Riassunto insegnamento Virologia

Introduzione alla virologia

Un virus è un parassita endocellulare obbligato, obbligato perché al di fuori della cellula non può sopravvivere. La caratteristica principale dei virus è quella di avere una struttura molto semplice, generalmente sono costituiti da acidi nucleici e proteine, sono molto piccoli, e la loro struttura se paragonata a quella di una cellula procariotica, eucariotica o a un protozoo, è estremamente semplice.

Un virus infatti è definito come un agente infettivo, composto di acido nucleico (che può essere o una molecola di DNA o RNA) rivestito da un guscio proteico. Sono parassiti endocellulari obbligati della cellula, perché devono sfruttare l’apparato biosintetico della cellula per potersi replicare, quindi al di fuori della cellula il virus non può replicarsi, e per produrre una progenie virale deve infettare una cellula ospite specifica.

I virus in natura sono numerosissimi, esistono virus in grado di infettare i batteri, le piante e animali.

I virus sono generalmente molto piccoli, e le loro dimensioni sono inferiori generalmente a quelle dei batteri e a quelle di cellule eucariotiche sia animali che vegetali. Le loro dimensioni si collocano nell’ordine dei nanometri. Nei ribovirus (virus con genoma a RNA) le dimensioni sono comprese tra i 28-30 nanometri e 300 nanometri (i più grandi che infettano l’uomo sono i Poxvirus e i picornavirus, importanti perché generano il raffreddore nell’uomo, mentre i paramixovirus contengono il virus del morbillo, virus sinciziale molto importante perché causa manifestazione nelle vie respiratorie chiamata bronchiolite); mentre i deossiribovirus (virus a DNA) hanno una dimensione tra i 18-26 nanometri e 200-250 nanometri.

I virus più grandi sono i Poxvirus, virus a DNA molto importanti in quanto contengono il virus del vaiolo, e sono i virus umani più grandi.

Naturalmente i virus e i batteri non sono differenziabili solo in base alle dimensioni e al parassitismo endocellulare obbligato, quindi non è giusto dire il virus è più piccolo del batterio, ma ciò accade solo generalmente (i micoplasmi sono batteri molto piccoli la cui grandezza è simile a quella dei Poxvirus), inoltre alcuni batteri sono anche parassiti endocellulari obbligati, quindi si distinguono per il fatto che mentre i virus sono parassiti endocellulari obbligati, la maggior parte dei batteri non lo sono anche se vi sono alcune eccezioni (clamidie).

I virus sono innanzitutto degli agenti filtrabili, cioè se prendiamo dei filtri i virus passano, mentre la maggior parte dei batteri rimangono trattenuti dai filtri, questo perché i virus sono generalmente più piccoli dei batteri. I virus sono dei parassiti intracellulari obbligati, non producono energia né sintetizzano le loro proteine al di fuori della cellula ospite, il genoma può essere costituito da DNA o RNA, non possono contenere contemporaneamente tutte e due.

Da un punto di vista strutturale i virus proteggono il loro genoma con una struttura proteica chiamata capside. Questo è un involucro proteico che protegge il genoma del virus. Alcuni virus oltre ad un capside proteico hanno anche una membrana, un rivestimento ulteriore che viene chiamato pericapside. Questo permette di distinguere i virus in virus “nudi” (sono costituiti da acido nucleico e proteine) e virus “rivestiti” (che sono costituiti da acido nucleico, proteine e una membrana). Un’altra caratteristica dei virus è quella che, a differenza dei batteri e delle nostre cellule, non si replica per divisione ma per assemblaggio delle componenti virali.

Le componenti basi di un virione sono: acido nucleico, proteine strutturali (che andranno a costituire il capside), più una membrana nel caso del virus “rivestito” (in questo caso l’acido nucleico + le proteine costituisce il nucleocapside mentre la membrana può essere costituita anche da lipidi e glicoproteine).

Il fatto di distinguere tra virus “nudo” o “rivestito” determina caratteristiche differenti:

• Il virus nudo è più resistente, infatti è un virus stabile a diverse condizioni ambientali, tra cui la temperatura, presenza di detergenti, proteasi, di un ambiente acido, essiccamento, e tutto questo è legato alla modalità di trasmissione del virus: è chiaro che un virus più resistente potrà essere trasmesso per via oro-fecale e quindi andare nell’apparato digerente dove ci sono una serie di acidi che generalmente distruggono i virus rivestiti. Questa distinzione tra virus nudo e rivestito, avrà delle conseguenze e implicazioni nella patogenesi del virus.
• I virus rivestiti sono labili ad un ambiente acido, a detergenti, ad essiccamento, a calore. Tutto questo comporta, per esempio, che i virus rivestiti si diffondono generalmente per via respiratoria, per trasfusione di sangue, per trapianto d’organo.

Caratteristiche del genoma virale

Generalmente il genoma di un virus umano è compreso da 3.2 kb a 250-280 kb. I virus che hanno un genoma più grande sono i virus a DNA, e in particolare sono i poxvirus e gli herpesvirus.

Possiamo ritrovare un genoma a DNA o a RNA, ci sono però delle differenze. Tra i genomi a DNA ci sono virus che hanno una molecola a DNA a doppia elica, altri virus hanno un genoma a DNA a singola elica. Tra i virus a genoma a RNA ci sono due grandi distinzioni: virus a polarità positiva o negativa. Polarità positiva significa che il genoma del virus, una volta che il virus è entrato nella cellula suscettibile, viene subito tradotto dai ribosomi della cellula ospite nelle proteine del virus, è come se funzionasse come un nostro “RNA messaggero”. Un virus con genoma a RNA con polarità negativa significa che una volta che il virus entra nella cellula ospite il suo genoma non viene tradotto direttamente, ma dovrà essere copiato da un enzima virale (chiamato RNA polimerasi RNA dipendente) per trasformarlo in una molecola di RNA a polarità positiva che potrà essere poi tradotta. Questa distinzione è molto importante perché i virus a RNA con polarità negativa per potersi replicare, dovranno trasportare all’interno del virione la RNA polimerasi RNA dipendente (enzima che l’ospite non possiede). Questi virus a RNA saranno virus a singola elica o a doppia elica.

Da questa divisione di virus ci sono altre conseguenze importanti: un enzima che copia il DNA solitamente è un enzima “fedele”, cioè se sbaglia torna indietro e corregge, mentre i virus a RNA utilizzano questo enzima RNA polimerasi che non è in grado di correggere gli errori, quindi i virus a RNA sono caratterizzati dal mutare molto più spesso (tra i virus a RNA ricordiamo virus dell’epatite C e dell’HIV).

Ritornando ai virus a DNA abbiamo visto che la distinzione è a singola elica o a doppia elica. All’interno dei virus a DNA a doppia elica il genoma può presentarsi in maniera diversa (può essere lineare, circolare, formare un circolo incompleto come il virus dell’epatite B).

I virus a RNA possono essere a singola o a doppia elica, positivi o negativi. Il genoma a singola elica può essere intero o segmentato (il virus ha tanti pezzetti di molecole di RNA all’interno del virione, virus dell’influenza, il fatto di avere un genoma segmentato aumenta notevolmente la variabilità del virus). Il genoma a doppia elica è solitamente di tipo segmentato: hanno più molecole di RNA a doppia elica.

L’utilità di avere insieme all’acido nucleico delle proteine consiste nel proteggere il genoma: da un punto di vista di stabilità il DNA è più stabile rispetto all’RNA, che si degrada facilmente, quindi il fatto di avere delle proteine serve al virus per proteggersi e facilitare la sua diffusione.

Altra caratteristica importante nel possedere il rivestimento proteico è che consente al virus di riconoscere la cellula ospite: sul capside ci sono delle proteine chiamate antirecettore che si legheranno a specifici recettori espressi sulla cellula suscettibile (ogni virus infetta determinate tipi di cellule, e dal tipo di cellula infetta si determina una particolare patogenesi: il virus dell’epatite infetta il fegato e quindi infettano gli epatociti).

Una caratteristica dei virus è nella riproduzione: non si dividono ma si assemblano da proteine che verranno sintetizzate. Hanno una ristretta capacità codificante, quindi è chiaro che in un’economia genetica il virus deve adottare delle strategie per formare delle strutture che rivestono in maniera adeguata il proprio genoma e lo fa utilizzando delle regole di simmetria: i virus si autoassemblano formando delle strutture geometriche estremamente regolari (simmetria elicoidale o simmetria icosaedrica), quando si vanno a classificare i virus oltre a distinguerli tra virus con genoma a DNA o a RNA, positivi o negativi, nudi o rivestiti, verranno distinti anche per il fatto di possedere o una simmetria icosaedrica o elicoidale. La simmetria icosaedrica è molto più complessa rispetto a una simmetria elicoidale in quanto possono assumere forme poliedriche o forme sferiche.

Tutti i virus a DNA, ad eccezione dei poxvirus (virus del vaiolo), hanno una simmetria icosaedrica. Questa simmetria è presente anche nei virus più piccoli che infettano l’uomo.

I capsidi icosaedrici possono avere o una forma poliedrica o forme sferiche; la caratteristica essenziale è che le singole unità proteiche, quindi le singole proteine, possono essere diverse ma si assemblano tra di loro a formare delle strutture ripetute che vengono chiamate capsomero (quando il virus si replica forma una serie di proteine, generalmente il tipo di proteine ha un numero molto piccolo per un discorso di economia genetica, quindi il virus deve incastrare queste strutture che da un punto di vista tridimensionale sono regolari, questo autoassemblamento segue sia regole di termodinamica, favorito termodinamicamente, nel caso della simmetria icosaedrica si formano questi capsomeri, insieme di proteine virali differenti che possono formare o esoni o pentoni che sono messi ai vertici del poliedro, questi icosaedri hanno una forma molto compatta che rende il capside funzionale al suo scopo).

La struttura elicoidale sono strutture tubulo-filamentose nelle quali le proteine si avvolgono attorno all’acido nucleico formando una sorta di elica, la lunghezza dell’elica dipende dalla lunghezza del genoma. Da un punto di vista geometrico è più semplice rispetto alla struttura icosaedrica, ed è costituita da protomeri, non capsomeri, i protomeri sono proteine virali autoassemblanti tutte uguali.

Classificazione dei virus

I virus vengono classificati in famiglie (con la parte finale ...VIRIDAE, per esempio HERPESVIRIDAE, ADENOVIRIDAE, ecc), poi abbiamo la sottofamiglia (con la parte finale ...VIRINAE, per esempio sottofamiglia degli herpesviridae è beta-gamma-alfa herpesvirinae) e poi abbiamo il genere, per esempio negli herpesviridae uno dei virus presenti è il cytomegalovirus.

Alcuni esempi di malattie causate dai virus a DNA: i virus della famiglia poxviridae sono associati al vaiolo, nella famiglia degli herpesviridae troviamo il virus della varicella e la sua recidiva che si chiama “fuoco di sant’Antonio”, l’herpes labiale e genitale e mononucleosi (malattia del “bacio”), poi abbiamo la famiglia delle adenoviridae che possono causare infezioni respiratorie o meningiti virali, nella famiglia dei papillomaviridae troviamo agenti eziologici per le verruche, e cancro alla cervice. I virus a RNA sono numerosissimi ma possiamo ricordare la famiglia Rhabdoviridae che contengono i virus per la rabbia, i Coronaviridae col virus della SARS, poi abbiamo il morbillo, la parotite e il virus dell’HIV, che si sta trasformando in una vera e propria epidemia mondiale.

Ciclo replicativo dei virus

Il ciclo può essere suddiviso in sei fasi principali:

• Assorbimento
• Penetrazione
• Scapsidazione
• Replicazione
• Maturazione
• Liberazione

La curva di replicazione di un virus su una cellula ospite: sull’asse delle ordinate c’è il titolo virale (cioè quanto virus sta sulla cellula), sull’asse delle ascisse c’è il tempo (quanto tempo trascorre dopo l’infezione virale), la curva inizialmente va in basso, cioè appena infettata la cellula non si è in grado di misurare la presenza del virus (fase di eclissi: fase in cui il virus non è presente perché il virus sta replicando il genoma e quindi non si è ancora formato interamente, quindi si ha una fase senza virus, e la durata è variabile), successivamente si ha una fase esponenziale di produzione del virus: il virus si è formato e inizia a replicarsi in maniera esponenziale e sta “mangiando” tutte le cellule quindi il virus si è replicato ed è attivo, dopo questa fase esponenziale abbiamo una fase di plateau, quando le cellule sono state tutte uccise dal virus, il virus non potrà più replicarsi (questa curva è ottenuta in vitro, cioè si parte da un numero limitato di cellule, viene inoculato il virus che inizialmente non si vede, dopo di che si replica e uccide tutte le cellule, curva completamente differente rispetto ai batteri).

• Assorbimento: processo che permette al virus di legarsi, riconoscere la cellula. È mediato da un’interazione tra l’antirecettore del virus (proteina presente o sul capside dei virus nudi o sul pericapside per i virus rivestiti) che riconoscerà in maniera specifica un recettore presente sulla membrana plasmatica delle nostre cellule, questa interazione è molto specifica. Da questa fase di assorbimento si collega anche un discorso di patogenesi virale perché ogni virus è in grado di infettare un determinato tipo di cellule perché queste cellule hanno recettori specifici che vengono riconosciuti dagli antirecettori dei virus. Questa prima fase ha una partecipazione passiva della cellula. Questi recettori cellulari hanno in realtà altre funzioni fisiologiche nell’organismo, e i virus siccome sono coevoluti insieme a noi hanno imparato a utilizzare alcuni di questi recettori per invadere le nostre cellule; se il virus non fosse stato in grado di utilizzare i nostri recettori cellulari noi non avremmo mai un’infezione causata da un virus, perché il virus è un parassita endocellulare obbligato quindi deve entrare all’interno della cellula, non può rimanere a lungo tempo in ambiente extracellulare. Il virus della rabbia utilizza il recettore per l’acetilcolina, cioè questo virus è in grado di utilizzare questo recettore per infettare le cellule, gli adenovirus (virus del raffreddore) sono in grado di utilizzare le molecole ICAM (funzione di adesione cellulare, favoriscono il reclutamento dei leucociti nel tratto all’interno dell’individuo), gli adenovirus possono utilizzare delle integrine (proteine coinvolte nelle difese immunitarie), il virus dell’HIV utilizza le molecole CD4 espresse dai linfociti T.
• Penetrazione: questo processo, a differenza del processo di assorbimento, è un processo attivo della cellula, cioè c’è una partecipazione cellulare, può