Простые (безоболочечные) вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белка и представляют собой нуклеопротеиды или нуклеокапсиды. Сложные (оболочечные) вирусы кроме нуклеиновой кислоты и белка содержат также липиды и углеводы.
Нуклеиновые кислоты. Клетки всех живых организмов содержат два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Их структура относительно однообразна: ДНК представляет собой двуспиральную молекулу, РНК — односпиральную молекулу. Функция ДНК заключается в хранении и репликации наследственной информации, таким образом, она является клеточным геномом. РНК представлена в клетке в трех формах: информационной (иРНК), рибосомальной (рРНК) и транспортной (тРНК). Каждая из них выполняет определенную функцию: иPHК образуется в результате транскрипции генома и передает информацию с генома на белоксинтезирующий аппарат клетки, рРНК является структурным компонентом рибосом, тРНК доставляет аминокислоты белоксинтезирующему аппарату клетки.
В отличие от клетки вирусы содержат один тип нуклеиновой кислоты — или ДНК, или РНК. Каждая из них выполняет функцию вирусного генома. Структура нуклеиновых кислот у разных вирусов весьма разнообразная. По количеству цепей они бывают одно — и двуспиральными, по форме — линейными и кольцевыми (циркулярными), а также непрерывными и фрагментированными.
Содержание нуклеиновой кислоты в вирионе различных вирусов составляет от 1 % у ортомиксо- и парамиксовирусов до 32 % у парвовирусов и не коррелирует ни с систематическим положением вируса, ни со степенью сложности его организации.
Вирусные ДНК. Молекулярная масса ДНК различных вирусов варьирует в широких пределах: от 2 МД у цирко — и парвовирусов до 375 МД у поксвирусов. Самые большие геномы содержат до нескольких сотен генов, самые маленькие — несколько генов. По структуре молекулы ДНК бывают одно — и двуспиральными, линейными и кольцевыми. У вирусов с двуспиральными ДНК информация обычно закодирована на обеих спиралях, что говорит о максимальной экономии генетического материала. Большинство нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК встречается однократно. Однако в концевом фрагменте линейных ДНК возможно наличие ее начального участка в виде повтора, который бывает прямым или инвертируемым. Благодаря таким повторам молекулы ДНК могут приобретать циркулярную форму, которая обеспечивает их устойчивость к эндонуклеазам. Кроме того, стадия образования циркулярной формы обязательна для интеграции вирусной ДНК с геномом клетки.
Односпиральные молекулы ДНК обычно одной полярности. Исключение составляют аденоассоциированные вирусы (парвовирусы). Их вирионы содержат ДНК или одной полярности (условно называемой «плюс»), или противоположной (условно — «минус»), Инфекционную активность эти вирусы проявляют только в том случае, когда в клетку проникают вирионы, содержащие ДНК обеих полярностей.
Вирусные РНК. Молекулярная масса вирусных РНК варьирует в пределах от 4—5 МД у нодавирусов до 32 МД у реовирусов.
Инфекционная активность молекулы РИК зависит от ее структуры. Различают РНК одно — и двуспиральные, по форме — линейные, фрагментированные и кольцевые. Молекулы односпиральных РНК (гаплоидный геном) имеют форму одиночной полинуклеотидной цепи со спирализованными комплементарными участками. Не комплементарные участки могут образовывать «шипы», или «выступы».
По предложению Балтимора (1971) вирусы с односпиральными РНК из-за различий в функциях генома было принято разделять на две подгруппы. У вирусов первой подгруппы вирусный геном обладает функциями иРНК и их условно обозначают как плюс-нитевые вирусы, или вирусы с позитивным геномом. У вирусов второй группы РНК не обладает функцией иРНК. На ней, как на матрице, синтезируется комплементарная молекула. Это происходит только в присутствии вирусного белка — фермента транскриптаза, который обязательно находится в структуре минус-нитевых вирусов (в клетках — ее аналога нет).
Между двумя группами РНК-вирусов есть и структурные различия. РНК «плюс-нитевых» вирусов выполняет функцию иРНК и имеет на 5′- и 3′-концах молекулы специфические структурные особенности, которых нет у минус-нитевых вирусов. Так, 5′-конец вирусных плюс-нитевых РНК, как и клеточных, имеет структуру, называемую «шапочкой» (от англ. cap). Она представляет собой 7-метил гуанин, присоединенный через пирофосфатную связь к гуаниновому нуклеотиду. На 3′-конце «плюс-нитевых» РНК имеется до 200 и больше адениновых нуклеотидов, так называемых поли (А). Такая структурная модификация на 5′- и 3′-концах иРНК очень важна для их функционирования: так, «шапочка» нужна для специфического узнавания иРНК рибосомами, а функция поли(А) заключается, по-видимому, в стабилизации молекул РНК. Исключение составляет 5′-конец РНК вируса полиомиелита. РНК этого вируса не содержит «шапочку»; вместо нее на 5′-конце имеется низко молекулярный терминальный белок, ковалентно присоединенный к остатку урацила.
РНК минус-нитевых вирусов не имеет ни «шапочки», ни поли(А) и не способна вызывать инфекционный процесс. Необходимые для транскрипции вирусных белков модифицированные 5′- и 3′-концы для и РНК синтезируются на матрице геномной РНК в присутствии транскриптазы. Вирусная РНК ретровирусов хотя и является плюс-нитевой, однако не содержит «шапочку». Ее содержит гомологичная иРНК, которая синтезируется на матрице интегрированной в геном клетки провируснон ДНК.
Существуют вирусы, которые содержат как плюс-нитевые, так и минус-нитеные РНК-гены, так называемые амбигюлирные РНК.
Двуспиральные молекулы РНК впервые были обнаружены у реовирусов и были названы «диплорнавирусы».
Белки. Белки всех известных в настоящее время вирусов позвоночных являются основными компонентами вирионов и составляют от 57 до 90 % массы вириона. По аминокислотному составу вирусные белки принципиально не отличаются от состава белков животных.
В геноме вирусов кодируются две группы белков: структурные, которые входят в состав вирионов потомства, и неструктурные, участвующие в репродукции вируса на разных этапах, но не входящие в состав вирионов.
Структурные белки в составе вириона варьируют в широких пределах, что зависит от сложности организации вириона. Простые вирусы животных содержат 3—4 белка, сложные, например вирусы оспы, — более 30. Среди структурных белков различают две группы — капсидные и пепломеры. Первая группа включает белки, которые формируют капсид (от греч. capsa — вместилище), окружающий нуклеиновую кислоту, а также геномные белки и ферменты; вторая группа — белки суперкапсидной оболочки, называемой пеплос (от греч. peplos — покров, мантия). Простые вирусы содержат только капсидные белки, сложные — и капсидные, и пепломеры.
Белки в составе вирусного калсида называются капсомерами. Основной их функцией является защита вирусного генома от неблагоприятных воздействий внешней среды. Они представляют собой идентичные полипептидные цепи (белковые субъединицы), которые обладают способностью к самосборке. Сборка капсида из субъединиц запрограммирована в первичной структуре белка и происходит самопроизвольно или при взаимодействии с нуклеиновой кислотой. Принцип субъединичности в строении капсида — уникальное свойство капсидных белков, благодаря которому достигается огромная экономия генетического материала. Кроме того, в механизме самосборки заложена возможность контроля за белковыми субъединицами: дефектные и, чужеродные белковые цепи не включаются в капсид. Принцип самосборки характерен только для простых вирусов. Сложные вирусы сборку осуществляют по более сложному многоступенчатому механизму. Однако отдельные ее этапы (формирование капсидов и нуклеокапсидов) основаны на самосборке.
Некоторые капсидные белки обладают ферментативной активностью и участвуют в транскрипции и репликации вирусного генома. Так, в вирионах всех «минус-нитевых» РНК-вирусов обнаружена РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза); в вирионах ретровирусов — РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза, ревертаза) и другие ферменты. Наибольшее количество ферментов (более 10) обнаружено в составе вирусов оспы. Некоторые капсидные белки ковалентно связаны с концевой частью вирусного генома (геномные белки) и являются терминальными. Их функции неразрывно связаны с функциями генома и их регуляцией. Ферменты и геномные белки представлены единичными молекулами, тогда как капсомеры — множественными.
Суперкапсидные белки (пепломеры) находятся в липопротеидной оболочке сложных вирусов. Они либо пронизывают липидный бислой вириона, либо не доходят до его внутренней поверхности. Являясь типичными внутримембранными белками, они, как правило, гликозилированы (гликопротеиды), т. е. к молекуле белка в определенных местах прикреплены углеводные цепи. Гликозилирование осуществляют клеточные ферменты, поэтому один и тот же вирус, но реплицирующийся в разных клетках, может иметь разные углеводные остатки по составу углеводов, длине углеводной цепи, месту прикрепления к белку.
У большинства сложных вирусов гликопротеиды формируют на поверхности вириона выступы — «шипы» длиной 7—10 нм. В их состав входит несколько молекул одного и того же белка. Вирусы гриппа (ортомиксовирусы) имеют два типа «шипов», один из которых построен из гемагглюгинина, другой — из нейраминидазы. У парамиксовирусов также два типа «шипов» из двух гликопротеидов — HN и F. Рабдовирусы имеют только один тип «шипов» из одного гликопротеида.
Молекула гликопротеида имеет внешний гидрофильный конец, несущий аминогруппу (N-конец), и внутренний гидрофобный конец, несущий гидроксильную группу (С-конец) и погруженный в липидный бислой. С-концом гликопротеид «заякоривается» (фиксируется) в липидном бислое, N-концом распознает чувствительную клетку хозяина и адсорбируется на ней. Такая функция вирусных белков получила название «адресная функция». Она выработалась у вирусов в процессе эволюции, когда среди огромного числа нечувствительных клеток вирусная частица узнает специфический рецептор на клетке хозяина за счет специфических белков на своей поверхности. Другой функцией гликопротеидов является участие в слиянии вирусной и клеточной мембран, ведущее к проникновению вирусных частиц в клетку (белки слияния). Вирусные белки слияния ответственны за такие процессы, как гемолиз и слияние плазматических мембран соседних клеток, приводящее к образованию гигантских клеток — синцитиев или симпластов.
Неструктурные белки менее изучены. Существуют определенные трудности в их выделении из зараженных клеток и очистки от клеточных белков. К ним относятся: предшественники вирусных белков, которые существуют в зараженной клетке очень непродолжительное время, а затем нарезаются; ферменты синтеза РНК. и ДНК — полимеразы; регуляторы стадий репродукции вирусов; ферменты, модифицирующие вирусные белки — протеиназы и протеинкиназы.
Липиды и углеводы. В состав вирионов всех сложных (оболочечных) вирусов позвоночных кроме нуклеиновой кислоты и белков входят липиды и углеводы.
Состав липидов вирионов сходен с липидным составом клетки хозяина: примерно 50—60 % составляют фосфолипиды и 20—30 % — холестерин. У отдельных представителей липидов содержится до 20—35 % от массы вириона (ортомиксо-, ретро-, буньявирусы). Липиды обнаружены только в суперкапсидной оболочке вирионов и имеют клеточное происхождение. Это связано с тем, что оболочечные вирусы формируются путем почкования на плазматической мембране клеток. Поэтому суперкапсидная оболочка вирионов представляет собой мембрану клетки-хозяина, модифицированную за счет встроенных в нее вирусных белков — пепломеров. Липидный компонент стабилизирует структуру вирусных частиц, поэтому их обработка детергентами или липазами приводит к потере инфекционности.
Исключение составляют вирусы оспы. У них липиды не образуют дифференцированной оболочки. Обработка вирусов осповакцины жирорастворителями не приводит к потере инфекционной активности или каким-либо другим структурным изменениям вириона.
Углеводы находятся в вирионах в виде гликопротеинов, встроенных в суперкапсидный слой, а также гликолипидов и имеют клеточное происхождение. У отдельных представителей вирусов позвоночных содержание углеводов доходит до 7—8 % от массы вириона (ортомиксо-, тогавирусы). Химический состав их полностью определяется клеточными ферментами, которые обеспечивают перенос и присоединение сахарных остатков. В вирионах в основном обнаруживают фруктозу, сахарозу, маннозу, галактозу, нейраминовую кислоту, глюкозамин. Углеводы являются каркасом для локальных участков гликопротеидов, обеспечивают сохранение конформации белковых молекул и защищают от действия протеаз.
Компоненты клетки-хозяина. В составе вирионов могут обнаруживаться некоторые компоненты клетки-хозяина. Это могут быть белки или цельные клеточные структуры. Например, в составе некоторых оболочечных вирусов находится белок цитоскелета актин, в составе папиллома — и полиомавирусов содержатся клеточные гистоны, у ареновирусов обнаружены рибосомы. Клеточные компоненты могут включаться в вирион случайно или закономерно. Во втором случае они могут играть существенную роль в репродукции вирусов, как, например, гистоны для папиллома — и полиомавирусов.
Структурная организация вирионов. Вирионы (вирусные частицы) по архитектуре подразделяются на два типа: имеющие внешнюю липопротеидную оболочку (сложные, или оболочечные, вирусы) и не имеющие такой оболочки (простые, или безоболочечные, вирусы).
Методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа детально изучено строение многих вирусов. Показано, что обязательный структурный компонент обоих типов — капсид (белковый чехол), окружающий вирусную нуклеиновую кислоту. Капсид состоит из большого числа регулярно расположенных полипептидных молекул (субъединиц), которые называют капсомерами, или морфологическими единицами. На поверхности суперкапсидной оболочки также имеются морфологические субъединицы, которые называются пепломерами. Каждый капсомер (пепломер) состоит из структурных единиц, построенных из одной или нескольких гомологичных или гетерологичных полипептидных цепей и обычно соединенных друг с другом дисульфидной связью. Отдельную структурную единицу называют химической единицей или белковой субъединицей. Структурные единицы в составе капсида удерживаются нековалентными связями (водородными, ионными, гидрофобными). Капсид с заключенной в нем нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом. У безоболочечных вирусов термины «нуклеокапсид» и «вирион» тождественны.
Капсомеры соединяются друг с другом строго определенным образом и образуют только два типа капсидов: спиральный и изометрический (квазиметрически й). Только такие способы укладки капсомеров вокруг нуклеиновой кислоты (типы симметрии) обеспечивают формирование энергетически экономичных структур с минимумом свободной энергии.
Спиральный тип характерен для вирусов, у которых капсомеры ассоциируются (соединяются) с геномом и образуют спиралевидную или винтообразную структуру. Такой способ укладки капсомеров называется спиральным типом симметрии. Он характеризуется длиной, диаметром, шагом спирали и числом капсомеров на один оборот спирали. Так, у вируса Сендай (парамиксовирус) нуклеокапсид представляет собой спираль длиной около 1 мкм, диаметром 20 нм и шагом спирали 5 нм. Он состоит примерно из 2400 структурных единиц, каждая из которых является белком с молекулярной массой 60 кД. На каждый винт спирали приходится 11—13 субъединиц. Белковые молекулы присоединяются к РНК под углом 60°, в связи с чем нуклеокапсид на электронной микрофотографии имеет вид «елочки».
Изометрические капсиды представляют структуры, в которых капсомеры соединяются между собой в правильные многогранники, в центре которых расположен геном. Такой способ укладки капсомеров называется кубическим типом симметрии, а многогранник — икосаэдром. Это означает, что он симметричен в трех взаимно перпендикулярных направлениях и его линейные размеры вдоль прямоугольных осей идентичны. Обычно изометрические капсиды состоят из 60 (или кратных 60) геометрически идентичных элементов, которые имеют 12 вершин, 20 граней и 20 ребер. Так, капсид вируса полиомиелита образован 60 белковыми структурными единицами, каждая из которых состоит из четырех полипептидных цепей (химических единиц) — vp1, vp2, vp3, vp4 (virion protein).
У оболочечных вирусов суперкапсид состоит из двойного слоя клеточных липидов и встроенных в него гликопротеидов. Они являются интрамембранными белками и формируют морфологические субъединицы — пепломеры, которые в электронном микроскопе выглядят в виде выступов (отростков) или «шипов» разной формы. Так, например, у тогавирусов они имеют палочкообразную форму; у парамиксовирусов (PC-вирус) — форму бутылки; у коронавирусов — форму короны. У оргомиксовирусов (вирусы гриппа) гемагтлютинин образует шипы палочкообразной формы, нейроминидаза — в форме барабанной палочки. Изнутри липидного бислоя расположен внутренний белковый слой, образованный так называемым мембранным белком. Его еще называют внутренней белковой мембраной. Его функция заключается в дополнительной защите и стабилизации нуклеокапсида, который у оболочечных вирусов часто обозначают термином «сердцевина» (сот).
Наиболее сложно структурно организованы вирусы оспы. Их сердцевина (нуклеоид), содержащая вирусную ДНК в составе нуклеотида, имеет форму двояковогнутого кольца и окружена двумя линзообразными латеральными тельцами. Капсид окружен дополнительными внутренними белковыми структурами — вирусным матриксом. По архитектуре вирусы оспы отличаются от всех других вирусов позвоночных и их принято называть вирусами со сложным типом симметрии.
Морфогенез вирусов. При репродукции вирусов внутри клетки формируются определенные структуры, в которых синтезируются и собираются компоненты дочерних вирионов. Эти структуры появляются в результате корпоративных взаимодействий структур клетки и вируса, где главенствующая роль принадлежит клетке, и их принято называть включения, «фабрики», клеточные матриксы, виропласты. В составе включений (матриксов) обнаруживаются клеточные структуры и компоненты вирионов, причем их соотношение меняется по ходу репродукции вирусов. Так, в начале в них преимущественно обнаруживаются скопления элементов клетки — рибосом, (полисом), мембран, микротрубочек, осмофильных волокон. Позднее появляются компоненты вирионов (субвирусные компоненты) — вирусные белки, нуклеопротеиды. На завершающих этапах репродукции в матриксах обнаруживается большое скопление вирионов, которые формируют кристаллоподобные колонии.
Локализация включений в клетке также связана с местом репродукции вирусов. Так, для ДНК-вирусов (реовирусы, аденовирусы, папилломавирусы, полиомавирусы), у которых репродукция проходит преимущественно в ядрах клеток, включения обнаруживаются вблизи ядерной мембраны. При окрашивании таких клеток можно увидеть так называемые внутриядерные включения. У РНК-вирусов репродукция вирионов проходит в цитоплазме клеток вблизи мембран эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и других структур, где они образуют включения типа «тяжей» (парамиксовирусы), а затем транспортируются к плазматической мембране клеток. У сложных вирусов, таких, как вирусы оспы, включения образуются в цитоплазме, где они и репродуцируются. Сначала во включениях преобладают многочисленные вирусные белки нуклеоида. Позднее в них обнаруживаются пузырчатые субвирусные компоненты, а затем уже колонии вирионов.
Морфогенез оболочечных ДНК-вирусов проходит сложнее, чем безоболочечных. Так, изометрические нуклеокапсиды вируса герпеса формируются в ядрах, затем путем почкования через ядерную мембрану транспортируются в цитоплазму к аппарату Гольджи, после чего вирионы проходят через эндоплазматическую сеть аппарата Гольджи и захватывают ее мембрану. В результате вирионы имеют две оболочки: одну — ядерную и другую — цитоплазматическую. При морфогенезе оболочечных РНК-вирусов сначала в плазматическую мембрану клетки встраиваются трансмембранные гликопротеиды, а с внутренней стороны — матриксный белок. К таким модифицированным участкам плазматической мембраны транспортируются нуклеопротеиды. Свертываясь в плотные «клубки», они проходят через эти участки мембраны и покрываются ею, приобретая тем самым внешнюю оболочку (суперкапсид). Такой способ формирования вирионов и выхода их из клетки называется почкованием. Выход из клетки сложных вирионов оспы может проходить либо путем почкования через мембраны во внутриклеточные вакуоли, либо при разрушении клеток, т. е. путем «взрыва».