Wejdź na wyższy poziom

Historia badań nad wirusami

Pod koniec XVIII wieku w medycynie stosowane było pojęcie wirus, określające truciznę. W XIX wieku, kiedy odkryto, że istnieją inne czynniki patogenne niż bakterie, terminem tym zaczęto nazywać cząsteczki organiczne o właściwościach patogennych, zdolne do namnażania się w komórkach różnych organizmów.

Historia odkryć

Pierwsze wzmianki na temat choroby wirusowej − wścieklizny, zostały odnalezione w Kodeksie Hammurabiego z XVII wieku p.n.e. Zapisano w nim obowiązki jakie nakłada się wobec właścicieli psów, oraz konsekwencje ich niespełnienia. Dopiero w 1885 roku Ludwik Pasteur opracował skuteczną szczepionkę przeciwko wirusowi wścieklizny, którą podał pierwszym pacjentom.

Wzmianki na temat objawów choroby wirusowej zostały odnalezione w najstarszym greckim dziele medycznym Hipokratesa pt. Corpus Hippocraticum. Dotyczyły one wirusa grypy, który towarzyszy ludzkości od wieków. Od XVI wieku wielokrotnie odnotowywano epidemie i pandemie grypy, podczas których umierały tysiące osób.

Przełomowym odkryciem dziedziny wirusologii były badania nad wirusem mozaiki tytoniu (TMV, ang. tobacco mosaic virus). Jest on pierwszym i najlepiej poznanym wirusem. Od 1879 roku Adolf Mayer prowadził badania nad chorobą roślin tytoniu tzw. chorobą mozaiki tytoniu. Prawie dwadzieścia lat później, w 1898 roku, M. W. Berijerinck opublikował wyniki dotyczące eksperymentu filtracyjnego. Na ich podstawie stwierdził on, że czynnikiem powodującym chorobę mozaiki tytoniu jest zakaźny płyn żywy (łac. contagium vivum fluidium), w którym znajduje się czynnik chorobotwórczy mniejszy od bakterii, obecnie nazywany wirusem. Berijerinck wykazał również, że może się on namnażać w roślinach, jednak nie da się go hodować, tak jak bakterie. Dopiero w połowie XX wieku W.M. Stanley wyizolował formę krystaliczną wirusa, przyczyniając się do rozwoju badań nad nim. Pomimo dobrego poznania TMV, do tej pory choroba ta powoduje duże straty w uprawach, które są spowodowane zahamowanym wzrostem i rozwojem roślin.

W 1896 roku zaobserwowano pierwsze antybakteryjne właściwości wirusów. Zauważono, że w środowisku wodnym wzrost przecinkowca cholery (Vibrio cholerae) i Gram‑dodatniej pałeczki (Bacillus subtilis) zostaje zahamowany. Ponad dwadzieścia lat później wysunięto hipotezę, że za to zjawisko odpowiedzialne są bakteriofagi, czyli wirusy namnażające się w bakteriach.

R1RQ4s4lGAmRy

Czarno‑białe zdjęcie przedstawia Ludwika Pasteura. Jest to starszy mężczyzna ujęty w pozycji siedzącej. Ma on ciemne włosy zaczesane na bok. Na twarzy posiada zmarszczki, ma ciemne oczy oraz bujny, siwy zarost – wąsy i przystrzyżoną bródkę. Ubrany jest on w ciemną, dwurzędową marynarkę, znad której wystaje biały kołnierzyk koszuli i czarna mucha.

Szczepionka przeciwko wirusowi wścieklizny była odkryciem, które przyczyniło się do powstania teorii dotyczącej przeciwnowotworowego potencjału wirusów. W 1912 roku włoski ginekolog Nicola De Pace podał szczepionkę pacjentce chorej na raka szyjki macicy, u której − po jej podaniu − zaobserwował remisję guza. Kolejne obserwacje potwierdziły te właściwości. Grupę wirusów, które namnażają się w komórkach nowotworowych, a następnie prowadzą do ich rozpadu, nazywa się wirusami onkolitycznymi. Obecnie prowadzone są liczne badania nad możliwością wykorzystania niektórych wirusów zwierzęcych w terapii przeciwnowotworowej.

W 1981 roku zaobserwowano skupiska rzadkich chorób, takich jak mięsak Kaposiego i zapalenie płuc. Okazało się, że są one związane z zespołem nabytego niedoboru odporności (AIDS, ang. acquired immunodeficiency syndrome). Dwa lata później zespół Luca Montganiera odkrył związek występowania AIDS z zakażeniem retrowirusem, nazywanym obecnie wirusem ludzkiego niedoboru odporności (HIV, ang. human immunodeficiency virus). W połowie lat 80. XX wieku powstały pierwsze testy diagnostyczne. Pierwszy lek (inhibitor proteazy) przeciwko HIV został opracowany pod koniec 1995 roku. Obecnie prowadzone są badania nad skutecznością szczepionki przeciwko HIV.

R1GZ4M6RSS1RZ

Zdjęcie z mikroskopu skaningowego przedstawia ludzki limfocyt T zainfekowany wirusem HIV. Limfocyt składa się z wielu czerwonych, pofałdowanych części. Na jego powierzchni znajdują się żółte, niewielkie punkty.

W roku 1982 zespół profesora Haralda zur Hausena po raz pierwszy wyizolował DNA wirusa brodawczaka ludzkiego (HPV, ang. human papillomavirus) z nowotworowo zmienionych tkanek. Rok później opublikowano pracę na temat roli wirusa brodawczaka w powstawaniu zmian nowotworowych. Obecnie znanych jest ponad 200 typów HPV. Ze względu na potencjał onkogenny wyróżnia się HPV wysokiego (hr HPV, ang. high risk) i niskiego ryzyka (lr HPV, ang. low risk). Pierwsze z nich (typ 16, 18, 31, 45) odgrywają rolę w przypadku zachorowań na raka szyjki macicy, krtani, jamy ustnej i migdałka. Zakażenie lr HPV najczęściej przebiega bezobjawowo, jednak niektóre typy (np. 6 i 11) odpowiedzialne są za pojawianie się zmian skórnych tzw. kłykcin kończystych. Obecnie istnieją leki umożliwiające punktowe leczenie zmian skórnych, oraz szczepionki prewencyjne przeciwko niektórym typom HPV.

Wirusy onkogenne

R3z8up4mNthog

Film nawiązujący do treści materiału

Film nawiązujący do treści materiału

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R3z8up4mNthog

Film nawiązujący do treści materiału

Budowa i mechanizm infekcji wiroidów

Wiroid to nic innego jak sam kwas nukleinowy, konkretnie RNA, pozbawiony płaszcza białkowego. Ustalono, że ciężar wiroidu jest około 20 razy mniejszy od ciężaru kwasu nukleinowego najmniejszych wirusów.

R1XN6wf8tGIh7

Na grafice przedstawiono trzy rodzaje wiroidów. Pierwszy z nich to wiroid żółtej plamistości awokado. Ma kształt pałeczkowaty oraz następujący układ zasad w RNA: GAAAC GU AC GUUUC AG AGUC GUUUC AC. Drugi z nich to utajony wiroid mozaiki brzoskwini. Ma on kształt promienisty, a układ zasad w RNA jest następujący: GUUUC AC UCAG AC CAAAG AG AGUC UG. Ostatni z nich to utajony wiroid oberżyny. Ma kształt litery T z odgałęzieniem, a układ zasad w RNA jest następujący: GUUUC AC UCAG AC UAAAG AG AGUC UA.

Wiroidy nie są szeroko rozpowszechnioną grupą czynników zakaźnych. Wyróżniono wśród nich dwie rodziny: Avsunviroidae i Pospiviroidae. Do rodziny Avsunviroidae zalicza się trzy rodzaje, natomiast rodzina Pospiviroidae obejmuje pięć rodzajów.

Wiroidy z rodziny Avsunviroidae należące do rodzaju Avsunviroid mają stosunkowo prostą budowę przypominającą pałeczkę. Jedynym znanym gospodarzem tych wiroidów jest awokado, a infekujący je czynnik zakaźny nazywany jest wiroidem żółtej plamistości awokado (Avocado sunblotch viroid).

RwKCGw5mcNiuu

Film pod tytułem: Budowa i mechanizm infekcji wiroidów.

Film pod tytułem: Budowa i mechanizm infekcji wiroidów.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RwKCGw5mcNiuu

Film pod tytułem: Budowa i mechanizm infekcji wiroidów.

Rekombinacja i mutacje w genomach wirusowych i ich znaczenie

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

Ilustracja przedstawia kilka stykających się ze sobą kulistych struktur otoczonych wypustkami.

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

Wirus typu C jest najmniej chorobotwórczy i nie wywołuje pandemii – 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

Ilustracja przedstawia kulistą formę. Na zewnątrz ma czerwone i niebieskie wypustki. Niebieskie to hemaglutynina, czerwone to neuraminidaza. Na powierzchni są także niebieskie, okrągłe płaskie elementy. Przez ich środek przechodzi kanał jonowy. W środku kulistej struktury znajdują się nici RNA. Mają postać sprężyn.

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

Ilustracja przedstawia skok antygenowy wirusa grypy. Na ilustracji są trzy różne wirusy. Pod sylwetką człowieka jest owalna forma z wypustkami po zewnętrznej stronie. W środku jest sześc helis. Trzecia od góry jest czerwona, pozostałe są niebieskie. Następnie obok pod ikoną kaczki jest wirus otoczony wypustkami, ale w środku jest sześć fioletowych helis. Pomiędzy ludzkim wirusem a ptasim jest znak dodać. W efekcie powstaje wirus atakujący człowieka. Wirus otoczony jest wypustkami, w środku ma sześć helis. Trzecia od góry jest fioletowa, pozostałe są niebieskie.

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.

R1BqXCbJHGidR

Ilustracja przedstawia schemat genomu pandemicznego wirusa grypy AH1N1. Na ilustracji jest owalna struktura otoczona wypustkami. W środku są różnokolorowe helisy. Pierwsza od góry jest zielona. Opis: PB2 - ptasi północnoamerykański H7N7. PB2 - kompleks białek o aktywności polimerazy RNA. Kolejna helisa, druga od góry, jest fioletowa. Opis: PB1 - ludzki z wirusa H3N3 z 1993 roku. PB1 - kompleks białek o aktywności polimerazy RNA. Trzecia od góry, niebieska helisa. Opis: PA - ptasi północnoamerykański H7N7. PA - kompleks białek o aktywności polimerazy RNA. Różowa helisa, czwarta od góry. Opis: HA - świński H1N1 - hiszpanka z 1918 roku. HA - hemaglutynina. Żółta, piąta helisa: NA - świński euroazjatycki H1N1. NA - neuraminidaza. Szara, szósta od góry helisa. NP - świński północnoamerykański H1N1. NP - nukleoproteina. Brązowa, przedostatnia helisa. M - świński euroazjatycki H1N1. M- białko macierzy (matrix). Ostatnia, czerwona helisa. NS - świński północnoamerykański H1N1. NS - białko niestrukturalne.

R1ZmsbbfG50Ba

Ilustracja przedstawia różne gatunki zwierząt są wrażliwe na zakażenie podtypami wirusa grypy typu A. H oznacza hemaglutyninę 1‑18, N neuraminidazę 1‑9. W centrum schematu jest kaczka, wirus H 1‑16, N 1‑9. Dookoła kaczki są strzałki prowadzące do innych ptaków oraz ssaków, w tym do człowieka. Kura: H 4‑7, 9, 10; N 1, 2, 4, 7, 9. Gęś: H 1‑12, N 1‑9. Indyk H 1‑10, N 1‑9. Foka H7N7, H4N5, H3N3. Wieloryb H3N2, H13N9. Człowiek H1N1, H2N2, H3N2 (H2N8, H3N8). Świnia H1N1, H1N2, H3N2. Pomiędzy człowiekiem a świnią jest strzałka skierowana w dwie strony. Koń H3N8, H7N7. Kuna H10N4.

Mechanizm odwrotnej transkrypcji

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.

Procesy płciowe i zmienność genetyczna bakterii

Procesy płciowe dają zmienność genetyczną, co pozwala bakteriom nabywać nowe cechy. Ich ujawnienie się w kolejnych pokoleniach umożliwia im przystosowanie się do zmieniających się warunków środowiska (np. enzymatyczny rozkład antybiotyku pojawiającego się w otoczeniu bakterii). Przystosowanie do nowych parametrów otoczenia zwiększa średnią przeżywalność organizmów bakteryjnych, a co za tym idzie, przetrwanie gatunku.