Біологія і екологія (Малиновська І. М.)

Гіпотези походження вірусів. Взаємодія вірусів з клітиною-хазяїном та їхній вплив на її функціонування. Роль вірусів в еволюції організмів. Використання вірусів у біологічних методах боротьби зі шкідливими видами.

План

1. Поняття про неклітинні форми життя, віруси та їх ознаки.

2. Життєвий цикл вірусів.

3. Поняття про віроїди, пріони.

4. Роль вірусів на планеті. Вірусні інфекції.

1.Неклітинні форми життя – це автономні структури на молекулярному рівні організації життя, до яких відносять віроїди, пріони та віруси. Спільними ознаками цих форм життя є: а) субмікроскопічні розміри; б) відсутність клітинної будови; в) внутрішньоклітинний паразитизм; в) здатність зберігати свої ознаки та змінюватися під упливом умов; г) здатність до самовідтворення.

ВІРУСИ (лат. virus – отрута) – це неклітинні форми життя, які є внутрішньоклітинними абсолютними паразитами . Наразі близько 5 000 видів вірусів ідентифіковано, тоді як вчені вважають, що існує понад мільйон видів вірусів. Відкрито віруси в 1892 р. російським ботаніком Д. Івановським (1864–1920). Розміри більшості вірусів – у межах від 20 до 300 нм, хоча є серед них й справжні велетні серед неклітинних форм життя. Це мега- й мімівіруси з розмірами близько 600 нм. Віруси мають капсид з білкових частинок – капсомерів і нуклеїнову кислоту  – серцевину. Структуру, що містить нуклеїнову кислоту і капсид, називають нуклеокапсидом. Повністю сформована інфекційна вірусна частинка називається віріоном. Унікальна властивість вірусів – різноманітність організації генетичного матеріалу. Вірусна нуклеїнова кислота може бути представлена одно- або дволанцюговими молекулами ДНК (ДНК-вмісні віруси) чи РНК (РНК-вмісні віруси). Для вірусів характерна специфічність, що полягає в можливості взаємодії вірусів лише з певними рецепторами клітинних мембран. Віруси є внутрішньоклітинними паразитами архей, бактерій й еукаріотів і поза клітинами жодних ознак життя не виявляють. Для свого відтворення віруси використовують ресурси клітини-хазяїна, чим спричиняють вірусні захворювання. Основними систематичними одиницями для вірусів є порядок, родина, рід та вид. Категорії царства та відділів, бінарна номенклатура для вірусів не застосовуються. Отже, неклітинні форми життя є складовою частиною біосфери, оскільки побудовані з органічних речовин, мають біотичні взаємовідносини, їм притаманні спадковість, мінливість, вони здатні до самовідтворення та ін.

Шляхи й механізми еволюції вірусів ще не достатньо вивчено. Існує декілька гіпотез походження вірусів: гіпотеза регресивної еволюції (віруси виникли шляхом спрощення клітин паразитичних бактерій), гіпотеза паралельної еволюції (віруси виникли незалежно від клітин, використовуючи їхні можливості), гіпотеза «скажених генів» (віруси – це «збіглі» частини геному клітин-хазяїв). Найбільші зміни у поглядах щодо походження вірусів сталися внаслідок відкриття велетенських вірусів, як-то мімівіруси, мамавіруси, мегавіруси та ін. . Мегавірус чілійський має найбільший з-поміж вірусів ДНК-геном, який налічує 1 259 197 пар нуклеотидів й містить інформацію про 1120 білків, що сумірно з багатьма паразитичними бактеріями. У велетенських вірусів виявлено гени білків, що їх раніше ніколи не виявляли в жодного з вірусів. Але й це ще не все: у мамавірусів виявлено суперпаразити – вірофаги-супутники. І зовсім нещодавно, у квітні 2017 р., в журналі Science було опубліковано повідомлення про новий велетенський вірус, що названий «клоснойвірус» (Klosneuvirus, KNV) на честь невеличкого містечка Клоcтернойбург в Австрії. Вірус містить майже повний набір із 19 ферментів-синтетаз для вбудовування 20 типів амінокислот у процесі біосинтезу білків.  Філогенетичні дослідження протеомів (усієї сукупності білків) нововідкритих велетенських вірусів можуть свідчити на користь гіпотези регресивної еволюції, згідно з якою віруси виникли від клітинних істот шляхом спрощення і є, таким чином, найдавнішими істотами на Землі. Або, можливо, велетенські віруси пішли від менших ДНК-вірусів шляхом поступового накопичення додаткових генів. Порівняння геномів велетенських вірусів з аналогами в доменах Бактерій, Археїв та Еукаріотів свідчать на користь гіпотези про те, що віруси – це живі істоти, які можуть становити окремий домен органічного світу. Їх протеоми схожі на такі самі у багатьох бактерій, однак у вірусів наявні білки, що їх немає у клітинних організмів, а це свідчить про особливість їхньої еволюції. Отже, на сучасному етапі розвитку науки не існує єдиного погляду щодо виникнення вірусів. Натомість поширені погляди, що різні віруси виникали незалежно на різних  етапах розвитку життя на Землі. Як віруси взаємодіють з клітинами? Віруси не можуть самостійно поширюватись у природі, й допомагають їм у цьому насамперед живі організми: комахи (наприклад, попелиці переносять близько 160 різних арбовірусів), кліщі, ґрунтові нематоди, рослини-паразити (наприклад, повитиця переносить близько 50 вірусів рослин), людина (для вірусів грипу).

Шляхи проникнення вірусів до організму хазяїна бувають різними. Це: 1) повітряно-краплинний шлях (віруси грипу, вітряної віспи, кору); 2) з їжею та водою (вірус ящуру з молоком ураженої корови, гепатит А); 3) крізь покриви тіла (віруси герпесу, сказу, папіломи); 4) під час переливання крові та хірургічних операцій (вірус гепатиту В); 5) статевим шляхом (вірус герпесу, СНІДу); 6) за участі переносників (кліщів – вірус тайгового енцефаліту, комарів – вірус лихоманки Зіка); 7) з пилком рослин (віруси мозаїки картоплі). Залежно від властивостей вірусу і клітини-хазяїна, а також умов середовища розрізняють такі основні типи взаємодії вірусів із клітиною: а) продуктивна інфекція – розмноження вірусу призводить до руйнування і загибелі клітини; б) абортивна інфекція – взаємодія, за якої клітини залишаються живими, а дозрілі віріони не утворюються; в) вірогенія – геном вірусу поєднується з генетичним апаратом клітини і під час поділу клітини може тривалий час передаватися дочірнім клітинам; через деякий час за певних умов починає розмножуватися і спричиняє загибель клітини. Отже, взаємодії вірусів із клітинами мають різноманітний та складний характер.

2.У життєвому циклі вірусів чергуються дві фази – позаклітинна (віріон) і внутрішньоклітинна . Фаза віріона характеризується відсутністю будь-яких проявів життя, а упродовж внутрішньоклітинної фази життєвого циклу виявляються властивості вірусів, що закодовані в їхньому геномі, й відбувається їхнє відтворення. Незалежно від типу генетичного матеріалу віруси мають подібні загальні стадії життєвого циклу. Адсорбція вірусів – це прикріплення віріонів до поверхневого апарату клітини-хазяїна. Між білками вірусів й рецепторами клітини виникають електростатичні взаємодії, що забезпечують тимчасове нестійке приєднання віріонів. Проникнення в клітину в різних вірусів здійснюється різними шляхами: а) ендоцитозу (віропексису) з утворенням внутрішньоклітинних вакуолей; б) злиттям плазматичної мембрани з оболонкою вірусу; в) шляхом впорскування (наприклад, у бактеріофагів) тощо. «Роздягання» вірусів у клітині забезпечує звільнення нуклеїнової кислоти вірусу від захисної білкової оболонки для наступної реалізації вірусного геному. У фагів цієї стадії немає, оскільки білкова оболонка залишається на поверхні бактеріальної клітини. Відтворення компонентів вірусних частинок забезпечують три процеси: транскрипція, трансляція й реплікація. Транскрипція полягає в переписуванні інформації з вірусних ДНК чи РНК та утворенні іРНК, що відбувається в ядрі (нуклеоїді). Трансляцією називається процес переведення інформації іРНК у послідовність амінокислот молекул білків. Відбувається трансляція на рибосомах за допомогою тРНК й ферментів. Реплікація – синтез молекул нуклеїнової кислоти, що каталізується переважно клітинними ферментами. Таким чином, відтворення вірусів відбувається відокремлено, неодночасно і в різних частинах клітини. Такий спосіб розмноження вірусів називають роз’єднаним (диз’юнктивним). Збирання віріонів відбувається усередині клітин або шляхом відбруньковування в зовнішнє середовище. Вихід вірусів із клітин може супроводжуватися збереженням життєдіяльності клітини або її руйнуванням і загибеллю. Отже, найзагальнішими особливостями життєвого циклу вірусів є наявність двох фаз, використання ресурсів клітини та роз’єднаний спосіб розмноження.

3.Віроїди – неклітинні форми життя у вигляді одноланцюгової кільцеподібної РНК, що не кодує білків. Віроїди було відкрито в 1971 р. американським біологом Т. О. Дінером. Ці субмікроскопічні частинки захисної білкової оболонки не мають, їхня РНК містить 250 – 375 нуклеотидів і має масу від 86 – 130 кДа. Віроїди потрапляють у клітини організму хазяїна під час його вегетативного розмноження, за допомогою комах або механічним шляхом у разі пошкодження. Віроїди можуть завдавати значних збитків рослинництву, оскільки спричиняють віроїдні захворювання рослин (веретеноподібність бульб картоплі, карликовість хризантем, каданг-каданг кокосових пальм, хвороба жовтих плям рису та ін.). Пріони – неклітинні форми життя, що є білковими частинками без нуклеїнової кислоти. Пріони складаються із особливого білка, який існує у вигляді двох форм: нормальний білок масою близько 25 400 а. о. м. та аномальний, що відрізняється вторинною структурою і здатний перетворювати нормальний білок на собі подібний (іл. 10). Особливостями пріонів є відсутність власного геному, висока стійкість до температури, ультрафіолету, радіації. Пріони не розпізнаються імунною системою як чужорідні білки й не провокують імунної відповіді. Відкрив пріони в 1982 р. американський біохімік С. Прузінер. На сьогодні пріони знайдено в клітинах бактерій, дріжджів й ссавців.

4.Яка роль вірусів в еволюції організмів? Все живе на Землі насичено різними вірусами, що свідчить про їхні необхідність у живій природі та важливі функції у біосфері. Віруси відіграють ключову біологічну роль на всіх рівнях організації життя. Вони визначають еволюцію організмів завдяки своїй патогенності, здатності до антагоністичних і симбіотичних відносин та участі в горизонтальному перенесенні генів. Патогенні віруси є рушійною силою еволюції імунної системи. Кожен живий організм, від кишкової палички, хлорели, дріжджів до синього кита чи секвої, може інфікуватися принаймні одним, а зазвичай кількома вірусами. Вірусними захворюваннями рослин є жовтяниця, мозаїчні хвороби, строкатолистість, готика та ін. У людини віруси спричиняють гепатит В, простий герпес, папілому, натуральну віспу (ДНК-вмісні вірусні інфекції), грип, гепатит А, енцефаліт, кір, свинку, поліомієліт, сказ, СНІД (РНК-вмісні вірусні інфекції) та ін. Найпоширенішими вірусними захворюваннями тварин є ящур, чумка собак, чумка курей та ін. Вірусна інфекція є потужною силою, котра формує механізми захисту хазяїв. Наприклад, модифікації поверхні клітин з метою запобігання проникненню бактеріофага, система CRISPR бактерій та архей, гуморальний й клітинний імунітет людини тощо. У процесі еволюції віруси виробляють свої способи захисту від імунної системи.  Наприклад, вони здатні блокувати роботу NK-кілерів, інтерферону, Т-лімфоцитів. Завдяки патогенності віруси регулюють чисельність своїх хазяїв (наприклад, ДНК-віруси морських водойм регулюють кількість бактерій) і впливають на процес фотосинтезу в Світовому океані, кругообіг Карбону і навіть на погоду. Так, біогенні сульфуровмісні гази вивільняються через те, що віруси вбивають певні види водоростей. Потім в атмосфері внаслідок окиснення утворюються кислотні краплинки, що слугують ядрами конденсації для хмар. За допомогою вірусів відбувається горизонтальне перенесення генів, тобто передача генетичної інформації між особинами різних видів. Фрагменти ДНК 1 2 Іл. 14. Жовтяниця буряка (1) і мозаїка томатів (2)

Роль вірусів у природі й для людини вірусів багатьма видами організмів часто «приручаються» й починають виконувати корисні функції. Це явище настільки поширено, що науковці запропонували спеціальний термін – «молекулярне одомашнення». Так, ендогенні ретровіруси, що їх людина успадкувала мільйони років тому, здатні впливати на гени, які відповідають за функціонування плаценти. Ці віруси відіграють важливу роль в ембріогенезі, допомагаючи боротися з інфекційними вірусами, у створенні нейронних мереж головного мозку людини тощо. У процесі еволюції сформувалися не лише антагоністичні, а й симбіотичні відносини вірусів з іншими організмами. Так, мутуалізм вірусу й гриба дає змогу просу витримувати високі температури. Вірус виткого закручування тютюну збільшує плодовитість й тривалість життя комах-білокрилок у 12 та 6 разів відповідно, якщо вони живляться на заражених вірусом рослинах тютюну. Отже, віруси є потужним еволюційним чинником, і кожна форма життя на Землі зазнавала і зазнає впливу вірусів у минулому й теперішньому часі. Як віруси використовуються у біологічних методах боротьби зі шкідливими видами? Біологічні методи боротьби – це використання вірусів, організмів або продуктів їхньої життєдіяльності для запобігання або зменшення шкоди, що її завдають шкідники. Метою біологічних методів боротьби є не повне винищення виду, а утримання його кількості на оптимальному рівні. Вперше біологічний метод боротьби з використанням вірусів застосували для боротьби з кроликами в Австралії. Популяцію цих тварин заразили вірусом міксоматозу. Хвороба швидко поширилась і призвела до загибелі 99,8 % кролів, що на певний термін знизило їхню чисельність. У кроликів, які вижили, сформувався імунітет проти міксоматозу. Для боротьби з цими тваринами дещо пізніше почали застосовувати вірус геморагічної лихоманки кролів. Найчастіше використовують віруси для боротьби з комахами-шкідниками. Наприклад, представники бакуловірусів можуть спричиняти поліедрози і гранульози у таких комах, як непарний та кільчастий шовкопряди, американський білий метелик, соснова совка, пильщики та ін. . Так, в Канаді, в провінції Онтаріо, для боротьби з ялиновим пильщиком використали вірусний препарат поліедрозу. Хвороба різко знизила чисельність шкідника, і було збережено великі площі лісів. З метою збільшення патогеності вірусів у їхній генетичний матеріал вбудовують чужорідні гени. Наприклад, у геном вірусів поміщали ген отрути скорпіонів, гени гормонів, що порушують нормальний розвиток комах. Отже, використання вірусів для боротьби зі шкідниками є перспективним напрямом у застосуванні біологічних методів.