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

Więcej informacji na ten temat znajdziesz w e‑materiale pt. Cykle lityczny i lizogeniczny.

Ciekawostka

Wiele wirusów wykazuje swoistość w odniesieniu do gatunku gospodarza, np. bakteriofag T4 atakuje wyłącznie komórki bakterii pałeczki okrężnicy (Escherichia coli).

bg‑violet

Przebieg ekspresji informacji genetycznej w komórce eukariotycznej

RIqFfyBODGuTU1
Schemat przedstawiający przebieg ekspresji informacji genetycznej.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

DNA jest powielany w procesie replikacji. Replikacja zachodzi przed podziałem komórkowym (podział bakterii czy mitoza i mejoza komórek eukariotycznych). Żeby powstało białko, informacja genetyczna o jego budowie (zawarta w genach w DNA) musi zostać przepisana na RNA w procesie transkrypcjitranskrypcjatranskrypcji. Odbywa się to zgodnie z regułą komplementarności zasad azotowych tworzących oba kwasy nukleinowe. Proces transkrypcji jest katalizowany przez enzym polimerazę DNApolimeraza DNApolimerazę DNA (zwaną transkryptazą). Polimeraza RNA wytwarza nić RNA w oparciu o matrycową nić DNA. Powstająca nić to pre‑mRNA.

Jak wiesz, DNA zawiera fragmenty kodujące informację o białku – eksonyeksonyeksony i fragmenty niekodujące – intronyintronyintrony. Aby powstał mRNA, introny muszą zostać usunięte w procesie splicingusplicingsplicingu. Sklejone eksony, jako mRNA, zostają przeniesione z jądra do cytoplazmy, gdzie zachodzi kolejny etap ekspresji – translacjatranslacjatranslacja. Polega ona na przetłumaczeniu kolejności trójek nukleotydów (kodonów) na kolejność aminokwasów w nowo powstającym łańcuchu polipeptydowym.

R1brUiqeUN3Pz1
Obróbka potranskrypcyjna polega m.in. na usunięciu intronów oraz sklejeniu ze sobą eksonów.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑violet

Przebieg ekspresji informacji genetycznej wirusowego materiału genetycznego

Przebieg ekspresji informacji genetycznej u wirusów zależy od tego, czy mamy do czynienia z wirusem zawierającym DNA, czy RNA.

Wirusy z materiałem genetycznym w postaci DNA (np. wirus ospy wietrznej i półpaśca – Varicella zoster virus, VZV) łączą się z powierzchnią komórki za pomocą glikoproteinowych wypustek. Wypustki te rozpoznają charakterystyczne białka receptorowe komórki. Gdy osłonka wirusa połączy się z błoną komórkową, kapsyd zostaje wprowadzony do wnętrza komórki. Po enzymatycznym strawieniu kapsydu wirusowy DNA dostaje się do jądra komórkowego, gdzie następuje replikacja DNA i transkrypcja na mRNA. Rybosomy zainfekowanej komórki przeprowadzają syntezę białek wirusa. Te agregują się wokół DNA wydzielonego z jądra wirusowego. Siateczka śródplazmatyczna szorstka produkuje glikoproteiny wirusa, które zostają przeniesione na powierzchnię błony komórkowej. Kapsyd z DNA przemieszcza się w kierunku błony i z komórki odpączkowuje wirion, gotowy infekować kolejne komórki.

Materiałem genetycznym niektórych wirusów, m.in. z rodziny retrowirusówretrowirusretrowirusów (Retroviridae), nie jest jednak DNA, lecz RNA. Również w ich przypadku występują białkowe elementy osłonki rozpoznające odpowiednie receptory na błonie komórkowej, a kapsyd wprowadzany jest do komórki. Jednak sposób kopiowania informacji genetycznej nie może zachodzić według schematu: DNA – RNA – białko.

R1L7HhpxvvTDS1
Schemat przedstawia przebieg replikacja wirusa grypy typu A. Do komórki wnika oznaczony cyfrą 1 wirion w postaci dużej kuli z licznymi wypustkami na powierzchni. To zjawisko nazywa się adsorpcją. Wirion przyłącza się do błony komórkowej gospodarza poprzez hemaglutyninę i wnika do cytoplazmy na drodze endocytozy zależnej od receptora, tworząc w ten sposób endosom. Komórkowy enzym podobny do trypsyny rozszczepia hemaglutyninę na HA1 i HA2. HA2 sprzyja fuzji otoczki wirusa i błon endosomów. Następnie wirion przechodzi translokację wirusowego RNA do jądra komórkowego. Etap ten oznaczony jest cyfrą 2. Białko otoczki wirusa M2 działa jak kanał jonowy, powodując, że wnętrze wirionu jest bardziej kwaśne. W rezultacie inne białko otoczki M1 dysocjuje od nukleokapsydu, a wirusowe RNA ulega translokacji do jądra. Tam ma miejsce replikacja wirusowego RNA; etap ten oznaczony jest cyfrą 3. W obrębie jądra ma również następnie miejsce transkrypcja wirusowego RNA. W jądrze komórkowym dzięki wirusowym kompleksom polimerazy dokonuje się ten proces, co oznaczono na ilustracji cyfrą 4. Następnie na schemacie cyfrą 5 oznaczono translację mRNA - nowo zsyntetyzowane mRNA migrują do cytoplazmy, gdzie ulegają translacji. Wówczas powstają białka. Z rybosomów z kolei następuje transport HA, NW i M2 do błony komórkowej. Potranslacyjna obróbka hemaglutyniny (HA), neuraminidazy (NA) i białka M2 obejmuje transport przez aparat Golgiego do błony komórkowej. Proces ten na schemacie jest oznaczony cyfrą 6. Cyfrą 7 na schemacie oznaczona jest migracja innych białek wirusa do jądra komórkowego. Białka NP, M1, NS1 i NEP przemieszczają się do jądra, gdzie wiążą świeżo zsyntetyzowane kopie wirusowego RNA. Cyfrą 8 z kolei oznaczono migrację nukleokapsydu do błony komórkowej. Nowo utworzone nukleokapsydy migrują do cytoplazmy w procesie zależnym od NEP i ostatecznie wchodzą w interakcję poprzez M1 z regionem błony komórkowej, w którym zostały umiejscowione białka HA, NA i M2. Cyfrą 9 oznaczono ostatni etap procesu - odpączkowywanie wirionów Następnie nowo zsyntetyzowane wiriony pączkują z zakażonej komórki. NA niszczy resztę kwasu sialowego receptorów komórkowych, uwalniając w ten sposób wiriony potomne.
Schemat przedstawiający przebieg replikacji wirusa grypy typu A (wirusa RNA, należącego do rodziny ortomyksowirusów – łac. Ortomyxoviridae).
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑violet

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 transkryptazaodwrotna transkryptazaodwrotna 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 integrazyintegrazaintegrazy – 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.

R1ZcB7iBuMC691
Schemat przedstawia etapy powstawania dwuliciowej helisy wirusowego DNA. Z prawej strony schematu znajduje się opatrzone cyfrą 1 wirusowe RNA składające się z jednej nici zobrazowanej jako pofalowana, bordowa linia znajdująca się w dość wąskim przewodzie. Pod wpływem odwrotnej transkrypcji tworzy się hybryda DNA-RNA znajdująca się na kolejnej ilustracji opatrzonej cyfrą 2. Składa się ona z dwóch pofalowanych nici w kolorze zielonym i bordowym. Następnie pod wpływem rybonukleazy tworzy się DNA- transkrypt wirusowego RNA. Jest to pojedyncza, pofalowana, zielona nić, oznaczona cyfrą 3. Kolejnym procesem jest polimeraza DNA. Pod jej wpływem tworzy się podwójna helisa wirusowego DNA o dwóch pofalowanych niciach w kolorze niebieskim i zielonym. Znajdują się one również w wąskim przewodzie i oznaczone są na schemacie cyfrą 4.
Etapy powstawania dwuniciowej helisy wirusowego DNA.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Koronawirusy (m.in. SARS‑CoV‑2) zawierają materiał genetyczny w postaci pojedynczej nici RNA. Jest on rozpoznawany przez rybosomy gospodarza i bezpośrednio na jego podstawie produkowane są wirusowe białka. Jednym z najważniejszych jest polimeraza RNA zależna od RNA, która umożliwia replikowanie materiału genetycznego wirusa. Koronawirusy namnażają się więc bez konieczności przepisywania RNA na DNA i bez udziału odwrotnej transkryptazy.

RIIoAepk4OwEj1
W zależności od tego, czy wirusy zawierają materiał genetyczny w postaci DNA czy RNA, procesy ekspresji ich genów się różnią.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

bakteriofagi
bakteriofagi

fagi; wirusy, których naturalnym gospodarzem są bakterie; struktura bakteriofagów jest typowa dla innych wirusów – genom jest zbudowany z jedno- lub dwuniciowego DNA lub RNA, kodujących od 3 do ponad 200 białek, zawarty w kapsydzie zbudowanym z jednego lub kilku rodzajów białek; cykl życiowy bakteriofagów jest podobny do innych wirusów

eksony
eksony

odcinki DNA kodujące informację o budowie białek

endosomy
endosomy

pęcherzyki, wakuole lub cysterny ograniczone pojedynczą błoną śródplazmatyczną, tworzące się w procesie endocytozy i występujące w komórkach eukariotycznych

glikozylacja
glikozylacja

łączenie węglowodanów ze związkami organicznymi (np. białkami) z wytworzeniem wiązania glikozydowego

integraza
integraza

enzym kodowany przez niektóre wirusy, katalizujący reakcję integracji dwóch różnych cząsteczek DNA

introny
introny

odcinki DNA przepisywane w procesie transkrypcji na mRNA, ale niekodujące białek

kapsyd
kapsyd

białkowa osłonka kwasu nukleinowego (genomu) wirusa

odwrotna transkryptaza
odwrotna transkryptaza

enzym, polimeraza DNA zależna od RNA, przeprowadzająca reakcję odwrotnej transkrypcji

polimeraza DNA
polimeraza DNA

enzym katalizujący syntezę DNA w czasie replikacji; syntetyzuje nową nić polinukleotydową, komplementarną do nici macierzystej powielanej cząsteczki DNA

retrowirus
retrowirus

wirus należący do rodziny Retroviridae, którego materiałem genetycznym jest RNA; przeprowadza proces odwrotnej transkrypcji; retrowirusy wywołują wiele chorób, np. AIDS, nowotwory

splicing
splicing

proces obróbki pierwotnego produktu transkrypcji prekursorowego RNA (preRNA); polega na wycinaniu odcinków RNA niekodujących białka (intronów) i łączeniu we właściwej kolejności odcinków kodujących (egzonów); w procesie tym nieciągła informacja genetyczna zawarta w DNA zostaje przekształcona w ciągłą

transkrypcja
transkrypcja

przepisanie kolejności nukleotydów z DNA na RNA

translacja
translacja

przetłumaczenie kolejności kodonów na kolejność aminokwasów w nowo powstającym białku

translokacja
translokacja

zmiana struktury chromosomów polegająca na przemieszczeniu fragmentu z jednego chromosomu na inny chromosom niehomologiczny; do tej aberracji może dojść w wyniku pęknięcia dwóch chromosomów i ich nieprawidłowej naprawy lub przypadkowej rekombinacji pomiędzy dwoma chromosomami niehomologicznymi podczas mejozy

wirion
wirion

kompletna cząstka wirusowa o złożonej budowie; składa się z kwasu nukleinowego (DNA lub RNA), stanowiącego rdzeń, oraz otoczki białkowej, czyli kapsydu, i niekiedy z dodatkowej osłonki zewnętrznej otaczającej kapsyd