I Virus - Lezione 1

Lezione 15 del 25/11/14: Virologia

Struttura dei virus

I virus sono microrganismi endoparassiti obbligati, non possono vivere al di fuori della cellula e hanno la necessità di sfruttare il pattern enzimatico (a parte alcuni enzimi codificati dal proprio genoma) della cellula che vanno ad infettare per creare una progenie. La struttura dei virus comprende il nucleocapside, una scatoletta proteica esterna che contiene il genoma costituito da DNA, RNA, proteine strutturali, glicoproteine ed alcuni enzimi che contribuiscono alla replicazione del virus, soprattutto nei virus a RNA, in quanto le polimerasi RNA-dipendente sono associate al genoma virale.

Esistono virus che presentano, oltre al nucleocapside, esternamente un mantello o envelope o pericapside, ovvero un rivestimento esterno costituito da fosfolipidi e proteine che, in base all'origine replicativa, può derivare dall'apparato di Golgi, dalla membrana esterna o dalla membrana cellulare. Le caratteristiche antigeniche prendono origine dal sistema di membrana da cui deriva; i virus possono sintetizzare proteine specie-specifiche che andranno ad arricchire il pattern antigenico dell'envelope di cui si andranno a rivestire, quindi in base alla specie.

In base al tipo di assemblaggio, ovvero le forze che mantengono insieme le proteine del capside, eventuali proteine della matrice tra il capside e l'envelope e la struttura dell'envelope stesso, non richiede energia. Anzi, l'assemblaggio che avviene tra le componenti del capside serve per poter raggiungere un livello energetico più stabile possibile, per cui ci sono delle interazioni di tipo non covalente che sono mediate dalla ricerca di una stabilità di tipo stechiometrico. Affinché ciò avvenga, il capside viene ad arricchirsi di ioni positivi come Na+, K+ o proteine che stabilizzano e riducono le cariche che possono creare repulsioni tra le varie strutture che costituiscono il virus stesso.

Tipi di simmetria

In base alla struttura del capsoide, ovvero queste unità di natura proteica che costituiscono la scatoletta, possiamo avere vari tipi di simmetria:

• Icosaedrica: Ben organizzata, caratteristica di molti virus che possono presentare o meno il mantello, cioè i capsoidi interagiscono formando un icosaedro.
• Elicoidale: Disposizione ad alfa elica dei capsomeri che crea un cilindro dove i capsomeri andranno a prendere contatto con l'acido nucleico, che si distribuisce nel cilindro stesso.
• Bilaterale binaria
• Organizzazione complessa: Dovuta alle caratteristiche dei batteriofagi, dove vi è un asse di simmetria bilaterale, per cui il batteriofago è simmetrico sia da un lato che dall'altro.

Esempi di virus con simmetria diversa:

• Adenovirus umano: Simmetria icosaedrica (possono o meno presentare l'envelope).
• Paramyxovirus umano: Simmetria elicoidale (possono o meno presentare l'envelope).
• Poxvirus (come il vaiolo umano e bovino): Struttura complessa.

Virus extra-cellulari ed intra-cellulari

Esistono virus extra-cellulari e intra-cellulari. Quelli extra-cellulari possiedono una doppia struttura di rivestimento; all'interno abbiamo un nucleocapside particolarmente complesso con dei corpi laterali visualizzabili. Il poxvirus è un virus particolarmente grande con una struttura complessa, i capsomeri si organizzano senza una simmetria ben definita, sono molto caratteristici, infatti non vi è un'equazione matematica che possa definire l'organizzazione dei capsomeri del nucleocapside. I batteriofagi hanno una simmetria bilaterale binaria per cui è possibile suddividerli in due metà identiche per quanto riguarda l'attacco alla cellula. Le proteine del mantello sono importanti perché intervengono nel processo di adesione, ovvero di interazione del virus con la membrana cellulare. L'envelope crea vulnerabilità nel virus che lo possiede (è sensibile ad agenti chimici, calore, ecc.).

I virus senza capside sono endocitati, quelli che invece presentano envelope utilizzano processi di fusione sia a livello della membrana sia dell'endosoma tramite cui penetrano. Il processo di fuoriuscita può essere un processo di gemmazione, sempre di acquisizione della membrana. Questo, dal punto di vista evolutivo, favorisce il virus nel replicarsi, non determinando la lisi cellulare come accade invece per i virus a capside nudo. Questa strategia dell'envelope permette una maggiore resistenza del virus, come quello dell'herpes, che una volta entrato in una certa specie può diffondere in maniera retrograda nelle aree infettate circostanti nel momento in cui hanno superato la barriera epiteliale.

Genoma dei virus

Il genoma dei virus è variabile: possiamo trovare virus a ssDNA, a dsDNA, a ssRNA, a dsRNA. L'RNA può contenere molecole più segmentate con polarità negativa o positiva, e questo incide sulla replicazione del virus stesso, in quanto se si ha un template a RNA positivo questo può essere utilizzato direttamente come RNA messaggero. Nel caso in cui l'RNA ha polarità negativa, c'è bisogno di una replicazione RNA-dipendente e che questo virus abbia degli enzimi virus-specifici presenti nel capside.

L'herpes virus e l'adenovirus sono particolarmente grandi rispetto ai soliti genomi virali che possono codificare per pochi geni; una delle strategie di replicazione è quella di produrre RNA policistronici e quindi, in base all'occorrenza, grazie a fenomeni di splicing, possono dare un corredo cromosomico diverso e fasi diverse nel processo di replicazione, ovvero fasi precocissime, intermedie o tardive di sintesi proteica. Il virus, quando infetta la cellula, usufruisce dei pattern enzimatici della cellula stessa, ma per innescare le fasi precoci è essenziale che sintetizzi delle proteine proprie che servono per proseguire la sintesi del genoma e per la sintesi di proteine strutturali e di sintesi.

Gli herpes virus hanno un genoma a doppia catena che circolarizza di 275 kb, la capacità di agganciarsi dipende dalla presenza di strutture di quattro isomeri che risultano essere equivalenti. Gli adenovirus hanno un DNA a doppia catena più piccolo di quello dell'herpes con frequenze ripetute terminali a singolo filamento. La trascrizione avviene nel nucleo e utilizzano delle DNA-polimerasi, quindi queste proteine che vengono sintetizzate precocemente possono innescare il processo di replicazione. Il poliomavirus ha un genoma piccolo a singola catena superavvolto grazie alla presenza di istoni di natura cellulare, sei geni la cui trascrizione è mediata da un sistema di operoni i quali hanno sequenze sovrapposte, e ci sono sequenze non codificanti che possono mediare la trascrizione.