virus

I virus
I virus sono dei parassiti endocellulari obbligati, ossia sono delle entità non vitali che sono obbligate a
parassitare una cellula ospite; quindi per potersi replicare sono obbligate ad infettare una cellula ospite. A
seconda della tipologia possono infettare o cellule eucariote umane, animale e vegetali, ma possono
infettare anche i batteri.
I virus non sono delle cellule, non sono esseri viventi ma sono delle particelle che comprendono materiale
genetico avvolto da un involucro; i virus si formano non per crescita e divisione ma per assemblaggio di
componenti preformate. Quindi i virus si assemblano all’interno della cellula infettata e tutte le componenti
virali che vengono prodotti all’interno della cellula infettata, vengono prodotti dalla cellula infettata, perché
quando il virus infetta la cellula bersaglio le da, attraverso la sua informazione genetica, il dictat per
lavorare per il virus; la cellula bersagliata, sia che sia umana, animale, vegetale o procariota, lavora al
servizio del virus perché i virus mancano di tutta quella che è l’informazione genetica che gli permetterebbe
di produrre l’energia metabolica, quindi i virus non possono produrre ATP e non hanno neanche gli
organuli.
Non possiamo stabilire con certezza quale sia il tempo che è dato a un virus per sopravvivere al di fuori del
suo ospite, perché questo è dato da tantissimi fattori che dipendono dalle caratteristiche intrinseche del
virus stesso.
Dato che non sono esseri viventi hanno un’organizzazione sub-cellulare e sono costituiti da materiale
genetico avvolto da uno o più involucri proteici protettivi.
I virus hanno delle dimensioni molto piccole, le loro dimensioni si aggirano tra i 20-400 nm (1 nm= 1
milionesimo di mm 10-6mm); questa misura varia in base alla grandezza del loro materiale
genetico e alla tipologia/conformazione delle proteine che costituiscono il capside. Qui vediamo una scala
graduata con rappresentate le dimensioni delle molecole, dei virus, dei batteri, delle cellule animali e delle
cellule animali.
Non esistono dei filtri che siano in grado di trattenere i virus, generalmente le membrane che utilizziamo in
laboratorio per filtrare e sterilizzare soluzioni che non sono né autolavabili ne che possiamo esporre ad
elevate temperature perché si degradano i componenti che sono all’interno; i filtri che si usano in
laboratorio normalmente hanno delle membrane porose con un diametro, più piccolo, si aggira intorno agli
0,1-0,2 micron. In questo caso qualche virus possono trattenerlo perché 0,1 micron è pari a 200 nm.
Sulla loro superficie presentano delle entità proteiche che protrudono dalla superficie del virus che hanno
una funzione anti-recettoriale, permettono al virus di capire quali sono le cellule che potrebbe andare ad
infettare; un virus va ad infettare le cellule che hanno dei recettori complementari alle sue proteine anti
recettoriali (incastro tra anti-recettori e recettori delle cellule target).
Qui vediamo rappresentate le nostre particelle virali, sulla sinistra vediamo la cellula eucariota e la cellula
procariota in arancione mentre sulla destra vediamo le dimensioni dei vari virus.
I virus possono essere osservati al microscopio elettronico che ha un potere di risoluzione tale da
permettere lo studio della struttura delle particelle virali, mentre il microscopio ottico ha un potere di
risoluzione che non ci permette di vedere le particelle virali, ma ci permette di visualizzare le cellule
infettate dal virus e quindi tutte quelle che sono le alterazioni strutturali sulle cellule infettate indotte dal
virus stesso.
Struttura delle particelle virali:
sono costituite da
1. Materiale genetico nel core interno dl virus. A differenza delle cellule eucariote dove il patrimonio
genetico è sempre rappresentato dal DNA, nei virus il genoma può essere costituito, a seconda
della tipologia di virus, da DNA (Deossiribovirus) o da RNA (Ribovirus).
2. Uno o più involucri protettivi, chiamato capside, che si trova esternamente al materiale genetico.
Questi involucri sono di natura proteica e hanno il compito di racchiudere e proteggere il materiale
genetico; le proteine del capside sono sintetizzate da geni presenti nel genoma virale.
La porzione proteica rappresenta la parte più cospicua del virione
Genoma virale + Involucro proteico: NUCLEOCAPSIDE
I virus che sono costituiti solo da materiale genetico e capside vengono chiamati virus nudi per distinguerli
dai virus rivestiti che possiedono esternamente al capside un altro involucro lipo-proteico esterno chiamato
pericapside (peplos o envelope); è un involucro addizionale rispetto al capside costituito da doppio strato
lipidico, è sempre presente nei virus rivestiti a simmetria elicoidale ed in alcuni virus con capside a
simmetria isometrica
Su tutta la superficie del pericapside si trovano le spicole, delle glicoproteine ad azione anti- recettoriale
virus specifiche che protrudono sulla superficie.
I virus possono avere diverse forme condizionate dal
capside e dall’envelope;
qui abbiamo delle rappresentazioni grafiche
e qui abbiamo le immagini degli stessi virus rappresentati
graficamente osservati invece al ME.
Proprietà del genoma virale.
Il genoma virale può essere o a DNA o a RNA, sia a
singola che a doppia elica, lineare o circolare,
unico o frammentato. Nel caso del COVID-19 il suo
genoma è costituito da RNA a singola elica,
mentre il genoma degli ortomixo-virus è un
genoma a RNA frammentato e questa
frammentazione è alla base dell’estrema
variabilità genetica dei virus. Il genoma dei virus
può avere delle dimensioni molto variabili e può
essere costituito da tantissime basi, infatti è
strettamente impacchettato e compresso nel
capside. Infatti partiamo da virus che hanno una
composizione nucleotidica molto bassa, come il
virus del mosaico del tabacco (fago MS2) che è
costituito soltanto da 3500 nucleotidi, fino ad
arrivare a genomi molto più complessi e grossi
come quello dell’EBV (virus mononucleosi
infettiva) che è costituito da 180 mila paia di basi.
Il capside.
Funzioni del capside:
- Protezione del genoma virale,
- riconoscimento recettori cellule target tramite gli anti-recettori
di natura proteica,
- permette, durante il processo infettivo, il veicolamento del
genoma virale verso il nucleo della cellula infettata; quando un
virus infetta una cellula target, non entra tutto nella cellula target
ma inietta il suo patrimonio genetico all’interno della cellula
target.
Il capside è di natura proteica ed è costituito dalla ripetizione di
tante subunità proteiche.
I virus hanno due possibili strutture capsidiche:
1. Simmetria elicoidale: caratterizza tutti i virus con envelope
TMV, Rhabdovirus
2. Simmetria icosaedrica: caratterizza i virus con envelope, come
adenovirus, herpesvirus, picornavirus (COVID-19).
All’interno delle particelle virali gli acidi nucleici interagiscono con
le proteine ad azione enzimatica del core, con le proteine del
capside e le proteine del capside interagiscono tra di loro e le
proteine dell’envelope interagiscono tra di loro.
L’associazione delle subunità proteiche del capside va a costituire
dei protomeri che si uniscono
con legami non covalenti per andare a costituire i capsomeri
dell’involucro capsidico.
L’envelope è un guscio lipidico (è il doppio
strato fosfolipidico della membrana della
cellula target) che deriva dalle membrane
cellulari delle cellule infette; quando un
virus esce dalla cellula infettata trascina con
sé la membrana citoplasmatica della cellula
infettata.
Nell’immagine si vede bene che sulla
membrana plasmatica della
cellula infettata ci sono le glicoproteine
virali che sono state sintetizzate dalla
cellula ospite infettata sotto l’ordine del
virus stesso; quindi quando le nuove
particelle virali si sono assemblate, per poter uscire dalla cellula infettata, si muovono come degli arieti e
vanno a sfondare la membrana citoplasmatica della cella citoplasmatica trascinandola dietro di sé. Oltre a
questo doppio strato fosfolipidico, trascina anche le spicole proteiche che erano state sintetizzate dalla
cellula ospite dopo il processo d’infezione sotto l’ordine del virus; quindi l’envelope media l’ingresso e
l’uscita del virus nella cellula ospite e l’induzione della risposta immune. L’induzione della risposta immune
è data dalle spicole che sono altamente immunogeniche, cioè sono in grado di determinare la formazione
di anticorpi neutralizzati da parte dell’ospite immunocompetente e che sono in grado di bloccare
l’infezione; quindi in un individuo immunocompetente in cui si innesca un’infezione da parte di un virus
dotato di envelope, le glicoproteine che protrudono dalla superficie del virus con envelope, sono proteine
antigeniche virali che inducono la risposta immunitaria dell’individuo immunocompetente (se l’infezione è
un’infezione con la carica virale di un certo tipo, se l’individuo è immunocompetente questa verrà risolta
grazie all’intervento di questi anticorpi neutralizzanti).
Gli anticorpi che riconoscono queste glicoproteine sono spesso in grado di bloccare l’infezione (anticorpi
neutralizzanti)
Quindi l’acquisizione del pericapside avviene mediante protrusione del nucleocapside attraverso
membrane cellulari. La sede può essere:
- Nucleare
- Citoplasmatica
Una volta che il virus è rivestito da questo strato diventa maturo in quanto ha completato le sue fasi di
assemblaggio; i virus rivestiti sono anche detti pleiomorfici, possono cioè cambiare la loro forma in virtù
dell’alta conformazione lipidica del doppio strato dell’envelope.
I virus, attraverso le spicole, possono anche riconoscere dei recettori presenti sui globuli rossi
determinando il fenomeno dell’emoagglutinazione.
I virus nudi non hanno il peplos perché fuoriescono dalla cellula infettata attraverso lisi e sono resistenti
all’essicazione.
Quando c’è equilibrio dinamico tra virus buoni/cattivi e batteri/buoni cattivi non abbiamo la malattia,
insorge la malattia quando i virus cattivi prevaricano e prendono il sopravvento rispetto agli altri; certi
individui si ammalano più facilmente rispetto ad altri perché hanno un maggior squilibrio
rispetto ad altri individui. Se noi abbiamo cura dei nostri microbioti avremo meno possibilità di contrarre
una certa malattia.
I virus possiamo classificarli in base a
- Struttura: dimensioni, morfologia e tipo di
acido nucleico e alla forma del virus stesso
(virus più piccoli sono i picornavirus, mentre
quelli più grandi sono i virus erpetici.
- Caratteristiche biochimiche: struttura e tipo
di replicazione
- Tipo di malattia che provocano nel loro
ospite: epatite nel caso in cui infettino gli
epatociti.
- Tipo di trasmissione: parenterale, oro-fecale,
sessuale, respiratoria, materno-fetale…
- Tipo di cellula che vanno ad infettare: animali
(uomo, topo, uccelli), piante, procarioti
- Tropismo tissutale o d’organo specifico: in
base a quale organo vanno a bersagliare e
questo dipende dai recettori proteici e
glicoproteici dei virus nudi e con peplos.
Qui è mostrata una visione panoramica dei principali tipi di virus a RNA e DNA:
- Coronavirus = virus pleiomorfici dal diametro tra 120-160 nm (Sars-Cov2 300 nm)
- Retrovirus
- Ortomixovirus (virus influenzali)
- Paramixovirus
- Epadnavirus (malattie infettive)
- Adenovirus (congiuntivite)
- Herpesvirus (comprendono virus responsabili della mononucleosi
infettiva, della varicella…).
I virus possono essere tassonomicamente classificati in
✓ Ordini
✓ Famiglie
✓ Sottofamiglie
✓ Specie
Ciclo vitale dei virus:
1) Adsorbimento del virus alla superficie della cellula ospite (interazione
antirecettore/recettore)
2) Penetrazione all’interno della cellula; è il meccanismo mediante il quale
il materiale genetico del virus entra nella cellula bersaglio. Questo può
avvenire in due modi diversi:
 Fusione; Anti-Recettori virali riconoscono e legano in modo
complementare i recettori della cellula bersaglio e dopo si ha la
fusione tra gli involucri virali e la membrana citoplasmatica della
cellula ospite, quindi il genoma del virus entra nella cellula ospite.
 Endocitosi; Anti-Recettori virali riconoscono e legano in modo
complementare i recettori della cellula bersaglio. A questo punto
il virus non veicola immediatamente il suo acido nucleico
all’interno della cellula ospite, ma il processo di fusione tra i due
involucri avviene successivamente a un processo di endocitosi
attraverso il quale la membrana citoplasmatica si invagina in
corrispondenza del punto d’interazione tra il virus e la cellula
ospite e, una volta che è avvenuta questa invaginazione e che il
virus è entrato nella cellula ospite all’interno della vescicola
endocitotica delimitata dalla membrana citoplasmatica della
cellula ospite, avviene il processo di fusione tra gli involucri virali e
la vescicola endocitotica e quindi si ha il rilascio di materiale
genetico virale.
3) Decapsidizzazione; dopo che il virus è penetrato perde l’involucro capsidico.
4) Sintesi macromolecolari virali; la cellula ospite fa si che il virus possa trascrivere i suoi mRNA
precoci e possa vedere la sintesi delle proteine virali non strutturali; può duplicare il suo genoma,
trascrivere e tradurre i messaggeri tardivi e quindi produrre le proteine virali e strutturali. Nel caso
di virus con envelope da indicazioni alla cellula di sintetizzare le spicole glicoproteiche sulla
superficie della cellula infettata (caratterizzeranno il virus con envelope che fuoriuscirà per
gemmazione).
5) Assemblaggio, maturazione e liberazione dei virioni. Una volta che le proteine non strutturali e
strutturali si sono prodotte e che il genoma virale si è duplicato, tutte le componenti si assemblano
in nuove particelle virali che, attraverso un processo di maturazione, condurranno alla formazione
di virus completi che verranno poi liberati per gemmazione o per lisi della cellula ospite (lisi = virus
nudi; gemmazione =virus con peplos (possono in alcuni caso uscire anche loro per lisi)).
Coltivazione dei virus.
Dato che i virus sono parassiti intracellulari obbligati, per ottenere la moltiplicazione in laboratorio è
necessario disporre di cellule viventi (animali da laboratorio, embrioni di pollo o colture di cellule) sensibili
(possiede recettori complementari agli anti-recettori virali) e permissive (se dopo il riconoscimento da
parte del virus si trova nelle condizioni ottimali per poter permettere il completamento del processo
infettivo da parte del virus, cioè la cellula deve essere in grado di fornire al virus tutto ciò che serve al virus
per produrre progenie virale completa) all’infezione da utilizzare come supporto della moltiplicazione
virale.
Le cellule eucariote utilizzate per la ricerca vengono coltivate in contenitori di plastica idonei (fiasche,
piastre) in condizioni di sterilità e in opportuni terreni colturali liquidi costituiti da soluzioni tamponi
isotoniche a pH 7.4 contenenti glucosio, aminoacidi, vitamine con aggiunta di siero fetale bovino; in questo
modo le cellule crescono formando un monostrato continuo sul pavimento delle fiasche o delle piastre. Per
poter crescere, le cellule vengono mantenute in incubatori con atmosfera al 5% di CO2 e una temperatura
di 37°C.
Nel momento in cui un virus infetta una cellula, in base alla tipologia di virus e a seconda delle condizioni
della cellula ospite, può determinare eventi differenti:
1. Trasformazione: il genoma virale si integra in quello della cellula ospite e ne altera l’espressione, quindi
la cellula target avrà un patrimonio genetico arricchito di una porzione genomica; certi geni
cellulari verranno attivati ed altri inibiti e molto spesso i virus che si integrano nel genoma delle cellule
target sono i virus trasformanti, cioè virus che determinano una perdita del controllo del ciclo cellulare da
parte della cellula infettata che andrà incontro quindi a replicazione/duplicazione incontrollata.
2. Produttività litica: il virus si replica e la cellula muore per lisi virus-indotta con liberazione neovirioni.
3. Persistente: il virus si replica lentamente, quindi la cellula ospite non si accorge d’essere infettata; la
cellula all’inizio non muore, ma il virus va a creare un’infezione cronica che porterà alla malattia.
4. Latente (virus erpetici (herpes)): il virus permane nella cellula in uno stato silente, da cui si riattiva
saltuariamente.
5. Non produttiva: il virus non si replica; la cellula non è sensibile e nemmeno permissiva alla replicazione
del virus. Ci sono anche delle infezioni non produttive ma che in realtà sono abortive sul nascere perché la
cellula non è sensibile (processo d’infezione non inizia) o l’infezione non può iniziare perché il virus è
difettivo.
Le lesioni anatomo-funzionali associate all’infezione virale possono derivare direttamente dall’azione
patogena del virus o possono essere conseguenza dell’attivazione della risposta immune:
1. Trasformazione oncogena: neoplasia.
Il virus causa proliferazione incontrollata delle cellule sensibili infettate (neoplasia).
Le cellule infettate presentano morfologia irregolare, anomalie cromosomiche, assenza
dell’inibizione da contatto (non si riconoscono e inizia il processo di metastatizzazione). Il
sistema immunitario dell’ospite sembra, almeno per qualche tempo, esercitare un ruolo
protettivo.
2. Infezione litica-citocida: malattia acuta.
Il virus si replica nelle cellule infettate, provocandone la morte; un esempio di infezioni
acute è rappresentato dagli ortomixovirus (virus influenzali). Sono infezioni acute
caratterizzate da un breve periodo di incubazione e nella maggioranza degli individui
queste infezioni si risolvono da sole perché il sistema immunitario del soggetto
immunocompetente esercita un’azione protettiva; nell’individuo immuno-compromesso il
sistema immunitario non riesce ad emarginare questa infezione e diventa suscettivo ad
infezioni di batteri opportunisti, che sfruttano la depressione del sistema immunitario
dell’ospite infettato dal virus influenzale causando una super-infezione batterica (infezioni
croniche).
3. Infezione persistente produttiva: malattia cronica.
Un esempio è il virus dell’epatite B che si moltiplica lentamente negli epatociti dell’ospite e
questi sono sensibili/permissivi a questa infezione, quindi il virus instaura un parassitismo
controllato all’interno delle cellule. La maggioranza delle persone guariscono, ma nel 1525% di casi il virus continua a replicarsi e dopo una lunga fase d’incubazione asintomatica,
l’individuo esprime cirrosi, epatite acuta e cronica ed epatocarcinoma che se non vengono
riconosciute per tempo l’individuo può andare in contro a una prognosi infausta e infettare
altri individui inconsapevolmente.
4. Infezione latente: malattia recidivante.
Un esempio sono i virus erpetici che una volta che ci hanno infettato rimangono per sempre nel
nostro corpo perché sono virus in grado d’integrare il loro genoma al nostro generando
un’infezione asintomatica che può suntuariamente riattivarsi e durante questi fenomeni di
riattivazione i virus danno manifestazioni erpetiche (ad esempio herpes labiale infetta cellule
epiteliali della cute labiale; avviene quando il virus è pronto e, attraverso lisi, vengono rilasciati
formando le tipiche vescicole). Quando il virus va in latenza si trova nei gangli sensoriali del nervo
trigemino e li non può essere raggiunto né dagli anti-virali ne dal sistema immunitario; in certi casi il
virus può replicarsi non solo a livello del sito d’infezione primaria, ma anche a livello delle altre
terminazioni del nervo trigemino. Altri esempi sono i virus che causano la mononucleosi e la
varicella zoster (fuoco di Sant Antonio).
L’infezione virale, quindi può essere:
• Infezione produttiva: la cellula bersaglio è sensibile e permissiva all’infezione, il ciclo replicativo del
virus è completo: progenie virale infettante.
• Infezione restrittiva: la cellula è sensibile, ma le condizioni di permissività non sono costanti, bensì
legate a particolari condizioni fisiologiche.
• Infezione latente: il DNA del virus infettante si integra nel genoma della cellula infetta o si
mantiene circolarizzato, in forma episomale, all’interno della cellula, replicandosi ad ogni ciclo
cellulare.
• Infezione abortiva: la cellula è sensibile, ma non completamente permissiva per l’espressione di
tutti i geni virali, per cui l’infezione si esaurisce nella produzione di alcuni prodotti precoci virusspecifici,
senza un ciclo completo di replicazione e senza la produzione di progenie virale.
L’infezione abortiva si verifica anche se i virus sono difettivi.
I virus non inducono soltanto la morte della cellula ospite, ma prima creano delle alterazioni
cellulare determinate dal virus stesso. I virus travestiti inducono la cellula infettata a produrre
delle spike proteiche sulla loro superficie che prima non erano in grado di sintetizzare. A livello
sempre di membrana le cellule infettate vanno in contro ad un’alta permeabilità degli ioni.
Possono addirittura andare a fondere le proprie membrana creando una cellula gigante
multinucleare. I virus possono infettare i GB credo il fenomeno dell’emoassorbimento. I virus
possono causare alterazioni citoscheletriche delle cellule target, alterazioni nelle proteine che
costituiscono i microtubuli e i microfilmanti.
I virus possono creare alterazione nel citoplasma costituendo dei corpi di inclusione, Strutture non
tipiche della cellula. I virus modificano strutturalmente la cellula perché i loro patrimonio genetico
interagisce con l’apparato di trascrizione, replicazione e traduzione della cellula target,
producendo spesso appostosi ma anche trasformazioni tumorali.
Effetto citopatico, alterazioni virus-indotte:
o Membrana:
- comparsa di antigeni virali (virus con envelope); quelle che presentano questi antigeni
possono addirittura andare a fondere le membrane andando a costituire dei veri e propri
sincizi, ossia delle cellule giganti multinucleate (infezione da citomegalovirus) originate da
cellule infettate che hanno cambiato a livello di superficie le loro caratteristiche e quindi
hanno fuso le loro membrane.
- alterata permeabilità agli ioni
- emoadsorbimento quando i virus infettano i globuli rossi.
o Citoscheletro: alterazione dei microtubuli e dei microfilamenti.
o Citoplasma: formazione di corpi di inclusione, quindi delle strutture che non sono tipiche della cellula
prima dell’infezione.
I virus, quindi, modificano la cellula target perché vanno ad interagire con l’apparato di trascrizione,
traduzione, replicazione della cellula target spesso provocandone apoptosi o trasformazione tumorale.
B infezione da parte dei citomegalovirus.
C infezione da parte di virus citolitici, che
si replicano e fuoriescono
attraverso lisi.
D infezione da parte di virus trasformanti
(massa scura è il focus di
trasformazione); le cellule rispetto a
quelle normali hanno cambiato forma
e non crescono più a monostrato ma
tendo a stratificarsi e a perdere la
capacità di riconoscimento reciproco.
Gli effetti che un virus può causare sono
✓ Morte cellulare (necrosi/lisi).
✓ Perdita forma cellulare (arrotondamento cellulare).
✓ Degenerazione.
✓ Perdita di adesione al substrato
✓ Cambiamenti istologici: corpi inclusi nel nucleo o nel citoplasma, addensamento della cromatina sulla
membrana nucleare
✓ Aggregazione-Sincizi: cellule giganti multinucleate originate dalla fusione cellula- cellula indotta dal virus
✓ Espressione di antigeni virali sulle cellule bersaglio
✓ Emoadsorbimento (espressione della emoagglutinina)
Qui è mostrato l’effetto citopatico indotto su cellule infettate da virus erpetici e cresciute in
monostrato; le cellule iniziano ad apparire più intensamente colorate, si formano degli squarci nello
strato continuo delle cellule epiteliali dovuti alla lisi delle cellule ospiti e quindi si formano delle vere e
proprie aree di lisi delle cellule interessate dall’infezione.
Formazione delle cellule giganti multinucleate
(sincizio) dove si osservano i nuclei
(più colorati); si vede l’esempio del
citomagalonivrus, virus che inietta il suo
genoma nella cellula ospite che sotto direttiva
del virus produce gli antigeni di
superficie (proteine di fusione che fanno si che le
cellule infettate fondano le loro
membrane andando a formare le cellule giganti
multinucleate definite sincizi):
Modalità di trasmissione virale.
I. Canale alimentare:
II. Canale respiratorio:
III. Per contatto (lesioni, saliva, aerosol, oggetti contaminati).
IV. Zoonosi (animali, insetti) infezioni che interessano più speci diverse.
V. Via parenterale (sangue) HIV, Epatite B, C e delta e citomegalovirus.
VI. Attraverso rapporti sessuali non protetti HIV, virus erpetici, papillomavirus umani e altri.
VII. Trasmissione materno-fetale durante la gravidanza o il parto; questa trasmissione è tipica dei virus
della rosolia, citomegalovirus, virus erpetici (virus della varicella zoster).