Wirusy - czynniki zakaźne
Wirusy - czynniki zakaźne
Przedstawisz budowę wirusów jako bezkomórkowych form infekcyjnych.
Przedstawisz różnorodność morfologiczną i genetyczną wirusów.
Porównasz cykle infekcyjne wirusów (lityczny i lizogeniczny).
Wyjaśnisz mechanizm odwrotnej transkrypcji i jego znaczenie w namnażaniu retrowirusów.
Badania nad wirusem mozaiki tytoniu (TMV, ang. tobacco mosaic virus) odegrały kluczową rolę w rozwoju wirusologii. Pod koniec XIX wieku Dmitrij Iwanowski i Martinus Beijerinck wykazali, że czynnik wywołujący chorobę przechodzi przez filtry zatrzymujące bakterie. W 1935 r. Wendell M. Stanley otrzymał preparat wirusa mozaiki tytoniu w postaci krystalicznej. Obecnie prowadzone są liczne badania nad ich wykorzystaniem w terapiach przeciwbakteryjnych czy przeciwnowotworowych.
Budowa i właściwości wirusów
Wirusy w większości osiągają niewielkie rozmiary – mają wielkość od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów i możemy je obserwować głównie w mikroskopie elektronowym.
Wirion jest kompletną cząstką wirusową występującą poza komórką. Zawiera genom oraz struktury umożliwiające jego ochronę, rozpoznanie komórki gospodarza i rozpoczęcie zakażenia. Nie każda wytworzona cząstka wirusowa musi być zakaźna.
Każdy wirion składa się z materiału genetycznego w postaci DNA lub RNA oraz z białkowej osłony genomu, zwanej kapsydem zbudowanym z niewielkich białkowych podjednostek strukturalnych – kapsomerów. Część wirusów ma osłonkę lipidowąpochodzącą z błon komórki gospodarza. W osłonkę są wbudowane wirusowe glikoproteiny uczestniczące w rozpoznawaniu receptorów i wnikaniu wirusa do komórki.
Wirusy mogą namnażać się wyłącznie we wnętrzu komórek organizmów.
Wirusy nie mają budowy komórkowej, nie mają organelli komórkowych, w tym rybosomów, dlatego wykorzystują struktury i możliwości procesów metabolicznych gospodarza. Genom wirusa przeprogramowuje aktywność komórki, wykorzystując jej rybosomy, energię, metabolity i część enzymów do syntezy składników potomnych wirionów. Proces ten określamy namnażaniem się wirusów.
Zarówno kształt, wielkość oraz sposób namnażania stanowią podstawę do klasyfikacji wirusów.
Formy morfologiczne wirusów
Wirusy mogą mieć różne kształty. Na ogół wyróżnia się:
Są charakterystyczne dla większości wirusów roślinnych.
Mają postać 20‑ścienną, rzadziej 12‑ścienną, a ich przykładem są wirusy zwierzęce.
Kształt kulisty wynika z obecności otoczki lipidowej, która osłania kapsyd. Taką formę ma np. wirus HIV należący do retrowirusów, które zawierają materiał genetyczny w postaci RNA.
Do najbardziej złożonych wirusów, ze względu na budowę morfologiczną kapsydu, należą te, które wyspecjalizowały się w zakażaniu bakterii. Nazywamy je bakteriofagami, inaczej fagami. Wiele znanych bakteriofagów ma budowę złożoną: wielościenną główkę oraz ogonek z włóknami umożliwiającymi rozpoznanie komórki bakterii. Nie wszystkie bakteriofagi mają jednak ogonek, a ich budowa jest znacznie bardziej zróżnicowana.
Materiał genetyczny bakteriofaga ma najczęściej postać długiej cząsteczki kwasu nukleinowego, zwykle jednoniciowego lub dwuniciowego DNA, 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.
Pochodzenie wirusów
W badaniach pokrewieństwa bakterii i archeonów często wykorzystuje się sekwencje genu kodującego 16S rRNA. Wirusy nie mają rybosomów ani wspólnego genu odpowiadającego 16S rRNA, dlatego ich ewolucji nie można odtworzyć za pomocą jednego uniwersalnego markera. Niemniej jednak istnieją hipotezy, że wirusy pochodzą od ich gospodarzy. Pokrewieństwa w grupach wirusów ustala się, badając sekwencje nukleotydowe ich genomów.
Istnieją trzy podstawowe hipotezy pochodzenia wirusów:
Zapoznaj się z wywiadem z ekspertem w filmie „Właściwości wirusów oraz pasożytnictwo molekularne”. Następnie wykonaj polecenia.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RHM4DPAF6XQF9
Film pod tytułem: Właściwości wirusów oraz pasożytnictwo molekularne.
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.
Materiał genetyczny wirusów ma zazwyczaj postać liniową, rzadziej kolistą. Może być zbudowany z jednej cząsteczki kwasu nukleinowego lub występować w formie genomu segmentowanego, złożonego z kilku odrębnych fragmentów.
Segmentacja genomu umożliwia powstawanie potomnych wirusów zawierających segmenty pochodzące od różnych wirusów zakażających tę samą komórkę. Proces ten nazywa się reasortacją. Dodatkowo między fragmentami materiału genetycznego wirusa może dochodzić do ich wymiany, czyli rekombinacji genetycznej. Mechanizmy te zwiększają zmienność genetyczną wirusów, umożliwiając powstawanie nowych wariantów o zmienionych właściwościach, m.in. zdolności do zakażania nowych gospodarzy lub unikania odpowiedzi immunologicznej. Mogą również utrudniać opracowywanie skutecznych szczepionek i sprzyjać powstawaniu nowych ognisk epidemicznych.
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 i cykle infekcyjne
Namnażanie się wirusów można podzielić na kilka etapów:
Replikacja większości wirusów DNA odbywa się w jądrze komórki gospodarza, wykorzystując własne lub komórkowe enzymy.
Inaczej jest w przypadku wirusów RNA, ponieważ komórki eukariotyczne nie posiadają enzymów do replikacji RNA. Dlatego wirusy RNA wykorzystują własną polimerazę RNA zależną od RNA, zwaną również replikazą. Enzym ten może być obecny w wirionie lub być syntetyzowany w zakażonej komórce gospodarza na podstawie informacji zapisanej w genomie wirusa.
Wiele wirusów wykazuje swoistość w odniesieniu do gatunku gospodarza, np. bakteriofag T4 atakuje wyłącznie komórki bakterii pałeczki okrężnicy (Escherichia coli).
W przebiegu infekcji wirusowej dochodzi do namnażania się wirusa w komórkach gospodarza. Sposób wnikania do komórki zależy od typu wirusa i komórki gospodarza. Wirusy zwierzęce mogą wnikać przez fuzję z błoną komórkową lub na drodze endocytozy, natomiast u wielu bakteriofagów do komórki bakterii wprowadzany jest głównie kwas nukleinowy, a większość kapsydu pozostaje na zewnątrz.
Wyróżnia się dwa podstawowe cykle infekcyjne bakteriofagów cykl lityczny i cykl lizogeniczny.
Cykl lityczny bakteriofagów
To cykl infekcyjny bakteriofagów, w którym zainfekowana komórka zostaje zniszczona.
Przesuwając suwak, obserwuj poszczególne fazy cyklu litycznego.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D9AVBG5PV
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.
Cykl lizogeniczny bakteriofagów
Jest to cykl infekcyjny wirusów, który polega na integracji materiału genetycznego wirusa z chromosomem bakteryjnym gospodarza, tworząc profaga. Materiał genetyczny bakteriofaga może być przenoszony do komórek potomnych przy każdym kolejnym podziale komórek. Pod wpływem czynników zewnętrznych lub samorzutnie profag może zostać wycięty z chromosomu bakteryjnego, wejść w cykl lityczny i doprowadzić do zniszczenia komórki.
Przesuwając suwak, obserwuj poszczególne fazy cyklu lizogenicznego.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D9AVBG5PV
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.
Infekcja wirusowa w przypadku wirusów zakażających ludzi i zwierzęta
Odwrotna transkrypcja jako etap cyklu infekcyjnego wirusów RNA
Retrowirusy są grupą wirusów RNA, których materiał genetyczny ulega podczas cyklu infekcyjnego 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. Syntetyzuje ona DNA na matrycy wirusowego RNA. Dzięki jej aktywności powstaje dwuniciowe DNA, które jest następnie wprowadzane do jądra. Integraza katalizuje włączenie wirusowego DNA do genomu komórki, tworząc prowirus.
Dalsze etapy procesu ekspresji genetycznej retrowirusa przebiegają tak samo jak w przypadku wirusów DNA. Zintegrowane wirusowe DNA jest transkrybowane na wirusowe RNA. Część powstałego RNA pełni funkcję mRNA i jest wykorzystywana do syntezy białek wirusowych, a część stanowi materiał genetyczny nowych wirionów. Nowo powstałe składniki wirusa są składane w wiriony, które opuszczają komórkę, pobierając fragment jej błony komórkowej, z którego powstaje otoczka wirusowa.
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 enzymów jest polimeraza RNA zależna od RNA, która umożliwia replikowanie materiału genetycznego wirusa. Koronawirusy namnażają się więc bez konieczności syntezy DNA na matrycy RNA i bez udziału odwrotnej transkryptazy.
Podsumowanie
Wirusy są bezkomórkowymi formami infekcyjnymi, które nie mają budowy komórkowej, własnego metabolizmu i nie są zdolne do samodzielnego namnażania się. Ich cząstki składają się z materiału genetycznego (DNA lub RNA) otoczonego białkowym kapsydem, a niektóre wirusy mają dodatkowo osłonkę lipidową zawierającą białka powierzchniowe.
Wirusy wykazują dużą różnorodność morfologiczną i genetyczną. Mogą mieć różne kształty oraz różny rodzaj materiału genetycznego – liniowe lub koliste, 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 bakteriofagów:
- cykl lityczny – wirus przejmuje kontrolę nad komórką, namnaża swój materiał genetyczny i syntetyzuje białka, a następnie powoduje lizę (rozpad) komórki, uwalniając nowe wiriony;
- cykl lizogeniczny – materiał genetyczny wirusa wbudowuje się w genom gospodarza jako profag i może być powielany razem z DNA komórki bez jej niszczenia; w sprzyjających warunkach może przejść w cykl lityczny.Odwrotna transkrypcja to proces syntezy DNA na matrycy RNA przy udziale enzymu odwrotnej transkryptazy. Mechanizm ten występuje u retrowirusów, np. u HIV, i umożliwia wbudowanie wirusowego DNA do genomu komórki gospodarza, co jest kluczowe dla ich namnażania.
Ćwiczenia utrwalające
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.