Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

ВИРУСОЛОГИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебно-методическое пособие для студентов биологического факультета

Вирусология. Методические материалы:Учеб.-метод. пособие для студ. биол. фак. / Авторы-сост. Е. В. Глинская, Е. С. Тучина, С. В. Петров.

– Саратов, 2013. 84 с.: ил.

ISBN 978-5-292-03935-8

Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с «Программой по вирусологии для студентов биологических факультетов университетов».

Оно содержит теоретический материал, касающийся истории развития вирусологии, природы и происхождения вирусов, химического состава, морфологии и репродукции вирусов, разнообразия вирусов, патогенеза и лабораторной диагностики вирусных инфекций, особенностей противовирусного иммунитета. В конце пособия приведены план проведения лабораторных работ, словарь основных терминов и тестовые задания для самоконтроля.

Для студентов биологического факультета, обучающихся по направлению подготовки 020400 «Биология».

Кафедра микробиологии и физиологии растений биологического факультета

(Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского)

Доктор биологических наук Л. В. Карпунина (Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова)

ВВЕДЕНИЕ

Вирусология занимается исследованием природы и происхождения вирусов, их химического состава, морфологии, механизмов размножения, биохимических и молекулярно-генетических аспектов их взаимоотношений с клеточными организмами, проблемами противовирусного иммунитета и разработкой мер и средств предупреждения, диагностики и лечения вирусных заболеваний.

Актуальность вирусологии на настоящий момент не вызывает сомнений. Вирусы являются одними из главных возбудителей многих инфекционных и онкологических заболеваний человека, животных и растений. Вирусы представляют собой идеальный объект для молекулярных биологов и генетиков.

Пособие предназначено для подготовки студентов к семинарским и практическим занятиям по курсу «Вирусология». В пособии рассмотрены теоретические вопросы общей вирусологии, представлен детальный план проведения практических работ, приведен перечень необходимой литературы, а также тестовые задания для самоконтроля.

Хочется надеяться, что учебное пособие «Вирусология. Методические материалы» окажется полезным как студентам и преподавателям вузов, так и специалистам-вирусологам.

Раздел 1. Вирусология как наука. История развития вирусологии. Природа и происхождение вирусов.

ВИРУСОЛОГИЯ КАК НАУКА

Вирусология – наука, изучающая природу и происхождение вирусов, особенности их химического состава, генетики, строения, морфологии, механизмов размножения и взаимодействия с клеточными организмами.

Вирусология занимает важное место среди биологических наук. Велико ее теоретическое и практическое значение для медицины, ветеринарии и сельского хозяйства. Вирусные болезни широко распространены у человека, животных и растений; кроме того, вирусы служат моделями, на которых изучаются основные проблемы генетики и молекулярной биологии. Изучение вирусов привело к пониманию тонкой структуры генов, расшифровки генетического кода, выявлению механизмов мутации.

Современная вирусология включает следующие разделы:

- общая вирусология, изучающая основные принципы строения и размножения вирусов, их взаимодействие с клеткой-хозяином, происхождение и распространение вирусов в природе.

- частная (медицинская, ветеринарная и сельскохозяйственная) вирусология изучает особенности различных систематических групп вирусов человека, животных и растений и разрабатывает методы диагностики, профилактики и лечения вызываемых этими вирусами болезней.

- молекулярная вирусология исследует молекулярно-генетическую структуру вирусов, строение и функции вирусных нуклеиновых кислот, механизмы экспрессии вирусных генов, процессы взаимодействия с клеткой, природу устойчивости организмов к вирусным заболеваниям, молекулярную эволюцию вирусов.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВИРУСОЛОГИИ

Первые упоминания о вирусных болезнях людей и животных встречаются в дошедших до нас письменных источниках древних народов. В них, в частности, содержатся сведения об эпизоотиях бешенства у волков, шакалов и собак и полиомиелите в Древнем Египте (II–III тыс. лет до н. э.). О натуральной оспе было известно в Китае за тысячу лет до нашей эры. Давнюю историю имеет также желтая лихорадка, на протяжении столетий косившая первопроходцев в тропической Африке и моряков. Первые описания вирусных болезней растений относятся к живописной пестролепестности тюльпанов, которые уже около 500 лет выращивают голландские цветоводы.

Началом становления вирусологии как науки можно считать конец XIX века. Работая над созданием вакцины против бешенства, Л. Пастер в 80-х гг. XIX века впервые применил термин «вирус» (от лат. «virus» – яд) для обозначения инфекционного агента. Пастер был первым, кто начал использовать лабораторных животных в работах по изучению вирусов. Он инокулировал материал, полученный от больных бешенством, в мозг кролика. Однако Пастер не делал различия между вирусами как таковыми и другими инфекционными агентами.

Первым, кто выделил вирусы как самостоятельную группу инфекционных агентов, был русский учёный Д. И. Ивановский. В 1892 г. в результате собственных исследований он пришёл к выводу, что мозаичную болезнь табака вызывают бактерии, проходящие через фильтр Шамберлана, которые, кроме того, не способны расти на искусственных субстратах. Представленные данные о возбудителе табачной мозаики длительное время являлись критериями для отнесения возбудителей болезней к «вирусам»: фильтруемость через «бактериальные» фильтры, неспособность расти на искусственных средах, воспроизведение картины заболевания фильтратом, освобожденным от бактерий и грибов.

В 1898 г. М. Бейеринк подтвердил и расширил исследования Д. И. Ивановского о вирусе табачной мозаики и сформулировал первую полноценную теорию о вирусах как о новом классе микроорганизмов и возбудителей болезней. Несмотря на то что многие зарубежные ученые приписывали ему открытие вирусов, М. Бейеринк признал приоритет Д. И. Ивановского.

В последующие годы микробиологи и врачи установили вирусную этиологию многих антропонозных и зоонозных болезней. Так, уже в 1898 г. Ф. Леффлер и П. Фрош установили фильтруемость возбудителя ящура коров. Они первыми показали, что вирусы могут поражать не только растения, но и животных.

Серия открытий новых вирусов пришлась на первое десятилетие XX века. Началась она с исследований У. Рида, установившего в 1901 г. вирусную природу тропической желтой лихорадки. У. Рид руководил исследованиями, в ходе которых было установлено, что вирус жёлтой лихорадки присутствует в крови больного в течение первых трёх дней заболевания и что он может передаваться при укусе комара; таким образом, впервые было показано, что вирусы могут передаваться насекомыми. Семь лет спустя, было доказано, что вирусными болезнями являются также полиомиелит (К. Ландштейнер и Э. Поппер), лихорадка денге (П. Ашбери и Ч. Крейч) и лейкоз кур (В. Эллерман и О. Банг). В 1911 г. Ф. Раус привел неопровержимые доказательства наличия в вытяжке тканей саркомы кур онкогенного вируса, способного вызывать опухоль у здоровых птиц. Благодаря исследованиям X. Арагана и Э. Пашена (1911–1917 гг.) была при-

знана вирусная природа ветряной оспы. Одновременно с ними Т. Андерсон

и Дж. Гольдберг установили вирусную этиологию кори.

В 1915 г. Ф. Туортом были открыты вирусы бактерий. В 1917 г. независимо от него вирусы бактерий были открыты Ф. Д’Эрелем, который ввёл термин «бактериофаг».

Вторая волна открытий вирусов антропонозных болезней приходится на 30-е гг. прошлого века. В 1933 г. У. Смит, К. Эндрюс и П. Лейдлоу установили, что грипп вызывают не бактерии, а вирусы. К началу Второй мировой войны к вирусным болезням были причислены эпидемический паротит (К. Джонсон, Э. Гудпасчур, 1934 г.), японский летне-осенний комариный энцефалит (М. Хаяши, А.С. Смородинцев, 1934–1938 гг.), даль-

в 1937 г. Г. Финдли и Ф. Мак -Каллум, а подтвердили это в экспериментах на обезьянах и людях-добровольцах в 1943–1944 гг. Д. Камерон, Ф. МакКаллум и В. Хавенс.

Первый шаг в направлении описания молекулярной структуры вирусов был сделан в 1935 г., когда В. Стенли получил кристаллы вируса т а- бачной мозаики. Детально изучить тонкую структуру вирусов стало возможным в 50–60 гг. XX века после усовершенствования электронного микроскопа.

В 1938 г. М. Тэйлор получил ослабленную живую вакцину против жёлтой лихорадки. Разработанная вакцина оказалась такой надёжной и эффективной, что используется до сегодняшнего дня. Она спасла миллионы жизней и послужила моделью для разработки многих последующих вакцин. Кроме того, Тейлор усовершенствовал и ввёл в систему использование в качестве восприимчивых животных мышей. В начале 30-х гг. кроме мышей стали использовать также куриные эмбрионы, т.е. появился ещё один источник тканей, чувствительных к заражению вирусами и способных поддерживать их размножение.

По мере совершенствования экспериментальных систем развивались количественные методы исследований. Первый точный и быстрый метод подсчёта пораженных вирусом клеток был разработан в 1941 г., когда Г. Хирст продемонстрировал, что вирус гриппа вызывает агглютинацию эритроцитов.

Развитию вирусологии способствовала разработка метода культур клеток. В 1949 г. в ключевом эксперименте Дж. Ф. Эндерса, Т. Х. Уеллера и Ф. С. Роббинса было показано, что культуры клеток способны поддерживать рост вируса полиомиелита. Это открытие возвестило о приходе эры современной вирусологии и послужило толчком к ряду исследований, которые в конечном итоге привели к выделению многих вирусов, вызывающих серьёзные заболевания у человека. В 50-е и 60-е гг. ХХ века были вы-

делены некоторые энтеровирусы и респираторные вирусы, установлены причины большого числа болезней, вирусное происхождение которых до того момента лишь предполагали. Так, например, в 1953 г. М. Блумберг открыл вирус гепатита B и создал против него первую вакцину. В 1952 г. Р. Дюльбекко применил к вирусам животных метод бляшек.

Открытие бактериофагов было оценено лишь в конце 30-х гг., когда вирусы бактерий начали использовать в качестве удобной модели для изучения взаимодействия вирус-клетка в генетических и биохимических исследованиях. В 1939 г. Э. Эллис и М. Дельбрюк выдвинули концепцию «одноэтапного цикла роста вируса». Эта работа заложила основы для понимания характера репродукции вирусов, заключающейся в сборке отдельных компонентов.

Важные для молекулярной биологии открытия были сделаны при использовании в качестве объектов исследований вирусов животных. В 1970 г. Х. М. Темин и Д. Балтимор независимо друг от друга открыли у ретровирусов обратную транскриптазу, способную осуществлять синтез ДНК на матрице РНК. В 1976 г. Д. Бишоп и Х. Вармус обнаружили, что онкоген вируса саркомы Рауса присутствует также в геномах нормальных клеток животных и человека. В 1977 г. Р. Робертс и Ф. Шарп независимо друг от друга показали прерывистую структуру генов аденовирусов. В 1972 г. П. Берг создал первые рекомбинантные молекулы ДНК, построенные на основе кольцевого ДНК-генома вируса SV40 с включением генов фага λ и галактозного оперонаEscherichia coli . Эта работа дала начало технологии рекомбинантных ДНК. В 1977 г. стала известна первая полная нуклеотидная последовательность генома биологического объекта: Х. Э. Сэнгер с сотрудниками определили нуклеотидную последовательность генома фага ØX174. В 1990 г. была осуществлена первая успешная попытка применения генотерапии в клинической практике: ребёнку, страдающему тяжёлым комбинированным иммунодефицитом, заболеванием, связанным с дефектом гена аденозиндезаминидазы, была введена нормальная копия гена с использованием вектора, построенного на основе генома ретровируса.

В 50–60 гг. также проводились исследования по изучению нетипичных вирусных агентов. В 1957 г. Д. Гайдушек предположил, что болезнь куру вызывается одним из вирусов медленных инфекций. Однако только в 1982 г. была выявлена природа вирусов медленных инфекций («slow virus»), когда С. Прузинер продемонстрировал, что скрепи вызывается инфекционными белками, названными им прионами.

В 1967 г. Т. О. Дайнер открыл вироиды, инфекционные агенты, представляющие собой кольцевые молекулы РНК, вызывающие заболевания у растений.

В последующие годы список открытых вирусов продолжал пополняться. В 1981 г. выделен вирус лейкемии Т-лимфоцитов человека – пер-

вый вирус, для которого была достоверно установлена способность вызывать рак у человека.

ПРИРОДА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ

Представления о природе вирусов со времени их открытия претерпели значительные изменения.

Д.И. Ивановский и другие исследователи того времени подчеркивали два свойства вирусов, позволившие выделить их в отдельную группу живых организмов: фильтруемость и неспособность размножаться на исскуственных питательных средах. Позже выяснилось, что эти свойства не абсолютны, так как были обнаружены фильтрующиеся формы бактерий (L-формы) и микоплазмы, не растущие на искусственных питательных средах и по размерам приближавшиеся к наиболее крупным вирусам (вирус оспы, мимивирус, мегавирус, пандоравирус).

К уникальным свойствам вирусов относится их способ размножения, который резко отличается от способа размножения всех других клеток и организмов. Вирусы не растут, их размножение обозначается как дизъюнктивная репродукция, что подчеркивает разобщенность в пространстве и времени синтеза вирусных компонентов с последующей сборкой и формированием вирионов.

В связи с вышеизложенным не раз возникали дискуссии по поводу того, что же такое вирусы – живое или не живое, организмы или не организмы? Безусловно, вирусы обладают основными свойствами всех других

форм жизни – способностью размножаться, наследственностью, изменчивостью, приспособляемостью к условиям внешней среды. Они занимают определенную экологическую нишу, на них распространяются законы эволюции органического мира. К середине 40-х гг. ХХ века сложилось представление о вирусах как о наиболее примитивных микроорганизмах. Логическим развитием этих взглядов было введение термина «вирион», обозначавшего внеклеточный вирусный индивидуум. Однако с развитием исследований по молекулярной биологии вирусов стали накапливаться факты, противоречащие представлению о вирусах как организмах. Отсутствие собственной белок-синтезирующей системы, дизъюнктивный способ репродукции, интеграция с клеточным геномом, существование вирусных саттелитов и дефектных вирусов, феноменов множественной реактивации и комплементации – все это мало укладывается в представление о вирусах как организмах.

Все вирусы, включая саттелиты и дефектные вирусы, вироиды и прионы, имеют нечто общее, их объединяющее. Все они являются автономными генетическими структурами, способными функционировать и репродуцироваться в восприимчивых к ним клетках различных групп бактерий, грибов, растений и животных. Это наиболее полное определение, позволяющее очертить царство вирусов.

Согласно второй гипотезе, вирусы являются потомками древних, доклеточных форм жизни – протобионтов, предшествовавших появлению клеточных форм жизни, с которых и началась биологическая эволюция.

Человеческий организм подвержен всякого рода заболеваниям и инфекциям, также довольно часто болеют животные и растения. Ученые прошлого века пытались выявить причину многих заболеваний, но, даже определив симптоматику и течение болезни, они не могли уверенно сказать о ее причине. И лишь в конце девятнадцатого века появился такой термин, как "вирусы". Биология, а точнее один из ее разделов - микробиология, стала изучать новые микроорганизмы, которые, как оказалось, уже давно соседствуют с человеком и вносят свою лепту в ухудшение его здоровья. Для того чтобы эффективнее бороться с вирусами, выделилась новая наука - вирусология. Именно она может рассказать о древних микроорганизмах очень много интересного.

Вирусы (биология): что это такое?

Только в девятнадцатом веке ученые выяснили, что возбудителями кори, гриппа, ящура и других инфекционных заболеваний не только у людей, но и у животных и растений являются микроорганизмы, невидимые человеческому глазу.

После того как были открыты вирусы, биология не сразу смогла дать ответы на поставленные вопросы об их строении, возникновении и классификации. У человечества появилась потребность в новой науке - вирусологии. В настоящий момент вирусологи работают над изучением уже знакомых вирусов, наблюдают за их мутациями и изобретают вакцины, позволяющие уберечь живые организмы от заражения. Довольно часто с целью эксперимента создается новый штамм вируса, который хранится в "спящем" состоянии. На его основе разрабатываются препараты и проводятся наблюдения по их воздействию на организмы.

В современном обществе вирусология является одной из самых важных наук, а самый востребованный научный сотрудник - это вирусолог. Профессия вирусолога, по прогнозам социологов, с каждым годом становится все более популярной, что хорошо отражает тенденции современности. Ведь, как считают многие ученые, скоро с помощью микроорганизмов будут вестись войны и устанавливаться правящие режимы. В таких условиях государство, имеющее высококвалифицированных вирусологов, может оказаться самым стойким, а его население наиболее жизнеспособным.

Появление вирусов на Земле

Ученые относят возникновение вирусов к самым древним временам на планете. Хотя с точностью сказать, каким образом они появились и какую форму имели в то время, невозможно. Ведь вирусы имеют способность проникать в абсолютно любые живые организмы, им доступны простейшие формы жизни, растения, грибы, животные и, конечно же, человек. Но вирусы не оставляют после себя никаких видимых остатков в виде окаменелостей, например. Все эти особенности жизни микроорганизмов существенно затрудняют их изучение.

• они были частью ДНК и со временем отделились;
• они были встроены в геном изначально и при определенных обстоятельствах "проснулись", начали размножаться.

Ученые предполагают, что в геноме современных людей находится огромное количество вирусов, которыми были заражены наши предки, и теперь они естественным образом встроились в ДНК.

Вирусы: когда были обнаружены

Изучение вирусов - это достаточно новый раздел в науке, ведь считается, что он появился только в конце девятнадцатого века. На самом деле можно сказать, что неосознанно открыл сами вирусы и вакцины от них английский врач в конце девятнадцатого века. Он работал над созданием лекарства от оспы, косившей в те времена сотни тысяч людей во время эпидемии. Он сумел создать экспериментальную вакцину прямо из болячки одной из девушек, болевшей оспой. Эта прививка оказалась весьма эффективной и спасла не одну жизнь.

Но официальным "отцом" вирусов считается Д. И. Ивановский. Этот русский ученый долгое время изучал болезни растений табака и сделал предположение о мелких микроорганизмах, которые проходят через все известные фильтры и не могут существовать самостоятельно.

Спустя несколько лет француз Луи Пастер в процессе борьбы с бешенством выявил его возбудителей и ввел термин "вирусы". Интересен тот факт, что микроскопы конца девятнадцатого века не могли показать ученым вирусы, поэтому все предположения делались относительно невидимых микроорганизмов.

Развитие вирусологии

Середина прошлого века дала мощный толчок в развитии вирусологии. К примеру, изобретенный электронный микроскоп позволил, наконец, увидеть вирусы и провести их классификацию.

В пятидесятые годы двадцатого века была изобретена вакцина от полиомиелита, ставшая спасением от этого страшного заболевания для миллионов детей по всему миру. К тому же ученые научились выращивать человеческие клетки в специальной среде, что привело к появлению возможности изучать вирусы человека в лабораторных условиях. В настоящий момент описано уже около полутора тысяч вирусов, хотя еще пятьдесят лет назад известными были всего лишь двести подобных микроорганизмов.

Свойства вирусов

Вирусы имеют ряд свойств, которые отличают их от других микроорганизмов:

• Очень маленькие размеры, измеряющиеся в нанометрах. Крупные вирусы человека, например оспы, имеют размер триста нанометров (это всего лишь 0,3 миллиметра).
• Каждый живой организм на планете содержит два вида нуклеиновых кислот, а вирусы имеют только одну.
• Микроорганизмы не могут расти.
• Размножение вирусов происходит только в живой клетке хозяина.
• Существование происходит только внутри клетки, вне ее микроорганизм не может проявлять признаков жизнедеятельности.

Формы вирусов

К настоящему моменту ученые могут с уверенностью заявлять о двух формах данного микроорганизма:

• внеклеточная - вирион;
• внутриклеточная - вирус.

Вне клетки вирион находится в "спящем" состоянии, он не поддет никаких признаков жизни. Попав в организм человека, он находит подходящую клетку и, только проникнув в нее, начинает активно размножаться, превращаясь в вирус.

Строение вируса

Практически все вирусы, несмотря на то что они довольно разнообразны, имеют однотипное строение:

• нуклеиновые кислоты, образующие геном;
• белковая оболочка (капсид);
• некоторые микроорганизмы поверх оболочки имеют еще и мембранное покрытие.

Ученые считают, что подобная простота строения позволяет вирусам выживать и приспосабливаться в изменяющихся условиях.

В настоящий момент вирусологи выделяют семь классов микроорганизмов:

• 1 - состоят из двуцепочечной ДНК;
• 2 - содержат одноцепочечную ДНК;
• 3 - вирусы, копирующие свою РНК;
• 4 и 5 - содержат одноцепочечную РНК;
• 6 - трансформируют РНК в ДНК;
• 7 - трансформируют двуцепочечную ДНК через РНК.

Несмотря на то что классификация вирусов и их изучение шагнули далеко вперед, ученые допускают возможность появления новых видов микроорганизмов, отличающихся от всех уже перечисленных выше.

Типы вирусной инфекции

Взаимодействие вирусов с живой клеткой и способ выхода из нее определяет тип инфекции :

• Литическая

В процессе инфицирования все вирусы одновременно выходят из клетки, и в результате она погибает. В дальнейшем вирусы "селятся" в новых клетках и продолжают их разрушать.

• Персистентная

Вирусы выходят из клетки хозяина постепенно, они начинают поражать новые клетки. Но прежняя продолжает свою жизнедеятельность и "рождает" все новые вирусы.

• Латентная

Вирус встраивается в саму клетку, в процессе ее деления он передается другим клеткам и распространяется по всему организму. В подобном состоянии вирусы могут находиться достаточно долгое время. При необходимом стечении обстоятельств они начинают активно размножаться и инфекция протекает по уже перечисленным выше типам.

Россия: где изучают вирусы?

В нашей стране вирусы изучают уже достаточно давно, и именно российские специалисты лидируют в этой области. В Москве расположен НИИ вирусологии имени Д. И. Ивановского, специалисты которого вносят существенный вклад в развитии науки. На базе НИИ работаю научно-исследовательские лаборатории, содержится консультативный центр и кафедра вирусологии.

Параллельно российские вирусологи работают с ВОЗ и пополняют свою коллекцию штаммов вирусов. Специалисты НИИ работают по всем разделам вирусологии:

• общей:
• частной;
• молекулярной.

Стоит отметить, что в последние годы наметилась тенденция к объединению усилий вирусологов всего мира. Такая совместная работа является более эффективной и позволяет серьезно продвинуться в изучении вопроса.

Вирусы (биология как наука это подтвердила) - это микроорганизмы, сопровождающие все живое на планете на протяжении всего их существования. Поэтому их изучение является столь важным для выживания многих видов на планете, в том числе и человека, который уже не раз в истории становился жертвой различных эпидемий, вызванных вирусами.

Вирусология (от лат. vīrus - «яд» и греч. logos — слово, учение) - наука о вирусах , раздел биологии.

Вирусология выделилась в самостоятельную дисциплину в середине XX века. Она возникла как ветвь патологии - патологии человека и животных с одной стороны, и фитопатологии - с другой. Первоначально вирусология человека, животных и бактерий развивалась в рамках микробиологии. Последующие успехи вирусологии в значительной мере основаны на достижениях смежных естественных наук - биохимии и генетики . Объектом исследования вирусологии являются субклеточные структуры - вирусы. По своему строению и организации они относятся к макромолекулам, поэтому с того времени, когда оформилась новая дисциплина, молекулярная биология , объединившая различные подходы к изучению структуры, функций и организации макромолекул, определяющих биологическую специфичность, вирусология стала также составной частью молекулярной биологии. Молекулярная биология широко применяет вирусы как инструмент исследования, а вирусология для решения своих задач используют методы молекулярной биологии.

История вирусологии

Вирусные болезни, такие как оспа, полиомиелит, желтая лихорадка, пестролистность тюльпанов известны с давних времен, однако о причинах, их вызывающих долгое время никто ничего не знал. В конце XIX столетия, когда удалось установить микробную природу ряда инфекционных заболеваний, патологи пришли к заключению, что многие из распространенных болезней человека, животных и растений нельзя объяснить заражением бактериями.

Открытие вирусов связано с именами Д.И.Ивановского и М.Бейеринка . В 1892 г. Д.И.Ивановский показал, что заболевание табака - табачная мозаика - может быть перенесено от больных растений к здоровым, если их заразить соком больных растений, предварительно пропущенным через специальный фильтр, задерживающий бактерии. В 1898 году М.Бейеринк подтвердил данные Д.И.Ивановского и сформулировал мысль о том, что заболевание вызывается не бактерией, а принципиально новым, отличным от бактерий, инфекционным агентом. Он назвал его contagium vivum fluidum - живое жидкое заразное начало. В то время для обозначения инфекционного начала любой болезни употребляли термин «virus» - от латинского слова «яд», «ядовитое начало». Сontagium vivum fluidum стали называть фильтрующимся вирусом, а позже - просто «вирусом». В том же, 1898 году Ф.Лефлер и П.Фрошш показали, что через бактериальные фильтры проходит возбудитель ящура крупного рогатого скота. Вскоре после этого было установлено, что и другие болезни животных, растений, бактерий и грибов вызываются подобными агентами. В 1911 году П.Раус открыл вирус, вызывающий опухоли у кур. В 1915 году Ф.Туорт, а в 1917 году Ф.Д’Эрель независимо друг от друга открыли бактериофаги - вирусы, разрушающие бактерии.

Природа этих возбудителей болезней, оставалась непонятной более 30 лет - до начала 30-х годов. Это объяснялось тем, что к вирусам нельзя было применить традиционные микробиологические методы исследования: вирусы, как правило, не видны в световой микроскоп и не растут на искусственных питательных средах.

Категории:Детализирующие понятия:

И онкологических заболеваний, определяет способы диагностики, терапии и профилактики вирусных заболеваний.

Вследствие развития вирусологии были достигнуты определённые успехи в борьбе с некоторыми вирусными инфекциями. Например, в 20 веке на земном шаре благодаря массовой вакцинации населения была ликвидирована оспа . Существует, однако, ряд вирусных заболеваний, неизлечимых на современном этапе развития науки, самое известное из них - ВИЧ-инфекция .

История

Впервые существование вируса (как нового типа возбудителя болезней) доказал в 1892 году русский учёный Д. И. Ивановский . После многолетних исследований заболеваний табачных растений , в работе, датированной 1892 годом, Д. И. Ивановский приходит к выводу, что мозаичная болезнь табака вызывается «бактериями, проходящими через фильтр Шамберлана , которые, однако, не способны расти на искусственных субстратах». На основании этих данных были определены критерии, по которым возбудителей заболеваний относили к этой новой группе: фильтруемость через «бактериальные» фильтры, неспособность расти на искусственных средах, воспроизведения картины заболевания фильтратом, освобождённым от бактерий и грибов . Возбудитель мозаичной болезни называется Д. И. Ивановским по-разному, термин «вирус» ещё не был введён, иносказательно их называли то «фильтрующимися бактериями», то просто «микроорганизмами».

Пять лет спустя, при изучении заболеваний крупного рогатого скота, а именно - ящура , был выделен аналогичный фильтрующийся микроорганизм. А в 1898 году , при воспроизведении опытов Д. Ивановского голландским ботаником М. Бейеринком , он назвал такие микроорганизмы «фильтрующимися вирусами». В сокращённом виде это название и стало обозначать данную группу микроорганизмов.

Видео по теме

Природа вирусов

Вирусы очень разнообразны, изменчивы и широко распространены, способны заражать практически всех представителей флоры и фауны и даже многие микроорганизмы.

Общая вирусология изучает основные принципы строения, размножения вирусов, их взаимодействие с клеткой-хозяином, происхождение и распространение вирусов в природе. Один из важнейших разделов общей вирусологии - молекулярная вирусология , изучающая структуру и функции вирусных нуклеиновых кислот, механизмы экспрессии вирусных генов, природу устойчивости организмов к вирусным заболеваниям, молекулярную эволюцию вирусов.

Частная вирусология исследует особенности определённых групп вирусов человека, животных и растений и разрабатывает меры борьбы с вызываемыми этими вирусами болезнями.

В 1962 г. вирусологи многих стран собрались на симпозиуме в США , чтобы подвести первые итоги развития молекулярной вирусологии. На этом симпозиуме звучали не совсем привычные для вирусологов термины: архитектура вирионов, нуклеокапсиды, капсомеры. Начался новый период в развитии вирусологии - период молекулярной вирусологии.

Молекулярная вирусология, или молекулярная биология вирусов, - составная часть общей молекулярной биологии и в то же время - раздел вирусологии. Это и неудивительно. Вирусы - наиболее простые формы жизни, и поэтому вполне естественно, что они стали и объектами изучения, и орудиями молекулярной биологии. На их примере можно изучать фундаментальные основы жизни и её проявления.

С конца 50-х годов, когда начала формироваться синтетическая область знаний, лежащая на границе неживого и живого и занимающаяся изучением живого, методы молекулярной биологии хлынули обильным потоком в вирусологию. Эти методы, основанные на биофизике и биохимии живого, позволили в короткие сроки изучить строение, химический состав и репродукцию вирусов.

Поскольку вирусы относятся к сверхмалым объектам, для их изучения нужны сверхчувствительные методы. С помощью электронного микроскопа удалось увидеть отдельные вирусные частицы, но определить их химический состав можно, только собрав воедино триллионы таких частиц. Для этого были разработаны методы ультрацентрифугирования .

Если в 60-х годах основное внимание вирусологов было фиксировано на характеристике вирусных нуклеиновых кислот и белков, то к началу 80-х годов была расшифрована полная структура многих вирусных генов и геномов и установлена не только аминокислотная последовательность, но и третичная пространственная структура таких сложных белков, как гликопротеид гемагглютинина вируса гриппа. В настоящее время можно не только связать изменения антигенных детерминант вируса гриппа с заменой в них аминокислот, но и рассчитывать прошедшие, настоящие и будущие изменения этих антигенов.

С 1974 года начала бурно развиваться новая отрасль биотехнологии и новый раздел молекулярной биологии - генная, или генетическая, инженерия . Она немедленно была поставлена на службу вирусологии.

Семейства, включающие вирусы человека и животных

• Семейство Poxviridae (поксвирусы)
• Семейство Iridoviridae (иридовирусы)
• Семейство Herpesviridae (герпесвирусы)
• Семейство Adenoviridae (аденовирусы)
• Семейство Papovaviridae (паповавирусы)
• Семейство Hepadnaviridae (вирусы, подобные вирусу гепатита B)
• Семейство Parvoviridae (парвовирусы)
• Семейство Reoviridae (реовирусы)
• Семейство Birnaviridae (вирусы с двухцепочечной РНК, состоящей из двух сегментов)
• Семейство Togaviridae (тогавирусы)
• Семейство Coronaviridae (коронавирусы)
• Семейство Paramyxoviridae (

Вирусология как наука

ИСТОРИЯ ВИРУСОЛОГИИ

История вирусологии необычна тем, что один из ее предметов — вирусные болезни — стал изучаться задолго до того, как были открыты собственно вирусы. Начало истории вирусологии — это борьба с инфекционными заболеваниями и только впоследствии — постепенное раскрытие источников этих болезней. Подтверждением тому служат работы Эдуарда Дженнера (1749-1823 гг.) по предупреждению оспы и работы Луи Пастера (1822-1895 гг.) с возбудителем бешенства.
К концу XIX-го столетия выяснилось, что целый ряд заболеваний человека, таких как бешенство , оспа, грипп , желтая лихорадка являются инфекционными, однако их возбудители не обнаруживались бактериологическими методами.
Благодаря работам Роберта Коха (1843-1910 гг.), который впервые использовал технику чистых бактериальных культур, появилась возможность различать бактериальные и небактериальные заболевания. В 1890 г. на X конгрессе гигиенистов Кох вынужден был заявить, что «…при перечисленных болезнях мы имеем дело не с бактериями, а с организованными возбудителями, которые принадлежат к совсем другой группе микроорганизмов». Это высказывание Коха свидетельствует, что открытие вирусов не было случайным событием. Не только опыт работы с непонятными по своей природе возбудителями, но и понимание сущности происходящего способствовали тому, что была сформулирована мысль о существовании оригинальной группы возбудителей инфекционных заболеваний небактериальной природы. Оставалось экспериментально доказать ее существование.

Первое экспериментальное доказательство существования новой группы возбудителей инфекционных заболеваний было получено нашим соотечественником — физиологом растений Дмитрием Иосифовичем Ивановским (1864-1920 гг.) при изучении мозаичных заболеваний табака. Это неудивительно, так как инфекционные заболевания эпидемического характера часто наблюдались и у растений. Еще в 1883-84 гг. голландский ботаник и генетик де Фриз наблюдал эпидемию позеленения цветов и предположил инфекционную природу заболевания. В 1886 г. немецкий ученый Майер, работавший в Голландии, показал, что сок растений, больных мозаичной болезнью, при инокуляции вызывает у растений такое же заболевание. Майер был уверен, что виновником болезни является микроорганизм, и безуспешно искал его. В 19 веке заболевания табака наносили огромный вред сельскому хозяйству и в нашей стране. В связи с этим, для изучения заболеваний табака на Украину была направлена группа исследователей, в которую, будучи студентом Петербургского университета, входил Д.И. Ивановский. В результате изучения заболевания, описанного в 1886 г. Майером как мозаичная болезнь табака, Д.И. Ивановский и В.В. Половцев пришли к выводу, что оно представляет собой два различных заболевания. Одно из них — «рябуха» — вызывается грибком, а другое — неизвестного происхождения. Изучение мозаичной болезни табака было продолжено Ивановским в Никитском ботаническом саду под руководством академика А.С. Фамицина. Используя сок пораженного болезнью листа табака, профильтрованный через свечу Шамберлана, задерживающую самые мелкие бактерии, Ивановский вызвал заболевание листьев табака. Культивирование зараженного сока на искусственных питательных средах не дало результатов и Ивановский приходит к выводу, что возбудитель болезни имеет необычную природу — он фильтруется через бактериальные фильтры и не способен расти на искусственных питательных средах. Прогревание сока при 60-70 °C лишало его инфекционности, что свидетельствовало о живой природе возбудителя. Ивановский сначала назвал новый тип возбудителя «фильтрующиеся бактерии». Результаты работы Д.И. Ивановского были положены в основу его диссертации, представленной в 1888 г., и опубликованы в книге «О двух болезнях табака» в 1892 году. Этот год и считается годом открытия вирусов.
Определенный период времени в зарубежных публикациях открытие вирусов связывали с именем голландского ученого Бейеринка (1851-1931 гг.) который также занимался изучением мозаичной болезни табака и опубликовал свои опыты в 1898 г. Профильтрованный сок зараженного растения Бейеринк поместил на поверхность агара, проинкубировал и получил на его поверхности бактериальные колонии. После этого верхний слой агара с колониями бактерий был удален, а внутренний слой был использован для заражения здорового растения. Растение заболело. Из этого Бейеринк сделал вывод, что причиной заболевания являются не бактерии, а некая жидкая субстанция, которая могла проникнуть внутрь агара, и назвал возбудителя «жидкий живой контагий». В связи с тем, что Ивановский только подробно описал свои опыты, но не уделил должного внимания небактериальной природе возбудителя, возникло недопонимание ситуации. Известность работы Ивановского приобрели только после того, как Бейеринк повторил и расширил его опыты и подчеркнул, что Ивановский впервые доказал именно небактериальный характер возбудителя самой типичной вирусной болезни табака. Сам Бейеринк признал первенство Ивановского и в настоящее время приоритет открытия вирусов Д.И. Ивановским признан во всем мире.
Слово ВИРУС означает яд. Этот термин применял еще Пастер для обозначения заразного начала. Следует отметить, что в начале 19 века все болезнетворные агенты назывались словом вирус. Только после того, как стала понятна природа бактерий, ядов и токсинов терминами «ультравирус», а затем просто «вирус» стали обозначать «новый тип фильтрующегося возбудителя». Широко термин «вирус» укоренился в 30-е годы нашего столетия.
Вирусы − уникальный класс, мельчайший класс инфекционных агентов, которые проходят через бактериальные фильтры и отличаются от бактерий по своей морфологии, физиологии и способу размножения.
Вирусы − внеклеточные формы жизни, надцарство Безядерных (аккариоты), царство Вира.
В настоящее время ясно, что вирусы характеризуются убиквитарностью, то есть повсеместностью распространения. Вирусы поражают представителей всех царств живого: человека, позвоночных и беспозвоночных животных, растения, грибы, бактерии.

РАЗМЕРЫ ВИРУСОВ

Вирусы - мельчайшие агенты, 10-350 нм (0,01-0,35 мкм). Они не видны в обычный световой микроскоп, и для определения размера вирусов используют различные методы:
1. фильтрация через фильтры с известной величиной пор;
2. определение скорости осаждения частиц при центрифугировании;
3. фотографирование в электронном микроскопе.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВИРУСОВ

Вирусы имеют три основных компонента: белок, НК, зольный компонент.

Белок
Белки построены из аминокислот (а/к) L-ряда. Все а/к тривиальной природы, как правило, в структуре преобладают нейтральные и кислые дикарбоновые кислоты. В составе сложных вирусов имеются основные гистоноподобные белки, связанные с НК, для стабилизации структуры и для увеличения антигенной активности.
Все вирусные белки делятся на: структурные - формируют белковую оболочку - капсид; функциональные - белки ферменты, часть белков ферментов находятся в структуре капсида, этими белками связана ферментативная активность и способность вируса проникать внутрь клетки (например, АТФаза, сиалаза - неиромеидаза, которые встречаются в структуре вируса человека и животных, а также лизоцим).
Капсид состоит из длинных полипептидных цепей, что могут состоять из одного или нескольких белков с маленькой молекулярной массой. В структуре полипептидной цепи различают химическую, структурную и морфологическую единицы.
Химическая единица - это отдельный белок, формирующий полипептидную цепь.
Структурная единица - это повторяющаяся единица в структуре полипептидной цепи.
Морфологическая единица - это капсомер, который наблюдается в структуре вируса, что видна в электронном микроскопе.
Белки вирусного капсида имеют ряд свойств: они устойчивы к протеазам и причина устойчивости в том, что белок организован так, что пептидная связь, на которую действует протеаза, спрятана внутрь. В такой устойчивости большой биологический смысл: так как вирусная частица собирается внутри клетки, где высока концентрация протеолитических ферментов. Такая устойчивость предохраняет вирусную частицу от разрушения внутри клетки. Вместе с тем, эта устойчивость вирусной оболочки к протеолитическим ферментам теряется в момент прохождения вирусной частицы через клеточные покровы, в частности через ЦПМ.
Предполагают, что в процесс транспортировки вирусной частицы через ЦПМ, происходят изменения конформационной структуры и пептидная связь становится доступной для ферментов.
Функции структурных белков:
- защитная (предохраняют НК, которая расположена внутри капсида);
- некоторые белки капсиды несут адресную функцию, что рассматривается как рецепторы вирусов, с помощью которых вирусная частица прикрепляется на поверхности специфических клеток;
- в составе вирионов обнаружен внутренний гистоноподобный белок связанный с НК, который обладает антигенной функцией и ещё участвует в стабилизации НК.
Функциональные белки-ферменты связанные с капсодом:
- сиалаза-неиромиедаза. Обнаружен в вирусах животных и человека, облегчает выход вирусной частицы из клетки и делает дырку (плешь) в вирусных структурах;
- лизоцим. Структурно связан с вирусной частицей, разрушает β-1,4-гликозидную часть в муреиновом каркасе и облегчает проникновение НК бактериофага внутрь бактериальной клетки.
- АТФаза. Встроен в структуру бактериофага и некоторых вирусов человека и животных клеточного происхождения. Функции изучены на примере бактериофагов, с помощью АТФазы происходит гидролиз АТФ, которые интеркалированы в структуру вируса и имеют клеточное происхождение, выделяющаяся энергия расходуется сокращение хвостового отростка, это облегчает транспортировку НК внутрь бактериальной клетки.

Нуклеиновые кислоты (НК)
Молекулярная масса вирусной ДНК колеблется 106-108 Д, а РНК - меньше 106-107 Д.
НК вирусов в 10 раз меньше, чем НК самых мелких клеток.
Количество нуклеотидов в ДНК варьирует от нескольких тысяч до 250 тысяч нуклеотидов. 1 ген - 1000 нуклеотидов, это означает, что в структуре вирусов встречается от 10 до 250 генов.
В состав НК наряду с пятью азотистыми основаниями, имеют место и аномальные основания - основания, которые полностью способны замещать стандартные: 5-оксиметилцитозин - полностью замещает цитозин, 5-оксиметилурацил − замещает тимин.
Аномальные основания встречаются только у бактериофагов, у остальных - классические основания.
Функции аномальных оснований: блокируют клеточную ДНК, не дают возможность реализовать информацию заложенную в ДНК, в момент, когда вирусная частица попадает в клетку.
Помимо аномальных, обнаружены и минорные основания: малое количество 5-метилцитозина, 6-метиламино пурин.
У некоторых вирусов могут встречаться метилированые производные цитозина и аденина.
НК вирусов как РНК, так и ДНК, могут встречаться в двух видах:
- в виде кольцевых цепей;
- в виде линейных молекул.

Кольцевые цепи имеют две формы:
- ковалентно-замкнутые цепи (не имеют 3’ - 5’ свободных концов, на них не действуют экзонуклеазы);
- релаксированая форма, когда одна цепь ковалентно замкнутая, а вторая имеет один или несколько разрывов в своей структуре.
Линейные молекулы делятся на две группы:
- линейная структура с фиксированной последовательностью нуклеотидов (начинается всегда одним нуклеотидам);
- линейная структура с пермитированной последовательностью (определенный набор нуклеотидов, но последовательность разлмчная).
В структуре РНК встречаются одноцепочечные +РНК и −РНК цепи.
+РНК - с одной стороны хранитель генетической информации, а с другой стороны - выполнять функцию иРНК и узнается рибосомами клетки как иРНК.
−РНК − выполняют только функцию хранителя генетической информации, а иРНК синтезируется на её основе.

Зольный компонент
В вирусных частицах встречаются катионы металлов: калия, натрия, кальция, мангана, магния, железа, меди, и их содержанием может достигать несколько мг на 1 г вирусной массы.
Функции Ме2+: играют важную роль в стабилизации вирусной НК, формируют упорядоченную четвертичную структуру вирусной частицы. Состав металлов непостоянный и определяется составом окружающей среды. У некоторых вирусов имеются поликатионы связанные с полиаминами, которые играют огромную роль в физической стабильности вирусных частиц. Также ионы металлов обеспечивают нейтрализацию отрицательного заряда НК, которые формируют фосфорно-кислые (фосфатные группы) НК.