Wirusy – definicja, budowa i namnażanie

Istnieje wiele struktur genomowych w wirusach. Jako grupa mają one bardziej strukturalną różnorodność genomową niż rośliny, zwierzęta, archaiki czy bakterie. Istnieją miliony różnych typów wirusów, ale tylko około 5 000 z nich zostało szczegółowo opisanych. ⁴⁹

Wirus ma albo geny RNA albo DNA i jest nazywany odpowiednio wirusem RNA lub wirusem DNA. Zdecydowana większość wirusów ma genomy RNA. Wirusy roślinne mają zazwyczaj jednoniciowe genomy RNA, a bakteriofagi mają zazwyczaj dwuniciowe genomy DNA. ^96/99

Populacje wirusowe nie rosną poprzez podział komórkowy, ponieważ nie mają komórek. Zamiast tego używają maszyny i metabolizmu komórki gospodarza do wytworzenia wielu kopii siebie i składają się (składają) w komórce.

Cykl życia wirusów różni się znacznie w zależności od gatunku, ale istnieje sześć podstawowych etapów w cyklu życia wirusów:^75/91

• Załączenie jest specyficznym wiązaniem pomiędzy białkami kapsydowymi wirusa a specyficznymi receptorami na powierzchni komórki gospodarza.
• Penetracja następuje po dołączeniu: Wirusy (pojedyncze cząsteczki wirusa) dostają się do komórki gospodarza poprzez endocytozę za pośrednictwem receptora lub fuzję błonową. Jest to często nazywane wejściem wirusowym.
  Infekcja komórek roślinnych i grzybowych różni się od infekcji komórek zwierzęcych. Rośliny mają sztywną ścianę komórkową wykonaną z celulozy, a grzyby jeden z chityny. Oznacza to, że większość wirusów może dostać się do wnętrza tych komórek tylko na siłę. ⁷⁰ Przykładem może być: wirus przemieszcza się na wektorze owada, który żywi się sokiem roślinnym. Uszkodzenia ścian komórkowych pozwoliłyby wirusowi przedostać się do środka.
  Bakterie, podobnie jak rośliny, mają silne ściany komórkowe, przez które wirus musi się przedostać, aby zainfekować komórkę. Jednakże ściany komórkowe bakterii są znacznie cieńsze niż ściany komórkowe roślin, a niektóre wirusy mają mechanizmy, które wstrzykują swój genom do komórki bakteryjnej przez ścianę komórkową, podczas gdy kapsułka wirusowa pozostaje na zewnątrz. ⁷¹
• Usuwanie powłoki jest procesem, w którym usuwany jest wirusowy kapsyd: Może to być przez degradację przez enzymy wirusowe lub enzymy gospodarza albo przez zwykłą dysocjację; wynikiem końcowym jest uwolnienie wirusowego kwasu nukleinowego.
• Replikacja wirusów polega na rozmnażaniu się genomu. Zwykle wymaga to produkcji wirusowego RNA (mRNA) z "wczesnych" genów. W przypadku wirusów złożonych z większymi genomami, może to nastąpić poprzez jedną lub więcej kolejnych rund syntezy mRNA: "późna" ekspresja genów jest z białek strukturalnych lub wirusowych.
• W wyniku samo-składania się cząsteczek wirusa o określonej strukturze, często dochodzi do pewnej modyfikacji białek. W wirusach takich jak HIV, modyfikacja ta (czasami nazywana dojrzewaniem) następuje po uwolnieniu wirusa z komórki gospodarza.
• Wirusy mogą być uwolnione z komórki gospodarza poprzez lizę, proces, który zabija komórkę poprzez rozerwanie jej błony i ściany komórkowej. Jest to cecha wielu bakteryjnych i niektórych zwierzęcych wirusów.
  W niektórych wirusach genom wirusowy jest umieszczany przez rekombinację genetyczną w określonym miejscu w chromosomie gospodarza. Genom wirusowy jest wówczas znany jako "prowirus" lub, w przypadku bakteriofagów, "profag". ⁶⁰
  Ilekroć gospodarz się dzieli, genom wirusowy jest również replikowany. Genom wirusowy jest przeważnie niemyy w obrębie gospodarza; jednak w pewnym momencie prowirus lub profag może spowodować powstanie aktywnego wirusa, który może złupić komórki gospodarza. ^{Rozdział 15}
  Wirusy w kopertach (np. HIV) są zazwyczaj uwalniane z komórki gospodarza po tym, jak wirus nabierze koperty. Koperta jest zmodyfikowanym fragmentem błony plazmowej gospodarza. ^185/7

Materiał genetyczny i replikacja

Materiał genetyczny w cząsteczkach wirusa oraz metoda, za pomocą której materiał jest replikowany, różni się znacznie w zależności od rodzaju wirusa.

Wirusy RNA

Replikacja zwykle odbywa się w cytoplazmie. Wirusy RNA mogą być umieszczane w czterech różnych grupach, w zależności od sposobu ich replikacji. Wszystkie wirusy RNA wykorzystują swoje własne enzymy replikacji RNA do tworzenia kopii swoich genomów. ⁷⁹

Wirusy DNA

Replikacja genomu większości wirusów DNA odbywa się w jądrze komórki. Większość wirusów DNA jest całkowicie zależna od maszyny do syntezy DNA i RNA komórki gospodarza, a także maszyny do przetwarzania RNA. Wirusy z większymi genomami mogą zakodować wiele z tej maszyny same. U eukariontów genom wirusowy musi przejść przez błonę jądrową komórki, aby uzyskać dostęp do tej maszyny, podczas gdy u bakterii musi tylko wejść do komórki. ⁵⁴⁷⁸

Odwrotne transkrybowanie wirusów

Odwrotna transkrypcja wirusów z genomami RNA (retrowirusy) wykorzystuje pośredni DNA do replikacji. Osoby z genomami DNA (pararetrowirusy) używają półproduktu RNA podczas replikacji genomu. Są one wrażliwe na leki przeciwwirusowe, które hamują enzym odwrotnej transkryptazy. Przykładem pierwszego typu jest HIV, który jest retrowirusem. Przykładem drugiego typu są Hepadnaviridae, który zawiera wirusa zapalenia wątroby typu B. ^88/9

Wewnętrzny układ odpornościowy

Pierwszą linią obrony organizmu przed wirusami jest wrodzony system odpornościowy. Ma on komórki i inne mechanizmy, które bronią gospodarza przed każdą infekcją. Komórki wrodzonego systemu rozpoznają i reagują na patogeny w sposób ogólny.

Zakłócenia RNA to ważna wrodzona obrona przed wirusami. Wiele wirusów posiada strategię replikacji, która wykorzystuje dwuniciowe RNA (dsRNA). Kiedy taki wirus zainfekuje komórkę, uwalnia swoją cząsteczkę RNA. Kompleks białkowy zwany dicer przykleja się do niego i sieka RNA na kawałki. Następnie uruchamia się biochemiczna ścieżka, zwana kompleksem RISC. To atakuje wirusowe mRNA, a komórka przeżywa infekcję.

Rotawirusy unikają tego, nie odkrywając całkowicie powłoki wewnątrz komórki i uwalniając nowo wytworzony mRNA przez pory w wewnętrznej części kapsuły cząstki. Genomowy dsRNA pozostaje chroniony wewnątrz rdzenia wirusa.

Produkcja interferonu jest ważnym mechanizmem obronnym gospodarza. Jest to hormon produkowany przez organizm, gdy obecne są wirusy. Jego rola w odporności jest złożona; ostatecznie zatrzymuje on rozmnażanie się wirusów poprzez zabicie zakażonej komórki i jej bliskich sąsiadów.

Adaptacyjny układ odpornościowy

Kręgowce mają drugi, bardziej specyficzny system odpornościowy. Nazywa się go adaptacyjnymukładem odpornościowym. Kiedy spotyka się z wirusem, wytwarza specyficzne przeciwciała, które wiążą się z wirusem i sprawiają, że nie jest on zakaźny. Ważne są dwa rodzaje przeciwciał.

Pierwszy z nich, zwany IgM, jest bardzo skuteczny w neutralizowaniu wirusów, ale jest produkowany przez komórki układu odpornościowego tylko przez kilka tygodni. Drugi, nazywany IgG, jest produkowany w nieskończoność. Obecność IgM we krwi gospodarza jest używana do badania na ostrą infekcję, podczas gdy IgG wskazuje na infekcję w przeszłości. Przeciwciało IgG jest mierzone podczas przeprowadzania testów na odporność.

Inną obroną kręgowców przed wirusami jest odporność za pośrednictwem komórek. Dotyczy ona komórek odpornościowych znanych jako komórki T. Komórki organizmu stale wykazują krótkie fragmenty swoich białek na powierzchni komórki, a jeśli komórka T rozpozna tam podejrzany fragment wirusa, komórka gospodarza zostaje zniszczona przez zabójcze komórki T i namnażają się specyficzne dla wirusa komórki T. Komórki takie jak makrofagi są specjalistami w tej prezentacji antygenu.

Omijanie układu odpornościowego

Nie wszystkie infekcje wirusowe wywołują ochronną odpowiedź immunologiczną. Te trwałe wirusy uchylają się od kontroli immunologicznej poprzez sekwestrację (ukrywanie); blokowanie prezentacji antygenu; oporność na cytokiny; unikanie naturalnej zabójczej aktywności komórek; ucieczkę przed apoptozą (śmierć komórki) i przesunięcie antygenowe (zmiana białek powierzchniowych). HIV uchyla się od układu odpornościowego poprzez ciągłą zmianę sekwencji aminokwasowej białek na powierzchni wirusa. Inne wirusy, zwane wirusami neurotropowymi, poruszają się wzdłuż nerwów do miejsc, do których układ odpornościowy nie może dotrzeć.

Wirusy nie należą do żadnego z sześciu królestw. Nie spełniają one wszystkich wymogów pozwalających na zaklasyfikowanie ich jako organizmów żywych, ponieważ nie są aktywne aż do momentu zakażenia. Jest to jednak tylko punkt werbalny.

Oczywiście, ich struktura i sposób działania oznacza, że wyewoluowały one z innych żywych rzeczy, a utrata normalnej struktury występuje w wielu endopasożytach. Pochodzenie wirusów w historii ewolucji życia jest niejasne: niektóre z nich mogły wyewoluować z plazmidów - kawałków DNA, które mogą przemieszczać się między komórkami - podczas gdy inne mogły wyewoluować z bakterii. W ewolucji wirusy są ważnym środkiem horyzontalnego transferu genów, który zwiększa różnorodność genetyczną.

W ramach ostatniego projektu odkryto prawie 1500 nowych wirusów RNA, pobierając próbki ponad 200 gatunków bezkręgowców. "Zespół badawczy... wydobył ich RNA i za pomocą sekwencjonowania następnej generacji rozszyfrował sekwencję oszałamiających 6 bilionów liter obecnych w bibliotekach bezkręgowych RNA". Badania wykazały, że wirusy zmieniały bity i fragmenty swojego RNA za pomocą różnych mechanizmów genetycznych. "Wirom bezkręgowców [wykazuje] niezwykłą elastyczność genomową, która obejmuje częste rekombinacje, boczny transfer genów pomiędzy wirusami i żywicielami, pozyskiwanie i utratę genów oraz skomplikowane zmiany genomowe".

Grupa dużych wirusów infekuje ameby. Największy z nich to Pithovirus. Inne w kolejności wielkości to Pandoravirus, następnie Megavirus, a następnie Mimivirus. Są one większe od niektórych bakterii i widoczne pod mikroskopem świetlnym.

Wirusy są szeroko stosowane w biologii komórkowej. Genetycy często używają wirusów jako wektorów do wprowadzania genów do badanych przez siebie komórek. Jest to przydatne w celu zmuszenia komórki do produkcji obcej substancji lub do badania efektu wprowadzenia nowego genu do genomu. Naukowcy wschodnioeuropejscy od pewnego czasu stosują fagową terapię jako alternatywę dla antybiotyków, a zainteresowanie tym podejściem rośnie, ze względu na wysoki poziom oporności na antybiotyki obecny w niektórych bakteriach patogennych.