Вирус — это субмикроскопический инфекционный агент , который размножается только внутри живых клеток организма . [1] Вирусы заражают все формы жизни , от животных и растений до микроорганизмов , включая бактерии и археи . [2] [3] Вирусы встречаются почти в каждой экосистеме на Земле и являются наиболее многочисленным типом биологической сущности. [4] [5] Со времени статьи Дмитрия Ивановского 1892 года, описывающей небактериальный патоген, заражающий растения табака, и открытия вируса табачной мозаики Мартинусом Бейеринком в 1898 году, [6] : 4 более 11 000 из миллионов видов вирусов были подробно описаны. [7] [8] Изучение вирусов известно как вирусология , узкая специальность микробиологии .
При заражении клетка-хозяин часто вынуждена быстро производить тысячи копий исходного вируса. Когда вирусы не находятся внутри инфицированной клетки или в процессе заражения клетки, они существуют в форме независимых вирусных частиц, или вирионов , состоящих из (i) генетического материала , т. е. длинных молекул ДНК или РНК , которые кодируют структуру белков, с помощью которых действует вирус; (ii) белковой оболочки, капсида , которая окружает и защищает генетический материал; и в некоторых случаях (iii) внешней оболочки из липидов . Формы этих вирусных частиц варьируются от простых спиральных и икосаэдрических форм до более сложных структур. У большинства видов вирусов вирионы слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью оптического микроскопа , и составляют одну сотую размера большинства бактерий.
Происхождение вирусов в эволюционной истории жизни до сих пор неясно. Некоторые вирусы могли произойти от плазмид , которые представляют собой фрагменты ДНК, которые могут перемещаться между клетками. Другие вирусы могли произойти от бактерий. В эволюции вирусы являются важным средством горизонтального переноса генов , который увеличивает генетическое разнообразие способом, аналогичным половому размножению . [9] Некоторые биологи считают вирусы формой жизни, потому что они переносят генетический материал, размножаются и развиваются посредством естественного отбора , хотя у них отсутствуют некоторые ключевые характеристики, такие как клеточная структура, которые обычно считаются необходимыми критериями для определения жизни. Поскольку они обладают некоторыми, но не всеми такими качествами, вирусы были описаны как «организмы на грани жизни» [10] и как репликаторы . [11]
Вирусы распространяются многими способами. Один из путей передачи — через болезнетворные организмы, известные как переносчики : например, вирусы часто передаются от растения к растению насекомыми, которые питаются соком растений , такими как тля ; а вирусы у животных могут переноситься кровососущими насекомыми. Многие вирусы распространяются по воздуху при кашле и чихании, включая вирусы гриппа , SARS-CoV-2 , ветряной оспы , оспы и кори . Норовирус и ротавирус , распространенные причины вирусного гастроэнтерита , передаются фекально-оральным путем , через руки в рот или через пищу или воду. Инфекционная доза норовируса, необходимая для заражения человека, составляет менее 100 частиц. [12] ВИЧ — один из нескольких вирусов, передаваемых половым путем и при контакте с инфицированной кровью. Разнообразие клеток-хозяев, которые может инфицировать вирус, называется его кругом хозяев : он узок для вирусов, специализирующихся на заражении только нескольких видов, или широк для вирусов, способных инфицировать многие виды. [13] : 123–124
Вирусные инфекции у животных вызывают иммунный ответ , который обычно устраняет заражающий вирус. Иммунные ответы также могут быть вызваны вакцинами , которые обеспечивают искусственно приобретенный иммунитет к определенной вирусной инфекции. Некоторые вирусы, включая те, которые вызывают ВИЧ/СПИД , инфекцию ВПЧ и вирусный гепатит , избегают этих иммунных ответов и приводят к хроническим инфекциям. Было разработано несколько классов противовирусных препаратов .
Английское слово «virus» происходит от латинского vīrus , которое относится к яду и другим ядовитым жидкостям. Vīrus происходит от того же индоевропейского корня, что и санскритское viṣa , авестийское vīša и древнегреческое ἰός ( iós ), которые все означают «яд». Первое засвидетельствованное использование «virus» на английском языке появилось в 1398 году в переводе Иоанна Тревизы « De Proprietatibus Rerum » Варфоломея Англикского . [14] [15] Virulent , от латинского virulentus ('ядовитый'), датируется примерно 1400 годом . [16] [17] Значение фразы «агент, вызывающий инфекционное заболевание» впервые зафиксировано в 1728 году [15] , задолго до открытия вирусов Дмитрием Ивановским в 1892 году. Множественное число в английском языке — viruss (иногда также vira ), [18] тогда как латинское слово — неисчисляемое существительное , которое не имеет классически подтвержденного множественного числа ( vīra используется в неолатинском языке [19] ). Прилагательное virus относится к 1948 году [20] Термин virion (множественное число virions ), который относится к 1959 году [21], также используется для обозначения одной вирусной частицы, которая высвобождается из клетки и способна заражать другие клетки того же типа. [22]
Вирусы встречаются везде, где есть жизнь, и, вероятно, существуют с тех пор, как впервые появились живые клетки . [23] Происхождение вирусов неясно, поскольку они не образуют окаменелостей, поэтому для того, чтобы сделать вывод об их возникновении, используются молекулярные методы . [24] Кроме того, вирусный генетический материал иногда интегрируется в зародышевую линию организмов-хозяев, посредством чего он может передаваться вертикально потомству хозяина в течение многих поколений. Это дает палеовирусологам бесценный источник информации для отслеживания древних вирусов, которые существовали еще миллионы лет назад.
Существуют три основные гипотезы, которые пытаются объяснить происхождение вирусов: [25]
В прошлом со всеми этими гипотезами были проблемы: регрессивная гипотеза не объясняла, почему даже самые маленькие из клеточных паразитов никоим образом не похожи на вирусы. Гипотеза побега не объясняла сложные капсиды и другие структуры на вирусных частицах. Гипотеза о том, что вирусы являются первыми, противоречила определению вирусов, поскольку им требуются клетки-хозяева. [27] : 24 В настоящее время вирусы признаются древними и имеющими происхождение, которое предшествовало расхождению жизни на три домена . [27] : 28 Это открытие заставило современных вирусологов пересмотреть и переоценить эти три классические гипотезы. [27] : 28
Доказательства предкового мира РНК- клеток [27] : 26 и компьютерный анализ вирусных и хозяйских последовательностей ДНК дают лучшее понимание эволюционных отношений между различными вирусами и могут помочь идентифицировать предков современных вирусов. На сегодняшний день такие анализы не доказали, какая из этих гипотез верна. [27] : 26 Кажется маловероятным, что все известные в настоящее время вирусы имеют общего предка, и вирусы, вероятно, возникали много раз в прошлом одним или несколькими механизмами. [31]
Первые доказательства существования вирусов были получены в ходе экспериментов с фильтрами, поры которых были достаточно малы, чтобы удерживать бактерии. В 1892 году Дмитрий Ивановский использовал один из таких фильтров, чтобы показать, что сок из больного растения табака оставался инфекционным для здоровых растений табака, несмотря на фильтрацию. Мартинус Бейеринк назвал отфильтрованное инфекционное вещество «вирусом», и это открытие считается началом вирусологии. Последующее открытие и частичная характеристика бактериофагов Фредериком Твортом и Феликсом д'Эреллем еще больше стимулировали эту область, и к началу 20-го века было обнаружено много вирусов. В 1926 году Томас Милтон Риверс определил вирусы как облигатных паразитов. Венделл Мередит Стэнли продемонстрировал, что вирусы являются частицами, а не жидкостью, а изобретение электронного микроскопа в 1931 году позволило визуализировать их сложные структуры. [32]
Научные мнения расходятся относительно того, являются ли вирусы формой жизни или органическими структурами, которые взаимодействуют с живыми организмами. [11] Их описывают как «организмы на грани жизни», [10], поскольку они напоминают организмы тем, что обладают генами , развиваются путем естественного отбора , [33] и размножаются, создавая множественные копии себя посредством самосборки. Хотя у них есть гены, у них нет клеточной структуры, которая часто рассматривается как основная единица жизни. Вирусы не имеют собственного метаболизма и требуют клетки-хозяина для создания новых продуктов. Поэтому они не могут естественным образом размножаться вне клетки-хозяина [34] — хотя некоторые бактерии, такие как риккетсии и хламидии, считаются живыми организмами, несмотря на то же ограничение. [35] [36] Принятые формы жизни используют деление клеток для размножения, тогда как вирусы спонтанно собираются внутри клеток. Они отличаются от автономного роста кристаллов , поскольку наследуют генетические мутации, будучи подверженными естественному отбору. Самосборка вирусов в клетках-хозяевах имеет значение для изучения происхождения жизни , поскольку она придает дополнительную достоверность гипотезе о том, что жизнь могла зародиться как самоорганизующиеся органические молекулы . [2] Модель вироцелл, впервые предложенная Патриком Фортером, рассматривает инфицированную клетку как «живую форму» вирусов, а вирусные частицы (вирионы) аналогичны спорам . [37] Хотя дебаты о живом и неживом продолжаются, модель вироцелл получила некоторое признание. [38]
Вирусы демонстрируют большое разнообразие размеров и форм, называемых « морфологиями ». В целом, вирусы намного меньше бактерий, и более тысячи вирусов-бактериофагов поместились бы внутри клетки бактерии Escherichia coli . [39] : 98 Многие изученные вирусы имеют сферическую форму и диаметр от 20 до 300 нанометров . Некоторые филовирусы , которые представляют собой нити, имеют общую длину до 1400 нм; их диаметр составляет всего около 80 нм. [26] : 33–55 Большинство вирусов невозможно увидеть с помощью оптического микроскопа , поэтому для их визуализации используются сканирующие и просвечивающие электронные микроскопы . [26] : 33–37 Чтобы увеличить контраст между вирусами и фоном, используются электронно-плотные «пятна». Это растворы солей тяжелых металлов, таких как вольфрам , которые рассеивают электроны из областей, покрытых пятном. Когда вирионы покрыты красителем (положительное окрашивание), мелкие детали не видны. Отрицательное окрашивание решает эту проблему, окрашивая только фон. [40]
Полная вирусная частица, известная как вирион , состоит из нуклеиновой кислоты, окруженной защитной оболочкой из белка, называемой капсидом . Они образованы из белковых субъединиц, называемых капсомерами . [26] : 40 Вирусы могут иметь липидную «оболочку», полученную из мембраны клетки- хозяина . Капсид состоит из белков, кодируемых вирусным геномом , и его форма служит основой для морфологического различия. [41] [42] Кодируемые вирусом белковые субъединицы будут самособираться, образуя капсид, в общем случае требуя присутствия вирусного генома. Сложные вирусы кодируют белки, которые помогают в построении их капсида. Белки, связанные с нуклеиновой кислотой, известны как нуклеопротеины , а ассоциация вирусных капсидных белков с вирусной нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом. Капсид и всю структуру вируса можно механически (физически) исследовать с помощью атомно-силовой микроскопии . [43] [44] В целом существует пять основных морфологических типов вирусов:
Поксвирусы — это крупные, сложные вирусы с необычной морфологией. Вирусный геном связан с белками в центральной дисковой структуре, известной как нуклеоид . Нуклеоид окружен мембраной и двумя боковыми тельцами неизвестной функции. Вирус имеет внешнюю оболочку с толстым слоем белка, усеивающего его поверхность. Весь вирион слегка плеоморфен , варьируясь от яйцевидной до кирпичной формы. [50]
Mimivirus — один из самых крупных охарактеризованных вирусов с диаметром капсида 400 нм. Белковые нити размером 100 нм выступают из поверхности. Капсид выглядит гексагональным под электронным микроскопом, поэтому капсид, вероятно, икосаэдрический. [51] В 2011 году исследователи обнаружили самый большой известный на тот момент вирус в образцах воды, собранных со дна океана у побережья Лас-Крусес, Чили. Временно названный Megavirus chilensis , его можно увидеть с помощью простого оптического микроскопа. [52] В 2013 году род Pandoravirus был обнаружен в Чили и Австралии, и его геномы примерно в два раза больше, чем у Megavirus и Mimivirus. [53] Все гигантские вирусы имеют геномы dsDNA, и они классифицируются на несколько семейств: Mimiviridae , Pithoviridae, Pandoraviridae , Phycodnaviridae и род Mollivirus . [54]
Некоторые вирусы, которые заражают археи, имеют сложные структуры, не связанные ни с одной другой формой вируса, с большим разнообразием необычных форм, начиная от веретенообразных структур до вирусов, которые напоминают крючковатые стержни, капли или даже бутылки. Другие архейные вирусы напоминают хвостатые бактериофаги и могут иметь множественные хвостовые структуры. [55]
Огромное разнообразие геномных структур можно увидеть среди вирусных видов ; как группа, они содержат больше структурного геномного разнообразия, чем растения, животные, археи или бактерии. Существуют миллионы различных типов вирусов, [8] хотя менее 7000 типов были подробно описаны. [6] : 49 По состоянию на январь 2021 года база данных геномов вирусов NCBI насчитывает более 193 000 полных геномных последовательностей, [56] но, несомненно, еще многое предстоит открыть. [57] [58]
Вирус имеет либо ДНК- , либо РНК- геном и называется ДНК-вирусом или РНК-вирусом соответственно. Большинство вирусов имеют РНК-геномы. Растительные вирусы, как правило, имеют одноцепочечные РНК-геномы, а бактериофаги, как правило, имеют двухцепочечные ДНК-геномы. [26] : 96–99
Вирусные геномы кольцевые, как у полиомавирусов , или линейные, как у аденовирусов . Тип нуклеиновой кислоты не имеет значения для формы генома. Среди РНК-вирусов и некоторых ДНК-вирусов геном часто делится на отдельные части, в этом случае он называется сегментированным. Для РНК-вирусов каждый сегмент часто кодирует только один белок, и они обычно находятся вместе в одном капсиде. Все сегменты не обязательно должны находиться в одном вирионе, чтобы вирус был инфекционным, как это было продемонстрировано вирусом мозаики костра и несколькими другими вирусами растений. [26] : 33–35
Вирусный геном, независимо от типа нуклеиновой кислоты, почти всегда является либо одноцепочечным (ss), либо двухцепочечным (ds). Одноцепочечные геномы состоят из непарной нуклеиновой кислоты, аналогично половине лестницы, разделенной пополам. Двухцепочечные геномы состоят из двух комплементарных парных нуклеиновых кислот, аналогично лестнице. Вирусные частицы некоторых семейств вирусов, например, принадлежащих к Hepadnaviridae , содержат геном, который частично двухцепочечный и частично одноцепочечный. [26] : 96–99
Для большинства вирусов с геномами РНК и некоторых с геномами одноцепочечной ДНК (ssDNA) одиночные цепи считаются либо положительными (называемыми «плюс-цепью»), либо отрицательными (называемыми «минус-цепью»), 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, таким образом, по крайней мере, часть ее может быть немедленно транслирована клеткой-хозяином. Отрицательно-смысловая вирусная РНК комплементарна мРНК и, таким образом, должна быть преобразована в положительно-смысловую РНК с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы перед трансляцией. Номенклатура ДНК для вирусов с геномной одноцепочечной ДНК похожа на номенклатуру РНК, в том, что вирусная одноцепочечная ДНК с положительным знаком идентична последовательности вирусной мРНК и, таким образом, является кодирующей цепью, в то время как вирусная одноцепочечная ДНК с отрицательным знаком комплементарна вирусной мРНК и, таким образом, является шаблонной цепью. [26] : 96–99 Несколько типов вирусов одноцепочечной ДНК и одноцепочечной ДНК имеют геномы, которые являются амбисмысловыми , в том смысле, что транскрипция может происходить с обеих цепей в двухцепочечном репликативном промежуточном продукте. Примерами являются геминивирусы , которые являются одноцепочечными вирусами растений, и аренавирусы , которые являются одноцепочечными вирусами РНК животных. [59]
Размер генома сильно различается у разных видов. Самые маленькие — одноцепочечные ДНК-цирковирусы семейства Circoviridae — кодируют только два белка и имеют размер генома всего в две килобазы; [60] самые большие — пандоравирусы — имеют размер генома около двух мегабаз, которые кодируют около 2500 белков. [53] Гены вирусов редко имеют интроны и часто расположены в геноме так, что они перекрываются . [61]
В целом, РНК-вирусы имеют меньшие размеры генома, чем ДНК-вирусы, из-за более высокой частоты ошибок при репликации и имеют максимальный верхний предел размера. [24] 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 — тем самым уменьшая 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. [62] Одноцепочечные ДНК-вирусы являются исключением из этого правила, поскольку частота мутаций для этих геномов может приближаться к экстремальному значению для вируса ssRNA. [63]
Вирусы подвергаются генетическим изменениям посредством нескольких механизмов. К ним относится процесс, называемый антигенным дрейфом , когда отдельные основания в ДНК или РНК мутируют в другие основания. Большинство этих точечных мутаций являются «молчаливыми» — они не изменяют белок, который кодирует ген, — но другие могут давать эволюционные преимущества, такие как устойчивость к противовирусным препаратам . [64] [65] Антигенный сдвиг происходит, когда в геноме вируса происходит серьезное изменение. Это может быть результатом рекомбинации или реассортации . Вирус гриппа А очень склонен к реассортации; иногда это приводило к появлению новых штаммов , которые вызывали пандемии . [66] РНК-вирусы часто существуют как квазивиды или рои вирусов одного и того же вида, но с немного отличающимися последовательностями нуклеозидов генома. Такие квазивиды являются главной мишенью для естественного отбора. [67]
Сегментированные геномы дают эволюционные преимущества; различные штаммы вируса с сегментированным геномом могут перемешивать и комбинировать гены и производить потомство вирусов (или потомство), обладающее уникальными характеристиками. Это называется реассортацией или «вирусным сексом». [68]
Генетическая рекомбинация — это процесс, при котором цепь ДНК (или РНК) разрывается, а затем присоединяется к концу другой молекулы ДНК (или РНК). Это может произойти, когда вирусы одновременно заражают клетки, и исследования вирусной эволюции показали, что рекомбинация широко распространена в изучаемых видах. [69] Рекомбинация свойственна как РНК-, так и ДНК-вирусам. [70] [71]
Коронавирусы имеют одноцепочечный РНК- геном с положительным смыслом. Репликация генома катализируется РНК -зависимой РНК-полимеразой . Механизм рекомбинации , используемый коронавирусами, вероятно, включает переключение шаблона полимеразой во время репликации генома. [72] Этот процесс, по-видимому, является адаптацией для преодоления повреждения генома. [73]
Вирусные популяции не растут посредством деления клеток, потому что они бесклеточные. Вместо этого они используют механизмы и метаболизм клетки-хозяина для производства множественных копий самих себя, и они собираются в клетке. [74] При заражении клетка-хозяин вынуждена быстро производить тысячи копий исходного вируса. [75]
Их жизненный цикл сильно различается у разных видов, но в его основе лежат шесть основных стадий: [26] : 75–91
Присоединение — это специфическое связывание между вирусными капсидными белками и специфическими рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Эта специфичность определяет диапазон хозяев и тип клетки-хозяина вируса. Например, ВИЧ заражает ограниченный диапазон человеческих лейкоцитов . Это происходит потому, что его поверхностный белок gp120 специфически взаимодействует с молекулой CD4 — хемокиновым рецептором , — который чаще всего встречается на поверхности Т-клеток CD4+ . Этот механизм развился в пользу тех вирусов, которые заражают только клетки, в которых они способны к репликации. Присоединение к рецептору может заставить белок оболочки вируса претерпеть изменения, которые приводят к слиянию вирусных и клеточных мембран или изменениям необолочечных поверхностных белков вируса, которые позволяют вирусу проникнуть внутрь. [76]
Проникновение или проникновение вируса следует за прикреплением: вирионы проникают в клетку-хозяина посредством опосредованного рецепторами эндоцитоза или слияния мембран . Инфекция растительных и грибковых клеток отличается от инфекции животных клеток. Растения имеют жесткую клеточную стенку, состоящую из целлюлозы , а грибы — из хитина, поэтому большинство вирусов могут проникнуть внутрь этих клеток только после травмы клеточной стенки. [6] : 70 Почти все растительные вирусы (например, вирус табачной мозаики) также могут перемещаться напрямую из клетки в клетку в форме одноцепочечных нуклеопротеиновых комплексов через поры, называемые плазмодесмами . [77] 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 выработали механизмы, которые вводят свой геном в бактериальную клетку через клеточную стенку, в то время как вирусный капсид остается снаружи. [6] : 71
Раздевание — это процесс, в ходе которого удаляется вирусный капсид: это может происходить путем деградации вирусными ферментами или ферментами хозяина или путем простой диссоциации; конечным результатом является высвобождение вирусной геномной нуклеиновой кислоты. [78]
Репликация вирусов включает в себя в первую очередь размножение генома. Репликация включает синтез вирусной информационной РНК (мРНК) из «ранних» генов (за исключением вирусов с положительной РНК), синтез вирусного белка , возможную сборку вирусных белков, затем репликацию вирусного генома, опосредованную ранней или регуляторной экспрессией белка. За этим может следовать, для сложных вирусов с большими геномами, один или несколько дальнейших раундов синтеза мРНК: «поздняя» экспрессия генов, как правило, структурных или вирионных белков. [79]
Сборка – После структурно-опосредованной 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. [80]
Выделение – Вирусы могут высвобождаться из клетки-хозяина путем лизиса , процесса, который убивает клетку, разрывая ее мембрану и клеточную стенку, если они присутствуют: это особенность многих бактериальных и некоторых животных вирусов. Некоторые вирусы проходят лизогенный цикл , где вирусный геном включается путем генетической рекомбинации в определенное место в хромосоме хозяина. Вирусный геном затем известен как « провирус » или, в случае бактериофагов, « профаг ». [13] : 836 Всякий раз, когда хозяин делится, вирусный геном также реплицируется. Вирусный геном в основном молчит внутри хозяина. В какой-то момент провирус или профаг могут дать начало активному вирусу, который может лизировать клетки хозяина. [6] : 243–259 Оболочечные вирусы (например, ВИЧ) обычно высвобождаются из клетки-хозяина путем почкования . Во время этого процесса вирус приобретает свою оболочку, которая представляет собой измененную часть плазмы хозяина или другой внутренней мембраны. [6] : 185–187
Генетический материал вирусных частиц и метод его репликации значительно различаются у разных типов вирусов.
Диапазон структурных и биохимических эффектов, которые вирусы оказывают на клетку-хозяина, обширен. [26] : 115–146 Они называются « цитопатическими эффектами ». [26] : 115 Большинство вирусных инфекций в конечном итоге приводят к смерти клетки-хозяина. Причинами смерти являются лизис клеток, изменения поверхностной мембраны клетки и апоптоз . [82] Часто смерть клетки вызвана прекращением ее нормальной деятельности из-за подавления вирус-специфическими белками, не все из которых являются компонентами вирусной частицы. [83] Различие между цитопатическими и безвредными является постепенным. Некоторые вирусы, такие как вирус Эпштейна-Барр , могут вызывать пролиферацию клеток, не вызывая злокачественных новообразований, [84] в то время как другие, такие как папилломавирусы , являются установленными причинами рака. [85]
Некоторые вирусы не вызывают видимых изменений в инфицированной клетке. Клетки, в которых вирус находится в латентном и неактивном состоянии, проявляют мало признаков инфекции и часто функционируют нормально. [86] Это вызывает постоянные инфекции, и вирус часто находится в состоянии покоя в течение многих месяцев или лет. Это часто случается с вирусами герпеса . [87] [88]
Вирусы, безусловно, являются наиболее распространенными биологическими образованиями на Земле, и их численность превышает численность всех остальных вместе взятых. [89] Они заражают все типы клеточной жизни, включая животных, растения, бактерии и грибы . [6] : 49 Различные типы вирусов могут заражать только ограниченный круг хозяев, и многие из них являются видоспецифичными. Некоторые, такие как вирус оспы , например, могут заражать только один вид — в данном случае людей, [13] : 643 и, как говорят, имеют узкий круг хозяев . Другие вирусы, такие как вирус бешенства, могут заражать различные виды млекопитающих и, как говорят, имеют широкий круг хозяев. [13] : 631 Вирусы, заражающие растения, безвредны для животных, и большинство вирусов, заражающих других животных, безвредны для человека. [6] : 272 Круг хозяев некоторых бактериофагов ограничен одним штаммом бактерий, и их можно использовать для отслеживания источника вспышек инфекций с помощью метода, называемого фаговым типированием . [90] Полный набор вирусов в организме или среде обитания называется виромом ; например, все человеческие вирусы составляют человеческий виром . [91]
Новый вирус — это тот, который ранее не был зарегистрирован. Это может быть вирус, который изолирован от своего естественного резервуара или изолирован в результате распространения на животное или человека-хозяина , где вирус ранее не был идентифицирован. Это может быть возникающий вирус , представляющий собой новый вирус, но это также может быть существующий вирус, который ранее не был идентифицирован . [92] Коронавирус SARS-CoV-2 , вызвавший пандемию COVID-19, является примером нового вируса. [93]
Классификация стремится описать разнообразие вирусов, называя и группируя их на основе сходства. В 1962 году Андре Львофф , Роберт Хорн и Поль Турнье были первыми, кто разработал средство классификации вирусов, основанное на иерархической системе Линнея . [94] Эта система основывалась на классификации по типу , классу , порядку , семейству , роду и виду . Вирусы были сгруппированы в соответствии с их общими свойствами (а не свойствами их хозяев) и типом нуклеиновой кислоты, образующей их геномы. [95] В 1966 году был сформирован Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). Система, предложенная Львоффом, Хорном и Турнье, изначально не была принята ICTV, поскольку небольшой размер генома вирусов и их высокая скорость мутации затрудняли определение их происхождения за пределами порядка. Таким образом, система классификации Балтимора стала использоваться для дополнения более традиционной иерархии. [96] 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 до вида. [97] Кроме того, некоторые виды в пределах одного рода сгруппированы в геногруппу . [98] [99]
ICTV разработала текущую систему классификации и написала руководящие принципы, которые придают больший вес определенным свойствам вирусов для поддержания единообразия семейства. Была создана единая таксономия (универсальная система классификации вирусов). [100] Была изучена лишь небольшая часть общего разнообразия вирусов. [101] По состоянию на 2022 год ICTV определила 6 областей, 10 царств, 17 типов, 2 подтипа, 40 классов, 72 отряда, 8 подотрядов, 264 семейства, 182 подсемейства , 2818 родов, 84 подрода и 11 273 вида вирусов. [7]
Общая таксономическая структура таксономических диапазонов и суффиксы, используемые в таксономических названиях, показаны ниже. По состоянию на 2022 год ранги подцарства, подцарства и подкласса не используются, тогда как все остальные ранги используются. [7]
Лауреат Нобелевской премии биолог Дэвид Балтимор разработал систему классификации Балтимора . [102] [103] Система классификации ICTV используется совместно с системой классификации Балтимора в современной классификации вирусов. [104] [105] [106]
Балтиморская классификация вирусов основана на механизме производства мРНК . Вирусы должны генерировать мРНК из своих геномов для производства белков и самореплицирования, но для достижения этого в каждом семействе вирусов 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 либо смысловыми (+), либо антисмысловыми (−). Эта классификация делит вирусы на семь групп:
Примерами распространенных заболеваний человека, вызываемых вирусами, являются простуда , грипп , ветряная оспа и герпес . Многие серьезные заболевания, такие как бешенство , болезнь, вызванная вирусом Эбола , СПИД (ВИЧ) , птичий грипп и атипичная пневмония, вызываются вирусами. Относительная способность вирусов вызывать заболевания описывается в терминах вирулентности . Другие заболевания изучаются, чтобы выяснить, являются ли они вирусом в качестве возбудителя, например, возможная связь между вирусом герпеса человека 6 (HHV6) и неврологическими заболеваниями, такими как рассеянный склероз и синдром хронической усталости . [108] Существуют разногласия по поводу того, может ли борнавирус , ранее считавшийся причиной неврологических заболеваний у лошадей, быть ответственным за психиатрические заболевания у людей. [109]
Вирусы имеют различные механизмы, с помощью которых они вызывают заболевание в организме, что во многом зависит от вида вируса. Механизмы на клеточном уровне в первую очередь включают лизис клеток, разрыв и последующую смерть клетки. В многоклеточных организмах , если достаточное количество клеток погибает, весь организм начинает страдать от последствий. Хотя вирусы вызывают нарушение здорового гомеостаза , что приводит к заболеванию, они могут существовать относительно безвредно внутри организма. Примером может служить способность вируса простого герпеса , вызывающего герпес, оставаться в спящем состоянии в организме человека. Это называется латентностью [110] и является характеристикой вирусов герпеса, включая вирус Эпштейна-Барр, вызывающий мононуклеоз, и вирус ветряной оспы , вызывающий ветряную оспу и опоясывающий лишай . Большинство людей были инфицированы по крайней мере одним из этих типов вируса герпеса. [111] Эти латентные вирусы иногда могут быть полезны, так как присутствие вируса может повысить иммунитет против бактериальных патогенов, таких как Yersinia pestis . [112]
Некоторые вирусы могут вызывать пожизненные или хронические инфекции, при которых вирусы продолжают размножаться в организме, несмотря на защитные механизмы хозяина. [113] Это распространено при инфекциях вируса гепатита В и вируса гепатита С. Люди с хронической инфекцией известны как носители, поскольку они служат резервуарами инфекционного вируса. [114] В популяциях с высокой долей носителей заболевание считается эндемичным . [115]
Вирусная эпидемиология — это раздел медицинской науки, который занимается передачей и контролем вирусных инфекций у людей. Передача вирусов может быть вертикальной, то есть от матери к ребенку, или горизонтальной, то есть от человека к человеку. Примерами вертикальной передачи являются вирус гепатита В и ВИЧ, когда ребенок рождается уже инфицированным вирусом. [116] Другим, более редким примером является вирус ветряной оспы , который, хотя и вызывает относительно легкие инфекции у детей и взрослых, может быть смертельным для плода и новорожденного. [117]
Горизонтальная передача является наиболее распространенным механизмом распространения вирусов в популяциях. [118] Горизонтальная передача может происходить при обмене жидкостями организма во время половой активности, при обмене слюной или при употреблении зараженной пищи или воды. Это также может происходить при вдыхании аэрозолей, содержащих вирусы, или через насекомых -переносчиков, например, когда инфицированные комары проникают через кожу хозяина. [118] Большинство типов вирусов ограничены только одним или двумя из этих механизмов, и их называют «респираторными вирусами» или «кишечными вирусами» и т. д. Скорость или темп передачи вирусных инфекций зависят от факторов, которые включают плотность населения, количество восприимчивых людей (т. е. тех, кто не имеет иммунитета), [119] качество здравоохранения и погоду. [120]
Эпидемиология используется для прерывания цепочки заражения населения во время вспышек вирусных заболеваний . [13] : 264 Применяются меры контроля, основанные на знании того, как передается вирус. Важно найти источник или источники вспышки и идентифицировать вирус. После того, как вирус идентифицирован, цепочку передачи иногда можно разорвать с помощью вакцин. Когда вакцины недоступны, санитария и дезинфекция могут быть эффективными. Часто инфицированных людей изолируют от остального сообщества, а тех, кто подвергся воздействию вируса, помещают на карантин . [13] : 894 Для борьбы со вспышкой ящура у крупного рогатого скота в Великобритании в 2001 году были забиты тысячи голов крупного рогатого скота. [121] Большинство вирусных инфекций людей и других животных имеют инкубационные периоды , в течение которых инфекция не вызывает никаких признаков или симптомов. [13] : 170 Инкубационные периоды вирусных заболеваний составляют от нескольких дней до недель, но известны для большинства инфекций. [13] : 170–172 Несколько перекрывая, но в основном следуя за инкубационным периодом, существует период заразности — время, когда инфицированный человек или животное заразны и могут заразить другого человека или животное. [13] : 170–172 Это также известно для многих вирусных инфекций, и знание продолжительности обоих периодов важно для контроля вспышек. [13] : 272 Когда вспышки вызывают необычно высокую долю случаев в популяции, сообществе или регионе, их называют эпидемиями. Если вспышки распространяются по всему миру, их называют пандемиями . [13] : 891
Пандемия — это всемирная эпидемия . Пандемия гриппа 1918 года , которая продолжалась до 1919 года, была пандемией гриппа категории 5 , вызванной необычно тяжелым и смертельным вирусом гриппа А. Жертвами часто были здоровые молодые люди, в отличие от большинства вспышек гриппа, которые в основном поражают несовершеннолетних, пожилых или иным образом ослабленных пациентов. [26] : 409–415 По более ранним оценкам, она убила 40–50 миллионов человек, [122] в то время как более поздние исследования показывают, что она могла убить до 100 миллионов человек, или 5% населения мира в 1918 году. [123]
Хотя вирусные пандемии являются редкими событиями, ВИЧ, который произошел от вирусов, обнаруженных у обезьян и шимпанзе, является пандемией по крайней мере с 1980-х годов. [124] В течение 20-го века было четыре пандемии, вызванные вирусом гриппа, и те, что произошли в 1918, 1957 и 1968 годах, были серьезными. [125] Большинство исследователей полагают, что ВИЧ возник в странах Африки к югу от Сахары в 20-м веке; [126] сейчас это пандемия, и, по оценкам, 37,9 миллиона человек в настоящее время живут с этим заболеванием во всем мире. [127] В 2018 году от СПИДа умерло около 770 000 человек. [128] Объединенная программа Организации Объединенных Наций по ВИЧ/СПИДу (ЮНЭЙДС) и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) подсчитали, что СПИД убил более 25 миллионов человек с момента его первого признания 5 июня 1981 года, что делает его одной из самых разрушительных эпидемий в зарегистрированной истории. [129] В 2007 году было зарегистрировано 2,7 миллиона новых случаев заражения ВИЧ и 2 миллиона смертей, связанных с ВИЧ. [130]
Несколько высоколетальных вирусных патогенов являются членами Filoviridae . Филовирусы — это нитевидные вирусы, вызывающие вирусную геморрагическую лихорадку , и включают в себя вирусы Эбола и вирусы Марбург . Вирус Марбург , впервые обнаруженный в 1967 году, привлек широкое внимание прессы в апреле 2005 года из-за вспышки в Анголе . [131] Болезнь, вызванная вирусом Эбола , также вызывала периодические вспышки с высокими показателями смертности с 1976 года, когда она была впервые идентифицирована. Самая худшая и последняя из них — эпидемия в Западной Африке 2013–2016 годов . [132]
За исключением оспы, большинство пандемий вызваны недавно возникшими вирусами. Эти «возникающие» вирусы обычно являются мутантами менее вредоносных вирусов, которые ранее циркулировали либо среди людей, либо среди других животных. [133]
Тяжелый острый респираторный синдром ( ТОРС ) и ближневосточный респираторный синдром (MERS) вызываются новыми типами коронавирусов . Известно, что другие коронавирусы вызывают легкие инфекции у людей, [134] поэтому вирулентность и быстрое распространение инфекций ТОРС, которые к июлю 2003 года стали причиной около 8000 случаев и 800 смертей, были неожиданными, и большинство стран не были готовы. [135]
Родственный коронавирус, тяжелый острый респираторный синдром коронавирус 2 (SARS-Cov-2) , предположительно возникший у летучих мышей, появился в Ухане , Китай, в ноябре 2019 года и быстро распространился по всему миру. Заражение вирусом вызвало пандемию COVID-19 , которая началась в 2020 году. [93] [136] [137] Беспрецедентные ограничения в мирное время были введены на международные поездки, [138] а в нескольких крупных городах по всему миру в ответ на пандемию был введен комендантский час . [139]
Вирусы являются установленной причиной рака у людей и других видов. Вирусные раковые заболевания возникают только у меньшинства инфицированных людей (или животных). Вирусы рака происходят из ряда семейств вирусов, включая как РНК-, так и ДНК-вирусы, поэтому не существует единого типа « онковируса » (устаревший термин, первоначально использовавшийся для остро трансформирующих ретровирусов). Развитие рака определяется различными факторами, такими как иммунитет хозяина [140] и мутации у хозяина. [141] Вирусы, которые, как принято считать, вызывают рак у человека, включают некоторые генотипы вируса папилломы человека , вируса гепатита В , вируса гепатита С , вируса Эпштейна-Барр , герпесвируса , ассоциированного с саркомой Капоши, и человеческого Т-лимфотропного вируса . Самым недавно обнаруженным вирусом рака человека является полиомавирус ( полиомавирус клеток Меркеля ), который вызывает большинство случаев редкой формы рака кожи, называемой карциномой клеток Меркеля . [142] Вирусы гепатита могут развиться в хроническую вирусную инфекцию, которая приводит к раку печени . [143] [144] Инфекция человеческим Т-лимфотропным вирусом может привести к тропическому спастическому парапарезу и взрослой Т-клеточной лейкемии . [145] Вирусы папилломы человека являются установленной причиной рака шейки матки , кожи, ануса и полового члена . [146] В семействе Herpesviridae герпесвирус, ассоциированный с саркомой Капоши , вызывает саркому Капоши и лимфому полости тела , а вирус Эпштейна-Барр вызывает лимфому Беркитта , лимфому Ходжкина , В- лимфопролиферативное заболевание и носоглоточную карциному . [147] Полиомавирус клеток Меркеля тесно связан с SV40 и мышиными полиомавирусами, которые использовались в качестве животных моделей для вирусов рака более 50 лет. [148]
Первая линия защиты организма от вирусов — это врожденная иммунная система . Она включает клетки и другие механизмы, которые защищают хозяина от инфекции неспецифическим образом. Это означает, что клетки врожденной системы распознают и реагируют на патогены общим образом, но, в отличие от адаптивной иммунной системы , она не обеспечивает хозяину длительного или защитного иммунитета. [149]
РНК-интерференция является важной врожденной защитой от вирусов. [150] Многие вирусы имеют стратегию репликации, которая включает двухцепочечную РНК (dsRNA). Когда такой вирус заражает клетку, он высвобождает свою молекулу или молекулы РНК, которые немедленно связываются с белковым комплексом, называемым dicer , который разрезает РНК на более мелкие части. Активируется биохимический путь — комплекс RISC , который обеспечивает выживание клетки путем деградации вирусной мРНК. Ротавирусы эволюционировали, чтобы избегать этого защитного механизма, не полностью снимая оболочку внутри клетки и высвобождая вновь произведенную мРНК через поры во внутреннем капсиде частицы. Их геномная dsRNA остается защищенной внутри ядра вириона. [151] [152]
Когда адаптивная иммунная система позвоночного сталкивается с вирусом, она вырабатывает специфические антитела , которые связываются с вирусом и часто делают его неинфекционным. Это называется гуморальным иммунитетом . Важны два типа антител. Первый, называемый IgM , очень эффективен для нейтрализации вирусов, но вырабатывается клетками иммунной системы только в течение нескольких недель. Второй, называемый IgG , вырабатывается неограниченно долго. Наличие IgM в крови хозяина используется для проверки на острую инфекцию, тогда как IgG указывает на инфекцию, имевшую место когда-то в прошлом. [153] Антитела IgG измеряются при проведении тестов на иммунитет . [154]
Антитела могут продолжать быть эффективным защитным механизмом даже после того, как вирусам удалось проникнуть в клетку-хозяина. Белок, который находится в клетках, называемый TRIM21 , может прикрепляться к антителам на поверхности вирусной частицы. Это запускает последующее разрушение вируса ферментами протеосомной системы клетки . [155]
Вторая защита позвоночных от вирусов называется клеточно-опосредованным 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 уничтожается клетками-убийцами Т, а вирус-специфические Т-клетки размножаются. Такие клетки, как макрофаги, являются специалистами в этой презентации антигенов . [156] Выработка интерферона является 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. [157]
Не все вирусные инфекции вызывают защитный иммунный ответ таким образом. ВИЧ ускользает от иммунной системы, постоянно изменяя аминокислотную последовательность белков на поверхности вириона. Это известно как «мутация ускользания», поскольку вирусные эпитопы ускользают от распознавания иммунным ответом хозяина. Эти стойкие вирусы ускользают от иммунного контроля путем секвестрации, блокады презентации антигена , устойчивости к цитокинам , уклонения от активности естественных клеток-киллеров , уклонения от апоптоза и антигенного сдвига . [158] Другие вирусы, называемые « нейротропными вирусами », распространяются путем нейронного распространения, где иммунная система может быть неспособна достичь их из-за иммунной привилегии . [159]
Поскольку вирусы используют жизненно важные метаболические пути внутри клеток-хозяев для репликации, их трудно устранить без использования лекарств, которые оказывают токсическое воздействие на клетки-хозяева в целом. Наиболее эффективными медицинскими подходами к вирусным заболеваниям являются вакцинация для обеспечения иммунитета к инфекции и противовирусные препараты , которые избирательно препятствуют репликации вирусов.
Вакцинация — это дешевый и эффективный способ профилактики вирусных инфекций. Вакцины использовались для профилактики вирусных инфекций задолго до открытия самих вирусов. Их использование привело к резкому снижению заболеваемости (болезни) и смертности (смерти), связанных с вирусными инфекциями, такими как полиомиелит , корь , свинка и краснуха . [160] Инфекции оспы были искоренены. [161] Существуют вакцины для профилактики более тринадцати вирусных инфекций людей, [162] и еще больше используются для профилактики вирусных инфекций животных. [163] Вакцины могут состоять из живых ослабленных или убитых вирусов, вирусных белков ( антигенов ) или РНК . [164] [165] Живые вакцины содержат ослабленные формы вируса, которые не вызывают заболевание, но, тем не менее, обеспечивают иммунитет. Такие вирусы называются ослабленными. Живые вакцины могут быть опасны, если их вводить людям со слабым иммунитетом (которых описывают как иммунокомпрометированных ), потому что у этих людей ослабленный вирус может вызвать исходное заболевание. [166] Биотехнология и методы генной инженерии используются для производства субъединичных вакцин. Эти вакцины используют только капсидные белки вируса. Вакцина против гепатита В является примером этого типа вакцины. [167] Субъединичные вакцины безопасны для пациентов с иммунодефицитом , потому что они не могут вызвать заболевание. [168] Вакцина против вируса желтой лихорадки , живой ослабленный штамм, называемый 17D, вероятно, является самой безопасной и эффективной вакциной из когда-либо созданных. [169]
Противовирусные препараты часто являются аналогами нуклеозидов (поддельные строительные блоки ДНК), которые вирусы по ошибке включают в свои геномы во время репликации. [170] Затем жизненный цикл вируса останавливается, поскольку вновь синтезированная ДНК неактивна. Это происходит потому, что у этих аналогов отсутствуют гидроксильные группы, которые вместе с атомами фосфора связываются вместе, образуя прочный «остов» молекулы ДНК. Это называется обрывом цепи ДНК . [171] Примерами аналогов нуклеозидов являются ацикловир для лечения инфекций вируса простого герпеса и ламивудин для лечения инфекций вируса ВИЧ и гепатита В. Ацикловир является одним из старейших и наиболее часто назначаемых противовирусных препаратов. [172] Другие используемые противовирусные препараты нацелены на различные стадии жизненного цикла вируса. ВИЧ зависит от протеолитического фермента, называемого протеазой ВИЧ-1, чтобы стать полностью инфекционным. Существует большой класс препаратов, называемых ингибиторами протеазы , которые инактивируют этот фермент. [173] Существует около тринадцати классов противовирусных препаратов, каждый из которых нацелен на различные вирусы или стадии вирусной репликации. [170]
Гепатит С вызывается РНК-вирусом. У 80% инфицированных людей болезнь носит хронический характер, и без лечения они остаются инфицированными на всю оставшуюся жизнь. Существуют эффективные методы лечения, в которых используются противовирусные препараты прямого действия . [174] Лечение хронических носителей вируса гепатита В также было разработано с использованием аналогичных стратегий, включающих ламивудин и другие противовирусные препараты. [175]
Вирусы заражают всю клеточную жизнь, и, хотя вирусы встречаются повсеместно, каждый клеточный вид имеет свой собственный специфический диапазон, который часто заражает только этот вид. [6] : 3 Некоторые вирусы, называемые сателлитами , могут размножаться только внутри клеток, которые уже были инфицированы другим вирусом. [30]
Вирусы являются важными патогенами домашнего скота. Такие заболевания, как ящур и катаральная лихорадка овец, вызываются вирусами. [176] Домашние животные, такие как кошки, собаки и лошади, если не вакцинированы, восприимчивы к серьезным вирусным инфекциям. Собачий парвовирус вызывается небольшим ДНК-вирусом, и инфекции часто приводят к летальному исходу у щенков. [177] Как и все беспозвоночные , медоносная пчела восприимчива ко многим вирусным инфекциям. [178] Большинство вирусов безвредно сосуществуют в организме хозяина и не вызывают никаких признаков или симптомов заболевания. [6] : 4
Существует много типов вирусов растений, но часто они вызывают только потерю урожая , и экономически невыгодно пытаться контролировать их. Вирусы растений часто распространяются от растения к растению организмами, известными как переносчики . Обычно это насекомые, но некоторые грибы, нематоды , одноклеточные организмы и паразитические растения являются переносчиками. [179] Когда контроль инфекций вирусов растений считается экономически выгодным, например, для многолетних фруктов, усилия концентрируются на уничтожении переносчиков и удалении альтернативных хозяев, таких как сорняки. [13] : 802 Вирусы растений не могут заражать людей и других животных, потому что они могут размножаться только в живых клетках растений. [13] : 799–807
Родом из Перу, картофель стал основной культурой во всем мире. [180] Картофельный вирус Y вызывает заболевание картофеля и родственных видов, включая томаты и перцы. В 1980-х годах этот вирус приобрел экономическое значение, когда оказалось, что его трудно контролировать в посевах семенного картофеля. Передаваемый тлями , этот вирус может снизить урожайность до 80 процентов, вызывая значительные потери урожая картофеля. [181]
Растения обладают сложными и эффективными механизмами защиты от вирусов. Одним из наиболее эффективных является наличие так называемых генов устойчивости (R). Каждый ген R придает устойчивость к определенному вирусу, вызывая локализованные области гибели клеток вокруг инфицированной клетки, которые часто можно увидеть невооруженным глазом в виде больших пятен. Это останавливает распространение инфекции. [182] РНК-интерференция также является эффективной защитой у растений. [13] : 809 > Когда растения инфицированы, они часто вырабатывают естественные дезинфицирующие вещества, которые убивают вирусы, такие как салициловая кислота , оксид азота и реактивные молекулы кислорода . [183]
Частицы вирусов растений или вирусоподобные частицы (VLP) имеют применение как в биотехнологии , так и в нанотехнологии . Капсиды большинства вирусов растений представляют собой простые и прочные структуры и могут быть получены в больших количествах либо путем инфицирования растений, либо путем экспрессии в различных гетерологичных системах. Частицы вирусов растений могут быть модифицированы генетически и химически для инкапсуляции чужеродного материала и могут быть включены в надмолекулярные структуры для использования в биотехнологии. [184]
Бактериофаги — это распространенная и разнообразная группа вирусов, наиболее распространенная биологическая сущность в водной среде — в океанах этих вирусов в десять раз больше, чем бактерий, [185] достигая уровня 250 000 000 бактериофагов на миллилитр морской воды. [186] Эти вирусы заражают определенные бактерии, связываясь с молекулами поверхностных рецепторов , а затем проникая в клетку. В течение короткого промежутка времени, в некоторых случаях всего за несколько минут, бактериальная полимераза начинает транслировать вирусную мРНК в белок. Эти белки затем становятся либо новыми вирионами внутри клетки, вспомогательными белками, которые помогают сборке новых вирионов, либо белками, участвующими в лизисе клеток. Вирусные ферменты помогают в разрушении клеточной мембраны, и, в случае фага Т4 , всего за двадцать минут после инъекции может быть высвобождено более трехсот фагов. [13] : 834–835
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. [187] Бактерии также содержат систему, которая использует последовательности CRISPR для сохранения фрагментов геномов вирусов, с которыми бактерии ранее контактировали, что позволяет им блокировать репликацию вируса посредством формы РНК-интерференции . [188] [189] Эта генетическая система обеспечивает бактериям приобретенный иммунитет к инфекции. [190]
Некоторые бактериофаги называются « умеренными », потому что они вызывают скрытые инфекции и не сразу уничтожают свои клетки-хозяева. Вместо этого их ДНК включается в клетку-хозяина в качестве профага . Эти скрытые инфекции становятся продуктивными, когда ДНК профага активируется стимулами, такими как изменения в окружающей среде. [191] Кишечник животных, включая людей, содержит умеренные бактериофаги, которые активируются различными стимулами, включая изменения в диете и антибиотики. [192] Хотя впервые они были обнаружены у бактериофагов, известно, что многие другие вирусы образуют провирусы , включая ВИЧ. [191] [193]
Некоторые вирусы реплицируются внутри архей : это ДНК-вирусы необычной и иногда уникальной формы. [4] [55] Эти вирусы были изучены наиболее подробно в термофильных археях, особенно в порядках Sulfolobales и Thermoproteales . [194] Защита от этих вирусов включает РНК-интерференцию из повторяющихся последовательностей ДНК в геномах архей, которые связаны с генами вирусов. [195] [196] Большинство архей имеют системы CRISPR–Cas в качестве адаптивной защиты от вирусов. Они позволяют археям сохранять участки вирусной ДНК, которые затем используются для нацеливания и устранения последующих инфекций вирусом с помощью процесса, похожего на РНК-интерференцию. [197]
Вирусы являются наиболее распространенной биологической сущностью в водной среде. [2] В чайной ложке морской воды их содержится около десяти миллионов. [198] Большинство этих вирусов являются бактериофагами, заражающими гетеротрофные бактерии, и цианофагами, заражающими цианобактерии, и они необходимы для регуляции соленых и пресноводных экосистем. [199] Бактериофаги безвредны для растений и животных и необходимы для регуляции морских и пресноводных экосистем [200] являются важными агентами смертности фитопланктона , основы пищевой цепи в водной среде. [201] 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 новых бактерий и водорослей в процессе, известном как вирусный шунт . [202] В частности, было показано, что лизис бактерий вирусами усиливает круговорот азота и стимулирует рост фитопланктона. [203] Вирусная активность может также влиять на биологический насос , процесс, посредством которого углерод секвестрируется в глубинах океана. [204]
Микроорганизмы составляют более 90% биомассы в море. По оценкам, вирусы убивают около 20% этой биомассы каждый день, и в океанах вирусов в 10-15 раз больше, чем бактерий и архей. [205] Вирусы также являются основными агентами, ответственными за уничтожение фитопланктона , включая вредоносное цветение водорослей , [206] Количество вирусов в океанах уменьшается дальше от берега и глубже в воду, где меньше организмов-хозяев. [204]
В январе 2018 года ученые сообщили, что 800 миллионов вирусов, в основном морского происхождения, ежедневно оседают из атмосферы Земли на каждый квадратный метр поверхности планеты в результате глобального атмосферного потока вирусов, циркулирующего выше погодной системы, но ниже высоты обычных авиаперелетов, распространяя вирусы по всей планете. [207] [208]
Как и любой организм, морские млекопитающие восприимчивы к вирусным инфекциям. В 1988 и 2002 годах тысячи обыкновенных тюленей были убиты в Европе вирусом чумы плотоядных . [209] Многие другие вирусы, включая калицивирусы , герпесвирусы , аденовирусы и парвовирусы , циркулируют в популяциях морских млекопитающих. [204]
В декабре 2022 года ученые сообщили о первом наблюдении вироворизма посредством эксперимента с прудовой водой, содержащей хлоровирус , который обычно заражает зеленые водоросли в пресноводной среде. Когда все другие микробные источники пищи были удалены из воды, было замечено, что инфузория Halteria увеличилась в количестве из-за активного потребления хлоровируса в качестве источника пищи вместо ее типичной бактериоядной диеты. [210] [211]
Вирусы являются важным естественным средством передачи генов между различными видами, что увеличивает генетическое разнообразие и стимулирует эволюцию. [9] [212] [213] Считается, что вирусы играли центральную роль в ранней эволюции, до разделения последнего универсального общего предка на бактерии, археи и эукариоты. [214] Вирусы по-прежнему являются одним из крупнейших резервуаров неисследованного генетического разнообразия на Земле. [204]
Вирусы важны для изучения молекулярной и клеточной биологии , поскольку они предоставляют простые системы, которые можно использовать для манипулирования и исследования функций клеток. [26] : 8 Изучение и использование вирусов предоставило ценную информацию об аспектах клеточной биологии. [215] Например, вирусы были полезны при изучении генетики и помогли нам понять основные механизмы молекулярной генетики , такие как репликация ДНК , транскрипция , процессинг 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. Аналогично, виротерапия использует вирусы в качестве векторов для лечения различных заболеваний, поскольку они могут специфически воздействовать на клетки и ДНК. Это показывает многообещающее применение в лечении рака и в генной терапии . Ученые Восточной Европы уже некоторое время используют фаговую терапию в качестве альтернативы антибиотикам, и интерес к этому подходу растет из-за высокого уровня устойчивости к антибиотикам, который сейчас обнаруживается у некоторых патогенных бактерий. [216] 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 несколько фармацевтических белков в настоящее время проходят доклинические и клинические испытания. [217]
Виротерапия подразумевает использование генетически модифицированных вирусов для лечения заболеваний. [218] Ученые модифицировали вирусы, чтобы они размножались в раковых клетках и уничтожали их, но не заражали здоровые клетки. Например, Talimogene laherparepvec (T-VEC) — это модифицированный вирус простого герпеса , у которого ген, необходимый для репликации вирусов в здоровых клетках, был удален и заменен человеческим геном ( GM-CSF ), который стимулирует иммунитет. Когда этот вирус заражает раковые клетки, он их уничтожает, и при этом наличие гена GM-CSF привлекает дендритные клетки из окружающих тканей организма. Дендритные клетки обрабатывают мертвые раковые клетки и представляют их компоненты другим клеткам иммунной системы . [219] После успешного завершения клинических испытаний вирус получил одобрение для лечения меланомы в конце 2015 года. [220] Вирусы, которые были перепрограммированы для уничтожения раковых клеток, называются онколитическими вирусами . [221]
С точки зрения материаловеда, вирусы можно рассматривать как органические наночастицы . [222] Их поверхность несет особые инструменты, которые позволяют им пересекать барьеры их клеток-хозяев. Размер и форма вирусов, а также количество и природа функциональных групп на их поверхности точно определены. Таким образом, вирусы обычно используются в материаловедении в качестве каркасов для ковалентно связанных поверхностных модификаций. Особым качеством вирусов является то, что их можно адаптировать путем направленной эволюции. Мощные методы, разработанные науками о жизни, становятся основой инженерных подходов к наноматериалам, открывая широкий спектр приложений далеко за пределами биологии и медицины. [223] Благодаря своему размеру, форме и четко определенным химическим структурам вирусы использовались в качестве шаблонов для организации материалов в наномасштабе. Примерами служат работы в Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, по использованию частиц вируса мозаики коровьего гороха (CPMV) для усиления сигналов в датчиках на основе ДНК-микрочипов . В этом приложении вирусные частицы разделяют флуоресцентные красители , используемые для сигнализации, чтобы предотвратить образование нефлуоресцентных димеров , которые действуют как гасители . [224] Другим примером является использование CPMV в качестве наноразмерного макета для молекулярной электроники. [225]
Многие вирусы могут быть синтезированы de novo («с нуля»). Первый синтетический вирус был создан в 2002 году. [226] Хотя это и является некоторым заблуждением, синтезируется не сам вирус, а его геном ДНК (в случае ДНК-вируса) или кДНК- копия его генома (в случае РНК-вирусов). Для многих семейств вирусов голая синтетическая ДНК или РНК (после ферментативного обратного преобразования из синтетической кДНК) является инфекционной при введении в клетку. То есть они содержат всю необходимую информацию для производства новых вирусов. Эта технология в настоящее время используется для исследования новых стратегий вакцинации. [227] Способность синтезировать вирусы имеет далеко идущие последствия, поскольку вирусы больше не могут считаться вымершими, пока известна информация об их последовательности генома и доступны пермиссивные клетки. По состоянию на июнь 2021 года полные последовательности геномов 11 464 различных вирусов, включая оспу, находятся в открытом доступе в онлайн-базе данных, поддерживаемой Национальными институтами здравоохранения . [228]
Способность вирусов вызывать опустошительные эпидемии в человеческих обществах привела к опасениям, что вирусы могут быть использованы в качестве оружия для биологической войны . Дальнейшие опасения были вызваны успешным воссозданием печально известного вируса гриппа 1918 года в лаборатории. [229] 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 Соединенных Штатах. [230] Его можно использовать в качестве оружия, [230] поскольку вакцина от оспы иногда имела серьезные побочные эффекты, она больше не используется в повседневной жизни ни в одной стране. Таким образом, большая часть современной человеческой популяции почти не имеет установленной устойчивости к оспе и будет уязвима для вируса. [230]
Медиа, связанные с вирусами на Wikimedia Commons
Данные, связанные с вирусом на Wikispecies
