CC BY
11УДК 578.5
Салимжанова А.Ф., студент Горбунова В.Ю., д-р биол. наук, профессор ФГБОУВО БГПУ им. М.Акмуллы (Уфа, Россия)
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ РЕПЛИКАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЗИТИВНЫХ И НЕГАТИВНЫХ РНК-ВИРУСОВ И ДНК-
ВИРУСОВ
Аннотация. В статье ставится задача сопоставить различные стратегии организации вирусного генома, пути экспрессии вирусных генов и их репликацию. В результате анализа были выявлены отличия в протекании матричных процессов различных вирусов, а также описаны зависимости количества синтезированных вирионов от количества циклов репликации.
Ключевые слова: репликация вирусов, РНК-вирусы, ДНК-вирусы, позитивные РНК-вирусы, негативные РНК-вирусы, математические методы в биологии.
В настоящий момент времени возрастающий интерес к вирусам может быть обусловлен рядом причин. Во-первых, совместное пребывание человека и этих мельчайших объектов жизни на планете Земля продолжается уже несколько тысячелетий, а, следовательно, в течение всего этого периода людям приходилось сталкиваться с различными инфекционными заболеваниями, возбудителями которых являлись вирусы. Достаточно лишь вспомнить такие примеры как черная оспа, унесшая в свое время миллионы жизней, грипп, который до сих пор победить не удалось, или общепризнанное положение, что существуют вирусы, непосредственно вовлеченные в образование опухолей у растений и животных. Более того, огромная часть сельскохозяйственных ресурсов может быть истреблена вирусами растений, что влечет большие экономические потери. Вирусы также используются для решения многих фундаментальных вопросов биологии и генетики, в частности, благодаря генной инженерии. Таким образом, изучение принципов структурной организации вирусов и их жизненных циклов играет большую роль в практически всех сферах жизни. А именно изучению и сопоставлению типов организации вирусного генома, путям экспрессии вирусных генов и репликации вирусных геномов посвящена эта статья.
Обобщая классификации, приведенные различными авторами учебной литературы по вирусологии, можно выделить наиболее популярное системное разделение вирусов на следующие группы: ДНК-содержащие вирусы, плюс-нитевые вирусы, минус-нитевые вирусы и ретровирусы. Рассмотрим подробнее некоторые матричные процессы вирусов каждой группы.
ДНК-содержащие вирусы. Геномная ДНК вируса может транскрибироваться в мРНК двумя путями в зависимости от того, в какой части клетки происходит
49
транскрипция мРНК: в ядре - клеточной РНК-полимеразой (например, аденовирусы, паповавирусы, герпесвирусы), в цитоплазме - собственной РНК-полимеразой (например, поксвирусы). Затем происходит трансляция вирусного белка. При этом сама вирусная ДНК многократно реплицируется при участии как вирусных ферментов, так и принадлежащих клетке. У некоторых ДНК-содержащих вирусов не происходит немедленная репликация ДНК - вместо этого ДНК интегрируется в ДНК клетки хозяина.
Плюс-нитевые РНК-содержащие вирусы. Термин «плюс-нить РНК» или «позитивная РНК» означает, что данная цепь РНК имеет ту же последовательность нуклеотидов, что и мРНК, с которой идет синтез вирусного белка. Следует заметить, что вирусные нуклеиновые кислоты (как и невирусные) могут кодировать как структурные, так и неструктурные гены. К последним у вирусов относится гены, кодирующие полипротеин, при расщеплении которого образуется вирусная РНК-зависимая-РНК-полимераза. Благодаря ей на матрице плюс-РНК синтезируются минус-РНК цепи. На этих минус-целях синтезируются новые плюс-цепи, которые могут использоваться в качестве: а) матрицы для синтеза новых минус-цепей, б) мРНК для последующей трансляции, в) составной части информационного аппарата вируса.
Минус-нитевые РНК-содержащие. Термин «минус-цепь» означает, что данная цепь РНК комплементарна мРНК, поэтому до начала трансляции на ее матрице должна быть синтезирована плюс-нить РНК. Вместе с геномной РНК в клетку попадает и вирусная РНК-зависимая-РНК-полимераза, благодаря которой происходит транскрипция плюс-нити РНК. В данном случае минус-цепь РНК играет роль не только матрицы для синтеза позитивной РНК (как в случае с плюс-нитевыми РНК), но также геномной РНК в дочернем вирионе.
Ретровирусы. Геном ретровирусов состоит из двух позитивных цепей РНК, а в вирионе есть особый фермент - обратная транскриптаза, или РНК-зависимая-ДНК-полимераза, с помощью которой после попадания вириона в клетку на матрице каждой РНК синтезируется кДНК. При этом следует заметить, что при переходе полимеразы с одной РНК на другую, цепи замыкаются в кольцо, то есть образуется единая кольцевая кДНК, связанная с РНК водородными связями. Затем РНК расщепляется нуклеазой, а полимераза достраивает вторую цепь ДНК.
Рассмотрим транскрипционную эффективность некоторых групп вирусов.
Плюс-нитевые-РНК-вирусы. Как было отмечено ранее, плюс-РНК-вирусы перед началом транскрипции как позитивных, так и негативных цепей на своих матрицах сначала синтезируют РНК-зависимую-РНК-полимеразу, осуществляющую все вышеперечисленные процессы. Поскольку синтез данного фермента является другим
50
матричным процессом, то есть относится к трансляции, а не репликации, то для учета репликационной эффективности он учитываться не будет.
Для каждого акта репликации уже образованные в предыдущих циклах РНК сами выступают в качестве матриц для репликации. Из этого следует, что пока полимераза остается в молярном избытке над матрицей, число матриц удваивается в каждом цикле и нарастает как экспоненциальная функция от числа совершенных циклов, то есть N=2", где N - количество матриц, а п - количество циклов репликации.
Учитывая, что для плюс-РНК-содержащих вирусов позитивная цепь используется, как в качестве матрицы для экспрессии вирусного капсида, так и геномной РНК, а негативная РНК используется лишь как матрица для транскрипции позитивной РНК, придем к логичному выводу, что лишь количество позитивных РНК влияет на количество получаемых вирионов (то есть 50% от общего числа матриц). Принимая во внимание, что для образования одного вириона необходимо две молекулы позитивной РНК, получим следующую формулу и соответствующий график зависимости количества полученных вирионов от количества циклов транскрипции:
У=2п/4, то есть У=2п-2, п>=2, где V - количество вирионов, п - количество циклов репликации (рис.1).
-1 о 5 О 5 Ю
позитивных РНК-вирусов
Данный график представляет собой идеализированную модель количественного изменения синтезированных вирионов, и при его построении не были учтены множественные внешние факторы, такие как действие нуклеаз клетки-хозяина, ограниченное количество молей полимераз, и многие другие, в результате которых устанавливается точка перегиба, после которой количество вирионов не увеличивается.
Минус-нитевые-РНК вирусы. В отличие от плюс-нитевых-РНК вирусов данная группа вирусов использует минус-РНК в качестве геномных РНК, а позитивные цепи -как матрицы для синтеза капсида. Таким образом, формула для нахождения количества вирионов от заданного количества циклов и соответствующий график зависимости будут иметь следующий вид: У=2п/2, то есть У=2п-1 при п>=1, где V - количество вирионов, п -количество циклов репликации (рис.2)
-ю 5 О 5 1 О
Рис.2. График репликации для негативных РНК-вирусов
Ретровирусы. Для расчета транскрипционной активности данной группы вирусов не учитывались предшествующие появлению двуцепочечной ДНК матричные процессы. Это было сделано с целью упрощения выведения формулы и построения графика, а также приведения зависимости количества вирионов от количества циклов с точки отсчета, принятой за двуцепочечную ДНК (то есть в нашей идеальной модели она является единственной матрицей). Так как вирион содержит 2 позитивные геномные РНК, а капсид синтезируется на матрице еще одной позитивной РНК, значит, необходимо три акта транскрипции позитивных РНК на матрице ДНК. Следовательно, формула будет иметь следующий вид: У=п/3, п>=0, где V - количество вирионов, п - количество циклов транскрипции (Рис.3).
Рис.3. График репликации для ДНК вирусовРис.1. График репликации для
Анализ репликационной эффективности ДНК-содержащих вирусов не был выполнен ввиду ряда причин: зависимости количества циклов от количества реплицированных копий ДНК, если интеграция вирусной ДНК в геном хозяина не произошла, а также от циклов транскрипции полимераз клеток-хозяина в случае интеграции.
Сопоставление всех трех графиков показал, что наибольшей репликационной активностью обладают негативные РНК вирусы, наихудшей - ретровирусы, а позитивные РНК вирусы заняли промежуточное значение среди анализированных вирусов.
Таким образом, были получены математические соотношения количества синтезированных вирионов от количества циклов транскрипции в различных группах вирусов. Дальнейшее исследование будет направлено на увеличение круга измеряемых величин, а именно не учтенных в данном исследовании актов транскрипции у ретровирусов, одиночный цикл синтеза РНК-полимеразы у позитивных РНК вирусов, а также действие внешних факторов на матричные процессы, то есть переход от идеальных систем на более реальные. Таким образом планируется достичь максимально достоверного анализа репликационной эффективности у различных групп вирусов.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ковалев Н.А. Вирусы и прионы в патологии животных и человека [Текст]: монография / Н.А. Ковалев, П. А. Красочко. - Минск: Беларус. навука, 2012. - 426 с.
2. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология. Том 1 [Текст]: монография / В В. Зверев, М.Н. Бойченко. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 480 с.
3. Павлович С.А. Основы вирусологии [Текст]: монография / С.А Павлович. -Минск: Вышэйшая школа, 2001. - 192 с.
4. Филдс Б.Н. Вирусология: В 3-х т. Том 1 [Текст]: монография / Б.Н. Филдс. -М.: Мир, 1989. - 492 с.
