Вирустар геномының құрылысы және көбеюі

1892 ж. орыс ботанигі Д. И. Ивановский мозаикалы ауруға шалдыққан темекілерден инфекциялық экстракты бөліп оларды бактериялар өте алмайтын сүзгіден өткізгенде экстракт өзінің инфекциялық күшін сақтап қалатынын тапты. 1898 ж. Голландия ғалымы Бейеринк сүзгіден өтіп кететін инфекциялық бастамаға «вирус» (латын сөзі-«у» дегенді білдіреді) жаңа атауын ойлап шығарды. Барлық вирустар өзінің иелерінде паразиттік тіршілік өтеді. Осыған байланысты оларды үш тошқа бөлуге бола¬ды: бактериялар (бактериофагтар), өсімдіктер (фитопа-тогенді) және жануарлар (патогенді) вирустары. Вирустар клеткаға енуге қабілетті және сонда ғана көбейетін, ұйымдастырылу деңгейі клеткаға дейінгі тірі элементтер ретінде қарастырылады. Демек, вирустар облигатты клетка ішілік паразиттерге жатады. Алайда вирустар басқа клетка ішілік паразиттерге (мысалы, бактерияларға) қарағанда, олар генетикалык, деңгейде ғана паразит болып са¬налады. Вирустар — өте үсақ тірі организмдер, олардың мөлшері 20-30 нм. аралығында өзгереді. Оларды жарық микроскопы көмегімен көру мүмкін емес. Вирустар кристалдана алуы мүмкін және өзінің метаболизмін іске асыра алмаса да, олар тірі организмдер қатарына енеді, өйткені бөтен клеткада көбеюге қабілеттілігі бар. Вирустардың құрылысы бактериялардан да қарапай-ым. 1935 ж. В. Стенли вирустардың құрамына нуклеин қышқылдары және белоктар кіретінін көрсетті, яғни вирустар жоғары организмдердің (прокариоттар мен эукариоттардың) хромосомасын құрайтын заттардан құралған. Кейбір вирустарда (негізінен өсімдік) рибонуклеин қышқылы (РНҚ), ал басқаларында (оның ішіңде жануарлар мен бактериялардың көптеген вирустары) дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) бар. Вирустардың нуклеин қышқылдары жалғыз немесе қос тізбекті, түзу немесе сақиналы болуы мүмкін. Вирустың нуклеин қышқылдарының молекулалык, массасы үлкен ауқымда ауытқиды: ДНҢ-1,5-106-1,6-108, РНҚ-1,6-106-9-106 Д. ДНҚ немесе РНҚ вирустың өзекшесін құрайды, ал өзекше кансид деп аталатын белокты қабықпен қапталған. Толық қалыптасқан инфекциялық бөлік вирон деп аталады. Көптеген вирус топтарында капсид иесінің плазмалық мембранасынан түзілетін липидті қабықпен қоршалған. Басқа барлың тірі организмдермен салыстырғанда вирустардың клеткалық құрылысы жоқ. Генетикалық зерттеулерде бактериофаг немесе фаг деп аталатын бактерия вирустары жиі қолданылады. Бак-териофагтардың тез көбеюі тәулігінде бірінің артынан бірі екі ұрпаққа будандастыру жүргізуге мүмкіндік бе-реді. Дрозофилада мұндай будандастыру 3,5 аптаны, жүгеріде — ең аз дегенде бір жылды керек етеді. Бұдан басқа, бірнеше ғана миллилитр культура сүйықтығындағы фаг популяциясының қисансыз саны өте сирек генетикалык, құбылыстарды бақылауға мүмкіндік туғызады. Көптеген бактериофагтардың бактериялармен салыстырғандағы геномының аз мөлшері фагтың барлық гендерін немесе олардың басым көпшілігін анықтауға және геномның жалпы генетикалық ұйымдастырылуы мен реттелуін толык, зерттеуге мүмкіндік береді. Лямбда (Я) фагтың геномы 60-тан аз, фаг —срХ 174 геномы 9 геннен ғана құралған болса, ал Е. Соіі геномы бірнеше мың гендерден тұрадьі. Ірі бактериофагтар —Т2, Т4— қос тізбекті ДНҚ-дан күралған және оңда 100 мыңдай гендер орналасады. Лям¬бда фагтың ДНҚ молекуласы 49 мың н. ж., ал Т — жұп фаг ДНҢ-Сы 182 мың н.ж. құралған. Әдеттегі фаг бас бөлігі мен құйрық өсіндісінен тұрады. Фагтың басында ДНҚ (немесе РНҚ) жиналады. Басты және құйрық өсінділерін белокты қабық қоршайды. Құйрық өсінділерінің ұшында фагтың бактерия қабығына бекінуін оңайлататын ерекше жіпшелері бар, олар базальды пластинкадан шығады. Бактериялармен өзара әрекеттесу сипатына байланысты бактериофагтар вирулентті және орташа болын екіге бөлінеді. Вирулентті фагтар әр уақытта бактерияларды лизиске (ерітіп жіберуге) апарады, Вирулентті бактериофагтардың әдеттегі иесі — Escherichia coli, оның клеткалары фагтың жеті штаммасымен Ті-^Tz лизиске ұшырайды. Алдымен, фаг бактерияға жақындап, құйрық жіпшелерінің рецеиторлы бөлігімен бактерия клет-касының бетімен байланысады. Онан соң базальды плас¬тинкадан бөлінетін фермент лизоцимнінің әсерінен бактерия қабығы ериді. Ары қарай құйрық өсінділерінің жиырылуының арқасында фагтың нуклеин қышқылы бактериялық клетканың ішіне енеді. Фагтың ДНҚ-сы иесінің белок синтездеу аппаратын (рибосомалар т. б.) пайдаланып, ферменттер (фаг ДИҒ^-сы синтезделуі қажет) синтезіп коделейді. Фаг әртүрлі әдістер арқылы иесінің ДНҚ-сын инактивациялайды, ал фагтың ферменттері оны түгелімен ыдыратып жібереді, сөйтіп фагтың ДНҚ-сы клеткалық аппаратты өз бақылауына алады. Бұдан кейін фаг ДНҚ-сы репликацияланып (синтезделіп), белокты қабықтың және лизоцимнің синтезделуін коделейді. Вирулентті фагтың тіршілік циклінің соңғы сатысында жетілген фаг қалыптасуы өтеді: фаг ДНҚ-сы мен белокты капсид бір жақты бірігеді. Мұнан кейін бактериялық клетка лизоцимінің әсерінен жарылады. Лизис нәтижесінде бактерия клеткасынан 200—1000 жаңа фагтар босап шығып, басқа бактериялық клеткалардың инфекциясы қайтадан басталады. Бактериофагтың клеткаға бекініп, оны_ ұшырауына дейінгі уақыт латентті кезең деп аталады. Цл шамамен жарты сағат уақытка созылады. Кейбір фагтар иесінің клеткасы ішіне енгеннен кейін репликацияланбайды, оның орнына олардың нуклеин қышқылы иесінің ДНҚ-сымен байланысады. Осында фаг ДНҚ-сы бірнеше үрпақтар кезеңінде иесінің ДНҚ-сымен бірге репликацияланады, бірақ клетканы лизиске түсірмеііді. Осыңдай фагтар орташа фаг деп аталады, ал мұндай фагтары бар бактериялар лизогенді деп саналады. Бактерия лизиске ұшырауы мүмкін, бірақ ол фагтың активтілігі басталғанша іске аспайды деп түсіну керек. Активтілігі жоқ фаг профаг немесе провирус деп аталады. Бактерия ДНҚ-сы мен профагтың бірігіп тіршілік ету процесі лизогения деп аталады. Лямбда фаг орташа фаг қатарына жатады. Оның геномы қос тізбекті ДНҚ-дан құралған. Фаг ДНҚ молекуласы формасы түзу, оның ұштары комплементарлы (жабысқақ). Бактерия клеткасына енген Я фагтың ДНҚ-сы тұйықталады да, өз көшірмелерін синтездейді. Лямбда фагтың геномын екі типке бөлуге болады: маңызды және маңызды емес. Біріншісіне фагтың лизистік дамуын және көбеюін коделейтін құрылымдық гендер жатса, екіншісіне реттеуші, интеграциялық және т. б. ге.ндер жатады. Лямбда фагтың осы ерекшеліктері ген инженериясында рекомбинантты молекулалар — векторларды құрастыруда қолданылады. Бұл фагтың негізінде бірнеше ген — тасығыш құрылымдар құрастырылған. ДНҚ және РНҚ-сы бар вирустар тіршілік циклдері бойынша соншалықты айырмашылығы болмайды. Ең бастысы екіншісінде ДНҚ-ның транскрипция сатысы өтпей-ді, яғни онда РНҚ молекуласы синтезделмейді. РНҚ-сы бар вирустарды генетикалық информациясы РНҚ-да коделенген, РНҚ бір немесе екі тізбекті болуы мүмкін, ал оның иесі — клетка-прокариоттық (бактерия) немесе эукариоттық (жануар не өсімдік). Бактерияларға тек жалгыз тізбекті фагтар ғана енеді. Ал, жануарлар мен өсімдіктердің вирустары жалғыз не қос тізбекті болуы мүмкін. Жалғыз тізбекті РНҚ-лы вирустар екі типке бөлінеді: - «оң» тізбекті және «теріс» тізбекті. «Оң» тізбекті вирустар иесінің клеткасыңда кәдімгі иРНҚ сияқты қызметін жүргізеді, ал «теріс» тізбекті вирустар, алдымен клетканың РНҚ-полимеразасының көмегімен «оң» тізбек түзуі қажет. РНҚ-сы бар вирустардың бір тобы ретровирустар деп аталады, олардың генетикалық материалының құрылысы мен қызметінің өзіндік ерекшелігі бар. Ретровирустар табиғатта кең тараған, бұларға тауық пен тышқанда лейкозды және адамда ҢИЖС (орыс. СПИД — қабылданған иммуножетімсіздік синдромы) ауруын қоздыратын вирус-тар жатады. Ретровирустар тек жануарлар клеткасына ғана жүға алады. Олардың қүрылысының басқа РНҚ-лы вирустардан айырмашылығы мынада: қос «оң» тізбектерден күралған диплоидты геномы бар. 1970 ж. АБШ ғалымдары Г.Темин және Д. Балтомир бір-біріне тәуелсіз таң каларлық жаңалық — кері транскрипция процесін ашты: ретровирустардан бөлінген ерекше ферменттің әсері арқылы матрицалық РНҚ-ның негізінде ДНҚ молекуласы синтезделе алуы мүмкін. Фермент кері транскриптаза (кейде, ревертаза) деп аталды. Бүл ферменттің әсерінен клеткаға енген «оң» тізбекті РНҚ-дан «теріс» тізбекті ДНҚ синтезделеді, ары қарай РНҚ/ ДНҚ — гибридтік тізбек ыдырап, «теріс» ДНҚ матрйцасынан ДНҚ-ның «оң» тізбегі түзіледі. Пайда болған қос тізбекті ДНҚ клетканың ДНҚ-сымен байланысқа түседі.