Генетические признаки вирусов. Мутационная изменчивость вирусов: спонтанные и индуцированные мутации

Все вирусы обладают определенными признаками. В широком смысле признаками биологического объекта являются все те признаки, которые отличают его от других объектов и придают ему уникальность (неповторимость)

Генетическими признаками являются все те признаки, которые вирус способен сохранять, проявлять и передавать следующей генерации вируса. Совокупность всех генетических признаков составляет генотип вируса.

Все генетические признаки вирусов делятся на групповые, видовые и штаммовые. Например, у пикорнавирусов содержится молекула только однонитчатой РНК, все вирусы семейства имеют одинаковый размер, определенный тип симметрии (групповые признаки). У афтовирусов семейства Picornaviridae отмечается слабая устойчивость к кислотам, эпителиотропность, патогенность для парнокопытных (видовые признаки). У вируса ящура рода Aphtovirus имеются различные сероварианты (штаммовые признаки).

Каждый генетический признак обозначается начальными буквами латинского названия (Р – патогенность, V – вирусемия, Pbo – патогенность для КРС, Р+ - признак присутствует, t – терморезистентность, Ag – антигенность).

Разнообразные признаки вирусов обычно не связаны между собой, поэтому изменение одного признака не влияет на другой признак.

Виды мутации вирусов. Вирусы изменяют свои свойства как в естественных условиях при репродукции, так и в эксперименте. В основе наследственных изменений свойств вирусов лежат два процесса:

● мутация — изменение последовательности нуклеотидов в определенном участке генома вируса, ведущее к изменению фенотипических свойства;

● рекомбинация — обмен генетическим материалом между двумя близкими, но отличающимися по наследственным свойствам вирусами.

Классификация мутаций.

По механизму:

1. деления — выпадение одного или нескольких нуклеотидов;

2. встраивание одного или нескольких нуклеотидов;

3. замена одного нуклеотида другим.

По природе:

1) спонтанные мутации, которые в живой природе возникают чрезвычайно редко и под влиянием причин, трудно устанавливаемых в каждом отдельном случае. Такие изменения в популяции вирусов возникают без внешнего воздействия. Однородных популяций не бывает, поэтому в вирусной популяции в процессе ее развития спонтанные мутанты возникают с определенной вероятностью. Частота мутаций одного и того же признака может быть различной в зависимости от штамма.

Возникать спонтанные мутации могут в результате (по Уотсону и Крику, 1953):

а) таутомерного превращения (перегруппировок) оснований, входящих в состав нуклеиновой кислоты. Например, таутомерный сдвиг в положении атома водорода у аденина приводит к тому, что аденин при репликации спаривается не с тимином, а с гуанином. При спаривании оснований ошибка приводит в последующих репликациях к замене пары АТ и ГЦ.

Спонтанные мутации, возникшие в одном и том же гене, распределяются по его длине неравномерно. Одни участки гена изменяются часто («горячие» точки), другие — редко. Поэтому вероятность ошибок при спаривании оснований в различных участках гена различна. Это может быть связано с определенной конформацией нуклеиновой кислоты: отдельные нуклеотиды могут с большей степенью вероятности подвергаться таутомерному превращению, чем другие;

б) ошибок в работе ферментов: ДНК- или РНК-полимераз.

Примеры спонтанных мутаций.

1. Природная изменчивость антигенной структуры (гемагглютинина и нейраминидазы) вирусов гриппа человека и животных (в том числе птиц), на примере штаммов типа А2. Исходные штаммы типа А2 не различались между собой по антигенной структуре, тем, агглютинирующей активности, термостабильности, способности репродукции при 40°С и переходу и индикаторное состояние. (Индикаторный вирус — вирус, позволяющий выявить в культуре клеток другой нецитопатогенный вирус.) Позже штаммы, относящиеся к антигенным подгруппам А2/1, А2/2 и А2/3 (выделенные с 1968 по 1970 г.), показали изменение антигенной структуры и других биологических свойств этого возбудителя. Вначале исчезли ингибиторорезистентные штаммы, а затем ингибиторорезистентные варианты из смешанной популяции чувствительных к ингибиторам штаммов.

2. Гемагтлютинин и нейраминидаза вируса гриппа претерпевают изменения, независимые друг от друга. Например, вирус гриппа птиц, выделенный от индеек в штате Висконсин (США), содержал нейраминидазу, антигенно родственную нейраминидазе вирусов гриппа человека А2/Гонконг/68 и не схожий гемагглютинин, тогда как вирус гриппа, выделенный от свиньи на о. Тайвань, содержал антигены гемагглютинина и нейраминидазы, родственные антигенам вируса гриппа человека А2/Гонконг/68.

3. Известно 11 серовариантов вируса ящура (сем. пикорнавирусы) у типа О, 32 сероварианта у типа А, 5 — у типа С, 7 — у типа Sat-1 и по 3 — у типов Sat-2 и Sat-3. Штаммы вируса ящура типа Азия 1 также неоднородны по антигенной структуре.

4. Повышение или ослабление вирулентности возбудителя Изменения могут происходить в короткие сроки, поскольку жизненный цикл вирусов несравненно короче жизненного цикла хозяев. Известно наличие большого числа патогенных вариантов штаммов вируса болезни Ньюкасла (парамиксовирусы). При первом появлении болезнь в Европе протекала остро, с высоким процентом гибели птиц. В настоящее время все чаще регистрируются очаги с низкой летальностью и легким течением болезни. Происходит не только снижение количества очагов, но и аттенуация эпизоотических штаммов, что позволило выделить природно-ослабленные вакцинные штаммы B1, La Sota, F Бор/74/ВГНКИ.

5. Имеются сообщения о выделении природно-ослабленных штаммов вирусов чумы свиней (штамм Мияги), болезни Ауески (штамм Русс), миксомы кроликов и клещевого энцефалита:

2) индуцированные мутации, которые возникают при действии на вирус (вирион или вегетативную форму) различными химическими и физическими мутагенами, а также при адаптации вируса к необычным биологическим системам (адаптационная изменчивость).

После определения наследственных единиц вируса возникла перспектива получения живых вакцинных штаммов непосредственным воздействием на них физическими или химическими мутагенами, вызывающими структурные и функциональные изменения в молекуле вирусной кислоты. Применение искусственных мутагенов имеет два преимущества:

● они вызывают мутации в десятки и сотни раз эффективнее природных факторов;

● действие искусственных мутагенов имеет известную направленность; можно заранее предвидеть, на какие элементы структуры нуклеиновых кислот и каким образом действует тот или иной мутаген и какие изменения в них вызовет.

Химические мутагены. По классификации Фриза (1960) химические мутагены разделяют на две основные группы:

1. мутагены, реагирующие с нуклеиновой кислотой только во время ее репликации (аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований);

2. мутагены, реагирующие с покоящейся молекулой нуклеиновой кислоты. Однако для формирования мутаций необходимы последующие репликации молекулы (азотистая кислота, гидроксиламин, алкилирующие соединения).

Молекулярные механизмы мутагенного действия химических соединений подразделяются на две основные группы (по Е. Фризу):

1) замена основания, которая бывает двух типов: а) простая (транзиция), когда на место одного пуринового основания встает другое (например, вместо аденина — гуанин) или одно пиримидиновое основание заменяется другим (цитозин — урацилом). Такие замены происходят при индукции мутаций азотистой кислотой, рядом алкилирующих соединений и гидроксиламином;

б) сложная (трансверсия), при которой вместо одного пуринового основания появляется пиримидиновое или пиримидиновое основание заменяется пуриновым. Трансверсии происходят при индукции мутаций этилэтансульфонатом;

2) выпадение (делеция) или вставка основания, которое ведет к более глубоким изменениям генетического кода, чем простая замена оснований. Мутационные повреждения в одном участке генома нередко приводят к изменению нескольких генетических признаков, имеющих различное фенотипическое проявление (плейотропия). В то же время основой изменения генетического признака, имеющего одно и то же фенотипическое выражение (например, способность размножаться при повышенной температуре), могут быть мутационные повреждения различных генов.

Физические мутагены. Мутагенное действие повышенной температуры (40—50 °С) обнаружили Е. Фриз на опыте с бактериофагом Т4 и Ю. 3. Гендон при обработке РНК вируса полиомиелита. Температура способствует удалению пуринов (апуринизация, преимущественно гуанина) из ДНК.

При репликации такой ДНК напротив бреши, вызванной утратой пурина, в синтезирующуюся цепь могут быть включены любые нуклеотиды. Если включится основание, которого на этом месте ранее не было, то это означает появление мутации (транзиции или трансверсии).

Мутагенное действие ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовые лучи (УФ) взаимодействуют с молекулами нуклеиновых кислот и «поглощаются» органическими основаниями, особенно при длине волны 260—280 нм. Тимин (Т), урацил (У) и цитозин (Ц) более чувствительны к УФ, чем аденин (А) и гуанин (Г). При облучении структура указанных пиримидинов изменяется; две соседние молекулы тиминов соединяются друг с другом в пары, образуя так называемые тиминовые димеры.

Различают четыре класса вирусов – мутантов:

1.Вирусы с условно дефектными вирусными геномами. Они представляют собой вирусные частицы с частично измененным генотипом, которое проявляется только при определенных внешних условиях. Подобные вирусы после мутации сохраняют свою патогенность, однако при определенных условиях они не способны проявлять свои патогенные свойства. Эти условия могут касаться изменения температуры чувствительной клетки, при которой вирус вызывает патологический процесс, в редких случаях изменения спектра хозяев (чаще в сторону сужения).

2.Дефектные интерферирующие частицы (ДИчастицы). Они представляют собой вирусы с измененной нуклеиновой кислотой, при этом вирус утрачивает способность к синтезу функциональных белков, в результате чего этот вирус становиться неспособным к собственной репродукции. При заражении клетки дефектными вирусными частицами совместно с полноценными вирусами ДИчастицы способны к саморепродукции. Утилизируя для своей репликации продукты генов полноценных вирусов, ДИчастицы угнетают репродукции вирусапомощника.

3.Интеграционные вирусы с дефектным геномом. Они представляют собой вирусы, которые в ходе репродукции включают в свой геномный аппарат отдельные гены клеток. Все интеграционные вирусы с дефектным геномом представлены исключительно вирусами семейства Retroviridae, включающие в свой геномный состав определенные гены клетки (oncгены), вызывающие трансформацию нормальных клеток в опухолевые. Многие опухолевые заболевания, вызываемые вирусами данного семейства, инициируются при внедрении в клетки интеграционных вирусов, содержащие oncгены.

4.Вирусы-саттелиты. Представляют собой вирусы, которые для собственной репродукции требуют присутствия продуктов генома другого неродственного вируса. Такой тип репродукции свойственен отдельным вирусам семейства Parvoviridae (род Dependovirus), которые репродуцируются только при наличии аденовирусов. По характеру взаимодействия вирусы-саттелиты очень похожи на ДИчастицы, однако у последних взаимодействие происходит только между родственными вирусами.