Virusi

Otkriće virusa (kraj XIX veka) Postoje ’agensi’ koji dovode do različitih oboljenja, a koji prolaze kroz bakteriološke filtre (filtrabilni su) manjih su dimenzija od ćelije bakterija 1892. Ivanovski, filtrabilni uzročnik mozaične bolesti duvana 1898. Bejerink, potvrdio eksperimente Ivanovskog 1898. Lefler i Froš, filtrabilni uzročnik slinavke i šapa 1909. Landštajner i Poper, filtrabilni uzročnik dečije paralize Nazvani terminom „virusi“ – živi otrov 1915. Tvort i 1917. Derel, otkriće bakteriofaga – virusa koji napadaju bakterije Dugo priroda ovih agenasa nije bila poznata, ali se znalo da postoje, da su manjih dimenzija od bakterija i da dovode do različitih oboljenja. Vizuelizovani sa otkrićem elektronskog mikroskopa.

Opšte osobine virusa Najmanji i najjednostavniji mikroorganizmi Nemaju ćelijsku građu – acelularni su Virusna čestica – virion Virion je na granici veličine makromolekula (20-300 nm) Van ćelije su metabolički inertni (neaktivni) Obligatni intracelularni paraziti (obavezno parazitiraju u ćeliji) - u ćeliji koriste metabolički aparat (enzime, ribozome) i energiju domaćina za sopstvenu reprodukciju Ubrajaju se u žive organizme jer poseduju genetičku informaciju za sopstvenu reprodukciju 1 čestica virusa u jednom ciklusu razmnožavanja može dati preko hiljadu novih virusnih čestica

Građa viriona Nukleinska kiselina (DNK ili RNK) Kapsid, proteinske prirode, izgrađen iz strukturnih jedinica – kapsomera Nukleinska kiselina i kapsid grade nukleokapsid Kod nekih virusa postoji dodatni omotač poreklom od citoplazmatične membrane prethodnog domaćina i specifičnih virusnih proteina uronjenih u membranu U nukleokapsid mogu biti upakovani enzimi neophodni za inicijalne faze infekcije; sintetišu se i pakuju u ćeliji prethodnom domaćinu (nikada nemaju kompletan enzimski sistem potreban za umnožavanje virusa, uvek koriste i domaćinove enzime i strukture)

Podela virusa Prema domaćinu na kome parazitiraju: Virusi Bacteria (bakteriofagi) Virusi Archaea Virusi Eukarya (animalni, biljni i virusi gljiva) Prema morfologiji virusne čestice... Prema arhitekturi genoma (tipu nukleinske kiseline)... Prema strategijama reprodukcije koje koriste tokom infekcije...

Nukleinske kiseline virusa DNK ili RNK jednolančana ili dvolančana, cirkularna ili linearna, neki RNK genomi su segmentirani Proteinski omotač – kapsid Izgrađen od kapsomera Kubna, spiralna ili kompleksna simetrija Kompleksna tipična za bakteriofage Spiralna tipična za biljne viruse Animalni virusi imaju veliku varijabilnost u obliku kapsida (ikosaedarna ili spiralna simetrija, nikada nije kompleksna)

Kubna simetrija Ikosaedarna simetrija papova virus (dsDNK) polio virus (+ssRNK) Adenovirus (dsDNK)

Spiralna simetrija - TMV virus

Kompleksna simetrija Bakteriofag λ Bakteriofag T4 Bakteriofag Mu

Virusi sa omotačem Najčešće animalni virusi, kubne ili spiralne simetrije Na površini se uočavaju ’šiljci’, izgrađeni iz virusnih glikoproteina Kod influenca virusa to su: hemaglutinin, koji se vezuje za ćelijske receptore (prepoznavanje domaćina) neuraminidaza, enzim koji olakšava oslobađanje iz ćelije (napuštanje domaćina) Influenca virus

Klasifikacija virusa Prema domaćinu: virusi Bacteria, Archaea i Eukarya (animalni, biljni, gljiva) Prema nukleinskim kiselinama: Prema načinu replikacije Klasifikacija u taksonomske kategorije najpre je počela da se koristi kod animalnih virusa, najčešće do nivoa familija; familija dobija ime sa nastavkom viridae, rod ima nastavak virus, a vrsta dobija naziv prema bolesti koju izaziva.

Replikacija virusa i klasifikacija po Baltimoru ‘+’ lanac RNK služi kao iRNK ‘-‘ lanac RNK je matrica za sintezu iRNK (komplementaran je iRNK) ‘+’ lanac DNK je istog smisla kao i iRNK, tj. služi kao matrica za sintezu ’-’ lanca (dvolančana replikativna forma), a onda ’-’ lanac DNK služi kao matrica za sintezu iRNK

Enzimi u virionu Uloga u početnim fazama infekcije DNK polimeraza ili RNK polimeraza Reverzna transkriptaza (retrovirusi) Lizozim (bakteriofagi) Sintetišu se u prethodnom domaćinu i pakuju u kapsid

Metode studiranja virusa Elektronska mikroskopija (moć razdvajanja 0,4-1 nm) – determinacija morfologije virusnih čestica (veličina 20-300 nm) Imunološke metode – reakcije antigen-antitelo korisne za identifikaciju virusa u ćelijama i tkivima i za određivanje srodnosti i klasifikaciju virusa Izolacija nukleinskih kiselina i proteina – biohemijske metode izučavanja Izučavanje interakcije virusa i ćelije domaćina – gajenje virusa na bakterijama domaćinima

Određivanje broja virusa

Životni ciklus virusa (litički ciklus – reproduktivni ciklus) Adsorpcija Penetracija Replikacija sinteza nukleinske kiseline sinteza proteina kapida Sazrevanje (maturacija) Oslobađanje iz ćelije

Adsorpcija i penetracija virusa Adsorpcija na specifične receptore Kod bakteriofaga ulazi nukleinska kiselina Animalni i biljni virusi ulaze sa kapsidom (translokacijom, endocitozom, fuzijom membrane sa dodatnim omotačem virusa, posredstvom insekata) i nukleinska kiselina se oslobađa u ćeliji

Sazrevanje i oslobađanje iz ćelije Pakovanje nukleinske kiseline u kapsid Sklapanje kapsida “self assembly” proces, ponekad učestvuju šaperoni Oslobađanje lizom ćelije Prolaskom kroz citoplazmatičnu membranu bez lize Pupljenjem (virusi sa omotačem)

“Kriva rasta” virusa (jednog ciklusa razvića virusa u ćeliji) Nakon ulaska virusa u ćeliju ona je lizirana nakon različitih vremenskih perioda. Ispitivano je da li ima infektivnih čestica koje mogu dovesti do pojave plaka na bakterijskom tepihu Posle adrsorpcije neko vreme nema zrelih (infektivnih) virusnih čestica – period eklipse. Period eklipse traje do pojave prvih zrelih virusa u ćeliji Eklipsa i sazrevanje čine latentni period Latentni period traje do oslobađanja prvih virusa iz ćelije

Životni ciklus bakteriofaga

Bakteriofagi T2, T4 λ (lambda) φX174 M13, fd MS2 φ6

Umereni virusi Virulentni virusi Sa domaćinom ulaze u litički ili lizogeni ciklus Rezultat litičkog ciklusa je liza ćelije i oslobađanje velikog br. fagnih partikula Rezultat lizogenog ciklusa je lizogena bakterija u kojoj je virus u stanju profaga; lizogena bakterija se umnožava i svaka ćerka ćelija u sebi nosi profag (1 kopiju virusne DNK) Profag je integrisan u hromozom domaćina (λ fag) ili je ekstrahromozomalna DNK (P1 fag) Na bakterijskom tepihu daju mutne plake Lizogena indukcija – prelazak iz lizogenog u litički ciklus Lizogena konverzija – domaćin stiče nova svojstva kodirana genima profaga (pr. Corynebacterium diphteriae) Virulentni virusi Sa domaćinom isključivo ulaze u litički ciklus Rezultat razmnožavanja po pravilu je liza ćelije i oslobađanje velikog broja fagnih partikula Na bakterijskom tepihu daju svetle plake

T4 bakteriofag Genom dvolančana linearna DNK sa terminalnim ponavljanjem (geni na krajevima DNK su prisutni u dve kopije, po jedna se nalazi na svakom kraju), kodira 250 proteina, kapsid je kompleksan, izgrađen iz 25 proteina Kompleksne simetrije: glava izduženi ikosaedar, kontraktilan repić sa dugim kukicama Virulentni virus: sa domaćinom stupa u litički ciklus, lizira ćeliju i oslobađa se oko 100 virusnih čestica

Životni ciklus T4 bakteriofaga Rani proteini (preko 20): nukleaze (isecaju DNK domaćina), DNK polimeraza, enzim za sintezu 5-hidroksimetilcitozina, enzim za kovalentnu modifikaciju RNK polimeraze domaćina tako da transkribuje virusne gene (rane gene prepoznaje σ70 faktor domaćina) Srednji proteini: novi σ faktori koji omogućavaju RNK polimerazi da prepozna kasne gene Kasni proteini: proteini kapsida i lizozim

Replikacija i pakovanje nukleinske kiseline Replikacija genoma u linearnoj formi Formiranje konkatemera rekombinacijom (džinovski molekuli DNK) Pakovanje u glavu dok se ne napuni – headhful mehanizam (staje više od veličine genoma) Terminalno ponavljanje (pojedini geni su duplirani i nalaze se na oba kraja genoma) i cirkularna permutacija (koji će geni biti ponovljeni zavisi od mesta zasecanja, na različitim fragmentima to su različiti geni)

λ fag Umereni virus, sa domaćinom može ući u lizogeni ili litički ciklus Kompleksan kapsid: glava i nekontraktilni rep bez kukica Genom linearna dvolančana DNK sa jednolančanim komlementarnim krajevima (12 nukleotida, cos mesta = ‘cohesive sites’), u ćeliji se cirkularizuje

Životni ciklus λ faga Litički ciklus: Lizogeni ciklus: Faza replikacije virusa Faza maturacije virusa Liza ćelije i oslobađanje novih viriona Lizogeni ciklus: Virusna DNK je profag integrisan u hromozom domaćina Ćelija je lizogena, imuna na ponovnu infekciju istim tipom virusa Ekspresija virusnog represora CI sprečava ekspresiju drugih gena i ulazak u litički ciklus Lizogena indukcija – prelazak iz lizogenog u litički ciklus

Regulacija ulaska u litički/lizogeni ciklus U početku se sintetišu rani proteini uključeni i u litički i u lizogeni ciklus Ključna uloga dva represora Cro – represor, kada ga ima dovoljno fag ulazi u litički ciklus CI – represor λ faga, ključan za održavanje virusa u lizogenom ciklusu

Litički ciklus λ bakteriofaga Replikacija DNK virusa Najpre θ replikacija, kasnije rolling circle pakovanje isecanjem cos mesta

Lizogeni ciklus λ bakteriofaga Za lizogeni ciklus neophodni proteini Int (integraza, omogućava ugradnju profaga u hromozom domaćina), CII i CIII, CI. Potrebno da se sintetiše λ represor (CI) i zaustavi transkripciju svih gena osim sopstvenog CI represor λ faga Stabilno vezan za operatorska mesta virusnih gena ↓ Onemogućena je sinteza proteina neophodnih za litički ciklus - virus ulazi u lizogeni ciklus. Ukoliko dođe do ponovne infekcije istorodnim tipom faga, represor se odmah vezuje za operatorska mesta njegovih gena i sprečava njihovu ekspresiju, a to znači imunost na ponovnu infekciju istim tipom faga.

Kada se CI represor sintetiše i veže za operatorska mesta, zaustavlja se ekspresija ranih gena Pomoću Int proteina (mesto specifična nukleaza/integraza) genom λ se integriše u hromozom, mehanizam integracije – rekombinacija specifična za mesto

Zašto ulazak u litički/lizogeni ciklus zavisi od energetskog stanja u ćeliji? Protein CII je rani protein, neophodan je za sintezu represora CI i ulazak u lizogeni ciklus. Njegova stabilnost zavisi od količine ćelijskih proteza koje omogućavaju njegovu razgradnju. Energetsko stanje u ćeliji dobro, intenzivan metabolizam ↓ Ima dovoljno proteaza, nema CII, nema ni CI represora Litički ciklus Energetsko stanje u ćeliji loše, metabolizam usporen ↓ Nema dovoljno proteaza, CII je stabilan, CI represor se sintetiše Lizogeni ciklus

Lizogena indukcija Izvlačenje profaga iz hromozoma domaćina i prelazak u litički ciklus, omogućen je razgradnjom λ represora. Za izvlačenje profaga neophodan je produkt xis gena – ekscizionaza) Spontan proces se retko dešava, ali je moguće indukovati ga agensima koji oštećuju DNK (UV, X, γ zračenje, hemijski mutageni). U slučaju oštećenja DNK dolazi do indukcije specifičnog ’SOS’ odgovora u ćeliji, što vodi razgradnji CI represora λ faga. Skidanje CI represora ima za posledicu otključavanje litičkih gena faga, tj. prelazak u litički ciklus.

φX174 bakteriofag cirkularna ’+’ ss-DNK, ~ 5400 nt geni koji se preklapaju (‘overlapping genes’), fenomen da sa istog nukleotidnog zapisa započinje transkripcija različitih gena (sa različitih mesta i iz različitih okvira čitanja) kodirano 11 proteina ikosaedarni kapsid, 60 kapsomera (25 nm veličine)

Životni ciklus φX174 bakteriofaga Replikacija zavisna od enzima domaćina Replikativna ds forma, teta replikacija Transkripcija minus lanca daje policistronske iRNK Formiranje genoma - replikacija po tipu kotrljajućeg obruča Pakovanje i oslobađanje lizom ćelije

Replikacija φX174 bakteriofaga

Filamentozni M13 bakteriofag Cirkularna ’+’ ss-DNK Filamentozni fagi Adsorbuju se na seks pilus (F+ ćelije E. coli su domaćini) Pakovanje u kapsid pri izlasku iz ćelije (pupljenjem, ne ubija ćeliju domaćina) Nema lize ćelija – nema plaka, već prosvetljenja na tepihu bakterija

RNK bakteriofagi Bakteriofag MS2 Ikosaedarni kapsid (25 nm) ’+’ ss RNK genom od 3569 nt (RNK se koristi kao iRNK) Geni koji se preklapaju kodiraju 4 proteina: RNK replikazu (deo), protein kapsida, maturacioni protein i protein za lizu ćelije domaćina Adsorbuje se na seks pilus F+ ćelije E.coli φ6 bakteriofag Segmentirani dvolančani RNK genom Parazitira na Pseudomonas syringae

Mešovita infekcija Dva ili više virusa inficiraju jednu ćeliju Tokom mešovite infekcije mutantnim virusima iste vrste moguća je: rekombinacija (nasledni materijal se rekombinuje, promena na nivou genotipa) komplementacija (kombinuju se proteini dobijeni iz različitih mutanata, promena na nivou fenotipa; komplementacija – dopuna) T4 fag raste na E. coli C i K12 linijama. Mutanti u lokusu rII ne rastu na E.coli K12. U mešovitoj infekciji različitim mutantima u rII lokusu dolazi do pojave plaka na E.coli K12. Fagi iz pojedinačne plake prilikom sledeće infekcije: ne rastu na E.coli K12 – komplementacija rastu na E.coli K12 - rekombinacija

Odbrana od virusne infekcije Bakterije sintetišu enzime - restrikcione endonukleaze Seku dvolančanu DNK virusa (stranu DNK) na specifičnim sekvencama (ssDNK i RNK virusi nisu osetljivi) Bakterijska DNK je modifikovana (najčešće metilacija ili glikozilacija) i nije osetljiva na sopstvene restrikcione enzime (restrikciono-modifikacioni sistem) Bakterije poseduju specifične restrikciono-modifikacione sisteme (npr. E.coli linije K i B imaju, E. coli C nema restrikciono- modifikacioni sistem) Virusi se brane od restrikcionih endonukleaza modifikacijom sopstvene DNK koja je istog tipa kao modifikacija DNK domaćina. Npr. T4 fag: modifikacija citozina u 5-hidroksimetil citozin

Virusi Archaea

Virusi Archaea DNK virusi (dsDNK, linearna ili cirkularna, nekoliko ssDNK) Svi poznati virusi arhea parazitiraju na ekstremofilima Veliki broj različitih morfotipova (kod Archaea opisano 16, kod Bacteria 9) Postoje vrste koje mogu ući u lizogeni ciklus – otkriven je provirus u genomu arhee iz filuma Thaumarchaeota Neobično: ATV virus (parazitira u Acidianus sp., phylum Crenarchaeota) menja morfološki oblik tek pošto napusti ćeliju domaćina; ćeliju napušta kao vretenasta forma bez repića, ex vivo razvija dva duga repa, sa svake strane po jedan) ATV virus

Virusi Archaea Virusi metanogena i halofila imaju sličnu morfologiju kao T4 fag i linearnu dsDNK Virusi hipertermofilnih Archaea (Sulfolobus, Pyrococcus) imaju neobičnu morfologiju i linearnu ili cirkularnu dsDNK virus PAV1 hipertermofilne Archaea roda Pyrococcus, ima kratak rep DNK virusi hipertermofilnih Archaea roda Sulfolobus

Značaj virusa u evoluciji živog sveta smatra se da je DNK molekul virusnog porekla; prvobitne ćelije - RNK genom; infekcije predačkih linija Archaea, Eukarya i Bacteria DNK virusima uvele DNK u ćeliju DNK je kao stabilniji molekul preuzeo ulogu nosioca naslednog materijala – značaj reverzne transkriptaze