Wirusy - molekularne pasożyty

Badania Wendella Mereditha Stanleya z drugiej połowy XX wieku umożliwiły poznanie wirusa mozaiki tytoniu (TMV, ang. tobacco mosaic virus). Do końca XX wieku udoskonalenie technik eksperymentalnych i obliczeniowych umożliwiło pogłębianie wiedzy na temat struktury, składania i patogenności wirusów. Obecnie prowadzone są liczne badania nad ich wykorzystaniem w terapiach przeciwbakteryjnych czy przeciwnowotworowych.

Budowa i właściwości wirusów

RZTTRDXLkpgSf

Zdjęcie z mikroskopu elektronowego przedstawia wirusy dengi. Są to nieregularne plamy o ciemnozielonej barwie na białym tle.

Wirusy w większości osiągają niewielkie rozmiary – mają wielkość od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów i możemy je obserwować jedynie w mikroskopie elektronowym. Wirionto pojedyncza cząstka wirusa występująca w środowisku pozakomórkowym, która jest zdolna do atakowania komórek. Każdy wirion składa się z materiału genetycznego w postaci DNA lub RNA (nigdy oba te kwasy nukleinowe nie występują jednocześnie) oraz białkowej otoczki zewnętrznej. Otoczka ta zwana jest kapsydemi zbudowana z niewielkich białkowych podjednostek strukturalnych – kapsomerów. Niektóre wirusy mają dodatkowo osłonkę zewnętrzną, zwykle zbudowaną z lipidów, na których znajdują się glikoproteiny.

R98UHzOvwgB54

Na grafice przedstawiony jest schemat wirusa HIV. Wirus ma okrągły kształt, osłonięty jest otoczką lipidową, w której zakotwiczone są proteiny MHC oraz struktury zbudowane z glikoprotein przezbłonowych (gp41) oraz glikoprotein dokujących (gp120). Wewnątrz wirusa tuż przy jego ścianie znajdują się proteiny matrix (p17). Wirus zawiera również okrągłą strukturę, w której znajdują się proteazy, peptydy oraz białka gospodarza. W centrum wirusa znajduje się kapsyd, wewnątrz którego obecny jest genom wirusa w postaci RNA otoczony nukleokapsydem. Do RNA przywiązane są cząsteczki integrazy oraz odwrotnej transkryptazy.

Wirusy mogą namnażać się wyłącznie we wnętrzu komórek organizmów.

Wirusy nie mają budowy komórkowe, nie mają organelli komórkowych, w tym rybosomów, dlatego wykorzystują struktury i możliwości procesów metabolicznych gospodarza, zmuszając zainfekowaną komórkę do produkcji swoich elementów składowych. Proces ten określamy namnażaniem się wirusów.

Zarówno kształt, wielkość oraz sposób namnażania stanowią podstawę do klasyfikacji wirusów.

Formy morfologiczne wirusów

RTZIGnwLccU621

Grafika przedstawia schemat budowy bakteriofaga. Składa się on z kubicznej główki oraz ogonka. W budowie ogonka możemy wyróżnić krótki kołnierzyk z włókienkami na którym spoczywa kapsyd, podłużną, cylindryczną tubę, płytkę podstawową raz podłużne, zagięte włókna ogonka.

Do najbardziej złożonych wirusów, ze względu na budowę morfologiczną kapsydu, należą te, które wyspecjalizowały się w zakażaniu bakterii. Nazywamy je bakteriofagami, inaczej fagami. Kapsyd bakteriofaga ma kształt bryłowo−spiralny. Składa się z wielościennej główki, do której zwykle doczepiony jest ogonek wyposażony we włókienka. Służą one do przytwierdzania się wirusa do ściany komórkowej bakterii.

Materiał genetyczny bakteriofaga ma najczęściej postać długiej cząsteczki kwasu nukleinowego, zwykle DNA – jednoniciowa lub dwuniciowa – umieszczonej wewnątrz główki.

Istnieje wiele odmian fagów i są one zazwyczaj swoiste względem gospodarza – oznacza to, że atakują tylko jeden gatunek, a czasami tylko jeden szczep bakterii.

Wirusy mogą mieć różne kształty. Na ogół wyróżnia się:

Postacie genomów wirusowych

Podstawą klasyfikacji wirusów jest rodzaj zawartego w genomie kwasu nukleinowego. U jednego wirusa może występować wyłącznie jeden jego rodzaj: DNA lub RNA. Genom wirusa zawiera zarówno sekwencje kodujące, jak i niekodujące. W genomach wirusowych można wyróżnić:

Materiał genetyczny wirusów ma zazwyczaj postać liniową, rzadziej kolistą. Może występować w jednym kawałku lub w formie posegmentowanej. Segmentacja genomu ułatwia rekombinację oraz mutagenezę genomu.

Wirusy DNA najczęściej zawierają podwójną nić DNA, określaną jako dsDNA (ang. double‑stranded DNA) – mniej liczna grupa zawiera nić pojedynczą, określaną jako ssDNA (ang. single‑stranded DNA). Wirusy RNA z kolei – w przeważającej większości – posiadają pojedynczą nić RNA (ssRNA). Tylko niektóre mają nić podwójną (dsRNA).

Replikacja wirusów

Replikację wirusów można podzielić na kilka etapów:

Replikacja wirusów DNA odbywa się w jądrze komórki gospodarza i z nielicznymi wyjątkami przebiega zgodnie z przedstawionym schematem.

Inaczej jest w przypadku wirusów RNA: ponieważ komórki eukariotyczne nie posiadają enzymów do replikacji RNA, wirusy te zawierają takie enzymy (polimeraza RNA zależna od RNA, zwana też replikazą) w swoim wirionie, albo kodują informację genetyczną do syntezy enzymów replikacyjnych w komórce gospodarza i produkują je w jej cytoplazmie.

W przebiegu infekcji wirusowej dochodzi do namnażania się wirusa w komórkach gospodarza. Większość wirusów wnika w całości do wnętrza komórek organizmu. Jedynie bakteriofagi wstrzykują do komórki sam kwas nukleinowy, pozostawiając kapsyd na zewnątrz. Zainfekowana komórka często ginie, a uwolnione wiriony mogą zakażać kolejne komórki.

Wyróżnia się dwa podstawowe cykle infekcyjne wirusów: cykl lityczny i cykl lizogeniczny. Cykl lityczny jest stosunkowo krótkim cyklem infekcyjnym, który kończy się rozpadem (lizą) komórki gospodarza. Natomiast cykl lizogeniczny nie doprowadza do śmierci komórek i polega na połączeniu materiału genetycznego wirusa z chromosomem gospodarza. Wbudowany w ten sposób wirusowy DNA ulega replikacji przed każdym podziałem komórki, a następnie trafia do kolejnych komórek organizmu.

Cykle infekcyjne wirusów

Cykl lityczny bakteriofagów

Cykl lityczny to cykl infekcyjny wirusów (bakteriofagów), w którym zainfekowana komórka zostaje zniszczona. Trwa około 30 minut.

Symulacja 1

Przesuwając suwak, obserwuj poszczególne fazy cyklu litycznego.

RrYmjPBz0pQcN1

Na ilustracji znajduje się komórka bakterii, do której przyczepia się bakteriofag. Ma on postać główki z trzema nóżkami. Następuje adsorpcja i bakteriofag przyczepia się do powierzchni bakterii. W następnym etapie następuje penetracja, do komórki bakteryjnej zostaje wstrzyknięty fagowy DNA. W kolejnym etapie następuje uwalnianie, komórka bakteryjna rozpada się, a cząsteczki faga mogą infekować kolejne bakterie.

Na ilustracji znajduje się komórka bakterii, do której przyczepia się bakteriofag. Ma on postać główki z trzema nóżkami. Następuje adsorpcja i bakteriofag przyczepia się do powierzchni bakterii. W następnym etapie następuje penetracja, do komórki bakteryjnej zostaje wstrzyknięty fagowy DNA. W kolejnym etapie następuje uwalnianie, komórka bakteryjna rozpada się, a cząsteczki faga mogą infekować kolejne bakterie.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D9AVBG5PV

Cykl lizogeniczny bakteriofagów

Cykl lizogeniczny to cykl infekcyjny wirusów (bakteriofagów), który polega na integracji materiału genetycznego wirusa z genomem gospodarza. Materiał genetyczny bakteriofaga może być przenoszony do komórek potomnych przy każdym kolejnym podziale komórek. Pod wpływem czynników zewnętrznych lub samorzutnie profag może wejść w cykl lityczny i doprowadzić do zniszczenia komórki.

Symulacja 2

Przesuwając suwak, obserwuj poszczególne fazy cyklu lizogenicznego.

Rrf4fn3dTT65z1

Na ilustracji znajduje się komórka bakterii, do której przyczepia się bakteriofag. Ma on postać główki z trzema nóżkami. Następuje adsorpcja i bakteriofag przyczepia się do powierzchni bakterii. W następnym etapie następuje penetracja, do komórki bakteryjnej zostaje wstrzyknięty fagowy DNA. DNA wirusa włącza się do bakteryjnego DNA. Bakteria dzieląc się, przekazuje DNA wirusa komórkom potomnym. Komórki potomne zawierają wirusowy DNA, który będzie przekazywany kolejnym komórkom.

Na ilustracji znajduje się komórka bakterii, do której przyczepia się bakteriofag. Ma on postać główki z trzema nóżkami. Następuje adsorpcja i bakteriofag przyczepia się do powierzchni bakterii. W następnym etapie następuje penetracja, do komórki bakteryjnej zostaje wstrzyknięty fagowy DNA. DNA wirusa włącza się do bakteryjnego DNA. Bakteria dzieląc się, przekazuje DNA wirusa komórkom potomnym. Komórki potomne zawierają wirusowy DNA, który będzie przekazywany kolejnym komórkom.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D9AVBG5PV

Infekcja wirusowa w przypadku wirusów zakażających ludzi i zwierzęta

Odwrotna transkrypcja jako etap cyklu infekcyjnego wirusów RNA

W kapsydzie retrowirusów (do których należy m.in. ludzki wirus niedoboru odporności – HIV, ang. human immunodeficiency virus), poza RNA, znajduje się specjalny enzym − odwrotna transkryptaza. Umożliwia ona wbudowanie informacji genetycznej wirusa w DNA komórki poprzez katalizowanie procesu syntezy jednoniciowego DNA w oparciu o wirusowe RNA. Dzięki temu powstaje hybryda DNA–RNA. Następnie rybonukleaza uwalnia nowo powstały jednoniciowy DNA (ssDNA – ang. single‑stranded DNA), a polimeraza DNA syntetyzuje na ssDNA drugą, komplementarną nić. Powstaje dwuniciowy DNA (dsDNA – double‑stranded DNA), który zostaje wprowadzony do jądra zainfekowanej komórki i – przy udziale enzymu integrazy – wbudowany do jądrowego DNA.

Dalsze etapy procesu ekspresji genetycznej przebiegają tak samo jak w przypadku wirusów DNA. Wirusowy DNA jest transkrybowany na wirusowe RNA. RNA opuszcza jądro. Rozpoczyna się synteza białek kapsydu, które agregują wokół fragmentów RNA. Tworzy się nowy wirion, który odpączkowuje, tworząc otoczkę z błony komórkowej zainfekowanej komórki.

Podsumowanie

• Wirusy są bezkomórkowymi formami infekcyjnymi, które nie mają budowy komórkowej, metabolizmu ani własnych układów enzymatycznych do pełnego namnażania się. Składają się z materiału genetycznego (DNA lub RNA) otoczonego białkowym kapsydem, a niektóre mają dodatkowo osłonkę lipidową z białkami powierzchniowymi.

• Wirusy wykazują dużą różnorodność morfologiczną i genetyczną. Mogą mieć różne kształty (np. kuliste, pałeczkowate, bryłowe lub złożone, jak bakteriofagi) oraz różny rodzaj materiału genetycznego – jednoniciowe lub dwuniciowe DNA albo RNA.

• Budowa wirusa jest związana ze sposobem infekowania komórek. Białka kapsydu lub glikoproteiny osłonki umożliwiają rozpoznanie i przyłączenie się wirusa do odpowiednich receptorów na powierzchni komórki gospodarza, a następnie wniknięcie do niej i wprowadzenie materiału genetycznego.

• Wyróżnia się dwa główne cykle infekcyjne wirusów:
  - cykl lityczny – wirus przejmuje kontrolę nad komórką, namnaża swój materiał genetyczny i białka, a następnie powoduje lizę (rozpad) komórki, uwalniając nowe wiriony;
  - cykl lizogeniczny – materiał genetyczny wirusa wbudowuje się w genom gospodarza jako prowirus lub profag i może być powielany razem z DNA komórki bez jej niszczenia; w sprzyjających warunkach może przejść w cykl lityczny.

• Odwrotna transkrypcja to proces przepisywania informacji genetycznej z RNA na DNA przy udziale enzymu odwrotnej transkryptazy. Mechanizm ten występuje u retrowirusów, np. HIV, i umożliwia wbudowanie wirusowego DNA do genomu komórki gospodarza, co jest kluczowe dla ich namnażania

Ćwiczenia utrwalające