Тема 2 Принципы классификации вирусов животных, человека и растений

2.1 Основные семейства

2.2 Фитовирусы

2.3 Методы выделения, культивирования и идентификации вирусов

2.1 Основные семейства

Вирусы герпеса. Герпесвирусы Herpesviridae [от греч. herpes, ползучее поражение кожи] – группа сравнительно крупных вирусов диаметром 150–200 нм (рисунок 19 А, Б) и кубическим типом симметрии. Геном представлен двухнитевой молекулой ДНК, содержащей короткий (18 %) и длинный (82 %) компоненты.

А Б

Рисунок 19 – Герпесвирусы:

А – нуклеокапсид вирусной частицы и отходящая на различное от него расстояние оболочка формируют характерную картину «жарящегося яйца»; Б – модель вирусной частицы

Суперкапсиды герпесвирусов образованы фрагментами ядерных мембран (созревание дочерних популяций происходит на внутренней мембране ядер зараженной клетки – рисунок 20) и пронизан гликопротеиновыми шипами. Между нуклеокапсидом и суперкапсидом расположен покровный слой – тегумент.

Аденовирусы. Патогенные для человека вирусы включены в состав рода Mastadenovirus (аденовирусы млекопитающих) семейства Adenoviridae. Аденовирусы организованы по принципу кубической симметрии и не имеют суперкапсида. Геном представлен линейной молекулой двухнитевой ДНК. Средний диаметр вириона равен 60–90 нм. Капсид состоит из 252 капсомеров, 240 из них (гексоны) образуют его грани, 12 (пентоны) – полигональные основания и прикреплённые к нему нити (рисунок 21).

Рисунок 20 – Вирусные частицы (ВЧ) простого герпеса, покидающие ядро инфицированной клетки.Электронная микроскопия, ˟ 40 000

Рисунок 21 – Вид аденовируса при электронной микроскопии (А) (˟ 600000 раз) и его модель (Б)

Паповавирусы. Название вирусов указывает на способность вызывать опухолевые трансформации клеток [па(пиллома) + по(лиома) + ва(куолизирующие) вирусы]. Семейство Papovaviridae включает роды Papillomavirus и Polyomavirus (рисунок 22 А, Б), последние приводят к развитию папиллом и полиом у своих хозяев – различных млекопитающих (в том числе и человека). Геном образует кольцевая ДНК; капсид организован по типу кубической симметрии. Средний размер вирионов 45–50 нм.

А Б

Рисунок 22 – Папилломавирус (А) и полиомавирус (Б) (электронная микроскопия)

Вирусы гепатита В. Вирус гепатита В включён в состав рода Orthohepadnavirus семейства Hepadnaviridae. Вирионы вируса гепатита В сферической формы 42 нм в диаметре имеют суперкапсид. Геном образу­ет неполная (одна нить короче, рисунок 23) двухнитевая кольцевая молекула ДНК. В состав сердцевины также входит ДНК-зависимая ДНК-полимераза. В динамике процесса репродукции вирусная ДНК интегрирует в ДНК клетки. В крови больных гепатитом В циркулируют частицы трёх морфологических типов. Наи­более часто обнаруживают сферические частицы около 22 нм в диаметре; реже − нитевидной формы около 22 нм в диаметре и 50–230 нм в длину. Вирусные частицы этих типов не прояв­ляют инфекционных свойств. Лишь 7 % частиц представлены комплексными двухслойными сферическими образованиями с полной структурой – частицы Дейна (рисунок 24),проявляющие выра­женную инфекционность. Их оболочку на 70 % поверхности образуют белки.

Парвовирусы. Parvoviridae – семейство мелких вирусов, содержащих однонитевую ДНК. Репликация и сборка вирионов происходит в клеточном ядре. Выделяют 3 рода: Parvovirus (типичный вид – вирус крыс Килхэма), Densovirus и род, включающий ассоциирующиеся с тканями миндалин сателлитные вирусы.

Реовирусы. Семейство Reoviridae объединяет 9 родов, включающих виды, патогенные для человека, позвоночных, насекомых и растений. Вирионы сферической формы (диаметр 60–80 нм), обладающие двумя капсидными оболочками, суперкапсид отсутствует. На поверхности наружного капсида находится гемагглютинин. Геном образован сегментированной двухнитевой молекулой -РНК. Нуклеокапсид образован по типу кубической симметрии. Капсид кольцевой формы включает многочисленные белковые шипы, придающие вирусам «пушистый» вид.

Рисунок 23 – Схема строения генома вируса гепатита В

Рисунок 24 – Схема строения частицы Дейна

Тогавирусы. Краснуха – острая инфекция, проявляющаяся кратковременной лихорадкой, мелкопятнис­тым покраснением кожи, увеличением лимфатических узлов и поражением плода у беременных. Вирус краснухи включён в род Rubivirus семейства Togaviridae и является единственным тогавирусом, эпидемиология которого не связана с членистоногими-переносчиками. Зрелые вирионы имеют сферическую форму и диаметр 50–60 нм. Геном образован несегментированной молекулой +РНК. Липидная оболочка суперкапсида содержит гликопротеины, имеющие форму шипов.

Коронавирусы. Семейство Coronaviridae включает один род – Coronavirus, объединяющий вирионы округ­лой или овальной формы диаметром 50–220 нм. Зрелые частицы окружены суперкапсидом, включающим редко расположенные гликопротеиновые шипы, состоящие из тонкой шейки и массивной шаровидной овальной или грушевидной головки, что придаёт им сходство с солнечной короной (рисунок 25).

Рисунок 25 – Модель коронавируса

Вирусный нуклеокапсид представляет собой протяженную, несегментированную, гибкую спираль, содержащую геномную +РНК и большое число молекул фосфорилированного нуклеокапсидного бел­ка N. Вирусная оболочка состоит из липидного бислоя, образующе­гося из внутриклеточной мембраны клетки-хозяина, и двух вирусных гликопротеинов БД и Е2. Матриксный гликопротеин Е1 пронизывает липидный бислой и взаимодейст­вует с нуклеокапсидом внутри вирусной частицы.

У человека коронавирусы вызывают поражения воздухоносных путей (рисунок 26) и желудочно-кишечного тракта.

Рисунок 26 – Микрофотографии поверхностей незараженной клетки и клетки, зараженной коронавирусом. Контрольная клетка (А) имеет гладкую плазматическую мембрану, покрытую многочисленными цилиндрическими микроворсинками. В зара­женной клетке (Б) с плазматической мембраной и микроворсинками» связано большое число сферических вирионов коронавируса

Парамиксовирусы. Все четыре рода семейства Paramyxoviridae включают возбудителей инфекций у человека: род Paramyxovirus – вирусы парагриппа 1- и 3-го типов; род Rubulavirus – вирусы эпидеми­ческого паротита и парагриппа 2- и 4-го типов; род Morbillivirus – вирусы кори и подострого склерозирующего панэнцефалита. Род Pneumovirus – PC-вирус человека. Парамиксовирусы – сферические «одетые» вирусы; средний размер вириона – 100–800 нм. Геном образует линей­ная, несегментированная молекула -РНК. С ней связаны белок NP и полимеразные белки Р и L, образующие нуклеокапсид со спиральной симметрией. Нуклеокапсид окружён матриксным М-белком. Суперкапсид образован двухслойной липидной мембраной, пронизываемой гликопротеиновыми «шипами» HN и F (ответственны за слияние с клеточной мембраной, образование симпластов и проявляющие гемолитическую и цитотоксическую активность). Репликация вирусов полностью реализуется в цитоплазме клеток хозяина.

Рабдовирусы. Рабдовирусы включают возбудителя бешенства (род Lyssavirus семейства Rhabdoviridae). Зрелые вирионы имеют пулевидную форму и размер 75˟180 нм; один конец закруглён, другой плоский. Геном образует однонитевая несегментированная молекула -РНК. Сердцевина вириона симметрично закручена внутри оболочки по продольной оси частицы. Нуклеокапсид дополняют молекулы сердцевинного белка (NP) и вирусной транскриптазы. Нуклеокапсид покрывает суперкапсид, включаю­щий поверхностные гликопротеиновые «шипы». Репро­дукция вируса реализуется в цитоплазме клетки.

Филовирусы. Род Filovirus семейства Filoviridae объединяет палочковидные или нитевидные, ветвящиеся вирусы (лат. filum, нить). Средние размеры вирионов 14˟80 нм. Геном образован молекулой РНК. Нуклеокапсид организован по типу спиральной симметрии и образует тяж, покрытый суперкапсидом с гликопротеиновыми шипами длиной 7–10 нм. Для человека патогенны вирусы геморрагических лихорадок Мáрбург и Эбóла. Заболевание регистрируется в экваториальных и субэкваториальных районах Африки.

Ортомиксовирусы. В состав семейства Orthomyxoviridae включены вирусы гриппа человека (род Influenzavirus А, В и род Influenzavirus С.). Вирусы гриппа ― овальные «одетые» вирусы; вирионы часто имеют неправильную форму; их средний размер составляет 80–120 нм.Геном образован однонитевой молекулой -РНК, состо­ящей из 8 отдельных сегментов. Нуклеокапсид организован по типу спиральной симметрии. Суперкапсид образован липидным бислоем, который пронизывают гликопротеиновые шипы (спикулы) (рисунок 27).

Рисунок 27 – Схема строения вируса гриппа:

1 – спираль рNP; 2 – белки pV1, pV2, pA; 3 – гемагглютинин (500–600 шипов); 4 – нейраминидаза (100–160 шипов); 5 – матриксный белок; 6 – липидный бислой

Репликация ортомиксовирусов первично реализуется в цитоплазме инфицирован­ной клетки; синтез вирусной РНК происходит в ядре.

Наибольшую эпидемическую опасность представляют ви­русы гриппа А, вирус гриппа В вызывает локальные вспышки и эпи­демии, вирус гриппа С − спорадические случаи гриппа.

Буньявирусы. Семейство Bunyaviridae считается крупнейшим по количеству входящих в него вирусов (около 250). Вирионы буньявирусов имеют сферическую форму и диаметр 90–100 нм. Геном образован молекулой -РНК, состоящей из трех сегментов. Нуклеокапсид организован по типу спиральной симметрии. Снаружи нуклеокапсид покрыт двухслойным липидным суперкапсидом, на котором располагаются белковые структуры с гемагглютинирующей активностью, объединенные в форме поверхностной решетки.

В род Bunyavirus входят возбудители энцефалитов. Вирусы рода Phlebovirus вызывают различные москитные лихорадки. Род Nairovirus включает вирус Конго-крымской геморрагической лихорадки, вызывающей заболевания в России, Молдавии, Украине, на Балканах и в Африке.

Аренавирусы. Характерный морфологический признак представителей семейства Arenaviridae – наличие внутри вирусных частиц электронно-плотных зернистых структур, напоминающих песчаные вкрапления (лат. аrenа, песок). Семейство включает один род Arenavirus, представленный округлыми вирионами диаметром 110–130 нм. Геном образует однонитевая молекула -РНК, содержащая пять сегментов. Вирионы содержат транскриптазу, ответственную за синтез комплементарной нити +РНК, исполняющей роль матрицы. Нуклеокапсид окружен суперкапсидом, на котором расположены многочисленные гликопротеиновые булавовидные шипы. Все аренавирусы относятся к экологической группе робовирусов, и все виды патогенны для человека. Наиболее типичны тяжелые геморрагические лихорадки с высокой летальностью, гриппоподобные поражения, реже серозные минингиты.

Ретровирусы. В состав подсемейства Lentivirinae семейства Retro-viridae входит вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Характерные особенности ретровирусов – уникальное строение генома и наличие обратной транскриптазы (РНК-зависимая ДНК-полимераза). Обратная транскриптаза (или ревертаза) обеспечивает обратную направленность потока генетической информации – не от ДНК к РНК, а наоборот, от РНК к ДНК, в связи с чем семейство и получило своё название (англ., retro, обратно).

Зрелые вирионы ВИЧ имеют сферическую форму, их размеры не превышают 100–120 нм в диаметре.Геном образуют две нити +РНК; их связывают белки р6 и р7 (цифра соответствует молекулярному весу в кД). Капсид образует белок р24. Сердцевина вириона име­ет цилиндрическую или конусовидную формы; её формируют белки р18 и р24. В сердцевине располагаются РНК, внутренние белки (р7 и р9), обратная транскриптаза и эндонуклеаза. Матричный белок р17 формирует прослойку между сердцевиной вириона и внешней оболочкой. Суперкапсид образован двойным липидным слоем, который про­низывают гликопротеиновые шипы. Каждый шип состоит из белков gp41 и gpl20 (рисунок 28).

Гликопротеины gp120 локализованы в выступающей части шипа и взаимодействуют с молекулами CD4 на мембранах клеток. Гликопротеины gp41 (белки слияния) располагаются внутри оболочки и обеспечивают её слияние с клеточной мембраной.

Пикорнавирусы. Семейство Picornaviridae [англ. pico, маленький и RNA – РНК] включает 4 рода: Enterovirus, Rhinovirus, Cardiovirus, Aphthovirus. Все представители этого семейства относятся к +РНК-содержащим вирусам. Молекула РНК нефрагментированная, заключена в икосаэдри-ческий капсид, построенный из 60 субъединиц и содержащий 4 уникальных полипептида. Характерной чертой является трансляция вирионой РНК в зараженной клетке с образованием единой полипептидной нити, «нарезаемой» в дальнейшем протеазами с образованием вирусоспецифических белков. Размножаются пикорнавирусы в эпителии желудочно-кишечного тракта и могут поражать эпителиальные клетки дыхательных путей.

Рисунок 28 – Схема строения вируса иммунодефицита человека

Калицивирусы. Род Calicivirus семейства Caliciviridae объединяет вирусы с «голым» кубическим капсидом диаметром 37–40 нм. Геном образован молекулой +РНК. При негативно-контрастной микроскопии на поверхности вирионов обнаруживают 32 чашечковидных вдавления, в связи с чем вирусы и получили свое название (греч. kalyx, чаша). Патогенные для человека виды вызывают гастроэнтериты и гепатиты.

Иридовирусы. Иридовирусы относятся к одноимённому семейству Iridoviridae и роду Iridovirus. В последний включены вирусы радужности насекомых. К семейству Iridoviridae, но к другому предполагаемому роду принадлежит ДНК-содержащий вирус африканской чумы свиней.

Вирусом африканской чумы свиней в природе инфицируются только свиньи (домашние и дикие виды) и мягкие клещи рода Ornithdoros (O. moubata – на юге Сахары в Африке, O. erraticus – в Португалии и Испании). Вирус передается среди клещей трансстадийно, трансовариально и половым путем. Свиньи инфицируются при укусах инфицированными клещами. Болезнь проявляется у домашних и диких европейских свиней.

Иридовирусы пойкилотерных животных выделены только от животных, имеющих водную стадию в цикле своего развития. Большинство иридовирусов насекомых предают синий или бирюзовый цвет инфицированным личинкам.

Вирион икосаэдральной симметрии. Вирусы животных имеют оболочку. Все иридовирусы содержат внутренние липидные мембрано-подобные структуры. Некоторые иридовирусы имеют многочисленные фибры, проходящие через икосаэдрон. Диаметр вирионов 130–170 нм. Это ДНК-геномные вирусы. Молекула ДНК линейная, двуспиральная. Геном иридовирусов позвоночных сильно метилирован.

Собственно вирусы беспозво­ночных представлены семейством Baculoviridae, подсемейством Entomopoxvirinae (семейство Poxviridae) и родами Densovirus (се­мейство Parvoviridae), Iridovirus (семейство Iridoviridae), вируса­ми насекомых семейства Rhabdoviridae, группой вирусов цитоплазменного полиэдроза (семейство Reoviridae) и группой энтеро-вирусов беспозвоночных семейства Picornaviridae.

Фитовирусы

Фитовирусы широко распространены в природе. В разных регионах Земли они поражают самые разнообразные виды растений: дикорастущие и возделываемые, одно- и много­летние, овощные и плодовые культуры, травянистые, кустарни­ки и деревья. Больше всего фитопатогенных вирусов выделено из цветковых растений, из папоротников и голосеменных – в редких (единичных) случаях. Размножаясь, фитопатогенные вирусы вызывают закукливание (рисунок 29 А), цветовую пестролистность, мозаику (рисунок 29 Б), скручивание (рисунок 30), бугристость и другие деформации листьев; локальный и диффузный их некроз; обезображивание плодов; задержку роста растений.

Рисунок 29 – Скручивание листьев хлопчатника (А) и мозаика пшеницы (Б)

Рисунок 30 – Скручивание листьев хлопчатника

Окончательная таксономия фитопатогенных вирусов далека от завершения, что во многом связано с трудностью их выращи­вания in vitro в протопластах клеток растений и однослойных культурах клеток насекомых-переносчиков, в которых не проис­ходит полный цикл их развития.

Лучше всего изучены вирусы экономически важных культур. Среди них выделяют две группы фитопатогенных вирусов: обычные классифицированные вирусы и вироиды [греч.-eides, подобные], или вирусоподобные агенты. Подавляющее большинство классифицированных вирусов растений – РНК-вирусы семейств рабдо- и реовирусов. Исклю­чение составляют изометрические вирусы (50 нм) мозаики цвет­ной капусты и мозаики георгины, содержащие обычную двухцепочечную ДНК и дефектные сателлиты вируса некроза табака и кольцевой пятнистости табака с неполноценным геномом, реп­ликация и созревание которых происходят только в присутствии родительского вируса-помощника.

Группа РНК-вирусов с полноценным геномом насчитывает около сотни видов. Большинство из них вирионы с одноцепочечной линейной цельной РНК. По морфологии их под­разделяют на три подгруппы: а) бациллярные (около 10 видов), отличающиеся таким же поперечником, как и у рабдовируса желтой карликовости картофеля, имеющего размеры 380˟75 нм; б) палочковидные (более 30 видов), поперечник которых не пре­вышает 18 нм, а длина варьирует от 300 нм, как у вируса табач­ной мозаики (ВТМ) и близких ему вирусов зеленой крапчатости мозаики огурца, кольцевой пятнистой орхидеи, мозаики подо­рожника и гороха, до 1250 нм, как у вирусов желтой свеклы и пятнистого некроза гвоздики; в) изометрические (более 30 ви­дов), в диаметре не превышающие 30 нм, типичными предста­вителями которых являются вирусы мозаики костра, крапчато­сти коровьего гороха, мозаики огурца, некротической кольцевой пятнистости сливы, кольцевой пятнистости табака, желтухи яч­меня, кустистой карликовости томата, желтой мозаики турнепса.

К вирусам с двухцепочечной сегментированной РНК относят вирус раневой опухоли, геном которого состоит из 11 фрагментов, сходные с ним вирусы карликовости кукурузы и риса, сахарного тростника островов Фиджи и измельченности початков кукурузы.

Классификация вирусов растений не поднялась пока выше создания родов. Кроме вирусов растений, вошедших в семейство Reoviridae (роды Phytoreovirus и Fijivirus), и рабдовирусов растений, насчитывается свыше 20 групп (родов) вирусов, поражающих высшие растения. Отли­чительной особенностью многих вирусов растений является раз­общенный геном, фрагменты которого находятся в различных вирионах. Для репликации таких ви­русов необходимо, чтобы в клетке присутствовали вирионы, несу­щие в сумме полный набор генома.

Фитовирусы, содержащие геномные РНК: Carlavirus – группа вируса латентной мозаики гвоздики, Comovirus – группа вируса мозаики коровьего гороха, Cucumovirus – группа вируса огуречной мозаики, Nepovirus – группа вируса кольцевой пятнистости табака, Potexvirus – группа ХВК (вирус Х картофеля), Tobamovirus – группа вируса табачной мозаики, Tobravirus – группа вируса погремковости табака, Tombusvirus – группа вируса кустистой карликовости томатов, Tymovirus – группа вирусов желтой мозаики турнепса, Closterovirus – группа вируса желтухи свеклы, Hordeivirus – группа вируса штриховатой мозаики ячменя, Luteovirus – группа вируса желтой карликовости ячменя, Ilarvirus – группа изометрических лабильных вирусов концевых пятнистостей.

Фитовирусы, содержащие ДНК: Caulimovirus – группа вируса мозаики цветной капусты.