Начнем с определения: «Вирус – инфекционный агент, способный воспроизводиться только внутри живых клеток».
Вирус не является живым, потому его называют в большинстве определений агент, частица, неклеточная форма жизни, субмикроскопическое образование, инфицирующий комплекс, или даже «чрезвычайно сложная молекулярная структура»– «организм на краю жизни».
Вирусы — не самые простые сущности «на краю жизни», существуют вириоиды – инфекционные агенты, состоящие только из кольцевой РНК, есть плазмиды – молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные к автономной репликации. Если первые являются инфекционными агентами, то вторые – суть информация, способная изменять фенотип клеток-хозяев (бактерий). Еще дальше на краю жизни притаились прионы – инфекционные агенты, являющиеся белковой молекулой без генетического материала.
Вернемся к вирусам, пропустим три основные гипотезы их возникновения, всю эволюцию вирусов и рассмотрим подробно ретровирус из рода лентивирусов – вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).
ВИЧ – сферическая структура размером около 100 нм. Для сравнения: диаметр эритроцита около 10000 нм. Представьте, что мы увеличили человеческую ресничку в диаметре до высоты здания МГУ, а вы подошли к этому зданию и приложили ладонь – в данной пропорции вы бы могли как раз накрыть ей один вирус иммунодефицита. Кстати, потому мы и не видим вирусы в оптический микроскоп. Длины волн видимого света больше размеров вирусов, 380-750 нанометров, и увидеть объекты, меньшие этой величины, при помощи оптического микроскопа невозможно, так как волна огибает объект, а не отражается от него.
Для понимания масштабов явлений и сущностей попробуйте инструмент Cell Size and Scale, University of UtahGenetic Science Learning Center.
Оболочка вируса (суперкапсид) сферической формы, она покрыта двухрядной липидной мембраной (бислой), которую вирус «крадет» у мембраны клетки, из которой он вышел. Внешняя белковая часть оболочки также преимущественно «краденая» у клетки-хозяина, лишь белки gp120 и gp41 в ней вирусные. Вирусный белок gp120 возвышается над поверхностью, а gp41 пронизывает бислой и связан с gp120. Внутренняя поверхность суперкапсида выстлана вирусным белком gp17, который выполняет структурную функцию, его еще называют матриксным белком.
Схема: Thomas Splettstoesser, 2014 (www.scistyle.com). Перевод: hiv.plus.
Внутри сферы суперкапсида находится еще одна оболочка – капсид, он состоит из белковых молекул p24 (белки называют по их молекулярной массе) и представляет из себя усеченный конус. Между внешней сферической оболочкой и капсидом хранится вирусный белок – протеаза ВИЧ. Внутри капсида упакован генетический материал вируса и еще пара важных вирусных белков – обратная транскриптаза и интеграза.
Генетический материал вируса представлен двумя идентичными копиями одноцепочечной вирусной РНК – так надежнее и быстрее, это отличительная черта ретровирусов. Длина каждой цепочки чуть больше 9000 пар нуклеотидных оснований – всего 9,4Кб данных (±0,2Кб). Лишь 9 генов (Gag, Pol, Env, Tat, Rev, Vif, Vpr, Vpu и Nef), которые кодируют 15 белков. Мы опускаем множество деталей, которые вряд ли пригодятся нам для понимания материала, изложенного далее.
Итого: несколько слоев оболочки, в которые упакованы две молекулы РНК и три ключевых вирусных белка-фермента: протеаза (белок p11), обратная транскриптаза (p66) и интеграза (p32). Лишь один вирусный белок gp120 расположен непосредственно на поверхности этой «упаковки».
Прекрасная визуализация ВИЧ, объединившая данные более 100 научных работ, выполнена в 2010 году российскими специалистами из компании Visual Science (изображение, использованное выше). Крайне рекомендуем к изучению или просто ознакомлению с визуализационными моделями, хотя бы потому, что это очень красиво.
После того, как новая вирусная частица ВИЧ покинула клетку, она в среднем существует в целостном состоянии около 8 часов, а период полураспада (время, за которое распадается 50% вирионов) составляет примерно 6 часов.
Сценарий репликационного цикла вируса зависит и от типа клетки, которую он инфицировал. Например, приблизительно 50% ВИЧ, проникающие в покоящиеся CD4+ Т-лимфоциты, разрушаются еще до завершения обратной транскрипции – в покоящихся CD4-клетках замедление или блокировка репликации выражена максимально.
Рекомендуемое видео к теме: "HIV Life Cycle Activities". HHMI. Русские субтитры hiv.plus. Открыть видео на Youtube.
- Perelson AS, Neumann AU, Markowitz M, Leonard JM, Ho DD. HIV-1 dynamics in vivo: virion clearance rate, infected cell life-span, and viral generation time. Science. 1996 Mar 15;271(5255):1582-6. PMID: 8599114.
- Zhou Y, Zhang H, Siliciano JD, Siliciano RF. Kinetics of human immunodeficiency virus type 1 decay following entry into resting CD4+ T cells. J Virol. 2005 Feb;79(4):2199-210. PMID: 15681422.
- Preston BD, Poiesz BJ, Loeb LA. Fidelity of HIV-1 reverse transcriptase. Science. 1988 Nov 25;242(4882):1168-71. PMID: 2460924.
Репликационный цикл и точки приложения антиретровирусных агентов. Адсорбция и фузия – Часть II →