bg‑azure

Postacie genomów wirusowych

Podstawą klasyfikacji wirusów jest rodzaj zawartego w genomiegenomgenomie 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:

RysW6VC9rNN79
geny strukturalne Kodują one informacje dotyczące syntezy białek wirusowych: rdzenia, kapsydu, osłonki., geny funkcjonalne Kodują one informacje dotyczące enzymów regulujących replikację i dalsze etapy syntezy wirionów potomnych.

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

RYE7wulNMCC5H1
Różnorodność postaci genomów wirusowych: liniowy, segmentowany i kolisty.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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).

RFAxKEG23vjsZ1
Różnorodność genetyczna wirusów.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kolejnym kryterium różnorodności genetycznej wirusów ssRNA jest polarność genomu. Dodatnia polarność [(+)ssRNA] oznacza, że genom w czasie replikacji bezpośrednio pełni rolę mRNA. W przypadku polarności ujemnej [(–)ssRNA] najpierw musi dojść do przepisania wirusowego RNA na mRNA.

bg‑azure

Replikacja wirusów

Replikację wirusów można podzielić na kilka etapów:

R8Ztdm7LXCbiW
Adsorpcja Przyleganie białka wirusowego do specyficznego receptora znajdującego się na powierzchni komórki gospodarza, Penetracja Wnikanie wirusa do komórki gospodarza przebiegające z uwolnieniem kwasu nukleinowego wirusa, Powielanie składników wirusa Synteza wszelkich białek kodowanych przez wirusa niezbędnych zarówno do samego procesu replikacji jak i białek strukturalnych wirusa. Na tym etapie dochodzi także do replikacji kwasu nukleinowego (która może przebiegać w różny sposób w zależności od rodzaju kwasu nukleinowego, zawartego w danym wirionie), Dojrzewanie wirusów Składanie wirusów potomnych, Uwolnienie wirusów potomnych Wydostanie się wirusów potomnych z komórki gospodarza
Rdt5AwJWyI0ZG1
Ilustracja interaktywna ukazuje uproszczony schemat replikacji wirusa. Napis: adsorpcja, penetracja. Opis. Wirion wiąże się z powierzchnią komórki gospodarza poprzez oddziaływanie między białkami strukturalnymi wirusa a receptorami, znajdującymi się na powierzchni komórki gospodarza. Następnie kwas nukleinowy zostaje wprowadzony do wnętrza komórki. Strzałka do syntezy białek. Opis. Wewnątrz komórki zachodzi synteza mRNA u białek, a także replikacja (powielenie) wirusowego genomowego kwasu nukleinowego. Procesy te zachodzą z wykorzystaniem aparatu enzymatycznego gospodarza, są one jednak modyfikowane przez enzymy wirusa. Strzałka do dojrzewania. Opis. Następnie zachodzi proces dojrzewania wirusów, czyli składania elementów kapsydu i zapakowania do nich genomów wirusowych. Strzałka do uwalniania. Opis. Ostatni etap to uwolnienie z komórki gospodarza dojrzałych wirionów, mogących infekować kolejne komórki. Od adsorpcji, penetracji strzałka w dół do strzałki, która biegnie od słowa wirion (na zewnątrz komórki) do słowa kwas nukleinowy (wewnątrz komórki). Od kwasu nukleinowego strzałka w dół do replikacji kwasu nukleinowego oraz strzałka w prawo do mRNA. Od mRNA strzałka w prawo do białką. Od białka strzałka w dół z napisem: polimeraza do replikacji kwasu nukleinowego. Od białka strzałka w prawo do kapsydu. Od replikacji kwasu nukleinowego strzałka do mRNA oraz do kapsydu. Cykl od kwasu nukleinowego do kapsydu odbywa się wewnątrz komórki. Od kapsydu strzałka w prawo do wirionów (na zewnątrz komórki). Od syntezy białek, opisanej w punkcie drugim, strzałka w dół do strzałki pomiędzy mRNA a białkiem. Od dojrzewania, opisanego w punkcie trzecim, strzałka w dół do strzałki pomiędzy białkiem a kapsydem. Od uwalniania, opisanego w punkcie czwartym, strzałka w dół do strzałki pomiędzy kapsydem a wirionami.
Uproszczony schemat replikacji wirusa.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

R1ONsMkqKEP9Y
Mapa myśli. Strategie replikacyjne genomów zależą od budowy genomu wirusów RNA:. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: replikacja genomów
    • Elementy należące do kategorii replikacja genomów
    • Nazwa kategorii: (+)wirusy ssRNA
    • Nazwa kategorii: (–)wirusy ssRNA
    • Nazwa kategorii: wirusy dsRNA
    • Koniec elementów należących do kategorii replikacja genomów
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R13HoU4NU5buL
Wirusy ssRNA (+) kwas nukleinowy bezpośrednio pełni rolę mRNA, co umożliwia syntezę wirusowej polimerazy. Przy jej udziale nić o dodatniej polarności ulega transkrypcji na nić komplementarną o ujemnej polarności, następnie nici te transkrybowane są na nowe nici o polarności dodatniej, które tworzą nowo powstałe wiriony., Wirusy ssRNA (-) genom najpierw ulega przepisaniu na nić komplementarną o dodatniej polarności. Polimeraza biorąca udział w tym procesie musi być zawarta w cząstce wirusa. Następnie nici o dodatniej polarności transkrybowane są na nowe nici o polarności ujemnej, które tworzą nowo powstałe wiriony., Wirusy dsRNA nić o dodatniej polarności może ulegać bezpośrednio translacji. Pełni ona na początku funkcję mRNA, a następnie stanowi matrycę do syntezy komplementarnej nici o ujemnej polarności. Tak powstają nowe dwuniciowe cząsteczki RNA, wchodzące w skład nowych wirionów.
R14uuSFjGzCnI1
Ilustracja interaktywna przedstawia strategie replikacji wirusów RNA. Na schemacie są trzy strategie replikacji. Pierwsza strategia. Od szarego sześciokąta opisanego jako wirus (plus)ssRNA. Opis. Genom typu (+)ssRNA ma polarność dodatnią. Oznacza to, że może być wykorzystywany bezpośrednio jako matryca (mRNA) do syntezy białek w procesie translacji. Taki typ RNA nazywany jest także nicią plus. Strzałka do (+)ssRNA w postaci falowanej linii zakończonej znakiem plus. Strzałka w prawo, od góry zbliża się strzałka z napisem: Polimeraza. Strzałka w prawo. Za strzałką trzy poziome falowane linie zakończone znakiem minus. Opis. (+)ssRNA jest matrycą wykorzystywaną do syntezy komplementarnej cząsteczki o polarności ujemnej. Strzałka w prawo. Do strzałki dochodzi strzałka z napisem polimeraza. Za strzałką jest sześć falowanych poziomych linii zakończonych znakiem plus. Opis. Jedyną rolą nici RNA o polarności ujemnej jest bycie wzorcem do syntezy nici RNA o polarności dodatniej. Strzałka w praco. Za strzałką linia falowana zakończona znakiem plus. Opis. Powstałe nici o polarności dodatniej zostają zapakowane do kapsydów. Strzałka w prawo. Za strzałką szary sześciokąt. Kolejny genom. Na ilustracji jest szary sześciokąt. To wirus (minus)ssRNA. Opis. Genom typu (-)ssRNA ma polarność ujemną. Oznacza to, że nie może być wykorzystywany bezpośrednio jako matryca (mRNA) do syntezy białek w procesie translacji, ponieważ nie jest rozpoznawany przez aparat translacyjny gospodarza. Taki typ RNA nazywany jest także nicią minus. Strzałka w prawo. Za strzałką falowana linia zakończona znakiem plus. To (+)ssRNA. Od sześciokąta druga strzałka do napisu polimeraza. Opis. Informacja zawarta w (-)ssRNA jest przepisywana na (+)ssRNA, który jest funkcjonalnym mRNA. Strzałka w prawo. Nad strzałką druga strzałka z napisem polimeraza. Biegną do trzech równoległych falowanych linii zakończonych znakiem plus. Strzałka w prawo. Nad strzałką strzałka z napisem polimeraza. Opis. Nić o polarności dodatniej jest wykorzystywana do syntezy genomowego (-)ssRNA. Za strzałkami sześć falowanych równoległych linii zakończonych znakiem minus. Strzałka w prawo do falowanej poziomej linii zakończonej znakiem minus. Strzałka w prawo do falowanej poziomej linii zakończonej znakiem minus. Opis. Powstałe nici o polarności ujemnej zostają zapakowane do kapsydów. Strzałka w prawo do szarego sześciokąta. Ostatni genom. Na ilustracji jest szary sześciokąt. To wirus dsRNA. Opis. Genomy typu dsRNA zawierają nić o polarności dodatniej oraz nić o polarności ujemnej. Trzy strzałki. Każda prowadzi do pary dwóch falowanych linii. Jednej zakończonej znakiem plus, drugiej zakończonej znakiem minus. Opis. dsRNA. Strzałka w prawo. Nad strzałką kolejna strzałka z napisem polimeraza. Strzałki prowadzą do trzech falowanych linii zakończonych znakiem plus. Opis. Nić o polarności ujemnej jest matrycą do syntezy wirusowego mRNA (nici o polarności dodatniej). Strzałka w prawo. Nad strzałką kolejna strzałka z napisem polimeraza. Strzałki prowadzą do sześciu par falowanych linii, z których jedna zakończona jest znakiem plus, a druga minus. Opis. Na podstawie informacji zawartej w wirusowym mRNA syntezowane są nowe nici dsRNA. Strzałka do trzech par falowanych linii. Mają kolor czerwony. Opis. Powstałe dsRNA zostają zapakowane do kapsydów. Strzałka do szarego sześciokąta.
Strategie replikacji wirusów RNA.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kolejną strategią replikacji genomu wirusów RNA jest replikacja z wykorzystaniem enzymu odwrotnej transkryptazy. Dowiesz się o niej więcej w lekcji „Odwrotna transkrypcja i jej znaczenie w cyklach infekcyjnych wirusów”.

bg‑azure

Rekombinacja i mutageneza

Ponieważ wirusy nie posiadają mechanizmów naprawczych, przy replikacji materiału genetycznego dochodzi u nich do częstych mutacji spontanicznych. Jest to przyczyną dużej różnorodności, tzw. pseudotypów wirusów w obrębie jednego gatunku. Często dochodzi także do rekombinacji materiału genetycznego, np. pomiędzy dwoma wirusami atakującymi tę samą komórkę, a także między wirionem a komórką gospodarza. Segmentacja genomu wpływa korzystnie na rekombinację. W ten sposób mutuje np. wirus grypy.

RuuTXgZQYPTXn
Zdjęcie wirusa grypy wykonane w mikroskopii elektronowej.
Źródło: Cybercobra, wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

Istnieją trzy typy wirusa grypy: A, B i C.

Wirus typu C jest najmniej chorobotwórczy i nie wywołuje pandemiipandemiapandemii – w przeciwieństwie do typów A i B, odpowiedzialnych za ciężkie postacie choroby i powodujących ogromną liczbę zachorowań. Wirus grypy typu A jest najbardziej zmienny genetycznie i z tego względu uznawany za najgroźniejszy.

Główne białka otoczki wirusa grypy to hemaglutynina (H) oraz neuraminidaza (N). Największe zróżnicowanie tych białek występuje właśnie u wirusa grypy A – wyróżnia się u niego 18 podtypów hemaglutyniny oraz 9 podtypów neuraminidazy. Do tej pory zidentyfikowano aż około 130 różnych podtypów tego typu wirusa (nazwy wirusa grypy typu A odnoszą się właśnie do tych białek). W ostatnich latach najczęściej notuje się zakażenia wirusami AH1N1 oraz AH3N2.

RG30EepBMcGlc
Trójwymiarowy model budowy wirusa grypy. Białka odpowiedzialne za adsorpcję oraz składanie nowych wirionów to hemaglutynina i neuraminidaza. Wirus grypy typu A ma segmentowany genom złożony z 8 segmentów (–)ssRNA.
Źródło: domena publiczna.
bg‑azure

Przesunięcie antygenowe i skok antygenowy

Walka z wirusem grypy jest trudna ze względu na jego wysoką zmienność genetyczną. Zjawiska leżące u podstaw tej zmienności to przesunięcie antygenowe oraz skok antygenowy.

Przesunięcie antygenowe (dryf antygenowy) to pojedyncze punktowe mutacje genomu podczas jego replikacji. Ich efektem są zmiany w sekwencji aminokwasowej białek antygenowych wirusa.

Skok antygenowy polega na wymianie jednego lub kilku fragmentów RNA pomiędzy dwoma różnymi wirusami grypy typu A, infekującymi tę samą komórkę. Prowadzi to do znacznych zmian antygenowych wirusa i determinuje jego potencjał pandemiczny.

RPa8gyRvzBTU2
Skok antygenowy wirusa grypy.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Rezerwuarem wirusów grypy są ludzie oraz zwierzęta.

Ptactwo wodne jest gospodarzem największej liczby podtypów wirusa grypy A. Możliwość przenoszenia wirusów grypy ptasiej na ludzi powoduje powstawanie nowych podtypów o potencjale pandemicznym. Podobnie wirusy grypy świńskiej uczestniczą w rekombinacji wirusów zagrażających człowiekowi. Istnieje zatem wiele kombinacji genetycznych, które mogą wywołać pandemiczny wirus grypy.

Przesunięcie antygenowe wirusa grypy sprawia, że szczepionki przeciw grypie sezonowej muszą być opracowywane corocznie. Ich skuteczność w ochronie przed infekcją jest tylko częściowa – nie da się bowiem przewidzieć wszystkich możliwych kombinacji genetycznych, które pojawią się w danym sezonie grypowym.  Szczepionka jest jednak wysoce skuteczna w zapobieganiu groźnym powikłaniom infekcji wirusowej i związaną z nimi hospitalizacją.

Jeżeli dojdzie do skoku antygenowego i powstania wirusa pandemicznego, opracowywana jest szczepionka przeciw grypie pandemicznej.

R1BqXCbJHGidR1
Schemat genomu pandemicznego wirusa grypy AH1N1 – pochodzenie segmentów genomu z różnych wirusów grypy.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1ZmsbbfG50Ba
Różne gatunki zwierząt są wrażliwe na zakażenie podtypami wirusa grypy typu A. Głównym rezerwuarem wirusa grypy typu A jest ptactwo wodne, u którego występują wszystkie możliwe podtypy. Wirusy grypy ptasiej mogą przenosić się na inne gatunki zwierząt oraz na człowieka m.in. poprzez kontakt z zakażonymi odchodami ptaków lub ich wydzielinami z oczu, nosa oraz ust. Wirusem można się również zakazić na skutek połknięcia zakażonej wody, np. podczas pływania. Spożywanie surowego mięsa czy surowych jaj zakażonych ptaków również może być źródłem zakażenia wirusem AH1N1. Dochodzi także do wymiany segmentów wirusowego RNA pomiędzy ptactwem, człowiekiem oraz świniami. W ten sposób powstał wirus AH1N1v (v – wariant), który spowodował pandemię w latach 2009–2010. Rycina przedstawia skład i pochodzenie jego segmetów RNA.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑cyan
Ciekawostka

W XX w. miały miejsce trzy pandemie grypy. Najwyższa śmiertelność: 40–50 mln zmarłych (w niektórych opracowaniach nawet 100 mln) dotyczyła pierwszej z tych pandemii, tzw. hiszpanki w latach 1918–1919 i przewyższyła liczbę ofiar I wojny światowej.

Ostatnia pandemia grypy miała miejsce w 2009 r. – wywołał ją wariant wirusa grypy AH1N1 z mocno zmienionym składem antygenowym. Śmiertelność na świecie oszacowano na 151700–575400 osób.

Obecnie trwa pandemia zakaźnej choroby COVID‑19, która jest wywoływana przez koronawirusa SARS‑CoV‑2. Rozpoczęła się jako epidemia 17 listopada 2019 w Wuhan – mieście, znajdującym w prowincji Hubei w środkowych Chinach. 11 marca 2020 została oficjalnie uznana przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) za pandemię.

Słownik

epidemia
epidemia

wystąpienie u ludzi zachorowań na daną chorobę w określonym czasie i na konkretnym terenie w większej niż przeciętnie liczbie przypadków

pandemia
pandemia

nazwa epidemii o szczególnie dużych rozmiarach, obejmującej kraje, a nawet kontynenty, w przeszłości w postaci pandemii szerzyły się m.in. ospa prawdziwa, dżuma, cholera, obecnie – zakażenia wirusem HIV powodującym u ludzi AIDS, grypa oraz COVID‑19

genom
genom

kompletny zestaw informacji genetycznej danego organizmu

rekombinacja
rekombinacja

proces wymiany materiału genetycznego, w wyniku którego dochodzi do powstania nowych genotypów, co powoduje powstanie nowych wariantów antygenowych

mutageneza
mutageneza

proces powstawania mutacji