4. Ciclo replicativo virale: le fasi

Ciclo replicativo virale

È il processo attraverso cui il virione "parentale", passando per diverse tappe, arriva a trascrivere i suoi geni, replicare il proprio genoma, assemblare nuove particelle virali e rilascia all’esterno la sua progenie. Nel fare tutto ciò il virus compie la cosiddetta "pirateria molecolare" in quanto utilizza non solo enzimi cellulari, ma anche funzioni biologiche della stessa, per compiere la sua replicazione.

Molti virus sfruttano ad esempio l’endocitosi per penetrare nelle cellule, senza compiere nessuno sforzo aggiuntivo, oppure la fusione delle membrane, il riarrangiamento continuo del citoscheletro per spostarsi all’interno della cellula ed i ribosomi per la sintesi proteica, nonché proteine di trasporto (carioferrine) per entrare nel nucleo. Complessivamente i virus trasformano la cellula in una "fabbrica di virus".

Attacco

La prima tappa del ciclo replicativo virale è l’attacco del virus alla cellula: essendo privi di strutture per il movimento, i virus si muovono attraverso i fluidi, l’aria o le variazioni dell’ambiente e facendo ciò arrivano ad urtare casualmente le cellule. Se gli urti avvengono tra molecole complementari (recettore cellulare-antirecettore virale) si ha l’interazione tra loro e la particella virale si attacca alla cellula bersaglio mediante dei legami deboli.

Infettando delle cellule con un virus, dopo qualche ora le particelle, sottoposte ad una agitazione intensa, si staccano in quanto le interazioni iniziali sono reversibili. Perché i virus formano legami deboli? Una stessa molecola è presente nel virus in molteplici copie, quindi il legame debole che avviene tra ognuna di queste proteine è moltiplicato per X volte divenendo complessivamente un legame stabile, reversibile solo fino ad un particolare momento in cui avvengono delle modificazioni di entrambe queste molecole (cellulari e virali).

Da un punto di vista didattico, le varie tappe del ciclo vengono divise, ma in vivo sono concatenate. Finché non si hanno le modificazioni, la cellula non fa nulla e non deve utilizzare energia affinché il legame avvenga; infatti, questo può avvenire anche a 4°, su cellule morte o su detriti cellulari. Il fatto che a 4° avvenga l’attacco ma non le fasi successive è utile in laboratorio per sincronizzare l’infezione di diverse cellule.

I recettori che il virus sfrutta per il suo ingresso nella cellula sono delle molecole espresse sulla superficie della stessa, prevalentemente di natura proteica, sebbene ne esistano anche di natura lipidica o glucidica. I recettori proteici possono essere altamente specifici per un determinato tipo di cellule o più diffusi, mentre i recettori glucidici sono molto meno specifici in quanto il glicocalice delle cellule contiene sempre gli stessi zuccheri.

I virus influenzali legano mediante l’HA l’acido sialico (AS), che rappresenta il glucide terminale di tutte le glicoproteine di ogni cellula, quindi teoricamente i virus influenzali potrebbero infettare qualsiasi tipo di cellula, ma in realtà infettano solo alcuni tipi, sebbene si possano attaccare ad ogni tipo.

Tropismo

Per tropismo si intende la capacità di infettare diversi tipi di cellule, specie animali, organi, etc. HIV ha tropismo esclusivo per l’uomo, mentre il virus della rabbia può infettare sia l’uomo che animali selvatici e domestici. I virus influenzali infettano l’uomo e molte altre specie, ed i virus a RNA sono in grado di superare la barriera di specie.

All’interno dello stesso organismo si parla poi di tropismo d’organo, a seconda dei recettori presenti in diversi organi e tessuti, ed esistono anche virus che provocano infezioni sistemiche. Il virus Ebola, nell’uomo, può infettare tutti i tessuti e le prime cellule che infetta sono le cellule dendritiche ed i macrofagi il cui compito è quello di diffondere in tutto l’organismo. I virus neurotropi sono in grado di arrivare al SNC proprio grazie ai macrofagi.

I recettori cellulari tendono ad appartenere a superfamiglie di molecole con struttura simile: superfamiglia delle immunoglobuline (ad esempio ICAM1 per i Rhinovirus), delle integrine, delle LDL e delle proteine di trasporto.

I Rhinovirus (appartenenti alla famiglia dei Picornaviridae) sfruttano come recettore ICAM1, costituita da 5 domini variabili, il primo dei quali è impegnato nel legame al virus; è una molecola importante nell’adesione tra cellule epiteliali ed il dominio D1 presenta sulla sua superficie il sito di legame per una molecola importante nella risposta immunitaria, detta LFA-1 (Limphocyte Function Associated Antigen 1), che lega diversi tipi di cellule dell’immunità, in particolare linfociti, attivando la produzione di citochine pro infiammatorie da parte delle cellule epiteliali.

Il virus, legandosi a D1 ed includendo la regione a cui si legherebbe LFA-1, simula l’azione del ligando naturale attivando un processo infiammatorio (uno dei meccanismi tipici del raffreddore).

I virus influenzali invece utilizzano come recettore l’acido sialico (AS), che viene riconosciuto e legato dalla HA (antirecettore virale che rappresenta l’80% delle proteine dell’envelope); la neuraminidasi è invece una sialidasi, che serve per staccare e scindere l’AS, dotata di tre funzioni fondamentali: serve a far sì che il virus, se attaccato in cellule dove non può replicarsi, si possa staccare da esse tagliando l’acido sialico (funzione di eluizione), serve poi per tagliare l’acido sialico che circonda l’envelope della particella virale durante la sua gemmazione dalla cellula, ed infine serve per fluidificare il muco presente nelle vie respiratorie (principale sede d’infezione dei virus influenzali) degradando l’acido sialico che in queste sedi è molto abbondante, così da favorire il passaggio del virus verso le vie respiratorie più basse (trachea, bronchi e polmoni) - funzione patogenetica.

La HA è un omotrimero in cui si distinguono tre porzioni: HA1, una struttura globulare che presenta attività antirecettoriale e contiene i determinanti antigenici principali, HA2, che è una porzione filamentosa utile per ancorare la HA all’envelope, e COLLETTO, che serve per collegare le prime due ed è cruciale nella fase di attacco del virus.

Questa è la forma inattiva della molecola (come si trova nel virus prima di iniziare il processo infettivo), ma nel momento in cui la testa globulare si lega a cellule permissive, che permettono appunto al virus di completare il ciclo replicativo, per poter procedere nel processo infettivo, la molecola inattiva (HA0) deve essere tagliata in corrispondenza del colletto, così da staccare le due componenti; questo taglio è operato, nel caso dei virus umani, da una proteasi che prende il nome di TRIPTASI CLARA, che viene prodotta appunto dalle cellule alveolari dette CLARA. Questo serve a far sì che venga esposta una sequenza fortemente idrofobica coinvolta nelle successive tappe del ciclo replicativo virale.

Differenza fondamentale rispetto ai virus aviari risiede nel fatto che la HA di questi viene tagliata da una vasta gamma di proteasi cellulari, ed infatti questi danno all’ospite infezioni diffuse in vari organi (prevale la replicazione intestinale). L’HA1 dei virus umani è diverso da quello dei virus aviari suini etc., e le differenze si trovano soprattutto a livello degli aminoacidi che costituiscono l’antirecettore, quindi per compiere il salto di specie è indispensabile una mutazione in questo sito.

Per i virus dotati di emoagglutinina di tipo 3, bastano solo tre aminoacidi per far cambiare di specificità un virus aviario da uno respiratorio; mutazioni in questi siti possono però anche far perdere al virus la capacità di infettare il suo ospite naturale. I virus delle varie specie si differenziano anche per il diverso tipo di AS che legano; esistono infatti circa 40 diversi tipi di acido sialico con caratteristiche diverse, e quelli più comuni sono il 5-N-acetilneuroaminico ed il 5-N-glicolilneuraminico (virus aviari).

Non solo la molecola di AS può essere diversa, ma anche il legame tra questo e lo zucchero successivo, che solitamente è il galattosio; i virus umani utilizzano il legame α2-6, mentre quelli aviari un legame α2-3, quindi possono difficilmente infettare cellule umane e viceversa. Il maiale è un vassoio di ricombinazione (dove possono avvenire infezioni da parte di tutti i virus) perché i virus influenzali suini sono in grado di utilizzare entrambi i tipi di legame, e nella trachea dei maiali si lega sia il virus aviario che suino che umano, perché l’AS in queste regioni presenta tutte le forme sopra citate.

Per l’apparato respiratorio dell’uomo i dati sono contrastanti: sembra che nelle prime vie respiratorie prevalga il legame α2-6, mentre nelle basse vie respiratorie ci sono anche molecole di AS che legano con le game α2-3 lo zucchero.

L’ipotesi è quella che i virus aviari si fermino nelle prime vie respiratorie, e quindi quelli con cui possiamo venire a contatto possono infettare l’uomo, ma siccome non trovano il recettore giusto nelle prime vie respiratorie, non danno infezione; il fatto che si abbiano infezioni sporadiche si verifica in soggetti in cui le difese dell’apparato respiratorio sono più deboli.

Il legame tra recettore-antirecettore può essere debole, perciò lo si può rafforzare con il legame di uno o più corecettori, che si differenziano dai recettori per la sequenza temporale: l’antirecettore virale lega prima il recettore cellulare con un legame a bassa affinità ed attiva delle modificazioni conformazionali di entrambe le proteine che permettono il successivo legame dell’antirecettore ad uno o più corecettori, determinando una maggiore stabilità del legame, che attiva poi l’ingresso del virus nella cellula.

Se c’è il recettore ma mancano i corecettori, l’ingresso del virus nella cellula è ostacolato: gli Adenovirus legano il recettore (CAR) mediante la fibra del pentone, determinando una modificazione della fibra stessa che, schiacciandosi, avvicina la particella virale alla superficie della cellula e facilita una seconda interazione tra la proteina che si trova al vertice (base del pentone) ed il recettore (integrina).

HIV utilizza come recettore i CD4, una molecola dotata di 4 domini che appartiene alla superfamiglia delle immunoglobuline e il cui ligando naturale è rappresentato dalle MHC2, e come corecettori principali CCR5 e CXCR4, recettori per le chemochine espressi rispettivamente su macrofagi e cellule dendritiche.