Appunti di virologia

Libro Antonelli et al.: principi di virologia medica - Casa editrice Ambrosiana

Introduzione

Virus: agenti infettivi di piccolissime dimensioni e semplice composizione che si possono moltiplicare solo in cellule viventi di animali, piante e batteri. Per la propria replicazione si basano, a diversi gradi, sui processi metabolici della cellula ospite.

Non sono gli unici parassiti intracellulari. Devono essere considerati a parte fra le creature viventi.

• Si riproducono solo all’interno della cellula vivente e quindi la sfruttano per la propria replicazione.
• Sono privi di molte caratteristiche della cellula, es. capacità di replicarsi autonomamente.
• Infettano tutte le cellule microbiche.
• Infettano anche gli altri virus (virofagi).
• Le interazioni tra ospite e virus sono molto specifiche e lo spettro biologico del virus rispecchia le diverse potenzialità della cellula ospite.
• Possiedono numerose strategie per assicurarsi la sopravvivenza e la replicazione.
• Nell’ambiente esterno i virus sopravvivono ma non si replicano.

Caratteristiche condivise con altri esseri viventi

1. Si riproducono anche se in maniera peculiare.
2. Possono mutare.

Caratteristiche che li distinguono

1. Non hanno organizzazione cellulare.
2. Non hanno attività metabolica propria.
3. Hanno un genoma o a DNA o a RNA.

I virus per esistere in natura

• Devono essere infettanti.
• Devono utilizzare meccanismi della cellula ospite per produrre i propri componenti.
• Devono codificare proprie proteine specifiche.
• La produzione di nuovi virioni avviene per assemblaggio delle componenti virali.
• Sono inerti all’ambiente extracellulare.

I virus sono, quindi:

• Una combinazione organizzata di macromolecole.
• Organizzazioni biologiche.
• Sono entità con struttura subcellulare.
• Semplici dal punto di vista strutturale, complessi dal punto di vista biologico-funzionale.

Sono dunque parassiti intracellulari obbligati che hanno bisogno di una cellula vivente per replicarsi e dal punto di vista strutturale sono semplicissimi.

Storia

Prima descrizione di patologia di origine virale: vaiolo in Cina.

1798: Jenner iniziò ad effettuare la vaccinazione jenneriana. Jenner era partito dal considerare le mungitrici che venivano infettate dal vaiolo bovino. Vaccinazione fatta fino alla eradicazione completa del vaiolo.

1892: Dimitri Iwanowski: padre della virologia. Si accorge che gli estratti derivati dalla pianta del tabacco malata sono filtrabili. La filtrazione serve per sterilizzare. Si accorge che facendo passare attraverso filtri i microrganismi, sugli estratti passavano nei filtri e le malattie possono essere trasmesse.

1879: Mayer riportò che la malattia poteva essere trasmessa da una pianta ad un’altra e provò ad isolare l’agente.

1898: identificazione del primo virus animale (malattia piedi e bocca, causata da enterovirus soprattutto nei bambini).

1901: Walter Reed dimostra che la febbre gialla è causata da un virus trasmesso dalle zanzare. Vengono fatti esperimenti su volontari per studiare la trasmissione del virus mediante:

• Aria e indumenti.
• Zanzare.
• Trasfusioni e sangue.

1908: si prova che la poliomielite è causata da virus e che può infettare uomo e animali, prima dimostrazione che uno stesso virus può infettare uomo e animali.

1911: Peyton Rous dimostra che un virus può provocare un tumore. Lo dimostrò con il cancro nei polli (sarcomi di Rous).

1915: scoperti i batteriofagi. Sono i virus che infettano i batteri.

1918-1919: nuovo ceppo di influenza (H1N1) che uccise più di 50 milioni di persone. Fu una pandemia particolare perché morirono giovani e adulti mentre l’influenza è grave per anziani e immunodepressi.

1940: prime microfotografie dei virus con il microscopio elettronico.

1941: alcuni virus hanno la capacità di agglutinare i globuli rossi.

1949: sviluppano il primo sistema di coltivazione virale su cellule (poliovirus su cellule umane).

1952: importanza degli acidi nucleici nell’infezione virale.

1963: Blumberg scopre il virus dell’epatite B e in seguito svilupperà il primo vaccino.

Tappe principali

1970: identificazione dell’enzima transcrittasi inversa. I virus a RNA si possono integrare nel DNA delle cellule infettate. La possibilità è data dalla trascrittasi inversa che trascrive RNA in DNA che va ad integrarsi in quello delle cellule che vengono infettate.

1977: inizio della genomica virale, con il sequenziamento del genoma del batteriofago.

1976: primo focolaio epidemico di Ebola (Sudan). Si chiama Ebola per un fiume nel Congo poiché i primi casi sono stati ritrovati lì. Mortalità molto alta nel giro di una settimana poiché invade tutti gli organi interni.

1979: viene eradicato il vaiolo. Ultimo caso registrato in Somalia nel 1977.

1980: Gallo isola il primo retrovirus umano che causa la leucemia.

1983: Montagnier isola il virus HIV.

1989: viene clonato, prima di essere isolato, il virus dell’epatite C.

1994: viene individuato l’ultimo herpesvirus tipo 8, cofattore necessario per lo sviluppo del Sarcoma Kaposi.

2003: isolato il coronavirus, causa malattie negli animali soprattutto nei gatti, della sindrome respiratoria acuta grave (SARS). Passaggio virus da animale a uomo e poi da uomo a uomo.

2009: nuova variante della pandemia dell’influenza.

Struttura dei virus

Matrice/tegumento, capside, genoma, nucleo-capside, pericapside e peplomeri

• Ha un genoma DNA o RNA racchiuso in un contenitore di natura proteica (capside).
• Genoma + capside danno il nucleo-capside.
• Alcuni virus all’esterno hanno un involucro di natura lipoproteica (pericapside).
• Dal pericapside ci sono delle proiezioni chiamate peplomeri.
• In alcuni virus tra capside e pericapside c’è uno strato di natura proteica (matrice o tegumento), come nell’herpesvirus.

Virus nudi

Virus nudi: virus privo di envelope, sono quelli che hanno solo il capside e l’acido nucleico.

Virus con envelope

Virus con envelope: il rivestimento proteico è circondato da envelope esterno costituito da un doppio strato lipidico (proteine del capside e anche del rivestimento). Le proteine virus-specifiche si proiettano dalla superficie dell’envelope.

Capside

Capside: struttura proteica che circonda il genoma ed è formato da subunità proteiche ripetute (capsomeri).

• Capside virale è composto da un notevole numero di catene polipeptidiche disposte in modo simmetrico.
• Capside formato dalla ripetizione di poche specie differenti di polipeptidi.

L’assemblaggio è mediato da interazioni idrofobiche ed interazioni elettrostatiche. Tutta la parte proteica è codificata dai virus.

Le interazioni sono:

• Proteina-proteina.
• Proteina-acido nucleico.
• Proteina-lipide.

Le forme del virus sono riconducibili a due forme.

Simmetria elicoidale

• Si ha simmetria rotazionale per disporre le proteine con struttura irregolare intorno ad un cerchio a formare un disco.
• Simmetria elicoidale e non una serie di dischi impilata uno sull’altro.
• Disposizione delle unità polipeptidiche intorno ad un asse ideale.
• I protomeri sono disposti in modo da formare un’elica in cui il genoma costituito da RNA è disposto all’interno di solchi formati dalle proteine stesse.
• La regione centrale è cava.

L’elica è definita da due parametri:

• Ampiezza: diametro.
• Passo: distanza coperta da un intero giro dell’elica.

Il passo è dato dal prodotto tra il numero di subunità per ogni giro di elica e l’incremento dell’asse per subunità.

Con l’elica ci sono particelle flessibili e molto lunghe. Quando sono lunghe si ripiegano su se stesse e proteggono ancor di più l’acido nucleico.

Capsidi isometrici con struttura e simmetria di un icosaedro

• L’icosaedro: è un solido regolare costituito da 20 facce triangolari, 30 spigoli e 12 vertici.
• I capsomeri: sono formati da monomeri proteici uguali o diversi.

Sono formati da una o più catene polipeptidiche uguali o diverse e sono di due tipi:

• Pentoni (5 monomeri proteici) a sezione pentagonale, interagiscono con 5 capsomeri, occupano i 12 vertici dell’icosaedro (numero fisso).
• Esoni (6 monomeri proteici) costituiscono facce e spigoli e sono in numero molto vario, in relazione alle loro dimensioni e a quelle del virione.

Minimo si devono avere 60 unità per formare le facce del capside. È una struttura complicata perché l’acido nucleico non deve avere contatti con l’esterno.

Importanti sono gli assi di simmetria rotazionale:

• Assi di simmetria rotazionale binaria (passa al centro di ogni spigolo).
• Assi di simmetria rotazionale ternaria (passa per il centro di ogni faccia).
• Assi di simmetria rotazionale pentamerica (passa al centro di ogni vertice).

Il capside più piccolo è costituito da 3 subunità identiche che vanno a formare ciascuna faccia triangolare (60 subunità identiche per un capside completo).

Struttura particolare è quella degli adenovirus: sono virus nudi, sprovvisti di involucro, hanno il DNA. I 12 pentoni si prolungano in strutture fibrose. Sono presenti 240 esoni.

Virus con capsidi a simmetria complessa

Hanno una struttura complessa non assimilabile né a quella elicoidale né a quella icosaedrica. Sono i poxvirus e i grandi batteriofagi.

Poxvirus

Poxvirus: di forma ovoidale o a mattone, sono i virus animali più grandi e possono essere osservati anche al microscopio ottico. Sono i virus animali più grandi.

• Il genoma (DNA a doppio filamento) è associato a proteine e racchiuso in un nucleotide, a forma di disco biconcavo, delimitato da una membrana.
• Due corpi laterali, di forma ellittica, sono disposti tra il nucleotide e l’involucro esterno.
• L’involucro è di natura membranaria, rivestito da tubuli e fibre.

Virus Ebola: ha una struttura particolare che si può raggomitolare formando un 6.

Virus con envelope

• Hanno un involucro lipoproteico che il virus può acquisire.
• Il genoma virale codifica per glicoproteine che si inseriscono nella membrana cellulare dell’ospite.
• Il virus, quando lascia la cellula, porta con sé sia una parte del doppio strato lipidico che le spicole glicoproteiche inserite nella membrana cellulare.

Funzioni dei rivestimenti esterni

• Protezione del genoma quando virus si trova in ambiente extracellulare.
• Riconoscimento del recettore cellulare presente nella cellula da infettare mentre quelli del capside o pericapside sono gli antirecettori.
• Consentire la penetrazione del genoma virale nella cellula e iniziare il processo infettivo.

Componente lipidica

• La componente lipidica è esclusiva dei virus con envelope (involucro lipoproteico).
• È simile alla componente lipidica delle membrane cellulari.
• La presenza della componente lipidica fa sì che siano sensibili ai solventi dei lipidi.
• Può essere presente una piccola quantità di carboidrati:
• Presenti nei virus provvisti di involucro.
• In piccole quantità.
• Legati alle proteine del peplos.

Acido nucleico

Acido nucleico: all’interno del capside è legato a un numero variabile di proteine.

Virus a simmetria elicoidale

• Presenza di pericapside (nucleocapside raggomitolato).
• Maggior parte ha RNA a singolo filamento (ha bisogno di maggior protezione).
• Lunghezza del virus dipende dal genoma, virus di dimensioni differenti.

Virus a simmetria icosaedrica

• Alcuni provvisti di peplos.
• Limiti rigidi per le dimensioni, imposti dal volume del capside.

Peplomeri (spikes): sono di natura proteica e fuoriescono dall’envelope, sono di origine virale. Riconoscono i recettori sulle cellule ospite, essi sono dunque gli antirecettori.

• La base di tutti gli involucri virali è una membrana lipidica acquisita dalla cellula ospite durante l’assemblaggio.
• Proteine virali vengono inserite nella membrana lipidica.
• La grande maggioranza di queste sono glicoproteine (oligomeri).

Esempi di virus appartenenti ai principali gruppi morfologici:

• Senza envelope, elicoidale (virus del mosaico del tabacco).
• Senza envelope, icosaedrico (adenovirus).
• Con envelope, elicoidale (paramyxovirus).
• Con envelope, icosaedrico (herpesvirus).

Genoma

Contiene l’informazione genetica che deve essere codificata e riconosciuta dalle cellule ospite. Se non viene riconosciuto non si ha una progenie. Il virus è indipendente dalla cellula che viene parassitata.

I genomi si dividono in grandi e piccoli.

Genoma grande

• Virus piuttosto autonomi.
• Si affidano poco alla produzione di enzimi specifici da parte della cellula.
• Virus a RNA non usano il macchinario replicativo cellulare per la sintesi del DNA.
• Il genoma più grande può produrre diverse proteine sia per i virus con struttura complessa (adenovirus e picornavirus).
• Poxvirus: virus più grandi conosciuti fino a poco tempo fa.

Genoma piccolo

• Sfruttano il macchinario replicativo cellulare per sintetizzare DNA virale (parvovirus).
• Possono codificare per proteine che inducono la cellula infettata a dividersi attivamente (proteine E6, E7 del papillomavirus).

Il virus dell’epatite B ha solo 4 geni.

Conseguenza delle ridotte dimensioni

Diversi metodi per produrre proteine da una sequenza genomica.

Rimedi adottati dai virus:

• Gene più piccolo contenuto completamente in quello più grande: stessa tripletta tradotta in 2-3 fasi di lettura.
• Lo slittamento di due basi cambia la traduzione del frame di lettura.
• Lo slittamento di tre basi riporta la traduzione al frame originale.

Quindi con poco si ha la massima resa.

I geni dell’epatite B:

• S codifica per proteine di superficie.
• C per proteine centrali.
• P codifica per le varie proteine.
• Il gene più piccolo sta in quello più grande.

Caratteristiche dell’acido nucleico

• DNA o RNA.
• Semplicemente impacchettato dentro il capside o interagisce con le proteine del capside.
• Dimensioni da meno di 2000 a 200000 basi.
• Costituiscono da meno del 5% fino a un massimo del 50% del peso dell’intero nucleo-capside.
• I virus più piccoli hanno meno di 5 geni.
• I virus più grandi possiedono diverse centinaia di geni.

I virus si dividono in deossiribovirus e in ribovirus a seconda che abbiano DNA o RNA.

DNA

• L’acido nucleico può rappresentare fino al 15% del peso del virione.
• Peso molecolare da 1,5-2,2 milioni a 130-240 milioni.
• Da 5 a 370 kb.
• Unica molecola per virione.
• Genoma aploide a doppio filamento.

Eccezioni:

• Parvovirus e anellovirus: hanno il DNA costituito da una sola catena nucleotidica.
• Hepadnavirus: ha DNA bicatenario, circolare con filamento a polarità positiva incompleto.

Il genoma può essere:

• Lineare (parvovirus, adenovirus, herpesvirus, poxvirus).
• Circolare (poliomavirus, papillomavirus, hepadnavirus).

RNA

• L’acido nucleico può rappresentare dall’1% (paramyxovirus) al 30% (enterovirus).
• Da 7 a 30 kB.
• Peso molecolare da 2,6 milioni a 16 milioni.
• Genoma aploide, eccezione dei retrovirus, che è costituito da 2 molecole di RNA in senso positivo.
• Monocatenario o bicatenario (reovirus; hanno una catena positiva e una negativa).
• Lineare o circolare.
• Monosegmentato o plurisegmentato (Orthomyxoviridae e Reoviridae).
• A polarità positiva, negativa, ambisensi.

L’RNA di senso positivo viene immediatamente riconosciuto dalla cellula eucariote poiché i ribosomi riconoscono il senso positivo e non quello negativo. L’RNA di senso positivo è immediatamente infettante.

I virus con RNA a senso negativo devono subito sintetizzare RNA da senso negativo a RNA a senso positivo.

Antigeni e attività enzimatiche dei virus

I virus sono ottimi antigeni per via della grande porzione proteica presente nel capside e nei peplomeri: gli antigeni risiedono all’interno di questi.

Stimolano la produzione di anticorpi che possono persistere per tutta la vita, avere breve durata o non sempre avere effetto, come per il virus influenzale che muta. Oppure anche il virus dell’AIDS muta tantissimo.

Capside: determinanti antigenici diversi per tipo e numero, es. esoni e pentoni in adenovirus diversi.

Virus con involucro: antigeni del nucleocapside sono accessibili agli anticorpi solo dopo rottura dell’envelope; alcuni possono presentare alcuni antigeni specifici della cellula d’origine.

Attività enzimatiche dei virus

Mancano enzimi deputati alla produzione di energia o coinvolti nelle vie biosintetiche dei precursori.

• DNA polimerasi DNA dipendente (come herpesvirus, poxvirus, adenovirus).
• RNA polimerasi RNA dipendente (virus RNA per sintetizzare RNA negativo in positivo).
• Trascrittasi inversa (DNA polimerasi RNA-dipendente, retrovirus e hepadnavirus).
• RNA polimerasi DNA dipendente.
• Lisozima (in alcuni batteriofagi).
• Neuraminidasi (Orthomyxovirus e Paramyxovirus).
• Proteasi virus-specifiche (molte specie).
• Altre attività enzimatiche.

Distruzione dei virus

I virus si distruggono in modo facile.

Agenti chimici

• I virus con pericapside possono essere distrutti dai solventi dei lipidi (etere, cloroformio).
• Formaldeide: inattiva acidi nucleici e proteine, senza alterarne le proprietà antigeniche. Non è specifica.
• Fotoinattivazione: alcuni coloranti (rosso neutro, proflavina, blu di toluidina) entrano nel capside e si legano all’acido nucleico e in presenza di luce si ha fotoossidazione.
• Per i virus più resistenti si usa la clorazione (enterovirus e virus dell’epatite B).