Virologia generale e molecolare

18.02.2020

La virologia è la branca della

microbiologia che si occupa di

studiare i virus.

La virologia è una materia

relativamente nuova, soprattutto

comparata allo studio dei batteri che

ha avuto inizio intorno alla fine del

‘700. Il motivo per cui furono scoperti

più tardi è dato dalle loro ridotte

dimensioni: sono visibili solo al

microscopio elettronico, raramente

attraverso il microscopio ottico.

Il termine virus deriva dal greco e significa “veleno”.

I virus sono organismi acellulari che contengono al loro interno un acido nucleico e che si

replicano esclusivamente all’interno di una cellula, sfruttando l’apparato di sintesi.

Le particelle virali che vengono sintetizzate all’interno delle cellule e successivamente

virioni.

assemblate insieme per formare il virus vengono definite

Differiscono dalle cellule per 3 motivi principali:

1. Presentano un solo acido nucleico, contrariamente alle cellule. L’acido nucleico può

essere presente sotto forma di singola o doppia elica di DNA o RNA.

2. Non possiedono enzimi coinvolti nel metabolismo energetico, sfruttano quelli della

cellula che infettano.

3. Non possiedono un apparato di sintesi, specialmente per quanto riguarda la sintesi di

proteine.

I virus sono organismi molto piccoli e possiedono un genoma ridotto rispetto ai batteri e

ai mammiferi. Il loro genoma comprende circa 10000/15000 paia di basi, e la produzione

di proteine è molto più ridotta rispetto ad altri. Gli organismi superiori, infatti, presentano

tantissime proteine specializzate mentre i virus ne possiedono poche multispecializzate.

Un gene cellulare è costituito da molte basi organizzate in sequenze esoniche ed

introniche. Il gene viene trascritto nella sua interezza, con la successiva rimozione degli

introni. La parte che viene tradotta è quella degli esoni. I virus non presentano sequenze

introniche e il processo di maturazione del genoma è assente o molto ridotto. I virus

cercano infatti di massimizzare l’informazione genetica nel minimo spazio.

MORFOLOGIA E STRUTTURA

La particella virale, o virione, può avere dimensioni diverse a seconda della complessità

del virus in questione.

I virioni sono metabolicamente inerti all’esterno della cellula ospite.

Guardando la struttura del virione dall’interno verso l’esterno, possiamo definire alcuni

componenti fondamentali che servono per la sua struttura e il suo funzionamento:

-CORE (o NUCLEOCAPSIDE): costituito da acido nucleico molto compattato e disposto in

maniera ordinata. Il core consiste di un genoma costituito da DNA o RNA, a singola o

doppia elica.

La condensazione e

l’impacchettamento sono dovuti alle

nucleoproteine che avvolgono il

-CAPSIDE:

genoma virale. cofanetto

proteico che circonda il core. È

costituito da mattoncini uguali tra di

loro definiti capsomeri. Solitamente il

numero di capsomeri è prefissato e

ogni tipologia di virus presenta i suoi.

Il ruolo del capside è quello di

proteggere l’informazione genetica e

di veicolare il virus fino a un

determinato compartimento della

cellula ospite. Se un virus replica il suo genoma nel nucleo, il capside deve essere in

grado di arrivare fino al nucleo della cellula. Se, invece, replica nel citoplasma, allora il

capside verrà indirizzato verso una specifica zona del citoplasma cellulare.

nudi,

Per molti virus, detti virus questi mattoncini sono gli unici elementi che li

rivestiti,

compongono. Per altri virus, detti si ha all’esterno del capside un involucro

lipidico (un doppio strato come per le membrane cellulari) che viene acquisito dalla

membrana delle cellule che questi virus infettano. Questo

envelope.

involucro viene chiamato L’envelope riveste e

protegge a sua volta il capside.

I virus nudi e quelli rivestiti presentano diverse capacità

replicative e di interazione, oltre alle differenze morfologiche.

-ANTIRECETTORI: presenti all’esterno del capside (per i virus

nudi) o dell’envelope (per i virus rivestiti). Gli antirecettori

sono delle molecole proteiche che, con una sorta di

meccanismo chiave-serratura, permettono ai virus di entrare

all’interno di determinate cellule interagendo con una o più molecole presenti sulla loro

membrana. Ad esempio, i virus neurotropi sono in grado di legare molecole presenti sulla

superficie dei neuroni.

CAPSIDE

I virus animali che infettano organismi superiori hanno capsidi che possono essere a

elicoidale icosaedrica.

simmetria o a simmetria I virus, per poter funzionare al meglio,

devono essere rapidi nella costruzione e piccoli nella dimensione. Per poter fare ciò, essi

hanno adottato la simmetria elicoidale: il genoma si dispone all’interno del pacchetto

proteico come se fosse una scala a chiocciola e nelle varie spire si vanno ad incastrare le

proteine che lo stabilizzano e proteggono. Il capside a forma elicoidale è ripiegato su

stesso: questo tipo di struttura non si presta bene a inserire altri elementi oltre al genoma

e alle proteine.

È un modello semplice ma efficace, adottato da tanti virus come quello dell’Ebola.

Ciò che garantisce il massimo volume nel minimo spazio è la forma sferica. Costruire una

sfera, però, sarebbe complicato per il virus in quanto dovrebbe produrre migliaia di

capsomeri diversi tra loro. La simmetria a icosaedro è la forma più simile ad una sfera e,

al contempo, la più efficace. Un icosaedro presenta 20 triangoli equilateri arrangiati

intorno a una sfera. È una comoda soluzione che consente al virus di produrre i capsomeri

in tempo breve. Il capside è così progettato in modo esattamente congruo a quello che

serve per le dimensioni del genoma del virus, né più grande né più piccolo. Il genoma

deve essere disponibile appena il capside si disgrega.

ENVELOPE (o PERICAPSIDE)

Tra il capside e l’envelope si trova una matrice costituita da una trama di proteine.

Queste proteine vanno a bloccare alcune funzioni della cellula infettata e formano una

sorta di scheletro esterno al capside sul quale si va ad adagiare l’envelope. Questo

scheletro è importante e deve essere solidale con il capside e congruo con l’envelope, al

quale conferisce rigidità. Circa 1/3 delle proteine prodotte vanno a formare questa

matrice.

L’envelope deriva dalla membrana plasmatica della cellula ospite, della quale il virus si

ricopre durante il processo di gemmazione che attua per fuoriuscire. Presenta una

porzione lipidica rappresentata dai fosfolipidi organizzati in un doppio strato e una

porzione proteica che è costituita dalle glicoproteine che sporgono sulla sua superficie.

Essere virus nudi o rivestiti conferisce differenti proprietà. Se il virus viene trattato con

cloroformio/etere, si hanno due outcome diversi: i virus nudi sono resistenti, quelli

rivestiti vengono disgregati. I virus rivestiti, trattati con solventi di lipidi, perdono la loro

infettività perché l’envelope viene disgregato e non possono più interagire con la cellula

bersaglio. Inoltre, i virus nudi fuoriescono dalla cellula spaccandola, facendola scoppiare,

mentre quelli rivestiti fuoriescono con un processo di gemmazione attraverso il quale

acquisiscono il loro envelope.

CLASSIFICAZIONE E NOMENCLATURA

I virus sono denominati in base a diversi fattori:

-Malattie a cui sono connessi (Poxvirus, Epatiti, HIV)

-Patologie che causano (Cytomegalovirus)

-Sito in cui sono stati isolati (Adenovirus, Enterovirus, Rinovirus)

-Luoghi in cui sono stati scoperti o persone che li hanno scoperti (Epstein-Barr)

-Caratteristiche biochimiche (Retrovirus, Picornavirus, Hepadnavirus)

Questo metodo di classificazione non è però completamente affidabile per 2 motivi

principali: virus diversi che causano gli stessi sintomi possono avere nomenclatura simile,

come nel caso del virus dell’Epatite, e virus diversi che appartengono alla stessa

categoria possono causare sintomi differenti, come nel caso degli Herpesvirus. Gli

Herpesvirus, infatti, sono tutti uguali ma presentano effetti diversi.

Una classificazione più affidabile è stata fornita da David Baltimore nel 1971 e prevede la

suddivisione dei virus in sette categorie, basate sulla tipologia di genoma che essi

presentano.

1. Classe I: DNA a doppio filamento (Adenoviridae, Herpesviridae, Poxviridae)

2. Classe II: DNA a singolo filamento (Parvoviridae)

3. Classe III: RNA a doppio filamento (Reoviridae)

4. Classe IV: RNA a singolo filamento a senso positivo (Pircornaviridae, Coronaviridae)

5. Classe V: RNA a singolo filamento a senso negativo (Orthomyxoviridae)

6. Classe VI: RNA a singolo filamento con intermedio a DNA (Retroviridae)

7. Classe VII: DNA a doppio filamento con intermedio a RNA (Hepadnaviridae)

20.02.2020

CICLO REPLICATIVO

Per poter sopravvivere, un virus ha bisogno di replicarsi all’interno di una cellula. La

replicazione è un processo

complicato e avviene in più fasi,

ma il tutto è ottimizzato affinché

sia rapido ed efficiente. Un ciclo

replicativo consiste in una serie

di tappe che si svolgono in

maniera simile per diversi tipi di

virus.

Il virus può entrare

nell’organismo, per esempio,

attraverso l’inalazione e si

attacca alla superficie delle

cellule del tratto respiratorio.

Segue la penetrazione del

capside, il quale percorre un

determinato tratto e porta l’acido

nucleico in specifici distretti della

cellula.

Avviene a questo punto la

replicazione del genoma e delle proteine virali: i virus a DNA si replicano nel nucleo,

mentre quelli a RNA nel citoplasma. Il capside si disgrega, rilascia l’acido nucleico,

procede alla replicazione e all’assemblaggio della progenie virale che alla fine del

processo fuoriesce dalla cellula.

Un ciclo replicativo viene suddiviso in una fase precoce che prevede l’ingresso del virus

all’interno della cellula, la disgregazione del capside, l’inizio della replicazione del

genoma e una fase tardiva che prevede, da parte del virus, l’espressione di geni che

codificano per le proteine che andranno a costituire la particella fisica. Vi sono dei geni

che hanno una funzione regolatoria e predispongono la replicazione del virus andando a

bloccare dei sistemi di difesa della cellula. Nella fase più tardiva virus codifica per i geni

strutturali che vanno a formare i capsomeri, gli antirecettori, etc. Il cambio tra la fase

precoce e quella tardiva prevede l’espressione dei geni adeguati alla codifica di specifiche

proteine utili al virus. È fisicamente visibile, all’interno della cellula ospite, un ammasso di

capsidi che si assemblano. C’è poi un punto di ricongiungimento tra le proteine che

costituiscono la particella fisica e i genomi replicati.

Nel mezzo del processo vi è una fase detta di eclissi, che corrisponde al momento della

disgregazione del capside. In questo momento del ciclo replicativo il virus non è

fisicamente visibile e i singoli componenti si stanno replicando all’interno della cellula: il

genoma comincia ad esprimere i propri messaggeri e le proteine che cominciano a

sintetizzarsi. Quando ci si avvicina alle fasi tardive della replicazione, le particelle virali

cominciano ad arrecare un danno caratteristico in base alla tipologia di virus. che può

comportare, in alcuni casi, la morte della cellula.

Vi sono virus che impiegano 24h+ per replicarsi e assemblarsi (virus complessi), mentre i

virus nudi replicano nell’arco di poche ore provocando un danno cellulare molto evidente.

I virus animali replicano in un periodo di tempo che va dalle 4-5h a 40 h. I virus più lenti

producono meno progenie, ma la maggior parte delle particelle virali prodotte sono

infettanti perché il processo è più monitorato e controllato. Quanto più rapidamente si

replicano, tanto più alta è la possibilità che le particelle virali prodotte non siano

completamente infettanti/funzionanti e che ci siano degli errori commessi nel processo. I

virus hanno meccanismi per regolare questo: alcuni replicano meno in modo da non

sottoporre la cellula a grande stress, altri replicano velocemente e in quantità massicce.

Questo ha un effetto sul tipo di malattie che può provocare e sull’andamento di molte

infezioni.

FASI DI REPLICAZIONE

1. ADSORBIMENTO

È la fase di attacco del virus alla superficie della cellula ospite. È il legame specifico tra

l’antirecettore e uno specifico recettore cellulare. L’attacco avviene mediante gli

antirecettori presenti sulla superficie del virus, i quali si legano a specifici recettori

cellulari presenti sulla membrana dell’ospite. I recettori della cellula sono solitamente

glicoproteine, lipoproteine, proteine con strutture terziarie, proteine strutturate in dimeri,

trimeri, etc. Il recettore è specifico per un determinato virus, per questo motivo abbiamo

virus che infettano le cellule nervose (neurotropi), le cellule epatiche, le cellule intestinali

e così via.

Solitamente una chiave apre una sola serratura, ma in alcuni casi vi sono virus che hanno

un tropismo (capacità di crescere in un determinato ambiente) più ampio e sono in grado

di crescere in diversi tipi di cellule e hanno diversi tipi di chiavi (alcuni Herpesvirus hanno

5 o più antirecettori diversi per legarsi). Spesso vi è bisogno di più proteine diverse per

interagire con lo stesso recettore e, in molti casi, un antirecettore necessita di interagire

con più elementi cellulari per poter entrare all’interno dell’ospite.

Vi sono virus che possono essere legati dagli anticorpi, e il complesso virus-anticorpo si

lega a sua volta a cellule che hanno il recettore per la porzione Fc dell’anticorpo per

innescare una risposta immunitaria. Questo meccanismo permette ai virus di entrare

all’interno dei macrofagi e migrare verso distretti anatomici che altrimenti sarebbero off-

limits (i macrofagi possono circolare liberamente all’interno dell’organismo). Sfruttando

questo metodo, il virus riesce a replicarsi all’interno dei macrofagi. Vi sono anticorpi che

ostacolano la replicazione del virus, e

altri anticorpi che lo aiutano a fare ciò.

I recettori sono molecole, solitamente

transmembrana, che la cellula utilizza

per il proprio funzionamento e

metabolismo. Molte dei recettori che i

virus sfruttano sono molecole di

adesione. Molte infezioni hanno origine

proprio a livello delle cellule epiteliali,

sfruttando proteine come le integrine,

le selectine, CD4, ICAM-1 e così via. I

virus si legano a una specifica porzione

di queste molecole (pochi amminoacidi)

e fanno scattare un meccanismo

attraverso il quale riescono a penetrare all’interno della cellula ospite, a volte facendosi

letteralmente portare all’interno della cellula dalla cellula stessa.

L’antirecettore è fondamentale per questo processo. I virus nudi sono costituiti da un

capside proteico abbastanza rigido e utilizzano una chiave incavata (negativo di chiave)

detta canyon; l’antirecettore non si estende verso l’esterno per legare il recettore

cellulare, ma è lo stesso recettore cellulare a insinuarsi all’interno della piega della chiave

presente sulla superficie del virus. Esempio sono i Picornavirus, i quali presentano questa

tipologia di chiave incavata.

L’incavatura è creata per rendere più difficile il compito di alcuni anticorpi che vanno a

legare l’antirecettore di far instaurare l’interazione tra l’antirecettore e il recettore

cellulare. Esempio sono gli anticorpi neutralizzanti, i quali si legano a una specifica

porzione dell’antirecettore, impedendogli di legarsi alle proteine della membrana della

cellula.

ESEMPIO: HIV è un virus rivestito. Espone, sulla superficie, le proteine glicosilate gp41 e

gp120 (l’antirecettore vero e proprio). Sono presenti entrambi come trimero. Quando il

virus trova il recettore CD4 sui linfociti T helper, la proteina gp120 cambia la sua

conformazione ed esprime i “dentini”, ovvero piccole porzioni dell’antirecettore che

sporgono all’esterno come i dentini delle chiavi. La chiave aggancia la cellula in maniera

molto rapida e il virus riesce a penetrare all’interno dell’ospite. Gp41 è chiamata proteina

di fusione in quanto fa letteralmente fondere le membrane del virus e della cellula, si

estende come un braccio che afferra la cellula e ripiegandosi, causa l’avvicinamento dei

due involucri e la loro fusione.

Il virus cambia molto spesso la conformazione del guscio esterno della chiave, in modo da

“depistare” il sistema immunitario. Le strategie di ingresso divergono e dipendono dal

fatto che si parli di virus nudi o virus rivestiti: quelli rivestiti penetrano attraverso un

meccanismo di fusione che può essere spontaneo o controllato (guidato) dal virus stesso.

2. PENETRAZIONE

I virus rivestiti entrano con un processo di fusione, mentre i virus nudi utilizzano un

meccanismo di endocitosi. Si ha la formazione di una vescicola che va poi a fondersi con i

lisosomi presenti nella cellula. L’abbassamento del pH all’interno della vescicola

lisosomiale causa la disgregazione del capside. Vi sono, però, anche delle situazioni miste

in cui virus rivestiti penetrano nell’ospite con un meccanismo di endocitosi. Si forma una

vescicola, che a sua volta si fonde con una vescicola lisosomiale, facendo avvenire la

disgregazione del capside.

Il fine della penetrazione è quello di poter arrivare nel giusto distretto della cellula per

poter liberare il genoma virale nel punto giusto.

3. SCAPSIDAZIONE/UNCOATING

Questo processo consiste nella disgregazione del capside, meccanismo che deve

necessariamente essere regolato dal virus. Se il capside si disgrega nel distretto sbagliato

o al momento sbagliato, non si ha la replicazione del genoma virale. Questo