Informatie

17.5: Virussen - Biologie


Niemand weet precies wanneer virussen zijn ontstaan ​​of waar ze vandaan kwamen, aangezien virussen geen historische voetafdrukken zoals fossielen achterlaten. Men denkt dat moderne virussen een mozaïek zijn van stukjes en beetjes nucleïnezuren die zijn opgepikt uit verschillende bronnen langs hun respectieve evolutionaire paden. Virussen zijn acellulaire, parasitaire entiteiten die in geen enkel domein worden geclassificeerd omdat ze niet als levend worden beschouwd. Ze hebben geen plasmamembraan, interne organellen of metabolische processen, en ze delen niet. In plaats daarvan infecteren ze een gastheercel en gebruiken ze de replicatieprocessen van de gastheer om nageslachtvirusdeeltjes te produceren. Virussen infecteren alle vormen van organismen, inclusief bacteriën, archaea, schimmels, planten en dieren. Levende dingen groeien, metaboliseren en reproduceren. Virussen vermenigvuldigen zich, maar daarvoor zijn ze volledig afhankelijk van hun gastheercellen. Ze metaboliseren of groeien niet, maar worden geassembleerd in hun volwassen vorm.

Virussen zijn divers. Ze variëren in hun structuur, hun replicatiemethoden en in hun doelgastheren of zelfs gastheercellen. Hoewel de meeste biologische diversiteit kan worden begrepen door evolutionaire geschiedenis, zoals hoe soorten zich hebben aangepast aan omstandigheden en omgevingen, blijft veel over de oorsprong en evolutie van virussen onbekend.

Hoe virussen repliceren

Virussen werden voor het eerst ontdekt na de ontwikkeling van een porseleinen filter, het Chamberland-Pasteur-filter genaamd, dat alle bacteriën die zichtbaar zijn onder de microscoop uit elk vloeibaar monster kon verwijderen. In 1886 toonde Adolph Meyer aan dat een ziekte van tabaksplanten, tabaksmozaïekziekte, kon worden overgedragen van een zieke plant naar een gezonde door vloeibare plantenextracten. In 1892 toonde Dmitri Ivanowski aan dat deze ziekte op deze manier kon worden overgedragen, zelfs nadat het Chamberland-Pasteur-filter alle levensvatbare bacteriën uit het extract had verwijderd. Toch duurde het vele jaren voordat werd bewezen dat deze "filterbare" infectieuze agentia niet alleen maar hele kleine bacteriën waren, maar een nieuw type kleine, ziekteverwekkende deeltjes waren.

Virionen, afzonderlijke virusdeeltjes, zijn erg klein, ongeveer 20-250 nanometer (1 nanometer = 1/1.000.000 mm). Deze individuele virusdeeltjes zijn de infectieuze vorm van een virus buiten de gastheercel. In tegenstelling tot bacteriën (die ongeveer 100 keer groter zijn), kunnen we virussen niet zien met een lichtmicroscoop, met uitzondering van enkele grote virions van de pokkenvirusfamilie (Figuur 17.1.2).

Pas bij de ontwikkeling van de elektronenmicroscoop in de jaren veertig kregen wetenschappers voor het eerst een goed beeld van de structuur van het tabaksmozaïekvirus (figuur) en andere. De oppervlaktestructuur van virionen kan worden waargenomen door zowel scanning- als transmissie-elektronenmicroscopie, terwijl de interne structuren van het virus alleen kunnen worden waargenomen in beelden van een transmissie-elektronenmicroscoop (Figuur 17.1.3).

Het gebruik van deze technologie heeft de ontdekking van vele virussen van alle soorten levende organismen mogelijk gemaakt. Ze werden aanvankelijk gegroepeerd op gedeelde morfologie, wat hun grootte, vorm en onderscheidende structuren betekent. Later werden groepen virussen geclassificeerd op basis van het type nucleïnezuur dat ze bevatten, DNA of RNA, en of hun nucleïnezuur enkel- of dubbelstrengs was. Meer recentelijk heeft moleculaire analyse van virale replicatiecycli hun classificatie verder verfijnd.

Een virion bestaat uit een nucleïnezuurkern, een buitenste eiwitcoating en soms een buitenste omhulsel gemaakt van eiwit- en fosfolipidemembranen afgeleid van de gastheercel. Het meest zichtbare verschil tussen leden van virale families is hun morfologie, die behoorlijk divers is. Een interessant kenmerk van virale complexiteit is dat de complexiteit van de gastheer niet correleert met de complexiteit van het virion. Enkele van de meest complexe virionstructuren worden waargenomen in bacteriofagen, virussen die de eenvoudigste levende organismen, bacteriën, infecteren.

Virussen zijn er in vele soorten en maten, maar deze zijn consistent en verschillend voor elke virale familie (Figuur 17.1.4). Alle virionen hebben een nucleïnezuurgenoom dat is bedekt met een beschermende eiwitlaag, een capside genaamd. De capside is gemaakt van eiwitsubeenheden die capsomeren worden genoemd. Sommige virale capsiden zijn eenvoudige veelvlakkige "bollen", terwijl andere vrij complex van structuur zijn. De buitenste structuur rond de capside van sommige virussen wordt de virale envelop genoemd. Alle virussen gebruiken een soort glycoproteïne om zich aan hun gastheercellen te hechten bij moleculen op de cel die virale receptoren worden genoemd. Het virus maakt gebruik van deze celoppervlakmoleculen, die de cel voor een ander doel gebruikt, als een manier om specifieke celtypen te herkennen en te infecteren. Het mazelenvirus gebruikt bijvoorbeeld een glycoproteïne op het celoppervlak bij de mens dat normaal functioneert bij immuunreacties en mogelijk bij de sperma-ei-interactie bij de bevruchting. Hechting is een vereiste voor virussen om later het celmembraan binnen te dringen, het virale genoom te injecteren en hun replicatie in de cel te voltooien.

De T4-bacteriofaag, die de infecteert E coli bacterie, is een van de meest complexe virionen die bekend is; T4 heeft een eiwitstaartstructuur die het virus gebruikt om zich aan de gastheercel te hechten en een kopstructuur die zijn DNA herbergt.

Adenovirus, een niet-omhuld dierlijk virus dat luchtwegaandoeningen bij mensen veroorzaakt, gebruikt eiwitspikes die uit de capsomeren steken om zich aan de gastheercel te hechten. Niet-omhulde virussen omvatten ook virussen die polio (poliovirus), plantaire wratten (papilomavirus) en hepatitis A (hepatitis A-virus) veroorzaken. Niet-omhulde virussen zijn meestal robuuster en hebben meer kans om te overleven onder zware omstandigheden, zoals de darm.

Omhulde virions zoals HIV (humaan immunodeficiëntievirus), de veroorzaker van AIDS (acquired immune deficiency syndrome), bestaan ​​uit nucleïnezuur (RNA in het geval van HIV) en capside-eiwitten omgeven door een fosfolipide dubbellaagse envelop en de bijbehorende eiwitten (Figuur 17.1 .4). Waterpokken, griep en bof zijn voorbeelden van ziekten die worden veroorzaakt door virussen met enveloppen. Vanwege de kwetsbaarheid van de envelop zijn niet-omhulde virussen beter bestand tegen veranderingen in temperatuur, pH en sommige desinfectiemiddelen dan omhulde virussen.

Over het algemeen zegt de vorm van het virion en de aan- of afwezigheid van een envelop ons weinig over welke ziekten de virussen kunnen veroorzaken of welke soorten ze kunnen infecteren, maar het is nog steeds een nuttig middel om virale classificatie te starten.

KUNSTVERBINDING

Welke van de volgende beweringen over de virusstructuur is waar?

  1. Alle virussen zijn ingekapseld in een viraal membraan.
  2. De capsomeer bestaat uit kleine eiwitsubeenheden die capsiden worden genoemd.
  3. DNA is het genetische materiaal in alle virussen.
  4. Glycoproteïnen helpen het virus zich aan de gastheercel te hechten.

In tegenstelling tot alle levende organismen die DNA als hun genetisch materiaal gebruiken, kunnen virussen DNA of RNA als hunne gebruiken. De viruskern bevat het genoom of de totale genetische inhoud van het virus. Virale genomen zijn meestal klein in vergelijking met bacteriën of eukaryoten, en bevatten alleen die genen die coderen voor eiwitten die het virus niet uit de gastheercel kan krijgen. Dit genetische materiaal kan enkelstrengs of dubbelstrengs zijn. Het kan ook lineair of circulair zijn. Terwijl de meeste virussen een enkel segment van nucleïnezuur bevatten, hebben andere genomen die uit meerdere segmenten bestaan.

DNA-virussen hebben een DNA-kern. Het virale DNA stuurt de replicatie-eiwitten van de gastheercel aan om nieuwe kopieën van het virale genoom te synthetiseren en om dat genoom te transcriberen en te vertalen in virale eiwitten. DNA-virussen veroorzaken menselijke ziekten zoals waterpokken, hepatitis B en sommige geslachtsziekten zoals herpes en genitale wratten.

RNA-virussen bevatten alleen RNA in hun kernen. Om hun genomen in de gastheercel te repliceren, coderen de genomen van RNA-virussen voor enzymen die niet in gastheercellen worden gevonden. RNA-polymerase-enzymen zijn niet zo stabiel als DNA-polymerasen en maken vaak fouten tijdens transcriptie. Om deze reden komen mutaties, veranderingen in de nucleotidesequentie, in RNA-virussen vaker voor dan in DNA-virussen. Dit leidt tot een snellere evolutie en verandering in RNA-virussen. Het feit dat griep bijvoorbeeld een RNA-virus is, is een van de redenen waarom er elk jaar een nieuw griepvaccin nodig is. Menselijke ziekten veroorzaakt door RNA-virussen omvatten hepatitis C, mazelen en hondsdolheid.

Virussen kunnen worden gezien als obligate intracellulaire parasieten. Het virus moet zich hechten aan een levende cel, naar binnen worden gebracht, zijn eiwitten produceren en zijn genoom kopiëren, en een manier vinden om uit de cel te ontsnappen, zodat het virus andere cellen en uiteindelijk andere individuen kan infecteren. Virussen kunnen alleen bepaalde soorten gastheren infecteren en alleen bepaalde cellen binnen die gastheer. De moleculaire basis voor deze specificiteit is dat een bepaald oppervlaktemolecuul, bekend als de virale receptor, op het gastheerceloppervlak moet worden gevonden om het virus te laten hechten. Ook zijn metabole verschillen die in verschillende celtypen worden waargenomen op basis van differentiële genexpressie een waarschijnlijke factor waarin cellen een virus kan gebruiken om te repliceren. De cel moet de stoffen maken die het virus nodig heeft, zoals enzymen waarvoor het virusgenoom zelf geen genen heeft, anders kan het virus zich met die cel niet vermenigvuldigen.

Stappen van virusinfecties

Een virus moet een cel "overnemen" om te repliceren. De virale replicatiecyclus kan dramatische biochemische en structurele veranderingen in de gastheercel veroorzaken, die celbeschadiging kunnen veroorzaken. Deze veranderingen, cytopathische effecten genoemd, kunnen celfuncties veranderen of zelfs de cel vernietigen. Sommige geïnfecteerde cellen, zoals die welke zijn geïnfecteerd door het verkoudheidsvirus (rhinovirus), sterven door lysis (barsten) of apoptose (geprogrammeerde celdood of "celzelfmoord"), waarbij alle nageslachtvirions tegelijk vrijkomen. De symptomen van virale ziekten zijn het gevolg van de immuunrespons op het virus, dat probeert het virus uit het lichaam te beheersen en te elimineren, en van celbeschadiging die door het virus wordt veroorzaakt. Veel dierlijke virussen, zoals HIV (humaan immunodeficiëntievirus), verlaten de geïnfecteerde cellen van het immuunsysteem door een proces dat bekend staat als ontluikend, waarbij virionen de cel afzonderlijk verlaten. Tijdens het ontluikende proces ondergaat de cel geen lysis en wordt niet onmiddellijk gedood. De schade aan de cellen die HIV infecteert, kan het echter onmogelijk maken voor de cellen om als mediatoren van immuniteit te functioneren, ook al blijven de cellen gedurende een bepaalde tijd in leven. De meeste productieve virale infecties volgen vergelijkbare stappen in de virusreplicatiecyclus: hechting, penetratie, ontmanteling, replicatie, assemblage en afgifte.

Een virus hecht zich aan een specifieke receptorplaats op het membraan van de gastheercel door middel van aanhechtingseiwitten in de capside of eiwitten ingebed in zijn envelop. De aanhechting is specifiek, en typisch zal een virus zich alleen hechten aan cellen van één of enkele soorten en alleen aan bepaalde celtypes binnen die soorten met de juiste receptoren.

CONCEPT IN ACTIE

Bekijk deze video voor een visuele uitleg van hoe griep het lichaam aanvalt.

In tegenstelling tot dierlijke virussen wordt het nucleïnezuur van bacteriofagen naakt in de gastheercel geïnjecteerd, waardoor de capside buiten de cel blijft. Planten- en dierenvirussen kunnen hun cellen binnendringen via endocytose, waarbij het celmembraan het hele virus omringt en overspoelt. Sommige omhulde virussen komen de cel binnen wanneer de virale envelop direct versmelt met het celmembraan. Eenmaal in de cel wordt het virale capside afgebroken en komt het virale nucleïnezuur vrij, dat vervolgens beschikbaar komt voor replicatie en transcriptie.

Het replicatiemechanisme is afhankelijk van het virale genoom. DNA-virussen gebruiken gewoonlijk gastheerceleiwitten en enzymen om extra DNA te maken dat wordt gebruikt om het genoom te kopiëren of om te worden getranscribeerd naar boodschapper-RNA (mRNA), dat vervolgens wordt gebruikt bij de eiwitsynthese. RNA-virussen, zoals het influenzavirus, gebruiken gewoonlijk de RNA-kern als een sjabloon voor de synthese van viraal genomisch RNA en mRNA. Het virale mRNA wordt vertaald in virale enzymen en capside-eiwitten om nieuwe virions te assembleren (Figuur). Natuurlijk zijn er uitzonderingen op dit patroon. Als een gastheercel niet de enzymen levert die nodig zijn voor virale replicatie, leveren virale genen de informatie om de synthese van de ontbrekende eiwitten te sturen. Retrovirussen, zoals HIV, hebben een RNA-genoom dat omgekeerd moet worden getranscribeerd om DNA te maken, dat vervolgens in het DNA van de gastheer wordt ingevoegd. Om RNA in DNA om te zetten, bevatten retrovirussen genen die coderen voor het virusspecifieke enzym reverse transcriptase dat een RNA-matrijs naar DNA transcribeert. Het feit dat HIV enkele van zijn eigen enzymen produceert, die niet in de gastheer worden aangetroffen, heeft onderzoekers in staat gesteld geneesmiddelen te ontwikkelen die deze enzymen remmen. Deze geneesmiddelen, waaronder de reverse-transcriptaseremmer AZT, remmen de replicatie van hiv door de activiteit van het enzym te verminderen zonder het metabolisme van de gastheer te beïnvloeden.

De laatste fase van virale replicatie is de afgifte van de nieuwe virions in het gastheerorganisme, waar ze aangrenzende cellen kunnen infecteren en de replicatiecyclus kunnen herhalen. Sommige virussen komen vrij wanneer de gastheercel sterft en andere virussen kunnen geïnfecteerde cellen verlaten door door het membraan te ontluiken zonder de cel direct te doden.

KUNSTVERBINDING

Influenzavirus is verpakt in een virale envelop, die versmelt met het plasmamembraan. Op deze manier kan het virus de gastheercel verlaten zonder deze te doden. Welk voordeel heeft het virus door de gastheercel in leven te houden?

PT IN ACTIE

Klik door deze tutorial over virussen om structuren, overdrachtswijzen, replicatie en meer te identificeren.

Virussen en ziekten

Virussen veroorzaken een verscheidenheid aan ziekten bij dieren, waaronder mensen, variërend van verkoudheid tot mogelijk dodelijke ziekten zoals meningitis (Figuur 17.1.6). Deze ziekten kunnen worden behandeld met antivirale geneesmiddelen of door vaccins, maar sommige virussen, zoals HIV, zijn in staat de immuunrespons te vermijden en muteren om resistent te worden tegen antivirale geneesmiddelen.

Vaccins voor preventie

Hoewel we een beperkt aantal effectieve antivirale geneesmiddelen hebben, zoals die worden gebruikt voor de behandeling van hiv en griep, is vaccinatie de belangrijkste methode om virale ziekten te bestrijden, die bedoeld is om uitbraken te voorkomen door immuniteit tegen een virus of virusfamilie op te bouwen. Een vaccin kan worden bereid met behulp van verzwakte levende virussen, gedode virussen of moleculaire subeenheden van het virus. Over het algemeen leiden levende virussen tot een betere immuniteit, maar kunnen ze in een lage frequentie ziekte veroorzaken. Gedood viraal vaccin en de subeenheidvirussen zijn beide niet in staat om ziekte te veroorzaken, maar leiden in het algemeen tot minder effectieve of langdurige immuniteit.

Verzwakte levende virale vaccins worden in het laboratorium ontworpen om weinig symptomen te veroorzaken bij de ontvangers en ze tegelijkertijd immuniteit te geven tegen toekomstige infecties. Polio was een ziekte die een mijlpaal vormde in het gebruik van vaccins. Massa-immunisatiecampagnes in de VS in de jaren 1950 (gedood vaccin) en 1960 (levend vaccin) hebben de ziekte in wezen uitgeroeid, die spierverlamming bij kinderen veroorzaakte en angst veroorzaakte bij de algemene bevolking toen regionale epidemieën plaatsvonden. Het succes van het poliovaccin maakte de weg vrij voor de routinematige verstrekking van kindervaccins tegen mazelen, bof, rubella, waterpokken en andere ziekten.

Levende vaccins worden meestal gemaakt door verzwakking (verzwakking) van het "wild-type" (ziekteverwekkende) virus door het in het laboratorium te kweken in weefsels of bij temperaturen die verschillen van wat het virus in de gastheer gewend is. Het virus kan bijvoorbeeld worden gekweekt in cellen in een reageerbuis, in vogelembryo's of in levende dieren. De aanpassing aan deze nieuwe cellen of temperatuur induceert mutaties in de genomen van het virus, waardoor ze beter kunnen groeien in het laboratorium, terwijl ze hun vermogen om ziekte te veroorzaken remmen wanneer ze opnieuw worden geïntroduceerd in de omstandigheden die in de gastheer worden aangetroffen. Deze verzwakte virussen veroorzaken dus nog steeds een infectie, maar ze groeien niet erg goed, waardoor de immuunrespons zich tijdig kan ontwikkelen om een ​​ernstige ziekte te voorkomen. Het gevaar van het gebruik van levende vaccins, die meestal effectiever zijn dan gedode vaccins, is het lage maar significante risico dat deze virussen door rugmutaties terugkeren naar hun ziekteveroorzakende vorm. Rugmutaties treden op wanneer het vaccin mutaties ondergaat in de gastheer, zodat het zich weer aanpast aan de gastheer en opnieuw ziekte kan veroorzaken, die vervolgens bij een epidemie naar andere mensen kan worden verspreid. Dit gebeurde pas in 2007 in Nigeria, waar mutaties in een poliovaccin leidden tot een polio-epidemie in dat land.

Sommige vaccins zijn continu in ontwikkeling omdat bepaalde virussen, zoals influenza en HIV, een hoge mutatiesnelheid hebben in vergelijking met andere virussen of gastheercellen. Bij griep helpt mutatie in genen voor de oppervlaktemoleculen het virus om de beschermende immuniteit te omzeilen die mogelijk in een vorig griepseizoen is verkregen, waardoor het voor individuen noodzakelijk is om elk jaar te worden gevaccineerd. Andere virussen, zoals de virussen die de kinderziektes mazelen, bof en rubella veroorzaken, muteren zo weinig dat hetzelfde vaccin jaar na jaar wordt gebruikt.

Vaccins en antivirale geneesmiddelen voor behandeling

In sommige gevallen kunnen vaccins worden gebruikt om een ​​actieve virale infectie te behandelen. In het geval van rabiës, een dodelijke neurologische ziekte die wordt overgedragen via het speeksel van met rabiësvirus geïnfecteerde dieren, kan de progressie van de ziekte vanaf het moment van de beet van het dier tot het moment waarop deze het centrale zenuwstelsel binnendringt, twee weken of langer duren. Dit is voldoende tijd om een ​​persoon te vaccineren die vermoedt gebeten te zijn door een hondsdol dier, en de versterkte immuunrespons van de vaccinatie is voldoende om te voorkomen dat het virus het zenuwweefsel binnendringt. Zo worden de fatale neurologische gevolgen van de ziekte afgewend en hoeft het individu alleen nog maar te herstellen van de geïnfecteerde beet. Deze aanpak wordt ook gebruikt voor de behandeling van ebola, een van de snelste en meest dodelijke virussen die mensen treft, hoewel het meestal beperkte populaties infecteert. Ebola is ook een belangrijke doodsoorzaak bij gorilla's. Dit virus, dat wordt overgedragen door vleermuizen en mensapen, kan binnen twee weken de dood veroorzaken bij 70-90 procent van de geïnfecteerden. Met behulp van nieuw ontwikkelde vaccins die de immuunrespons versterken, is er hoop dat het immuunsysteem van de getroffen personen het virus beter onder controle zal krijgen, waardoor het sterftecijfer mogelijk wordt verlaagd.

Een andere manier om virale infecties te behandelen is het gebruik van antivirale middelen. Deze medicijnen hebben vaak een beperkt vermogen om virale ziekten te genezen, maar zijn gebruikt om de symptomen van een breed scala aan virale ziekten te beheersen en te verminderen. Voor de meeste virussen remmen deze medicijnen het virus door de werking van een of meer van zijn eiwitten te blokkeren. Het is belangrijk dat de beoogde eiwitten worden gecodeerd door virale genen en dat deze moleculen niet aanwezig zijn in een gezonde gastheercel. Op deze manier wordt de virale groei geremd zonder de gastheer te beschadigen. Er zijn grote aantallen antivirale middelen beschikbaar om infecties te behandelen, sommige specifiek voor een bepaald virus en andere die meerdere virussen kunnen aantasten.

Antivirale middelen zijn ontwikkeld om genitale herpes (herpes simplex II) en griep te behandelen. Voor genitale herpes kunnen geneesmiddelen zoals aciclovir het aantal en de duur van de episodes van actieve virale ziekte verminderen, waarbij patiënten virale laesies in hun huidcellen ontwikkelen. Omdat het virus levenslang latent aanwezig blijft in het zenuwweefsel van het lichaam, is dit medicijn geen geneesmiddel, maar kan het de symptomen van de ziekte beter beheersbaar maken. Voor griep kunnen medicijnen zoals Tamiflu de duur van de "griep"-symptomen met één of twee dagen verminderen, maar het medicijn voorkomt de symptomen niet volledig. Andere antivirale geneesmiddelen, zoals ribavirine, zijn gebruikt om een ​​verscheidenheid aan virale infecties te behandelen.

Verreweg het meest succesvolle gebruik van antivirale middelen is geweest bij de behandeling van het retrovirus HIV, dat een ziekte veroorzaakt die, indien onbehandeld, gewoonlijk dodelijk is binnen 10-12 jaar na infectie. Anti-HIV-medicijnen hebben de virale replicatie kunnen beheersen tot het punt dat individuen die deze medicijnen krijgen, aanzienlijk langer overleven dan de onbehandelde.

Anti-HIV-medicijnen remmen de virale replicatie in veel verschillende fasen van de HIV-replicatiecyclus. Er zijn geneesmiddelen ontwikkeld die de fusie van de virale envelop van HIV met het plasmamembraan van de gastheercel remmen (fusieremmers), de omzetting van het RNA-genoom in dubbelstrengs DNA (reverse-transcriptaseremmers), de integratie van het virale DNA in het gastheergenoom (integraseremmers) en de verwerking van virale eiwitten (proteaseremmers).

Wanneer een van deze geneesmiddelen afzonderlijk wordt gebruikt, zorgt de hoge mutatiesnelheid van het virus ervoor dat het virus snel resistentie tegen het geneesmiddel ontwikkelt. De doorbraak in de behandeling van hiv was de ontwikkeling van zeer actieve antiretrovirale therapie (HAART), waarbij een combinatie van verschillende geneesmiddelen wordt gebruikt, soms een 'drugscocktail' genoemd. Door het virus in verschillende stadia van zijn replicatiecyclus aan te vallen, is het moeilijk voor het virus om resistentie tegen meerdere geneesmiddelen tegelijk te ontwikkelen. Toch bestaat er, zelfs met het gebruik van combinatie-HAART-therapie, bezorgdheid dat het virus na verloop van tijd resistentie tegen deze therapie zal ontwikkelen. Zo worden er voortdurend nieuwe anti-hiv-medicijnen ontwikkeld in de hoop de strijd tegen dit zeer dodelijke virus voort te zetten.

Samenvatting

Virussen zijn acellulaire entiteiten die meestal alleen met een elektronenmicroscoop kunnen worden gezien. Hun genomen bevatten DNA of RNA en ze repliceren met behulp van de replicatie-eiwitten van een gastheercel. Virussen zijn divers en infecteren archaea, bacteriën, schimmels, planten en dieren. Virussen bestaan ​​uit een nucleïnezuurkern omgeven door een eiwitcapside met of zonder een buitenste lipide-envelop.

Virale replicatie binnen een levende cel veroorzaakt altijd veranderingen in de cel, soms resulterend in celdood en soms het langzaam doden van de geïnfecteerde cellen. Er zijn zes basisstadia in de virusreplicatiecyclus: hechting, penetratie, ontmanteling, replicatie, assemblage en afgifte. Een virale infectie kan productief zijn, resulterend in nieuwe virionen, of niet-productief, wat betekent dat het virus in de cel blijft zonder nieuwe virions te produceren.

Virussen veroorzaken verschillende ziekten bij de mens. Veel van deze ziekten kunnen worden voorkomen door het gebruik van virale vaccins, die de beschermende immuniteit tegen het virus stimuleren zonder een ernstige ziekte te veroorzaken. Virale vaccins kunnen ook worden gebruikt bij actieve virale infecties, waardoor het vermogen van het immuunsysteem om het virus onder controle te houden of te vernietigen, wordt versterkt. Antivirale geneesmiddelen die zich richten op enzymen en andere eiwitproducten van virale genen zijn met wisselend succes ontwikkeld en gebruikt. Er zijn combinaties van anti-hiv-medicijnen gebruikt om het virus effectief te beheersen, waardoor de levensduur van geïnfecteerde personen wordt verlengd.

Kunstverbindingen

Afbeelding 17.1.4 Welke van de volgende beweringen over de virusstructuur is waar?

A. Alle virussen zijn ingekapseld in een viraal membraan.
B. De capsomeer bestaat uit kleine eiwitsubeenheden die capsiden worden genoemd.
C. DNA is het genetische materiaal in alle virussen.
D. Glycoproteïnen helpen het virus zich aan de gastheercel te hechten.

Afbeelding 17.1.4 D

Figuur 17.1.5 Influenzavirus is verpakt in een virale envelop, die versmelt met het plasmamembraan. Welk voordeel heeft het virus door de gastheercel in leven te houden?

Figuur 17.1.5 De ​​gastheercel kan doorgaan met het maken van nieuwe virusdeeltjes.

Woordenlijst

acellulair
ontbrekende cellen
apoptose
de celdood veroorzaakt door inductie van de eigen interne mechanismen van een cel, hetzij als een natuurlijke stap in de ontwikkeling van een meercellig organisme, hetzij door andere omgevingsfactoren zoals signalen van cellen van het immuunsysteem
demping
de verzwakking van een virus tijdens de ontwikkeling van een vaccin
capside
de eiwitcoating van de virale kern
cytopathisch
celbeschadiging veroorzaken
glycoproteïne
een eiwitmolecuul met aangehechte koolhydraatmoleculen
vaccin
een verzwakte oplossing van viruscomponenten, virussen of andere agentia die een immuunrespons produceren
virion
een individueel virusdeeltje buiten een gastheercel

AP Biologie Vraag 17: Antwoord en uitleg

Gebruik de terugknop van uw browser om terug te keren naar uw testresultaten.

Vraag: 17

5. Zodra een plasmide specifieke genen, zoals het gen dat codeert voor het antibioticum ampicilline, in zijn genoom heeft opgenomen, kan het plasmide worden gekloond door

  • A. het invoegen in een virus om meerdere kopieën te maken
  • B. het behandelen met een restrictie-enzym om het molecuul in kleine stukjes te knippen
  • C. het inbrengen in een geschikte bacterie om meerdere kopieën te maken
  • D. het uitvoeren op een gelelektroforese om de grootte van het gen van belang te bepalen

Goed antwoord: C

Uitleg:

C Om meerdere kopieën van een plasmide (een klein cirkelvormig DNA) te maken, moet het in een bacterie worden ingebracht. Een plasmide zou niet repliceren als het in een virus zou worden ingevoegd, dus elimineer (A). Als een plasmide zou worden behandeld met een restrictie-enzym, zou het in kleinere fragmenten worden geknipt. Dit zou ons geen gekloonde versies van het plasmide opleveren, dus (B) is onjuist. Als het plasmide op een gel zou worden uitgevoerd (met behulp van gelelektroforese), zou dit ons alleen de grootte van het plasmide vertellen, daarom is (D) ook onjuist.

*AP & Advanced Placement Program zijn geregistreerde handelsmerken van de College Board, die niet betrokken was bij de productie van deze site en deze niet onderschrijft.


Structuur van adenovirussen | Microbiologie

In dit artikel zullen we de structuur van adenovirussen bespreken (verklaard met diagram).

Alle adenovirusdeeltjes zijn vergelijkbare deeltjes van gemiddelde grootte, niet omhuld met een diameter van 90-100 nm (Fig. 17.5). De deeltjes hebben een icosahedrale symmetrie die gemakkelijk zichtbaar kan worden in de elektronenmicroscoop door negatieve kleuring. Virale deeltjes zijn samengesteld uit 252 capsomeren: 240 hexonen die de vlakken vormen en 12 pentons op de hoekpunten van de icosaëder (2-3-5 symmetrie).

Elke penton draagt ​​een slanke vezel. De pentonvezels bestaan ​​uit een slanke schacht met een bolvormige kop. Ze zijn betrokken bij het proces van hechting van het virusdeeltje aan de gastheercel via de coxsackie-adenovirusreceptor op het oppervlak van de gastheercel.

De dunne vezels die uit elk hoekpunt van het icosahedrale deeltje steken, zijn net zichtbaar en de driehoekige vlakken van het icosahedrale deeltje kunnen worden onderscheiden. Maar tijdens de voorbereiding voor elektronenmicroscopie laten de vezels gemakkelijk los.

Adenovirusgenproducten en hun functies worden gegeven in Tabel 17.2. De hexonen bestaan ​​uit een trimeer van eiwit II met een centrale porie, er is geen eiwit I. De eiwitten VI, VIII en IX zijn de minder belangrijke polypeptiden die ook met het hexon zijn geassocieerd.

Men denkt dat ze betrokken zijn bij de stabilisatie en/of assemblage van het deeltje. De pentonen zijn complexer, de basis bestaat uit een pentameer van eiwit III, 5 moleculen van Illa zijn ook geassocieerd met de pentonbasis.

De pentons hebben een toxine-achtige activiteit. Een trimeer vezeleiwit strekt zich uit van elk van de 12 hoekpunten (bevestigd aan de penton-basiseiwitten) en is verantwoordelijk voor herkenning en binding aan de cellulaire receptor. Een bolvormig domein aan het einde van de adenovirusvezel is verantwoordelijk voor de herkenning van de cellulaire receptor.

Er zijn ten minste 10 eiwitten in het adenovirus-capside (tabel 17.2). Het dubbelstrengs lineaire DNA is geassocieerd met twee belangrijke kerneiwitten: terminaal eiwit (TP) en VII. Terminal eiwit is covalent gehecht aan de 5'8242 uiteinden van de genoomstrengen. Eiwit VII (1070 kopieën/deeltje) is een argininerijk basiseiwit (vergelijkbaar met histonen) dat covalent is geassocieerd met het genoom en een '8216chromatine-achtige' stof vormt.

Genoomstructuur is een van de karakters die worden gebruikt om virussen aan groepen toe te wijzen (70-95% homologie binnen groepen, 5-20% homologie tussen groepen). Het genoom van adenovirus is lineair, niet-gesegmenteerd, dsDNA met een grootte van 30-38 kb dat varieert van groep tot groep (Fig. 17.6). Hoewel adenovirus groter is dan de andere virussen in de groep van Baltimore, is het toch een heel eenvoudig virus en is het sterk afhankelijk van de gastheercel voor overleving en replicatie.

Theoretisch heeft het de capaciteit om te coderen voor 30-40 genen. De terminale sequenties van elke streng zijn omgekeerde herhalingen, daarom kunnen de gedenatureerde enkele strengen '8216panhandle'8217-structuren vormen (100-140 bp). Een eiwit van 55 kD is covalent gehecht aan het 5'8242-uiteinde van elke streng. Het is vereist als primers bij virale replicatie en zorgt ervoor dat de uiteinden van het lineaire virusgenoom adequaat worden gerepliceerd.


Resultaten

Om de gelijkwaardigheid van monsters in termen van infectieduur (die de virale belasting en genoomdiversiteit kan hebben beïnvloed) te garanderen, werd zelfgerapporteerde informatie van patiënten gebruikt. De steekproeven werden zo gekozen dat er geen significant verschil was in de gemiddelde tijd tot het begin van de symptomen voor de groep die in het ziekenhuis was opgenomen (6,4 dagen) en voor de groep met dodelijke slachtoffers in het ziekenhuis (5,9 dagen). In termen van sequentiekwaliteit werden gegevens van de bloedmonsters opgenomen als de uiteindelijke geassembleerde dominante EBOV-genoomsequentie langer was dan 18.800 nucleotiden en zonder gap (N). Gebruikmakend van zowel de equivalentie van infectie als de sequentie-leeskwaliteit om te filteren op monsterkwaliteit, waren de aantallen monsters ter vergelijking 38 gehospitaliseerde overlevenden en 96 gehospitaliseerde dodelijke gevallen. De algemene statistieken van deze gevallen zijn samengevat in Aanvullend bestand 1: Tabel S1.

Als gevolg van de observaties uit Guinee [2] was de EBOV-belasting gemiddeld significant hoger bij acute patiënten bij presentatie in de in het ziekenhuis opgenomen fatale groep in vergelijking met de in het ziekenhuis opgenomen overlevende groep (figuur 1a). Om de virale genoompopulatie in een individu te bepalen, werden de uitlezingen toegewezen aan een referentie-EBOV-genoom om een ​​dominante virale genoomsequentie te noemen. Dit werd gebruikt als een sjabloon in de tweede toewijzingsronde om het referentie-EBOV-genoom voor elke individuele patiënt te genereren. De variatie in de vier nucleotiden op elke plaats langs het referentie-EBOV-genoom werd geteld voor de individuele patiënt. Een glijdend venster van 200 nucleotiden werd gebruikt om de gemiddelde frequentie in nucleotidevariatie langs het genoom af te leiden en te vergelijken.

Ebola-genoombrede mutatiebias en virale belasting. een Vergelijking van de viral load (1/Ct) bij gehospitaliseerde fatale versus gehospitaliseerde overleefde bloedmonsters genomen tijdens de acute fase bij opname in een behandelcentrum voor ebolavirus. Deze gegevens volgden de normale verdeling, dus P waarden werden berekend met een tweezijdige t toets. B Vergelijking van de nucleotidevariatie van de dominante genoomsequentie bij een individuele patiënt in gehospitaliseerde fatale versus gehospitaliseerde overleefde gevallen. De variatiefrequentie werd berekend door transversie- of overgangsafwijkingen met behulp van een schuifvenster van 200 nucleotiden, en de P waarden werden berekend met een eenzijdige Wilcoxon-rangsomtest omdat de gegevens niet in een normale verdeling pasten. C Q-Q-plots werden gebruikt om de verdeling van de gemiddelde nucleotidedeviatie bij een individuele patiënt in gehospitaliseerde fatale versus gehospitaliseerde overlevende gevallen te vergelijken met behulp van een 200-nucleotide schuifvenster langs het genoom voor gehospitaliseerde overlevende versus gehospitaliseerde fatale gevallen. NS Gemiddelde nucleotidevariatie langs het Ebola-genoom berekend door substituties die leiden tot transversie- of transitieveranderingen met behulp van een glijdend venster van 200 nucleotiden. e Vergelijking van de virale belasting (1/Ct) in gehospitaliseerde fatale versus gehospitaliseerde overleefde gevallen. A two-sided Spearman rank correlation test was used to estimate the correlation of the average nucleotide variation and viral load (1/Ct) of each sample from a patient, where the R value is the correlation coefficient ranging in − 1 (strong negative correlation) and + 1 (strong positive correlation), and P is the P value for this test

The data provided information on the dominant viral genome sequence and the frequency and position of minor variants in the EBOV genome between the hospitalised survivor group and the hospitalised fatal group. These corresponded to the transition and transversion variations from the dominant viral genome sequence (Fig. 1b, c). In general, the frequency of minor variants which represented transitions was higher than the frequency of transversions. The variation in the frequency of both transition and transversion deviations was broader in the hospitalised survivor group compared to the hospitalised fatal group (Fig. 1b). To investigate the distribution of these deviations across the genome, the average frequency of the minor variants was plotted along the EBOV genome (Fig. 1d). This showed there were regions along the genome, including the L gene, that exhibited greater deviation from the dominant viral genome sequence and also that in a region of GP, transversions were more frequent than transitions in EBOV genomes from hospitalised survivors compared to hospitalised fatal cases (Additional file 1: Fig. S1).

The frequency of deviation from the dominant viral genome sequence may have been influenced by viral load, and the more genomes present, the more variation might exist. To investigate this, a Spearman rank correlation test was performed (Fig. 1e). This showed that the frequency of transition and transversion deviations from the dominant viral genome sequence was negatively related to viral load. The data implied a greater diversity in EBOV genomes in patients with lower viral loads compared to patients with high viral loads. A generalised linear model (glm) was used to investigate this observation and showed no significant difference in the slope and intercept between survivors and fatalities in any plot of Fig. 1e (Additional file 1: Table S2). This suggested, in dominant viral genome sequence present in hospitalised survivors and hospitalised fatal cases at presentation, with the same viral load, there were no differences in transitions or transversions.

The minor variant population may have resulted in non-synonymous changes that had functional divergence from the dominant viral genome sequence, resulting in differences in the primary amino acid sequence from that coded by dominant viral genome. This would lead to neutral, loss or gain in function of the affected viral protein. If the minor variant formed a significant proportion of the virus population, then any changes in viral protein function due to the minor variant may have had an overall effect on the activity of the viral protein in the infection.

To investigate this, the amino acid sequence space for all EBOV proteins was determined and the contribution of minor variants compared to the dominant viral genome sequence (Fig. 2a and Additional file 1: Fig. S2). In general, minor variants resulted in a small frequency of changes to the background protein sequence in all of the EBOV proteins (the dominant viral genome sequence by definition was still the majority sequence). However, in VP24 and L, there were several peaks where the frequency of the minor variants would have resulted in 20% or more of the protein space having a different amino acid at that position (Fig. 2a). The minor variant changes in VP24 led to one amino acid being present in the minor variants that was different from the dominant viral genome sequence but was similar for both hospitalised survivor and hospitalised fatal cases (Fig. 2a). In the L protein, three of these sites between hospitalised survivor and hospitalised fatal cases showed the highest difference with the most significant P values than all other amino acid sites of EBOV proteins: positions 572, 986 and 2061 (Fig. 2a, b Additional file 1: Fig. S2). These deviations from the dominant viral genome sequence had a strong negative correlation with viral load (for each position the R value was less than − 0.69 (range − 1 to + 1) (Fig. 2c–e). These changes were mostly transversions, except at position 986, where these were predominately transitions (Fig. 3). Also, a glm showed significant differences of slope and intercept between survivors and fatalities in the data presented in Fig. 2c–e (Additional file 1: Table S2). This suggested that the frequency of non-synonymous changes at positions 572, 986 and 2061 of the L protein under the same viral load (1/Ct value) was significantly different between hospitalised survivors and hospitalised fatalities.

Analysis of non-synonymous changes and their correlation with viral load in acute patients. een The average non-synonymous variation in codon frequency at every amino acid site of each EBOV protein. B Comparison of the non-synonymous nucleotide substitution frequency in the L protein at positions 572, 986 and 2061, and the P values were calculated with a one-sided Wilcoxon rank sum test. C A two-sided Spearman rank correlation test was used to estimate the correlation of average non-synonymous deviation in viral genomes with viral load (1/Ct) at positions 572, 986 and 2061 in patients who were either hospitalised fatal versus hospitalised survived cases, where the R value is the correlation coefficient ranging in − 1 (strong negative correlation) and 1 (strong positive correlation), and P is P value for this test

Comparison between Ts and Tv ratios that resulted in a non-synonymous change in positions 572, 986 and 2061 in the L protein and position 28 in VP24. De P values were calculated with a one-sided Wilcoxon rank sum test

The predominant amino acid changes caused by minor variants at positions 572, 986 and 2061 in the L protein are shown in Additional file 1: Fig. S3. These include N572S, Q986R and F2061S and are more frequent in the EBOV minor variant population in the hospitalised survivor group than the hospitalised fatal group (Fig. 4a). Moreover, their usage correlated with a lower viral load in patients and therefore the hospitalised survivor category (Fig. 4b). One of the deviations from the dominant genome sequence in the L protein at position 986 was for a stop codon and would have resulted in a truncated L protein. This stop codon was present in a greater frequency, although in less patients, in the hospitalised survivor versus hospitalised fatal cases (Fig. 5a, b). For example, in one hospitalised survivor, the stop protein at position 986 reached a frequency of approximately 15% in the minor variant population. Indeed, stop codons were present at low frequency in all EBOV proteins (Fig. 5a), but it appeared more frequently at position 986 in the L protein than any other position in viral proteins (Fig. 5c). Similar to the other amino acid changes caused by minor variants at positions 572, 986 and 2061, the stop codon frequency at position 986 was more frequent in hospitalised survivors than hospitalised fatal cases (Fig. 5a, b) and was also negatively related to viral load (Fig. 5d). The glm showed significant differences in slope and intercept between data from hospitalised survivor and hospitalised fatal cases in Fig. 5d (Additional file 1: Table S2). This suggested that the stop codon was present in a greater frequency at position 986 of L protein under the same viral load (1/Ct value).

een Comparison of three amino acid variation frequencies in the L protein at positions 572, 986 and 2061. P values were calculated with the one-tailed Wilcoxon rank sum test. B A Spearman rank correlation test was used to estimate the correlation of these three amino acid variation frequencies with viral load (1/Ct) at positions 572, 986 and 2061, where the R value is the correlation coefficient ranging from − 1 (strong negative correlation) to + 1 (strong positive correlation), and P is the P value for this test. In een en B, only the samples with at least amino acid variation are shown

Analysis of the frequency of stop codon substitution in viral proteins and viral load. een Comparison of stop codon frequency in the L protein at position 986. P values were calculated with the one-sided Wilcoxon rank sum test, with the average stop codon frequency at position 986 in the EBOV L protein and compassion between hospitalised fatal and hospitalised survived cases. B A Q-Q plot was used to compare the distribution of the stop codon at position 986 in the L protein between hospitalised fatal and hospitalised survived cases. The values below the line suggest the data, i.e. the presence of the stop codon, was more frequent in the hospitalised survivor cases. C The summary of stop codon frequency in all EBOV proteins compared between hospitalised fatal and hospitalised survived cases. NS A two-sided Spearman rank correlation test was used to estimate the correlation of stop codon frequency with viral load (1/Ct) at position 986, where the R value is the correlation coefficient ranging from − 1 (strong negative correlation) to + 1 (strong positive correlation), and P is the P value for this test. In B, NS en e, only the samples with at least one stop codon are shown. In een, C en NS, only the samples with at least one stop codon are shown

We postulated that changes in the minor variant frequency and concomitant change in amino acid usage in the L protein at positions 572, 986 and 2061 would have had a negative impact on virus biology—given the correlation with reduced viral load in patients (Fig. 2c–e, Fig. 4b and Fig. 5d). The L protein of the filoviruses and the wider family of the Mononegavirales has a conserved structure with functional domains separated by hinge regions (Fig. 6a). Although the presence of a stop codon would produce a truncated protein (Fig. 6b), this may have remained biologically active as it was C-terminal of the catalytic domain for RNA synthesis [17]. Several studies have shown that individual domains of the L protein in Mononegavirales have biological activity, and exogenous sequence can be inserted into the hinge regions whilst still maintaining function [18,19,20]. Likewise, the expression of L protein within a specific range may be required for optimal viral RNA synthesis [21].

Functionality of LSTOP and L3mut in an EBOV transcription/replication plasmid-based system (mini-genome) in cell culture. een, B Schematic diagrams of the conserved domains (grey boxes), functional motifs (purple) and variable regions or hinges (discontinuous green line) in EBOV L3mut and LSTOP. This diagram is based on data for filovirus and mononegavirus models for the L protein. Conserved blocks I–III constitute a RdRp, which is closely associated with a capping domain (Cap). Block VI has methyltransferase (MTase) activity, and downstream of this is located in a small C-terminal domain (CTD). Red highlighted the amino acid position where the een three most frequently found amino acid changes in the L protein at positions 572, 98s and 2061 are located and B the truncated protein due to the stop codon in L. C EBOV mini-genome system activity at different ratios between EBOV L and LSTOP en NS at equal EBOV L but different LSTOP amounts. Results are shown as the mean ± S.D. from one experiment performed in triplicate. ***P < 0.001 **P < 0.01 *P < 0.05. Western blot for luciferase (LUC), EBOV L/LSTOP and house-keeping GAPDH protein abundance in cells transfected with the mini-genome system. e EBOV mini-genome system activity in the presence of the L, no L and L3mut and at different ratios between L and L3mut. Blotting showed LUC and GAPDH abundance in cells transfected with the mini-genome system plasmids. F VP35-eGFP was used in a co-immunoprecipitation (coIP) assay to examine its interaction with EBOV LSTOP. Blotting showed the presence of eGFP and viral proteins VP35/eGFP, VP35, L and NP in the cell lysates (input (I)) and coIP fraction (eluate (E)). G Proposed model of the competition between EBOV L and LSTOP for the viral RdRp co-factor VP35 and the potential reduction in the EBOV RNA synthesis observed in patients with lower viral load (inset panel)

To investigate the activity of a truncated L protein due to the stop codon at position 986, and amino acid changes due to minor variants, we made use of a mini-genome system developed in the laboratory for Ebola virus Makona [22]. Here, viral proteins required for RNA synthesis, L, NP, VP30 and VP35, are provided in trans from helper expression plasmids. These drive the replication of the mini-genome and transcription of a luciferase reporter mRNA whose cDNA has been inserted between the 3′ and 5′ UTRs of the EBOV genome. Such systems have been shown to faithfully recapitulate viral RNA synthesis [23]. The insertion of the luciferase cDNA, and concomitant activity of the luciferase reporter protein, provides a rapid readout for functional analysis of viral proteins and variants, through substitution in the helper expression plasmids.

The activity of the truncated L protein, through the replacement of the Q at position 986 with a stop codon (referred to as LSTOP), was compared to the wild-type L protein. Here, the activity of luciferase was compared between mini-genome systems supported by the L protein expression plasmid, or where this plasmid was excluded, or a combination of both the L protein and LSTOP expression plasmids or the LSTOP expression plasmid only. All of the other support plasmids, expressing NP, VP30 and VP35, were provided as normal (Fig. 6c, Additional file 1: Fig. S4). Western blot confirmed the expression of L and LSTOP. In line with previous observations, excluding the L protein led to background observable luciferase activity compared to wild-type L protein (Fig. 6c, Additional file 1: Fig. S4). As the ratio of LSTOP to L expression plasmid was increased, there was a decreasing luciferase activity, such that with LSTOP only, the level of luciferase was not significantly different from excluding the L protein expression plasmid (Fig. 6c, Additional file 1: Fig. S4). This suggested that the LSTOP could not function as a RdRp. To investigate the potential loss of the overall function of the L protein activity, increasing amounts of the LSTOP expression plasmid were titrated in, with equivalent amounts of pUC57 added to maintain the total amount of DNA during transfection. Here, for all amounts of the LSTOP expression plasmid tested, there was a significant reduction in luciferase activity from using the L expression plasmid only (Fig. 6d, Additional file 1: Fig. S5). However, there was no significant difference in luciferase activity for all of the amounts of the LSTOP. Given that N572S, Q986R and F2061S substitution as a result of minor variants could be present in the same patient (Additional file 1: Fig. S3). To evaluate the activity of these mutations in the context of the L protein, an expression variant called L3mut was constructed where all three mutations were present. The data indicated that the activity of L3mut was significantly reduced compared to the wild-type L protein (Fig. 6e, Additional file 1: Fig. S6), including when both wild-type L protein and L3mut were expressed at the same time.

From this, we postulated that not only did these minor variant proteins have no (LSTOP) or reduced activity (L3mut), they may also have acted as a sink to sequester other viral proteins required for viral RNA synthesis away from the dominant viral genome sequence for the L protein. To test this hypothesis, the capability of LSTOP to interact with VP35, a known polymerase cofactor for the L protein, and essential for replication and transcription [24,25,26], was examined. The ability of LSTOP to associate with VP35 was compared to L protein using a co-immunoprecipitation assay. Here, VP35 had been C-terminal tagged in frame with enhanced green fluorescence protein (eGFP) (forming VP35-eGFP) to allow co-immunoprecipitation with a highly specific single-chain antibody. This approach has been used to study the interacting partners of a wide variety of viral proteins, e.g. [22, 27, 28]. Although somewhat diminished compared to wild-type VP35, VP35-eGFP, in the context of the mini-genome system, still allowed the generation of luciferase activity (data not shown), suggesting the protein was still biologically active, through its interactions with the L protein. Co-immunoprecipitation indicated that VP35-eGFP could be used to pull down either the L protein or LSTOP protein but not NP (Fig. 6f, Additional file 1: Fig. S7). Overall, the data is supportive of a model (Fig. 6g) in which the presence of LSTOP protein contributes to the reduction in viral load in patients (Fig. 6g, inset panel) possibly through both the absence of RdRp activity and the ability to act as a sink for viral proteins otherwise required for RNA synthetic activity.


Virus structure

The following three basic components are included in the virus structure. The first two are present in all types of viruses. But the last one viral envelope is present mainly in the animal virus structure.

  1. A nucleic acid genome
  2. A protein capsid that covers the genome. (Genome plus protein capsid is called the nucleocapsid).
  3. Lipid envelop (In many animal viruses)

All the intact virus is called a virion. Detail of these components is right below.

A- Viral genomes:

Although the genomes of all known cells are made up of double-stranded DNA, the genomes of viruses can be made up of single-stranded or double-stranded DNA or RNA. Viruses vary greatly in their size, ranging from approximately 5-10 kb (Papovaviridae, Parvoviridae, etc.) to even more than 100-200 kb (Herpesviridae, Poxviridae). Different structures of virus genomes are given below.

  • Double-stranded – linear or circular
  • Single strand – linear or circular
  • Other structures – gapped circles

2- RNA: double-stranded – linear

Single-stranded linear structure: These single-chain genomes can be positive-sense single-stranded RNA of negative-sense single-stranded RNA or ambisense. De positive-sense single-stranded RNA can directly serve as mRNA and encode proteins, so for these viruses, viral RNA is infectious. De negative-sense single-stranded RNA is not infectious, as it must be copied into the + sense strand before it can be translated. In an Ambisense virus, some part of genome is sense strand and some part is the antisense.

The genome of some RNA viruses is segmented, which means that a virus particle contains several different RNA molecules, like different chromosomes.

B: Protein capsid

Protein capsid is an essential component of virus structure. Viral genomes are surrounded by shells of proteins known as capsids. An interesting question is how the capsid proteins recognize viral RNA or DNA, but not cellular DNA. The answer is that there is often some kind of “packaging” signal (sequence) in the viral genome that the capsid proteins recognize. A capsid is composed of repetitive structural subunits that are arranged in one of two symmetrical structures, a helix or an icosahedron. These “subunits” may consist of a single polypeptide, in simplest cases. However, in many cases, these structural subunits (also called protomers) are made up of various polypeptides. The detail of helical and icosahedral virus structures is described below.

1) Helical capsids: The first and best example studied is the plant tobacco mosaic virus (TMV), which contains a single-stranded RNA genome and a protein coat made up of a single 17.5 kd protein. This protein is arranged in a helix around the viral RNA, with 3 nucleotides of RNA fitting into a groove in each subunit. The helical capsids can also be more complex as they involve more than one protein subunit.

A Helix can be defined by two parameters, its diameter, and pitch. This structure is very stable and can be easily disassociated and re-associated by changing the ionic strength, pH, temperature, etc. The interactions that hold these molecules together are not covalent and involve H bonds, salt bridges, hydrophobic interactions, and Vander Waals forces.

Several families of animal viruses contain helical nucleocapsids, for example, Orthomyxoviridae (influenza), Rhabdoviridae (rabies) and Paramyxoviridae (bovine respiratory syncytial virus). These are all enveloped viruses.

Different capsid types in virus structure

2) Icosahedral capsids: In these structures, the subunits are arranged in the form of a hollow, quasi-spherical structure, with the genome inside. An icosahedron is defined as consisting of 20 equilateral triangular faces arranged around the surface of a sphere. They exhibit 2-3-5 symmetry.

  • 2-fold rotational symmetry through the edges.
  • 3-fold rotational symmetry through the center of each triangular face.
  • 5-fold symmetry through the center of each corner.

These corners are also called vertices, and each icosahedron has 12.

Since proteins are not equilateral triangles, each side of an icosahedron contains more than one protein subunit. The simplest icosahedron is made using 3 identical subunits to form each face, so the minimum number of subunits is 60 (20 x 3). Remember that each of these subunits could be a single protein or, more likely, a complex of multiple polypeptides.

Many viruses have a genome too large to be packaged within an icosahedron made up of only 60 polypeptides (or even 60 subunits), making them even more complicated. But in these, the total number of subunits is always a multiple of 60.

Apparent clusters or “Lumps” are often seen on the surface of the particle, when viral nucleocapsids are viewed under the electron microscope, These are generally protein subunits grouped around an axis of symmetry and have been called “morphological units” or capsomeres”

C: Viral Envelope

In some animal viruses, the nucleocapsid is surrounded by a membrane, also called an envelope. This envelope is made up of a lipid bilayer and is made up of lipids from host cells. It also contains virus-encoded proteins, often glycoproteins that are transmembrane proteins. These viral proteins serve many purposes, such as binding to receptors in the host cell, playing a role in membrane fusion and cell entry, etc. They can also form channels on the viral membrane.

Many enveloped viruses also contain matrix proteins, which are internal proteins that bind the nucleocapsid to the envelope. They are very abundant (that is, many copies per virion) and are generally not glycosylated. Some virions also contain other non-structural proteins that are used in the viral life cycle. Examples of this are replicases, transcription factors, etc. These nonstructural proteins are present in low amounts in the virion.

Enveloped viruses are formed by budding through cell membranes, usually the plasma membrane, but sometimes an internal membrane such as ER, Golgi, or nucleus. In these cases, the assembly of viral components (genome, capsid, matrix) occurs on the inner side of the membrane, the envelope glycoproteins clump together in that region of the membrane, and the virus breaks out. This ability to bud allows the virus to leave the host cell without lysing or killing the host. Conversely, unenveloped viruses and some enveloped viruses kill the host cell to escape.


Inhoud

    Plasmids: They are generally circular extrachromosomal DNA molecules that replicate and are transmitted independent of chromosomal DNA. They are present in prokaryotes (bacteria and archaea) and sometimes in eukaryotic organisms such as yeast. Plasmids during their cycle carry genes from one organism to another through a process called conjugation. They also often inject genes that make bacteria resistant to antibiotics. [4][5]
      : they are a type of hybrid plasmids with bacteriophages, used to transfer and replicate DNA fragments that are inserted by means of recombinant DNA techniques. To serve as a vector, it must be able to replicate together with the DNA fragment it carries. Examples are cosmids and phagemids. [6]
      : they are transposons that move directly from one position to another in the genome using a transposase to cut and stick at another locus. [8] : they are transposons that move in the genome, being transcribed into RNA and later into DNA by reverse transcriptase. Retrotransposons are present exclusively in eukaryotes. [9] : they are exclusive transposons of mammals that move in the genome, being transcribed into DNA and then into RNA, without coding for reverse transcriptase. [7]
      : They are viral agents composed of a molecule of genetic material (DNA or RNA) and with the ability to form complex particles called virions to be able to move easily between their hosts. Viruses are present in all living things. Viral particles are manufactured by the host's replicative machinery for horizontal transfer. [12][15] : they are DNA or RNA molecules, which are encapsidated as a stowaway in the virions of certain helper viruses and which depend on these to be able to replicate. Although they are sometimes considered genetic elements of their helper viruses, they are not always found within their helper viruses. [12][16] : They are viral agents that consist of circular RNA molecules that infect and replicate in plants. [12][17] : They are viral nucleic acids integrated into the genome of a cell. They can move and replicate multiple times in the host cell without causing disease or mutation. They are considered autonomous forms of transposons. Examples are proviruses and endogenous retroviruses. [18]

    CRISPR-Cas systems in bacteria and archaea are adaptive immune systems to protect against deadly consequences from MGEs. Using comparative genomic and phylogenetic analysis, researchers found that CRISPR-Cas variants are associated with distinct types of MGEs such as transposable elements. In addition, CRISPR-Cas controls transposable elements for their propagation. [19]

    MGEs such as plasmids by a horizontal transmission are generally beneficial to an organism. The ability of transferring plasmids (sharing) is important in an evolutionary perspective. Tazzyman and Bonhoeffer found that fixation (receiving) of the transferred plasmids in a new organism is just as important as the ability to transfer them. [20] Beneficial rare and transferable plasmids have a higher fixation probability, whereas deleterious transferable genetic elements have a lower fixation probability to avoid lethality to the host organisms.

    One type of MGEs, namely the Intergrative Conjugative Elements (ICEs) are central to horizontal gene transfer shaping the genomes of prokaryotes enabling rapid acquisition of novel adaptive traits. [21] [22]

    As a representative example of ICEs, the ICEBs1 is well-characterized for its role in the global DNA damage SOS response of Bacillus subtilis [23] and also its potential link to the radiation and desiccation resistance of Bacillus pumilus SAFR-032 spores, [24] isolated from spacecraft cleanroom facilities. [25] [26] [27]

    Transposition by transposable elements is mutagenic. Thus, organisms have evolved to repress the transposition events, and failure to repress the events causes cancers in somatic cells. Cecco et al. found that during early age transcription of retrotransposable elements are minimal in mice, but in advanced age the transcription level increases. [28] This age-dependent expression level of transposable elements is reduced by calorie restriction diet.

    The consequence of mobile genetic elements can alter the transcriptional patterns, which frequently leads to genetic disorders such as immune disorders, breast cancer, multiple sclerosis, and amyotrophic lateral sclerosis. In humans, stress can lead to transactional activation of MGEs such as endogenous retroviruses, and this activation has been linked to neurodegeneration. [29]

    The total of all mobile genetic elements in a genome may be referred to as the mobilome.

    Mobile genetic elements play a critical role in the spread of virulence factors, such as exotoxins and exoenzymes, among bacteria. Strategies to combat certain bacterial infections by targeting these specific virulence factors and mobile genetic elements have been proposed. [31]


    Referenties

    Iwanowsky, D. Über die Mosaikkrankheit der Tabakspflanze. Stier. Acad. Imp. Wetenschap. Saint-Pétersbourg 35, 67–70 (1892).

    Beijerinck, M. W. Über ein Contagium vivum fluidum als Ursache der Fleckenkrankheit der Tabaksblätter. Verh. K. Ned. Akad. Wet. Afd. Natuurkd. Tweede Sect. 65, 1–22 (1898).

    Loeffler, F. & Frosch, P. Berichte der Kommission zur Erforschung der Maul- und Klauenseuche bei dem Institut für Infektionskrankheiten in Berlin. Centralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde und Infektionskrankheiten Abt. l 23, 371–391 (1898).

    Lustig, A. & Levine, A. J. One hundred years of virology. J. Virol. 66, 4629–4631 (1992).

    Rott, R. & Siddell, S. One hundred years of animal virology. J. Gen. Virol. 79, 2871–2874 (1998).

    Duffy, S., Shackelton, L. A. & Holmes, E. C. Rates of evolutionary change in viruses: patterns and determinants. nat. Rev. Genet. 9, 267–276 (2008).

    Holmes, E. C. The Evolution and Emergence of RNA Viruses: Oxford Series in Ecology and Evolution (Oxford Univ. Press, 2009).

    Biek, R., Pybus, O. G., Lloyd-Smith, J. O. & Didelot, X. Measurably evolving pathogens in the genomic era. Trends Ecol. Evol. 30, 306–313 (2015).

    Suttle, C. A. Marine viruses — major players in the global ecosystem. nat. Rev. Microbiol. 5, 801–812 (2007).

    Cobián Güemes, A. G. et al. Viruses as winners in the game of life. Ann. Rev. Virol. 3, 197–214 (2016).

    Gregory, A. C. Marine DNA viral macro- and microdiversity from pole to pole. Cel 177, 1109–1123 (2019).

    Lefeuvre, P. et al. Evolution and ecology of plant viruses. nat. Rev. Microbiol. 17, 632–644 (2019).

    Zhang, Y.-Z., Chen, Y.-M., Wang, W., Qin, X.-C. & Holmes, E. C. Expanding the RNA virosphere by unbiased metagenomics. Ann. Rev. Virol. 6, 119–139 (2019).

    Krupovic, M., Dolja, V. V. & Koonin, E. V. Origin of viruses: primordial replicators recruiting capsids from hosts. nat. Rev. Microbiol. 17, 449–458 (2019).

    Adams, M. J. et al. 50 years of the International Committee on Taxonomy of Viruses: progress and prospects. Boog. Virol. 162, 1441–1446 (2017).

    Wildy, P. in Monographs in Virology Vol. 5 (ed. Melnick, J. L.) (S. Karger, 1971).

    Francki, R. I. B., Fauquet, C. M., Knudson, D. L. & Brown, F. (eds) Classification and Nomenclature of Viruses: Fifth Report of the International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV, 1991).

    Simmonds, P. et al. Consensus statement: virus taxonomy in the age of metagenomics. nat. Rev. Microbiol. 15, 161–168 (2017).

    Barylski, J. et al. Analysis of spounaviruses as a case study for the overdue reclassification of tailed phages. Syst. Biol. 69, 110–123 (2020).

    Gorbalenya, A. E., Lauber, C. & Siddell, S. Taxonomy of Viruses, in Reference Module in Biomedical Sciences (Elsevier, 2019) https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801238-3.99237-7.

    Goldbach, R. W. Molecular evolution of plant RNA viruses. Ann. Rev. Phytopathol. 24, 289–310 (1986).

    Strauss, J. H. & Strauss, E. G. Evolution of RNA viruses. Ann. Rev. Microbiol. 42, 657–683 (1988).

    Gorbalenya, A. E. et al. The palm subdomain-based active site is internally permuted in viral RNA-dependent RNA polymerases of an ancient lineage. J. Mol. Biol. 324, 47–62 (2002).

    Iyer, L. M., Aravind, L. & Koonin, E. V. Common origin of four diverse families of large eukaryotic DNA viruses. J. Virol. 75, 11720–11734 (2001).

    Rixon, F. J. & Schmid, M. F. Structural similarities in DNA packaging and delivery apparatuses in Herpesvirus and dsDNA bacteriophages. Curr. Opin. Virol. 5, 105–110 (2014).

    Krupovic, M. & Koonin, E. V. Polintons: a hotbed of eukaryotic virus, transposon and plasmid evolution. nat. Rev. Microbiol. 13, 105–115 (2015).

    Kazlauskas, D., Varsani, A., Koonin, E. V. & Krupovic, M. Multiple origins of prokaryotic and eukaryotic single-stranded DNA viruses from bacterial and archaeal plasmids. nat. gemeenschappelijk. 10, 3425 (2019).

    Iranzo, J., Krupovic, M. & Koonon, E. V. The double-stranded DNA virosphere as a modular hierarchial network of gene sharing. mBio 7, 00978-16 (2016).

    Allaire, M., Chernaia, M. M., Malcolm, B. A. & James, M. N. Picornaviral 3C cysteine proteinases have a fold similar to chymotrypsin-like serine proteinases. Natuur 369, 72–76 (1994).

    Subramanya, H. S., Bird, L. E., Brannigan, J. A. & Wigley, D. B. Crystal structure of a DExx box DNA helicase. Natuur 384, 379–83 (1996).

    Pan, J., Vakharia, V. N. & Tao, Y. J. The structure of a birnavirus polymerase reveals a distinct active site topology. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 104, 7385–7390 (2007).

    Baltimore, D. Expression of animal virus genomes. Bacteriol. ds. 35, 235–241 (1971).

    Condit, R. C. Principles of Virology, in Fields Virology Vol. 1 (eds Knipe D. M. & Howley P.) 21–51 (Lippincott, Williams & Wilkins, 2013).

    Gorbalenya, A. E. Increasing the number of available ranks in virus taxonomy from five to ten and adopting the Baltimore classes as taxa at the basal rank. Boog. Virol. 163, 2933–2936 (2018).

    Van Regenmortel, M. H. Logical puzzles and scientific controversies: the nature of species, viruses and living organisms. Syst. toepassing Microbiol. 33, 1–6 (2010).

    Gorbalenya, A. E., Krupovic, M., Siddell, S. G., Varsani, A & Kuhn, J. H. Proposal 2017.006G. Riboviria: a single taxon that comprises RNA viruses at the basal rank of virus taxonomy. (ICTV, 2018) https://talk.ictvonline.org/files/ictv_official_taxonomy_updates_since_the_8th_report/m/general-2008/8093.

    Siddell, S. G. et al. Additional changes to taxonomy ratified in a special vote by the International Committee on Taxonomy of Viruses (October 2018). Boog. Virol. 164, 943–946 (2019).

    Walker, P. J. et al. Changes to virus taxonomy and the International Code of Virus Classification and Nomenclature ratified by the International Committee on Taxonomy of Viruses (2019). Boog. Virol. 164, 2417–2429 (2019).

    Liu, J. & Mushegian, A. Displacements of prohead protease genes in the late operons of double-stranded-DNA bacteriophages. J. Bacteriol. 186, 4369–4375 (2004).

    Dai, X. & Zhou, Z. H. Structure of the herpes simplex virus 1 capsid with associated tegument protein complexes. Wetenschap 360, eaao7298 (2018).

    Dedeo, C. L., Cingolani, G. & Teschke, C. M. Portal protein: the orchestrator of capsid assembly for the dsDNA tailed bacteriophages and herpesviruses. Ann. Rev. Virol. 6, 141–160 (2019).

    Bào, Y. et al. Implementation of objective PASC-derived taxon demarcation criteria for official classification of filoviruses. Viruses 9, 106 (2017).

    Wolf, Y. I. et al. Origins and evolution of the global RNA Virome. mBio 9, 02329-18 (2018).

    Lauber, C. & Gorbalenya, A. E. Partitioning the genetic diversity of a virus family: approach and evaluation through a case study of picornaviruses. J. Virol. 86, 3890–3904 (2012).

    Lauber, C. & Gorbalenya, A. E. Toward genetics-based virus taxonomy: comparative analysis of a genetics-based classification and the taxonomy of picornaviruses. J. Virol. 86, 3905–3915 (2012).

    Gorbalenya, A. E. et al. De soorten Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. nat. Microbiol. 5, 536–544 (2020).

    Gorbalenya, A. E. et al. Proposal 2017.005G.A.v1. Increasing the number of ranks available in virus taxonomy. (ICTV, 2017) https://talk.ictvonline.org/files/ictv_official_taxonomy_updates_since_the_8th_report/m/general-2008/7995.

    Kuhn, J. H. et al. Classify viruses — the gain is worth the pain. Natuur 566, 318–320 (2019).

    Koonin, E. V. et al. Global organization and proposed megataxonomy of the virus world. Microbiol. Mol. Biol. ds. 84, e00061-19 (2020).


    Molecular Virology of Human Pathogenic Viruses

    Molecular Virology of Human Pathogenic Viruses presents robust coverage of the key principles of molecular virology while emphasizing virus family structure and providing key context points for topical advances in the field. The book is organized in a logical manner to aid in student discoverability and comprehension and is based on the author’s more than 20 years of teaching experience. Each chapter will describe the viral life cycle covering the order of classification, virion and genome structure, viral proteins, life cycle, and the effect on host and an emphasis on virus-host interaction is conveyed throughout the text.

    Molecular Virology of Human Pathogenic Viruses provides essential information for students and professionals in virology, molecular biology, microbiology, infectious disease, and immunology and contains outstanding features such as study questions and recommended journal articles with perspectives at the end of each chapter to assist students with scientific inquiries and in reading primary literature.


    17.5: Viruses - Biology

    Een abonnement op J o VE is vereist om deze inhoud te bekijken. U kunt alleen de eerste 20 seconden zien.

    De JoVE-videospeler is compatibel met HTML5 en Adobe Flash. Oudere browsers die HTML5 en de H.264-videocodec niet ondersteunen, gebruiken nog steeds een op Flash gebaseerde videospeler. We raden aan om de nieuwste versie van Flash hier te downloaden, maar we ondersteunen alle versies 10 en hoger.

    Mocht dat niet helpen, laat het ons dan weten.

    A virus is a structure that carries its own genomic material in the form of RNA or DNA to invade and replicate inside a host cell. After a virus binds to surface receptors on the host cell, it enters and rapidly disassembles, un-coding its genetic material. In the case of DNA viruses, the viral DNA directs the host cells replication proteins to synthesize new copies of the viral genome which are then transcribed and translated into viral proteins.

    Finally, the host reassembles these viral components into progeny, allowing a single virus particle to produce 1000s more, often leading to death of the host cell.

    16.1: What are Viruses?

    Overzicht

    A virus is a microscopic infectious particle that consists of an RNA or DNA genome enclosed in a protein shell. It is not able to reproduce on its own: it can only make more viruses by entering a cell and using its cellular machinery. When a virus infects a host cell, it removes its protein coat and directs the host&rsquos machinery to transcribe and translate its genetic material. The hijacked cell assembles the replicated components into thousands of viral progeny, which can rupture and kill the host cell. The new viruses then go on to infect more host cells.

    Why Study Viruses?

    Viruses can infect different types of cells: bacteria, plants, and animals. Viruses that target bacteria, called bacteriophages (or phages), are very abundant. Current research focuses on phage therapy to treat multidrug-resistant bacterial infections in humans. Viruses that infect cultivated plants are also highly studied since epidemics lead to huge crop and economic losses.

    Viruses were first discovered in the 19 th century when an economically-important crop, the tobacco plant, was plagued by a mysterious disease&mdashlater identified as Tobacco mosaic virus. Animal viruses are of great importance both in veterinary research and in medical research. Moreover, viruses underlie many human diseases, ranging from the common cold, chickenpox, and herpes, to more dangerous infections like yellow fever, hepatitis, and smallpox.

    The Structure of a Virus

    Viruses come in a variety of shapes that are specialized in attacking their target cell. The two major components of all viruses are the viral genome and its protective protein coat, known as the capsid. The viral genome is made up of single or double-stranded RNA or DNA, and it encodes the proteins that make up the capsid. Together, the viral genome and the capsid are known as the nucleocapsid.

    A unique feature of many eukaryotic viruses is the presence of a phospholipid membrane, known as the envelope that surrounds the capsid. This envelope typically originates from the membranes of previously infected host cells, but can also include viral proteins (called envelope proteins) attached to it. Finally, some animal viruses have a cluster of virus-encoded proteins, the viral tegument, in the space between the envelope and capsid.

    Viral Infection

    The viral life cycle can be broken into the following five steps: attachment, entry, replication, assembly, and release. The proteins on the surface of the virus help it recognize specific host cells. Some viruses use these surface proteins to bind host cell receptors and initiate internalization by endocytosis, while envelope-coated viruses can directly fuse with the host cell membrane.

    Some bacteriophages do not enter the cell they inject their genome (and viral enzymes) into the host cell. Once inside the cell, the virus is uncoated and directs the machinery of the host cell to transcribe and translate its genome. The host cell packages the new copies of the viral genome into viral particles to make progeny. The progeny viruses may be stored in the host cell before release or continually extruded from the cell by budding off from the cell membrane. The viral infection cycle is classified as lytic or lysogenic. In the lytic cycle, the new viruses burst out of the host cell thus killing it. In the lysogenic cycle, the viral DNA is incorporated into the host genome where it lays dormant and is copied each time the host cell replicates.

    Yamauchi, Yohei, and Ari Helenius. &ldquoVirus Entry at a Glance.&rdquo J Cell Sci 126, no. 6 (March 15, 2013): 1289&ndash95. [Bron]

    Lin, Derek M, Britt Koskella, and Henry C Lin. &ldquoPhage Therapy: An Alternative to Antibiotics in the Age of Multi-Drug Resistance.&rdquo World Journal of Gastrointestinal Pharmacology and Therapeutics 8, no. 3 (August 6, 2017): 162&ndash73. [Bron]

    Nicaise, Valérie. &ldquoCrop Immunity against Viruses: Outcomes and Future Challenges.&rdquo Frontiers in Plant Science 5 (November 21, 2014). [Bron]


    Bekijk de video: VIRUS (Januari- 2022).