Riassunto esame virologia ( microbiologia), prof. Angiolella, libro consigliato La Placa

Virus

I virus sono entità biologiche prive di organizzazione cellulare, con dimensioni nettamente inferiori rispetto a quelle dei batteri e quindi non sono esseri viventi. Sono parassiti intracellulari obbligati la cui replicazione dipende dalla cellula ospite. I virus più semplici consistono di un genoma a DNA o RNA racchiuso in un involucro proteico talvolta circondato da membrana. Non hanno la capacità di produrre energia e non sono in grado di replicare il genoma indipendentemente dall'ospite.

Infatti hanno un ciclo vitale di un parassita obbligato (possono parassitare ogni tipo di cellula) e non si replicano per divisione ma per assemblaggio delle componenti virali. Essendo parassiti endocellulari obbligati, possono sopravvivere solo se penetrano nella cellula. I virus devono essere in grado di utilizzare i meccanismi della cellula ospite per produrre i propri componenti. Hanno dimensioni talmente ridotte da non poter essere visualizzati al microscopio ottico e possono passare nei filtri usati per trattenere i batteri.

Struttura e classificazione

Sono costituiti da materiale genetico racchiuso in un contenitore proteico che ha come funzione la protezione nell’ambiente extra cellulare e fa da mediatore della penetrazione nelle cellule. Il virione o particella virale è una singola particella virale e totalmente inerte in ambiente extracellulare. L'unità di misura usata per le sue dimensioni è il nm e variano da 18 nm a 300 nm. Serve per trasportare il genoma da una cellula all'altra.

• Consiste di un genoma virale racchiuso in un capside, o contenitore proteico o in un pericapside (envelope), ovvero involucro proteico e dal tegumento, proteine virus-specifiche tra il peplos e il capside.
• Il capside ed altre proteine possono legarsi agli acidi nucleici per formare il nucleo capside, che può circondare da solo il virione o essere a sua volta circondato da un pericapside.

Se il virus ha:

• DNA + RNA proteine strutturali = nucleo capside virus con capside nudo;
• Nucleo capside + glicoproteine a membrana = virus con pericapside.

Lo strato più esterno del virione è il capside o envelope:

Capside

Singole proteine strutturali che si associano in sub unità. Queste sub unità si uniscono in protomeri, capsomeri e infine in pro capside e capside. Per motivi di economia genetica il capside dei virus è formato dalla ripetizione di poche specie differenti di polipeptidi portando ad avere due sole modalità di disposizioni possibili: simmetria elicoidale, attorno ad un asse ideale, e quasicapsidi isometrici - sferici.

Le più semplici strutture virali hanno simmetria icosaedrica (forma di una sfera) e elicoidale (forma simile a bacchette). Nei virus elicoidali l'acido nucleico è circondato da un capside proteico a struttura elicoidale mentre nei virus icosaedrico contiene 42. È quindi un rivestimento proteico che protegge l’acido nucleico, capsomeri tutti identici. Permette la sua penetrazione con meccanismi di adesione e poi di penetrazione.

Pericapside o envelope

Membrana costituita da fosfolipidi e glicoproteine e ha una struttura simile a quella delle membrane cellulari. La maggior parte dei virus rivestiti da questo sono a forma sferica o pleomorfa (ad eccezione dei pox virus). La maggior parte delle glicoproteine virali possiede carboidrati legati ad asparagine e si estende attraverso il pericapside e all'esterno della struttura del virione. Le glicoproteine agiscono come VAP, ovvero in grado di legare strutture sulle cellule bersaglio.

• Emoagglutinine, che servono per agganciare il virus alla membrana della cellula ospite;
• Proteine fusogene, in grado di fondere il pericapside con la membrana plasmatica.

Tutti i virus a (-) RNA hanno envelope. Lo spazio interstiziale tra il nucleo capside e l’envelope è detto tegumento, e contiene enzimi e proteine che facilitano l’infezione virale. Quindi virus che contengono un genoma (DNA o RNA) singola o segmentata, circolare un lineare, a doppio singolo filamento. Codifica per la sintesi di componenti virali e di enzimi necessari per la replicazione. Tutti i virus utilizzano nel macchinario trasduzionale della cellula e deve essere generato un mRNA che passa essere tradotto dal macchinario traduzione dell'ospite.

Il genoma virale ha dimensioni relativamente modeste e quindi capacità di codice limitate:

• Proteine strutturali: entrano nella struttura del virione;
• Proteine funzionali: svolgono attività necessarie alla replicazione.

Data la grossa porzione proteica presente in tutti i tipi di virioni è ovvio che i virus sono ottimi antigeni. Nei virus provvisti di involucro pericapsidico, gli antigeni del nucleo-capside (indicato come NP) sono accessibili agli anticorpi solo dopo la rottura della peplos. Nei virus con involucro pericapsidico, molto spesso l'antigene NP è comune a numerosi virus appartenenti allo stesso gruppo o sottogruppo, mentre i singoli virus si differenziano per gli antigeni virus-specifici presenti nella peplos.

Enzimi e proteine virali

I virus per definizione sono sprovvisti di enzimi deputati alla produzione di energia o interessati alle vie biosintetiche dei vari precursori dei componenti virali, che devono prendere dalla cellula infetta. Tuttavia, negli orthomyxovirus e in alcuni paramyxovirus è stato identificato l'enzima lisozimico e un'attività fosfolipasica, che è possibile che intervenga nella penetrazione. Molti altri virus possiedono proteine presenti nel virioni che sono legati ai processi di trascrizione del genoma virale (nei genoma negativo) o alla retro trascrizione.

Classificazione dei virus

Sono classificabili per dimensione, distinguendo i virus in molto piccoli (parvovirus e picornavirus) o molto grandi e complessi (poxvirus e herpes virus). Possono essere classificati anche in base al tipo di malattie causate, ai tessuti bersaglio o alle vie di trasmissione. L'altra distinzione viene fatta in base al tipo di materiale genetico contenuto. Infatti, le diverse famiglie dei virus sono distinte a seconda del tipo di acido nucleico che hanno:

• Deossiribovirus: divisi in DNA bi catenario; herpes virus, adenovirus, papovirus, poxvirus;
• DNA monocatenario: parvovirus;
• DNA parzialmente bi catenario: hepadnavirus;
• Ribovirus:
• RNA bi catenario: genoma segmentato, rotavirus, reovirus;
• RNA monocatenario (+) = non segmentato, picornavirus, flavi virus, togavirus;
• RNA monocatenario (-) = segmentato orthomyxovirus e non segmentato paramyxovirus, rhabdovirus, filo virus;
• RNA monocatenario non mRNA = intermedio DNA, retrovirus (HIV).

Quando l’RNA è compatibile con la funzione di mRNA, con polarità positiva si intende al contrario si dice che è a polarità negativa. I virus sono in grado di esprimere il loro potenziale biologico, ossia di tradurre le loro informazioni genetiche, solo quando il loro genoma è introdotto in una cellula, spogliato dall'involucro e tradotto a spese delle strutture e dei circuiti metabolici cellulari. I virioni o particella virale rappresentano una fase dormiente, biologicamente inattiva dei virus. È quindi definita come forma extracellulare, con nessuna funzione respiratoria e biosintetica. È la struttura che serve per trasportare il genoma da una cellula ad un'altra.

Ciclo di moltiplicazione dei virus

La moltiplicazione dei virus avviene all'interno della cellula infetta ed è peculiare perché:

• Il virus perde la unità morfologica che caratterizza il virione nella fase extra cellulare;
• L'acido nucleico e le proteine strutturali della progenie virale vengono sintetizzati separatamente e si riuniscono al termine del ciclo.

Affinché un virus possa moltiplicarsi, è necessario che infetti la cellula ospite. Lo spettro d'ospite rappresenta le cellule, i tessuti o la specie animale che il virus può infettare in cui può moltiplicarsi. Queste cellule sono dette sensibili all'infezione, ma non sempre è sufficiente a provocare la malattia con le relative patologie; perché l'infezione sia produttiva, la cellula deve essere permissiva oltre ché sensibile, deve cioè permettere la replicazione per quel determinato virus. Quindi, per moltiplicarsi deve entrare dentro una cellula che però deve essere non solo sensibile (cioè che può essere infettata) ma anche permissiva (cioè che le permette la completa trascrizione del genoma).

A seconda delle caratteristiche del virus infettante, l'infezione può essere:

• Produttiva: in cui la cellula è sensibile e permissiva; la replicazione del virus è caratterizzata da un ciclo completo di moltiplicazione virale con produzione di progenie virale infettante;
• Restrittiva: quando la cellula sensibile presenta condizioni di permissività non costanti;
• Latente: quando il DNA del virus infettante si integra nel genoma della cellula infetta replicandosi ad ogni ciclo cellulare e conferendo alla cellula peculiari caratteri fenotipici per la parziale espressione del genoma;
• Abortiva: quando la cellula sensibile non è totalmente permissiva, quindi l'infezione si esaurisce senza la produzione di progenie virale.

Le diverse fasi del ciclo di moltiplicazione virale sono:

1. Attacco del virione alla superficie della cellula;
2. Penetrazione del virus all'interno della cellula;
3. Esposizione dell'acido nucleico virale;
4. Sintesi delle macromolecole virus specifiche;
5. Montaggio o assemblaggio dei virioni neoformati;
6. Liberazione della progenie virale.

Il genoma virale utilizza le strutture della cellula ospite per sintetizzare parti virali. Le proteine sintetizzate non sono solo di tipo strutturale ma possono anche essere precoci, quelle funzionali necessarie alla replicazione dell'acido nucleico, e tardive, quelle strutturali della progenie virale.

Genetica virale

Il genoma virale ha dimensioni relativamente modeste e ha quindi capacità di codice limitate: infatti può codificare solo le proteine strutturali (che entrano nella struttura del virione) e proteine funzionali (che svolgono attività necessarie alla replicazione).

• Deossiribovirus: con il genoma formato da DNA, che possono essere monocatenari e bicatenari e circolari, singola o segmentata; nel DNA bicatenario la replicazione può essere nucleare o citoplasmatica, mentre nel monocatenario la replicazione è nucleare.
• Ribovirus: il cui genoma è l'RNA, può essere bicatenario, monocatenario (-) e (+).

I virus sono in grado di esprimere il loro potenziale biologico solo quando il loro genoma è introdotto nella cellula, spogliato dall'involucro e tradotto a spese delle strutture e dei circuiti metabolici cellulari. Infatti, la particella virale o virione in forma extracellulare è metabolicamente inerte con nessuna funzione respiratoria e biosintetica.

Ciclo moltiplicativo

1. Attacco del virus sulla superficie cellulare;
2. Penetrazione (adsorbimento) all’interno della cellula;
3. Esposizione dell’acido nucleico virale;
4. Sintesi delle macromolecole virus-specifiche;
5. Assemblaggio dei virioni neo formati;
6. Liberazione della progenie virale.

Attacco dei virus alla cellula: è il risultato di collisioni casuali e per rendere un attacco efficiente deve essere presente sulla superficie del virione una proteina, detta antirecettore, che si leghi con il suo complementare recettore, una struttura specifica presente nella cellula sulla membrana citoplasmatica. Nei virus provvisti di peplos gli antirecettori sono in genere glicoproteine organizzate in peplomeri mentre negli altri virus si tratta di proteine del capside. Comunque la sensibilità di una cellula nei confronti di un virus è diversa dalla permissività, ovvero la cellula permette la replicazione del virus. È un processo passivo.

Penetrazione e rilascio del genoma

Penetrazione dei virus è necessario un intervento attivo della cellula da infettare. Si verifica asseconda se:

• Virus nudi: vengono internalizzati mediante traslocazione attraverso la membrana cellulare o per endocitosi; questo processo favorisce la disintegrazione del capside o la liberazione del genoma nel citosol.
• Virus con envelope: processi differenti, l’envelope si può fondere con la membrana citoplasmatica dell’ospite ed il nucleo capside è rilasciato nel citoplasma; per endocitosi: viene inglobato l’intero virus.

Rilascio del genoma virale: per i virus con envelope la rimozione del pericapside avviene o quando entrano nella cellula ospite per fusione del pericapside con la membrana cellulare o con la fusione del pericapside con la membrana della vescicola endofitica. I virus nudi entrano per endocitosi nella vescicola endolitica. Avviene la disgregazione del capside e l’acido nucleico virale è rilasciato nel citoplasma della cellula ospite. Questo periodo è chiamato di eclissi, i virioni non possono essere evidenziati.

I virus utilizzano il macchinario proteico-sintetico della cellula infetta. Ci sono molti ostacoli che il virus deve superare: nella cellula eucariotica gli mRNA vengono sintetizzati nel nucleo, per trascrizione del DNA ad opera della trascrittasi cellulare e poi trasferiti nel citoplasma. La cellula eucariotica è quindi sprovvista di enzimi in grado di sintetizzare l’mRNA per trascrizione da RNA: questo implica che solo i virus a DNA, che possono raggiungere il nucleo, siano in grado di utilizzare il sistema trascrittasi della cellula. Quindi gli altri devono possedere della trascrittasi virus-specifiche.

Nei deossiribovirus

La sintesi dei mRNA avviene nel nucleo ed in nucleo stesso è la sede della replicazione del genoma. Divisi in 4 gruppi:

• Gruppo 1: Herpesvirus adeovirus, dsDNA * (ds= doppio filamento) lineare: Genoma traslocato nel nucleo; Utilizzo apparato trascrizione cellulare; DNA isolato infettante.
• Gruppo 2: Poxivirus: dsDNA circolare: Replicazione citoplasmatica;
• Gruppo 3: Parvovirus: ssDNA * (singolo filamento): Replicazione nucleare con enzima cellulare;
• Gruppo 4: Hepadnavirus: parzialmente dsDNA circolare: Replicazione complessa

Gruppo 1: Herpesviridae, adenoviridae, papovaviridae

Nucleo capside viene trasportato lungo il citoscheletro del sito di ingresso fino al poro nucleare dove alcuni fattori provocano la liberazione del DNA all’interno del nucleo. Il DNA virale viene trascritto dall’apparato trascrittivo della cellula con gli mRNA. La trascrizione in genere è simmetrica, ovvero operata su ambedue le catene polinucleotidiche del genoma, che vengono trascritte in direzioni opposte che portano a messaggi in diversi tempi, e quindi proteine precoci (proteine funzionali) e tardive (proteine strutturali).

Gruppo 2: Poxvirus

Il genoma è molecola lineare di DNA bicatenario i cui estremi sono legati covalentemente, il che consente la denaturazione in forma circolare monocatenaria. La trascrizione e la sintesi macromolecolari avviene nel citoplasma e devono possedere quindi le trascrittasi virus-specifiche nel virione. È presente quindi un RNA-polimerasi DNA dipendente. La trascrizione iniziale del genoma virale avviene all’interno del core con la produzione di proteine precoci che consentono l’esposizione del genoma virale e l’avvio delle successive tappe della replicazione. Dopo l’esposizione avviene un’ulteriore trascrizione dei messaggeri tardivi con produzione di proteine strutturali. Il coinvolgimento del nucleo consiste nella maturazione del virione.

Gruppo 3: Parvovirus

Comprendono sia virus in grado di replicarsi autonomamente sia virus la cui replicazione dipende dalla coinfezione con adenovirus o herpes virus. Nel caso di parvovirus autonomi, la replicazione è possibile solo in cellule in attiva moltiplicazione ed è dipendente dalla fase S in quanto, quando il genoma a DNA monocatenario, raggiunge il nucleo cellulare utilizza le DNA polimerasi ed altri fattori presenti nella fase S e che provvedono alla sintesi complementare della catena polinucleotidica del genoma. Infatti, una volta entrato, il parvovirus dirige il proprio genoma nel nucleo dove le molecole di DNA a singolo filamento vengono rese a doppio da DNA polimerasi presenti solo nella cellula in attiva crescita. La trascrizione, la replicazione e l’assemblaggio avvengono nel nucleo e il virus viene rilasciato per lisi cellulare.

Gruppo 4: Hepadnavirus

Cui appartiene il virus epatite B. È una replicazione peculiare. Innanzitutto, il HBV ha un elevato tropismo cellulare per il fegato e HBV si replica attraverso un intermedio a RNA e produce e rilascia delle particelle che fungono da esca antigenica (HBsAg, ovvero le glicoproteine che mediano per l’adsorbimento dell’HBV negli epatociti). Subito dopo l’infezione e l’esposizione del genoma, il DNA del virus, che è circolare e parzialmente bi catenario, viene trasferito nel nucleo, dove ad opera di enzimi cellulari viene trasformato in DNA completamente bi catenario e superspiralizzati. Il genoma viene trascritto da una RNA polimerasi cellulare con la formazione di due classi di RNA: RNA messaggeri subgenomici e RNA (+) pregenomico in cui è trascritta l’intera sequenza della catena polinucleotidica completa (-) del genoma. Questi vengono trasferiti nel citoplasma in cui: gli RNA-messaggeri subgenomici portano alla formazione di proteine virus-specifiche che verranno inserite nel pericapside e producono la proteina X con funzioni transattivanti. Gli RNA pregenomici sono bifunzionali e funzionano sia da RNA messaggeri (che danno luogo alla produzione delle proteine del core) sia come stampo per la sintesi del DNA genomico della progenie virale dopo la sintesi delle proteine tradotte dagli RNA pregenomici. Gli RNA pregenomici vengono incapsidati divenendo provirione al cui interno...