2 днДНК, раннюю транскрипцию которой осуществляют вирусные полимеразы, входящие в состав вириона. Поздние гены транскрибируются вновь синтезированными вирусными полимеразами, детерминированными геномом вируса (поксвирусы, фаг N4).
3 онДНК, которая прежде чем транскрибироваться должна перейти в двухнитевую форму (парвовирусы, включая дефектные вирусы, требующие для размножения наличия вируса-помощника).
4 Кольцевая частично двухнитевая днДНК (вирус гепатита B, вирус мозаики цветной капусты). Прежде чем транскрибироваться, ДНК проходит стадию репарации.
3.7.2.4 Регуляция транскрипции
В вирусных и клеточных системах молекулярные механизмы транскрипции принципиально сходны. Отличие заключается в существовании различных способов регуляции транскрипции вирусных геномов. Необходимость такой регуляции определяется разной потребностью в вирусоспецифических белках. Структурные белки, как правило, требуются в больших количествах, чем белки-ферменты. Кроме того, на ранних стадиях инфекции нужны белки, обеспечивающие репликацию вирусного генома, а на поздних структурные белки. Поэтому целесообразно, чтобы разные вирусные гены считывались с разной эффективностью, и эта эффективность менялась во времени.
Процесс транскрипции регулируется на уровне транскриптона (оперона) за счет работы репрессоров и активаторов белковой природы и энхансеров (усилителей), которые представляют собой определенные короткие последовательности геномной нуклеиновой кислоты. Транскрипция регулируется количественно и качественно и осуществляется как клеточными, так и вирус-специфическими механизмами.
У вирусов установлено существование целого ряда способов регуляции транскрипции.
Временной тип регуляции. У ДНК-содержащих вирусов существует три периода транскрипции: сверхранний, ранний и поздний. При сверхранней и ранней транскрипции считываются сверхранние и ранние гены, при поздней поздние гены. Количество транскриптов поздних генов превышает количество ранних. Многие сверхранние мРНК являются генами NS белков-ферментов и регуляторов транскрипции и репликации. Поздние мРНК являются генами структурных белков. Фактором регуляции транскрипции у ядерных вирусов является транспорт мРНК в цитоплазму.
Каскадный тип регуляции транскрипции генов. Суть такой регуляции заключается в том, что продукты сверхранней транскрипции, например, α-белки, необходимы для транскрипции другой группы генов, кодирующих β-белки, которые, в свою очередь, включают транскрипцию следующей группы генов γ-белков.
Полярный тип регуляции определяется порядком расположения генов в геноме. Количество синтезируемых молекул полипептида зависит от расстояния между геном и промотором. Вдоль генома (-)РНК вирусов существует как бы градиент эффективности транскрипции. Чаще транскрибируются гены 3'-региона, реже гены 5'-конца.
Взаимное расположение и сила регуляторных сигналов. Считывание или несчитывание транскрибируемого участка матрицы зависит от свойств и расположения регуляторных сигналов промоторов (обеспечивают начало транскрипции) и терминаторов (обеспечивают прекращение транскрипции). Основа регуляции взаимное расположение регуляторных сигналов и их сила. Активность сигналов может меняться во времени.
Характер образования транскриптов и способ регуляции зависят от того, имеем ли мы дело с вирусами прокариот или эукариот. Напомним, что в клетках прокариот возможна множественная инициация трансляции на полицистронной матрице, тогда как в клетках эукариот на РНК реализуется только одна точка инициации трансляции и эта мРНК функционально моноцистронна. Ограничения, накладываемые клеткой хозяина, в первую очередь сказываются на механизмах транскрипции и посттранскрипционного созревания мРНК. Приведем конкретные примеры способов регуляции транскрипции вирусных геномов в клетках прокариот и эукариот.
Характер образования транскриптов и способ регуляции зависят от того, имеем ли мы дело с вирусами прокариот или эукариот. Напомним, что в клетках прокариот возможна множественная инициация трансляции на полицистронной матрице, тогда как в клетках эукариот на РНК реализуется только одна точка инициации трансляции и эта мРНК функционально моноцистронна. Ограничения, накладываемые клеткой хозяина, в первую очередь сказываются на механизмах транскрипции и посттранскрипционного созревания мРНК. Приведем конкретные примеры способов регуляции транскрипции вирусных геномов в клетках прокариот и эукариот.
Самый простой способ регуляции транскрипции в клетках прокариот установлен у фагов 1М13 и fd, где разная степень экспрессии фаговых генов регулируется за счет расположения и силы промоторов. За счет наличия «сильных» промоторов активно транскрибируются гены, кодирующие основной структурный белок капсида и ДНК-связывающий белок. В то же время, геномная последовательность, кодирующая минорные вирусные белки, имеет промоторы, отнесенные к разряду «слабых».
Более сложная регуляция транскрипции генов наблюдается у фага λ, имеющего, как минимум, три типа регуляции транскрипции: 1) ретро-регуляция осуществляется при участии нуклеотидных последовательностей, расположенных за транскрибируемым геном. Этот участок комплементарен предшествующему участку гена и в образовавшемся транскрипте возникает внутримолекулярная двухнитевая структура, которая впоследствии разрушается РНКазой III; 2) аутогенная регуляция регуляция активности гена при помощи продукта этого же гена; 3) индукция профага наблюдается в результате инактивации репрессора.
Для бактериофагов показана реализация временного типа регуляции транскрипции, что связано с существованием ранних, средних и поздних генов и соответствующих им промоторов. Так, у фага Т4 структура ранних промоторов близка к таковой промоторов клетки хозяина и именно они сразу узнаются клеточной РНКполимеразой. Последующая активация средних генов связана с фагоспецифическим белком продуктом трансляции раннего гена. Система регуляции транскрипции генов фага Т4 включает еще один уникальный механизм ковалентную и нековалентную модификацию РНК-полимеразы, способствующую узнаванию ею поздних промоторов. Модифицированная РНК-полимераза перестает узнавать промоторы ранних генов.
Еще один способ временной регуляции наблюдается у фага Т7. Суть этого способа заключается в том, что одним из продуктов ранних генов, транскрибированных клеточной РНК-полимеразой, является фаговая РНК-полимераза, которая узнает уже другой набор промоторов и транскрибирует поздние гены.
Регуляция транскрипции вирусных геномов в эукариотических клетках осуществляется с помощью более сложных механизмов. Кроме промоторов и терминаторов транскрипционная система дополняется новыми регуляторными элементами энхансерами (усилители), а также и разнообразными способами процессинга первичных транскриптов. В данном разделе мы не станем останавливаться на конкретных способах регуляции транскрипции генов вирусов эукариот, которые, в общих чертах, сходны с перечисленными выше.
Как дополнение, рассмотрим процессинг первичных транскриптов на примере ядерного вируса эукариот аденовируса. Процессинг это посттранскрипционные изменения первичных транскриптов или созревание мРНК, включающее кэпирование 5'-конца, полиаденилирование 3'-конца и сплайсинг. У аденовируса лишь кэпирование идет эффективно на разных стадиях репродукции и происходит до завершения синтеза транскрипта. Большой вклад в регуляцию экспрессии аденовирусного генома вносит альтернативное полиаденилирование. Особенно наглядно это видно при образовании поздних мРНК. В первичном транскрипте поздней области генов есть 5 участков, несущих сигнал полиаденилирования (гексануклеотид AAUAAA). Полиаденилирование может произойти в любом участке и из первичного транскрипта может образоваться только одна из 5-ти возможных классов мРНК. От выбора того или иного участка полиаденилирования зависит относительная концентрация той или иной мРНК. Подавляющее большинство кэпированных и полиаденилированных транскриптов аденовирусного генома подвергается альтернативному сплайсингу удалению различных участков первичного транскрипта, что осуществляется при помощи клеточных механизмов. Наличие альтернативного сплайсинга и альтернативного полиаденилирования при процессинге первичных транскриптов вирусов эукариот определяется моноцистронностью эукариотических мРНК.
3.7.3 Трансляция
Трансляция синтез белка на матрице РНК. Вирусы не имеют своих белоксинтезирующих систем и используют трансляционный аппарат клетки-хозяина, подчиняясь ограничениям, накладываемым этим хозяином. Так, в клетках эукариот белоксинтезирующий аппарат не приспособлен для инициации трансляции на внутренних участках мРНК. В связи с этим вирусы вынуждены преодолевать ограничения, накладываемые клеткой-хозяином, что в разных вирусных системах решается по-разному. Рассмотрим все эти процессы подробнее.
Общие принципы трансляции мРНК вирусов. Молекулярные механизмы синтеза вирусных белков принципиально не отличаются от синтеза белков клетки хозяина и включают четыре стадии: инициацию, элонгацию, терминацию синтеза и посттрансляционную модификацию белков.
Первые стадии определяются особенностями белоксинтезирующих систем клеток эукариот, где, как правило, функционирует только один инициирующий кодон. Для того чтобы образовать несколько функционально-активных белков, вирусы эукариот вынуждены преодолевать ограничения, накладываемые клеткой хозяина. Это может происходить за счет сегментации генома или образования субгеномных мРНК. Основная стратегия, которую реализуют вирусы эукариот с (+)РНК геномом это синтез полипротеина, из которого путем ограниченного протеолиза образуются зрелые белки.
Нарезание полипротеинов-предшественников обеспечивают как вирусные, так и клеточные протеазы.
В зависимости от строения активного центра протеазы разделены на 4 класса сериновые, цистеиновые, аспарагиновые и цинксодержащие. Протеолиз полипротеина у тогавирусов и флавивирусов обеспечивают вирусоспецифические сериновые протеазы, у пикорнавирусов цистеиновая, у ретровирусов вирусная аспарагиновая и клеточная сериновая протеиназы. Протеолиз может протекать в ходе трансляции, то есть до завершения синтеза полипротеина (флавивирусы), или после завершения трансляции. Так, у пикорнавирусов протеолиз идет по каскадному механизму: сначала образуются крупные фрагменты полипептидной цепи, а затем они нарезаются на более мелкие полипептиды.
Синтезированные вирусные белки подвергаются различным посттрансляционным модификациям:
1 Гликозилирование является процессом созревания вирусных поверхностных гликопротеинов и осуществляется клеточными гликозилазами на мембранах ЭПР и аппарата Гольджи. Как правило, белки гликозилируются олигосахаридами маннозного типа, но в ряде случае процесс может идти дальше, и эти углеводные цепи замещаются на другие.