Вирусология Лекция 3 Касание и вхождение

1. ВирусологияЛекция 3 Касание и вхождение Проект «Биотерроризм. Стратегия защиты и борьбы. Новое в медицине» Автор проекта В.Остальцев

2. Касание – процессстолкновения • «Кто обманывал тебя • так же часто, как самого себя?» • Бенджамин Франклин. • Как уже было сказано раньше, вирусы – Это облигатные внутриклеточные микроорганизмы. Вирионы зачастую бывают великими для проникновения через плазматическую мембрану клетки методом простой диффузии. • Мы так же говорили раньше, что структура вириона метастабильна. • Для инициации инфекционного цикла достаточно легкого касания вириона с поверхностью клетки. Вирионы вне клетки, даже если они проникли внутрь организма, – это неподвижные частички. Они не имеют энергии и локомотивного механизму для своего движения. Их перемещения во внутренней среде организма хозяина подчиняется законам диффузии, Броуновского движения, электростатическим силам. Наиболее мощная сила, которая двигает вирионы – поток крови и других биологических жидкостей. Таким образом моменты столкновения вирионов с клетками управляются по правилу случайности и вероятности события. На своем пути вирионы могут связываться с огромным количеством органических останков клеток. • Но эти столкновения никоим образом не влияют на метастабильное состояние вириона, пока он не найдет “правильную”, то есть тропную для него клетку. Процесс столкновения имеет три последовательных шага: • 1. Адгезия (приклеивание) до поверхности клетки. Не имеет специфичности. Действуют в основном электростатические силы. • 2. Захват специфического рецептора. Тропность вириона до конкретной клетки зависит именно от этого специфического рецептора. В процесс могут вовлекаться несколько рецепторов. • 3. Трансфер (перенос) генома в середину клетки.

3. Касание – процессстолкновения Контакт с рецептором Растворениемембраны • Такая самая простая схема характерна для парамиксовирусов, что изображена на рисунке. В середину клетки проникает только спиральная РНК. Капсид остается снаружи. • Клеточные рецепторы – обязательный компонент механизма вхождения вируса (или его генома) в клетку. Этот компонент характерен для всех вирусов кроме тех, которые инфицируют дрожжи (тут вирусы не имеют экстрацелюлярной фазы инфекционного процесса) и растения (вход во внутрь растительной клетки осуществляется через механические повреждения ее мембраны). Таким образом вирусы животных и бактериофаги перед входом в клетку обязательно связываются с ее рецепторами (ключ и замок). • До 1985 года науке был известен только один рецептор – сиаловая кислота при инфекции гриппа. Пенетрацияраздетого генома в цитоплазму Сиаловаякислота галактоза нейраминидаза

4. Рецепторы и корецепторы • Рецептор для вируса гриппа, который расположен на поверхностных клетках респираторного тракта, это – гликопротеин, который существует в двух вариантах: α(2,3) и α(2,6). На схеме продемонстрирован α(2,3) изомер сиаловой кислоты, где две молекулы галактозы соединяются между собою атомами углерода через атом кислорода. Один из атомов углерода расположен во второй позиции галактозного кольца, (желтый цвет), а другой атом углерода – в третьей позиции своей молекулы галактозы (бурый цвет). Эта на первый взгляд незначительная разница имеет огромное значение, потому как именно в этом месте С2 – О – С3 либо С2 – О – С6 происходит соединение рецептора клетки с нейраминидазой вируса гриппа. α(2,3) используется вирусом птичьего гриппа, а α(2,6) используется людскими штаммами вируса. Таким образом люди Имеют мало шансов заразиться птичьим гриппом. • Видырецепторовпикорнавирусов.

5. Рецепторы и корецепторы • Иногда разные вирусы могут связываться содним и тем же рецептором. Так аденовирус и вирус Коксаки В3 имеют одного и того ж рецептора. Свинной герпес вирус, вирус псевдобешенствасвязывются с такими же рецепторами, что и полиовирус человека. И наоборот, вируси одного семейства могут использовать разные рецептори. У риновирусив таких разных рецепторов – 3, у ретровирусов – 16.

6. Рецептор вирусагриппа Округлая голова петля Фиброзный ствол Мономер протеинагемаглютининаНА вирусагриппа мембрана

7. Вирусная структура - лиганда • Соединениевируса ВИЧ/СПИДас мембраною клетки • Вирусная структура – лиганда (ligand – субстанция, которая формирует молекулярный комплекс около центрального атома), специально приспособлена для взаимодействия с рецепторами клетки (аденовирус). Лиганды хорошо видны на ЭМ фотографии.

8. Вхождение в клетку Фагоцитоз Эндоцитоз Рецептор-зависимыйэндоцитоз • Вхождение в клетку. • Для проникновения внутрь клетки вирусы имеют специфичные связующие пептиды – fusionpeptide. Они по своей структуре и функции подрозделяются на несколько классов. • Класс І: • Перпендикулярные мембране - шипы • α – спиральные • Тримеры пиноцитоз Плазматическаямембрана Частичка, окруженнаяплазматическоймембраной

9. специфичныесвязующиепептидывирусов – fusion peptide • Класс ІІ: • β – слой • Димеры • Параллельныемембране Тример вирусовгриппа Димер флавивирусов

10. специфичныесвязующиепептидывирусов – fusion peptide • Класс ІІІ: • Перпендикулярныемембране – шипы • Смесь α – спиральных и β – слоистыхпротеинов • Тримеры • Rhabdoviridae, Herpesviridae Связующийпротеин для проникновениявирусаклещевогоэнцефалита Крио - электронно - микроскопическаяреконструкциявирусаДенге, структура которого подобна вирусуклещевогоэнцефалита

11. специфическиесвязующиепептидывирусов – fusion peptide • Примеры использования связующих пептидов для проникновения в клетку. • Вирус кори: кроме гликопротеида HN, который связывается с рецептором клетки, вирусная мембрана имеет особенный пептид для проникновения в клетку – связующий пептид (fusionpeptide), который после сигнала подтверждения сцепления гликопротеида HN з рецептором, присоединяется до клеточной мембраны. • Вирус ВИЧ/СПИДа: SU гликопротеид вируса связывается сразу з двумя рецепторами клетки - CD4 и CCR (корецептор). Это является сигналом для связующего пептида, который распрямляется, вытягивая свою структуру, цепляет мембрану клетки и приближает ее к себе.

12. специфичныесвязующиепептидывирусов – fusion peptide • На изображении (метод компьютерной анимации) представлены CD4 и CCR рецепторы лимфоцита. • Роль связующего пептида в инфекционном цикле вируса гриппа • Вирус гриппа: гликопротеид НА (гемагглютинин) и связующий протеин связываются с сиаловой кислотой клетки. Клеточная мембрана охватывает вирусную частичку так, что формируется эндосома. Через мембрану эндосомы проникают ионы водорода Н+, окисляя внутриэндосомную среду. Это приводит к активации связующего пептида, который отрывает сиаловую кислоту от мембраны эндосомы. Оболочка вируса и мембрана эндосомы расщепляются и выпускают вирусный геном в цитоплазму клетки. На последнем этапе вирусный геном проникает в ядро клетки через его поры.

13. Связующий пептид вирусагриппа • При этом гемагглютинин НА вируса гриппа подвергается драматическим изменениям в своей структуре: он расщепляется и «утрачивает голову». Этот процесс имеет свое название – кливидж (cleavage – расщепление).

14. СпособыпроникновениявірусоввнутрьклеткиСпособыпроникновениявірусоввнутрьклетки • Стадиипроникновения альфа вирусов и флавивирусов. • Кислаясредаактивируетсвязующиепептиды, чтоявляетсяпусковыммеханизмомпроникновения.

15. СпособыпроникновениявірусоввнутрьклеткиСпособыпроникновениявірусоввнутрьклетки • Формированиепоры в мембране для проникновениявирионавнутрьклетки. • Процесс проникновения внутрь клетки – регулируемый. Он не может проявляться в “непотребном” месте. Вирусы тропны только к «своим» клеткам. • Протеолитическое расщепление активирует связующий протеин – класс І. • Расщепление вторичных протеинов (класс ІІ) активирует связующий протеин. • Низкий уровень рН (кислая среда) является пусковым механизмом для связывания вириона с з мембраною клетки.

16. Нелегкий путь генома к ядру клетки • Какие события развиваются далее, когда вирион или его геном проникли через мембрану? Цель вирусной программы – достичь ядра клетки с тем, чтобы повернуть механизм синтеза клеточных белков на синтез вирусных геномов, то есть заставить генетическую машину клетки работать на размножение вируса. Но добраться до клеточного ядра – нелегкая задача. Цитоплазма клетки заполнена внутриклеточными органеллами и всевозможными включенниями: среди митохондрий, фибринных нитей эндоплазматического ретикулюма, аппарата Гольджи, клеточного ядра много мелких включений и органических соединений. Вирусные протеины не могут в таком вязком цитоплазматическом растворе двигаться к ядру клетки по закону диффузии. Заполненная цитоплазма. Движениекрупныхпротеиновневозможно по закону диффузии

17. Нелегкий путь генома к ядру клетки • Экспериментами установлены уровни скорости транспортировки вирусных компонентов в воде и в цитоплазме. Результаты отображены в таблице. • Коэффициент диффузии был рассчитан по формуле, которая включает диаметр вирусной частички и вязкость воды при комнатной температуре. Было допущено, что коэффициент диффузии в цитоплазме ниже, чем за коэффициент диффузии в воде в 500 раз. • Вывод: Движение внутри клетки вирионов, геномов, антигеномов, вирусных протеиновых комплексов требует транспортную машину. Разные механизмы действия такой машины схематично отображены на рисунке. К этой обобщающей схеме мы будем возвращаться не раз в последующих лекциях.

18. Схема транспортноймашины для “трафика”вирусныхгеномоввнутриклетки Ранняяэндосома Поздняяэндосома микротрубка лизосома Эндоплаз-матическийретикулюм ядро

19. Проникновениеаденовируса в клетку • Аденовирусы также имеют свои особенности проникновения в клетку. После эндоцитоза внутри эндосомы начинается процесс разборки вирусного капсида. Капсид избавляется от своих шипов (І класс связующих пептидов). Они ему уже не нужны. После выхода с эндосомы голый капсид захватывается транспортными белками, которые по микротрубкам перемещают его в направлении ядра. Справа от схемы – электронные фото аденовируса, средний снимок – транспорт аденовирусного капсида по микротрубке. Соединение с рецепторами клетки Эндоцитоз 10 мин Эндосома В эндосомупроникаютионы Н+ • Кислотозависимаяпенетрация Раздевание генома Контакт с порой ядра

20. МеханизмпроникновенияполиовирусаМеханизмпроникновенияполиовируса • Механизм проникновения полиовируса в клетку. • После эндоцитолиза полиовирус формирует поры в мембране эндосомы, через которые выпускается в цитоплазму вирусная РНК. драги Раздевание генома

21. Драги вирусаполиомиелита • На электронной фотографии полиовируса желтым цветом показаны драги – связующие пептиды для контакта с рецепторами мембраны. Всего драг – 60, и они размещаются в структуре капсида по правилу симметрии.

22. Роль ко-рецепторов в вирусныхинфекциях • Вирус Коксаки группы В требует два рецептора: DAF – decayacceleratingfactor (фактор, ускоряющий гниение, распад, разложение) и CAR – coxsackievirus-adenovirusreceptor (рецептор, единый для вирусов Коксаки и аденовируса). Эти вирусы инициируют инфекционный процесс на поверхности эпителиальных клеток респираторного и кишечного трактов. CAR – компонент жестких связей, на поверхности мембраны, которые формируют внешний скелет клетки, что делает ее недоступной для многих вирусов, но не для вируса Коксаки. Вирус Коксаки связывается сначала с DAF - рецептором. Именно этот факт является сигналом для рецептора CAR разорвать свои жесткие связи и предоставить доступ для проникновения вируса внутрь клетки. DAF на маленькомплоту Жесткиесвязи и сцепления

23. этапывеликого путиреовирусов • Этапы великого пути реовирусов. • Данные вирусы имеют двойную оболочку (см. лекцию “Структура вирусов”). Внутренняя оболочка гидрофобная. Поэтому, когда внешняя оболочка разрушается в лизосомах, внутренняя продолжает защищать геном, пока он не достигнет ядра. • Итак, мы рассмотрели основные, но далеко не все способы разных вирусов проникнуть внутрь клетки хозяина и достичь ядра. Дальнейшие события будут описаны в следующих лекциях. касание вирион эндоцитоз эндосома Протеолизвнешнейоболочки лизосома пенетрация Ядро, внутренняяоболочкавируса Синтез иРНК