تکثیر ویروس در زیست – به زبان ساده + مراحل همانندسازی

ویروس‌ها عوامل بیماری‌زای بسیار کوچکی هستند که از پروتئین و اسیدنوکلئیک تشکیل شده‌اند و سلول‌های یوکاریوتی و پروکاریوتی را آلوده می‌کنند. تکثیر ویروس ها به سلول میزبان وابسته است. این پاتوژن‌ها آنزیم‌ها و مولکول‌های زیستی سلول میزبان را برای همانندسازی و سنتز پروتئین در خدمت می‌گیرند. ژنوم ویروس‌ها مولکول‌های RNA یا DNA دو رشته‌ای است که پروتئین‌ها و آنزیم‌های ویروسی را کد می‌کند. در ژنوم بعضی از ویروس‌ها ژن آنزیم‌های RNA پلیمراز وابسته به RNA و آنزیم رونوشت‌بردار معکوس وجود دراد که به همانندسازی ویروس کمک می‌کند. در این مطلب از مجله فرادرس مراحل تکثیر ویروس را به همراه مکانیسم‌های همانندسازی انواع ویروس توضیح می‌دهیم.

ویروس چیست؟

ویروس‌ها کوچک‌ترین عوامل بیماری‌زا هستندکه ماده ژنتیکی آن‌ها RNA یا DNA است. ماده ژنتیکی ویروس‌ها در پوشش پروتئینی به نام کپسید قرار دارد و اطراف پوشش پروتئینی بعضی از آن‌ها غشایی لیپیدی وجود دارد. ژنوم ویروس‌ها اطلاعات لازم برای سنتز پروتئین‌های کپسید (کپسومر) و آنزیم‌های لازم برای تکثیر ویروس را دارد اما تکثیر آن به سیستم همانندسازی و رونویسی میزبان وابسته است. میزبان ویروس‌ها موجودات تک‌سلولی ازجمله باکتری‌ها، مایکوپلاسما و جلبک‌ها، گیاهان و جانوران هستند. ماده ژنتیکی ویروس‌ها RNA یا DNA، تک‌رشته‌ای یا دورشته‌ای، خطی یا حلقوی، رشته منفی یا مثبت و قطعه‌قطعه یا کامل است.

فیلم آموزش ویروس شناسی Medical Virology در فرادرس

کلیک کنید

مراحل تکثیر ویروس چیست؟

تکثیر ویروس فرایند تولید ویروس‌های جدید در سلول میزبان است. برخلاف باکتری‌ها، یوکاریوت‌های ساده، سلول‌های گیاهی و سلول‌های جانوری، تقسیم سلولی در ویروس‌ها وجود ندارد. اما ویروس‌ها برای ادامه دادن چرخه بیماری‌زایی به تکثیر خود نیاز دارند. ویروس‌های جدید از سرهم‌بندی شدن اسیدنوکلئیک در ساختارهای پروتئینی به وجود می‌آيد که با استفاده از سیستم همانندسازی، رونویسی و ترجمه میزبان تولید شده است. تکثیر تمام ویروس‌های جانوری در هفت مرحله اتصال، ورد به سلول، جدا شدن پوشش، همانندسازی ژنوم، سرهم‌بندی شدن ذرات ویروسی، بلوغ ویروس و خارج شدن از میزبان انجام می‌شود. بعضی از ویروس‌ها پس از خارج شدن از سلول بالغ می‌شوند. در ادامه چرخه زندگی ویروس جانوری و روش‌های همانندسازی ژنوم این ویروس‌ها را توضیح می دهیم.

مرحله اول اتصال ویروس به سلول میزبان

اتصال اولین مرحله تکثیر ویروس است. در این مرحله ویروس به غشای پلاسمایی سلول میزبان متصل می‌شود. غشای پلاسمایی سلول میزبان از دو لایه فسفولیپید و پروتئین‌هایی تشکیل شده است که بین فسفولیپیدها قرار می‌گیرند. پروتئین‌های غشایی نقش‌های متفاوتی دارند. بعضی از این پروتئین‌ها به انتقال مولکول‌ها و یون‌ها بین سیتوپلاسم و محیط سلول کمک می‌کنند. بعضی از پروتئین‌ها در اتصال سلول‌ها به هم نقش دارند و بعضی از پروتئین‌ها گیرنده انتقال پیام هستند. به بیشتر پروتئین‌های غشایی گروه‌های کربوهیدرات متصل شده است. ویروس‌ها به گروه‌های کربوهیدرات پروتئین‌هایی متصل می‌شوند که در فعالیت‌های طبیعی سلول نقش دارند. پروتئین‌های اتصالی به گیرنده سلول میزبان در غشای لیپیدی ویروس یا کپسید وجود دارد. در جدول زیر گیرنده بعضی از ویروس‌های انسان ذکر شده است.

مرحله دوم ورود به سلول به سلول میزبان

ورود به سلول، دومین مرحله تکثیر ویروس است. ویروس بلافاصله پس از اتصال به گیرنده‌های سلول میزبان وارد سلول می‌شود. ورود به سلول برخلاف اتصال به انرژی نیاز دارد و سلول میزبان این انرژی را تامین می‌‌کند. مکانیسم‌های ورود به سلول بر اساس نوع گیرنده‌ای که ویروس به آن متصل می‌شود، متفاوت است. اندوسیتوز با واسطه گیرنده، اندوسیتوز توده‌ای، فاگوسیتوز و همجوشی مکانیسم‌های ورود ویروس به سلول‌های میزبان است.

اندوسیتوز با واسطه گیرنده

اندوسیتوز با واسطه گیرنده مکانیسم ورود بسیاری از ویروس‌های پوشش‌دار و بدون پوشش به سلول‌های پستانداران است. در این مکانیسم پس از اتصال پروتئین‌های ویروسی به گیرنده سلول‌های میزبان، پروتئین‌های سیتوپلاسمی زیر غشای پلاسمایی جمع می‌شوند. این پروتئین‌ها بخشی از غشا را به شکل وزیکول وارد سیتوپلاسم می‌کنند. کاهش pH در اندوزوم‌ها منجر به تغییر کنفورماسیون پروتئین‌های ویروسی، جدا شدن پروتئین از گیرنده و رها شدن ویروس می‌شود. کلاترین و کاوئولا دو دسته پروتئین‌های سیتوپلاسمی هستند که به اندوسیتوز ویروس‌ها کمک می‌کنند.

• اندوسیتوز با واسطه کلاترین: در این مکانیسم اتصال ویروس به گیرنده با تجمع پروتئین‌های آداپتور زیر غشای پلاسمایی و اتصال آن‌ها به دومین سیتوپلاسمی گیرنده همراه است. در مرحله بعد پروتئین‌های کلاترین به آداپتورهای متصل و پلیمریزه می‌شود. پلیمریزاسیون کلاترین‌ها با خمیده شدن غشای پلاسمایی به سیتوپلاسم همراه است. با پلیمریزاسیون غشای دو طرف گیرنده به هم نزدیک می‌شوند. در نهایت پروتئین داینامین وزیکول تشکیل شده را از غشا جدا می‌کند. کلاترین قبل از ادغام شدن با اندوزوم اولیه از وزیکول جدا می‌شود. ویروس دنگو، ویروس هپاتیت C و رئوویروس، آدنوویروس و پاراویروس B19 با این روش وارد سلول میزبان می‌شوند.
• اندوسیتوز با واسطه کاوئولا: کالوئولا، لیپید رفت‌های غشای پلاسمایی با فرورفتگی‌های ۵۰ تا ۷۰ نانومتری هستند. در این نواحی غشا کلسترول بیشتر و لیپدهای کاوئولین و کاوین وجود دراد. با اتصال ویروس به گیرنده‌های سلولی وزیکول غشایی تشکیل و به‌وسیله داینامین از غشا جدا می‌شود. در سیتوپلاسم وزیکول با اندوزوم اولیه ادغام و ویروس از گیرنده جدا می‌شود. ویروس‌های پاپیلوما و هپاتیت B با این روش وارد سلول میزبان می‌شوند.

اندوسیتوز توده‌ای

در این مکانسیم ویروس پس از اتصال به گیرنده به همراه بخش زیادی از مایع خارج سلولی وارد سیتوپلاسم می‌شود. تغییر pH اندوزوم‌ها با جدا شدن ویروس از گیرنده همراه است.

فاگوسیتوز

در فاگوسیتوز مکانیسم اتصال پروتئین‌های سطحی ویروس به گیرنده منجر به تغییر آرایش پروتئین‌های اسکلت سلولی و تشکیل پای کاذب می‌شود. پای کاذب ویروس را کامل در برمی‌گیرد و فاگوزوم تشکیل می‌شود. ویروس پس از ادغام فاگوزوم با اندوزوم‌ها به دلیل تغییر pH از گیرنده جدا می‌شود. ویروس HSV-1 با این روش وارد سلول میزبان می‌شود.

همجوشی

همجوشی مکانیسم ورود ویروس‌های پوشش‌دار به سلول میزبان است. در این مکانیسم پروتئین‌های همجوشی غشای لیپیدی ویروس به گیرنده‌های سلول میزبان متصل می‌شود و کنفورماسیون آن تغییر می‌کند. تغییر کنفورماسیون پروتئین‌های همجوشی با ادغام غشای ویروس و میزبان همراه است. HIV، ویروس‌های هرپس سیمکپلکس و ویروس ابولا با این روش وارد سلول میزبان می‌شوند.

مرحله سوم جدا شدن پوشش ویروس

در بخش‌های قبلی این مطلب از مجله فرادرس توضیح دادیم که ماده ژنتیکی ویروس‌ها در کپسید قرار دارد. این مرحله ممکن است همزمان با ورود سلول انجام شود و در نمی‌توان آن را به طور کامل از ورود به سلول جدا کرد. قبل از همانندسازی DNA یا RNA ویروسی باید از کپسید خارج شود. به این فرایند جدا شدن پوشش گفته می‌شود. جدا شدن پوشش ویروس به فرایندهای سلول میزبان و ویروس بستگی دارد. آنزیم‌های سلولی ازجمله آنزیم‌های اکسایش-کاهش، پروتئازهای یوبی‌کوئیتین و آنزیم‌های تجزیه پروتئین در شبکه اندوپلاسمی به تجزیه پروتئین‌های کپسید کمک می‌کنند.

به علاوه فعالیت آنزیم‌ها در آرایش موتورپروتئین‌ها و فیبرهای اسکلت سلولی را تغییر می‌دهند. این تغییر آرایش به جدا شدن به تجزیه کپسید و آزاد شدن ماده ژنتیکی ویروس کمک می‌کند. تغییر غلظت یون‌ها و pH بین اندوزوم‌ها و اندامک‌های سلولی یکی دیگر از عواملی است که به تجزیه کپسید و آزاد شدن DNA یا RNA ویروسی کمک می‌کند.

ژنوم بسیاری از ویروس‌ها پس از ورود به هسته همانندسازی و رونویسی می‌شود. بعضی از ویروس‌های بسیار کوچک همراه کپسید از منافذ غشای هسته عبور می‌کنند و کپسید بعضی از ویروس‌ها قبل از ورود به هسته جدا می‌شود. برای مثال ویروس هپاتیت B بسیار کوچک است و همراه کپسید ار منافذ هسته‌ای عبور می‌کند. اما کپسید ویروس‌های آنفولانزا، هرپس و آدنوویروس قبل عبور از منافذ هسته‌ای جدا می‌شود.

مرحله چهارم همانندسازی ژنوم ویروس

همانندسازی ماده ژنتیکی فرایند اصلی تکثیر سلول‌ها است. ویروس‌هایی که قدرت بیماری‌زایی بیشتری دارند، فرایند ترجمه و رونویسی طبیعی سلول را مختل و آنزیم‌ها و ریبوزوم‌های سلول برای همانندسازی و پروتئین‌سازی خود استفاده می‌کنند. بر اساس نوع ویروس مکانیسم متفاوتی برای مختل کردن روند طبیعی ترجمه و رونویسی استفاده می‌شود. برای مثال پولیوویروس‌ها از آنزیم ویروسی برای جدا کردن ناحیه $$5^\prime CAP$$ مولکول mRNA میزبان استفاده می‌کند. این ناحیه برای ترجمه mRNA و پروتئین‌سازی ضروری است. اما بعضی از ویروس‌ها که بیماری‌زایی خفیف‌تر ازجمله پولیوماویروس‌ها همانندسازی، رونویسی و پروتئین‌سازی سلول میزبان را افزایش دهند. آلودگی با این ویروس‌ها ممکن است منجر به سرطان شود. مکانیسم‌های همانندسازی در ویروس‌های RNAدار و DNAدار متفاوت است. ژنوم ویروسی با روش‌های همانندسازی دوطرفه، همانندسازی حلقه چرخان و حلقه سنجاق‌سری تکثیر می‌شود.

فیلم آموزش ایمونولوژی Immunology در فرادرس

کلیک کنید

همانندسازی دو طرفه

همانندسازی دوطرفه روشی است که در تمام سلول‌های یوکاریوتی استفاده می‌شود. در این همانندسازی با اتصال پروتئین‌ها و آنزیم‌ها به جایگاه شروع همانندسازی (ori) شروع می‌شود. در ژنوم یوکاریوتی و بسیاری از ویروس‌های dsDNA ازجمله آلفاهرپس ویروس انسان، چند جایگاه شروع همانندسازی وجود دارد. پروتئین‌های شروع همانندسازی دو رشته DNA را از هم جدا می‌کنند و حباب همانندسازی تشکیل می‌شود. پروتئین‌های اتصالی به DNA از تجزیه DNA تک‌رشته به‌وسیله نوکلئازهای سلول جلوگیری می‌کنند.

در مرحله بعد آنزیم پرایمراز دو قطعه RNA مکمل انتهای $$5^\prime$$ دو طرف حباب همانندسازی سنتز می‌کند. بعضی از ویروس‌ها ژن آنزیم پرایماز را دارند و بعضی از ویروس‌ها از پرایماز میزبان استفاده می‌کنند. در ادامه آنزیم DNA پلیمراز در جهت $$5^\prime$$ به $$3^\prime$$ نوکلئوتید جدید را به $$3^\prime OH$$ نوکلئوتید قبلی اضافه می‌کند. در این روش رشته $$3^\prime$$ به $$5^\prime$$ (رشته پیشرو) در هر حباب همانندسازی به طور کامل همانندسازی می‌شود. اما رشته $$5^\prime$$ به $$3^\prime$$ (رشته پیرو) به شکل قطعات کوچک اوکازاکی همانندسازی می‌شود که در پایان به هم متصل می‌شوند. در آخر RNAase H مولکول‌های RNA پرایمر را تجزیه می‌کند.

همانندسازی حلقه چرخان

همانندسازی چرخه غلتان روشی است که برای همانندسازی ssDNA و dsDNA ویروس‌ها استفاده می‌شود. در این روش ssRNA به وسیله آنزیم‌های پلیمراز میزبان به dsDNA تبدیل می‌شود. رشته ویروس مثبت و رشته میزبتان منفی است. در شروع همانندسازی dsDNA اندونوکلئاز ویروسی در رشته مثبت برش ایجاد می‌کند و انتهای $$3^\prime$$ آزاد می‌شود. در ادامه آنزیم DNA پلیمراز رشته منفی را الگو قرار می‌دهد و نوکلئوتیدهای جدید را به انتهای $$3^\prime$$ رشته مثبت اضافه می‌کند. رشته منفی در حین همانندسازی می‌چرخد. به همین دلیل به این همانندسازی حلقه چرخان گفته می‌شود. اضافه شدن نوکلئوتیدها سبب خارج شدن انتهای $$5^\prime$$ رشته مثبت از حلقه DNA می‌شود.

بعد از اینکه تمام رشته منفی همانندسازی شد، آنزیم‌های اندونوکلئاز در رشته مثبت برش ایجاد می‌کنند و ژنوم ویروس به شکل DNA خطی جدا می‌شود. آنزیم لیگاز دو طرف DNAهای خطی را به هم متصل می‌کند و DNA حلقوی تشکیل می‌شود. به علاوه dsDNA حلقوی الگوی رونویسی و سنتز پروتئین‌های ویروسی است.

همانندسازی حلقه سنجاق سری

همانندسازی حلقه سنجاق سر یکی دیگر روش‌های همانندسازی DNA خطی و تک‌رشته‌ای است. برای مثال ssDNA ویروس‌های همراه آدونو ویروس‌ها با این روش همانندسازی می‌شود. در انتهای ژنوم این ویروس‌ها توالی‌های تکراری معکوس با ساختار سنجاق‌سری وجود دارد. در ژنوم این ویروس‌ها پروتئینی (Rep) وجود دارد که برای شروع همانندسازی به ساختار سنجاق‌سری متصل می‌شود. Rep بین ناحیه سنجاق‌سری و کدکننده ژن‌ها برشی ایجاد می‌کند و $$3^\prime OH$$ در انتهای سنجاق‌سر ایجاد می‌شود. آنزیم‌های DNA پلیمراز میزبان نوکلئوتیدهای جدید را به این انتها اضافه می‌‌کند و تمام ژنوم ویروس همانندسازی می‌شود. با همانندسازی انتهای $$5^\prime$$، ساختارهای سنجاق‌سری دوباره در DNA تشکیل می‌شود.

مرحله پنجم سرهم شدن ویروس

پس از همانندسازی ژنوم و تولید پروتئین‌ها، ذرات ویروسی برای تشکیل ویروس جدید سرهم‌بندی می‌شوند. بر اساس نوع ویروس، ذرات ویروسی در هسته، در غشای پلاسمایی، سیتوپلاسم یا اندامک‌های سلولی سر‌هم‌بندی می‌شود. برای مثال بیشتر ویروس‌های DNAدار در هسته سرهم‌بندی می‌شوند. پروتئین‌های ویروسی با عبور از منافذ وارد هسته می‌شوند. اما اندازه ویروس کامل بزرگ است و از منافذ هسته‌ای عبور نمی‌کند. به همین دلیل بعضی از ویروس‌های DNAدار با القای مرگ سلولی از هسته خارج می‌شوند و بعضی از آن‌ها از غشای هسته‌ای عبور می‌کنند. ویروس‌های غشادار بیشتر در غشای پلاسمایی سرهم‌بندی می‌شوند.

زیرواحدهای کپسید هلیکال همزمان با همانندسازی اطراف ماده ژنتیکی سرهم‌بندی می‌شود. تشکیل کپسیدهای بیست‌وجهی به پروتئین‌های داربستی ویروس نیاز دارد. در بعضی از ویروس‌ها کپسیدهای بیست‌وجهی همزمان با همانندسازی و اطراف ژنوم تشکیل می‌شود. اما در بعضی از ویروس‌ها ژنوم به کپسید کامل منتقل می‌شود.

مرحله ششم بلوغ ویروس

در محله بلوغ ویروس سرهم‌بندی شده به یک عامل بیماری‌زا تبدیل می‌شود. تغییر ساختار کپسید یکی از تغییرات این مرحله است. بلوغ ویروس به کمک آنزیم‌های ویروسی و میزبان انجام می‌شود. برای مثال پروتئین H آنفولانزا، پروتئینی است که به سیالیک‌اسید متصل می‌شود. در فرایند بلوغ این پیش‌ساز این پروتئین باید به دو بخش HA1 و HA2 تجزیه شود. HA1 زیرواحدی است که به گیرنده‌های سلول میزبان متصل می‌شود. H2A به غشای اندوزوم متصل می‌شود و به خروج ویروس از اندوزوم کمک می‌کند.

مرحله هفتم خارج شدن ویروس از میزبان ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌

مرحله آخر تکثیر ویروس، خارج شدن ویروس کامل از سلول‌های میزبان است. ویروس‌ها با جوانه زدن، اگزوسیتوز یا لیز کردن از میزبان خارج می‌شود. جوانه زدن مکانیسم اصلی ویروس‌های پوشش‌دار برای خروج از سلول میزبان است. ویروس از غشای شبکه اندوپلاسمی، دستگاه گلژی یا غشای پلاسمایی جوانه می‌زند. در این فرایند پس از تشکیل نوکلئوکپسید یا همزمان با تشکیل آن خمیدگی‌ای در غشا ایجاد می‌شود. با نزدیک شدن دو سر خمیدگی و کمک پروتئین‌هایی مثل داینامین، ویروس جوانه می‌زند.

بعضی از ویروس‌های غیرپوشش‌دار و ویروس‌های پوشش‌داری که از شبکه اندوپلاسمی یا دستگاه گلژی جوانه می‌زنند، با اگزوسیتوز از سلول میزبان خارج می‌شوند. اگزوسیتوز مکانیسم طبیعی سلول‌ها برای ترشح پروتئین است در مرحله اول این فرایند وزیکول‌های حاوی ویروس به غشای پلاسمایی منتقل می‌شود. در مرحله دوم غشای وزیکول و سلول با هم ادغام می‌شود و در مرحله آخر ویروس‌ها از سلول خارج می‌شوند. لیز شدن سلول منجر به بهم‌ریختگی ساختار غشای پلاسمایی و ورود ترکیبات سیتوپلاسم به فضای خارج سلولی است. بسیاری از ویروس‌های یوکاریوت از ویروپورین برای به‌هم ریختن ساختار غشای پلاسمایی استفاده می‌کنند. این پروتئین در مرحله پایانی تکثیر ویروس تولید می‌شود.

نهفتگی ویروس چیست؟

تمام ویروس‌های جانوری پس از همانندسازی از سلول خارج نمی‌شوند. بعضی از ویروس‌ها بدون ایجاد علائم بیماری برای مدت طولانی در سلول باقی می‌مانند. به این حالت نهفتگی ویروس گفته می‌شود. در دوره نهفتگی ژنوم ویروس به شکل مولکول حلقوی خارج از کروموزوم میزبان یا مولکول خطی در کروموزوم میزبان قرار می‌گیرد. برای مثال ویروس آبله مرغان دانه‌ها و تاول‌های پوستی ایجاد می‌کند. این علائم ۱۰ تا ۱۲ روز پس از ابتلا به بیماری از بین می‌روند و ویروس وارد فاز نهفتگی در نورون‌ها می‌شود. در بعضی از افراد پس از سال‌ها ویروس دوباره فعال و منجر به بیماری زونا می‌شود. برخلاف آبله مرغان که بخش‌های زیادی از بدن را درگیر می‌کند، زونا فقط عملکرد سلول‌های عصبی را تغییر می‌دهد.

چطور ویروس شناسی یاد بگیریم؟

ویروس‌شناسی یکی از دروس مهم برای دانشجویان رشته‌های میکروبیولوژی، پزشکی و بسیاری از رشته‌های زیست‌شناسی است. در بخش‌های قبلی این مطلب از مجله فرادرس مراحل و نحوه تکثیر ویروس‌ها را توضیح دادیم. ویروس‌ها علاوه بر ژنوم و روش‌های همانندسازی در ساختار کپسید و پوشش لیپیدی تفاوت دارند. به علاوه روش‌های فرار این پاتوژن‌ها از سیستم ایمنی با هم متفاوت است و برای از بین بردن آن‌ها از داروهای متنوعی استفاده می‌شود. اگر به اطلاعات جامع‌تر در مورد ساختار و انواع ویروس‌ها نیاز دارید، مشاهده فیلم‌های آموزشی فرادرس که در این رابطه تهیه شده است به شما پیشنهاد می‌شود.

• فیلم آموزش ویروس شناسی فرادرس
• فیلم آموزش آشنایی با ساختمان ویروس فرادرس

تکثیر ویروس های شامل DNA

همانندسازی، رونویسی و ترجمه پروتئین‌ ویروس‌های DNAدار جانوری در بخش‌های مختلف سلول انجام می‌شود.همانندسازی و رونویسی ژنوم این ویروس‌ها در هسته و پروتئین‌سازی در سیتوپلاسم انجام می‌شود. ژنوم این ویروس‌ها از ژن‌های اولیه و تاخیری تشکیل شده است. ژن‌های اولیه پروتئین‌های مراحل اولیه تکثیر ویروس و ژن‌های تاخیری پروتئین‌های مراحل انتهایی (ازجمله پروتئين‌های کپسید و فاکتورهای بیماری‌زایی) را کد می‌کنند. ژنوم این ویروس‌ها DNA دورشته‌ای (dsDNA) خطی یا DNA تک‌رشته (ssDNA) خطی یا حلقوی است. در ادامه مطلب تکثیر ویروس ابتدا همانندسازی DNA دورشته‌ای و سپس DNA تک‌رشته‌ای را بررسی می‌کنیم. لازم به ذکر است اگر به مطالعه بیشتر انواع ویروس علاقه‌مند هستنید، تماشای فیلم آموزش ویروس شناسی به شما پیشنهاد می‌شود.

• فیلم آموزش ویروس شناسی فرادس

تکثیر ویروس با DNA دو رشته ای

ژنوم dsDNA ویروسی بیشترین شباهت را به ژنوم موجودات زنده دارد و همانندسازی و رونویسی آن معمولا با آنزیم‌های میزبان انجام می‌شود. این آنزیم‌ها در هسته سلول قرار دارند. به همین ژنوم تمام ویروس‌های dsDNA به جز «ویروس آبله» (Poxviruses) در هسته میزبان همانندسازی و رونویسی می‌شود. ژنوم این ویروس‌ها به‌وسیله پلیمرازهای سلول میزبان یا پلیمرازهایی ویروسی همانندسازی می‌شود. dsDNA بعضی از ویروس‌ها وارد ژنوم میزبان می‌شود و در بعضی از ویروس‌ها مستقل از ژنوم میزبان همانندسازی می‌شود. هرپس ویروس‌ها، آدنویروس‌ها و پلیوماویروس‌ها از انواع dsDNA هستند.

dsDNA به‌وسیله آنزیم RNA پلیمراز II رونویسی می‌شود. پس از رونویسی مثل RNA یوکاریوت به یک انتهای آن $$5^\prime CAP$$ و به انتهای $$3^\prime$$ آن توالی پلی A اضافه می‌شود. در ادامه mRNA از هسته خارج شده و به‌وسیله ریبوزوم‌های میزبان ترجمه می‌شود.

تکثیر ویروس با DNA تک رشته ای

ssDNA پس از ورود به سلول میزبان به dsDNA تبدیل می‌شود. به همین دلیل سیستم همانندسازی، رونویسی و ترجمه پروتئین آن با dsDNA یکسان است. این ویروس‌ها بیشتر باکتری‌ها و سلول‌های گیاهی را آلوده می‌کند. «آنلویرید» (Anelloviridae) و «پارو ویرید» (Parvoviridae) دو خانواده ویروسی با ژنوم ssRNA انسان هستند. ژنوم این ویروس‌ها بسیار کوچک است و برای همانندسازی کاملا به میزبان وابسته هستند. پارو ویرید ژنوم خطی و مثبت دارند که در دو طرف آن لوب سنجاق‌سری وجود دارد. این لوپ پرایمر آنزیم DNA پلیمراز برای تشکیل dsDNA است. ssDNA آنلویریدها منفی و حلقوی است. ژنوم این ویروس با روش حلقه چرخان همانندسازی می‌شود. پس از دورشته‌ای شدن DNA آنزیم RNA پلیمراز II رونویسی را شروع می‌کند و در ادامه mRNA به‌وسیله پروتئین‌ها و ریبوزوم میزبان به پروتئین ترجمه می‌شود.

تکثیر ویروس های RNA دار

RNA ویروس‌ها ژنوم تک‌رشته‌ای (ssRNA) یا دورشته‌ای (dsRNA) دارند. RNAهای تک‌رشته مثبت، منفی یا مثبت-منفی هستند. RNA مثبت، mRNAای است که مستقیم به پروتئین ترجمه می‌شود. RNA منفی، رشته مکمل mRNA است. به این ترتیب ژنوم بعضی از RNA ویروس‌ها مستقیم به پروتئین ترجمه می‌شود. اما در بعضی از ویروس‌ها ابتدا یک نسخه مکمل یا DNA از ژنوم همانندسازی می‌شود و در ادامه پروتئین‌های ویروسی از ترجمه نسخه مکمل یا رونویسی DNA سنتز می‌شود. در ادامه تکثیر ssRNA و dsRNA و سنتز DNA از RNA (رونوشت‌برداری معکوس) را توضیح می‌دهیم.

RNA ویروس های تک رشته ای

در ssRNA مثبت معمولا $$5^\prime CAP$$ یا پروتئینی که شبیه آن عمل می‌کند و انتهای $$3^\prime$$ وجود دارد. همانندسازی و ترجمه این ژنوم در سیتوپلاسم سلول‌های میزبان انجام می‌شود. اولین مرحله تکثیر این ویروس‌ها ترجمه ssRNA+ است. از ترجمهاین RNA پلی‌پروتئینی تولید می‌شود که به پروتئین‌های کوچک‌تر تجریه می‌شود. آنزیم RNA پلیمراز وابسته به RNA یکی از پروتئین‌های این ویروس‌ها است که در همانندسازی RNA شرکت می‌کند. از همانندسازی ssRNA+ مولکول RNA دو رشته تولید می شود. برای اینکه سیستم ایمنی این RANA را شناسایی نکند، همانندسازی ژنوم این ویروس‌ها در وزیکول‌های شبکه اندوپلاسمی یا دستگاه گلژی انجام می‌شود.

از رونویسی RNA دورشته‌ای ژنوم ویروس تولید می‌شود. ssRNA- مستقیم به پروتئین ترجمه نمی‌شود. در مرحله اول RNA پلیمراز وابسته به RNA رشته مکمل ssRNA- را همانندسازی می‌کند. در ادامه رشته مکمل رونویسی و پروتئین‌های لازم برای تکثیر ویروس تولید می‌شود.

RNA ویروس های دورشته ای

ویروس‌های dsRNA از انواع بدون پوشش و دارای کپسید بیست‌وجهی هستند. ژنوم این ویروس‌ها قطعه‌قطعه است. «رئوویرید» (Reoviridae) و «پیکوبیناویروس» (Picobirnaviruses) ویروس‌های dsRNA انسان هستند. در کپسید این ویروس‌ها علاوه بر ژنوم آنزیم RNA پلیمراز وابسته به RNA وجود دارد. این ویروس‌ها به آنزیم‌های همانندسازی و رونویسی میزبان نیاز ندارند. به همین دلیل وارد هسته نمی‌شوند. RNA پلیمراز رشته منفی dsRNA را رونویسی می‌کند.

mRNA رونویسی شده با استفاده از ریبوزوم‌ها، آمینواسیدها و tRNA سلول میزبان به پروتئین‌های ویروسی ترجمه می‌شود. هر قطعه RNA این ویروس‌ها به یک پروتئین ترجمه می‌شود. در مرحله سرهم‌بندی شدن ویروس در هر کپسید یک RNA+ و آنزیم RNA پلیمراز وابسته به RNA وجود دارد. این آنزیم رشته مثبت RNA را همانندسازی می‌کند و ژنوم ویروس جدید کامل می‌شود.

RNA ویروس های رونوشت بردار معکوس

رونوشت‌برداری معکوس یکی دیگر از روش‌های همانندسازی ماده ژنتیکی ویروس است. «رتروویروس‌ها» (Retroviruses) با این روش همانندسازی می‌کنند. ژنوم این ویروس‌ها ssRNA+ است. در این روش از RNA ویروسی یک نسخه DNA تولید و رونویسی می‌شود. در کپسید این ویروس‌علاوه بر ماده ژنتیکی آنزیم «رونوشت‌بردار معکوس» (Reverse Transcriptase) وجود دارد. این آنزیم DNA پلیمراز وابسته به RNA است و یک نسخه مکمل RNA ژنوم تولید می‌کند. از فعالیت این آنزیم یک مولکول هیبرید DNA-RNA تولید می‌شود. RNA به‌وسیله آنزیم RNAase می‌شود و بخش کوچکی از آن به عنوان پرایمر باقی می‌ماند.

در ادامه DNA پلیمراز سلولی رشته مکمل را همانندسازی می‌کند و dsDNA در سیتوپلاسم تشکیل می‌شود. DNA دو رشته‌ای ویروس با عبور از منافذ هسته یا در انتهای مرحله اینترفاز چرخه سلولی که غشای هسته از بین می‌رود، به کمک آنزیم اینتگراز ویروسی وارد کروموزوم می‌شود. در ادامه dsDNA ویروسی همراه DNA میزبان رونویسی و پروتئین‌های آن سنتز می‌شود. RNA ژنوم در این ویروس‌ها از رونویسی dsDNA تکثیر می‌شود.

تکثیر ویروس های باکتری

باکتریوفاژها ویروس‌هایی هستند که از سیستم آنزیمی باکتری‌ها برای تکثیر استفاده می‌کنند. کپسید این ویروس‌ها بیست‌وجهی، سر و دم و رشته‌ای و ژنوم آن‌ها ssDNA یا dsDNA یا ssRNA یا dsRNA است. چرخه زندگی باکتریوفاژها به دو نوع لیتیک و لیزوژنتیک تقسیم می‌شود. چرخه زندگی فاژ ممکن است بر اساس شرایط محیطی تغییر کند. در این چرخه‌ها ژنوم ویروس با روش‌های متفاوتی همانندسازی می‌شود. مراحل چرخه زندگی باکتریوفاژها شبیه ویروس‌های جانوری است. در این بخش از مطلب چرخه زندگی ویروس‌های باکتری را بررسی می‌کنیم، اما اگر به مطالعه بیشتر در رابطه با ساختار و انواع باکتری‌ها علاقه‌مند هستید، می‌توانید از فیلم‌های آموزشی فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، استفاده کنید.

• فیلم آموزش میکروبیولوژی فرادرس
• فیلم آموزش میکروبیولوژی متابولیسم میکروارگانیسم ها فرادرس 
• فیلم آموزش میکروبیولوژی پزشکی فرادرس 

چرخه لیتیک

در چرخه لیتیک باکتروفاژ پس از تکثیر با لیز کردن غشای پلاسمایی از باکتری خارج می‌شود. فاژهای T4 از باکتریوفاژهایی هستند که چرخه زندگی لیتیک داردند. در مرحله اول پروتئین‌های سطحی ویروس به مولکول‌های غشای باکتری (ازجمله لیپوپلی‌ساکارید، کربوهیدرات گلیکوپروتئین‌ها و پروتئین OmpC) متصل می‌شود. بیشتر باکتریوفاژها به گلیکوپروتئین‌های متفاوت غشا متصل می‌شوند. برخلاف ویروس‌های جانوری، کپسید باکتروفاژها وارد باکتری نمی‌شود و باکتریوفاژ پس از اتصال به باکتری ژنوم خود را به سیتوپلاسم تزریق می‌کند. در بسیاری از باکتری‌ها آنزیم لیزوزومی که در دم وجود دارد به تجزیه دیواره سلولی و تزریق ژنوم ویروسی کمک می‌کند.

در چرخه لیتیک ژنوم باکتریوفاژ پس از ورود به سیتوپلاسم وارد کروموزوم باکتری نمی‌شود. ژنوم باکتریوفاژهای DNAدار مستقیم رونویسی می‌شود. اما از ژنوم باکتریوفاژهای RNAدار ابتدا یک نسخه DNA مکمل تولید می‌شود. پروتئین‌های ویروسی از رونویسی و ترجمه DNA مکمل تولید می‌شود. بعضی از باکتروفاژ آنزیمی کد می‌کنند که DNA باکتری را تجزیه می‌کند. در ادامه ژنوم ویروسی در کپسید قرار می‌گیرد و ویروس کامل تشکیل می‌شود. در پایان دیواره سلولی باکتری با آنزیم ویروسی لایزین تجریه و باکتریوفاژ خارج می‌شود.

چرخه لیزوژنی

در چرخه لیزوژنی ویروس با لیز کردن غشای پلاسمایی و دیواره سلولی از باکتری خارج نمی‌شود. فاژ لامبدا از باکتریوفاژهایی است که چرخه زندگی لیزوژنی دارد. در مرحله اول این چرخه باکتریوفاژ مثل چرخه لیتیک،  به‌وسیله پروتئین‌های سطحی به مولکول‌های غشای باکتری متصل می‌شود و ژنوم خود را به سیتوپلاسم میزبان تزریق می‌کند. آنزیم اندونوکلئاز ویروسی برشی در DNA میزبان ایجاد می‌‌کند و ژنوم ویروس وارد کروموزوم باکتری می‌شود.

در این چرخه ژنوم ویروس همراه کروموزوم باکتری همانندسازی می‌شود. به علاوه ژنوم باکتریوفاژ همراه DNA باکتری در تقسیم دوتایی به سلول‌های دختری منتقل می‌شود و ممکن است فنوتیپ جدیدی در این سلول‌ها ایجاد کند. استرس‌های محیطی ازجمله اشعه UV، کاهش موادغذایی و تغییر غلظت مولکول‌های شیمیایی محیط، چرخه زندگی ویروس را از لیزوژنی به لیتیک تغییر می‌دهد.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس توضیح دادیم که ویروس‌ها آنزیم‌های لازم برای همانندسازی، رونویسی و ترجمه پروتئین را ندارند، به همین دلیل برای تکثیر به سلول‌های باکتری، گیاهی و جانوری وابسته هستند. تکثیر تمام ویروس‌ها به مراحل اتصال و ورود ویروس به میزبان، جدا شدن پوشش ویروس، همانندسازی ژنوم و سنتز پروتئین‌ها، سرهم‌بندی شدن ذره ویروسی و خروج ویروس از سلول میزبان تقسیم می‌شود. در بخش‌های بعدی این مطلب توضیح دادیم که ژنوم ویروس RNA یا DNA تک‌رشته‌ای یا دورشته‌ای است که با روش‌های متفاوتی همانندسازی می‌شود. DNA دو رشته پس از ورود به سلول میزبان بدون تغییر رونویسی و همانندسازی می‌شود. اما DNA تک‌رشته باید اول به DNA دورشته‌ای تبدیل و سپس وارد فرایند همانندسازی و رونویسی شود.

RNAهای تک‌رشته به دو دسته مثبت و منفی تقسیم می‌شوند. RNA مثبت مستقیم به پروتئین ترجمه می‌شود. اما در سلول میزبان ابتدا یک نسخه مکمل از RNA منفی تولید می‌شود و سپس نسخه مکمل به پروتئین‌های ویروسی ترجمه می‌شود. RNAهای دورشته‌ای در سیتوپلاسم سلول میزبان ترجمه و به‌سویله پلیمراز ویروسی همانندسازی می‌شوند. رتروویروس‌ها گروهی از ویروس‌های RNAدار هستند که ابتدا به‌وسیله آنزیم رونوشت‌بردار معکوس یک نسخه cDNA از ژنوم آن‌ها ساخته می‌شود و سپس DNA رونویسی و به پروتئين‌های ویروسی ترجمه می‌شود.

در بخش آخر این مطلب توضیح دادیم که باکتریوفاژهای ویروس‌هایی هستند که سلول‌های باکتری را آلوده می‌کنند. چرخه زندگی این ویروس‌ها از فازهای لیزوژنیک و لیتیک تشکیل شده است. در فاز لیزوژنیک ژنوم باکتریوفاژ وارد ژنوم میزبان شده و همراه آن همانندساز می‌شود. اما پروتئین‌های ویروسی ترجمه نمی‌شوند و ذرات ویروسی تشکیل نمی‌شوند. در فاز لیتیک ژنوم ویروس در سیتوپلاسم همانندسازی و ترجمه می‌شود. در این حالت ذرات ویروس تشکیل شده و با از بین بردن سلول میزبان آزاد می‌شود.