Вирусы бактерий - бактериофаги

Фаги описаны Туортом и Д`Эррелом независимо друг от друга. Бактериофаги состоят из головки и хвостового отростка, которым он прикрепляется к клетке – хозяину. Через этот отросток в клетку вводится фаговая ДНК по типу шприца. Количество вновь синтезируемых в одной клетке вирусных частиц может достигать нескольких сотен.

Главным симптомом действия фага на чувствительные бактерии является лизис, т.е. растворение бактериальных клеток, сопровождающееся выходом в среду новых вирионов фага. При заражении бактерий фагом иногда наблюдается неполный лизис. Причинами его могут быть: 1) прекращение роста бактерий из-за истощения питательной среды, поскольку фаги способны размножаться только в бактериальных клетках с активным метаболизмом, 2) наличие в культуре клеток, обладающих генетической устойчивостью к данному фагу, или 3) лизогения, т.е. переход бактериальной клетки в состояние, при котором она становится носителем генома фага и приобретает иммунитет к лизису в случае повторного заражения этим фагом.

Если фаг не вызывает гибели бактериальной клетки, но передаётся при делении из одной клетки в другую, то он называется умеренным. А носящие его бактерии лизогенными. Явление фагоносительства или лизогении было описано одним из основоположников учения о бактериофагах Д`Эррелом. Он считал, что культуры загрязняются фагом извне. Они называются лизогенными, состоят из устойчивых и чувствительных к определённому фагу клеток. Если происходит ослабление клетки бактерии, то фаг, находящийся в ней, может вызвать её гибель.

Позднее выяснилось, что в лизогенной бактерии фаги передаются по наследству в латентном состоянии (профаги). Ведущую роль в изучении лизогении играла бактерия E. coli. В одном из штаммов, являвшихся лизогенным, был обнаружен умеренный фаг. Он был назван лямбда λ. Это штамм, на котором Франсуа Жакоб и Элие Вольман проводили исследования по индукции лямбда-репрессора и по встраиванию лямбда ДНК в хромосому хозяина. Таким образом E. coli и λ мы обязаны исследованиям, которые привели к открытию контролируемой хозяином модификации и рестрикции бактериофагов и, таким образом, создали предпосылки для развития а 1972 году техники рекомбинаций ДНК.

Фаги специфичны. Специфичность фагов в отношении хозяина обычно соответствует таксономическим группам бактерий. Так фаги, поражающие микрококки, не размножаются в стрептококках, а фаги кишечных бактерий не размножаются в псевдомонадах. Однако в тех случаях, когда классификационные границы, например границы между родами и видами бактерий, четко не установлены, специфичность фага может быть либо шире, либо уже условно установленных классификационных групп. Так, один какой-либо фаг может размножаться только в клетках определённого штамма Escherichia coli, тогда как другой репродуцируется в клетках многих штаммов этого рода. Свойство фагов поражать определённые виды клеток используется для систематики бактерий.

Бактериофаги и их бактерии-хозяева - это те объекты, на которых были открыты репарация ДНК и индукция репаративных ферментов. Опыты по реактивации фагов клетками хозяина и индукции восстанавливающих систем подтвердили наличие восстановительных механизмов, которые имеются в распоряжении живой клетки, и подготовили понимание собственной способности большинства организмов преодолевать эндо- или экзогенные повреждения ДНК через механизмы восстановления. "Природа пользуется паяльником", как это выразил Г Стент.

Если количество бактерий на поверхности чашки с агаром достаточно для образования сплошного слоя, то нанесение надлежащего количества фага ведёт к образованию локальных участков лизиса - стерильных пятен, или "бляшек". Образуемая фагом бляшка может содержать 10⁷ -10⁹ вирионов и может служить источником чистой линии фага. Размер бляшек зависит от размера вирионов фага, а также от скорости репликации фага, скорости освобождения вирионов фага из клеток и их адсорбции на поверхности новой, незаражённой бактериальной клетки. Морфология бляшки обычно характерна для данного фага. При волнообразном изменении скорости роста бактерий возможно появление кольцеобразных бляшек. Образование ферментов, обладающих способностью атаковать капсулу бактерий, может привести к возникновению ореолов вокруг бляшек.

Культивирование вирусов. Культивирование вирусов проводят с целью получения диагностических и вакцинных препаратов, для лабораторной диагностики вирусных инфекций, в научно-исследовательской работе при изучении разнообразных вопросов иммунитета и генетики. Так как вирусы являются абсолютными паразитами, то их культивируют или на уровне живых клеток, выращиваемых вне организма, или на уровне организма. Биологическими моделями для выращивания вирусов служат лабораторные животные, развивающиеся куриные эмбрионы и культуры клеток.

О наличии и размножении вирусов в культуре клеток судят по данным ряда косвенных методов, которые основаны на визуально определяемых результатах их деятельности: 1) образованию бляшек; 2) образованию в клетках включений; 3) цитопатическому эффекту; 4) цветной реакции с продуктами метаболизма; 5) феномену гемадсорбции.

Образование бляшек или “негативных” колоний (участков разрушенных вирусами клеток) происходит при культивировании вирусов в однослойных клеточных культурах, покрытых тонким слоем агара. Бляшки, образуемые разными вирусами отличаются по величине, форме, времени появления, поэтому феномен бляшкообразования используют для дифференциации вирусов.

Включения представляют собой скопления вирусных частиц, вирусных белков или клеточного материала, обнаруживаемых в ядре или цитоплазме при специальных методах окраски.

Цитопатический эффект - видимые под микроскопом морфологические изменения клеток, вплоть до их гибели, возникающие в результате повреждающего действия вирусов.

“Цветная” реакция основана на разнице в цвете питательной среды с индикатором, используемой для выращивания культур клеток. При росте клеток, не пораженных вирусом, происходит накопление продуктов метаболизма, что приводит к изменению цвета питательной среды. При репродукции вирусов в культуре нарушается нормальный метаболизм клеток и среда сохраняет нормальный цвет.

Феномен гемадсорбции заключается в способности клеточных культур, зараженных вирусом, адсорбировать на своей поверхности эритроциты. Многие вирусы обладают гемадсорбирующими свойствами. Механизмы гемадсорбции и гемагглютинации сходны.

Классификация вирусов

В основу классификации вирусов положены следующие категории и свойства:

· Тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК);

· Структура нуклеиновой кислоты (количество нитей, процентное содержание в вирионе, особенности воспроизводства вирусного генома);

· Размеры и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии;

· Наличие суперкапсида;

· Особенности репродукции в клетке хозяина;

· Антигенные свойства;

· Чувствительность к отдельным химическим соединениям (эфиру, дезоксихолату).

Вирусы составляют царство Vira, которое подразделено по типу нуклеиновой кислоты на два подцарства или класса - рибовирусы (РНК-содержащие вирусы) и дезоксирибовирусы (ДНК-содержащие вирусы). В вирусологии используют следующие таксономические категории: семей-ство (название оканчивается на viridae), подсемейство (название оканчивается на virinae), род (название оканчивается на virus). Однако названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для всех вирусов. В настоящее время вирусы человека и животных включены в состав 18 семейств.

Номенклатура Вирусы обычно называют в соответствии с вызываемыми заболеваниями (например, вирус герпеса) либо по названию места, где они были впервые выделены (например, вирусы Коксаки, вирус Норволк). Реже используются фамилии учёных, впервые их выделевших (Эпстайна - Барр), либо название отражает их уникальные эпидемиологические характеристики (например, арбовирусы).

Кроме обычных вирусов, известны и так называемые неканонические вирусы - прионы и вироиды. Прионы представляют собой белковые инфекционные частицы, которые устойчивы к процессам инактивации ДНК и РНК. Они имеют вид фибрилл толщиной 10-20 и длиной 100-200 нм. Прионы являются одновременно индукторами и продуктами автономного гена человека и животных, вызывая у них энцефалопатии в условиях вяло текущей инфекции. Прионовые белки выделены как инфекционное начало скрэпи, куру, спонгиоформной энцефалопатии КРС (коровье бешенство).

Среди болезней человека наиболее изученными являются куру, болезнь Кройтцфельдта-Якоба и синдром Герстмана-Страусслера-Шайнкера. Это медленные инфекции, вызывающие в основном заболевания центральной нервной системы. Из-за длительного инкубационного периода ими болеют в основном пожилые люди. Эти патологии объединены в группу старческих энцефалопатий. Смертность от медленных инфекций составляет 100%. Существует мнение, что возбудитель коровьего бешенства является разновидностью инфекционного агента болезни Кройтцфельдта-Якоба. К настоящему времени выявлено более 15 случаев ЭКРС у человека. Большую известность прионы получили благодаря эпидемии трансмиссивной спонгиозной энцефалопатии коров (бешенство коров) в Англии. Аналогичное заболевание - куру, возникающее в результате употребления мозга умерших соплеменников во время ритуального каннибализма, регистрируется в одном из племен Папуа-Новой Гвинеи.

Другими необычными агентами, близкими к вирусам, являются вироиды - небольшие, не содержащие белка, молекулы кольцевой, суперспирализованной РНК, вызывающие заболевания у растений, например, веретёновидность клубней картофеля.