Lezione 3 - azione patogena dei virus

Patogenicità ed evoluzione
PATOGENESI VIRALE
Processo attraverso il quale un virus è in grado di
causare malattia nell’ospite
“Conflitto evolutivo”
I virus cercano un vantaggio riproduttivo nell’ospite
naturale ed evolvono verso forme di interazione che
garantiscano permanenza e/o trasmissione senza
eliminare l’ospite stesso (bassa virulenza o elevata
capacità di trasmissione)
Molte infezioni virali sono asintomatiche
EVOLUZIONE E VIRULENZA
La ‘virulenza’ è determinata geneticamente e una specie
virale comprende varianti dotate di diversa virulenza
Ceppi di virus estremamente virulenti hanno difficoltà di
trasmissione e sono quindi selezionati negativamente
Mantenimento di morbilità e mortalità elevata a lungo
termine solo se questo non incide negativamente sulla
possibilità di trasmissione
Persistenza e lungo periodo di incubazione (es. HIV)
Esistenza di una specie animale serbatoio (es. Ebola)
L’identificazione dei determinanti di virulenza è un passo
essenziale nello sviluppo dei vaccini
DIVERSE FASI DELLA PATOGENESI
Ingresso
Impianto e disseminazione locale
Diffusione agli organi
bersaglio
Eliminazione e trasmissione
1) FASE DI INGRESSO
Vie di ingresso e di diffusione delle
infezioni virali
Vie di ingresso delle infezioni virali
CUTE
Strato corneo protettivo (cellule morte)
Possibilità di ingresso per:
Trauma
Punture di artropodi (es. Toscana virus, TBE)
Morsi di animali (es. v. rabbia, Hantavirus, Ebola)
Inoculazione parenterale (es. chirurgia, dentista, droghe
endovena, tatuaggi, piercing) (es. HBV, HCV, HIV, CMV)
Scarsa importanza come via di uscita e diffusione (VZV)
Vie di ingresso delle infezioni virali
VIE RESPIRATORIE
Difese specifiche (immunità mucosale) e non (epitelio ciliato,
muco)
Una delle principali via di trasmissione nei paesi
industrializzati
Inalazione di aerosol (<1 µm diametro) contenenti virus
Virus che si moltiplicano solo nel tratto respiratorio (‘virus
respiratori’) causando raffreddore, faringite, bronchiolite,
polmonite
Altri virus possono causare infezione sistemica
Grande importanza come via di uscita e diffusione
Virus che entrano attraverso il tratto
respiratorio
Vie di ingresso delle infezioni virali
VIA ALIMENTARE
Difese specifiche (immunità mucosale) e non (HCl, sali biliari)
Via di ingresso importante nei paesi in via di sviluppo
Moltiplicazione nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue ed
eliminazione attraverso le feci
Infezione sintomatica o asintomatica
Buona resistenza in ambiente extracorporeo
Possibilità di epidemie attraverso il circuito oro-fecale (es. HAV)
Virus entrano attraverso il tratto alimentare
Vie di ingresso delle infezioni virali
TRATTO GENITALE
Difese specifiche (mucosa vaginale) e non (muco)
Infezioni localizzate (HSV, HPV) o sistemiche (HIV, HTLV,
HBV)
Rilascio attraverso le urine
Alcuni virus umani (es. CMV, v. rosolia, v. morbillo) ma ruolo
epidemiologico non importante
Alcuni virus animali che possono poi essere trasmessi
all’uomo (es. Arenavirus e Hantavirus nei roditori)
Vie di ingresso delle infezioni virali
CONGIUNTIVA
Sito relativamente esposto e poco protetto
Infezioni da parte di HSV, Adenovirus, Enterovirus
In alcuni casi l’infezione della congiuntiva deriva dalla
diffusione di virus per via ematica (es. v. morbillo, EBV)
Trasmissione verticale
Infezione delle cellule germinali
Infezione transplacentare (inf. intrauterina, ‘congenita’) (es.
CMV, virus della rosolia, HIV, HBV)
Infezione alla nascita (inf. ‘neonatale’) (es. HSV, HIV, HBV)
Infezioni tramite allattamento (inf. ‘perinatale’) (es. HIV, CMV,
HBV)
2) Impianto e moltiplicazione
nel sito di ingresso
Impianto e moltiplicazione nel sito di
ingresso
Dipende da:
Dose infettante
Infettività del virus
Virulenza
Diffusione
Malattia
3) disseminazione
Disseminazione locale
Diffusione alle cellule adiacenti
Via extracellulare (rilascio virioni e attacco su
membrana cellulare di altri elementi; es. adenovirus)
Via intracellulare (fusione, situazione protetta; es.
Herpesvirus, Paramyxovirus)
Diffusione mediante cellule che migrano localmente
(linfociti, macrofagi)
Diffusione del virus in una infezione
localizzata
Permanenza in sede locale
Sito di ingresso coincide con organo bersaglio (es.
Rhinovirus, v. influenza, v. parainfluenza nel tratto
respiratorio; Rotavirus nel tratto gastroenterico; HPV su
epidermide)
Diffusione sistemica
Sangue (es. v. morbillo, Poliovius)
Linfatici afferenti → tessuto linfatico → linfatici efferenti →
circolazione del sangue (VIREMIA) → fuoriuscita in organi
bersaglio per:
Attraversamento di gap tra cellule e a livello
tissutale
Replicazione in cellule endoteliali
Trasporto attraverso i linfociti
Nervi (es. HSV, v. rabbia)
Via al riparo da anticorpi
Diffusione sistemica attraverso il circolo
sanguigno
Diffusione sistemica attraverso il
sistema nervoso
Moltiplicazione negli organi bersaglio
Bersaglio viene generalmente raggiunto tardivamente
Necessita di passare dal sito di ingresso all’organo
bersaglio
Difese immunitarie vengono spesso attivate durante le fasi
precedenti la moltiplicazione nell’organo bersaglio (IFN,
infiammazione, risposta immune)
Sede delle manifestazioni cliniche
Organo-specifiche
Sintomi sistemici (linfochine, mediatori
infiammzione)
Sovrapposizione di infezioni batteriche a causa
dell’azione immunosoppressiva esercitata dal virus
Il feto: un bersaglio particolare
Difese immunitarie e risposta mediata dall’IFN immature
Barriera placentare impedisce in parte il passaggio di
specifici anticorpi materni
Grande vulnerabilità degli organi in formazione (spec. I
trimestre)
Suscettibilità all’infezione condizionata dallo stato
indifferenziato delle cellule fetali e dai cambiamenti
ormonali nella madre
Passaggio da placenta a circolazione fetale e organi
bersaglio
Soprattutto CMV e virus della rosolia (molti altri virus
occasionalmente)
Tropismo
Affinità per specifici tessuti e tipi cellulari
Barriere fisiche
Temperatura (es. Rhinovirus nelle vie respiratorie superiori)
pH (es. Enterovirus resistenti al passaggio in ambiente acido)
Recettori di membrana
Fattori trascrizionali cellulo/tessuto specifici
5) rilascio
Rilascio
Soprattutto vie respiratoria e tratto alimentare
Sangue (es. HIV, HBV, HCV, HTLV)
Latte materno (es. HIV, HBV, CMV)
Tratto genitale (es. HIV, HBV, HSV, HPV)
Alcuni virus hanno vie di rilascio multiple (es. HIV, CMV)
Infezione e malattia
Requisiti
Superamento delle barriere fisiche
Superamento delle difese aspecifiche e specifiche
dell’ospite
Diffusione agli organi bersaglio
Moltiplicazione in quantità sufficiente per danneggiare
l’organo
Citopatologia diretta (morte cellulare)
Induzione di rilascio di fattori tossici
Innesco di reazioni immunopatologiche
Risposta immunitaria all’infezione virale
Immunità innata nei confronti dell’infezione virale:
Toll-like Receptors (TLR) e
Retinoic Inducible GeneI (RIG-I)-RNA Helicase
(PRR Pattern Recognition Receptors)
TIR:
Toll Interleukin1 Receptor
RIG I
DExD/Hbox RNA
Helicase
925AA
Nterm: CARD: Caspase
Recruitment Domain
Cterm: Helicase domain
DD: Death Domain
Recettori Toll-Like
• Scoperti in Drosofila melanogaster come fattori coinvolti
nella morfogenenesi e successivamente riconosciuti come
proteine transmembrana deputate al riconoscimento di
antigeni batterici o fungini
• Scoperti 10 omologhi Umani (TLR 1-10) in grado di
riconoscere diversi antigeni o acidi nucleici virali e batterici e
indurre risposta infiammatoria delle cellule effettrici (IFNα/β/γ,
IL-6, IL-8)
• Ubiquitari in macrofagi, neutrofili, Cellule NK, a livello
della membrana citoplasmatica e del sistema vescicoloendosomale (localizzazione extra/intra cellulare)
• Attivi come omo/etero dimeri, necessaria l’interazione per
attivare la cascata di trasduzione del segnale
Toll-like receptors: dimerizzazione e attivazione della
cascata di trasduzione del segnale
Interazioni tra TLR e le
diverse classi di virus
Alcuni recettori (TLR2-4)
sono localizzati sulla
membrana
citoplasmaticae
riconoscono proteine
virali, altri (TLR 9-7/8-3)
sono localizzati a livello
del sistema vescicolo
endosomale e riconosco
gli acidi nucleici.
TLR
Riconoscimento di sequenze nucleotidiche
in compartimenti intracitoplasmatici
RIG like Receptors:
Riconoscimento di ssRNA e dsRNA
citoplasmatici
The virus fights back
When APOBEC (red) is
expressed in the
PRODUCER CELL, it is
incorporated into the
budding virion together
with other components
of the virus, including
its genomic RNA. HIV1 Vif (green) can
reduce or eliminate
APOBEC3G
incorporation into
budding virions by
targeting it for
proteasomal
degradation.
The mechanism of Vif-dependent APOBEC3G degradation
Vif binds APOBEC3G and forms a complex that recruits the cellular proteins elongin B and
elongin C (B and C in the figure), which then mediate cullin-5 (CUL5)–ring-box-1 (RBX1)dependent ligation of ubiquitin (Ub) to APOBEC3G. The E2 ubiquitin-conjugating enzyme
receives its ubiquitin from an E1 enzyme. Ubiquitylated APOBEC3G is subsequently
degraded by the proteasome.
IL RUOLO
DELL’INTERFERONE
INTERFERENZA VIRALE
• Cellule infettate da virus non possono
essere ulteriormente infettate da ceppi
omologhi (1935), né da ceppi virali
antigenicamente diversi (1937)
• Il fattore che determina resistenza alla
superinfezione (INTERFERENZA) è un
fattore proteico solubile rilasciato nel
mezzo di coltura (INTERFERONE)
(1957)
INTERFERONI UMANI
•IFN α E β: prodotti da quasi tutti i tipi di cellule infette
•IFN γ: prodotto solo in SPECIFICI linfociti attivati
Tre tipi di IFN:
•
•
•
•
IFN-alfa (detto anche IFN leucocitario)
IFN-beta (IFN dei fibroblasti)
IFN-gamma (anche noto come IFN immune)
IFN-alfa e IFN-beta sono anche detti IFN di Tipo I,
mentre IFN-gamma è detto IFN di tipo II
• Ci sono 20 sottotipi di IFN-alfa, ma solo 1 sottotipo di
IFN-beta e di IFN-gamma .
• Gli IFN hanno caratteristiche differenti che possono
essere utilizzate per distinguerli (ad es. stabilità al pH ).
INTERFERONI (IFN) α e β
Induzione rapida, transiente e poco specifica
INDOTTI da :
– dsRNA
– endotossine
– proteine virali
– inibitori trascrizione e traduzione
•
•
•
•
•
Non richiedono replicazione virale
Agiscono solo su cellule che esprimono recettori specifici
Non possiedono attività antivirale diretta
La loro azione antivirale non è specifica per il virus inducente
Sono dotati di specie/specificità
• Inducono uno STATO ANTIVIRALE preventivo in grado di inibire la
replicazione di virus che potrebbero penetrare nella cellula
INDUZIONE DELLO STATO
ANTIVIRALE
INDUZIONE DELLO STATO
ANTIVIRALE
Gli enzimi indotti da IFN si attivano solo in presenza di una infezione virale, preservando
quindi le cellule NON infette da traumi non necessari
MECCANISMI DI INDUZIONE DI
IFN
NF-kB è un fattore di
trascrizione; legato a IkB è
inattivo e si trova nel
citoplasma
L’RNA a doppio filamento
attiva
PKR (proteina
Kinasi RNA dip)
PKR
fosforila
IkB
e
determina il rilascio del
fattore NF-kB.
NF-kB entra nel nucleo e
attiva la trascrizione di geni
IFN,
che
codificano
coinvolti nella risposta
antivirale.
REGOLAZIONE GENICA INDOTTA DA IFN
Jak=Janus Kinasi
STAT= Signal Transducer of
Activation of Trancription
ISRE= Interferon Stimulated
Responsive Element
GAS= Gamma (Interferon)
Activation Sequence
IL Pathway dell’IFN
ATTIVAZIONE RAPIDA di IFN di tipo I
• Un solo minuto di contatto fra IFN di tipo I e
recettore è sufficiente per indurre l’attivazione,
che si completa in 30 minuti con la produzione
di mRNA per le proteine effettrici
• Il massimo di protezione viene raggiunto dopo
3-5 ore
• L’attivazione da IFN II richiede tempi più lunghi
EFFETTI DELL’IFN SULL’ORGANISMO
STATO ANTIVIRALE:
Indotto mediante la trascrizione di più di 100 geni:
PKR : blocco della sintesi proteica
2’-5’ Oligo A Sintetasi: produzione di 2’-5’ oligoA
Attivazione di RNAsi L : degradazione degli RNA virali e cellulari
Sintesi di proteine:
•
ADAR: RNA specific adenosina deaminasi
•
Proteine proapoptotiche: agiscono sulla cellula infetta e su quelle limitrofe
(effetto”cauterizzante”, limita la diffusione del virus)
•
MxA: GTPasi che inibisce la replicazione virale
•
Proteine che esercitano un controllo negativo sul ciclo cellulare
•
MHCI e MHCII
Inibizione sintesi proteica tramite PKR
ds RNA
Degradazione degli mRNA mediata da
RNAsi L
STATO ANTIVIRALE: Riepilogo
FUNZIONI IMMUNOMODULATORIE DI IFN γ
Attiva l’espressione di MHC di classe I e II
Aumenta l’attività del proteasoma
l’efficienza di presentazione dell’antigene
e
quindi
Attiva i macrofagi inducendo NADPH ossidasi e NO
sintetasi
Aumenta la citotossicità delle
aumentando la sintesi di perforine
cellule
Regola lo sviluppo e la maturazione dei linfociti B
Stimola la divisione delle celluleT di memoria
NK
FUNZIONI DI IFN gamma
TRATTAMENTO CON INTERFERON
Terapia antivirale:
•virus dell’Epatite B, C e D,
•Papillomavirus genitali e cutanei
Produzione a livello industriale:
•da cellule in coltura indotte con vari trattamenti alla
produzione di IFN
•da batteri trasformati con vettori d’epressione
plasmidica contenenti il gene per IFN
Effetti globali:
•blocco della sintesi proteica e della proliferazione
cellulare
•attivazione delle cellule NK e dei macrofagi
•induzione di geni deleteri
Conseguenze fisiologiche:
•febbre, nausea e malessere
SOMMARIO
MECCANISMI DI EVASIONE IMMUNE
come i virus bloccano l’azione
dell’interferone
Inibizione della produzione di Interferone: sintesi di proteine virali che
legano l’RNAds minimizzando l’induzione di IFN (NS1 del virus influenzale e
E3L del Vaccinia Virus)
Inibizione della trasduzione del segnale indotta da IFN:
Sintesi di proteine virali omologhe al recettore solubile per IFN, proteine virali
che legano, inattivandole, le proteine Jak e STAT (poxvirus, Paramyxo e
HCMV)
Inibizione degli enzimi antivirali indotti da IFN
Proteine virali che legano dsRNA sottraendolo a PKR o a OligoA Sintetasi
Proteine che inibiscono PKR direttamente (E2 di HCV e K3L di Vaccinia Virus);
Attivazione di fosfatasi che defosforilano, riattivandola, eIF2 (gamma 34.5 di
HSV)
Piccoli dsRNA virali che inibiscono PKR in maniera competitiva (VAI di
Adenovirus, EBER di EBV)
EVASIONE DELLA RISPOSTA
IMMUNITARIA
EVASIONE DELLA RISPOSTA
IMMUNITARIA
EVASIONE DELLA RISPOSTA
IMMUNITARIA
ds RNA
VIRUS DELL’EPATITE C
NS5A ed E2: interagiscono con PKR
inattivandolo
identificata una regione di 40AA in NS5A
correlata alla resistenza a IFN
(ISDR IFN Sensitivity determinant region)
NS5A: blocca il signalling a valle di
Jak/Stat
NS34A: proteasi che taglia CARDIF e
TRIF interferendo con il signalling di RIG
POXVIRUS
A46R : Contiene TIR domains e compete con
i TIR adaptors nel signalling dipendente da
TLR
B8R, B18R: recettori solubili per IFNγ, ne
prevengono il legame con il recettore cellulare
E3L:dsRNA binding protein; Blocca PKR, OAS
e inibisce ADAR; blocca il pathway TLR e RIG
VH1 Phosphatase: defosforilando alcuni
componenti del pathway Jak/Stat ne bloccano
l’attività
K3L:omologo di eIF2α; potenzia la traduzione
nelle cellule infette neutralizzando l’azione di
PKR
HERPES SIMPLEX VIRUS
IFN alfa può essere indotto in colture cellulari
coltivate in presenza di gD
ICP0:
interagisce con il proteasoma alterando la
stabilità di specifiche proteine indotte da IFN
Blocca Jak/Stat signalling
Downregola il livello di alcuni geni indotti da
IFN
ICP34.5
defosforila eIF2α reclutando la Proteina
Phosphatase 1 α (PP1 α)
US11: in mutanti deleti di ICP34.5 è un
inibitore di PKR
2’5’ Adenosina derivati bloccano OAS e
RNAsi L
Immunità innata scatenata dal virus
dell’influenza
INFLUENZA NS1
Virus deleti in NS1 particolarmente sensibili
a IFN
Sono virus molto attenuati in sistemi IFN
competenti
Assenza di NS1 è correlata ad un forte
aumento dell’espressione genica di prodotti
indotti da IFN
NS1:
attiva p58, che inibisce PKR
Limita la produzione di IFN:
Lega dsRNA (inibizione pretrascrizionale)
Inibisce RIG, PKR, OAS e RNAsiL
Proteina NS1del virus dell’influenza
FUNZIONI
•
Regolazione temporale
della sintesi di RNA
•
Controllo dello splicing
dell’mRNA
•
Aumento della traduzione di
mRNA virale
•
Regolazione della
morfogenesi delle particelle
virali
•
Soppressione delle risposte
immuni dell’ospite
Proteina NS1del virus dell’influenza
•Limita l’induzione di IFN
•Limita lo stato antivirale
•Blocca la maturazione di mRNA
cellulare ( e quindi anche di IFN)
•Rafforza la traduzione di mRNA
virale
MECCANISMI di evasione della risposta
immunitaria
MECCANISMI di evasione della risposta
immunitaria
DISCOVERY of TETHERIN AS INNATE CELLULAR FACTOR
IN RESTRICTING HIV-1 PARTICLE RELEASE
HeLa
It is constitutively
expressed in Vpudependent HeLa cells
but not in Vpuindependent 293T
or HT1080 cells; its
expression is enhanced by
INF-α treatment.
Vpu counteracts
tetherin leading
to HIV-1 Vpudeficient virus
particle release.
In cells where HIV-1 virions
release requires Vpu,
depletion via siRNA
of tetherin abolishes
this requirement.
(Neil et al., 2008)
HUMAN TETHERIN
• BST-2 or CD317 or HM1.24 antigen
• 180 aa, MW 29-33 kDa
• It regulates the growth of B cells
• It is expressed on bone marrow
stromal cells, on terminally
differentiated B cells and in
neoplastic B cells
(multiple myeloma).
Type II transmembrane
glycoprotein:
- N-terminus cytoplasmic
tail
- TM portion
- extracellular coiled-coil
domain
- C-terminal GPI anchor
Dimer
(Perez-Caballero et al., 2009)
N-Glycosylation
Localization
(Perez-Caballero et al., 2009)
(Andrew et al., 2009)
(Neil et al., 2008)
(Ohtomo et al., 1999)
TETHERIN MECHANISM OF VIRUS RETENTION
(Hammonds and Spearman, 2009)
(Perez-Caballero et al., 2009)
Immunità umorale all’infezione virale
Infezione primaria
Infezione secondaria
Vaccinazione
Vaccinazione (richiamo)
IgG
IgM
Meccanismi di difesa specifici:
risposta umorale
Gli anticorpi specifici prodotti durante una replicazione virale
intervengono durante il recupero in una malattia e nella
resistenza ad un contatto successivo con il virus.
Effetti positivi degli anticorpi
-Possono direttamente neutralizzare l’infettività del virus
prevenendo l’attacco del virus ai recettori sulla cellula ospite o
l’entrata del virus nella cellula.
-Possono anche prevenire l’uncoating del virus.
-Gli anticorpi possono agire come opsonine e aumentare la
fagocitosi dei virus.
-Gli anticorpi possono ricoprire una cellula infettata che viene
così uccisa dalle NK, contribuendo a prevenire la diffusione
dell’infezione.
Meccanismi di difesa specifici:
risposta umorale
• L’immunità mediata da anticorpi tende in generale a
neutralizzare i virioni
• Per molti virus si ha neutralizzazione anticorpale
vaccini preventivi molto potenti (antipoliomielite,
antirosolia, antimorbillo, antivaioloso, antiparotite, anti
febbre gialla, ecc)
• Gli anticorpi di classe IgG e IgM sono rilevanti per la
difesa contro le infezioni virali accompagnate da
viremia
• Gli anticorpi tessutali IgA sono importanti per le
infezioni contratte attraverso le mucose
Effetti negativi degli anticorpi
• La fissazione del complemento da parte del complesso
immune può provocare un rilascio di amine vasoattive, con
richiamo di cellule infiammatorie e un conseguente danno ai
tessuti dell’ospite (danni immunopatologici)
– Alcuni es: virus del morbillo, virus respiratorio sinciziale, virus
dengue
• L’opsonizzazione dei virus con gli anticorpi può aumentare il
loro “uptake”da parte di cellule fagocitarie
• Se il virus è in grado di sopravvivere nei fagociti questi possono
permette la diffusione del virus
– Importanti es: Virus Dengue e HIV sono virus che possono
sopravvivere nei macrofagi
Evasione dalla risposta
immunitaria umorale
• Inibizione dell’immunità umorale antivirale
(CMV: recettore FC, HSV: recettori solubili
del complemento, poxvirus: fattori inibenti la
cascata di attivazione del complemento)
• Interferenza con la presentazione
dell’antigene virale sulla molecola di
MHC(HSV-1,HCMV,EBV,HIV)
Immunità cellulare attiva nei confronti delle
cellule infettate da virus
Componenti cellulari coinvolte nella
difesa antivirale
Grande importanza riveste l’immunitàcellulo-mediata nelle malattie virali
nel circoscrivere i focolai di infezione rappresentate dalle cellule infette.
Risposta non specifica:
Macrofagi e cellule dendritiche
Rappresentano una delle prime cellule che i virus incontrano e
contribuiscono in differenti modi all’attività antivirale:
-Attività antivirale intrinseca
-Attività antivirale estrinseca
-citotossicità cellulo-mediata anticorpo dipendente (ADCC)
-Produzione di IFN
Cellule NK
Possono uccidere cellule infettate da differenti virus limitando il diffondersi
dell’infezione.
Mediano anche l’ADCC
Componenti cellulari coinvolte nella
difesa antivirale
Risposta specifica
Cellule T
• Cellule T citotossiche (CTL) sono generate in risposta agli
antigeni virali presenti sulle cellule infette e sono in grado di
uccidere queste cellule.
• Cellule T helper sono coinvolte nella generazione dei CTL e
collaborano con i linfociti B nella preparazione degli anticorpi.
• La reazione di citotossicità rappresenta il principale
meccanismo antivirale dell’immunità mediata da cellule
esercitata specificatamente dai CTL sensibilizzati ma che può
essere mediata da altre cellule (macrofagi, granulociti, linfociti
CD4-e CD8-)
La risposta immunitaria all’infezione virale
Immunità adattativa
Immunità innata
CTL
Attività anticorpale
Titolo virale
Attività relativa
PMN
TNF-α
IL12
IFN-α/β
0
1
2
NK
3
4
5
6
7
Giorni p.i.
8
9
10
11
12
Evasione delle difese immunitarie antivirali
dell’ospite
• Un’efficiente moltiplicazione all’interno della cellula ospite è una
necessità fondamentale per i virus prima che la loro riproduzione venga
bloccata dalla risposta immunitaria
• Moltissimi virus hanno sviluppato dei meccanismi in grado di modulare
le difese del sistema immunitario dell’ospite:
– Meccanismi di evasione della risposta innata
– Quiescienza o latenza, permanenza in stato provirale (HPV, HSV, HIV)
– Inibizione dell’immunità umorale antivirale (CMV: recettore FC, HSV:
recettori solubili del complemento, poxvirus: fattori inibenti la cascata di
attivazione del complemento)
– Interferenza con la presentazione dell’antigene virale sulla molecola di
MHC (HSV-1,HCMV,EBV,HIV)
– Produzione di citochine e recettori solubili per citochine (EBV:simil IL10 -> diminuzione produzioneIFNγ, Poxvirus: recettori solubili per TNF-α,β,IFNγ)
– Regolazione dell’apoptosi (Adenovirus e EBV: omologhi bcl-2)
– Regolazione dello stress ossidativo (Virus del mollusco contagioso, HIV)
– MicroRNA (HSV, SV40, EBV, HIV-1..)
Una nuova strategia virale di evasione immune :
RNA interference mediato da MicroRNA
• I microRNA sono piccoli RNA di circa 23bp non codificanti
espressi da tutti i mammiferi. Tali sequenze risultano
complementari a porzioni di numerosi mRNA espressi dalle
cellule.
• Hanno un ruolo importante nel controllo post-trascrizionale
dell’espressione genica, legandosi per complementarietà a
specifici mRNA espressi dalla cellula
• Causano il blocco della traduzione o la degradazione dei
messaggeri
• Alcuni virus producono miRNA per modulare l’espressione
delle proteine virali o inibire specifiche proteine cellulari (HSV1,EBV, SV40, HIV-1)
Immunopatogenesi delle infezioni virali
Molti meccanismi immunologici per riconoscere ed eliminare
virus
Risposta immune può diventare nociva soprattutto se il virus
persiste
Ipersensibilizzazione agli Ag virali
Sindrome da immunocomplessi (es. HBV, EBV, B19)
Danni da immunità cellulo-mediata (es. HSV, VZV, HBV,
v. influenza)
Patogenesi a livello cellulare
Virus e cellula competono per lo stesso apparato di sintesi
delle macromolecole
Equilibrio evolutivo fra la necessità di riprodurre i componenti
virali e la necessità di mantenere efficiente l’apparato
biosintetico cellulare
Meccanismi vari per assumere il controllo dell’apparato
biosintetico a favore della sintesi dei componenti virali
Danneggiamento della cellula come ‘effetto collaterale’
Interazione virus-cellula
Cellula sensibile: presenta recettori per quel virus
Cellula permissiva: supporta la replicazione di quel virus
virus
Cellula
sensibile
Cellula
permissiva
Infezione
produttiva
Cellula non
permissiva
Infezione
restrittiva
Infezione non produttiva
(abortiva)
Interazione virus-cellula: esito dell’infezione
Infezione citocida
Effetti morfologici (CPE), sulla fisiologia cellulare (messaggeri
secondari, flussi ioni), sulla biochimica cellulare (attività
trascrizionale, interazioni proteina-proteina), effetti genotossici
(rottura, frammentazione e riarrangiamanto del DNA cellulare), effetti
biologici (alterazioni antigeniche)
Infezione persistente
Latente (espressione parziale del genoma virale)
Cronica (produttiva ma intermittente o limitata a poche cellule)
Lenta (lungo periodo di incubazione, ingravescente)
Trasformazione
Introduzione di geni trasformanti virali
Attivazione di geni trasformanti cellulari (oncogeni)
Infezione citocida: effetto citopatico (CPE)
Human embryo skin muscle cells were infected with human
cytomegalovirus and stained at selected times to demonstrate
(A) uninfected cells, (B) late virus cytopathic effects (nuclear
inclusions, cell enlargement), (C) cell degeneration, and (D) a
focus of infected cells in a cell monolayer (i.e., a plaque),
Infezione citocida: effetto citopatico (CPE)
Alterazioni del citoscheletro e cambiamento morfologia (es.
arrotondamento)
Inclusioni nucleari o citoplasmatiche (addensamento di
componenti virali anche associati a microfilamenti cellulari e
microtubuli)
Formazione di sincizi (cellule giganti multinucleate generate da
passaggio virus diretto da cellula a cellula)
Alterazioni del citoscheletro
Normal cells have networks of microtubules, and intermediate filaments throughout the
cytoplasm. Infection with reovirus causes a perinuclear aggregation of microtubules,
and infection with cytomegalovirus causes a modification of intermediate filaments
proteins, including their relocation into the nuclear and cytoplasmic inclusion bodies.
Formazione di sincizi
Es. HSV, HIV, v. morbillo
Correlazione fra cambiamenti morfologici e
effetti sulla fisiologia e biochimica cellulare
A. formation of secondary
messengers, Ca2+ influx,
activation of protein kinases and
cellular transcription factors; B.
transcriptional activation of
cellular genes, increased cAMP
and cGMP levels, arrest of cell
cycle progression; C.
overexpression of cytokines,
inhibition of cellular DNA
synthesis.
Cascata di eventi innescati
dall’interazione fra recettore
cellulare e antirecettore virale
Regolazione dell’espressione del genoma virale
e cellulare in seguito a infezione
I processi di regolazione della replica virale sono del tutto
analoghi a quelli della regolazione dell’espressione dei geni
cellulari
Fattori di trascrizione
Promotori
Enhancer
Fosforilazione
Defosforilazione
Dissociazione
Dimerizzazione
Regolazione dell’espressione del genoma virale
e cellulare in seguito a infezione
Il virus può esprimere fattori di regolazione propri ma deve
anche sfruttare i fattori di trascrizione cellulare i quali
riconoscono zone di regolazione sul genoma virale simili alle
sequenze di regolazione sul genoma cellulare (es. Sp1, NFkB,
AP-1)
Interazione fra proteine virali (‘early’) e cellulari (es. E6 e E7 di
HPV, IE di HSV con proteina Rb)
Interazione fra proteine virali e sequenze cellulari di
regolazione (es. tax di HTLV e promotore IL-2 e IL2-R)
Alterazioni cromosomiche in seguito a infezione
Causate da riarrangiamenti durante la replica del genoma
virale e da interferenze con i meccanismi di manutenzione del
DNA cellulare
Spesso letali, altrimenti instabilità genetica e espressione
alterata di geni cellulari, possibilità di accumulo mutazioni e
immortalizzazione
Chromosomal aberrations
resulting from cytomegalovirus
infection of human peripheral
blood lymphocytes.
Infezione persistente
Mancata eliminazione del virus dopo l’infezione primaria e
permanenza a tempo indefinito
Spesso coinvolti stadi di infezione silente e produttiva
Tre tipologie non mutualmente esclusive
Latente
Cronica
Lenta
Modulazione dell’espressione del genoma virale e cellulare
Possibilità di riattivazione della replica virale
Possibilità di trasformazione
Grande difficoltà nel controllo e nella terapia (es. AIDS,
epatite cronica, PML, SSPE)
Infezione persistente - tipologie
Acute infection
Influenza
Hepatitis A
Latent infection
Herpes simplex
Varicella-zoster
Virus
Chronic infection
Hepatitis B
HIV
Slow infection
HIV
unconventional agents
Early disease
Months or years
Late disease
Fattori implicati nelle infezioni persistenti
Modulazione della risposta immunitaria (evasione)
Riconoscimento limitato
Ridotta espressione Ag virali (es. HIV, SSPE)
Modulazione Ag Ab-dipendente (es. SSPE)
Variazione antigenica (HIV, HCV)
Ab bloccanti che prevengono neutralizzazione (es. SSPE)
Diminuita espressione MHC (CMV, HSV, Adenovirus)
Diminuita espressione molecole adesione (es. EBV, CMV)
Alterazione attività linfociti / monociti (citochine)
Localizzazione in siti privilegiati (es. HSV, VZV in CNS)
Modulazione dell’espressione del genoma virale
Proteine virali associate a letenza (es. EBV EBNAs)
Trascritti virali associati a letenza (es. HSV LATs)
Latenza e riattivazione
Infezione LATENTE
Altre infezioni (varie infezioni in paziente HIV+)
Trauma (es. HSV dopo chirurgia ganglio trigemino)
Cambiamenti fisici / fisiologici (es. temperatura, UV, cambi ormonali)
Immunosoppressione (chemioterapia antiblastica, trapianti, AIDS)
RIATTIVAZIONE
Infezioni persistenti – sistema immunitario
Molti virus infettano le cellule del sistema immunitario durante
l’infezione acuta, alcuni persistono
Virus
Sede latenza
HIV
Cellule T CD4+ integrato
macrofagi
EBV
Cellule B
CMV
Linfomonociti e episomico ↓ sintesi fattori cellulari
altre cellule
(HLA, FcR) e virali
Infez. cong.
Disordini CNS,
retinite,
polmonite
HHV-6 Cellule T CD4+ episomico ↓ sintesi fattori cellulari
e virali
VI malattia,
disordini
linfoproliferativi
↓ sintesi fattori cellulari
e virali
Leucemie,
disordini neurol.
HTLV
Cellule T
Genoma Meccanismo
Restrizione replica,
variazione Ag
episomico ↓ sintesi fattori cellulari
(ICAM-1, LFA-3) e virali
integrato
Patologia
AIDS
Linfomi, pat.
EBV in HIV+
Infezioni persistenti – sistema nervoso
Diverse malattie croniche degenerative del sistema nervoso
sono correlate a infezioni virali persistenti
Virus
Sede latenza
Genoma Meccanismo
HSV
Neuroni gangli
sensoriali
episomico Restrizione espressione Lesioni mucose,
(LATs di antisenso)
cheratite,
encefalite
VZV
Neuroni gangli
spinali
episomico Restrizione espressione Zoster
(LATs di senso)
JCV
oligodendrociti
Integrato / ?
episomico
Morbillo Neuroni
(prioni)
?
Patologia
PML
episomico Restrizione espressione SSPE
(spec. proteina M)
(cr. 20)
?
CJD, GSS, kuru
Infezione primaria e riattivazione da HSV / VZV
(A) Establishment of herpes simplex virus or varicella-zoster virus latency in ganglia
after primary infection of skin or mucosa. (B) Reactivation of virus in ganglion and
spread through nerves to skin or mucosa to cause surface lesions or retrograde
spread through nerves to central nervous system to cause encephalitis (infrequent).
Infezioni persistenti – altri distretti
Virus
Sede latenza
Genoma Meccanismo
HBV
Epatociti, cell.
pancreatiche
Integrato / Restrizione espressione Epatite cronica,
cirrosi, HCC
episomico
HCV
Epatociti
?
ADV
Linfociti
adenoidi?
Integrato / ↓ sintesi fattori cellulari
episomico (HLA) e virali (IE3)
?
Parvo
Precursori
eritroidi
episomico ?
Anemia
emolitica
cronica, artrite
HPV
Cellule
epiteliali
germinali
episomico Restrizione espressione Verruche,
mediante fattori cellulari papillomi,
(p53) e virali (E1)
carcinomi
?
Patologia
Epatite cronica,
cirrosi, HCC
Controllo delle infezioni virali persistenti
Successo finora maggiore con antivirali che con
metodi immunomodulanti
Potenziamento della risposta immune
(‘vaccinazione terapeutica’) (es. sperimentali HSV,
HIV)
Interferone (es. HCV, HBV, HPV)
Antivirali (es. HIV, HCV, HBV, HSV, CMV)
Trasformazione cellulare
La trasformazione neoplastica è un processo
multifattoriale e multifasico causata da più
eventi genetici sopravvenienti, che si
accumulano nel DNA cellulare e che, alla fine,
determinano la perdita del controllo fisiologico
della replicazione cellulare
La cellula trasformata possiede due caratteristiche
principali:
Capacità di moltiplicarsi illimitatamente in coltura
(immortalizzazione)
Causare tumore in animale da esperimento
singenico o immunodepresso
La proliferazione cellulare è normalmente
controllata da fattori inducenti o inibenti denominati
rispettivamente:
Oncogeni
Promuovono la proliferazione, sopravvivenza, crescita e
differenziamento cellulare (es. fattori di crescita, recettori per
fattori di crescita, messaggeri secondari, fattori di trascrizione,
inibitori dell’apoptosi)
Geni oncosoppressori
Controllano negativamente la proliferazione cellulare (es. p53 e
Rb) promuovendo in molti casi l’apoptosi
Le proteine virali devono promuovere uno stato
proliferativo della cellula per permettere la sintesi degli
acidi nucleici e la replicazione virali
Per fare ciò utilizzano diverse strategie:
Disregolazione ciclo cellulare
Inibizione apoptosi cellulare
Interferenza con risposta immunitaria
In questo modo un virus può inavvertitamente iniziare il
processo di trasformazione cellulare
Trasformazione cellulare virus-mediata
Introduzione di alterazioni genetiche che comportano cambiamenti nella
regolazione della crescita e immortalizzazione
La trasformazione in vitro è il corrispettivo della formazione di tumori in vivo
Alterazioni di crescita (es. no inibizione da contatto, ridotto fabbisogno
di siero, crescita in agar, crescita su più strati)
Alterazioni di superficie (es. cambi Ag, secrezione proteasi, giunzioni
meno strette, cambiamenti tintoriali)
Alterazioni intracellulari (cambiamenti citoscheletro, variazioni
messaggeri)
Oncogeni e trasformazione
Gli oncogeni sono geni cellulari essenziali implicati nei meccanismi di
regolazione della crescita e del differenziamento
La trasformazione è il risultato di una serie di alterazioni a carico di oncogeni
cellulari il cui effetto ultimo è la perdita del normale controllo della
divisione cellulare (processo MULTISTEP)
Fattori responsabili
dell’alterazione degli
oncogeni:
Fisici (es. UV)
Chimici (es. nitrosammine)
Biologici (es. virus)
Attività dei prodotti degli oncogeni cellulari
Anti-Oncogenes
Retinoblastoma
Rb Gene
Rb
protein
Rb
Adenovirus E1A
105kD
Rb
Rb
Stops replication
Cell cycle continues
Anti-Oncogenes
p53
P53 gene
SV40 T
P53
P53
HPV E6
P53
proteolysis
P53
DNA
Stops replication
replication
replication
Virus, oncogeni e trasformazione
Possibilità di trasformazione rapida grazie all’attività polifunzionale di
alcuni loro geni (‘oncogeni’ virali) (es. retrovirus con oncogene)
Alterata espressione di oncogeni cellulari
Inattivazione di proteine ad attività anti-oncogena
Virus
Cancro
HSV
Carcinoma cervice uterina
EBV
Linfomi, carcinoma nasofaringeo
HHV-8
Sarcoma di Kaposi
HPV
Carcinoma cervice uterina
HBV
Carcinoma epatocellulare
HCV
Carcinoma epatocellulare
HTLV
Leucemia T