Организация вирусного генома и нуклеиновые кислоты

Вирусный геном — это нуклеиновая кислота, несущая генетическую информацию вируса, и вирусы примечательны разнообразием используемой ими химии генома. Геном может быть ДНК или РНК, одноцепочечным или двухцепочечным, положительной или отрицательной полярности, а также упакованным в виде одной молекулы или нескольких сегментов. Эти свойства определяют, как геном реплицируется и экспрессируется, и формируют центральные критерии геномной классификации вирусов.

Definition

Организация вирусного генома относится к химической природе, цепности, полярности и расположению нуклеиновой кислоты, которая кодирует вирус, свойствам, определяющим его стратегию репликации и экспрессии, и лежащим в основе геномной классификации.

Scope

Эта статья охватывает химические и структурные вариации вирусных геномов: тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), цепность, полярность (смысл), сегментацию и размер генома, а также последствия этих особенностей для стратегии репликации и для подверженности РНК-геномов ошибкам. Это справочный обзор организации генома, а не клиническое руководство.

Core questions

• Какие типы нуклеиновых кислот служат вирусными геномами?
• Что означают одноцепочечный/двухцепочечный и положительный/отрицательный смысл для генома?
• Как полярность генома определяет, может ли РНК действовать непосредственно как мРНК?
• Почему некоторые геномы сегментированы и что это позволяет?
• Почему геномы РНК-вирусов мутируют легче, чем геномы ДНК?

Key concepts

• ДНК- и РНК-геномы
• Одноцепочечная и двухцепочечная нуклеиновая кислота
• Положительный и отрицательный смысл (полярность)
• Сегментация генома
• Размер генома и кодирующая способность
• Обратная транскрипция
• Высокая частота мутаций РНК-геномов

Key theories

Путь «геном-мРНК» как организующий принцип

Балтимор предположил, что определяющей особенностью вируса является путь, по которому его геном генерирует матричную РНК, делая тип генома, цепность и полярность центральными классификационными свойствами.

Квазивиды / концепция высокой частоты мутаций РНК-геномов

Поскольку репликация РНК не имеет эффективной коррекции ошибок, геномы РНК-вирусов быстро накапливают мутации и существуют как гетерогенные популяции, что является центральным свойством их эволюции и адаптивности.

Mechanisms

Вирусные геномы различаются по нескольким осям, которые в совокупности определяют стратегию репликации и экспрессии. Тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и цепность (одноцепочечная или двухцепочечная) определяют, какие ферменты необходимы для копирования генома и синтеза мРНК. Полярность имеет значение особенно для одноцепочечной РНК: геном положительной полярности может транслироваться непосредственно как мРНК, тогда как геном отрицательной полярности должен сначала быть транскрибирован в комплементарную цепь, поэтому вирусы с отрицательной полярностью должны нести свою собственную полимеразу в вирусной частице. Некоторые геномы сегментированы на несколько молекул, что позволяет реассортацию между родственными вирусами. РНК-геномы реплицируются с небольшим количеством коррекций и поэтому быстро мутируют, генерируя разнообразные популяции, в то время как большинство ДНК-геномов копируются более точно.

Clinical relevance

Организация генома объясняет, почему родственные вирусы имеют общие стратегии репликации, почему сегментированные РНК-вирусы могут реассортироваться и почему многие РНК-вирусы быстро эволюционируют, что является актуальной основой для науки о противовирусных препаратах и вакцинах. Эта статья является структурным и концептуальным справочником и не содержит рекомендаций по диагностике или лечению.

History

Признание того, что вирусные геномы могут быть ДНК или РНК, а также иметь различную цепность и полярность, накапливалось в течение молекулярной вирусологии середины XX века и было синтезировано в 1971 году Балтимором, который использовал логику «геном-мРНК» для организации вирусов. Более поздние работы Доминго, Холланда и других установили, что РНК-геномы реплицируются как подверженные ошибкам, гетерогенные популяции, что изменило понимание вирусной эволюции.

Key figures

• David Baltimore
• Esteban Domingo
• John Holland
• Eugene Koonin

Seminal works

• baltimore-1971
• domingo-1997
• koonin-2021

Frequently asked questions

Может ли вирусный геном быть как ДНК, так и РНК?

Да. В отличие от клеточных организмов, которые используют двухцепочечную ДНК, вирусы в совокупности используют ДНК или РНК, одноцепочечную или двухцепочечную, положительной или отрицательной полярности; это разнообразие химии генома является определяющей особенностью вирусов и основой для их классификации.

Почему РНК-вирусы имеют тенденцию так быстро мутировать?

РНК-геномы обычно копируются полимеразами, которые не имеют эффективной коррекции ошибок, поэтому ошибки репликации накапливаются, и вирус существует как гетерогенная популяция, что может ускорить адаптацию; ДНК-геномы обычно копируются более точно.