Капсид вируса¶
Капсид — это белковая оболочка вирусной частицы (вириона), окружающая генетический материал вируса — нуклеиновую кислоту. Капсид образован повторяющимися структурными единицами — капсомерами, которые собираются в строгом порядке, формируя геометрически правильные структуры. Вместе с включённой нуклеиновой кислотой капсид образует нуклеокапсид, а у некоторых вирусов дополнительно окружается липидной оболочкой, образованной из клеточной мембраны хозяина.
¶Состав и строение
Капсид состоит из белков, которые кодируются вирусным геномом. Каждый капсомер представляет собой один или несколько белковых субъединиц, уложенных в определённую трёхмерную структуру. Капсомеры соединяются друг с другом неголевыми взаимодействиями — водородными связями, гидрофобными контактами и ионными связями, что обеспечивает устойчивость капсида при внешних воздействиях.
Размер капсида варьируется от 20 нм (у мелких вирусов, например, парвовирусов) до более чем 100 нм (у крупных вирусов, например, покрытых оболочкой). Толщина капсидной оболочки обычно составляет 3–10 нм.
¶Типы капсидов по симметрии
Вирусные капсиды классифицируют по принципу симметрии, описанному в работах Джеймса Уотсона и Дональда Каспера (1956) и развитому в теории Каспера — Клуга:
¶Икосаэдрические капсиды
Наиболее распространённый тип. Икосаэдр имеет 20 треугольных граней, 12 вершин и 30 рёбер. Такие капсиды характерны для большинства необолочечных вирусов: аденовирусов, папилломавирусов, парвовирусов, бактериофагов семейства Siphoviridae. В зависимости от числа капсомеров на гранях различают капсиды с триангулярным числом T = 1 (32 капсомера, например, у вируса полимеразной цепной реакции — φX174), T = 3 (180 капсомеров) и более сложные.
¶Спиральные (цилиндрические) капсиды
Капсомеры образуют спиральную структуру вокруг оси, внутри которой располагается нуклеиновая кислота. Такое строение характерно для вирусов табака (TMV), огуречной мозаики, гриппа (внутренний нуклеокапсид), а также для бактериофагов семейства Inoviridae. Длина спирального капсида определяется длиной вирусной РНК или ДНК.
¶Псевдоикосаэдрические капсиды
Встречаются у ретровирусов, например, у вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Капсид ВИЧ имеет сложную конусовидную форму, образованную белком p24, и не подчиняется строгой икосаэдрической симметрии.
¶Сложные капсиды
Бактериофаги семейства Myoviridae (например, фаг T4) имеют сложное строение: икосаэдрическую головку, соединительный шейку и хвостовой аппарат, служащий для инъекции ДНК в бактериальную клетку.
¶Функции капсида
Капсид выполняет несколько ключевых функций:
- Защита генетического материала. Капсид предохраняет вирусную нуклеиновую кислоту от разрушения ферментами (нуклеазами), ультрафиолетового излучения и механических повреждений во внешней среде.
- Участие в проникновении в клетку. Капсидные белки взаимодействуют с рецепторами на поверхности клетки-хозяина, обеспечивая специфичность заражения. У необолочечных вирусов капсид непосредственно участвует в слиянии с клеточной мембраной или эндоцитозе.
- Упаковка и транспорт генома. Капсид собирается вокруг вирусной нуклеиновой кислоты в процессе созревания вирусной частицы (матурации) и участвует в её выведении из клетки.
- Регистрация в иммунной системе. Капсидные антигены являются основными мишенями для антител, что делает их важными в иммунологической диагностике и вакцинологии.
¶Биосинтез и сборка
Сборка капсида — процесс, контролируемый вирусными и клеточными факторами. У ДНК-содержащих вирусов с икосаэдрическими капсидами сборка часто происходит в ядре клетки-хозяина с участием клеточных шаперонов (например, TRiC/CCT). У РНК-содержащих вирусов — в цитоплазме. Ключевую роль в сборке играют «скелетные» (scaffold) белки, которые формируют временный каркас, вокруг которого укладываются капсомеры, а затем деградируют или вытесняются вирусной нуклеиновой кислотой.
¶Капсид в вакцинологии
Капсидные белки являются компонентом субъединичных и вирусоподобных вакцин. Вирусоподобные частицы (VLP) представляют собой самособирающиеся капсиды без вирусной нуклеиновой кислоты, неспособные к репликации, но иммуногенные. Примером служит рекомбинантная вакцина против гепатита B, основанная на поверхностном антигене HBsAg, который образует вирусоподобные частицы. Разработка вакцин на основе капсидов активно ведётся для профилактики папилломавирусной инфекции (вакцины Гардасил и Церварикс) и гепатита E.
¶Применение в нанотехнологиях
Капсиды вирусов и вирусоподобные частицы используются в нанотехнологиях как каркасы для доставки лекарственных препаратов, ферментов и нуклеиновых кислот. Их регулярная структура, возможность модификации поверхности и биосовместимость делают их перспективными носителями в адресной терапии.
¶Исторические сведения
Термин «капсид» ввёл вирусолог Роберт Хорн в 1950-х годах. Первое прямое наблюдение структуры капсида стало возможным после создания электронной микроскопии: в 1935 году Уэнделл Стэнли кристаллизовал вирус табака, показав, что вирусная частица представляет собой упорядоченную структуру. В 1956 году Джеймс Уотсон и Дональд Каспер предложили математическую модель икосаэдрических капсидов, а в 1962 году Аарон Клуг и Дэвид Каспер разработали теорию, объясняющую строение сложных икосаэдрических капсидов через триангулярные числа.
Источники:
- Фрейдлинг, Г. Вирусология / Г. Фрейдлинг. — М.: Мир, 1973.
- Клуг, А. Структура вирусов / А. Клуг // Успехи биологической химии. — 1975.
- Морозов, И. А. Вирусология: учебное пособие / И. А. Морозов. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2019.
- Flint, S. J. Principles of Virology / S. J. Flint, L. W. Enquist, V. R. Racaniello, A. M. Skalka. — ASM Press, 2020.
- Caspar, D. L. D., Klug, A. Physical principles in the construction of regular viruses // Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. — 1962. — Vol. 27.