Struttura dei virus

Batteri e Virus
M
E
T
A
Z
O
I
L’analisi comparativa di
sequenze di DNA indica
una notevole divergenza tra
eubatteri
e
archei,
paragonabile
alla
divergenza esistente tra
procarioti ed eucarioti.
La pluricellularità ha
portato ad un alto
grado
di
differenziamento
cellulare
Progenitore comune
Organismi unicellulari
con alto grado di
complessità
anatomica,
di
comportamento e di
adattamento
ambientale
Cellule procariotiche
Cellula eucariotiche
Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule. Ogni
cellula deriva dalla divisione di una cellula preesistente e tutte le
cellule si moltiplicano per divisione binaria o mitosi
Elementi comuni:
-l’informazione genetica è racchiusa nel DNA e trascritta sotto
forma di molecole di RNA, che nelle sue tre forme (mRNA, tRNA
e rRNA) serve per la sintesi di proteine
- Utilizzo di processi metabolici comuni per acquisire energia dal
mondo
esterno
e
trasformarla
in
energia
chimica
biologicamente utilizzabile, sotto forma di ATP o altre molecole
simili contenti legami fosfato altamente energetici.
I batteri
Organismi unicellulari di piccole dimensioni (1-10mm), possono
associarsi in filamenti o formare piccoli ammassi di cellule
Il genoma varia da 0,5 a 5
milioni di coppie di basi ed
è in grado di codificare tra
1000 a 4000 proteine
differenti
I batteri sono piccoli e si
riproducono
rapidamente
dividendosi in due.
La
popolazione
batterica
evolve in fretta e aquisisce
rapidamente la capaità di
utilizzare una nuova fonte di
sostentamento o di resistenza
agli effetti letali di un nuovo
antibiotico
I batteri
Le principali strutture dei batteri
sono:
-Parete cellulare
-Membrana plasmatica
-Ribosomi
-Inclusioni citoplasmatiche (materiale
di riserva fatto di composti a base di
carbonio, azoto, zolfo o fosforo)
La parete cellulare
La parete cellulare è una struttura che circonda la cellula all’esterno della
membrana plasmatica
Composta principalmente peptidoglicano
-Mantenimento della forma
-Conferimento della forza meccanica
-Controllo dell’espansione
Gram+
Gram-
Colorazione di Gram
La
colorazione
di
Gram è il più importante
metodo di colorazione batterica
differenziale, definita così perché
non colora in maniera uguale
tutti i tipi di cellule.
Il preparato contenente i
batteri viene trattato con:
-cristalvioletto
- mordenzatore (soluzione di
iodio e ioduro di potassio in
acqua) una sostanza che
permetta al colorante di
legarsi in maniera stabile al
substrato
- decolorante (alcol etilico o
acetone)
- colorante che può essere la
fuxina o la sufranina
-di decoloranti.
Gram-positivi: i batteri appaiono
colorati in violetto perché il
decolorante non è riuscito a
rimuovere
il
complesso
cristalvioletto-iodio da queste cellule
Gram-negativi: i batteri sono
decolorati e pertanto assumono
la colorazione del secondo
colorante
utilizzato,
quindi
appaiono
rossi
L’idrofobicità della parete cellulare è alla base della caratteristica Gram-positività: mentre il
cristalvioletto e lo iodio veicolato dalla soluzione di Lugol riescono a penetrare nella cellula
attraversando la parete cellulare grazie alla loro idrofilia, il complesso colorante-iodio che si
forma all’interno della cellula assume caratteristiche idrofobiche che non gli consentono di
riattraversare la parete cellulare per essere estratto dalla cellula anche in presenza di
decoloranti.
I batteri
Parete cellulare: differenza tra Gram positivi e Gram negativi
Strato rigido formato da peptidoglicano sottile lamina costituita da due derivati
polisaccaridici e da un gruppo di amminoacidi assemblati a formare unità di
ripetizione, il glican-tetrapeptide
Il
peptidoglicano
rappresente fino al
90% del materiale di
parete
Il peptido glicano
rappresente solo il
10% della parete,
Lo strato esterno (lipopolisaccaride)
è costituito da
lipopolisaccaride contenete fosfolipidi, polisaccaridi e proteine
Complesso lipoproteico svolge funzioni di ancoraggio tra membrane
esterna e peptidoglicano
Proprietà biologica: tossicità per gli animali
I batteri
La membrana plasmatica o membrana cellulare
La membrana plasmatica è una barriera selettiva costituita da lipidi nei quali sono
inglobate alcune proteine
Forma dei batteri
Strutture tridimensionali
o agglomerati
Cocchi, diplococchi, sarcine,
streptococchi, stafilococchi
Forma sferica
Formazione lunghe catene
Forma dei batteri
Bacilli, vibrioni, spirilli
Forma bastoncellare
Alcuni procarioti dispongono di complessi
sistemi di membrane interne
a) Membrane fotosintetiche b) mesosomi che contengono
enzimi coinvolti nei processi respiratori
Le cellule procariotiche
Le cellule procariotiche non possiedono un nucleo
L’informazione genetica (aploide) è racchiusa in un’unica molecola,
cromosoma batterico che si aggrega a formare il Nucleoide
Le cellule procariotiche
Nel citoplasma troviamo i ribosomi
(organelli per la sintesi proteica) e
plasmidi
(pezzi
di
DNA
indipendenti)
L’assenza di membrana nucleare
fa sì che una molecola di mRNA
venga tradotta nella proteina
corrispondente mentre procede
ancora la sua trasrizione
Strutture accessorie dei batteri
• Fimbrie o pili
– Permettono ai microorganismi di aderire a superfici inerti o di formare pellicole
o strati sulla superficie di sostanze liquide
– -sono coinvolti nel processo di coniugazione batterica meccanismo di
trasferimento genetico
adesione
coniugazione
Strutture accessorie dei batteri
Flagelli appendici cellulari lunghe e sottili libere ad un’estremità costituiti
da una singola proteina la flagellina.il flagello batterico è una struttura rigida
ed elicoidale, che si inserisce alla base della cellula e ruota a spese del
gradiente di protoni determinando il movimento cellulare
flagellina
Le appendici delle cellule procariotiche
VIRUS
1890
Iwanosky e Beijerinck
Estratto ottenuto da piante di tabacco affette da malattia
“del mosaico” – agente infettivo filtrabile
1935-1960
Struttura dei virus
Microscopia elettronica
CARATTERISTICHE PECULIARI
-
-
Entità infettive contenenti acido nucleico (DNA o RNA, mai tutti e due),
che ne costituisce il genoma e che si replica all’interno di cellule viventi.
Utilizzano l’apparato biosintetico della cellula per dirigere la sintesi di
particelle virali (VIRIONI)
I virioni NON crescono di dimensioni e NON si dividono. Vengono
MONTATI per interazione di macromolecole
I virioni non hanno metabolismo, nè sistemi enzimatici per la
produzione di energia
Il genoma non codifica RNA ribosomali
STRUTTURA DEI VIRIONI
-Acido nucleico
(sempre presente)
-Capside
(sempre presente)
-Involucro membranoso
(presente in alcuni virus animali)
Il virione è metabolicamente inerte e non esplica funzioni respiratorie e
biosintetiche.
Il processo attraverso cui un genoma virale si introduce e si replica in una cellula
viene chiamato infezione
La cellula in cui un virus può penetrare e riprodursi viene detta ospite
Il virus riprogramma quelle componenti metaboliche e biosintatiche preesistenti
nell’ospite, che sono necessarie per la sua replicazione
Acidi nucleici
- DNA o RNA
- A doppio o singolo filamento
- Lineare o circolare che può propagarsi da un ospite ad un altro
- Intero o segmentato
-Virus influenza: 8 segmenti di RNA a singolo filamento
-Retrovirus: 2 molecole di RNA a singolo filamento (diploide)
-Dimensione variabile
- 2.000-200.000 basi (5-50% peso del nucleocapside)
-Geni sovrapposti
-cornici di lettura sovrapposte
-geni più piccoli contenuti in geni più grandi
Acidi nucleici
RNA a doppio filamento
STRUTTURA DEI VIRIONI
-Acido nucleico
-Capside molecole proteine organizzate in maniera precisa e molto
ripetitiva intorno all’acido nucleico
Assumono conformazioni altamente simmetriche
a)
Icosaedrico (solido regolare a 20 facce triangolari)
b)
Tubulare (struttura elicoidale)
c)
Virioni a struttura complessa (i. senza un vero e proprio capside; ii.
con capside non icosaedrico o tubulare, iii. con capside
asimmetrico per la presenza di strutture accessorie come code,
fibre etc.)
-Involucro membranoso
Capside
a) Virus del mosaico del tabacco b) adenovirus
Struttura a forma sferica
La geometria icosaedrica
rappresenta la disposizione
più
efficiente
per
le
subunità di un capside,
perchè utilizza il minor
numero di capsomeri per
costruire il rivestimento
Struttura del virus del mosaico del
tabacco
Virus ad RNA con simmetria elicoidale in cui le
subunità proteiche identiche sono disposte ad
elica.
La lunghezza dei virus elicoidali è determinata
dalla lunghezza del genoma, mentre la
larghezza dalla grandezza e dal grado di
impacchettamento delle subunità proteiche
Virus a struttura complessa
Virioni composti da diverse parti distinte ciascuna con la sua
configurazione e simmetria
Testa icosaedriche
T4
Batteriofago lambda
Coda elicoidale
Con fibre caudali
Infezione dell’ospite
Adsorbimento del fago T4 alla parete cellulare di E.Coli
-Attacco delle lunghe fibre
caudali alla parete cellulare
-Contatto fra la parete
cellulare e la punta della coda
-L’azione di un enzima
lisozimico
permette
la
formazione di un foro
-Contrazione della guaina e
iniezione del DNA
STRUTTURA DEI VIRIONI
-Acido nucleico
-Capside
-Involucro membranoso doppio strato lipidico contenente glicoproteine
Caratteristico di alcuni virus animali. Proviene dalla membrana
plasmatica o da altre membrane della cellula ospite (RE, Nucleo,
Golgi) modificate con proteine virali (dette spine).
Esempio: virus dell’influenza.
-HA=spina di emoagglutinina per l’attacco del virione alla superficie
della cellula ospite
-NA= spine di neuroaminidasi per la liberazione dei nuovi virioni
dalla cellula ospite
Caratteri generali
Virioni: Sferici, oppure filamentosi
(pleomorfici)
Involucro: Lipidico, contiene 2
glicoproteine HAe NA con uno strato
costituito di 2 proteine matrice
M1eM2
Genoma: RNA a polarità negativa a
unico
filamento
segmentato(8
segmenti in A e B, 7 in C)
Core: Nucleoproteina associata ad
ogni filamento di RNA formando i
ribonucleoproteine (RNPs)
Simmetria: Elicoidale
Replicazione: Nucleare
Virus dell’influenza
Enzimi dei virus:
-DNA polierasi RNA dipendente, retrotrascrive l’informazione genetica
dell’RNA genomico in un intermedio ad RNA
-neuroaminidasi, rompe I legami glicosidici delle glicoproteine e dei
glicolipidi del tessuto connettivo aiutando la liberazione della progenie
virale.
-lisozima, enzima che produce un foro nella parete batterica
Classificazione dei virus
-Generalmente un virus può infettare un numero ristretto di tipi cellulari;
ciò fornisce una base per classificarli in:
Virus batterici (batteriofagi), Virus animali e Virus vegetali
-Alcuni virus però possono infettare sia piante sia insetti che si cibano di
esse (Esempio: un virus della patata infetta anche locuste che si nutrono
delle foglie della pianta di patata)
-Alcuni virus animali possiedono una specificità ampia (esempio: virus
della stomatite vescicolare che infetta insetti e molti tipi di cellule di
mammifero)
-La maggior parte dei virus, però, sono specifici per phyla
-Alcuni virus sono estremamente specifici e infettano solo poche specie
o addirittura solo alcuni tipi cellulari
Classificazione dei virus animali
Esempi di virus animali
Osservazioni: I virus variano molto sia per dimensioni che per forma e non tutti i
virus hanno l’involucro esterno
Caratteristiche generali della replicazione dei virus
I vari aspetti del processo di replicazione di un virus possono essere
suddivisi in sette fasi:
-Attacco (adsorbimento) del virione ad una cellula ospite sensibile
-Penetrazione (iniezione) del virione o del suo genoma all’interno della
cellula
-Fasi replicative precoci del genoma virale, in cui il macchinario biosintetico
della cellula ospite è modificato, come preludio alla sintesi di acidi nucleici
virali e vengono sintetizzati enzimi virus-specifici
-Replicazione del genoma virale
-Sintesi delle subunità proteiche
-Assemblaggio delle subunità proteiche del capside virale
-Assemblaggio delle subunità proteiche e impacchettamento del genoma
nelle nuove particelle virali
-Rilascio di virioni maturi dalla cellula (lisi)
Ciclo litico di un batteriofago
Ciclo litico e ciclo lisogeno
I virus temperati possono entrare in uno stato, detto di
lisogenia, nel quale non viene espressa la maggior parte dei
geni fagici, e il genoma virale si replica in sintonia con il
cromosoma dell’ospite
Lisi o lisogenia?
Il genoma di lambda contiene due gruppi
di geni, uno per il controllo della crescita
litica e l’altro per il controllo della
lisogenia
La competizione fra questi prodotti genici
precoci e l’influenza di fattori dell’ospite
determina quale di queste vie avrà
sucesso
Dipende dallo stato nutrizionale della cellula ospite.
I geni fagici sono mantenuti stabilmente nello stato lisogenio finchè non
avviene un cambiamento per il quale passano, con grande efficienza, in
un secondo stato in cui si verifia la crescita litica
Ciclo di un virus animale
1. Adsorbimento del virus alla cellula
Recettori
specificità
2. Ingresso nella cellula
- Inglobamento del virione (fagocitosi o endocitosi)
- Fusione dell’involucro virale con la membrana cellulare
3. Liberazione dell’acido nucleico
-citoplasma -nucleo
4. Trascrizione del genoma virale
5. Traduzione
-Poliproteine
Proteine virali
6. Replicazione dell’acido nucleico
7. Assemblaggio nuovi virioni
8. Liberazione delle particelle virali
- Lisi cellulare (virus senza involucro)
- Gemmazione (virus con involucro)
- Esocitosi (virus con involucro)
Ciclo di un virus animale a DNA
Gemmazione dei virus animali
Proteine virali dell’involucro attraversano la membrana e si legano a proteine del capside
Nel caso di virus con involucro il rilascio di virioni, che avviene con un processo di
gemmazione, può essere lento e la cellula può non essere lisata, rimanere viva e
continuare a produrre virus per un lungo periodo di tempo
Gemmazione dei virus animali
Acquisizione
dell’involucro tramite
gemmazione
Gemmazione del virus del morbillo
Ciclo di un retrovirus
I retrovirus sono virus a RNA che si replicano a DNA
Genoma diploide:due molecole di RNA a singolo filamento tenute
insieme da legami idrogeno per mezzo di specifiche molecole di tRNA
Processi di replicazione di un retrovirus:
-Ingresso nella cellula
-Retrotrascrizione di una delle due subunità
genomiche di RNA in un DNA a singolo
filamento,
che
è
succccessivamente
convertito in un DNA lineare a doppio
filamento, per mezzo della trascrittasi inversa
-Integrazione della copia a DNA nel genoma
dell’ospite
-Trascrizione del DNA virale, che porta alla
formazione degli mRNA virali e dell’RNA
genomico virale
-Incapsidazione
dell’RNA
nucleocapsidi nel citoplasma
virale
in
-Gemmazione dei virioni rivestiti attraverso
membrana citoplasmatica e rilascio dalla
cellula
Ciclo di un retrovirus
CANCEROGENESI VIRALE
All'inizio degli anni '60 i virologi hanno dimostrato che:
– Il fenotipo tumorale poteva essere conferito a cellule
normali in coltura in seguito ad infezione con un virus
(Dulbecco, 1963)
– Questi virus erano capaci di integrarsi nel genoma
cellulare tramite la trascrittasi inversa (Temin; Baltimora,
1970)
Virus tumorali (oncogeni)
I virus che possiedono la caratteristica di indurre alterazioni dei normali processi
omeostaci del ritmo proliferativo cellulare, vengono definiti virus oncogeni, a loro
volta distinti in virus oncogeni con genoma a DNA e virus oncogeni a RNA
- Alcuni tumori sono associati all’infezione da parte di virus oncogeni
- Infatti alcuni virus contengono oncogeni, un gene che potenzialmente trasforma
le cellule normali in cellule cancerose
• Quando l’oncogene è trasmesso da virus: ONCOGENE VIRALE
Come si definisce un virus tumorale?
• Presenza di parte del genoma virale nei tumori ed espressione di
alcuni geni virali.
• L’infezione di cellule in vitro porta alla trasformazione
Saggi di tumorigenicita’:
• Crescita in basso siero (ridotta richiesta di fattori di crescita)
• Crescita in soft agar (crescita indipendente da ancoraggio)
•Identificazione dei geni virali che trasformano le cellule in coltura
• l’infezione in un modello animale induce tumore
– non possibile nell’ uomo
– la vaccinazione previene l’insorgenza del tumore
VIRUS ONCOGENI
• virus oncogeni a RNA (retrovirus)
– retrovirus: carcinogenesi rapida
carcinogenesi lenta
• virus oncogeni a DNA (oncoDNAvirus)
– hepadnavirus
– papovavirus
– adenovirus
– herpesvirus
– poxvirus
Virus tumorali a DNA
Cellule permissive: replicano il virus e subiscono l’effetto citopatogeno, in
conseguenza del quale esse muoiono nel momento in cui rilasciano i virioni >
esse non diventano cellule tumorali
Cellule non permissive: non replicano il virus infettante e subiscono la
trasformazione neoplastica in quanto si verificano alcuni eventi molecolari atti a
determinare il fenotipo tumorale (mutagenesi inserzionale)
In una piccola percentuale di queste cellule il cromosoma virale si integra nel
genoma dove viene replicato insieme al genoma della cellula ospite o forma un
plasmide che si replica in maniera controllata.
Cambiamenti genetici nella cellula ospite
Trasformazione neoplastica
VIRUS ONCOGENI A DNA
La trasformazione si verifica in assenza di moltiplicazione virale in cellule nonpermissive e si realizza sempre attraverso l'integrazione del virus nel genoma
della cellula ospite
• L'integrazione avviene a caso e la probabilità che dia trasformazione è molto
bassa
VIRUS ONCOGENI A DNA
• Il virus dell’epatite B (HBV) ed epative C (HCV) agenti eziologico della epatite B
che culmina frequentemente con la comparsa del carcinoma epatico (questo
tumore consegue anche all’infezione indotta da un altro virus epatotropo con
genoma ad RNA, il virus dell’epatite C)
• Il virus di Epstein-Barr (EBV) associato alla comparsa del Linfoma di Burkitt,
oltre che agente eziologico della mononucleosi infettiva
• I papilloma virus umani (HPV) di cui diversi ceppi sono associati a carcinomi
della regione genitale
Virus tumorali a DNA
Esempi: Papovavirus: SV40 e Polioma
Questi virus producono proteine che stimolano le cellule
a proliferare (da G0 a S). Nella fase S sono abbondanti tutti
quei reagenti (enzimi di replicazione, nucleotidi, amminoacidi,
etc.) necessari al virus per replicarsi.
Virus tumorali a RNA
Come portano ad una alterazione genetica permanente?
Trascrittasi inversa e integrasi
Retrovirus!
VIRUS ONCOGENI AD RNA
• I retrovirus sono così chiamati perché nel genoma è presente un gene (pol)
che codifica per l’enzima virale trascrittasi inversa (reverse transcriptase, RT)
che, una volta avvenuta la penetrazione del virus all’interno della cellula,
trasforma l’RNA del genoma virale in DNA, che viene incorporato nel genoma
cellulare
• Trasformanti acuti > rapida comparsa dei tumori, trasformazione
neoplastica di cellule normali in coltura e sono portatori di oncogeni
• Trasformanti lenti > sono privi di oncogeni, lungo periodo di
incubazione e non sono capaci di indurre trasformazione neoplastica
di cellule normali in coltura
• I retrovirus oncogeni responsabili di carcinogenesi rapida provocano delle
vere e proprie forme acute di tumore (soprattutto sarcomi) che si
manifestano nel giro di pochi giorni
• Il virus del sarcoma di pollo scoperto da Rous nel 1911 è il più rapido dei
virus oncogeni: i fibroblasti in coltura acquistano il fenotipo trasformato
dopo 24 ore dall'infezione
• i tumori da essi provocati sono di origine policlonale
VIRUS ONCOGENI AD RNA
• I retrovirus oncogeni responsabili di carcinogenesi lenta provocano tumore solo
dopo settimane o mesi (anni nel caso di retrovirus umani) dall'infezione
• I tumori da essi provocati sono di origine monoclonale
• HTLV-1 e HTLV-2 = human T cell leukemia virus sono associati alla
comparsa nell’uomo di una particolare forma di leucemia a cellule T e di
linfomi
• I retrovirus HIV-1 e HIV-2 (agenti eziologici della sindrome da
immunodeficienza acquisita) non sono considerati virus oncogeni; essi però
causando uno stato di grave immunodeficienza, favoriscono la
comparsa di tumori (kaposi’s sarcoma) che sono definiti tumori opportunistici