Virologia

Virologia

Caratteristiche dei virus

I virus sono agenti infettivi di piccole 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. Sono esseri parassitari. "Un pezzo di cattive informazioni contenute in un involucro proteico."

Viviamo e prosperiamo in una nuvola di virus, il numero di virus sulla Terra è sbalorditivo. Ne esistono più di 10³⁰ particelle di batteriofagi nelle acque del mondo. Questi infettano gli esseri viventi. La biomassa di tutti i virus batterici sul pianeta supera la biomassa degli elefanti di oltre 1000 volte. Noi mangiamo e respiriamo regolarmente miliardi di particelle virali. Trasportiamo dei genomi virali come parte del nostro materiale genetico.

Impatto e importanza dei virus

I virus infettano tutte le forme viventi, pseudo-viventi e non viventi (virus). Quanto siamo infetti? Nei primi 10 anni di vita abbiamo incontrato un sacco di virus e una volta che ci infettiamo, loro rimangono in noi, portiamo nel nostro genoma i resti del virus. Ci sono 10¹⁶ genomi di HIV sulla Terra. Questo perché sono difficili da combattere. Sono in grado di sviluppare la resistenza ad ogni farmaco.

Il microbioma (organismi che vivono con noi) è molto numeroso. Negli ultimi anni si pensa che ci sia un viroma, cioè lo stesso concetto di microbioma ma composto da virus. Nel nostro genoma, solo 1,5% dei geni sono deputati alla sintesi di proteine.

Malattie e sistema immunitario

Fotografando le malattie che hanno portato alla morte, molte patologie sono causate da virus. I virus possono portare a casi oncologici. La maggior parte dei virus che ci infettano hanno su di noi un impatto nullo o minimo. Questo perché i virus ci passano attraverso e come li ingeriamo li cacciamo fuori. Poi, il nostro sistema immunitario è straordinario e riesce a proteggerci (se è normo-competente). Molti invece hanno un ruolo essenziale e benefico per l’organismo ospite.

Origine dei virus

Non ci sono nozioni sicure, ci sono solo teorie.

• Regressiva (o degenerativa): I virus sarebbero forme di vita degenerate che hanno perso la maggior parte delle loro funzioni conservando solo l’informazione genetica essenziale e sufficiente a garantire la vita come parassiti.
• Cellulare (escape): I virus sarebbero aggregati subcellulari funzionali di frammenti di DNA/RNA sfuggiti dall’ambiente cellulare ed autonomizzatesi.
• Indipendente (coevoluzione): I virus si sarebbero evoluti in parallelo assieme alle entità più complesse a partire dalle forme molecolari autoreplicative del mondo dell’RNA prebiotico.

Alcuni retrovirus hanno origine marina e si sono originati più di 450 milioni di anni fa (periodo Ordoviciano), ma probabilmente c’erano già prima, addirittura prima delle cellule forse.

Perché ci interessano i virus?

Sono numerosissimi sulla terra, rappresentano la biodiversità maggiore. I virus guidano cicli biogeochimici globali (hanno un ruolo regolatore, perché forniscono materiale che poi andrà ad originare nuova vita). Possono essere utilizzati per capire come avviene la replicazione a livello cellulare e a scopi terapeutici. Molti virus sono agenti patogeni (COVID-19) e altri probabilmente sono utili.

I virus modellano le popolazioni degli ospiti e gli ospiti modellano le popolazioni dei virus.

Cosa sono i virus?

Non possono essere considerati proprio esseri viventi ma non sono nemmeno non-viventi, quindi sono un po’ ambigui. Hanno delle caratteristiche comuni ad entrambi. Come gli esseri viventi, una volta dentro la cellula si riproducono e possono anche mutare. Come i non-viventi non possono fare molto, come per esempio replicarsi in maniera autonoma (non hanno nemmeno l’energia eventualmente per farlo), non hanno un’organizzazione cellulare e non hanno un’attività metabolica. In più, non possiedono un genoma costituito da DNA a doppia elica. A loro interessa replicarsi. Sono intelligenti, si adattano all’ambiente.

Infettano tutte le cellule, anche microbiche, oltre ai batteriofagi, recentemente scoperti i 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. Sono molto semplici dal punto di vista strutturale ma estrema complessità dal punto di vista biologico-funzionale (parassiti intracellulari obbligati).

Proprietà dei virus

• Deve infettare una cellula per riprodursi.
• Devono utilizzare i meccanismi della cellula ospite per produrre i loro componenti.
• Deve codificare il materiale genomico virale per produrre proteine specifiche.
• Sono inerti nell’ambiente extracellulare.
• La produzione di nuovi virioni avviene per assemblaggio delle componenti virali: entrano nella cellula e moltiplica le sue parti, compreso il genoma.
• Non esiste una sintesi proteica autonoma.

Storia dei virus

Sono a contatto con l’uomo da sempre, magari esistono da più tempo di noi. Le prime infezioni a carico degli uomini ci sono da quando si hanno testimonianze di esso. Possono essere legati allo sviluppo e all’allevamento di animali che ha visto l’incontro di varie specie. Quasi tutti i virus li abbiamo presi dagli animali. Andando a colonizzare sempre più posti, si viene a contatto con altri virus.

Il nome virus deriva dal latino e ha un’eccezione legata al veleno. Negli ultimi secoli è stata utilizzata per indicare una malattia anche prima di scoprire i virus. Fondamentali nella scoperta di virus sono stati Dimitri Ivanowski (1892) e Martinus Beijerinck (1898).

Pasteur lavorava sulla rabbia e pensò che fosse un batterio molto piccolo. Ci sono dei filtri di trattenere dei batteri (filtri di batteriologia). Ivanowski scopre che l’agente causale del virus del mosaico del tabacco non è visualizzabile al microscopio, attraversa i filtri di batteriologia e non può essere coltivato in laboratorio. Quindi qualcosa di più piccolo dei batteri trasmette il contagio: agenti filtrabili.

Beijerinck conferma che l’agente infettivo è più piccolo dei batteri (non sono tossine) e lo chiama virus, ipotizzando che sia qualcosa di simile ad un organismo vivente. Dice che è un agente patogeno, un germe vivo ma solubile. Lui utilizza diversi esperimenti con diluizioni. Da questo momento si susseguono scoperte nel campo dei virus e della medicina. Dopo gli esperimenti sulle piante, si iniziano a fare sugli animali.

Nel 1901 Walter Reed (medico militare) dimostra che la febbre gialla è causata da un virus trasmesso da alcune zanzare. Ora si collega il virus all’uomo. Ha dimostrato facendo uno studio (il primo) su dei volontari informati e ha dimostrato che gli animali (in questo caso la zanzara) possono fare da vettori. Nel 1908 Ellerman e Bang riportano la trasmissione, con filtrati primi di cellule, della leucemia nei polli. Nel 1911 Rous dimostra che il sarcoma dei polli viene trasmesso dai virus. Nel 1915 Twort e d’Herelle (in maniera indipendente tra loro) scoprono i fagi.

Nel 1918-20 ci fu la più grande pandemia del secolo: la febbre spagnola (H1N1). La Spagna non era coinvolta nella Prima guerra mondiale e per questo le si dà il suo nome, anche perché il primo caso fu lì. Nel 1940 Ruska ottiene le prime microfotografie dei virus con il microscopio elettronico. Nel 1941 Hirst dimostra che il virus dell’influenza ha la capacità di agglutinare (delle proteine si legano ad acido sialico presente sulla superficie dei globuli) i globuli rossi. Questo fu il primo metodo di quantificare i virus, cioè quanta carica virale hanno.

Nel 1949 Enders, Weller e Robbins sviluppano il primo sistema di coltivazione virale su cellule (poliovirus su cellule umane). La genomica virale ha beneficiato dell’innovazione tecnologica, prima per fare un sequenziamento ci volevano ore. Nel 1970 Termin e Baltimore identificarono l'enzima trascrittasi inversa. Nel 1977 Roberts e Sharp riconobbero che gli introni degli mRNA degli adenovirus erano sottoposti a processi di splicing. Inizia la genomica virale con i primi sequenziamenti.

L’ebola si è sviluppata nel 1976 in Sudan e aveva un tasso di mortalità al 53%. Alcuni mesi dopo in Zaire aveva una mortalità dell’88%. Nel 1979 l’Organizzazione Mondiale della Sanità (WHO) dichiara eradicato il vaiolo. Si tratta della prima malattia infettiva eliminata attraverso una vaccinazione.

Nel 1980 il gruppo di Robert Gallo isola il primo retrovirus umano (Human T-cell leukemia virus, HTLV). È l'agente della leucemia a cellule T dell'adulto (ATL) e della paraparesi spastica tropicale (TSP) o mielopatia HTLV-associata (HAM). Nel 1983 Luc Montagnier al Pasteur di Parigi isola il virus HIV. Ha preso le cellule T e ha visto che molte morivano. Da quelle infette esce HIV. Segue l’isolamento e la caratterizzazione del virus nel laboratorio di Robert Gallo a Bethesda. Nel 1989 i ricercatori della Chiron identificano il virus dell'epatite C (HCV).

Nel 2003 Carlo Urbani isolò il Coronavirus della Sindrome Respiratoria Acuta Grave (SARS) e classificò questo virus. Carlo Urbani è morto in seguito alla sua scoperta. Nel 2009 una nuova variante pandemica di Influenza A (H1N1) viene individuata in Messico.

Lo studio dei virus ha portato ad importanti scoperte molecolari: splicing, oncogenesi, retro-trascrittasi, ecc.

Le dimensioni dei virus

Il virus ha diverse forme e dimensioni. Viene paragonato ad un globulo rosso e ad un batterio. Ovviamente è molto più piccolo di entrambi. Sono circa 1/100 rispetto ai batteri. Per vederli abbiamo bisogno del microscopio elettronico. Ci sono anche virus enormi, cioè virus con un patrimonio genetico molto grande che riescono ad arrivare quasi alle dimensioni di E. coli (1500nm VS 2000nm).

I virus possono presentarsi in due modalità distinte, ovvero in una modalità molto semplice, ovvero in maniera extra cellulare (virione), mentre dal punto di vista intracellulare abbiamo qualcosa di complesso che ha la finalità di far replicare il virus e che è specifica per la specie del virus stesso e della cellula che viene infettata. Quindi all’esterno abbiamo una particella intatta, che può avere diverse forme (icosaedrica o ossetica) che viene denominata virione, all’interno della cellula il virus andrà a scomporsi in tutte le sue componenti, così da permettere al suo acido nucleico di fuoriuscire e utilizzare la macchina della cellula a suo vantaggio, ovvero esso ha come obbiettivo quello di replicare il suo acido nucleico e tutte le sue componenti.

Una volta che le sue componenti sono state replicate esse si ricombinano ed esce dalla cellula infetta e continua a fare la stessa cosa con le altre cellule. I virus sono tropici, ovvero hanno la capacità di localizzarsi o accumularsi in determinati organi di una determinata specie e tessuti all’interno di esso. Quindi un virus potrà attaccare solo determinate cellule all’interno di un organismo. La specificità è data dai recettori virali e dalla modalità con la quale essi interagiscono con i co-recettori cellulari.

Composizione e struttura dei virus

Nel corso degli anni, la definizione del virus è variata. Nei primi anni si è pensato che fosse un agente liquido, grazie al microscopio elettronico si è riusciti a capire che si tratta di una particella solida e grazie alle nuove tecnologie si è potuto appurare la loro composizione chimica.

Fondamentalmente possiamo distinguere i virus in due tipi: virus nudi e virus con capside. Il virus non è altro che informazione genetica o acido nucleico con una protezione esterna dovuta alle proteine. Nel virus nudo abbiamo l’acido nucleico, che potrebbe essere DNA o RNA circondato da un capside, unità strutturale proteica, che non sempre è formato da subunità chiamate capsomeri. Essi poi andranno a formare il capside.

In alcuni casi, nel virus nudo, possiamo parlare di nucleocapside, quando intendiamo sia l’acido nucleico che il capside. Altri virus hanno sviluppato un ulteriore grado di protezione, ovvero il pericapside o envelope. Questo strato è collegato al capside da una zona chiamata matrice, essa è una zona ad alta intensità dove sono presenti anche alcune proteine chiamate proteine M o matrice specifiche, esse hanno la funzione di collegare il capside al pericapside. Questa struttura dell’envelope è di natura lipidica, il virus la ottiene attraverso la gemmazione o estroflessione da alcune membrane nucleari, come per esempio quella del Golgi o citoplasmatiche.

Le glicoproteine presenti (proteine spike o peplomeri) sono virus-specifiche. Queste protrudono nello spazio extracellulare e sono virus-specifiche, mentre l’envelope è di natura cellulare, le proteine non sono virus-specifiche.

• Core: acido nucleico più ogni molecola che ne determina la stabilità.
• Capside: struttura proteica che racchiude l’acido nucleico o il core.
• Capsomero: unità proteica che ripetuta forma il capside (non sempre).
• Nucleocapside: acido nucleico (core) e capside.
• Matrice (tegumento): zona fra capside ed envelope.
• Envelope (pericapside): Involucro lipo-glicoproteico esterno al capside.
• Peplomeri (spike): proiezioni superficiali che protrudono dall’envelope.
• Virione: particella virale completa come si può osservare al di fuori della cellula.

La composizione chimica di un virus è formata da acido nucleico, che può essere sia DNA (desossiribovirus) o RNA (ribovirus) ed esso rappresenta il 10-15 % del peso, proteine, che possono essere strutturali ed enzimatiche (possono raggiungere fino al 90% del peso totale). Nei virus con envelope vi sono anche lipidi e carboidrati. L’envelope è di origine cellulare e le proteine del capside e le glicoproteine sono di origine virali. I virus possono avere forme e dimensioni diverse.

Il genoma

Il genoma virale, a differenza di altri tipi di genomi, è molto più diversificato, per dimensione, composizione e potere codificante. L’acido nucleico si può presentare in varie forme, che sia DNA o RNA, infatti vi sono 7 classi principali:

• DNA virale: forma più comune lineare ds (double strand), dimensioni 5-300 kilobasi.
• RNA virale: forma più comune lineare ss (single strand), dimensioni 7-30 kilobasi.

In quelli a DNA quelli più comune è quella lineare a doppio filamento e le dimensioni sono più grandi rispetto a quelli a RNA. Le dimensioni variano e possono arrivare fino a 300 Kb. In quelli a RNA le dimensioni arrivano ad essere fino ad un decimo rispetto a quelli del DNA e quelli più comuni sono quelli a filamento positivo. Gli acidi nucleici dei virus possono assumere forme e caratteristiche diverse. La diversità dell’acido nucleico è data dalla spinta evolutiva che si è trovato di fronte. Di norma un virus deve adattarsi all’ambiente e all’ospite che si trova dinanzi, poiché anch’esso in qualche modo si è trovato dinanzi ad una propria evoluzione nel tempo. Molto probabilmente l’acido nucleico dei virus nasce a RNA.

Le informazioni che sono codificate in un genoma virale sono diverse e sono le informazioni per la replicazione del virus, l’informazione per l’assemblamento e confezionamento del genoma (capside), le informazioni per la regolazione e tempistiche del ciclo di replicazione, le informazioni per la modulazione delle difese dell’ospite, infatti vi sono virus che riescono ad interrompere i segnali, che la cellula utilizza, che vanno verso l’esterno dando informazioni al sistema immunitario (nel caso di ospite infettato). Altre informazioni sono quelle di diffusione ad altre cellule e ospiti e le informazioni per la sintesi proteica utilizzando la macchina cellulare interpretando la funzione di parassita, si è scoperto però che nei virus giganti vi sono informazioni per la sintesi proteica già nell’acido nucleico virale.

Le informazioni non contenute nelle informazioni virali sono geni che codificano il meccanismo completo di sintesi proteica, gene per la codifica delle proteine coinvolte nella biosintesi di membrana, nessun centromero o telomero. Normalmente, il genoma virale contiene l’informazione genetica che deve essere riconosciuta e codificata dalle cellule ospiti, inoltre il codice genetico deve coincidere o essere riconosciuto e i segnali che dirigono l’espressione dei geni devo essere appropriati.

Normalmente un genoma grande ha una produzione di numero proteine con una struttura complessa, mentre un genoma piccolo ha una singola proteina che svolge funzione multiple. Nei genomi grandi si parla di virus piuttosto autonomi, essi si affidano poco alla produzione di enzimi specifici da parte della cellula, inoltre i virus a RNA non utilizzano il macchinario replicativo cellulare per la sintesi di DNA. Nei genomi piccoli si parla di virus che sfruttano il macchinario replicativo cellulare per sintetizzare DNA virale ed inoltre possono codificare per proteine che inducono la cellula infetta a dividersi attivamente.

Strategie dei virus

Alcuni virus hanno delle dimensioni ridotte, questo fattore implica che ci saranno diversi metodi per produrre proteine da una sequenza genomica, per ovviare a questa cosa ci sono dei rimedi adottati dai virus stessi, ovvero:

• Un gene più piccolo è contenuto completamente in quello più grande e qui si parla di geni sovrapposti.
• La stessa tripletta viene tradotta in 2-3 fasi di letture e questo viene chiamato frameshift.

In alcuni virus, mentre avviene la lettura del materiale genomico, questi sono in grado di fare un frameshifting di una base, ovvero poco dopo aver fatto 3 triplette esatte, viene saltata una G e...