Взаимодействие вируса с клеткой хозяина, репродукция вирусов

Вирусы растений распространяются, как правило, с помощью насекомых и нематод (круглые черви). Сосущие насекомые (например, цикады) переносят вирусы вместе с соком, который они высасывают из клеток флоэмы или эпидермиса. Также вирусы могут передаваться потомству через семена и споры.

 

 

Вирусные РНК или ДНК, попав в клетку-хозяина, начинают самовоспроизводиться (удваиваться). Вирус инактивирует ДНК хозяина, а ферменты совсем расщепляют ее. Затем по программе и-РНК вируса на рибосомах клетки синтезируются специфические вирусные белки, после чего осуществляется процесс самосборки новых вирусных частиц (нуклеиновые кислоты одеваются белковой оболочкой). Таким образом, вирус становится внутриклеточным паразитом на генетическом уровне. После размножения новое поколение вирионов(до 1000) выходит из клетки, разрушая ее (иногда не разрушая) и заражает другие (здоровые) клетки. Вирусная ДНК может также встраиваться в геном клетки-хозяина и размножаться дальше как составная часть хромосомы.

 

Ученые считают, что вирусы возникли около 3 млрд. лет назад из нуклеиновых кислот организмов (прокариотов) в результате выделения из генома свободных фрагментов, которые приобрели способность синтезировать белковую оболочку и делится (удваиваться, реплицироваться) внутри клеток. Высказывается мнение, что новые типы вирусов и сейчас образуются из генома бактерий иэукариот (ядра, пластид, митохондрий).

 

В природе вирусы имеют большое значение, так как они распространены повсеместно и поражают все группы живых организмов, часто вызывая различные заболевания.

 

Известно более 1000 заболеваний растений, вызванных вирусами (РНК-содержащие). Наиболее распространены различныенекрозы (участки мертвой ткани),мозаики (пятна, крапинки, полосы на органах растений), при которых повреждаются ткани паренхимы, уменьшается количество хлоропластов, разрушается флоэма и т.д.; наблюдается морщинистость или карликовость листьев. Вирусы вызывают задержку роста растений, что приводит к снижению урожаев.

 

ВЖМТ – вирус желтой мозаики турнепса, ВТМ –вирус табачной мозаики, ВККТ –вирус карликовой кустистости томатов.

 

Появление полосок на цветках некоторых сортов тюльпанов (пестрые) также обусловлено вирусом, а ведь цветоводы продают эти тюльпаны, выдавая их за особый сорт.

 

У животныхвирусы (ДНК- и РНК-содержащие) вызывают такие заболевания, как:ящур (у крупного рогатого скота),бешенство (у собак, лисиц, волков),миксоматоз (у крыс),саркома, лейкоз ичума(у кур) и т.д. Очень часто заражаются этими болезнями и люди (при контактах с зараженными животными).

 

У человекавирусы вызывают такие заболевания, как:оспа(вирус натуральной оспы),свинка(парамиксовирус),грипп(миксовирус),респираторныезаболевания(ОРЗ; риновирусы РНК-),инфекционный гепатит,полиомиелит(детский паралич; пикорнавирус),бешенство,герпес,СПИД(вирус иммунодефицита человека – ВИЧ).

 

Грипп – единственное инфекционное заболевание, которое проявляется в виде периодических глобальных эпидемий, опасных для жизни человека. Инфекционные свойства вируса гриппа (поражает слизистые оболочки дыхательных путей), как и других вирусов, зависят от специфических белков вирусной оболочки, которые постоянно изменяются в результате рекомбинаций или мутаций. Поэтому новые штаммы вируса гриппа вызывают новые эпидемии, так как у человека не выработался пока к ним иммунитет.

 

Так, зимой 1968/69 г. в США было зарегистрировано 50 млн. случаев гонконгского гриппа, при этом 70 000 человек погибло. Эпидемия 1918/19 г. охватила весь земной шар, проходила в виде трех волн и унесла 20 млн. человеческих жизней.

 

Вирусные заболевания с трудом поддаются лечению, поскольку вирусы не чувствительны к антибиотикам. К счастью, во многих случаях иммунная система ограничивает дальнейшее распространение инфекции.

 

Многочисленные вирусные заболевания человека и животных возможно предупредить путем иммунизации– проведения профилактических прививок, которые позволяют вырабатывать иммунитет против вирусов.

 

Человеком вирусы широко используются в микробиологических исследованиях (биотехнология, генная инженерия). Возможно использование вирусов для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

 

В США с хлопковой совкойэффективно борются с помощью вируса. Данный метод борьбы практически безвреден – вирус, как правило, видоспецифичен (т.е. поражает только определенный вид организма).

 

Также установлено, что, например, вирус некротической мозаики рисаподавляет рост риса. А вот другие растения, например,джут(источник грубых волокон для мешков и канатов), лучше растут, когда поражены этим вирусом, чем в здоровом состоянии. Этот феномен ученые пока объяснить не могут.

 

Бактериофаги поражают бактерии (проникают внутрь и активно их разрушают), в том числе и болезнетворные. Поэтому возможно их использование для предупреждения и лечения многих инфекционных заболеваний, для борьбы с болезнетворными бактериями: чумой, брюшным тифом, холеройи др.

45. Убиквитарность бактерий, разнообразие их физиологических свойств и адаптивных механизмов.

Убиквитарность – вездесущность.

Изначальное формирование микросред, которое лежит в основе убиквитарности, связанно именно с бактериями. С деятельностью бактерий связано формирование кислородной атмосферы. С бактериями связан стартовый процесс обмена и переноса генетической информацией. Бактерии являлись и до сих пор являются катализаторами циклов, связанных с азотом и углеродом (с основами жизни). Кроме того, бактерии хорошие, важные, лежат в основе всей дальнейшей жизни, которая возникла на заре формирования мира, но до сих пор бактерии активно участвуют в поддержании существования данного мира. В том числе, бактерии являются продуцентами парниковых компонентов в атмосфере. Двуокись углерода, оксиды азота, озон. Кроме того, деятельность бактерий связана с проблемой азотофиксации, восстановление сульфатов, образование метана. Убиквитарность связана с разнообразием свойств бактерий.

Реакция на стрессовые воздействия

В процессе эволюции бактерии, так же как и любые другие живые организмы, приспособились к существованию в условиях. не вполне оптимальных, а иногда и таящих опасность для жизни. Токсические вещества, неблагоприятная температура, рН, облучение в пределах, определяемых видовой или штаммовой чувствительностью организма, не препятствуют нормальному существованию бактерий. Резкие изменения условий в неблагоприятную сторону приводят к отмиранию клеток. Однако при некоторых воздействиях, которые обычно обозначают как сублетальные, клетки не погибают сразу, но оказываются травмированными. Их дальнейшая судьба в значительной степени зависит от условий, в которые они окажутся. У травмированных клеток во многих случаях нарушаются барьерные функции мембран, наблюдается выход в среду некоторых метаболитов, нарушается синтез белка, возникают нарушения в структуре ДНК. Некоторые условия, вполне благоприятные для развития нормальных бактерий. могут быть гибельными для травмированных клеток. Так, например, бактерии, подвергнутые сублетальному температурному шоку, осмотическому шоку и ряду других воздействий, гибнут на средах с повышенной концентрацией солей, совершенно не опасной для нормальных клеток, или на средах с поверхностно-активными соединениями, также в концентрациях, не влияющих на рост нормальных клеток.

Травмированные клетки, помещенные в благоприятные условия, способны репарировать, т. е. исправлять повреждения различных структур. Наибольшее внимание исследователей в последнее время было привлечено к изучению механизмов восстановления повреждений ДНК. Известно, что для репарации функций мембран требуется значительное время, и их восстановление связано с синтезом белка и РНК, а иногда необходим и синтез фосфолипидов. В различных случаях благоприятные для репарации условия могут в корне различаться. Например, иногда репарация идет лучше в богатых, а иногда в бедных средах. Это справедливо и для репарации повреждений ДНК.

Известен ряд систем репарации повреждений ДНК. Эти системы специфичны не в отношении тех или иных воздействии, но в отношении определенных нарушений структуры ДНК. Поскольку определенные воздействия преимущественно вызывают характерные для них нарушения структуры, при воздействии разными излучениями, мутагенами и т. п. ведущее значение приобретают те или иные системы репарации.

Фотореактивация наблюдается при освещении клеток видимым или ближним УФ-светом и состоит в разрезании пиримидиновых димеров в ДНК. Процесс фотореактивации связан с действием фермента фотолиазы, являющейся флавопротеином. Фотолиаза связывается с пиримидиновыми димерами; активация фермент-субстратного комплекса светом длиной волны 300—600 нм приводит к мономеризации димеров. Наряду с описанной прямой имеет место непрямая фотореактивация с пиком в области 340 нм. Этот эффект не связан с расщеплением димеров. Сниженние эффекта УФ-облучения в этом случае объясняется задержкой роста бактерий, в результате чего удлиняется период протекания репарационных процессов. Непрямая фотореактивация, таким образом, не связана с работой каких-либо специальных репарационных систем.

Эксцизионная репарация состоит в удалении поврежденного участка ДНК одной цепи и восстановлении нормальной последовательности оснований по матрице оснований на комплементарной цепи. Вырезание повреждений осуществляется либо непосредственно эндонуклеазой, которая узнает нарушения, либо последовательным действием гликозилазы и анурин/апиримидиновой эндонуклеазы (АР-эндонуклеазы).

Рекомбинациоиная репарация, т. е. репарация, включающая рекомбинацию, у Е. coli. представлена двумя типами. Во-первых, это репарация, при которой заполняется пробел в последовательности оснований во вновь синтезированной цепи на месте поврежденного участка. Этот процесс определяется по крайней мере четырьмя генами. Во-вторых, существует процесс связанного с репликацией восстановления двунитевых разрывов в ДНК, возникающих под действием УФ, ионизирующей радиации, митомицина, тоже определяемый активностью нескольких генов.

Травмированные клетки не просто восстанавливают в меру своих возможностей причиненные им повреждения. Под влиянием сублетальных воздействий неблагоприятных факторов происходят перестройки в процессах обмена веществ в клетке, имеющие очевидное адаптивное значение. Более того, оказывается, что воздействие неблагоприятных условий нередко вызывает ответную реакцию клетки, еще не приводя к каким-либо нарушениям ее структуры. Принято говорить, что клетки, подвергшиеся неблагоприятным воздействиям, находятся в состоянии стресса. В различных случаях это состояние может быть связано или не связано с нарушениями клеточных структур, т. е. клетки могут быть или не быть травмированы. Воздействия которые приводят клетки в состояние стресса, определяют как стрессорные. Понятие стресса было сформулировано применительно к организмам, имеющим нервную систему, поэтому некоторые исследователи считают недопустимым применение этого термина к бактериям. Однако в современной микробиологической литературе термины «стресс» и «стрессор» используются очень широко.

В зависимости от природы стрессора и характера причиненных повреждений реакция клетки может быть различной. К настоящему времени у кишечных бактерий выявлено пять регултяторных систем ответа на стрессовые воздействия:

1) «строгий контроль»;

2) SOS-ответ;

3) адаптивный ответ;

4) синтез белков теплового шока;

5) ответ на окислительный стресс.

Во всех перечисленных случаях происходят глубокие перестройки метаболизма с участием клеточных гормонов, получивших название алармонов (фр. alarme—тревога). Перечисленные системы находятся под контролем соответствующих генов и взаимосвязаны.

Система строгого контроля включается главным образом в ответ на исключение из среды необходимых клетке аминокислот, источника углерода, солевой шок, инактивацию аминоацилтРНК-синтетаз, падение температуры (по крайней мере у некоторых термофильных бактерии). В данном случае клетки необязательно должны быть травмированы. Положительный контроль предполагает включение системы при накоплении продукта регуляторного гена. В результате снижается синтез фосфатидилэтаноламина, а соответственно и мембранных липидов, снижается синтез нуклеотидов. Снижение уровня метаболизма способствует выживанию клетки в условиях, не допускающих сбалансированный обмен.

Система SOS-ответа включается при разнообразных нарушениях в структуре ДНК или в системах ее репликации. Для развития SOS-ответа существенное значение имеет образование однонитевой ДНК. Эта система работает, например, после УФ-облучения, воздействия различными химическими мутагенами. В состав SOS-системы входит ген lex А, продуктом которого является белок Lex A - репрессор ряда генов, и ген rec А, кодирующий полифункциональный белок Rеc А. Белок Rеc А, активированный сигналом-индуктором SOS-системы, приобретает свойства протеазы и инактивирует репрсссорный белок Lex A. В результате разрушения белка Lex А снимается репрессия по крайней мере с 17 генов.

Ген lex А авторегулируемый, т. е. репрессируется собственным продуктом, это обеспечивает постоянство концентрации белка Lex A в процессе размножения бактерий. 80% Lex A-белка разрушается за три минуты после УФ-облучения.

В процессе SOS-oтвета можно выделить три фазы. Первая—характеризуется подавлением синтеза ДНК и ее частичной деградацией в ответ на образование белка Rec А. Во вторую фазу синтез ДНК протекает с нормальной скоростью, но вновь синтезируемая ДНК содержит пробелы, которые восстанавливаются в процессе пострепликативной или рекомбинационной репарации.

При переходе к третьей фазе SOS-ответа в клетках начинается нормальный синтез ДНК, завершаются процессы репарации ДНК. Клетки переходят к нормальному росту.

Наличие SOS-системы обнаружено у различных представителей семейства Enterobacteriaccae, у Streptococcus faecalis, Bacillus subtulis. У последней при SOS-ответе, кроме всего прочего, развивается компетентное состояние клеток, т. е. они приобретают способность воспринимать экзогенную ДНК в процессе генетической трансформации.

Система адаптивного ответа клетки - индуцибельная антимутагенная система репарации. Облучение и мутагены в низких дозах вызывают снижение частоты мутаций при последующих воздействиях. Облучение в дозе 12,5—50 рад в состоянии проявить защитный эффект в отношении последующего массированного облучения в дозах порядка 2-103 рад. Частота мутаций у Е. coli возрастает эффективно лишь в первый момент инкубации в присутствии мутагена нитрозогуанидина. По мере инкубации в присутствии мутагена частота мутаций падает, причем после индукции этой антимутагенной функции клетки становятся устойчивыми к нитрозогуанидину в концентрации в 100 раз выше первоначальной. При удалении нитрозогуанидина из культуральной среды через четыре часа индуцибельная антимутагенная функция полностью исчезает. Количество первичных нарушений ДНК при действии системы адаптивного ответа не изменяется, эффект зависит от индуцибельного репарационного процесса. Индукция системы происходит при копцентрациях мутагенов в 10—100 раз меньших, чем необходимые для проявления их мутагенного действия. Система адаптивного ответа непосредственно не связана с SOS-системой; эти сисстемы индуцируются различными воздействиями. Так, УФ-облучение вызывает SOS-ответ, но не адаптивный ответ.

Синтез белков теплового шока (БТШ) вызывается сублетальным температурным шоком. При этом наблюдается быстрое изменение скорости синтеза большинства из 1000 белков, выявляемых в клетках Е. coli при помощи двухмерного электрофореза, Синтез некоторых белков прекращается, тогда как синтез БТШ усиливается более чем в 20 раз. Тепловой шок приводит к угнетению синтеза белка в результате снижения уровня транскрипции рибосомальных белкой, кодируемых S 10-опероном.

Синтез БТШ может быть вызван воздействием этанола, УФ-облучением, вирусной инфекцией. Способность к синтезу БТШ обнаружена у разнообразных про- и эукариот.

Ответ па окислительный стресс исследован у Е. coli и Salmonella typhimurium. Клетки экспоненциально растущей культуры S. typhimurium, обработанные в течение 1 ч 60 мМ перекисью водорода, приобретают устойчивость к 100 мМ перекиси; для необработанных клеток такая концентрация перекиси летальна.

Как и ответы на другие стрессорные воздействия, система ответа на окислительный стресс находится под контролем специального гена, в данном случае оху R. Клетки, приобретшие устойчивость к перекиси, становятся устойчивыми и к тепловому шоку, однако тепловой шок не стимулирует устойчивости к перекисям.

Диссоциация бактерий - это расщепление однородной популяции на варианты, различающиеся морфологическими, физиологическими, биохимическими и биолологическими свойствами, причем у разных видов и даже у разных штаммов одного вида бактерии их свойства могут быть различны. Диссоциация отличается от случайных мутаций высокой частотой возникновения вариантов и их взаимным переходом— 10-2 - 10-4.

Диссоциацию наблюдают прежде всего у патогенных бактерии: пневмококков, стафилококков, сальмопелл, дизентерийных бактерии, туберкулезных микобактерий и др. Особое внимание ветеринарных и медицинских микробиологов этот процесс привлекает потому, что с изменением характера колонии связано изменение вирулентности и антигенных свойств микроорганизма. Диссоциация – один из приспособительных механизмов бактерий.

Многие авторы ведущую роль в диссоциации отводят фаговой конверсии, т. е. считают, что изменчивость бактерий здесь регулируется геномом профага. Так, для Mycobacterium lacticolum было показано, что R-, S- и М-варнанты отличаются по характеру встройки профага в геном клетки. При эгом возможные переходы форм вызываются перестройкой профага, присутствующего во всех трех вариантах. При обработке клеток М-варианта веществами, элиминирующими плазмиды, акридиновым оранжевым или бромистым этиднем, половина возникающих клонов S-типа теряла способность к диссоциации и приобретала чувствительность к соответствующему фагу.

Очевидно, что диссоциация бактерий, постоянно идущая в природных популяциях бактерий, создает фенотипическое разнообразие форм на единой генетической основе, что имеет большое приспособительное значение. Выживают и накапливаются варианты, наиболее приспособленные к конкретным условиям окружающей среды.

Бактериоцины —это белки, приводящие бактерии того же вида или близкородственных видов к гибели. Бактериоцины бактерий обозначают в соответствии с названиями соответствующих организмов. У Е. coli—это колицины, у Serratia marcescens—марцесцилы, У Klebsiella pneumoniae—пневмоцины и т. п.

Одна группа колицинов кодируется генами, находящимися в крупных конъюгативных плазмидах. Колицины другой группы кодируются мелкими плазмидами и представляют собой низкомолекулярные термостабильные белки.

Молекулы колицина адсорбируются на поверхности чувствительных, т. е. не содержащих данную плазмиду бактерий. Иногда достаточно одной молекулы адсорбированного на поверхности клетки колицина, чтобы убить клетку. Низкомолекулярные колицины проникают внутрь клетки. Механизмы гибели бактерий под действием колицинов различны. Некоторые колицины нарушают функции цитоплазматической мембраны, другие действуют на ДНК или рибосомы.

Продуценты колицинов получают преимущества в кишечнике животных, но не обладают способностью полностью элимимнировать чувствительные клоны.

Обладая огромной численностью популяций и выработанными эволюцией механизмами изменчивости и диффузии генетических детерминант, большинство бактериальных видов находится в состоянии постоянного адаптационного движения в соответствии с изменяющимися условиями среды, будь то организмы или элементы неживой природы.

Некультивируемые формы патогенных бактерий. При переходе во внешнюю среду из организма человека или животного, или при резком изменении условий существования в этой среде патогенные бактерии с помощью различных сенсорных и регуляторных механизмов перестраивают работу своего генетического аппарата, что позволяет им сохранять свою жизнеспособность. Но что происходит, если крайне неблагоприятные условия сохраняются и индукция стрессовых генов не в состоянии спасти клетку? В настоящее время накоплено достаточно данных, свидетельствующих о способности неспорообразующих бактерий к длительному существованию во внешней среде в виде клеток со значительно сниженной метаболической активностью, не обнаруживаемых традиционными методами лабораторного культивирования на питательных средах. Подобное состояние покоя с временной потерей воспроизводимости у грамотрицательных бактерий, впервые обнаруженное в лаборатории R.Colwell, было предложено называть не культивируемым (НС), а сами бактерии в таком состоянии ''не культивируемыми формами" (НФ). В настоящее время способность к переходу в не культивируемое состояние обнаружена у широкого круга микроорганизмов.

Взаимодействия патогенных бактерий с простейшими. Свободноживущие простейшие - обязательный компонент почвенных и водных экосистем, где они разнообразны и весьма многочисленны. Любые бактерии могут оказаться жертвами простейших, в частности амеб и инфузорий, которым они служат пищей. Указывается, например, что выедание простейшими - одна из основных причин снижения численности бактерий кишечной группы в водоемах.

С самого начала внутриклеточного существования иерсиний, псевдомонад, листерий и эризипелотриксов они дифференцируются на три неравновеликие части: значительное количество бактерий переваривается в фагосомах; другая часть подвергается L-трансформации (сферопласты, протопласты); наконец, отдельные бактериальные клетки сохраняются неизмененными, размножаясь внутри тетрахимен. Происходящая таким образом селекция и последующее размножение устойчивых к перевариванию бактерий в организме инфузорий способна компенсировать гибель других микробных клеток. Этот механизм, очевидно, и обеспечивает поддержание численности и устойчивое существование патогенных бактерий в ассоциации с простейшими, что выявлено при анализе их популяционной динамики. Если же фагоцитоз простейшими носит завершенный характер, исход межпопуляционных взаимодействий противоположен - бактерии быстро элиминируются из ассоциации с простейшими, как это видно на примере стафилококков.

Эти закономерности внутриклеточного паразитизма патогенных бактерий в инфузориях могут сказываться не только на динамике численности бактериальной популяции, но и на уровне вирулентности возбудителя, которая также является популяционным признаком.

При незавершенном характере фагоцитоза в организме инфузорий неизменно остаются неповрежденные бактерии, которые делятся, в дальнейшем покидая фагосомы и разрушая клетку-хозяина. В окружающей среде они могут захватываться новыми особями простейших, и цикл взаимодействия повторяется; вследствие этого доля вирулентных (устойчивых к фагоцитозу) бактериальных клеток в общей популяции может возрастать, что подтверждено в опытах с иерсиниями, псевдоманадами, листериями и эризипелотриксами.