Классификация вирусов по Балтимору: 7 групп

В 1971 году вирусолог Дэвид Балтимор предложил классификацию, которая разделила все вирусы на семь групп по одному критерию: по типу нуклеиновой кислоты генома и числу шагов, нужных для получения информационной РНК (мРНК). Логика простая - рибосома читает только мРНК, поэтому путь, которым вирус добирается до синтеза собственных белков, определяет всю стратегию его репликации. Выберите группу в калькуляторе ниже и посмотрите, чем они отличаются по количеству шагов до мРНК и числу вирусных семейств в каждой категории.

Почему именно путь к мРНК

Принцип классификации Балтимора можно сформулировать одной фразой: рибосома не разбирает, чей ген перед ней, главное, чтобы молекула имела формат мРНК. Значит, ключевой вопрос для каждого вируса: сколько биохимических операций нужно, чтобы превратить геномную нуклеиновую кислоту в мРНК?

Рассчитать для своей задачи

Если геном вируса - это двунитевая ДНК (как у клетки-хозяина), клеточная РНК-полимераза может транскрибировать её напрямую - один шаг. Если геном - однонитевая плюс-РНК, рибосома читает её без дополнительных превращений - ноль шагов. Если же геном - минус-РНК, которая является дополнительной к мРНК, вирус должен сначала синтезировать плюс-цепь - один шаг, но уже с обязательной вирусной полимеразой. Именно от этих различий зависит, какие ферменты вирус кодирует и несёт ли он их с собой в вирионе.

Балтимор получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1975 году (совместно с Ренато Дульбекко и Говардом Темином) как раз за открытие обратной транскриптазы - фермента, который опрокинул догму молекулярной биологии и вывел путь РНК - ДНК в биохимически возможный.

Группа I - двунитевые ДНК-вирусы

Группа I объединяет вирусы с двунитевой ДНК (dsDNA) - по строению генома они ближе всего к клетке-хозяину. Их ДНК транскрибируется в ядре клеточной РНК-полимеразой II, а дальнейший синтез РНК и процессинг идут по обычным клеточным правилам. Шагов до мРНК - один.

В группу I входят около 65 семейств. Среди них - герпесвирусы (вирусы простого герпеса ВПГ-1 и ВПГ-2, цитомегаловирус, вирус Эпштейна-Барр), аденовирусы, поксвирусы (в том числе вирус натуральной оспы), паповавирусы (ВПЧ - папилломавирусы человека). Крупные геномы группы I нередко несут собственные вирусные гомологи клеточных регуляторных генов - именно поэтому многие онковирусы принадлежат этой группе.

Рассчитать для своей задачи

Группа II - однонитевые ДНК-вирусы

Вирусам с однонитевой ДНК (ssDNA) нужен дополнительный шаг: сначала клеточная ДНК-полимераза достраивает комплементарную цепь до двунитевой молекулы, и лишь затем та транскрибируется в мРНК. Итого - два шага. Группа II невелика (~9 семейств), но включает клинически важные патогены: парвовирус B19 вызывает пятую болезнь у детей, цирковирусы - серьёзные ветеринарные инфекции. Геномы группы II компактны - у парвовирусов около 5 тысяч нуклеотидов.

Группа III - двунитевые РНК-вирусы

Двунитевая РНК (dsRNA) в качестве генома - нестандартный вариант: в клетках эукариот двунитевой РНК в норме нет, и её присутствие запускает системы противовирусного иммунитета. Чтобы обойти это, реовирусы и их родственники репродуцируются внутри защитного белкового кора, не высвобождая dsRNA в цитоплазму. Вирусная РНК-зависимая РНК-полимераза (RdRp) синтезирует плюс-нити (мРНК) прямо внутри вириона - шагов один.

Самые известные вирусы группы III - ротавирусы: они вызывают тяжёлые диареи у детей до пяти лет и ответственны примерно за 200 000 смертей ежегодно по данным ВОЗ. Именно против ротавируса в 2000-х годах были созданы первые вакцины этого класса.

Группа IV - положительные одноцепочечные РНК-вирусы

Группа IV - самая многочисленная: около 37 семейств. Её геном (ssRNA+) сам является мРНК: шагов до синтеза белка - ноль. Вирион достаточно распаковаться в цитоплазме, и рибосома сразу читает геном. Это означает максимальную скорость развёртывания инфекции: вирус начинает производить белки почти мгновенно после заражения.

К группе IV относятся:

• Коронавирусы (SARS-CoV-2, MERS-CoV, сезонные CoV) - возбудители COVID-19 и других респираторных инфекций;
• Пикорнавирусы - вирус полиомиелита, риновирусы (основная причина простуды), вирус гепатита A;
• Флавивирусы - вирусы денге, Зика, жёлтой лихорадки, гепатита C;
• Тогавирусы - вирус краснухи, арбовирусы.

Группа V - отрицательные одноцепочечные РНК-вирусы

Если геном является минус-РНК (ssRNA-), он дополнителен к мРНК и не может напрямую читаться рибосомой. Вирус обязан нести в вирионе RdRp, которая на матрице геномной РНК синтезирует плюс-цепи (мРНК). Один шаг, но без собственной полимеразы вирус нежизнеспособен - поэтому RdRp входит в структуру каждого вириона группы V.

Сюда входят одни из наиболее опасных патогенов: вирус гриппа (ортомиксовирусы), вирус кори (парамиксовирусы), вирус бешенства (рабдовирусы), вирус Эбола (филовирусы). Геном многих из них сегментирован - у гриппа восемь отдельных РНК-сегментов, что даёт вирусу способность к реассортанту (обмену сегментами) при двойном заражении.

Группы VI и VII - вирусы с обратной транскриптазой

Две последние группы - самые биохимически необычные: они репродуцируются через обратную транскриптазу.

Группа VI (ssRNA-RT) включает ретровирусы. Их плюс-РНК геном сначала обратной транскриптазой копируется в ДНК, двунитевая ДНК интегрируется в хромосому хозяина в виде провируса, и лишь затем клеточная РНК-полимераза транскрибирует его в вирусную мРНК - два шага через ДНК-промежуток. ВИЧ-1 и ВИЧ-2, онкогенные ретровирусы - типичные представители группы VI.

Группа VII (dsDNA-RT) - гепаднавирусы (вирус гепатита B). Несмотря на двунитевый ДНК геном, эти вирусы репродуцируются через РНК-промежуточный продукт (преГеномную РНК), который обратная транскриптаза копирует обратно в ДНК. Маршрут: dsDNA - преГРНК - dsDNA - мРНК. Формально два-три шага. Уникальность гепатита B в том, что он единственный ДНК-вирус среди гепатотропных вирусов, при этом стратегия репликации у него ближе к ретровирусам.

Частые ошибки

• Путаница знака РНК. Плюс-РНК (группа IV) - это мРНК; минус-РНК (группа V) - её дополнение. Запомнить просто: плюс - читает рибосома сразу, минус - нужна РНК-полимераза вируса.
• Смешение групп VI и VII. Ретровирусы (VI) имеют РНК-геном и идут в ДНК. Гепаднавирусы (VII) имеют ДНК-геном, но всё равно используют обратную транскриптазу. Оба несут RT, но в противоположных направлениях.
• Забытый ноль. Студенты часто говорят «один шаг транскрипции» для группы IV, тогда как там шагов ноль: геном сам является мРНК.
• Неправильная группа для ВПЧ. Вирус папилломы человека - dsDNA, группа I, а не «ретровирус» (ВПЧ не интегрируется через RT).
• Число групп. Иногда ошибочно называют пять или шесть групп, забывая, что VII выделена отдельно (гепаднавирусы долго считали частью группы I).

FAQ

Как быстро определить группу Балтимора для незнакомого вируса? Задайте себе два вопроса: ДНК или РНК? Одно- или двунитевая? Если РНК - плюс или минус? Если есть обратная транскриптаза? Отвечая последовательно, за четыре шага вы попадёте в нужную группу. Для вирусов без дополнительных признаков RT обычно хватает первых двух вопросов.

Почему ретровирусы (ВИЧ) отнесены к РНК-вирусам, если их провирус - ДНК? Классификация Балтимора основана на упакованном геноме в вирионе. В вирионе ВИЧ - две копии плюс-РНК. После заражения клетки РНК копируется в ДНК, которая встраивается в хромосому - но это уже репликация внутри клетки, а не тип вириона.

Всегда ли mРНК-вирусы группы IV самые «простые»? По числу шагов - да (ноль). Но геном может быть очень большим и кодировать сотни белков: коронавирусы имеют геном около 30 тысяч нуклеотидов - рекорд среди РНК-вирусов. Простота пути до мРНК не означает простоты самой вирусной биологии.

Коротко

Классификация Балтимора делит все вирусы на семь групп по типу генома и числу шагов до мРНК: от нуля у плюс-РНК-вирусов (группа IV, коронавирусы) до двух у ретровирусов и гепаднавирусов (группы VI-VII). Это не произвольная система - за типом генома стоит вся стратегия репликации: какие ферменты нужны, несёт ли вирус их в вирионе, через какие промежуточные молекулы идёт синтез белков. Знание группы сразу объясняет, почему одни вирусы используют клеточные полимеразы, а другие - свои, почему одни интегрируются в геном хозяина, а другие нет.