Войти
Гамма-фаг, пример вируса Вирусология - это исследование вирусов - под микроскопом, паразитические частицы генетического материала, содержащиеся в белковой оболочке, и вирусоподобные агенты. Основное внимание уделяется следующим аспектам вирусов: их структуре, классификации и эволюции, их способам заражения и эксплуатации клеток-хозяев для размножения, их взаимодействию с физиологией и иммунитетом организма-хозяина, заболеваниям. они вызывают, методы их изоляции и культивирования, а также их использование в исследованиях и терапии. Вирусология - это подраздел микробиологии.
Основные Раздел вирусологии - классификация вирусов. Вирусы можно классифицировать в соответствии с клеткой-хозяином, которую они заражают: вирусы животных, вирусы растений, грибковые вирусы и бактериофаги (вирусы, заражающие бактерии, к которым относятся самые сложные вирусы). Другая классификация использует геометрическую форму их капсида (часто спираль или икосаэдр ) или структуру вируса (например, наличие или отсутствие липида конверт ). Вирусы имеют размер от примерно 30 нм до примерно 450 нм, что означает, что большинство из них невозможно увидеть с помощью световых микроскопов. Форма и структура вирусов изучалась с помощью электронной микроскопии, ЯМР-спектроскопии и рентгеновской кристаллографии.
. Самая полезная и наиболее широко используемая система классификации различает вирусы. в соответствии с типом нуклеиновой кислоты, которую они используют в качестве генетического материала, и методом вирусной репликации, который они применяют, чтобы заставить клетки-хозяева производить больше вирусов:
Вирусологи также изучают субвирусные частицы, инфекционные образования, значительно меньшие и более простые, чем вирусы. ses:
Таксоны в вирусологии не обязательно монофилетический, поскольку эволюционные отношения различных групп вирусов остаются неясными. Существуют три гипотезы относительно их происхождения:
Особый интерес здесь представляет мимивирус, гигантский вирус, который инфицирует амебы и кодирует большую часть молекулярных механизмов, традиционно связанных с бактериями. Есть две возможности: это упрощенная версия паразитического прокариота или он возник как более простой вирус, который приобрел гены от своего хозяина.
Эволюция вирусов, которая часто происходит вместе с эволюцией их хозяев, изучается в области вирусной эволюции.
Пока вирусы воспроизводятся и развиваются, они не участвуют в метаболизм, не перемещаются и зависят от клетки-хозяина для размножения. Часто обсуждаемый вопрос о том, живы они или нет, - это вопрос определения, который не влияет на биологическую реальность вирусов.
Одной из основных причин изучения вирусов является тот факт, что они вызывают многие важные инфекционные заболевания, в том числе простуду, грипп, бешенство, корь, многие формы диареи, гепатит, лихорадка денге, желтая лихорадка, полиомиелит, оспа и СПИД. Herpes simplex вызывает герпес и генитальный герпес и находится под исследование как возможный фактор болезни Альцгеймера.
Некоторые вирусы, известные как онковирусы, способствуют развитию определенных форм рака. Наиболее изученным примером является связь между вирусом папилломы человека и раком шейки матки : почти все случаи рака шейки матки вызваны определенными штаммами этого вируса, передающегося половым путем. Другой пример - связь инфекции с вирусами гепатита B и гепатита C и раком печени.
Некоторые субвирусные частицы также вызывают заболевание: трансмиссивные губчатые энцефалопатии, к которым относятся Куру, болезнь Крейтцфельдта – Якоба и губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота («коровье бешенство»), вызываются прионами, гепатитом D возникает из-за сателлитного вируса.
. Изучение того, каким образом вирусы вызывают заболевание, - это вирусный патогенез. Степень, в которой вирус вызывает заболевание, определяется его вирулентностью.
. Когда иммунная система позвоночного сталкивается с вирусом, оно может продуцировать специфические антитела которые связываются с вирусом и нейтрализуют его инфекционность или помечают его для уничтожения. Наличие антител в сыворотке крови часто используется для определения того, подвергался ли человек воздействию данного вируса в прошлом, с помощью таких тестов, как ELISA. Прививки защищают от вирусных заболеваний, отчасти за счет выработки антител. Моноклональные антитела, специфичные к вирусу, также используются для обнаружения, как в флуоресцентной микроскопии.
Вторая защита позвоночных животных от вирусов, клеточно-опосредованный иммунитет, включает иммунные клетки, известные как Т-клетки : клетки организма постоянно демонстрируют короткие фрагменты своих белков на поверхности клетки, и если Т-клетка распознает там подозрительный вирусный фрагмент, клетка-хозяин оказывается разрушаются, и вирус-специфические Т-клетки пролиферируют. Этот механизм запускается некоторыми прививками.
РНК-интерференция, важный клеточный механизм, обнаруживаемый у растений, животных и многих других эукариот, скорее всего, возник как защита от вирусов. Сложный механизм взаимодействующих ферментов обнаруживает молекулы двухцепочечной РНК (которые входят в жизненный цикл многих вирусов), а затем приступает к уничтожению всех одноцепочечных версий обнаруженных молекул РНК.
Каждое смертельное вирусное заболевание представляет собой парадокс: убийство носителя, очевидно, не приносит вирусу никакой пользы, так как и почему он эволюционировал для этого? Сегодня считается, что большинство вирусов относительно безобидны в своих естественных хозяевах; некоторые вирусные инфекции могут быть даже полезны для хозяина. Считается, что смертельные вирусные заболевания возникли в результате "случайного" перехода вируса от вида, у которого он доброкачественный, к новому, не привыкшему к нему (см. зооноз ). Например, вирусы, вызывающие серьезный грипп у людей, вероятно, имеют свиней или птиц в качестве естественных хозяев, а ВИЧ, как полагают, происходит от доброкачественного вируса приматов, не относящегося к человеку, SIV.
. было возможно предотвратить (некоторые) вирусные заболевания с помощью вакцинации в течение длительного времени, разработка противовирусных препаратов для лечения вирусных заболеваний является сравнительно недавней разработкой. Первым таким лекарством был интерферон, вещество, которое вырабатывается естественным путем при обнаружении инфекции и стимулирует другие части иммунной системы.
Бактериофаги, вирусы, заражающие бактерии, можно относительно легко выращивать в виде вирусных бляшек на бактериальные культуры. Бактериофаги иногда перемещают генетический материал от одной бактериальной клетки к другой в процессе, известном как трансдукция, и этот горизонтальный перенос генов является одной из причин, по которой они служили основным инструментом исследований на ранней стадии разработки. молекулярной биологии. генетический код, функция рибозимов, первая рекомбинантная ДНК и ранние генетические библиотеки - все они были получены с использованием бактериофагов. Некоторые генетические элементы, полученные из вирусов, такие как высокоэффективные промоторы, сегодня широко используются в исследованиях молекулярной биологии.
Выращивать вирусы животных вне живого животного-хозяина труднее. Традиционно часто использовались оплодотворенные куриные яйца, но сегодня для этой цели все чаще используются культуры клеток.
Поскольку некоторые вирусы, заражающие эукариот, нуждаются в переносе своего генетического материала в ядро клетки-хозяина, они являются привлекательными инструментами для введения новых генов в хозяина (известные как трансформация или трансфекция ). Для этой цели часто используются модифицированные ретровирусы, поскольку они интегрируют свои гены в хромосомы.
хозяина. Такой подход к использованию вирусов в качестве генных векторов применяется в генной терапии генетических заболеваний. Очевидная проблема, которую необходимо преодолеть при вирусной генной терапии, - это отторжение трансформирующего вируса иммунной системой.
Фаговая терапия, использование бактериофагов для борьбы с бактериальными заболеваниями, была популярной темой исследований до появления антибиотиков и недавно вызвала новый интерес.
Онколитические вирусы представляют собой вирусы, которые предпочтительно инфицируют раковые клетки. Хотя ранние попытки использовать эти вирусы для лечения рака не увенчались успехом, в 2005 и 2006 годах были сообщения об обнадеживающих предварительных результатах.
Поскольку большинство вирусов слишком малы, чтобы их можно было использовать. секвенирование с помощью светового микроскопа является одним из основных инструментов вирусологии для идентификации и изучения вируса. Традиционное секвенирование по Сэнгеру и секвенирование нового поколения (NGS) используются для секвенирования вирусов в фундаментальных и клинических исследованиях, а также для диагностики возникающих вирусных инфекций, молекулярной эпидемиологии вирусных патогенов и тестирования лекарственной устойчивости. В GenBank более 2,3 миллиона уникальных вирусных последовательностей. В последнее время NGS превзошел традиционный метод Сэнгера как наиболее популярный подход для создания вирусных геномов.
Недавно появилось новое применение генно-инженерных вирусов в нанотехнологии. описано; см. использование вирусов в материаловедении и нанотехнологиях. Для использования в картировании нейронов см. применение псевдобешенства в нейробиологии.
Адольф Майер в 1875 году 
Дмитрий Ивановский, ок. 1915 
Мартинус Бейеринк в своей лаборатории в 1921 году. Слово «вирус» появилось в 1599 году и первоначально означало «яд».
Очень ранняя форма вакцинации, известная как вариоляция был разработан несколько тысяч лет назад в Китае. Он включал использование материалов от больных оспой с целью иммунизации других. В 1717 г. леди Мэри Уортли Монтегю наблюдала эту практику в Стамбуле и пыталась популяризировать ее в Великобритании, но встретила значительное сопротивление. В 1796 году Эдвард Дженнер разработал гораздо более безопасный метод, используя коровью оспу для успешной иммунизации мальчика против оспы, и эта практика получила широкое распространение. Затем последовали вакцинации против других вирусных заболеваний, включая успешную вакцинацию против бешенства, осуществленную Луи Пастером в 1886 году. Однако природа вирусов не была ясна этим исследователям.
В 1892 году русский биолог Дмитрий Ивановский использовал фильтр Чемберленда, чтобы попытаться изолировать бактерии, вызывающие болезнь табачной мозаики. Его эксперименты показали, что экстракты измельченных листьев инфицированных растений табака после фильтрации оставались заразными. Ивановский сообщил, что крохотный инфекционный агент или токсин, способный проходить через фильтр, может вырабатываться бактерией.
В 1898 г. Мартинус Бейеринк повторил работу Ивановского, но пошел далее и передавал «фильтруемый агент» от растения к растению, обнаружил, что его действие не уменьшилось, и пришел к выводу, что он является инфекционным - реплицируется в хозяине - и, таким образом, не является простым токсином. Он назвал это contagium vivum fluidum. Однако вопрос о том, был ли агент «живой жидкостью» или частицей, оставался открытым.
В 1903 году было впервые предположено, что трансдукция вирусами может вызывать рак. В 1908 году Банг и Эллерман показали, что фильтруемый вирус может передавать куриный лейкоз, данные в значительной степени игнорировались до 1930-х годов, когда лейкоз стал считаться злокачественным. В 1911 г. Пейтон Роус сообщил о передаче вируса саркомы цыпленка , солидной опухоли, и таким образом Раус стал «отцом вирусологии опухолей». Позднее вирус был назван вирусом саркомы Рауса 1 и, как предполагалось, был ретровирусом. С тех пор было описано несколько других ретровирусов, вызывающих рак.
Существование вирусов, поражающих бактерии (бактериофагов ), было впервые обнаружено Фредериком Творт в 1911 году и, независимо, Феликсом д'Эреллем в 1917 году. Поскольку бактерии можно было легко выращивать в культуре, это привело к взрыву вирусологических исследований.
Первоначально причина разрушительной пандемии испанского гриппа 1918 года была неясна. В конце 1918 года французские ученые показали, что «вирус, проходящий через фильтр» может передавать болезнь людям и животным, выполнив постулаты Коха.
. В 1926 году было показано, что скарлатина вызывается бактерия, зараженная определенным бактериофагом.
В то время как вирусы растений и бактериофаги можно выращивать сравнительно легко, вирусам животных обычно требуется живое животное-хозяин, что чрезвычайно усложняет их изучение. В 1931 году было показано, что вирус гриппа можно выращивать в оплодотворенных куриных яйцах, и этот метод до сих пор используется для производства вакцин. В 1937 г. Макс Тейлер сумел вырастить вирус желтой лихорадки в куриных яйцах и создал вакцину из ослабленного штамма вируса; эта вакцина спасла миллионы жизней и используется до сих пор.
Макс Дельбрюк, важный исследователь в области бактериофагов, описал основной «жизненный цикл» вируса в 1937 году: вместо «роста» вирусная частица собирается из составляющих его частей за один шаг; в конечном итоге он покидает хозяйскую клетку, чтобы заразить другие клетки. Эксперимент Херши-Чейза в 1952 году показал, что только ДНК, а не белок, попадает в бактериальную клетку при заражении бактериофагом Т2. Трансдукция бактерий бактериофагами была впервые описана в том же году.
В 1949 году Джон Ф. Эндерс, Томас Веллер и Фредерик Роббинс сообщили о росте полиовируса в культивируемых людях эмбриональные клетки, первый значимый пример животного вируса, выращенного вне животных или куриных яиц. Эта работа помогла Джонасу Солку получить вакцину против полиомиелита из деактивированных вирусов полиомиелита; эффективность этой вакцины была подтверждена в 1955 году.
Первым вирусом, который удалось кристаллизовать и структура которого, таким образом, могла быть выяснена подробно, был вирус табачной мозаики (TMV), вирус, который ранее был изучен Ивановским и Бейеринком. В 1935 г. добился его кристаллизации для электронной микроскопии и показал, что он остается активным даже после кристаллизации. Четкие рентгеновские дифракционные изображения кристаллизованного вируса были получены Берналом и Фанкученом в 1941 году. На основе этих изображений Розалинд Франклин предложила полную структуру вируса табачной мозаики в 1955 году. Также в 1955 году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс показали, что очищенная ВТМ РНК и ее капсидный (покровный) белок могут само- собираются в функциональные вирионы, предполагая, что этот механизм сборки также используется в клетке-хозяине, как ранее предположил Дельбрюк.
В 1963 году вирус гепатита B был обнаружен Барухом Блумбергом, который разработал вакцину против гепатита B.
В 1965 г. Ховард Темин описал первый ретровирус : вирус, геном РНК которого подвергался обратной транскрипции в комплементарную ДНК (кДНК), затем интегрируется в геном хозяина и экспрессируется из этого шаблона. Вирусный фермент обратная транскриптаза, который наряду с интегразой является отличительной чертой ретровирусов, был впервые описан в 1970 году независимо Ховардом Темином и Дэвидом Балтимором. Первый ретровирус, заражающий людей, был идентифицирован Робертом Галло в 1974 году. Позже было обнаружено, что обратная транскриптаза не специфична для ретровирусов; ретротранспозоны, кодирующие обратную транскриптазу, широко распространены в геномах всех эукариот. Около 10–40% генома человека происходит от таких ретротранспозонов.
В 1975 году значительно прояснилось функционирование онковирусов. До этого времени считалось, что эти вирусы несут определенные гены, называемые онкогенами, которые при вставке в геном хозяина могут вызывать рак. Майкл Бишоп и Гарольд Вармус показали, что онкоген вируса саркомы Рауса на самом деле не специфичен для вируса, но содержится в геноме здоровых животных многих виды. Онковирус может включить этот уже существующий доброкачественный протоонкоген, превратив его в настоящий онкоген, вызывающий рак.
В 1976 году произошла первая зарегистрированная вспышка болезни, вызванной вирусом Эбола,, смертельного заболевания, передаваемого вирусами.
В 1977 году Фредерик Сэнджер впервые выполнил полное секвенирование генома любого организма, бактериофага Phi X 174. В том же году Ричард Робертс и Филип Шарп независимо друг от друга показали, что гены аденовируса содержат интроны и, следовательно, требуют ген . сращивание. Позже выяснилось, что почти все гены эукариот также имеют интроны.
Всемирная кампания вакцинации, проводимая ООН Всемирной организацией здравоохранения, привела к искоренению оспы в 1979 году.
В 1982 году Стэнли Прусинер обнаружил прионы и показал, что они вызывают скрейпи.
Первые случаи СПИДа были зарегистрированы в 1981 году, а ВИЧ, вызвавший его ретровирус, был идентифицирован в 1983 году Люком Монтанье, Франсуазой Барре-Синусси и Робертом Галло. Разработаны тесты для выявления ВИЧ-инфекции путем определения наличия антител к ВИЧ. Последующие огромные исследовательские усилия превратили ВИЧ в наиболее изученный вирус. Вирус герпеса человека 8, причина саркомы Капоши, которая часто встречается у больных СПИДом, был выявлен в 1994 году. Несколько антиретровирусных препаратов были разработаны в конце 1990-х годов., резко снижая смертность от СПИДа в развитых странах. Существующее лечение ВИЧ включает в себя множество различных препаратов, которые в совокупности называются высокоактивной антиретровирусной терапией (ВААРТ). ВААРТ атакует множество различных аспектов вируса ВИЧ, эффективно снижая его эффекты ниже предела обнаружения. Однако после прекращения приема ВААРТ ВИЧ выздоровеет. Это связано с тем, что ВААРТ не атакует латентно инфицированные клетки ВИЧ, которые могут реактивироваться.
Вирус гепатита C был идентифицирован с использованием новых методов молекулярного клонирования в 1987 году, что привело к скрининговые тесты, которые резко снизили частоту пост- трансфузий гепатита.
Первые попытки генной терапии с использованием вирусных векторов начались в начале 1980-х, когда были разработаны ретровирусы, которые может вставить чужеродный ген в геном хозяина. Они содержат чужеродный ген, но не содержат вирусного генома и поэтому не могут воспроизводиться. За испытаниями на мышах последовали испытания на людях, начиная с 1989 года. Первые исследования на людях пытались исправить генетическое заболевание тяжелый комбинированный иммунодефицит (SCID), но клинический успех был ограничен. В период с 1990 по 1995 год генная терапия была опробована на нескольких других заболеваниях и с различными вирусными векторами, но стало ясно, что первоначально высокие ожидания были завышены. В 1999 году произошла еще одна неудача, когда 18-летний Джесси Гелсингер умер во время испытания генной терапии. У него был тяжелый иммунный ответ после получения вектора аденовируса. В 2000 г. сообщалось об успехе генной терапии двух случаев Х-сцепленного SCID.
В 2002 г. сообщалось, что полиовирус был синтезирован в лаборатории., представляющий первый синтетический организм. Сборка генома на основе 7741 с нуля, начиная с опубликованной последовательности РНК вируса, заняла около двух лет. В 2003 году был показан более быстрый метод сборки 5386-базового генома бактериофага Phi X 174 за две недели.
Гигантский мимивирус, в некотором смысле промежуточный между крошечными прокариотами и обычными вирусами, был описан в 2003 году и секвенирован в 2004 году.
штамм вируса гриппа A подтипа H1N1, который убил до 50 миллионов человек во время пандемии испанского гриппа в 1918 году, был реконструирован в 2005 году. Информация о последовательности была собрана по кусочкам из сохраненных образцов тканей жертв гриппа ; Затем из этой последовательности был синтезирован жизнеспособный вирус. Пандемия гриппа 2009 г. затронула другой штамм гриппа A H1N1, широко известный как «свиной грипп».
К 1985 году Харальд цур Хаузен показал, что два штамма вируса папилломы человека (HPV) вызывают большинство случаев рака шейки матки. В 2006 году были выпущены две вакцины, защищающие от этих штаммов.
В 2006 и 2007 годах сообщалось, что введение небольшого количества специфических генов фактора транскрипции в нормальные клетки кожи мышей или людей может превратить из этих клеток в плюрипотентные стволовые клетки, известные как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. В методе используются модифицированные ретровирусы для трансформации клеток; это потенциальная проблема для лечения человека, поскольку эти вирусы интегрируют свои гены в случайном месте в геноме хозяина, что может прерывать работу других генов и потенциально вызывать рак.
В 2008 г. вирофаг Sputnik был описан первый известный вирофаг: он использует механизмы вспомогательного вируса для воспроизведения и подавления размножения этого вспомогательного вируса. Sputnik воспроизводится в амебе, инфицированной мамавирусом, родственником упомянутого выше мимивируса и крупнейшим известным вирусом на сегодняшний день.
эндогенный ретровирус (ERV) является вирусным элемент в геноме, который был получен из ретровируса, геном которого был включен в геном зародышевой линии некоторого организма и, следовательно, копируется при каждом воспроизведении этого организма. Подсчитано, что около 9 процентов генома человека происходит от ERV. В 2015 году было показано, что белки ERV активно экспрессируются в 3-дневных эмбрионах человека и, по-видимому, играют роль в эмбриональном развитии и защищают эмбрионы от заражения другими вирусами.
С момента изобретения Орган-на-чипе в 2010-х годах инженерный подход нашел применение при изучении многих заболеваний. Этот подход также был применен в вирусологии, и разрабатываются модели чипов. Примеры включают изобретение модели гриппа группой Дональда Э. Ингбера, изобретение модели болезни, вызванной вирусом Эбола, группой Алиреза Машаги и изобретение модели вирусного гепатита группой Маркуса Дорнера. Подход с использованием органных чипов, вероятно, заменит животные модели в вирусологии человека.
Портал вирусов 