдет явление фаголизиса (т. е. гибели клеток), очень опасное для молочной промышленности. Следует отметить, что фаголи- зис может быть обусловлен и вирулентными фагами, попадающими в технологические потоки при плохой организации производства. Явление фаголизиса также может наблюдаться и в процессе микробного синтеза аминокислот, что значительно снижает рентабельность этих отраслей биотехнологии.
Суммируя вышеизложенное, можно констатировать, что умеренные бактериофаги могут находиться в трех состояниях: в свободном состоянии в виде частиц - вирионов; в состоянии профага; в вегетативном (активном) состоянии, когда бактериофаг способен вызывать лизис бактериальной клетки (табл. 5).
Кроме того, что наличие профага является потенциально летальным для лизогенной бактерии фактором, делает ее иммунной к заражению гомологичным фагом, он может сообщать клетке-хозяину и другие признаки. Преобретение новых признаков, обусловленных профагом, называется фаговой или лизогенной конверсией. Лизогенная конверсия может затрагивать такие важнейшие свойства бактерий как морфология их колоний, биохимические признаки, способность синтезировать токсины или антибиотики, устойчивость к лекарственным препаратам и др. Это явление хорошо изучено у некоторых болезнетворных бактерий.
Таблица 5
Отличительные свойства состояний умеренных бактериофагов
Свойства
Вирион
Профаг
Вегетативный фаг
Наличие специфической нуклеиновой кислоты
+
+
+
Репликация нуклеиновой кислоты
-
Вместе с бактериальной хромосомой
+
Синтез фаговых белков
-
-
+
Способность к заражению
+
-
-
Способность вызывать лизис клетки
-
-
+
Например, показано, что способность дифтерийной палочки (Coryne- bacterium diphtheriae) синтезировать сильнейший дифтерийный токсин детерминируется геном tox+, а активность этого гена в свою очередь зависит от присутствия в бактериальной клетке в состоянии профага специфического фага ?. Известно, что бактерии Clostridium botulinum - возбудители ботулизма, синтезируют смертельный токсин только при лизо- генизации их специфическими бактериофагами.
