Вирус

Вирус
SARS-CoV-2 , представитель подсемейства Coronavirinae
Классификация вирусов
(без рейтинга):	Вирус
Царства
Дуплоднавирия Моноднавирия Рибовирия Вариднавирия

Вирус является субмикроскопическим инфекционным агентом , который реплицируется только внутри живых клеток в качестве организма . ^[1] Вирусы заражают все виды форм жизни , от животных и растений до микроорганизмов , включая бактерии и археи . ^[2] Так как Ивановский «ы статья , описывающая 1 892 не-бактериальный патоген заражение растений табака и открытие вируса мозаики табака путем Бейеринк в 1898 году, ^[3]более 6000 видов вирусов были подробно описаны ^[4] из миллионов типов вирусов в окружающей среде. ^[5] Вирусы обнаруживаются почти в каждой экосистеме на Земле и являются наиболее многочисленным типом биологических объектов. ^{[6] [7]} Изучение вирусов известно как вирусология , узкая специализация микробиологии .

При заражении клетка-хозяин вынуждена быстро производить тысячи идентичных копий исходного вируса. Когда не внутри инфицированной клетки или в процессе инфицирования клетки, вирусы существуют в виде независимых частиц, или вирионов , состоящий из: (I) генетического материала , т.е. длинных молекул из ДНК или РНК , которые кодируют структуру белки, с помощью которых действует вирус; (ii) белковая оболочка, капсид , которая окружает и защищает генетический материал; и в некоторых случаях (iii) внешняя оболочка из липидов . Формы этих вирусных частиц варьируются от простых спиральных.от икосаэдрических форм к более сложным структурам. У большинства видов вирусов вирионы слишком малы, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп , поскольку они составляют сотую часть размера большинства бактерий.

Происхождение вирусов в эволюционной истории жизни неясно: некоторые, возможно, произошли от плазмид - фрагментов ДНК, которые могут перемещаться между клетками, - в то время как другие, возможно, произошли от бактерий. В эволюции вирусы являются важным средством горизонтального переноса генов , который увеличивает генетическое разнообразие аналогично половому размножению . ^[8] Некоторые биологи считают вирусы формой жизни, поскольку они несут генетический материал, воспроизводятся и развиваются посредством естественного отбора., хотя им не хватает ключевых характеристик, таких как клеточная структура, которые обычно считаются необходимыми критериями для жизни . Поскольку они обладают некоторыми, но не всеми такими качествами, вирусы были описаны как «организмы на грани жизни» ^[9] и как саморепликаторы . ^[10]

Вирусы распространяются разными способами. Один путь передачи - через болезнетворные организмы, известные как переносчики : например, вирусы часто передаются с растения на растение насекомыми, которые питаются соком растений , такими как тля ; а вирусы у животных могут переноситься кровососущими насекомыми. Вирусы гриппа передаются при кашле и чихании. Норовирус и ротавирус , являющиеся частыми причинами вирусного гастроэнтерита , передаются фекально-оральным путем , передаются из рук в рот, с едой или водой. Инфекционная дозаноровируса, необходимого для заражения человека, составляет менее 100 частиц. ^[11] ВИЧ - один из нескольких вирусов, передающихся половым путем и через инфицированную кровь. Разнообразие хозяйских клеток, которые вирус может заразить, называется его « кругом хозяев ». Он может быть узким, что означает, что вирус способен заразить несколько видов, или широким, что означает, что он способен заразить многие. ^[12]

Вирусные инфекции у животных вызывают иммунный ответ, который обычно устраняет инфекционный вирус. Иммунные ответы также могут быть вызваны вакцинами , которые придают искусственно приобретенный иммунитет к конкретной вирусной инфекции. Некоторые вирусы, в том числе те, которые вызывают СПИД, инфекцию ВПЧ и вирусный гепатит , уклоняются от этих иммунных ответов и вызывают хронические инфекции. Разработано несколько противовирусных препаратов .

Этимология

Это слово происходит от латинского среднего vīrus, обозначающего яд и другие ядовитые жидкости, из той же индоевропейской основы, что и санскритская via , авестийская vīša и древнегреческая ἰός (все означает «яд»), впервые засвидетельствованная на английском языке в 1398 году в Иоанна Trevisa в переводе Бартоломей Английский в Де Proprietatibus гегит . ^{[13] [14]} Вирулент , от латинского virulentus (ядовитый), датируется ок. 1400. ^{[15] [16]}Значение слова «агент, вызывающий инфекционное заболевание» впервые упоминается в 1728 году ^[14], задолго до открытия вирусов Дмитрием Ивановским в 1892 году. Множественное число английского языка - вирусы (иногда также vira ), ^[17] тогда как латинское слово - массовое существительное , которое никогда не классический засвидетельствовано множественное число ( Vira используется в нео-латыни ^[18] ). Прилагательное « вирусный» датируется 1948 годом. ^[19] Термин « вирион» (множественное число вирионов ) датируется 1959 годом, ^[20]также используется для обозначения одной вирусной частицы, которая высвобождается из клетки и способна инфицировать другие клетки того же типа. ^[21]

История

Луи Пастер не смог найти возбудителя бешенства и предположил, что патоген слишком мал, чтобы его можно было обнаружить с помощью микроскопа. ^[22] В 1884 году французский микробиолог Чарльз Чемберленд изобрел фильтр Чемберленда (или фильтр Пастера-Чемберленда) с порами, достаточно маленькими, чтобы удалить все бактерии из раствора, прошедшего через него. ^[23] В 1892 году русский биолог Дмитрий Ивановский использовал этот фильтр для изучения того, что сейчас известно как вирус табачной мозаики : экстракты измельченных листьев инфицированных растений табака оставались заразными даже после фильтрации для удаления бактерий. Ивановский предположил, что инфекция может быть вызвана токсиномпроизводятся бактериями, но он не преследовал эту идею. ^[24] В то время считалось, что все инфекционные агенты могут задерживаться фильтрами и выращиваться на питательной среде - это было частью микробной теории болезни . ^[3] В 1898 году голландский микробиолог Мартинус Бейеринк повторил эксперименты и убедился, что отфильтрованный раствор содержит новую форму инфекционного агента. ^[25] Он заметил, что агент размножается только в делящихся клетках, но, поскольку его эксперименты не показали, что он состоит из частиц, он назвал его contagium vivum fluidum (растворимый живой зародыш) и повторно ввел слово « вирус».. Бейеринк утверждал, что вирусы являются жидкими по своей природе, теория позже была дискредитирована Венделлом Стэнли , который доказал, что они являются частицами. ^[24] В том же году Фридрих Лёффлер и Пауль Фрош пропустили первый вирус животных, афтовирус (возбудитель ящура ), через аналогичный фильтр. ^[26]

В начале 20-го века английский бактериолог Фредерик Творт обнаружил группу вирусов, поражающих бактерии, которые теперь называются бактериофагами ^[27] (или обычно «фагами»), а франко-канадский микробиолог Феликс д'Эрель описал вирусы, которые при добавлении к бактериям на чашке с агаром , будут образовываться области мертвых бактерий. Он точно разбавил суспензию этих вирусов и обнаружил, что самые высокие разведения (самые низкие концентрации вируса), вместо того, чтобы убивать все бактерии, образовывали отдельные области мертвых организмов. Подсчет этих площадей и умножение на коэффициент разведения позволили ему рассчитать количество вирусов в исходной суспензии. ^[28]Фаги были объявлены потенциальным средством лечения таких болезней, как брюшной тиф и холера , но с появлением пенициллина их обещание было забыто . Развитие устойчивости бактерий к антибиотикам возродило интерес к терапевтическому использованию бактериофагов. ^[29]

К концу XIX века вирусы были определены с точки зрения их заразности , способности проходить фильтры и их потребности в живых хозяевах. Вирусы выращивали только на растениях и животных. В 1906 году Росс Гаррисон изобрел метод выращивания тканей в лимфе , а в 1913 г. Е. Стейнхардт, С. израильтянин, Р. Ламберт использовал этот метод , чтобы вырастить коровьей вирус в фрагментах свинка ткани роговицы. ^[30] В 1928 году HB Maitland и MC Maitland выращивали вирус осповакцины в суспензиях из измельченных почек кур. Их метод не получил широкого распространения до 1950-х годов, когда полиовирус начал массово выращиваться для производства вакцин.^[31]

Еще один прорыв произошел в 1931 году, когда американские патологи Эрнест Уильям Гудпастур и Элис Майлз Вудрафф вырастили грипп и несколько других вирусов в оплодотворенных куриных яйцах. ^[32] В 1949 году Джон Франклин Эндерс , Томас Веллер и Фредерик Роббинс вырастили полиовирус в культивируемых клетках из абортированной эмбриональной ткани человека ^[33] , ^[33] первый вирус, который был выращен без использования твердых тканей животных или яиц. Эта работа позволила Хилари Копровски , а затем Джонасу Солку создать эффективную вакцину от полиомиелита . ^[34]

Первые изображения вирусов были получены после изобретения электронной микроскопии в 1931 году немецкими инженерами Эрнстом Руска и Максом Кноллем . ^[35] В 1935 году американский биохимик и вирусолог Венделл Мередит Стэнли исследовал вирус табачной мозаики и обнаружил, что он в основном состоит из белка. ^[36] Вскоре этот вирус был разделен на белковые и РНК-части. ^[37] Вирус табачной мозаики был первым, кто кристаллизовался, и поэтому его структура могла быть выяснена подробно. Первая рентгеновская дифракцияснимки кристаллизованного вируса были получены Берналом и Фанкухен в 1941 году. На основе своих рентгеновских кристаллографических снимков Розалинда Франклин открыла полную структуру вируса в 1955 году. ^[38] В том же году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс показал, что очищенная РНК вируса табачной мозаики и его белковая оболочка могут собираться сами по себе с образованием функциональных вирусов, предполагая, что этот простой механизм, вероятно, был средством, с помощью которого вирусы были созданы в их клетках-хозяевах. ^[39]

Вторая половина 20-го века была золотым веком открытия вирусов, и большинство задокументированных видов животных, растений и бактериальных вирусов были обнаружены именно в эти годы. ^[40] В 1957 году был обнаружен артеривирус лошадей и причина диареи, вызванная вирусом крупного рогатого скота ( пестивирус ). В 1963 году вирус гепатита В был обнаружен Baruch Blumberg , ^[41] , а в 1965 году Темин описал первый ретровирус . Обратная транскриптаза , фермент, который ретровирусы используют для создания ДНК-копий своей РНК, была впервые описана в 1970 году Темином иДэвид Балтимор независимо. ^[42] В 1983 году группа Люка Монтанье из Института Пастера во Франции впервые выделила ретровирус, который теперь называется ВИЧ. ^[43] В 1989 году Майкл Houghton команда «s в Chiron Corporation обнаружили гепатит С . ^{[44] [45]}

Происхождение

Вирусы можно найти везде, где есть жизнь, и, вероятно, они существовали с момента появления живых клеток. ^[46] Происхождение вирусов неясно, поскольку они не образуют окаменелостей, поэтому используются молекулярные методы , чтобы исследовать, как они возникли. ^[47] Кроме того, вирусный генетический материал иногда интегрируется в зародышевую линию организмов-хозяев, благодаря чему они могут вертикально передаваться потомкам хозяина в течение многих поколений. Это бесценный источник информации для палеовирологов, позволяющий проследить древние вирусы, существовавшие миллионы лет назад. Есть три основные гипотезы, которые призваны объяснить происхождение вирусов: ^{[48] [49]}

Регрессивная гипотеза

Вирусы, возможно, когда-то были маленькими клетками, паразитировавшими на более крупных клетках. Со временем гены, не необходимые для их паразитизма, были потеряны. Бактерии риккетсии и хламидиоза - это живые клетки, которые, как и вирусы, могут воспроизводиться только внутри клеток-хозяев. Они подтверждают эту гипотезу, поскольку их зависимость от паразитизма, вероятно, вызвала потерю генов, которые позволили им выжить вне клетки. Это также называется «гипотезой вырождения» ^{[50] [51]} или «гипотезой редукции». ^[52]

Гипотеза клеточного происхождения

Некоторые вирусы могли развиться из фрагментов ДНК или РНК, которые «ускользнули» от генов более крупного организма. Ускользнувшая ДНК могла происходить из плазмид (фрагментов голой ДНК, которые могут перемещаться между клетками) или транспозонов (молекул ДНК, которые реплицируются и перемещаются в разные положения в генах клетки). ^[53] Когда-то названные «прыгающими генами», транспозоны являются примерами мобильных генетических элементов и могут быть источником некоторых вирусов. Они были обнаружены в кукурузе Барбарой МакКлинток в 1950 году. ^[54] Иногда это называют «гипотезой бродяжничества» ^{[50] [55]} или «гипотезой побега». ^[52]

Гипотеза коэволюции

Это также называется «гипотезой первого вируса» ^[52] и предполагает, что вирусы могли развиться из сложных молекул белка и нуклеиновой кислоты в то время, когда клетки впервые появились на Земле, и зависели от клеточной жизни на протяжении миллиардов годы. Вироиды - это молекулы РНК, которые не классифицируются как вирусы, поскольку у них отсутствует белковая оболочка. Они имеют характеристики, общие для нескольких вирусов, и их часто называют субвирусными агентами. ^[56] Вироиды являются важными патогенами растений. ^[57] Они не кодируют белки, но взаимодействуют с клеткой-хозяином и используют аппарат хозяина для своей репликации. ^[58] вирус гепатита дельтачеловека имеет геном РНК, похожий на геном вироидов, но имеет белковую оболочку, полученную из вируса гепатита B, и не может продуцировать свой собственный. Следовательно, это дефектный вирус. Хотя геном вируса гепатита дельта может независимо реплицироваться внутри клетки-хозяина, он требует помощи вируса гепатита В для создания белковой оболочки, чтобы он мог передаваться в новые клетки. ^[59] Подобным образом вирофаг спутника зависит от мимивируса , который инфицирует простейших Acanthamoeba castellanii . ^[60] Эти вирусы, которые зависят от присутствия других видов вирусов в клетке-хозяине, называются « спутниками»'и может представлять собой промежуточные звенья эволюции вироидов и вирусов. ^{[61] [62]}

В прошлом со всеми этими гипотезами были проблемы: регрессивная гипотеза не объясняла, почему даже самые маленькие клеточные паразиты никоим образом не похожи на вирусы. Гипотеза побега не объясняет сложные капсиды и другие структуры на вирусных частицах. Гипотеза о первом вирусе противоречит определению вирусов в том смысле, что они нуждаются в клетках-хозяевах. ^[52] Вирусы теперь признаны древними, и их происхождение предшествовало разделению жизни на три области . ^[63] Это открытие заставило современных вирусологов пересмотреть и переоценить эти три классические гипотезы. ^[63]

Доказательства существования древнего мира РНК- клеток ^[64] и компьютерный анализ последовательностей ДНК вируса и хозяина дают лучшее понимание эволюционных взаимоотношений между различными вирусами и могут помочь идентифицировать предков современных вирусов. На сегодняшний день такой анализ не доказал, какая из этих гипотез верна. ^[64] Кажется маловероятным, что все известные в настоящее время вирусы имеют общего предка, и вирусы, вероятно, возникали много раз в прошлом с помощью одного или нескольких механизмов. ^[65]

Микробиология

Свойства жизни

Научные мнения расходятся относительно того, являются ли вирусы формой жизни или органическими структурами, взаимодействующими с живыми организмами. ^[10] Их описывают как «организмы на пороге жизни» ^[9], поскольку они напоминают организмы тем, что обладают генами , развиваются путем естественного отбора , ^[66] и воспроизводятся, создавая множественные копии самих себя посредством самосборки. . Хотя у них есть гены, у них нет клеточной структуры, которую часто считают основной единицей жизни. Вирусы не имеют собственного метаболизма и нуждаются в клетке-хозяине для производства новых продуктов. Поэтому они не могут естественным образом воспроизводиться вне клетки-хозяина ^[67], хотя такие виды бактерий, какриккетсии и хламидии считаются живыми организмами, несмотря на то же ограничение. ^{[68] [69]} Принятые формы жизни используют деление клеток для воспроизводства, тогда как вирусы спонтанно собираются внутри клеток. Они отличаются от автономного роста в кристаллах , поскольку они наследуют генетические мутации, будучи подвержена естественным отбором. Самосборка вируса в клетках-хозяевах имеет значение для изучения происхождения жизни , поскольку это еще больше подтверждает гипотезу о том, что жизнь могла возникнуть как самособирающиеся органические молекулы . ^[2]

Структура

Вирусы имеют большое разнообразие форм и размеров, называемых « морфологиями ». В общем, вирусы намного меньше бактерий. Большинство изученных вирусов имеют диаметр от 20 до 300 нанометров . Некоторые филовирусы имеют общую длину до 1400 нм; их диаметр составляет всего около 80 нм. ^[70] Большинство вирусов невозможно увидеть в оптический микроскоп , поэтому для их визуализации используются сканирующие и просвечивающие электронные микроскопы . ^[71] Чтобы увеличить контраст между вирусами и фоном, используются электронно-плотные «пятна». Это растворы солей тяжелых металлов, например вольфрама., которые рассеивают электроны из областей, покрытых пятном. Когда вирионы покрыты пятном (положительное окрашивание), мелкие детали не видны. Отрицательное окрашивание решает эту проблему, окрашивая только фон. ^[72]

Полная вирусная частица, известная как вирион , состоит из нуклеиновой кислоты, окруженной защитной белковой оболочкой, называемой капсидом . Они образованы из идентичных белковых субъединиц, называемых капсомерами . ^[73] Вирусы могут иметь липидную «оболочку», происходящую из мембраны клетки- хозяина . Капсид состоит из белков, кодируемых вирусным геномом, и его форма служит основой для морфологических различий. ^{[74] [75]}Белковые субъединицы, кодируемые вирусом, будут самоорганизовываться с образованием капсида, что обычно требует наличия вирусного генома. Сложные вирусы кодируют белки, которые помогают в построении их капсида. Белки, связанные с нуклеиновой кислотой, известны как нуклеопротеины , а ассоциация белков вирусного капсида с вирусной нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом. Капсид и всю структуру вируса можно механически (физически) исследовать с помощью атомно-силовой микроскопии . ^{[76] [77]} В целом, существует пять основных морфологических типов вирусов:

Спиральный

Эти вирусы состоят из одного типа капсомеров, уложенных друг на друга вокруг центральной оси и образующих спиральную структуру, которая может иметь центральную полость или трубку. Такое расположение приводит к образованию палочковидных или нитевидных вирионов, которые могут быть короткими и очень жесткими или длинными и очень гибкими. Генетический материал (обычно одноцепочечная РНК, но в некоторых случаях одноцепочечная ДНК) связывается в спираль белка за счет взаимодействий между отрицательно заряженной нуклеиновой кислотой и положительными зарядами на белке. В целом, длина спирального капсида связана с длиной нуклеиновой кислоты, содержащейся в нем, а диаметр зависит от размера и расположения капсомеров. Хорошо изученный вирус табачной мозаики является примером спиралевидного вируса. ^[78]

Икосаэдр

Большинство вирусов животных имеют икосаэдрическую или почти сферическую форму с хиральной икосаэдрической симметрией . Икосаэдр является оптимальным способом формирования замкнутой оболочки из идентичных субъединиц. Минимальное количество идентичных капсомеров, необходимых для каждой треугольной грани, составляет 3, что дает 60 для икосаэдра. Многие вирусы, такие как ротавирус, имеют более 60 капсомеров и имеют сферическую форму, но сохраняют эту симметрию. Для этого капсомеры на вершинах окружены пятью другими капсомерами и называются пентонами. Капсомеры на треугольных гранях окружены шестью другими и называются гексонами . ^[79]Гексоны в основном плоские, а пентоны, образующие 12 вершин, изогнуты. Один и тот же белок может действовать как субъединица как пентамеров, так и гексамеров, или они могут состоять из разных белков. ^[80]

Пролонгировать

Это вытянутый вдоль оси пятого порядка икосаэдр, являющийся обычным расположением головок бактериофагов. Эта конструкция состоит из цилиндра с крышками на обоих концах. ^[81]

Окутанный

Некоторые виды вирусов обволакивают себя модифицированной формой одной из клеточных мембран , либо внешней мембраны, окружающей инфицированную клетку-хозяин, либо внутренних мембран, таких как ядерная мембрана или эндоплазматический ретикулум , таким образом приобретая внешний липидный бислой, известный как вирусная оболочка . Эта мембрана усеяна белками, кодируемыми вирусным геномом и геномом хозяина; сама липидная мембрана и любые присутствующие углеводы происходят полностью от хозяина. Вирус гриппа , ВИЧ (вызывающий СПИД ) и коронавирус 2 тяжелого острого респираторного синдрома (вызывающий COVID-19 ) ^[82]используйте эту стратегию. Инфекционность большинства вирусов в оболочке зависит от оболочки. ^[83]

Сложный

Эти вирусы обладают капсидом, который не является ни чисто спиральным, ни чисто икосаэдрическим, а также может иметь дополнительные структуры, такие как белковые хвосты или сложную внешнюю стенку. Некоторые бактериофаги, такие как фаг Enterobacteria T4 , имеют сложную структуру, состоящую из икосаэдрической головки, связанной со спиральным хвостом, который может иметь шестиугольную базовую пластину с выступающими белковыми хвостовыми волокнами. Эта структура хвоста действует как молекулярный шприц, прикрепляясь к бактериальному хозяину, а затем вводя вирусный геном в клетку. ^[84]

В поксвирусах большие, сложные вирусы , которые имеют необычную морфологию. Вирусный геном связан с белками в центральной структуре диска, известной как нуклеоид . Нуклеоид окружен мембраной и двумя боковыми телами неизвестной функции. У вируса есть внешняя оболочка с толстым слоем белка, покрывающего ее поверхность. Весь вирион слегка плеоморфен , от яйцевидной до кирпичной. ^[85]

Гигантские вирусы

Мимивирус - один из самых крупных охарактеризованных вирусов с диаметром капсида 400 нм. Белковые нити размером 100 нм выступают от поверхности. Под электронным микроскопом капсид выглядит гексагональным, следовательно, капсид, вероятно, икосаэдрический. ^[86] В 2011 году исследователи обнаружили самый крупный известный на тот момент вирус в образцах воды, собранных со дна океана у побережья Лас-Крусес, Чили. Предварительно названный Megavirus chilensis , его можно увидеть в обычный оптический микроскоп. ^[87] В 2013 году род Pandoravirus был обнаружен в Чили и Австралии, и его геномы примерно в два раза больше, чем у мегавирусов и мимивирусов. ^[88]Все гигантские вирусы дцДНКа геном , и они подразделяются на несколько семей: Mimiviridae , Pithoviridae, Pandoraviridae , Phycodnaviridae , и Mollivirus рода. ^[89]

Некоторые вирусы, поражающие архей, имеют сложную структуру, не связанную с какой-либо другой формой вируса, с широким разнообразием необычных форм, от веретенообразных структур до вирусов, напоминающих крючковидные стержни, слезинки или даже бутылки. Другие вирусы архей напоминают хвостатые бактериофаги и могут иметь несколько хвостовых структур. ^[90]

Геном

Среди видов вирусов можно увидеть огромное разнообразие геномных структур ; как группа, они содержат больше структурного геномного разнообразия, чем растения, животные, археи или бактерии. Существуют миллионы различных типов вирусов ^[5], хотя подробно описано менее 7000 типов. ^[91] По состоянию на январь 2021 года база данных генома вирусов NCBI насчитывала более 193 000 полных последовательностей генома, ^[92] но, несомненно, предстоит открыть гораздо больше. ^{[93] [94]}

Вирус имеет геном ДНК или РНК и называется ДНК-вирусом или РНК-вирусом соответственно. Подавляющее большинство вирусов имеют геномы РНК. Вирусы растений, как правило, имеют геномы одноцепочечной РНК, а бактериофаги - двухцепочечные геномы ДНК. ^[95]

Вирусные геномы являются кольцевыми, как у полиомавирусов , или линейными, как у аденовирусов . Тип нуклеиновой кислоты не имеет отношения к форме генома. Среди РНК-вирусов и некоторых ДНК-вирусов геном часто делится на отдельные части, и в этом случае он называется сегментированным. Для РНК-вирусов каждый сегмент часто кодирует только один белок, и они обычно находятся вместе в одном капсиде. Чтобы вирус был заразным, не обязательно, чтобы все сегменты принадлежали одному и тому же вириону, как это продемонстрировано вирусом мозаики костра и несколькими другими вирусами растений. ^[70]

Вирусный геном, независимо от типа нуклеиновой кислоты, почти всегда одноцепочечный (ss) или двухцепочечный (ds). Одноцепочечные геномы состоят из неспаренной нуклеиновой кислоты, аналогично половине лестницы, разделенной посередине. Двухцепочечные геномы состоят из двух комплементарных парных нуклеиновых кислот, аналогично лестнице. Вирусные частицы некоторых семейств вирусов, например принадлежащих Hepadnaviridae , содержат геном, который является частично двухцепочечным и частично одноцепочечным. ^[95]

Для большинства вирусов с геномами РНК и некоторых с геномами одноцепочечной ДНК (оцДНК) одиночные цепи считаются либо с положительным смыслом (так называемая «положительная цепь»), либо с отрицательным смыслом (так называемая «отрицательная цепь»). ), в зависимости от того, комплементарны ли они вирусной информационной РНК (мРНК). Положительно-смысловая вирусная РНК находится в том же смысле, что и вирусная мРНК, и поэтому по крайней мере часть ее может быть немедленно транслирована клеткой-хозяином. Вирусная РНК с отрицательным смыслом комплементарна мРНК и, таким образом, должна быть преобразована в РНК с положительным смыслом с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы.перед переводом. Номенклатура ДНК для вирусов с геномной оцДНК подобна номенклатуре РНК в том, что вирусная оцДНК с положительной цепью идентична по последовательности вирусной мРНК и, таким образом, является кодирующей цепью, в то время как вирусная оцДНК с отрицательным смыслом комплементарна вирусной мРНК и, таким образом, является шаблонная прядь. ^[95] Некоторые типы вирусов оцДНК и оцРНК имеют амбисенсные геномы в том смысле, что транскрипция может происходить с обеих цепей в двухцепочечном репликативном промежуточном продукте . Примеры включают геминивирусы , которые представляют собой вирусы оцДНК растений, и аренавирусы , которые представляют собой вирусы оцРНК животных. ^[96]

Размер генома

Размер генома сильно варьируется между видами. Наималейшее-то circoviruses оцДНКа, семейство Circoviridae -код только в течение двух белков и имеет размер генома только два т.п.н.; ^[97] самые большие - пандоровирусы - имеют размер генома около двух мегабаз, которые кодируют около 2500 белков. ^[88] Вирусные гены редко имеют интроны и часто расположены в геноме так, что перекрываются . ^[98]

В целом, РНК-вирусы имеют меньший размер генома, чем ДНК-вирусы, из-за более высокой частоты ошибок при репликации и имеют максимальный верхний предел размера. ^[47] Помимо этого, ошибки при репликации делают вирус бесполезным или неконкурентоспособным. Чтобы компенсировать это, РНК-вирусы часто имеют сегментированные геномы - геном разделен на более мелкие молекулы, что снижает вероятность того, что ошибка в однокомпонентном геноме выведет из строя весь геном. Напротив, ДНК-вирусы обычно имеют более крупные геномы из-за высокой точности их ферментов репликации. ^[99] Вирусы с одноцепочечной ДНК являются исключением из этого правила, так как частота мутаций в этих геномах может приближаться к крайним значениям в случае вируса оцРНК. ^[100]

Генетическая мутация

Вирусы претерпевают генетические изменения по нескольким механизмам. К ним относится процесс, называемый антигенным дрейфом, когда отдельные основания в ДНК или РНК мутируют в другие основания. Большинство этих точечных мутаций «молчаливы» - они не изменяют белок, кодируемый геном, - но другие могут дать эволюционные преимущества, такие как устойчивость к противовирусным препаратам . ^{[101] [102]} Антигенный сдвиг происходит, когда в геноме вируса происходит серьезное изменение. Это может быть результатом рекомбинации или перегруппировки . Когда это происходит с вирусами гриппа, могут возникнуть пандемии . ^[103]РНК-вирусы часто существуют в виде квазивидов или скоплений вирусов одного и того же вида, но с несколько разными нуклеозидными последовательностями генома. Такие квазивиды - главная цель естественного отбора. ^[104]

Сегментированные геномы дают эволюционные преимущества; различные штаммы вируса с сегментированным геномом могут перетасовывать и комбинировать гены и производить потомство вирусов (или потомков), обладающих уникальными характеристиками. Это называется реассортацией или «вирусным полом». ^[105]

Генетическая рекомбинация - это процесс, при котором цепь ДНК разрывается, а затем присоединяется к концу другой молекулы ДНК. Это может происходить, когда вирусы заражают клетки одновременно, и исследования эволюции вирусов показали, что рекомбинация широко распространена у изучаемых видов. ^[106] Рекомбинация характерна как для РНК, так и для ДНК-вирусов. ^{[107] [108]}

Цикл репликации

Вирусные популяции не растут посредством деления клеток, потому что они бесклеточные. Вместо этого они используют механизмы и метаболизм клетки-хозяина для создания множества своих копий и собираются в клетке. ^[109] При заражении клетка-хозяин вынуждена быстро производить тысячи идентичных копий исходного вируса. ^[110]

Их жизненный цикл сильно различается у разных видов, но есть шесть основных стадий в их жизненном цикле: ^[111]

Присоединение - это специфическое связывание между вирусными капсидными белками и специфическими рецепторами на клеточной поверхности хозяина. Эта специфичность определяет круг хозяев и тип клетки-хозяина вируса. Например, ВИЧ инфицирует ограниченный круг лейкоцитов человека . Это связано с тем, что его поверхностный белок, gp120 , специфически взаимодействует с молекулой CD4 - хемокиновым рецептором, который чаще всего встречается на поверхности CD4 + Т-клеток . Этот механизм эволюционировал в пользу тех вирусов, которые инфицируют только те клетки, в которых они способны к репликации. Присоединение к рецептору может вызвать изменения в белке оболочки вируса, которые приводят к слиянию.вирусных и клеточных мембран или изменения поверхностных белков вируса без оболочки, которые позволяют вирусу проникать. ^[112]

Проникновение или проникновение вируса следует за прикреплением: вирионы проникают в клетку-хозяина через рецептор-опосредованный эндоцитоз или слияние мембран . Инфекция клеток растений и грибов отличается от инфицирования клеток животных. У растений жесткая клеточная стенка из целлюлозы , у грибов - из хитина, поэтому большинство вирусов могут попасть внутрь этих клеток только после травмы клеточной стенки. ^[113] Практически все вирусы растений (например, вирус табачной мозаики) также могут перемещаться напрямую от клетки к клетке в форме одноцепочечных нуклеопротеиновых комплексов через поры, называемые плазмодесмами . ^[114]Бактерии, как и растения, имеют прочные клеточные стенки, которые вирус должен разрушить, чтобы заразить клетку. Учитывая, что стенки бактериальных клеток намного тоньше, чем стенки растительных клеток из-за их гораздо меньшего размера, некоторые вирусы развили механизмы, которые вводят свой геном в бактериальную клетку через клеточную стенку, в то время как вирусный капсид остается снаружи. ^[115]

Удаление оболочки - это процесс, при котором вирусный капсид удаляется: это может происходить путем разложения вирусными ферментами или ферментами хозяина или простой диссоциацией; Конечным результатом является высвобождение вирусной геномной нуклеиновой кислоты. ^[116]

Репликация вирусов в первую очередь предполагает умножение генома. Репликация включает синтез вирусной информационной РНК (мРНК) из «ранних» генов (за исключением вирусов с положительной смысловой РНК), синтез вирусного белка , возможную сборку вирусных белков, а затем репликацию вирусного генома, опосредованную ранней или регуляторной экспрессией белка. Для сложных вирусов с более крупными геномами за этим может следовать один или несколько дополнительных раундов синтеза мРНК: «поздняя» экспрессия гена, как правило, связана с структурными белками или белками вириона. ^[117]

Сборка - после структурной самосборки вирусных частиц часто происходит некоторая модификация белков. В вирусах, таких как ВИЧ, эта модификация (иногда называемая созреванием) происходит после того, как вирус высвобождается из клетки-хозяина. ^[118]

Высвобождение - Вирусы могут высвобождаться из клетки-хозяина путем лизиса , процесса, который убивает клетку, разрывая ее мембрану и клеточную стенку, если она присутствует: это особенность многих бактериальных вирусов и некоторых вирусов животных. Некоторые вирусы проходят лизогенный цикл, когда вирусный геном встраивается путем генетической рекомбинации в определенное место в хромосоме хозяина. В этом случае вирусный геном называют « провирусом » или, в случае бактериофагов, « профагом ». ^[119]Когда хозяин делится, вирусный геном также реплицируется. Вирусный геном в основном молчит внутри хозяина. В какой-то момент провирус или профаг может дать начало активному вирусу, который может лизировать клетки-хозяева. ^[120] Вирусы в оболочке (например, ВИЧ) обычно высвобождаются из клетки-хозяина путем отпочкования . Во время этого процесса вирус приобретает свою оболочку, которая представляет собой модифицированный кусок плазмы хозяина или другой внутренней мембраны. ^[121]

Репликация генома

Генетический материал внутри вирусных частиц и метод репликации этого материала значительно различаются для разных типов вирусов.

ДНК-вирусы

Репликация генома большинства ДНК-вирусов происходит в ядре клетки . Если клетка имеет соответствующий рецептор на своей поверхности, эти вирусы проникают в клетку либо путем прямого слияния с клеточной мембраной (например, герпесвирусы), либо - чаще - посредством рецепторно-опосредованного эндоцитоза. Большинство ДНК-вирусов полностью зависят от оборудования клетки-хозяина, синтезирующего ДНК и РНК, и оборудования для обработки РНК. Вирусы с более крупными геномами могут сами кодировать большую часть этого механизма. У эукариот вирусный геном должен пересечь ядерную мембрану клетки, чтобы получить доступ к этому механизму, тогда как у бактерий ему нужно только проникнуть в клетку. ^[122]

РНК-вирусы

Репликация РНК-вирусов обычно происходит в цитоплазме . РНК-вирусы можно разделить на четыре разные группы в зависимости от способа их репликации. Полярности (может ли он или нет использовать непосредственно рибосомами , чтобы сделать белки) вирусов одноцепочечной РНК в значительной степени определяет репликативной механизм; другим важным критерием является то, является ли генетический материал одноцепочечным или двухцепочечным. Все РНК-вирусы используют свои собственные ферменты РНК-репликазы для создания копий своих геномов. ^[123]

Обратная транскрипция вирусов

Вирусы с обратной транскрипцией содержат в своих частицах оцРНК ( Retroviridae , Metaviridae , Pseudoviridae ) или дцДНК ( Caulimoviridae и Hepadnaviridae ). Вирусы с обратной транскрипцией с РНК-геномами ( ретровирусы ) используют промежуточную ДНК для репликации, тогда как вирусы с ДНК-геномами ( параретровирусы ) используют промежуточную РНК во время репликации генома. Оба типа используют обратную транскриптазу или фермент РНК-зависимой ДНК-полимеразы, чтобы осуществить превращение нуклеиновой кислоты. Ретровирусы интегрируют ДНК, полученную путем обратной транскрипции.в геном хозяина в виде провируса в процессе репликации; параретровирусы этого не делают, хотя интегрированные копии генома, особенно параретровирусов растений, могут давать начало инфекционному вирусу. ^[124] Они чувствительны к противовирусным препаратам, которые ингибируют фермент обратной транскриптазы, например, зидовудину и ламивудину . Примером первого типа является ВИЧ, который является ретровирусом. Примерами второго типа являются Hepadnaviridae , который включает вирус гепатита B. ^[125]

Цитопатические эффекты на клетку-хозяина

Диапазон структурных и биохимических эффектов, которые вирусы оказывают на клетку-хозяина, обширен. ^[126] Это так называемые цитопатические эффекты . ^[127] Большинство вирусных инфекций в конечном итоге приводят к гибели клетки-хозяина. Причины смерти включают лизис клеток, изменения поверхностной мембраны клетки и апоптоз . ^[128] Часто смерть клетки вызывается прекращением ее нормальной деятельности из-за подавления вирус-специфическими белками, не все из которых являются компонентами вирусной частицы. ^[129] Различие между цитопатическим и безвредным проводится постепенно. Некоторые вирусы, такие как вирус Эпштейна-Барра , могут вызывать размножение клеток, не вызывая злокачественных новообразований.^{[130], в} то время как другие, такие как вирусы папилломы , являются установленными причинами рака. ^[131]

Спящие и латентные инфекции

Некоторые вирусы не вызывают видимых изменений в инфицированной клетке. Клетки, в которых вирус является латентным и неактивным, мало проявляют признаков инфекции и часто функционируют нормально. ^[132] Это вызывает стойкие инфекции, и вирус часто бездействует в течение многих месяцев или лет. Это часто бывает с вирусами герпеса . ^{[133] [134]}

Диапазон хостов

Вирусы на сегодняшний день являются наиболее многочисленными биологическими объектами на Земле, и их численность превышает все остальные вместе взятые. ^[135] Они заражают все типы клеточной жизни, включая животных, растения, бактерии и грибы . ^[91] Различные типы вирусов могут инфицировать только ограниченный круг хозяев, и многие из них видоспецифичны. Некоторые из них, такие как вирус оспы, например, могут инфицировать только один вид - в данном случае людей ^[136] и, как говорят, имеют узкий круг хозяев . Другие вирусы, такие как вирус бешенства, могут инфицировать различные виды млекопитающих и, как говорят, имеют широкий спектр. ^[137]Вирусы, поражающие растения, безвредны для животных, а большинство вирусов, поражающих других животных, безвредны для человека. ^[138] Диапазон хозяев некоторых бактериофагов ограничен одним штаммом бактерий, и их можно использовать для отслеживания источника вспышек инфекций с помощью метода, называемого фаготипированием . ^[139] Полный набор вирусов в организме или среде обитания называется виромом ; например, все вирусы человека составляют виром человека . ^[140]

Классификация

Классификация направлена ​​на описание разнообразия вирусов путем присвоения им имен и группировки на основе сходства. В 1962 году Андре Львов , Роберт Хорн и Поль Турнье первыми разработали метод классификации вирусов, основанный на иерархической системе Линнея . ^[141] Эта система основана на классификации по типу , классу , отряду , семейству , роду и виду . Вирусы были сгруппированы согласно их общим свойствам (не свойствам их хозяев) и типу нуклеиновой кислоты, образующей их геномы. ^[142] В 1966 г.Создан Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). Система, предложенная Lwoff, Horne и Tournier, изначально не была принята ICTV, потому что небольшой размер генома вирусов и их высокая скорость мутации затрудняли определение их предков вне порядка. Таким образом, система классификации Балтимора стала использоваться для дополнения более традиционной иерархии. ^[143] Начиная с 2018 года, ICTV начал признавать более глубокие эволюционные связи между вирусами, которые были обнаружены с течением времени, и принял 15-ранговую систему классификации, варьирующуюся от области к виду. ^[144]

Классификация ICTV

ICTV разработала текущую систему классификации и написала руководящие принципы, в которых большее значение придается определенным свойствам вируса для сохранения однородности семейства. Создана единая таксономия (универсальная система классификации вирусов). Из всего разнообразия вирусов изучена лишь небольшая часть. ^[145] По состоянию на 2019 год 4 царства, 9 царств, 16 типов, 2 подтипа, 36 классов, 55 порядков, 8 подотрядов, 168 семейств, 103 подсемейства , 1421 род, 68 подродов и 6589 видов вирусов были определены ICTV. ^[4]

Общая таксономическая структура ареалов таксонов и суффиксы, используемые в таксономических названиях, показаны ниже. По состоянию на 2019 год ранги субрегиона, субцарства и подкласса не используются, тогда как все остальные ранги используются.

Царство ( -viria )

Подобласть ( -vira )

Королевство ( -virae )

Подцарство ( -виритес )

Филюм ( -viricota )

Подтип ( -viricotina )

Класс ( -viricetes )

Подкласс ( -viricetidae )

Заказ ( -виралес )

Подотряд ( -virineae )

Семья ( -viridae )

Подсемейство ( -virinae )

Род ( -вирус )

Подрод ( -вирус )

Разновидность

Балтиморская классификация

Лауреат Нобелевской премии биолог Дэвид Балтимор разработал систему классификации Балтимора . ^{[42] [146]} Система классификации ICTV используется вместе с системой классификации Балтимора в современной классификации вирусов. ^{[147] [148] [149]}

Балтиморская классификация вирусов основана на механизме производства мРНК . Вирусы должны генерировать мРНК из своих геномов, чтобы производить белки и воспроизводить себя, но в каждом семействе вирусов для этого используются разные механизмы. Вирусные геномы могут быть одноцепочечными (ss) или двухцепочечными (ds), РНК или ДНК и могут использовать или не использовать обратную транскриптазу (RT). Кроме того, вирусы ssRNA могут быть смысловыми (+) или антисмысловыми (-). Эта классификация делит вирусы на семь групп:

• I: вирусы дцДНК (например, аденовирусы , герпесвирусы , поксвирусы )
• II: оцДНК вирусов (+ цепь или "смысловая") ДНК (например, парвовирусы )
• III: вирусы дцРНК (например, реовирусы )
• IV: (+) ssRNA вирусы (+ цепь или смысловая) РНК (например, коронавирусы , пикорнавирусы , тогавирусы )
• V: (-) ssRNA вирусов (- цепная или антисмысловая) РНК (например, ортомиксовирусы , рабдовирусы )
• VI: ssRNA-RT вирусы (+ цепь или смысловая) РНК с промежуточной ДНК в жизненном цикле (например, ретровирусы )
• VII: ДНК вирусов дцДНК-ОТ с промежуточной РНК в жизненном цикле (например, гепаднавирусы )

Роль в заболевании человека

Примеры обычных заболеваний человека, вызываемых вирусами, включают простуду , грипп, ветряную оспу и герпес . Многие серьезные заболевания, такие как бешенство , болезнь , вызванная вирусом Эбола , СПИД (ВИЧ) , птичий грипп и SARS , вызываются вирусами. Относительная способность вирусов вызывать заболевание описывается с точки зрения вирулентности . Другие заболевания изучаются, чтобы выяснить, есть ли у них вирус в качестве возбудителя, например, возможная связь между вирусом герпеса человека 6 (HHV6) и неврологическими заболеваниями, такими как рассеянный склероз и др.синдром хронической усталости . ^[151] Существуют разногласия по поводу того, может ли борнавирус , который ранее считался причиной неврологических заболеваний у лошадей, быть причиной психических заболеваний у людей. ^[152]

У вирусов есть разные механизмы, с помощью которых они вызывают заболевание в организме, что в значительной степени зависит от вида вируса. Механизмы на клеточном уровне в первую очередь включают лизис клеток, вскрытие и последующую гибель клетки. В многоклеточных организмах , если погибнет достаточное количество клеток, весь организм начнет страдать от последствий. Хотя вирусы вызывают нарушение здорового гомеостаза , что приводит к заболеванию, они могут относительно безвредно существовать в организме. Примером может служить способность вируса простого герпеса , вызывающего герпес, оставаться в организме человека в спящем состоянии. Это называется задержкой ^[153].и является характеристикой вирусов герпеса, включая вирус Эпштейна – Барра, вызывающий железистую лихорадку, и вирус ветряной оспы , вызывающий ветряную оспу и опоясывающий лишай . Большинство людей были инфицированы хотя бы одним из этих типов вируса герпеса. ^[154] Эти латентные вирусы иногда могут быть полезными, так как присутствие вируса может повысить иммунитет против бактериальных патогенов, таких как Yersinia pestis . ^[155]

Некоторые вирусы могут вызывать пожизненные или хронические инфекции, при которых вирусы продолжают размножаться в организме, несмотря на защитные механизмы хозяина. ^[156] Это обычное явление при инфекциях, вызванных вирусами гепатита B и C. Хронически инфицированные люди известны как носители, поскольку они служат резервуарами инфекционного вируса. ^[157] В популяциях с высокой долей носителей болезнь считается эндемической . ^[158]

Эпидемиология

Вирусная эпидемиология - это отрасль медицинской науки, которая занимается передачей вирусных инфекций у людей и борьбой с ними. Передача вирусов может быть вертикальной, что означает от матери к ребенку, или горизонтальной, что означает от человека к человеку. Примеры вертикальной передачи включают вирус гепатита В и ВИЧ, когда ребенок рождается уже инфицированным вирусом. ^[159] Другой, более редкий пример - вирус ветряной оспы , который, хотя и вызывает относительно легкие инфекции у детей и взрослых, может быть смертельным для плода и новорожденного. ^[160]

Горизонтальная передача - наиболее распространенный механизм распространения вирусов среди населения. ^[161] Горизонтальная передача может происходить при обмене жидкостями организма во время сексуальной активности, при обмене слюной или при проглатывании загрязненной пищи или воды. Это также может произойти при вдыхании аэрозолей, содержащих вирусы, или насекомых- переносчиков, например, когда инфицированные комары проникают через кожу хозяина. ^[161]Большинство типов вирусов ограничены одним или двумя из этих механизмов, и их называют «респираторными вирусами» или «кишечными вирусами» и так далее. Скорость или скорость передачи вирусных инфекций зависит от факторов, которые включают плотность населения, количество восприимчивых людей (т. Е. Тех, кто не имеет иммунитета) ^[162], качество здравоохранения и погоду. ^[163]

Эпидемиология используется для разрыва цепи заражения населения во время вспышек вирусных заболеваний . ^[164] Используются меры контроля, основанные на знании того, как передается вирус. Важно найти источник или источники вспышки и идентифицировать вирус. После идентификации вируса цепь передачи иногда может быть прервана вакцинами. Когда вакцины недоступны, санитария и дезинфекция могут быть эффективными. Часто инфицированные люди изолированы от остальной части сообщества, а те, кто подвергся воздействию вируса, помещаются в карантин . ^[165] Для того, чтобы контролировать вспышку на ящурв Великобритании в 2001 году были забиты тысячи голов крупного рогатого скота. ^[166] Большинство вирусных инфекций человека и других животных имеют инкубационные периоды, в течение которых инфекция не вызывает никаких признаков или симптомов. ^[167] Инкубационные периоды вирусных заболеваний составляют от нескольких дней до недель, но известны для большинства инфекций. ^{[168] В} некоторой степени перекрываясь, но в основном после инкубационного периода, существует период передачи информации - время, когда инфицированный человек или животное заразны и могут заразить другого человека или животное. ^[168] Это тоже известно для многих вирусных инфекций, и знание продолжительности обоих периодов важно для борьбы со вспышками. ^[169]Когда вспышки вызывают необычно высокую долю случаев в популяции, сообществе или регионе, они называются эпидемиями. Если вспышки распространяются по всему миру, их называют пандемиями . ^[170]

Эпидемии и пандемии

Пандемии является всемирной эпидемии . Пандемии 1918 гриппа , которая продолжалась до 1919 года, была категория 5 пандемии гриппа , вызванного необычайно тяжелым и смертельным вирусом гриппа A. Жертвами часто становились здоровые молодые люди, в отличие от большинства вспышек гриппа, от которых в основном страдают подростки, пожилые или ослабленные иным образом пациенты. ^{[171] По} более ранним оценкам, он убил 40–50 миллионов человек ^{[172], в} то время как более поздние исследования показывают, что в 1918 году он мог убить до 100 миллионов человек или 5% населения мира ^[173]

Хотя вирусные пандемии - явление редкое, ВИЧ, который произошел от вирусов, обнаруженных у обезьян и шимпанзе, является пандемией по крайней мере с 1980-х годов. ^[174] В течение 20 века было четыре пандемии, вызванных вирусом гриппа, и те, которые произошли в 1918, 1957 и 1968 годах, были серьезными. ^[175] Большинство исследователей считают, что ВИЧ возник в Африке к югу от Сахары в 20 веке; ^[176] сейчас это пандемия, и в настоящее время во всем мире с этой болезнью живут около 37,9 миллиона человек. ^[177] Были около 770000 случаев смерти от СПИДа в 2018 году ^[178] Объединенная программа Организации Объединенных Наций по ВИЧ / СПИДу (ЮНЭЙДС) и Всемирной организации здравоохраненияПо оценкам ВОЗ, СПИД унес жизни более 25 миллионов человек с момента его первого обнаружения 5 июня 1981 года, что делает его одной из самых разрушительных эпидемий в истории человечества. ^[179] В 2007 году было зарегистрировано 2,7 миллиона новых случаев инфицирования ВИЧ и 2 миллиона случаев смерти, связанных с ВИЧ. ^[180]

Несколько высоколетальных вирусных патогенов являются членами Filoviridae . Филовирусы - это нитевидные вирусы, вызывающие вирусную геморрагическую лихорадку , и включают в себя эболавирусы и марбургвирусы . Вирус Марбург , впервые обнаруженный в 1967 году, привлек внимание широкой прессы в апреле 2005 года из-за вспышки в Анголе . ^[181] Болезнь, вызванная вирусом Эбола , также вызывала периодические вспышки с высокими показателями смертности с 1976 года, когда она была впервые выявлена. Самая страшная и самая недавняя - эпидемия в Западной Африке в 2013–2016 годах . ^[182]

За исключением оспы, большинство пандемий вызывается недавно появившимися вирусами. Эти «эмерджентные» вирусы обычно являются мутантами менее вредных вирусов, которые ранее циркулировали у людей или других животных. ^[183]

Тяжелый острый респираторный синдром ( SARS ) и ближневосточный респираторный синдром (MERS) вызваны новыми типами коронавирусов . Известно, что другие коронавирусы вызывают легкие инфекции у людей ^[184], поэтому вирулентность и быстрое распространение инфекций SARS, которые к июлю 2003 года вызвали около 8000 случаев заболевания и 800 смертей, были неожиданными, и большинство стран не были готовы к этому. ^[185]

Связанный с этим коронавирус возник в Ухане , Китай, в ноябре 2019 года и быстро распространился по миру. Считается , что вирус возник у летучих мышей и впоследствии был назван коронавирусом 2 тяжелого острого респираторного синдрома , заражение этим вирусом вызвало пандемию в 2020 году. ^{[186] [187] [188]} В мирное время были введены беспрецедентные ограничения на международные поездки, ^[189] и комендантский час введен в нескольких крупных городах мира. ^[190]

Рак

Вирусы являются признанной причиной рака у людей и других видов. Вирусный рак встречается только у меньшинства инфицированных людей (или животных). Раковые вирусы происходят из ряда семейств вирусов, включая как РНК, так и ДНК-вирусы, поэтому не существует единого типа « онковирусов » (устаревший термин, первоначально использовавшийся для остро трансформирующих ретровирусов). Развитие рака определяется множеством факторов, таких как иммунитет хозяина ^[191] и мутации в хозяине. ^[192] Вирусы принято , чтобы вызвать злокачественные опухоли человека включают некоторые генотипы вируса папилломы человека , вируса гепатита В , вируса гепатита С , вирус Эпштейна-Барра ,Связанный с саркомой герпесвирус Капоши и Т-лимфотропный вирус человека . Самым недавно обнаруженным вирусом рака человека является полиомавирус (полиомавирус клеток Меркеля ), который вызывает большинство случаев редкой формы рака кожи, называемой карциномой из клеток Меркеля . ^[193] Вирусы гепатита могут перерасти в хроническую вирусную инфекцию, которая приводит к раку печени . ^{[194] [195]} Инфекция Т-лимфотропным вирусом человека может привести к тропическому спастическому парапарезу и Т-клеточному лейкозу у взрослых . ^[196] Вирусы папилломы человека - установленная причина рака шейки матки , кожи, заднего прохода., и пенис . ^[197] В герпесвирусов , саркома-ассоциированной Капоши вирус герпеса вызывает саркома Капоши и тела полости лимфому , и вирус Эпштейна-Барр вызывает лимфому Беркитта , лимфомы Ходжкина , B лимфопролиферативные расстройства и карцинома носоглотки . ^[198] Полиомавирус клеток Меркеля, тесно связанный с полиомавирусами SV40 и мыши, которые использовались в качестве животных моделей для онкологических вирусов более 50 лет. ^[199]

Защитные механизмы хозяина

Первая линия защиты организма от вирусов - это врожденная иммунная система . Сюда входят клетки и другие механизмы, которые неспецифическим образом защищают хозяина от инфекции. Это означает, что клетки врожденной системы распознают патогены и реагируют на них обычным образом, но, в отличие от адаптивной иммунной системы , они не наделяют хозяина длительным или защитным иммунитетом. ^[200]

РНК-интерференция - важная врожденная защита от вирусов. ^[201] Многие вирусы имеют стратегию репликации, которая включает двухцепочечную РНК (дцРНК). Когда такой вирус заражает клетку, он высвобождает свою молекулу или молекулы РНК, которые немедленно связываются с белковым комплексом, называемым дайсером, который разрезает РНК на более мелкие части. Активируется биохимический путь - комплекс RISC , который обеспечивает выживание клеток за счет разрушения вирусной мРНК. Ротавирусы эволюционировали, чтобы избежать этого защитного механизма, поскольку они полностью не снимают оболочку внутри клетки и высвобождают вновь продуцируемую мРНК через поры внутреннего капсида частицы. Их геномная дцРНК остается защищенной внутри ядра вириона. ^{[202] [203]}

Когда адаптивная иммунная система из позвоночнога встречает вирус, он производит специфические антитела , которые связываются с вирусом и часто делает это неинфекционным. Это называется гуморальным иммунитетом . Важны два типа антител. Первый, называемый IgM , очень эффективен при нейтрализации вирусов, но вырабатывается клетками иммунной системы только в течение нескольких недель. Второй, называемый IgG , вырабатывается неопределенно долго. Присутствие IgM в крови хозяина используется для проверки на острую инфекцию, тогда как IgG указывает на инфекцию когда-то в прошлом. ^[204] Антитела IgG измеряются при проведении тестов на иммунитет .^[205]

Антитела могут оставаться эффективным механизмом защиты даже после того, как вирусам удалось проникнуть в клетку-хозяин. Белок, который находится в клетках, называется TRIM21 , может прикрепляться к антителам на поверхности вирусной частицы. Это запускает последующее разрушение вируса ферментами протеосомной системы клетки . ^[206]

Вторая защита позвоночных от вирусов называется клеточным иммунитетом и включает иммунные клетки, известные как Т-клетки . Клетки организма постоянно демонстрируют короткие фрагменты своих белков на поверхности клетки, и, если Т-клетка распознает там подозрительный вирусный фрагмент, клетка-хозяин разрушается «Т-киллерами», и вирус-специфические Т-клетки размножаются. Клетки, такие как макрофаг, являются специалистами в этой презентации антигена . ^[207] Производство интерферонаявляется важным механизмом защиты хозяина. Это гормон, вырабатываемый организмом при наличии вирусов. Его роль в иммунитете сложна; в конечном итоге он останавливает размножение вирусов, убивая инфицированную клетку и ее ближайших соседей. ^[208]

Не все вирусные инфекции вызывают таким образом защитный иммунный ответ. ВИЧ ускользает от иммунной системы, постоянно меняя аминокислотную последовательность белков на поверхности вириона. Это известно как «ускользающая мутация», поскольку вирусные эпитопы ускользают от распознавания иммунным ответом хозяина. Эти устойчивые вирусы ускользают от иммунного контроля за счет секвестрации, блокады презентации антигена , устойчивости к цитокинам , уклонения от активности естественных клеток-киллеров , ухода от апоптоза и антигенного сдвига . ^[209] Другие вирусы, называемые « нейротропными вирусами », распространяются нервным путем, когда иммунная система может быть не в состоянии до них добраться.

Профилактика и лечение

Поскольку вирусы используют жизненно важные метаболические пути в клетках-хозяевах для репликации, их трудно устранить без использования лекарств, которые оказывают токсическое действие на клетки-хозяева в целом. Наиболее эффективными медицинскими подходами к вирусным заболеваниям являются вакцинация для обеспечения иммунитета к инфекции и противовирусные препараты , избирательно препятствующие репликации вируса.

Вакцина

Вакцинация - дешевый и эффективный способ предотвращения заражения вирусами. Вакцины использовались для предотвращения вирусных инфекций задолго до открытия настоящих вирусов. Их использование привело к резкому снижению заболеваемости (заболеваемости) и смертности (смерти), связанных с вирусными инфекциями, такими как полиомиелит , корь , эпидемический паротит и краснуха . ^[210] Инфекции оспы ликвидированы. ^[211] Имеются вакцины для предотвращения более чем тринадцати вирусных инфекций человека, ^[212] и более используются для предотвращения вирусных инфекций животных. ^[213] Вакцины могут состоять из живых ослабленных или убитых вирусов или вирусных белков (антигены ). ^[214] Живые вакцины содержат ослабленные формы вируса, которые не вызывают заболевания, но, тем не менее, придают иммунитет. Такие вирусы называют аттенуированными. Живые вакцины могут быть опасны при введении людям со слабым иммунитетом (которые описываются как иммунодефицитные ), потому что у этих людей ослабленный вирус может вызвать исходное заболевание. ^[215] Для производства субъединичных вакцин используются методы биотехнологии и генной инженерии. В этих вакцинах используются только капсидные белки вируса. Вакцина против гепатита B является примером вакцины этого типа. ^[216] Субъединичные вакцины безопасны для пациентов с ослабленным иммунитетом, поскольку они не могут вызывать заболевание. ^[217]Вирус желтой лихорадки вакцина , живой ослабленный штамм называется 17D, вероятно, является самой безопасной и наиболее эффективной вакциной когда - либо генерироваться. ^[218]

Противовирусные препараты

Противовирусные препараты часто представляют собой аналоги нуклеозидов (поддельные строительные блоки ДНК), которые вирусы по ошибке включают в свои геномы во время репликации. Затем жизненный цикл вируса останавливается, поскольку вновь синтезированная ДНК неактивна. Это связано с тем, что в этих аналогах отсутствуют гидроксильные группы, которые вместе с атомами фосфора соединяются вместе, образуя прочный «каркас» молекулы ДНК. Это называется обрывом цепи ДНК . ^[219] Примерами аналогов нуклеозидов являются ацикловир при инфекциях, вызванных вирусом простого герпеса, и ламивудин при инфекциях, вызванных вирусом ВИЧ и гепатита В. Ацикловир - один из старейших и наиболее часто назначаемых противовирусных препаратов.^[220] Другие используемые противовирусные препараты нацелены на разные стадии жизненного цикла вируса.Чтобы стать полностью заразным,ВИЧ зависит от протеолитического фермента, называемого протеазой ВИЧ-1 . Существует большой класс препаратов, называемых ингибиторами протеазы, которые инактивируют этот фермент. ^[221]

Гепатит С вызывается РНК-вирусом. У 80% инфицированных людей заболевание носит хронический характер, и без лечения они остаются инфицированными до конца своей жизни. В настоящее время существует эффективное лечение, в котором используется лекарственный аналог нуклеозидов рибавирин в сочетании с интерфероном . ^[222] Разработано лечение хронических носителей вируса гепатита B с использованием аналогичной стратегии с использованием ламивудина. ^[223]

Заражение другими видами

Вирусы заражают всю клеточную жизнь, и, хотя вирусы встречаются повсеместно, у каждого вида клеток есть свой специфический диапазон, который часто заражает только этот вид. ^[224] Некоторые вирусы, называемые сателлитами , могут размножаться только в клетках, которые уже были заражены другим вирусом. ^[60]

Вирусы животных

Вирусы - важные патогенные микроорганизмы домашнего скота. Такие заболевания, как ящур и блютанга , вызываются вирусами. ^[225] Животные-компаньоны, такие как кошки, собаки и лошади, если не вакцинированы, восприимчивы к серьезным вирусным инфекциям. Парвовирус собак вызывается небольшим ДНК-вирусом, и инфекции у детенышей часто приводят к летальному исходу. ^[226] Как и все беспозвоночные , медоносная пчела восприимчива ко многим вирусным инфекциям. ^[227] Большинство вирусов безвредно сосуществуют в организме хозяина и не вызывают никаких признаков или симптомов болезни. ^[3]

Вирусы растений

Есть много типов вирусов растений, но часто они вызывают только потерю урожая , и попытки контролировать их экономически нецелесообразны. Вирусы растений часто передаются с растения на растение организмами, известными как переносчики . Обычно это насекомые, но некоторые грибы, нематодные черви и одноклеточные организмы являются переносчиками. Когда борьба с вирусными инфекциями растений считается экономичной, например, для многолетних плодов, усилия концентрируются на уничтожении переносчиков и удалении альтернативных хозяев, таких как сорняки. ^[228] Вирусы растений не могут инфицировать людей и других животных, потому что они могут воспроизводиться только в живых клетках растений. ^[229]

Родом из Перу, картофель стал основной культурой во всем мире. ^[230] вирус картофеля Y вызывает заболевание у картофеля и родственных видов , включая помидоры и перец. В 1980-х годах этот вирус приобрел экономическое значение, когда оказалось, что с ним трудно бороться с посевами семенного картофеля. Переносимый тлей , этот вирус может снизить урожайность до 80 процентов, что приведет к значительным потерям урожая картофеля. ^[231]

У растений есть продуманные и эффективные механизмы защиты от вирусов. Одним из наиболее эффективных является наличие так называемых генов устойчивости (R). Каждый ген R придает устойчивость к определенному вирусу, вызывая локальные области гибели клеток вокруг инфицированной клетки, которые часто можно увидеть невооруженным глазом в виде больших пятен. Это останавливает распространение инфекции. ^[232] РНК-интерференция также является эффективной защитой растений. ^[233] При заражении растения часто производят естественные дезинфицирующие средства, убивающие вирусы, такие как салициловая кислота , оксид азота и реактивные молекулы кислорода . ^[234]

Частицы вирусов растений или вирусоподобные частицы (VLP) находят применение как в биотехнологии, так и в нанотехнологиях . Капсиды большинства вирусов растений представляют собой простые и надежные структуры и могут продуцироваться в больших количествах либо путем инфицирования растений, либо путем экспрессии в различных гетерологичных системах. Частицы вируса растений могут быть модифицированы генетически и химически, чтобы инкапсулировать чужеродный материал, и могут быть включены в супрамолекулярные структуры для использования в биотехнологии. ^[235]

Бактериальные вирусы

Бактериофаги представляют собой обычную и разнообразную группу вирусов и являются наиболее распространенным биологическим организмом в водной среде - этих вирусов в океанах до десяти раз больше, чем бактерий ^[236], достигая уровня 250 000 000 бактериофагов на миллилитр морской воды. . ^[237] Эти вирусы заражают определенные бактерии, связываясь с поверхностными молекулами рецепторов, а затем проникая в клетку. За короткий промежуток времени, в некоторых случаях всего за несколько минут, бактериальная полимеразаначинает транслировать вирусную мРНК в белок. Эти белки становятся либо новыми вирионами внутри клетки, либо вспомогательными белками, которые помогают сборке новых вирионов, либо белками, участвующими в лизисе клетки. Вирусные ферменты способствуют разрушению клеточной мембраны, и, в случае фага Т4 , всего за двадцать минут после инъекции может высвободиться более трехсот фагов. ^[238]

Основной способ защиты бактерий от бактериофагов - выработка ферментов, разрушающих чужеродную ДНК. Эти ферменты, называемые эндонуклеазами рестрикции , разрезают вирусную ДНК, которую бактериофаги вводят в бактериальные клетки. ^[239] Бактерии также содержат систему, которая использует последовательности CRISPR для сохранения фрагментов геномов вирусов, с которыми бактерии контактировали в прошлом, что позволяет им блокировать репликацию вируса посредством РНК-интерференции . ^{[240] [241]} Эта генетическая система обеспечивает бактериям приобретенный иммунитет к инфекции. ^[242]

Вирусы архей

Некоторые вирусы реплицируются внутри архей : это двухцепочечные ДНК-вирусы необычной, а иногда и уникальной формы. ^{[6] [90]} Эти вирусы были наиболее подробно изучены у термофильных архей, особенно у отрядов Sulfolobales и Thermoproteales . ^[243] Защита от этих вирусов включает вмешательство РНК со стороны повторяющихся последовательностей ДНК в геномах архей, которые связаны с генами вирусов. ^{[244] [245]}Большинство архей имеют системы CRISPR – Cas в качестве адаптивной защиты от вирусов. Это позволяет архее сохранять участки вирусной ДНК, которые затем используются для нацеливания и устранения последующих заражений вирусом с использованием процесса, аналогичного вмешательству РНК. ^[246]

Роль в водных экосистемах

Вирусы являются наиболее распространенным биологическим объектом в водной среде. ^[2] Их около десяти миллионов в чайной ложке морской воды. ^[247] Большинство этих вирусов представляют собой бактериофаги, заражающие гетеротрофные бактерии, и цианофаги, заражающие цианобактерии, и они необходимы для регулирования экосистем соленой и пресной воды. ^[248] Бактериофаги безвредны для растений и животных и необходимы для регулирования морских и пресноводных экосистем. ^[249] являются важными агентами гибели фитопланктона , основы пищевой цепи в водной среде. ^[250]Они заражают и уничтожают бактерии в водных микробных сообществах и являются одним из важнейших механизмов рециркуляции углерода и круговорота питательных веществ в морской среде. Органические молекулы, высвобождаемые из мертвых бактериальных клеток, стимулируют рост свежих бактерий и водорослей в процессе, известном как вирусный шунт . ^[251] В частности, было показано, что лизис бактерий вирусами усиливает круговорот азота и стимулирует рост фитопланктона. ^[252] Вирусный активность может также влиять на биологический насос , процесс , при котором углерод является поглощенным в глубоком океане. ^[253]

Микроорганизмы составляют более 90% биомассы моря. Подсчитано, что вирусы убивают примерно 20% этой биомассы каждый день и что в океанах в 10-15 раз больше вирусов, чем бактерий и архей. ^[254] Вирусы также являются основными агентами, ответственными за разрушение фитопланктона, включая вредоносное цветение водорослей , ^[255] . Количество вирусов в океанах уменьшается дальше от берега и глубже в воду, где меньше организмов-хозяев. ^[253]

В январе 2018 года ученые сообщили , что 800 миллионов вирусов, в основном морского происхождения, которые осаждаются ежедневно от Земли «s атмосферы на каждый квадратный метр поверхности планеты, как результат глобального атмосферного потока вирусов, циркулирующих над системой погоды но ниже высоты обычных авиаперелетов, распространяющих вирусы по планете. ^{[256] [257]}

Как и любой другой организм, морские млекопитающие подвержены вирусным инфекциям. В 1988 и 2002 годах тысячи морских тюленей были убиты в Европе вирусом фокиновой чумы . ^[258] Многие другие вирусы, включая калицивирусы , герпесвирусы , аденовирусы и парвовирусы , циркулируют в популяциях морских млекопитающих. ^[253]

Роль в эволюции

Вирусы являются важным естественным средством передачи генов между разными видами, что увеличивает генетическое разнообразие и стимулирует эволюцию. ^[8] Считается, что вирусы играли центральную роль в ранней эволюции, до того как последний универсальный общий предок превратился в бактерий, архей и эукариот. ^[259] Вирусы по-прежнему являются одним из крупнейших резервуаров неизученного генетического разнообразия на Земле. ^[253]

Приложения

Науки о жизни и медицина

Вирусы важны для изучения молекулярной и клеточной биологии, поскольку они обеспечивают простые системы, которые можно использовать для манипулирования и исследования функций клеток. ^[260] Изучение и использование вирусов предоставило ценную информацию об аспектах клеточной биологии. ^[261] Например, вирусы были полезны при изучении генетики и помогли нам понять основные механизмы молекулярной генетики , такие как репликация ДНК , транскрипция , обработка РНК , трансляция , транспорт белков и иммунология .

Генетики часто используют вирусы в качестве векторов для введения генов в клетки, которые они изучают. Это полезно для того, чтобы заставить клетку производить чужеродное вещество или для изучения эффекта введения нового гена в геном. Аналогичным образом виротерапия использует вирусы в качестве векторов для лечения различных заболеваний, поскольку они могут специфически воздействовать на клетки и ДНК. Он показывает многообещающее использование в лечении рака и в генной терапии . Ученые из Восточной Европы в течение некоторого времени использовали фаговую терапию в качестве альтернативы антибиотикам, и интерес к этому подходу растет из-за высокого уровня устойчивости к антибиотикам, обнаруживаемой в настоящее время у некоторых патогенных бактерий. ^[262]Экспрессия гетерологичных белков вирусами является основой нескольких производственных процессов, которые в настоящее время используются для производства различных белков, таких как вакцинные антигены и антитела. Недавно были разработаны промышленные процессы с использованием вирусных векторов, и ряд фармацевтических белков в настоящее время проходят доклинические и клинические испытания. ^[263]

Виротерапия

Виротерапия предполагает использование генетически модифицированных вирусов для лечения заболеваний. ^[264] Вирусы были модифицированы учеными, чтобы воспроизводиться в раковых клетках и разрушать их, но не заражать здоровые клетки. Талимоген лахерпарепвек (T-VEC), например, представляет собой модифицированный вирус простого герпеса, который имеет ген, необходимый для репликации вирусов в здоровых клетках, удаленный и замененный человеческим геном ( GM-CSF ), который стимулирует иммунитет. Когда этот вирус заражает раковые клетки, он разрушает их, и при этом присутствие гена GM-CSF привлекает дендритные клетки из окружающих тканей тела. Дендритные клетки обрабатывают мертвые раковые клетки и представляют их компоненты другим клеткамиммунная система . ^[265] После успешных клинических испытаний вирус получил одобрение для лечения меланомы в конце 2015 года. ^[266] Вирусы, которые были перепрограммированы для уничтожения раковых клеток, называются онколитическими вирусами . ^[267]

Материаловедение и нанотехнологии

Современные тенденции в нанотехнологиях обещают сделать использование вирусов более универсальным. С точки зрения материаловеда вирусы можно рассматривать как органические наночастицы. На их поверхности есть специальные инструменты, которые позволяют им преодолевать барьеры своих клеток-хозяев. Размер и форма вирусов, а также количество и природа функциональных групп на их поверхности точно определены. По существу, вирусы обычно используются в материаловедении в качестве основы для ковалентно связанных модификаций поверхности. Особое качество вирусов состоит в том, что они могут быть адаптированы путем направленной эволюции. Мощные методы, разработанные науками о жизни, становятся основой инженерных подходов к наноматериалам, открывая широкий спектр приложений, выходящих далеко за рамки биологии и медицины. ^[268]

Из-за своего размера, формы и четко определенной химической структуры вирусы использовались в качестве шаблонов для организации материалов на наноуровне. Недавние примеры включают работу в Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, с использованием частиц вируса мозаики коровьего гороха (CPMV) для усиления сигналов в датчиках на основе ДНК-микрочипов . В этом приложении вирусные частицы отделяют флуоресцентные красители, используемые для передачи сигналов, чтобы предотвратить образование нефлуоресцентных димеров, которые действуют как гасители . ^[269] Другой пример - использование CPMV в качестве макета нанометров для молекулярной электроники. ^[270]

Синтетические вирусы

Многие вирусы могут быть синтезированы de novo («с нуля»), и первый синтетический вирус был создан в 2002 году. ^[271] Хотя это в некоторой степени ошибочное представление, синтезируется не сам вирус, а, скорее, его ДНК-геном (на всякий случай). ДНК-вируса) или кДНК- копию его генома (в случае РНК-вирусов). Для многих семейств вирусов голая синтетическая ДНК или РНК (после ферментативного преобразования обратно из синтетической кДНК) при введении в клетку заразны. То есть они содержат всю необходимую информацию для создания новых вирусов. Эта технология сейчас используется для исследования новых вакцин. ^[272]Способность синтезировать вирусы имеет далеко идущие последствия, поскольку вирусы больше не могут считаться вымершими до тех пор, пока известна информация об их геномной последовательности и доступны разрешающие клетки. По состоянию на февраль 2021 ^{[Обновить]}года полноразмерные последовательности генома 10462 различных вирусов, в том числе вируса натуральной оспы, находятся в открытом доступе в онлайн-базе данных, поддерживаемой Национальными институтами здравоохранения . ^[273]

Оружие

Способность вирусов вызывать разрушительные эпидемии в человеческом обществе вызывает опасения, что вирусы могут использоваться в качестве оружия для биологической войны . Дальнейшее беспокойство вызвало успешное воссоздание печально известного вируса гриппа 1918 года в лаборатории. ^[274] Вирус оспы опустошил множество обществ на протяжении всей истории до его искоренения. В мире есть только два центра, уполномоченных ВОЗ хранить запасы вируса оспы: Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «ВЕКТОР» в России и Центры по контролю и профилактике заболеваний в США. ^[275] Может использоваться как оружие, ^[275]поскольку вакцина от оспы иногда имела серьезные побочные эффекты, она больше не используется в повседневной практике ни в одной стране. Таким образом, большая часть современного человеческого населения почти не имеет устойчивой устойчивости к оспе и будет уязвима для вируса. ^[275]

Смотрите также

Рекомендации

Примечания