CC BY
41
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
МЕХАНИЗМ БЛОКИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРОЦЕССА РЕПРОДУКЦИИ ВИРУСА В КЛЕТКЕ МАКРОЦИКЛИЧЕСКИМИ
СОЕДИНЕНИЯМИ
Багирова А.А.
arifa_samedova@mail.ru
Институт Ботаники Национальной Академии Наук Азербайджана, ведущий научный сотрудник,
кандидат биологических наук, доцент. Баку.
MECHANISM OF BLOCKING ACTION ON THE PROCESS OF VIRUS REPRODUCTION IN THE CELL BY MACROCYCLIC SUBSTANCES
Baghirova A.A.
Institute of Botany, Azerbaijan National Academy of Sciences, PhD(Biology).
Associate professor, Leading Researcher, Baku
АННОТАЦИЯ.
Представлен сравнительный анализ ингибирующего действия макроциклических полиеновых антибиотиков на репродуктивные свойства вирусов различного строения. Анализируя процесс проникновения вирусов в клетки, а также морфологическое строение вирусов и данные, полученные относительно подавления репродукционных свойств вирусов с помощью некоторых макроциклических соединений, высказывается предположение о возможном механизме воздействия антибиотиков в системе вирус-клетка. Исследования показали, что определенные полиеновые антибиотики подавляют репродукцию вирусов в клеточных культурах in vitro. На основе экспериментальных данных для исследуемых вирусов была разработан молекулярный механизм блокирования полиеновыми антибиотиками процесса проникновения и репродукции вируса в клетке.
ABSTRACT.
The comparative analysis of inhibiting action of macrocyclic polyene antibiotics on the reproductive properties of viruses with different structures was presented in this paper. Analysing the entering of virus into the cell, morphological structure of viruses and experimental data regarding inhibition of replication, transcription and assembly of viruses by the some macrocyclic substances, we can suggest the possible mechanism of antibiotics interaction in the virus-cell system. Researches showed that above-mentioned compounds inhibit virus reproduction in cell cultures in vitro. We summarise the experimental data for viruses and develop the molecular model virus-cell- polyene antibiotics and show the possible mechanism of antibiotics action in the process of entering of virus into the cell.
Ключевые слова: полиеновые антибиотики (ПА) , вирусы, клетка-хозяин, молекулярный механизм блокирования, амфотерицин В.
Keywords: polyene antibiotics (PA), viruses, host cell, molecular mechanism of blocking, amphotericin B.
Введение. Полиеновые антибиотики (ПА) представляют собой макроциклические соединения природного происхождения, которые оказывают противогрибковое действие. Дальнейшие исследования показали, что определенные ПА обладают еще противобактериальным, противоопухолевым и противовирусным действием [1]. Известно, что вирусы до контакта с клеткой-хозяином находятся в пассивном состоянии и не могут самостоятельно участвовать в процессе размножения, то есть репликации, биосинтеза и сборки последующих вири-онов. Вирус активизируется только после контакта с клеткой-хозяином, где на начальной стадии принимают участие и рецепторы клетки и рецепторы вирусной оболочки, обеспечивая процесс проникновения вируса в клетку. Репродукция вируса может происходить либо в цитоплазме, либо в ядре. Чтобы предотвратить размножение, прежде всего необходимо приостановить процесс репродукции вируса, что возможно при действии определенных
соединений, обладающих мембранотропным действием. Такими соединениями оказались ПА [6-10]. В основе действия ПА лежит формирование в клеточных и липидных мембранах в комплексе с холестерином (или другим стерином мембран) струк-турньк ионньк каналов молекулярных размеров
[4].
Результаты и обсуждение экспериментальных данных.
Было показано, что некоторые ПА оказывают действие на вирус СПИДа, энтеровирусы, вирус гепатита, герпеса, гриппа, вирус везикулярного стоматита (ВВС) и растительные вирусы [2-3,6-10], На основании полученных данных показано, что наиболее эффективными из этих антибиотиков оказались амфотерицин В, нистатин, филипин и производные леворина.Эти представители ПА обладают противовирусным эффектом и могут блокировать процесс репродукции вируса [9-10]. Самый изученный из ПА амфотерицин В оказывает действие на
репродуктивные свойства различных вирусов. Вирусы имеют разнообразное морфологическое строение. В частности, оболочечные, безоболочечные; однонитевые и двунитевые. В геноме вируса содержатся РНК или ДНК [5]. Существуют различные пути взаимодействия вируса с клеткой: продуктивная, персистентная(абортивная) и латентная (виро-генная). При продуктивной вирусной инфекции происходит размножение вируса и клетка погибает. Абортивная инфекция сводится к тому, что репродукция вируса не происходит и клетка восстанавливает свои утраченные функции. При латентной инфекции происходит репродукция вируса, но и клетка восстанавливает свою функциональную активность. Имеет место еще вирус-индуцированная трансформация клетки, при которой инфицированная вирусом клетка приобретает новые свойства. Например, вирус полиомиелита проникает в клетку путем пиноцитоза. Вирус гриппа сливается с мембраной клетки-хозяина. Растительные вирусы проникают в клетку через поврежденные участки мембран и переходят от одной клетки к другой по ци-топлазматическим мостикам [5]. Чувствительность организмов к определенному типу вирусов зависит от рецепторных участков на поверхности мембраны. Основываясь на данных взаимодействия вируса с клеткой, можно создать модель ингибирова-ния определенных вирусов с помощью ПА. Вирусная репродукция связана с генетическим механизмом передачи чужеродной вирусной информации клеткам. Для воспроизведения новых ви-рионов вирусом используется белоксинтезирую-щая система внутри клетки-хозяина (этапы транскрипции и трансляции). Сначала вирус вступает в реакцию с поверхностью мембраны, на которой имеются особые белковые рецепторы. В случае РНК-содержащих вирусов заражение клетки вирусом начинается с его адсорбции на клеточной мембране, где вирус взаимодействует с мембранными белковыми рецепторами клетки. Необходимо учесть, что различные вирусы для связи с клеточной мембраной используют разные клеточные рецепторы. Адсорбированные вирусы с помощью эндоцитоза или путем слияния с клеточной мембраной проникают в цитоплазму, где, освободившись от большинства белков, они начинают реплицироваться.
Как отмечалось выше, структура вируса неоднозначна. Простые вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, называемой капси-дом. В совокупности простой вирус -это нук-леокапсид, где нуклеиновая кислота и капсид, состоящий из повторяющихся морфологических субъединиц - капсомеров. Сложные вирусы снаружи окружены липопротеидной оболочкой-супер-капсидом. На оболочке находятся гликопротеино-вые шипы. Суперкапсид является производной структурой от мембраны вирус-инфицированной клетки. Пусковым фактором проникновения вируса в клетку в большинстве случаев служит связывание вируса с некоторыми поверхностными белками мембранных рецепторов клетки. Необходимо отме-
тить и роль вирусных рецепторов, которые представляют собой аминокислотные последовательности в некоторых вирусных белках. Вирусные рецепторы находятся в структуре так называемых «прикрепительных белков, функцией которых является узнавание специфических клеточных рецепторов и взаимодействие с ними. Обычно эта функция выполняется одним из поверхностных белков кап-сида, обычно гликопротеинов. Эти поверхностные белки могут сформировать на поверхности вириона уникальные структуры в виде шипов или фибрил-лов. Вирусные рецепторы взаимодействуют с клеточными белковыми рецепторами, то есть в месте контакта вируса с клеточной мембраной происходит агрегация рецепторов, которая запускает механизм внутриклеточной передачи сигнала и стимулирует изменения в клеточной мембране. Рецепторы клеток способствуют транспортному механизму для определенных ионов и макромолекул [5], которые вирусы научились использовать в своих целях в процессе эволюции Идентификация вирусспецифических рецепторов позволяет использовать их ингибиторы в целях предотвращения попадания вирусов в клетку. Однако этот подход недостаточно эффективен для ингибирования репродукции вирусов, поскольку с одной стороны не для всех вирусов найдены клеточные рецепторы, а с другой стороны, вирусы могут использовать несколько рецепторов [5]. К тому же необходимо учитывать факт мутации вирусов. Кроме того, имеются данные о том, что вирусы реагируют на другие компоненты клеточной мембраны, такие как гликоли-пиды (сфингомиелин, холестерин). Например, для адсорбции ротавирусов необходимо по меньшей мере четыре взаимодействия со сфингомиелином и холестеринсодержашими клеточными мембранами.
Исследования ПА на протяжении последних десятилетий показало, что кроме противогрибкового эффекта эти антибиотики могут проявлять антивирусное, антибактериальное и противоопухолевое действие. Из антибиотиков наиболее эффективным оказался амфотерицин В. Этот антибиотик и его метиловый эфир оказывает действие на репродукцию энтеровируса [10], вируса везикулярного стоматита (ВВС), вирусов простого герпеса 1 (ИБУ-1) , вируса Синдбиса, вируса осповакцины и вируса иммунодефицита человека типа 1 (ВИЧ-1) [7,9]. Поскольку амфотерицин В взаимодействует с цитоплазматическими мембранами, они могут блокировать процесс вхождения вируса в клетку и размножения вирионов. Исходя из этого, можно предложить модель ингибирования репродукции вирусов на фактическом экспериментальном материале. Например, благодаря действию амфотерицина В на процесс размножения вирионов, он не дает развиться инфекции в клетке. Эта опция представлена в виде гипотетической модели механизма ингиби-рования вируса гепатита и энтеровируса [6,10]. В случае РНК-содержащих вирусов можно представить молекулярный механизм на примере вируса гриппа при взаимодействии с амфотерицином В.
При распространении вирусной инфекции необходимо формирование новых вирионов, которые покидают клетку-хозяина и внедряются в другие аналогичные клетки. Образование вирионов представляет собой последний этап репродукции вируса. Для возникновения инфекционного процесса необходимо наличие соответствующих рецепторов на поверхности клетки. Прикрепление вирусной частицы к клеточной поверхности сначала происходит путем образования единичной непрочной связи с рецептором клетки. Связь настолько слабая, что вирион может отделиться от клетки и перейти на другую клетку. В этом случае имеет место прямая пропорциональная зависимость между концентрацией клеток и скоростью адсорбции вирионов. Скорость адсорбции зависит от типа вируса и вида клеток. Важную роль в этом процессе играют ионизирующие группы на поверхности вируса и клетки, так как имеется зависимость скорости адсорбции от рН среды, в которой происходит адсорбция. Последнее указывает на то, что начальные этапы присоединения вирионов к поверхности клетки определяется поверхностными силами. Взаимодействие вирионов с клеточными рецепторами является процессом, необходимым не только для прикрепления вириона к поверхности клетки, но и для передачи определенных сигналов в цитоплазму клетки, для внедрения вириона в клетку эндоцитозным путем. Адсорбция многих вирусов начинается с эндоци-тоза, то есть с образования окаймленной ямки на мембране клетки, которая формируется в эндо-сому-эндоцитозную везикулу. Вирусы в составе эн-досом поступают в цитоплазму. Этот процесс характерен для вирусов гриппа, При адсорбции вируса в эндосоме, заполненной вирусом, происходит уменьшение рН и изменения в структуре белковой молекулы гемагглютинина в оболочке вируса, что приводит к появлению амфифильных доменов (новых поверхностных структур). В результате мембрана эндосомы и внешняя оболочка вируса сливаются. Амфотерицин В действует на этой стадии, так как с помощью протонной АТФ-азы он меняет кислотность эндосомы, что приводит к снижению ин-фекционности и к потере вирусной активности. Таким образом, эндосомы не содержат активные вирусы, так что они не имеют возможности перейти к этапу вирусной репликации и инфекция дальше не распространяется. При этом необходимо учитывать тот факт, что существуют «истинные» рецепторы, а есть просто факторы прикрепления. Этот процесс имеет место у вируса герпеса и СПИДа, где эти функции выполняют различные соединения. Как отмечалось выше, взаимодействие вириона с «истинными» рецепторами приводит к появлению в клетке определенных сигналов трансдукции, которые подготавливают клетке к инвазии вирионов: активируются протеинкиназы, меняется динамика поверхности клетки, увеличивается проницаемость мембран и подвижность белково-липидного слоя. Согласно экспериментальным данным последних лет, трансдукция сигналов со стороны вирусов обладает преимуществом по отношению к собствен-
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) #7 (52), 2018 ной клеточной системе трансдукции сигналов. Таким образом, адсорбция подготавливает и вирус и клетку к последующим стадиям процесса репродукции вируса [5]. Последующее слияние вирусов с мембраной эндосом связано с понижением рН в эндосоме. Здесь важную роль играют белки на внешней оболочке вируса - гемагглютинины. Кон-формационные изменения гемагглютинина, возникающие при низком рН в эндосоме, приводят к выходу на поверхность молекулы амфифильных доменов, что приводит к слиянию внешней оболочки вируса и эндосомальной мембраны. В результате слияния липиды и белки внешней оболочки вируса смешиваются с липидами и белками клеточной мембраны, а нуклеокапсид вируса оказывается в цитоплазме (имеются в виду более простые РНК-содержащие вирусы). У сложных вирусов в адсорбции и слиянии с клеточной мембраной могут участвовать разные белки внешней вирусной оболочки.
Для ДНК-содержащих вирусов молекулярный механизм блокирования процесса размножения ам-фотерицином В демонстрируется на примере вируса гепатита. Геном вируса гепатита В представлен двумя нитями ДНК: (+) нить ДНК и (-)-нить ДНК. Вирус состоит из двух оболочек - суперкап-сида и нуклеокапсида. Вирус проникает в цитоплазму, лишившись суперкапсида и белковых молекул на капсиде и начинает действовать в форме нуклеокапсида, содержащего две нити ДНК. При действии амфотерицина В в концентрации 5-250 мкг/мл, оказалось, что увеличивается активность ДНК-полимеразы вируса гепатита В [8], которая растет с увеличением концентрации антибиотика. При этом антигены вируса гепатита В становятся менее активными. Здесь можно провести аналогию с действием амфотерицина В на вирус гриппа в клеточной культуре эпителиальных клеток Vero (почечные клетки африканской зеленой обезьяны) и эпителия носа человека [8], где на первой стадии амфотерицин В способствует репликации вируса гриппа, но затем процесс инфицирования приостанавливается благодаря действию протонной АТФ-азы в эндосоме и изменению кислотности в эндосомальной жидкости. Для вируса гепатита В показано, что антиген вируса постепенно теряет свои свойства [6], а исходный антибиотик и метиловый эфир амфотерицина В действуют на активность по-лирибоцитидиловой кислоты, которая влияет на образование интерферона [5-6], что, в свою очередь, блокирует процесс репродукции вируса гепатита in vitro.
Заключение и выводы. Представлены два варианта молекулярного механизма ингибирую-щего действия вирус-клетка-ПА для РНК-содержащих и ДНК-содержащих вирусов. Оба механизма базируются на анализе экспериментальных данных. В обеих представленных моделях в качестве эффективного противовирусного препарата присутствует амфотерицин В. Показано, что амфо-терицин В при определенных условиях ингибирует процесс репродукции вирусов в клетках. Тем не ме-
нее, установление механизма ингибирования требует продолжения экспериментальной работы на различных вирусах и клеточных культурах.
Исходя из вышеизложенного, хотелось бы отметить, что работа в этом направлении продолжается, что способствует разработке вакцин против патологических вирусных заболеваний, принимая во внимание создание современных препаратов и их производных, созданных путем химической модификации и генной инженерии.
Литература:
1. Багирова А.А. Современный подход к действию макроциклических антибиотиков в борьбе с грибковыми, вирусными и онкологическими заболеваниями. Ж-л «Биомедицина» , 2018, №1-3, с.7-13.
2. Гусейнова И.М., Султанова Н.Ф., Мамма-дов А.Ч., Алиев Д.А.Вирусные заболевания, поражающие овошные культуры в Азербайджане. Баку, «Элм», 2012, с.1-118.
3. Ибрагимова В.Х., Самедова А.А., Султанова Г.Г., КасумовХ.М. (2012) Антивирусное и антигрибковое действие антибиотика инфанвир при заболевании овощных культур. Известия Нац. Академии Наук Азербайджана, Серия биологических наук, 2012, т.67,№2, с. 34-37.
4. Касумов Х.М. Структура и мембранная функция полиеновых макролидных антибиотиков. «Елм» -«Наука», 2009, Монография.С.1-516.
5. Киселев О.И., Жилинская И.Н. Вопросы общей вирусологии. Санкт-Петербург,2007
6. Kessler H.A., Dixon J, Howard CR., Tsi-quaye K, Zuckerman AJ.Effects of amphotericin B on hepatitis B virus. Antimicrob. Agents Chemother., 1981, v.20, №6, pp.826-833.
7. Pleskoff O., Seman M. &Alizon M.Amphotericin B derivative blocks human immunodeficiency virus type 1 entry after CD4 binding: effect on virus-cell fusion but not on cell-cell fusion. J Virol., 1995, v.69, pp.570-574.
8. Roethl E, M. Gassner M.,Krenn B.M. et al. Antimycotic-antibiotic amphotericin B promotes influenza virus replication in cell culture.J. Virol., 2011, v.85 , pp. 11139-11145.
9. Waheed A.A., Ablan S.D., Soheilian F. et al. Inhibition of human immunodeficiency virus type 1 assembly and release by the cholesterol-binding compound amphotericin B methyl ester: evidence for Vpu dependence. J.Virol, 2008, v.82, pp.9776-9781.
10. Xu F., Zhao X., Hu S. et al, Amphotericin B Inhibits Enterovirus 71 Replication by Impeding Viral Entry. Sci. Rep.,2016,v.9,№6, 33150. doi: 10.1038/srep33150.
ТАКСОНОМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ ТОГУЛЪСКОГО РАЙОНА АЛТАЙСКОГО КРАЯ
Комаров Станислав Сергеевич,
Учитель биологии, канд. биол. наук, КОУ «Тогульская СОШ», с. Тогул,
Ефименко Сергей Владимирович, ученик 8 класса, КОУ «Тогульская СОШ», с. Тогул Кречетов Роман Дмитриевич,
ученик 8 класса, КОУ «Тогульская СОШ», с. Тогул
АННОТАЦИЯ
Изучена флора лекарственных растений окрестностей сёл Тогул и Старый Тогул. Составлен систематический список международных названий отмеченных в районе исследований цветковых растений, имеющих лекарственное значение.
ABSTRACT
The flora of the medicinal plants of the surroundings of villages Togul and Old Togul was studied. A systematic list of international names of flowering plants registered in these areas has been compiled, which are of therapeutic value.
Ключевые слова: флора, лекарственные растения, систематика, список видов, Тогул, Тогульский район, Алтайский край.
Keywords: flora, medicinal plants, systematics, list of species, Togul, Togul areas, Altai Krai.
Введение
Идея собрать, определить до видового названия все лекарственные растения, находящиеся в окрестностях нашего села и школы, нам пришла с приходом в школу учителя биологии и географии Комарова Станислава Сергеевича, кандидата биологических наук. Здоровый образ жизни, сохранение здоровья человека - это те приоритеты последних лет не только населения России, но и подрастающего поколения в нашем селе, в частности. А учитывая историю становления и местоположение
сёл, то знать и рационально использовать лекарственные растения, растущие вокруг нас, это наша прямая обязанность. Перевод названия села «То-гул» - гора цветов. К тому же изученный нами биотоп расположен на территории Тогульского района Алтайского края у сёл Старый Тогул и Тогул, в предгорье Салаира (отроги Салаирского кряжа), на границе с государственным природным комплексным заказником краевого значения «Тогульский». Уникальность нашего района исследований в том, что на территории сохранилась неморальная свита
