Microbiologia: Struttura, Replicazione dei Virus e Infezioni Latenti

Microbiologia: Struttura e Replicazione Virale

Abbiamo il nostro penultimo appuntamento oggi, prima della pausa di Pasqua, della sessione e degli esami di Pasqua. Quindi la prof pensa che la prossima volta avremo già superato i tempi previsti, con questa lezione; insomma, la prossima volta ci somministrerà il questionario di valutazione del corso, perché è da fare più o meno tra i 2/3 e la fine del corso. Quindi la prossima volta, sia per chi è a casa sia per chi è in presenza, faremo anche questo adempimento, che non è una cosa superficiale, ma per i professori è importante perché consente ai docenti di avere un ritorno molto libero dell'andamento del corso, che può essere utile non tanto per noi, ma soprattutto per quelli che verranno successivamente. Poi se abbiamo critiche, o comunque consigli da esprimere (anche in presenza senza l'anonimato del questionario), la prof è molto favorevole ad accoglierle attraverso di noi, perché crede che solo noi, cioè gli studenti, possiamo meglio di tutti i docenti capire le diverse caratteristiche dei corsi che ci vengono presentati. Nel senso che abbiamo una visione d'insieme che ai docenti manca; ognuno vede un po' il suo pezzettino e invece questo coordinamento, che il presidente del corso di laurea prova a fare tra i docenti, diventa ancora più efficacie se intermediato da chi fruisce le lezioni, quindi dagli studenti stessi.

Virus: Componenti e Caratteristiche

Torniamo ai nostri virus. Riprendiamo sicuramente anche quanto già visto, ma se ci sono già delle necessità qui possiamo esprimere come sempre i nostri dubbi. Ora, siamo partiti a vedere come sono fatti i virus. La loro struttura è talmente essenziale che non dovrebbe essere difficile memorizzare i costituenti di un virione.

• Abbiamo un genoma, che può essere DNA o RNA.
• Abbiamo, intorno al genoma, un involucro proteico detto capside.
• In più, non presente in tutti i virus, ma in molti virus è presente un involucro lipoproteico detto pericapside.

Genoma e capside formano il nucleocapside, ed eventualmente si trova un pericapside aggiuntivo.

Genoma Virale

Abbiamo visto che tutto questo genoma è fondamentale. Come stavamo vedendo la volta scorsa, e riprendiamo ora, il tipo di genoma guida la modalità di replicazione dei virus. Quindi è importante non solo dire che è a DNA o RNA, e quindi distinguere i deossiribovirus (o desossiribovirus) dai ribovirus, ma anche che tipo di DNA o che tipo di RNA (bicatenario, monocatenario, lineare, circolare, ecc ... ). E abbiamo detto che se il genoma è DNA (quindi nei desossiribovirus) generalmente è bicatenario (solo una famiglia di virus, chiamati Parvovirus, ce l'hanno monocatenario).

I Virus sono organizzazioni biologiche di struttura sub-cellulare L'unità morfologica e funzionale è il virione E' la forma strutturata del virus, presente in ambiente extracellulare e responsabile della trasmissione dell'infezione Il virione è costituito da:

• genoma (DNA o RNA) nucleocapside
• involucro proteico: capside
• eventualmente una membrana lipoproteica: pericapside (o envelope o peplos)

Il genoma virale è costituito da acido nucleico che può essere DNA (desossiribovirus) o RNA (ribovirus)

DNA Virale

• generalmente bicatenario, in alcuni casi monocatenario
• lineare o circolare
• le dimensioni variano da <10 kbp a >300 kbp

RNA Virale

• generalmente monocatenario, in alcuni casi bicatenario
• lineare, eventualmente segmentato
• le dimensioni variano da ~3 a ~30 kb

Abbiamo detto che può essere lineare o circolare e con dimensioni che variano da 5.000 bp (paia di basi), che è la dimensione dei Parvovirus, fino a più di 300.000 bp. Se invece il genoma è a RNA, è generalmente monocatenario, lineare, e a volte è segmentato; con dimensioni più ridotte.

Capside Virale

Abbiamo visto che il capside può essere a simmetria icosaedrica o elicoidale. Nel capside le unità strutturali vengono chiamati capsomeri.

helical nucleocapsid Prowin icosahedral nucleocapsid Nuckie HET ICOSAHEDRAL HELICALI capsomeri nel capside icosaedrico sono costituiti da 5 o 6 polipeptidi, a seconda che questi capsomeri siano rispettivamente sul vertice dell'icosaedro o sulla faccia. Invece, nei capsidi a simmetria elicoidale, il capsomero è costituito da un singolo polipeptide. I capsomeri si aggregano a formare i capsidi essenzialmente secondo due tipi di simmetria:

• Simmetria isometrica CAPSOMER = PENTON CAPSOMER = HEXON Nella simmetria isometrica i capsomeri possono essere presenti in numero diverso, sui vertici o sulle facce dell'icosaedro
• Se presenti sui vertici sono costituiti da 5 polipeptidi: pentoni
• Se presenti sulle facce sono costituiti da 6 polipeptidi: esoni

I capsomeri si aggregano a formare i capsidi essenzialmente secondo due tipi di simmetria:

• Simmetria elicoidale nucleic acid capsid capsomere Nella simmetria elicoidale i capsomeri si dispongono ad elica, formando strutture proteiche cilindriche un capsomero = un singolo polipeptide

Il capside è una struttura proteica che racchiude il genoma formando il nucleocapside Il capside (con dimensioni variabili dai 20 nm ai 400 nm) è formato come un'aggregazione di subunità proteiche, che si dispongono in maniera ordinata a formare una struttura regolare Il genoma virale ha un potenziale codificante limitato a poche proteine; il capside può essere composto da poche (1-2) fino a 10-20 diversi tipi di proteine Alcuni virioni sono possono essere dotati di capside complesso La struttura del capside risulta dalla combinazione di elementi a simmetria elicoidale ed elementi a simmetria isometrica capsid (head) nucleic acid tail fiber sheath pin Alcuni batteriofagi presentano un virione costituito da una testa icosaedrica ed una coda cilindrica, in alcuni casi circondata da una guaina contrattile e terminante in fibre proteiche Le proteine codificate dal virus non sono tante. Possono essere pochissime, come nei più piccoli dei virus che sono 2 sole proteine, oppure 10/20 diversi tipi di proteine; comunque, il potenziale codificante del genoma virale è in generale, si può dire, limitato, ridotto.

Virus a Struttura Complessa

Ci sono poi i virus con struttura complessa, quali i batteriofagi sui quali oggi ritorneremo, ma anche altri virus come questi che si chiamano Poxviridae, che non si possono introdurre né nella categoria dei virus con capside icosaedrico né nella categoria dei virus con COMPLEX capside elicoidale.

5 BASIC TYPES OF VIRAL SYMMETRY icosahedral nucleocapsid Capcomeres lipid bilayer ICOSAHEDRAL ENVELOPED ICOSAHEDRAL Arminide COMPLEX nucleocapsid

• lipid bilayer glycoprotein spikes = peplomers ENVELOPED HELICAL

Pericapside Virale

Ripassiamo un attimo il pericapside. Come si vede dal disegno, non tutti i virioni (virus) ce l'hanno. Quando sono privi di pericapside si definiscono virus nudi, nel senso che non hanno il pericapside. Quindi abbiamo o simmetria icosaedrica o simmetria elicoidale in assenza di "envelope" (o pericapside). Quando invece questo pericapside è presente abbiamo visto che esso è in parte di derivazione cellulare e in parte di derivazione virale.

helical nucleocapsid Provis jegnemest unts) HELICAL nucleocapsidAlcuni virioni sono possono essere dotati di pericapside

• Il pericapside è una membrana lipoproteica di derivazione cellulare Per la parte lipidica, il pericapside deriva da una membrana della cellula infettata Per la parte proteica, il pericapside deriva dall'inserimento, in sostituzione delle proteine cellulari, di proteine virali =C Membrana cellulare Glicoproteine Proteina M virali -Nucleocapside 10 Le glicoproteine virali del pericapside sono molto importanti (ecco le famose proteine Spike del SARS-CoronaVirus-2), perché hanno, non solo una funzione strutturale, ma spesso una funzione anche enzimatica, molto spesso sono gli anti-recettori virali, quelli che servono per l'attacco del virus sulla cellula bersaglio. Alcuni virioni sono possono essere dotati di pericapside
• Le proteine virali possono disporsi a formare unità strutturali (peplomeri) in simmetria e in rapporto con i capsomeri sottostanti
• Il tegumento o matrice è uno strato proteico eventualmente presente fra capside e pericapside spikes envelope spikes nucleic acid capsomere envelope 11 Abbiamo visto che fra capside e pericapside c'è uno strato chiamato tegumento o matrice, che non è uno spazio vuoto ma è uno strato proteico che è ricco di proteine ad attività enzimatica. Cos'altro abbiamo già visto? Abbiamo visto strutture e foto al microscopio dei vai virus ...

Ciclo di Replicazione Virale

Abbiamo cominciato a vedere il ciclo di replicazione virale. Perché una cellula possa essere infettata deve essere sensibile e permissiva. Sensibile vuol dire che deve avere i recettori cellulari idonei all'attacco da parte del virus. Permissiva vuol dire che deve fornire tutte quelle attività enzimatiche che al virus mancano e che va a prendere in prestito.

Tipi di Infezioni Virali

• Quindi, se è sensibile e permissiva, il ciclo virale può essere produttivo. Se si completa il ciclo replicativo si arriva alla progenie virale.
• Se invece la cellula bersaglio è sensibile ma non permissiva, allora abbiamo un'infezione abortiva, in cui quindi il ciclo replicativo virale non riesce a completarsi.
• Se invece la cellula è sensibile ma permissiva solo in alcune fasi cellulari, possiamo avere un'infezione restrittiva, cioè quel ciclo replicativo virale si completa solo quando la cellula è permissiva; quindi, è ristretta a questi casi.

Le caratteristiche cellulari rilevanti sono:

• Sensibilità La proprietà di una cellula di essere infettata dal virus È legata alla presenza di recettori di membrana
• Permissività La proprietà di una cellula di consentire la replicazione dei virus È legata alla presenza di fattori intracellulari

L'infezione virale può essere:

• Produttiva Cellule permissive, ciclo replicativo virale completo
• Restrittiva Cellule permissive solo in fasi cellulari definite, ciclo replicativo virale completo solo in corrispondenza di esse
• Abortiva Cellule non permissive o virus defettivo, ciclo replicativo virale incompleto
• Latente Mantenimento del genoma virale all'interno di cellule infettate, con diverso grado di espressione, in assenza di replicazione

• E poi infine, possiamo avere un'infezione latente quando, dopo una priva fase di infezione produttiva, il genoma virale rimane all'interno della cellula e rimane più o meno represso, e comunque si ferma la replicazione per poi riattivarsi successivamente.

Cioè la parte che deriva dalla cellula è la parte (non si sente bene) da una membrana di una cellula precedentemente infettata. Infatti è composta da un doppio strato di fosfolipidi tipico di tutte le membrane cellulari. La parte proteica che invece deriva dal virus consiste in proteine che vengono glicosilate (glicoproteine) e inserite in un tratto di membrana di cui il nucleocapside andrà ad avvolgersi.

Struttura del Coronavirus SARS-COV-2

Spike Glycoprotein (S) M-Protein

• Hemagglutinin-esterase dimer (HE) Envelope RNA and N protein E-Protein capsomere nucleic acid