Морфология микроорганизмов Занятие №6

[Lux]

Морфология вирусов и бактериофагов.

 Вирусология. История вирусологии. Шамберлан. Ру. Пастер. Ивановский.
Хотя ещё в 1885 г. Э. Шамберлан, Э. Ру и Л. Пастёр разработали вакцину против вируса бешенства, а Джённер ещё в конце XVIII века получил первую противовирусную (противооспенную) вакцину, первооткрывателем вирусов и основоположником вирусологии считают всемирно известного отечественного учёного Д.И. Ивановского.
Собственно, отсчёт истории вирусологии следует вести от 12 февраля 1892 г., даты сообщения Д.И. Ивановского в Академии наук об открытии возбудителя «табачной мозаики», сделанном на Одесской бактериологической станции, которой тогда руководил Н.Ф. Гамалея. Позднее М. Бейеринк установил способность возбудителя табачной мозаики диффундировать через агар и заключил, что агент Д.И. Ивановского является живым жидким контагием (contagium vivum fluidum).
Последующие открытия доказали наличие микроскопических фильтрующихся инфекционных агентов, и уже в первом номере «Бюллетеня Института Пастера» за 1903 г. Ру объявил, что «те, кто считает вирусы плодами фантазии глубоко ошибаются». Особо отметим высказывание о роли нашего соотечественника американского вирусолога У. Стэнли: «Право Ивановского на славу растёт с годами. Я считаю, что его отношение к вирусам должно рассматриваться в том же свете, как мы смотрим на отношение Пастё-ра и Коха к бактериям».
С первых шагов вирусологии многие исследователи придерживались мнения, что вирусы — мелкие, фильтрующиеся (то есть проходящие через бактериальные фильтры) формы микроорганизмов, утерявшие способность расти на обычных субстратах. Первые наблюдения над фильтрующимися формами сделал Н.Ф. Гамалея (1898), обнаруживший просветление взвеси палочек сибирской язвы в дистиллированной воде, вызванное разрушением бактерий, и способность этой жидкости в течение 6-12 ч вызывать разрушение свежих культур сибиреязвенной палочки.
В этом же плане интересные попытки вырастить вирусы на различных питательных средах делал директор Лондонского Брауновского общества Ф. Туорт. В ходе экспериментов он также обратил внимание на необычное «стекловидное перерождение» колоний стафилококков, загрязнявших его посевы. Туорт отметил, что подобные колонии теряли способность к пересевам, а внесение их содержимого в здоровые колонии вызывало перерождение последних. В своей статье (The Lancet, 1913 он заключил, что причиной перерождения может быть фермент, разрушающий сами клетки продуценты, или агент, поражающий бактерии. Это открытие подтвердил Ф. д'Эрёлль, выделивший из кишечника больного шигеллы, содержащие некий агент, растворяющий их, назвал его «невидимый бактериальный антагонист», или бактериофаг (фаг). В настоящее время сам термин бактериофаг [от бактерия + греч. phagein, поедать] явно исчерпал свое значение и употребляется больше как дань традиции, нежели по существу. Более полно отражает его природу и наши представления о бактериофагах термин «бактериальный вирус».
Особый интерес развивающейся области придало открытие онкогенных вирусов (П. Раус, 1901). Однако длительное время развитиювирусологии препятствовало отсутствие адекватных моделей и методов изучения возбудителей. Исследования ограничивались моделированием вирусных инфекций на лабораторных животных. Исследования П. Руа (1911), Э. Гудпасчера Э. Вудрафф (1931), Ф. Бернёта (1933) и других учёных заложили основы культивирования вирусов в эмбрионах кур, что позволило позднее перейти к использованию и других тканевых моделей. Совершенствование электронной микроскопии позволило детально изучить морфологию и организацию вирусных частиц. После того, как были открыты микоплазмы, также проходящие через фильтры, к вирусам перестали применят прилагательное «фильтрующиеся». В 1956 г. было сделано еш одно краеугольное открытие в вирусологии — было установлено, что нуклеиновые кислоты вирусов могут проявлять инфекционные свойства. Этот факт лёг в основу открытия механизм размножения вирусов.

Систематика вирусов. Особенности классификации вирусов. Основные критерии таксономической классификации вирусов.

Вирусы отнесены к царству Vira. В основу их классификации положен тип нуклеиново кислоты, образующей геном. Соответственно выделяют рибовирусы (РНК-вирусы) и дезоксирибовирусы (ДНК-вирусы).
Для вирусов предложены следующие таксономические категории (по восходящей): Вид (Species) —> Род (Genus) —> Подсемейство (Subfamilia) —> Семейство (Familia). Но категории подсемейств и родов разработаны не для всех вирусов. Видовые названия вирусов обычно связывают с вызываемыми ими заболеваниями (например, вирус бешенства) либо по названию места, где они были впервые выделены (например, вирусы Коксаки, вирус Эбола). Если семейство включает большое количество видов, то видовые названия дают в соответствии с антигенной структурой и разделяют их на типы (например, аденовирус 32 типа или вирус герпеса 1 типа). Реже используют фамилии учёных, впервые их выделивших (например, вирус Эпстайна-Барр или вирус саркомы Рауса). Иногда используют устаревшие названия групп вирусов, отражающих их уникальные эпидемиологические характеристики (например, арбовирусы).Классификационные признаки патогенных для человека вирусов приведены в табл. 3-1.
Таблица 3-1. Семейства вирусов, включающие возбудителей инфекций человека
К вирусам отнесены вироиды [от virus и греч. eidos, сходство] — мелкие кольцевые однонитевые суперспирализованные молекулы РНК (аналогичную организацию имеет геном вируса гепатита D). Поскольку у вироидов нет белковой оболочки, они не проявляют выраженных иммуногенных свойств, и поэтому их нельзя идентифицировать серологическими методами. Вироиды вызывают заболевания у растений. В качестве безымянного таксона в царство Vira также включены и прионы.
 Основные критерии таксономической классификации вирусов При систематизировании вирусов выделяют следующие основные критерии: сходство нуклеиновых кислот, размеры, наличие или отсутствие суперкапсида, тип симметрии нуклеокапсида, характеристика нуклеиновых кислот (молекулярная масса, тип кислоты (ДНК или РНК), полярность [плюс или минус], количество нитей в молекуле либо наличие сегментов, наличие ферментов), чувствительность к химическим агентам (особенно к эфиру), антигенная структура и иммуногенность, тропизм к тканям и клеткам, способность образовывать тельца включений.
Дополнительный критерий — симптоматология поражений: способность вызывать генерализованные поражения либо инфекции с первичным поражением определённых органов (нейроинфекции, респираторные инфекции и др.).

Репродукция ДНК-вирусов. Репликативный цикл ДНК-содержащих вирусов. Репродукция паповавирусов. Репродукция аденовирусов.

Вирусы, лишённые суперкапсида (например, аденовирусы) проникают в клетки путём виропексиса, а имеющие таковой (покс- и герпесвирусы) — за счёт слияния суперкапсида с клеточной мембраной. Репродуктивный цикл ДНК-содержащих вирусов включает раннюю и позднюю стадии (рис. 5-4). У крупных ДНК-вирусов имеется явное несоответствие между кодирующе ёмкостью генома и молекулярной массой вирусиндуцированных белков и белков, входящих состав вирионов. Например, у герпесвирусов лишь 15% ДНК кодирует все белки вирионов и их предшественников. Возможно, значительная часть генома содержит гены, кодирующие синтез ферментов и регуляторных белков. Папова-, адено- и герпесвирусы репродуцируются относительно однотипно, в то время как репродукция поксвирусов имеет некоторые особенности.
Ранняя стадия репродукции. Вирусная ДНК проникает в ядро клетки, где транскрибируется клеточной ДНК-зависимой РНК-полимеразой. При этом считываетеся, а затем транслируется часть вирусного генома («paнние гены»). В результате синтезируются «ранние белки» (регуляторные и матричные белки вирусные полимеразы).
Регуляторные белки выполняют различные функции. При заражении клетки они блокируют синтез клеточных РНК, ДНК и белка и одновременно способствуют экспрессии вирусного генома, изменяя специфичность реагирования клеточных полимераз и полирибосом. Они так же запускают репликацию клеточной ДНК, модифицированной встроенными геномами ДНК содержащих вирусов и ретровирусов, то есть репликацию вирусных геномов. Вирусспецифические полимеразы. В репликацию вирусных геномов также вовлечены вирусоспецифические ДНК-полимеразы, участвующие в образовании молекул ДНК дочерних популяций.

Матричные белки необходимы для репликации нуклеиновых кислот и сборки дочерних популяций. Они образуют электронно-плотные скопления в клетке, известные как тельца включений (например, тельца Гварнери при натуральной оспе).
Поздняя стадия репродукции. На этом этапе происходит синтез нуклеиновых кислот вируса. Не вся вновь синтезированная вирусная ДНК упаковывается в вирионы дочерней популяции. Часть ДНК («поздние гены») используется для синтеза «поздних белков», необходимых для сборки вирионов. Их образование катализируют вирусные и модифицированные клеточные полимеразы.
 Паповавирусы и аденовирусы. Репродукция паповавирусов. Репродукция аденовирусов. Адсорбция, проникновение и депротеинизация аналогичны таковым у РНК-содержащих вирусов, но у папова- и аденовирусовдепротеинизация протекает в ядре, а у РНК-вирусов — в цитоплазме.

Ранняя фаза репродукции. Вирусная ДНК («ранние гены») транскрибируется в ядре клетки. На одной из нитей ДНК реализуется транскрипция вирусной «ранней» мРНК. Механизмы транскрипции вирусной ДНК аналогичны считыванию информации с клеточной ДНК. Специфическая мРНК транслируется, начинается синтез ферментов, необходимых для образования дочерних копий ДНК. Синтез клеточной ДНК может временно усиливаться, но затем обязательно подавляется регуляторными белками вируса.
Поздняя фаза репродукции. В течение поздней фазы дочерняя вирусная ДНК продолжает активно транскрибироваться клеточными РНК-полимеразами, в результате чего появляются продукты поздних вирусспецифических синтезов. «Поздняя» мРНК мигрирует в цитоплазму и транслируется на рибосомах. В результате синтезируются капсидные белки дочерней популяции, которые транспортируются в ядро и собираются вокруг молекул дочерней ДНК новых вирусных частиц. Выход полных дочерних популяций сопровождается гибелью клетки.

 Вирусы бактерий. Бактериофаги. Классификация бактериофагов. Морфология бактериофагов. Типы бактериофагов.
 
Бактериофаги [от бактерии, + греч. phagein, поедать] — группа вирусов, паразитирующих в бактериальных клетках. Вирусы, вызывающие гибель инфицированных бактерий, известны как литические бактериофаги. Размножение и выход дочерних популяций вируса из бактерии сопровождается её гибелью и разрушением (лизисом). Бактериофаги широко распространены в природе — их выделяют из воды, почвы, организмов различных животных и человека. Принципы классификации бактериофагов аналогичны подходам к систематике вирусов вообще.
В основу классификации положены антигенная структура, морфология фагов, спектр действия, химический состав и др. Большинство фагов относится к ДНК-содержащим вирусам с нуклео-капсидом, организованным по принципу смешанной симметрии. По спектру действия выделяют типовые фаги (Т-фаги), лизирующие бактерии отдельных типов внутри вида, моновалентные фаги, лизирующие бактерии одного вида, и поливалентные фаги, лизирующие бактерии нескольких видов. Бактериофаги устойчивы к различным физическим и химическим воздействиям. Большинство из них без вреда переносит высокие температуры (50-70 °С), действие дезинфектаитов (за исключением кислот и формалина), прямой солнечный свет и УФ-облучение в низких дозах. Бактериофаги проявляют иммуногенные свойства, вызывая синтез специфических AT.
Рис. 5-10. Фаг Т4 кишечной палочки до контакта с бактерией (А) и в момент введения фаговой ДНК (Б).
 Морфология бактериофагов. Типы бактериофагов Строение бактериофагов наиболее полно охарактеризовано на основе изучения Т-фагов кишечной палочки (рис. 5-10). Внешне большинство бактериофагов напоминают сперматозоиды или головастиков, но среди них встречают и другие формы, на основании которых выделяют пять основных типов бактериофагов.
• К типу I бактериофагов относят ДНК-содержащие нитевидные фаги, лизирующие бактерии, содержащие F-плазмиды.
• Фаги типа II представлены головкой и рудиментом хвоста. Геном большинства из них образован молекулой РНК и лишь у фага jc-174 — однонитевой ДНК.
• Бактериофаги типа III имеют короткий хвост (например, Т-фаги 3 и 7).

• К типу IV относят фаги с несокращаюшимся хвостом и двухнитевой ДНК (например, Т-фаги 1 и 5).
• Фаги типа V имеют ДНК-геном, сокращающийся чехол хвоста, который заканчивается базаль-ной пластиной (например, Т-фаги 2 или 4).
ПРАКТИЧЕСКОЕ  ПРИМЕНЕНИЕ  БАКТЕРИОФАГОВ

В практической работе фаги применяют для:
 

• фаготипирования бактерий, т.е. определения фаготипа по лизису штаммов бактерий одного и того же вида типоспецифическими фагами, что важно для маркировки исследуемых при эпидемиологическом анализе заболеваний с целью установления их видовой принадлежности;
• фагодиагностики, заключающейся в выделении фага из организма больного (например, из испражнений), что косвенно свидетельствует о наличии в материале соответствующих микроорганизмов;
• фагопрофилактики - предупреждения некоторых заболеваний (например, дизентерии) среди лиц, находящихся в эпидемическом очаге; 
• фаготерапии - лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызванных, например, шигеллами, протеем, стафилококком.

Бактериофаги с целью терапии применяют местно путем аппликации на раневую или ожоговую поверхность, введением в полости (брюшную, плевральную, суставную, мочевой пузырь), через рот, а также ректально.
Соответственно способу применения препараты бактериофагов выпускают в различных лекарственных формах –
 

• жидком виде,
• таблетках с пектином или кислотоустойчивым покрытием,
• мазях,
• свечах,
• аэрозолях.

  Рис. 4. Бактериофаг кишечной палочки (электронная фотография).