Wirusologia molekularna - Molecular virology

Pracownik CDC w laboratorium wirusologii o maksymalnym zabezpieczeniu

Wirusologia molekularna to badanie wirusów na poziomie molekularnym. Wirusy to submikroskopijne pasożyty, które replikują się w komórkach żywiciela . Są w stanie skutecznie infekować i pasożytować na wszelkiego rodzaju formach życia - od mikroorganizmów po rośliny i zwierzęta - w wyniku czego wirusy mają większą różnorodność biologiczną niż reszta królestw bakterii, roślin i zwierząt razem wziętych. Badanie tej różnorodności jest kluczem do lepszego zrozumienia, w jaki sposób wirusy wchodzą w interakcje z gospodarzami, rozmnażają się w nich i powodują choroby.

Replikacja wirusa

Wirusy replikują się i rozmnażają dzięki gospodarzowi. Dzieje się tak, ponieważ wirusy nie są w stanie przejść przez podział komórkowy, ponieważ są bezkomórkowe - co oznacza, że ​​brakuje im informacji genetycznej, która koduje narzędzia niezbędne do syntezy białek lub wytwarzania energii metabolicznej; dlatego polegają na swoim gospodarzu, aby się powielać i rozmnażać. Wykorzystując maszynerię komórki gospodarza, wirus generuje kopie swojego genomu i produkuje nowe wirusy, aby przetrwać tego rodzaju i zakażać nowych żywicieli. Proces replikacji wirusa różni się w zależności od genomu wirusa.

Klasyfikacja

W 1971 roku David Baltimore , biolog zdobywca Nagrody Nobla , stworzył system o nazwie Baltimore Classification System , według którego wirusy są podzielone na siedem klas w oparciu o ich strategię replikacji:

  • Klasa I: dwuniciowy DNA. W zależności od miejsca replikacji genomu klasę tę można podzielić na dwie grupy: (a) wirusy, w których replikacja zachodzi wyłącznie w jądrze, a zatem jest względnie zależna od czynników komórkowych; (b) wirusy replikujące się w cytoplazmie, które są w większości niezależne od maszynerii komórkowej ze względu na fakt, że nabyły wszystkie potrzebne czynniki do transkrypcji i replikacji ich genomu.
  • Klasa II: jednoniciowy DNA. Wirusy te replikują się tylko w jądrze. W procesie replikacji powstaje dwuniciowy związek pośredni, który służy jako matryca do syntezy jednoniciowego DNA wirusa.
  • Klasa III: dwuniciowy RNA. Wirusy z tej klasy mają podzielone genomy. Każdy segment jest transkrybowany indywidualnie w celu wytworzenia monochromatycznego mRNA, który koduje tylko jedno białko.
  • Klasa IV: jednoniciowy RNA - sens pozytywny. Genom tych wirusów to RNA o dodatnim sensie , w którym RNA ulega bezpośredniej translacji do białka wirusa . Wirusy te można podzielić na dwie grupy w zależności od ich procesu translacji: (a) wirusy z policistronowym mRNA, w którym RNA przekłada się na wiele produktów białkowych; b) wirusy o bardziej złożonej transkrypcji niż pierwsza grupa, w przypadku których do wytworzenia genomowego RNA konieczne są subgenomowe RNA lub dwie rundy translacji.
  • Klasa V: jednoniciowy RNA - ujemny sens. Wszystkie wirusy z tej klasy mają RNA o ujemnym sensie , w którym RNA uzupełnia mRNA, transkrybuje do RNA o dodatniej czułości poprzez polimerazę wirusową i przekształca się w białko wirusowe. Wirusy z tej klasy mają segmentowane lub niesegmentowane RNA; tak czy inaczej, replikacja zachodzi w cytoplazmie komórki.
  • Klasa VI: jednoniciowy sensowny RNA z pośrednim DNA. Wirusy te wykorzystują odwrotną transkryptazę do konwersji RNA o dodatnim sensie (jako matrycy) w DNA. Najbardziej znaną rodziną tej klasy są retrowirusy .
  • Klasa VII: dwuniciowy DNA z pośrednim RNA. Genom tych wirusów jest pozbawiony luk , dwuniciowy, a następnie zostaje wypełniony, tworząc cccDNA (kowalencyjnie zamknięty kolisty DNA). Ta grupa również wykorzystuje odwrotną transkrypcję podczas procesu dojrzewania.
Cykl replikacji wirusa - uproszczony

Cykl replikacji

Niezależnie od różnic między gatunkami wirusów, wszystkie mają sześć podstawowych etapów replikacji:

Przywiązanie jest punktem początkowym cyklu i składa się ze specyficznych wiązań między antyreceptorami (lub białkami przyłączającymi wirusa) a cząsteczkami receptorów komórkowych, takimi jak (gliko) białka. Zakres gospodarza wirusa jest określony przez specyficzność wiązania. Przyłączenie powoduje, że białko wirusa zmienia swoją konfigurację, a tym samym łączy się z błoną komórkową gospodarza; w ten sposób umożliwiając wirusowi wejście do komórki.

Przenikanie wirusa następuje poprzez fuzję błon lub endocytozę za pośrednictwem receptorów i prowadzi do przedostania się wirusa . Ze względu na ich sztywne celulozy ręczna

(chityna w przypadku komórek grzybów) ściany komórkowe, rośliny i komórki grzybów zakażają się inaczej niż komórki zwierzęce. Często, aby wirus dostał się do komórki, wymagany jest uraz ściany komórkowej.

Niepowlekanie polega na usunięciu kapsydu wirusa , co sprawia, że ​​wirusowe kwasy nukleinowe są dostępne do transkrypcji. Kapsyd mógł zostać zdegradowany przez enzymy gospodarza lub wirusowe, uwalniając genom wirusa do komórki.

Replikacja to namnażanie materiału genetycznego wirusa. Proces obejmuje transkrypcję mRNA, syntezę i montaż białek wirusowych i jest regulowany przez ekspresję białek.

Proces składania obejmuje łączenie i modyfikowanie nowo powstałych wirusowych kwasów nukleinowych i białek strukturalnych w celu utworzenia nukleokapsydu wirusa.

Uwalnianie wirusów może odbywać się za pomocą dwóch różnych mechanizmów w zależności od typu wirusa. Wirusy lityczne rozbijają błonę lub ścianę komórki w procesie zwanym lizą , aby się uwolnić. Z drugiej strony, wirusy otoczkowe są uwalniane w procesie zwanym pączkowaniem, w którym wirus uzyskuje swoją błonę lipidową, gdy wychodzi z komórki przez błonę lub pęcherzyk wewnątrzkomórkowy . Zarówno procesy lizy, jak i pączkowania są wysoce szkodliwe dla komórki, z wyjątkiem retrowirusów i często prowadzą do śmierci komórki.

Patogeneza wirusowa

Patogeniczność to zdolność jednego organizmu do wywoływania choroby u innego. Istnieje wyspecjalizowana dziedzina badań wirusologicznych zwana patogenezą wirusów, w której bada się, w jaki sposób wirusy infekują swoich gospodarzy na poziomie molekularnym i komórkowym.

Aby choroba wirusowa rozwinęła się, należy podjąć kilka kroków. Po pierwsze, wirus musi dostać się do organizmu i wszczepić się w tkankę (np. Tkankę oddechową). Po drugie, wirus musi rozmnażać się pozakomórkowo po zaatakowaniu, aby móc wykonać liczne kopie samego siebie. Po trzecie, zsyntetyzowane wirusy muszą rozprzestrzeniać się po całym organizmie poprzez układ krążenia lub komórki nerwowe.

Infekcja syncytialnym wirusem oddechowym (RSV) zwykle powoduje rozległe zapalenie oskrzelików i śródmiąższowe zapalenie płuc, które czasami może być związane z komórkami olbrzymimi. Ten obraz przedstawia niespecyficzny wzór śródmiąższowego zapalenia płuc bez obecności komórek olbrzymich.

W odniesieniu do chorób wirusowych należy przyjrzeć się dwóm aspektom: a) bezpośredniemu skutkowi replikacji wirusa; (b) reakcje organizmu na infekcję. Przebieg i ciężkość wszystkich infekcji wirusowych zależy od dynamiki między wirusem a gospodarzem. Typowe objawy infekcji wirusowych to gorączka, bóle ciała, stany zapalne i wysypki skórne. Większość z tych objawów jest spowodowana reakcją naszego układu odpornościowego na infekcję i nie jest bezpośrednim skutkiem replikacji wirusa.

Skutki cytopatii wirusa

Często można rozpoznać komórki zakażone wirusem poprzez szereg typowych zmian fenotypowych określanych jako efekty cytopatii. Te zmiany obejmują:

  • Zmieniony kształt: kształt przylegających komórek - komórek, które przyczepiają się do innych komórek lub sztucznych substratów - może zmienić się z płaskiego na okrągły. Ponadto wypustki komórki przypominające wąsy - zaangażowane w ruchliwość i przyczepianie się komórki - są wycofywane do komórki.
  • Oderwanie od podłoża: następuje w wyniku uszkodzenia przylegających komórek. Uszkodzenie komórek spowodowane jest częściową degradacją cytoszkieletu .
  • Liza: W tym przypadku cała komórka rozpada się z powodu wchłaniania płynu zewnątrzkomórkowego i obrzęku. Nie wszystkie wirusy powodują lizę.
  • Fuzja błon : błony sąsiednich komórek łączą się ze sobą i wytwarzają masę zwaną syncytium , w której cytoplazma zawiera więcej niż jedno jądro i pojawia się jako olbrzymia komórka. Te komórki mają krótką żywotność w porównaniu z innymi komórkami.
  • Zwiększenie przepuszczalności błony: Wirusy mogą zwiększać przepuszczalność błony, co pozwala wielu jonom zewnątrzkomórkowym (np. Jonom jodu i sodu) dostać się do komórki.

Infekcje wirusowe

Istnieje pięć różnych typów infekcji wirusowych:

  • Nieudana infekcja : ten rodzaj infekcji występuje, gdy wirus skutecznie atakuje komórkę gospodarza, ale nie jest w stanie zakończyć pełnego cyklu replikacji i wytworzyć więcej zakaźnych wirusów.
Wirion wirusa Ebola. Stworzona przez mikrobiologa z GC Cynthię Goldsmith, ta kolorowa transmisyjna mikrografia elektronowa (TEM) ujawniła część ultrastrukturalnej morfologii wykazywanej przez wirion wirusa Ebola.
  • Ostra infekcja: wiele powszechnych infekcji wirusowych ma ten wzór. Ostre infekcje są krótkotrwałe, ponieważ często są całkowicie eliminowane przez układ odpornościowy. Ostra infekcja jest często związana z epidemiami, ponieważ większość replikacji wirusa następuje przed wystąpieniem objawów.
  • Przewlekła infekcja: te infekcje mają przedłużony przebieg i są trudne do wyeliminowania, ponieważ wirus pozostaje w gospodarzu przez dłuższy czas.
  • Trwała infekcja: w tym schemacie istnieje delikatna równowaga między gospodarzem a wirusem. Wirus dostosowuje swoją replikację i poziomy patogenności, aby utrzymać żywiciela przy życiu dla własnych korzyści. Chociaż wirus może żyć i replikować się wewnątrz hosta przez cały okres jego życia, często host ostatecznie eliminuje wirusa.
  • Utajona infekcja: Będąc ostateczną infekcją, utajone infekcje wirusowe zwykle istnieją wewnątrz gospodarza przez całe jego życie. Dobrze znanym przykładem takiej infekcji jest wirus opryszczki pospolitej u ludzi. Wirus ten jest w stanie zatrzymać replikację i ograniczyć ekspresję genów w celu zatrzymania rozpoznania zakażonej komórki przez układ odpornościowy gospodarza.

Zapobieganie i leczenie

Szczepionki wirusowe zawierają inaktywowane wirusy, które utraciły zdolność do replikacji. Te szczepionki mogą zapobiegać chorobom wirusowym lub zmniejszać ich nasilenie. Opracowywanie szczepionek przeciwko ospie prawdziwej, polio i wirusowemu zapaleniu wątroby typu B w ciągu ostatnich 50 lat miało znaczący wpływ na światowe zdrowie, a tym samym na globalną populację. Niemniej jednak w ciągu ostatnich kilku lat miały miejsce epidemie wirusów (takie jak wirusy Ebola i Zika ), które dotykają miliony ludzi na całym świecie. Dlatego potrzebne jest bardziej zaawansowane zrozumienie wirusologii molekularnej i wirusów, aby opracować nowe szczepionki i kontrolować trwające / przyszłe epidemie wirusów.

Alternatywnym sposobem leczenia infekcji wirusowych byłyby leki przeciwwirusowe, w których lek blokuje cykl replikacji wirusa. Specyfika leku przeciwwirusowego jest kluczem do jego sukcesu. Leki te są toksyczne zarówno dla wirusa, jak i dla żywiciela, ale w celu zminimalizowania ich uszkodzeń są opracowywane w taki sposób, aby były bardziej toksyczne dla wirusa niż dla gospodarza. Skuteczność leku przeciwwirusowego mierzy się wskaźnikiem chemioterapeutycznym, wyrażonym przez:

Im wyższa skuteczność leku, tym mniejsza wartość wskaźnika chemioterapeutycznego. W praktyce klinicznej ten wskaźnik służy do tworzenia bezpiecznego i klinicznie użytecznego leku.

Bibliografia

  1. ^ Crawford, Dorothy (2011). Wirusy: bardzo krótkie wprowadzenie . Nowy Jork, NY: Oxford University Press. s.  4–7 . ISBN   978-0199574858 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af Cann, Alan (2012). Zasady wirusologii molekularnej . ELSEVIER. p. 214. ISBN   9780123849403 .
  3. ^ Koonin Eugene V .; Senkevich, Tatiana G .; Dolja, Valerian V. (1 stycznia 2006). „Starożytny świat wirusów i ewolucja komórek” . Biology Direct . 1 : 29. doi : 10,1186 / 1745-6150-1-29 . ISSN   1745-6150 . PMC   1594570 . PMID   16984643 .
  4. ^ Dimmock, Nigel (2007). Wprowadzenie do współczesnej wirusologii . Wiley-Blackwell. ISBN   978-1-119-97810-7 .
  5. ^ Collier, Leslie; Balows, Albert; Sussman, Max (1998) Topley and Wilson's Microbiology and Microbial Infections, wydanie dziewiąte, tom 1, Virology , redaktorzy tomu: Mahy, Brian and Collier, Leslie. Arnold. ISBN   0-340-66316-2 .
  6. ^ a b c d e Dimmock, NJ; Easton, Andrew J; Leppard, Keith (2007) Wprowadzenie do współczesnej wirusologii, wydanie szóste, Blackwell Publishing, ISBN   1-4051-3645-6 .
  7. ^ Barman, S; Ali, A; Hui, EK; Adhikary, L; Nayak, DP (2001). „Transport białek wirusowych do błony szczytowej i oddziaływanie białka macierzy z glikoproteinami w tworzeniu wirusów grypy”. Virus Res . 77 (1): 61–9. doi : 10.1016 / S0168-1702 (01) 00266-0 . PMID   11451488 .
  8. ^ Baron, S (1996). Mikrobiologia medyczna Rozdział 45 Patogeneza wirusowa . Galveston (Teksas).
  9. ^ „Epidemia wirusa Ebola w Afryce Zachodniej w 2014 r.”. WHO. 21 kwietnia 2014.

Dodatkowe linki