Wirusy - molekularne pasożyty

Biologiczna charakterystyka i budowa wirusów

Wirusy to mikroskopijne czynniki zakaźne zbudowane z białka i kwasu nukleinowego. Nie są zaliczane do organizmów żywych z powodu braku budowy komórkowej oraz braku przejawiania samodzielnej aktywności metabolicznej — nie oddychają, nie odżywiają się i nie wydalają. Wykazują zdolność wyłącznie do namnażania się, które może zachodzić tylko wewnątrz komórki organizmu gospodarza. Z tego powodu określa się je mianem molekularnych pasożytów.

• Wirion: Kompletnie uformowana cząstka wirusa występująca w środowisku pozakomórkowym, która wykazuje zdolność do atakowania i infekowania komórek.

• Składnik strukturalny wirionu:

  • Materiał genetyczny: Kwas deoksyrybonukleinowy ($DNA$) lub kwas rybonukleinowy ($RNA$).
  • Kapsyd: Białkowy płaszcz chroniący materiał genetyczny.
  • Osłonka zewnętrzna: Lipoproteinowa osłonka występująca u części wirusów.
  • Dodatkowe składniki: Białka budulcowe lub cząsteczki specyficznych enzymów wirusowych.

• Materiał genetyczny i genom:

  • Materiałem genetycznym jest $DNA$ lub $RNA$. W zależności od rodzaju wirusa cząsteczki kwasów nukleinowych są jednoniciowe ($ssDNA$, $ssRNA$) bądź dwuniciowe ($dsDNA$, $dsRNA$).
  • Genom stanowi kompletną informację genetyczną wirusa. Genomy wirusów są bardzo małe i zawierają geny kodujące białka wirusowe.

• Kapsyd:

  • Składa się z małych, białkowych jednostek strukturalnych nazywanych kapsomerami.
  • Pełni funkcję ochronną dla materiału genetycznego w środowisku pozakomórkowym.
  • Umożliwia wirusowi rozpoznawanie komórek gospodarza.

• Osłonka zewnętrzna (lipoproteinowa):

  • Część lipidowa powstaje z fragmentu błony komórkowej komórki gospodarza, co ułatwia wniknięcie wirusa do wnętrza komórki.
  • Część białkową tworzą specyficzne białka wirusowe o charakterze glikoprotein.
  • Glikoproteiny osłonki pełnią funkcję receptorów oraz łączą kapsyd z osłonką lipidową.

Różnorodność morfologiczna wirusów

Wirusy wykazują zróżnicowaną budowę morfologiczną. Najczęściej spotyka się formy helikalne i bryłowe, jednak występują również struktury bardziej skomplikowane lub kuliste:

• Forma helikalna (spiralna):

  • Występuje często u wirusów roślinnych.
  • Przykład: wirus mozaiki tytoniu.

• Forma bryłowa (20-ścienna, rzadziej 12-ścienna):

  • Występuje głównie u wirusów zwierzęcych.
  • Przykład: wirus zapalenia wątroby typu A.

• Forma bryłowo-spiralna (złożona):

  • Występuje u bakteriofagów (fagów), czyli wirusów atakujących komórki bakterii.
  • Budowa wirionu: wielościenna główka zawierająca $DNA$ oraz helikalny ogonek zaopatrzony w białkowe włókna.

• Forma kulista:

  • Występuje u wirusów zawierających osłonkę lipoproteinową.
  • Przykład 1: wirus $\text{SARS-CoV-2}$ (posiada kapsyd o formie helikalnej otoczony osłonką lipoproteinową z glikoproteinami).
  • Przykład 2: wirus grypy (zawiera materiał genetyczny w postaci $RNA$, kapsyd, osłonkę lipidową oraz glikoproteiny osłonki).

Ogólny mechanizm i etapy infekcji wirusowej

Infekcja wirusowa (zakażenie wirusowe) polega na wniknięciu wirusa do komórki gospodarza, a następnie na jego namnożeniu się. Proces ten składa się z następujących etapów:

1. Adsorpcja: Приłączenie się wirusa do odpowiednich receptorów znajdujących się na powierzchni błony komórkowej gospodarza.
2. Wniknięcie: Wprowadzenie wirusa lub jego genomu do komórki gospodarza. Bakteriofagi wstrzykują wyłącznie swój genom do wnętrza bakterii, pozostawiając kapsyd na zewnątrz. Wirusy roślinne i zwierzęce zazwyczaj wnikają do komórek w całości.
3. Synteza kopii genomów wirusa:
   • W przypadku wirusów $DNA$ synteza nowych genomów polega na replikacji $DNA$ z udziałem komórkowego enzymu gospodarza — polimerazy $DNA$.
   • W przypadku wirusów $RNA$ powielanie materiału genetycznego jest bardziej skomplikowane i często wymaga udziału specyficznych enzymów wirusowych, np. odwrotnej transkryptazy.
4. Ekspresja genów wirusa: Prowadzi do wytworzenia białek wirusowych.
   • W przypadku wirusów $DNA$ najpierw zachodzi przepisanie informacji z wirusowego $DNA$ na $mRNA$ (transkrypcja), a następnie synteza białek zgodnie z informacją zawartą w $mRNA$ (translacja).
   • U niektórych wirusów $RNA$ cząsteczka $RNA$ tworząca ich genom może być jednocześnie matrycą do syntezy białek kapsydu.
   • U innych wirusów $RNA$ synteza $mRNA$ jest procesem bardziej złożonym i wymaga udziału specyficznych enzymów wirusowych.
5. Składanie genomów i białek wirusa: Polega na łączeniu się kopii genomów wirusa oraz elementów kapsydu w wirusy potomne.
6. Uwolnienie wirusów potomnych: Wirusy potomne opuszczają komórkę gospodarza, wypączkowując z niej lub powodując jej rozpad (lizę).

Utajenie wirusa — prowirusy, profagi i stan lizogenii

Niektóre wirusy po wniknięciu do komórki gospodarza wbudowują swój genom do jej genomu:

• Prowirus: Genom wirusa wbudowany w genom komórki gospodarza (u organizmów eukariotycznych).
• Profag: Genom bakteriofaga wbudowany w genom komórki bakteryjnej.
• Stan lizogenii:
  • W tym stanie materiał genetyczny wirusa nie wywołuje objawów choroby.
  • Materiał genetyczny prowirusa lub profaga jest powielany wraz z materiałem genetycznym gospodarza podczas podziałów komórkowych.
  • Zapewnia to rozprzestrzenianie się wirusów w komórkach i organizmach potomnych bez wyniszczania żywicieli.
• Indukcja: Pod wpływem niekorzystnych dla zainfekowanej komórki czynników zewnętrznych prowirusy lub profagi mogą ulec aktywacji (indukcji) i wejść w cykl lityczny, wywołując objawy choroby.

Cykle infekcyjne bakteriofagów

W zależności od przebiegu infekcji wyróżnia się dwa podstawowe cykle infekcyjne bakteriofagów: cykl lityczny oraz cykl lizogeniczny.

Cykl lityczny

Zachodzi u bakteriofagów złośliwych, m.in. u bakteriofaga T4. Geny wirusa przejmują kontrolę nad metabolizmem komórki gospodarza, co prowadzi do powstania nowych wirionów i rozpadu komórki.

1. Adsorpcja: Bakteriofag przyłącza się do receptorów na powierzchni komórki gospodarza i wstrzykuje genom ($DNA$) do jej wnętrza.
2. Wnikanie: Genom fagowy przyjmuje kolistą postać w cytoplazmie.
3. Replikacja, transkrypcja, translacja i składanie: W efekcie replikacji genomu faga oraz ekspresji jego genów powstają genomy potomne oraz białka kapsydu. Wytworzone elementy łączą się w fagi potomne.
4. Uwolnienie: Fagi potomne opuszczają komórkę, co powoduje jej lizę (rozpad).

Cykl lizogeniczny

Zachodzi u bakteriofagów łagodnych, m.in. u bakteriofaga $\lambda$ (lambda). Genom wirusa integruje się z genomem komórki gospodarza.

1. Adsorpcja: Bakteriofag przyłącza się do receptorów na powierzchni komórki gospodarza i wstrzykuje genom ($DNA$) do jej wnętrza.
2. Wnikanie: Genom fagowy przyjmuje kolistą postać.
3. Integracja: Genom fagowy integruje się z genomem komórki gospodarza, co prowadzi do powstania profaga. Zachodzi replikacja genomu komórki wraz z wbudowanymi genami faga.
4. Rozprzestrzenianie się profaga: Podczas podziału komórki zintegrowany genom fagowy przechodzi do komórek potomnych.
5. Dalszy przebieg: Komórki potomne mogą się dalej dzielić, przekazując geny fagowe następnym pokoleniom komórek, lub pod wpływem niekorzystnych czynników zewnętrznych może nastąpić indukcja profaga (wejście w cykl lityczny).

Cykl infekcyjny wirusa DNA na przykładzie adenowirusa

Większość wirusów zwierzęcych wnika do wnętrza komórki w całości, w przeciwieństwie do bakteriofagów, które wstrzykują jedynie kwas nukleinowy.

Adenowirusy to wirusy $DNA$ zawierające dwuniciowy $DNA$ ($dsDNA$), które wywołują choroby górnych dróg oddechowych oraz układu pokarmowego. Ich kapsyd ma budowę bryłową z zaopatrzonymi glikoproteinami.

1. Adsorpcja: Glikoproteiny wirusa rozpoznają receptory znajdujące się na powierzchni infekowanej komórki i wiążą się z nimi.
2. Wniknięcie: Kapsyd wirusa wraz z materiałem genetycznym przechodzi do cytoplazmy komórki. Kapsyd ulega rozpadowi, uwalniając dwuniciowy $DNA$ ($dsDNA$).
3. Replikacja DNA: Enzym komórki gospodarza (polimeraza $DNA$) tworzy kopie genomu wirusa.
4. Transkrypcja: Enzym komórki gospodarza (polimeraza $RNA$) przepisuje w jądrze komórkowym informację genetyczną z $DNA$ wirusa na cząsteczki $mRNA$.
5. Translacja: Na rybosomach komórki gospodarza w cytozolu zachodzi synteza białek wirusowych.
6. Składanie: Z elementów składowych powstają wirusy potomne.
7. Uwolnienie: Wirusy potomne opuszczają zainfekowaną komórkę, co zwykle powoduje jej lizę.

Cykl infekcyjny retrowirusa na przykładzie wirusa HIV

Retrowirusy to grupa wirusów $RNA$, których cykl infekcyjny obejmuje proces odwrotnej transkrypcji, czyli przepisania informacji genetycznej z $RNA$ na $DNA$ ($RNA \rightarrow DNA$). Genom retrowirusa koduje odwrotną transkryptazę — enzym katalizujący syntezę $DNA$ na matrycy $RNA$.

Przykładem retrowirusa jest ludzki wirus niedoboru odporności (ang. HIV — human immunodeficiency virus), który wywołuje nabyty zespół niedoboru odporności (ang. AIDS — acquired immune deficiency syndrome). Genom HIV składa się z dwóch jednoniciowych cząsteczek $RNA$ ($ssRNA$), kapsydu, enzymu odwrotnej transkryptazy oraz osłonki lipidowej z glikoproteinami.

1. Adsorpcja: Glikoproteiny wirusa rozpoznają receptory znajdujące się na powierzchni komórki odpornościowej i wiążą się z nimi. Osłonka wirusa zlewa się z błoną komórkową komórki gospodarza.
2. Wniknięcie: Kapsyd wirusa wraz z materiałem genetycznym wnika do cytoplazmy komórki. Kapsyd ulega rozpadowi, uwalniając materiał genetyczny wirusa.
3. Odwrotna transkrypcja: Na podstawie $RNA$ wirusa odwrotna transkryptaza syntetyzuje $DNA$ odpowiadający pełnemu genomowi wirusowemu (tworząc najpierw hybrydę $RNA\text{-}DNA$, a następnie dwuniciowy $DNA$). Następnie $DNA$ przedostaje się do jądra komórkowego.
4. Integracja: $DNA$ wirusa zostaje wbudowany do $DNA$ komórki gospodarza i staje się prowirusem. Wirus w stanie utajenia jest obecny w komórkach odpornościowych, nie wywołując przy tym objawów AIDS.
5. Transkrypcja: Po indukcji wirusa (po wejściu w cykl lityczny) następuje synteza wirusowego $RNA$ na matrycy $DNA$. Dzięki temu wytwarzane są nowe genomy wirusa, które jednocześnie stanowią matrycę do syntezy białek wirusowych.
6. Translacja: Na rybosomach komórki gospodarza zachodzi synteza białek wirusowych.
7. Składanie: Z elementów składowych powstają wirusy potomne.
8. Uwolnienie: Wirusy potomne opuszczają zainfekowaną komórkę. Każdy wirus jest otoczony osłonką powstałą z błony komórkowej gospodarza, zawierającą glikoproteiny wirusa. Komórka gospodarza nie ulega lizie, ale nieustannie wytwarza nowe wiriony, które mogą atakować kolejne komórki.