Viry

1. Viry Seminář pro maturanty z biologie 2008

2. Virus Virus je „a piece of bad news wrapped up in a protein.“ Viry byly doposud nalezeny v každém zkoumaném organismu Virus chřipky

3. z jevového hlediska je virus jed, vyvolávající v těle svou vlastní tvorbu

4. Virus tabákové mozaiky Virus tabákové mozaiky (TMV) napadá tabák, rajčata, nebo pepř

5. TMV virus • Virus tabákové mozaiky napadá tabák, rajče, pepř • 1883 Němec Adolf Mayer objevil, že je schopen nemoc přenést na nové rostliny šťávou z rozdrcených napadených listů • Dimitrij Ivanovskij zjistil, že tato šťáva je infekční i po přefiltrování přes porcelánový filtr, jehož póry nemůže projít žádná ze známých bakterií • Holanďan Martinus Beijerinck zjistil, že tento filtrát je nejen schopen vyvolat nákazu u nových rostlin, ale že tento filtrát je stále infekční a po mnoha opakováních a filtracích nedochází k vyředění – ve filtrátu tedy není pouhý toxin, nýbrž agens, která je nějak se schopna v napadených listech reprodukovat

6. TMV virus • Bylo tedy zřejmé že infekční agens se umí reprodukovat a přitom je mnohem menší než nejmenší známá bakterie • V 1935 Američan Wendell Stanley vytvořil krystal z těchto infekčních částic – žádné buňky ale nemohou vytvořit pravidelný krystal! • Dnes můžeme pozorovat viry díky elektronovému mikroskopu

7. Viry = obligátní vnitrobuněční parazité – mohou se rozmnožovat pouze v hostitelské buňce • Viry postrádají metabolické enzymy, ribosomy jakož i další vybavení k translaci • Virus je možno chápat jako skupinu genů v proteinovém obalu • Host range = skupina organismů, která je napadána daným virem • Některé viry mají široký, např. „West Nil Virus“ napadá komáry, ptáky, koně a lidi • Virus spalniček napadá pouze člověka • Navíc, je-li hostitelem mnohobuněčný organismus, jsou napadeny pouze některé jeho tkáně – při nachlazení pouze horní část dýchacího traktu, HIV virus napadá pouze bílé krvinky

8. Viry • Virus identifikuje hostitelskou buňku díky proteinům v její plasmatické membráně. Tyto proteiny reagují s proteiny virového kapsidu na principu zámku a klíče • V každém organismu je mnoho druhů virů… • … zdá se, že druhů virů musí být mnohonásobně víc než druhů organismů na Zemi, snad milióny • Doposud bylo popsáno několik tisíc virů

9. Viry • = nukleová kyselina v proteinovém kapsidu (coat) a v některých případech ještě i v membránovém obalu (envelope) • Nejmenší viry mají průměr okolo 20nm – jsou tedy ještě menší než ribosomy • Obvykle předpokládáme, že gen je dvoušroubovice DNA, ale toto pravidlo u virů neplatí – virální genom může být tvořen dsDNA, ssDNA, dsRNA, ssRNA a tato nukleová kyselina může být buď lineární nebo kruhová (ds = double strand = dvojřetězcová; ss = single strand = jednořetězcová) • Nejmenší viry mají pouhé 4 geny, největší viry mohou mít agenů až několik stovek

11. Kapsid • = proteinový obal viru • Kapsid je tvořen z většího množství proteinových podjednotek zvaných kapsomery • Počet druhů těchto proteinů je ale obvykle malý • Virus tabákové mozaiky má kapsid pevný, tyčovitý, z jediného druhu proteinu, jednotlivé podjednotky jsou seřazeny do dvoušroubovice • Adenoviry mají kapsid ve tvaru ikozahedronu – kapsid tvoří 20 trojúhelníkovitých plošek a celkem je použito 252 identických proteinů

12. Ikozahedron

13. Membránový obal (envelope) • = základem je fosfolipidová dvojvrstva hostitelské buňky, ve které jsou i virální proteiny a glykoproteiny

14. Reprodukční cyklus • Různými způsoby se virová DNA dostane do hostitelské buňky – např. u bakteriofágů je pouze DNA injikována do bakterie • Virová NA potom přeprogramuje buňku, aby začala tuto DNA kopírovat a vytvářela proteiny virového kapsidu • Hostitelská buňka poskytuje nukleotidy, enzymy, ribosomy, tRNA, aminokyseliny, ATP a všechny další potřebné látky • DNA viry používají DNA polymerázu hostitelské buňky • RNA viry používají svoji polymerázu (kódovanou virovou NA), která používá jako templát RNA

15. Reprodukční cyklus • Jakmile jsou jednou všechny části potřebné pro sestavení nových virů vytvořeny, dochází k jejich spontánnímu seskládání • Pokud se např. v laboratoři smíchá RNA a kapsomery viru tabákové mozaiky za vhodných podmínek, ve zkumavce se viry samy seskládají • Cyklus končí tím, že stovky nebo i tisíce nových virů se uvolní z napadené buňky, což často navodí její poškození nebo smrt. • Tyto viry mohou napadat další buňky

16. Bakteriofágy Fág T4

17. Bakteriofágy Fág T4 napadající buňku E. coli

18. Reprodukční cyklus bakteriofágů: lytický a lyzogenní cyklus • Pozn. fág = bakteriofág Fág T4 obsahuje ve svém genomu168 800 pb

19. Reprodukční cyklus bakteriofágů: lytický a lyzogenní cyklus • Lytický cyklus = cyklus, který vyústí ve smrt napadené buňky. Fágy se ve velkém množství uvolní z napadené buňky, což způsobí její smrt, lyzi • Tyto fágy napadají další buňky – výsledkem může být smrt celé bakteriální populace během několika hodin • Virulentní fág = fág, rozmnožující se pouze lytickým cyklem • Je pak otázkou, proč bakterie vůbec existují?

20. Lytický a lyzogenní cyklus

21. Lytický cylus • Bakterie mohou zmutovat natolik, že jejich mombránové receptory již viry nerozpoznají • Baktérie mají enzymy zvané restrikční endonukleázy (známé z kapitoly o genomice), které jsou schopny „nastříhat“ virovou DNA hned po vstupu do buňky • Vlastní bakteriální DNA je chemicky chráněna proti svým vlastním restriktázám • Podobně jako ovšem evoluční procesy umožnily bakteriím vyvinout účiné restriktázy, podobně umožnily vyvinout virům rezistenci proti nim • Sledujeme zde tedy souběžnou evoluci boje mezi viry a baktériemi

22. Lyzogenní cyklus • Krom změněných receptorových proteinů a restrikčních endonukleáz však baktérie přežijí ještě z třetího důvodu – mnoho fágů s nimi koexistuje v tzv. lyzogenním cyklu • V lyzogenním cyklu bakteriofág koexistuje a rozmnožuje se v bakterii aniž by ji ovšem zničil. • Temperované fágy = fágy, které umí přepínat mezi lytickým a lyzogenním cyklem • Příkladem temperovaného fágu je fág lambda, fág λ, který napadá E.coli

23. Lyzogenní cyklus • DNA fágu λ je injikována do E.coli a vytvoří kruhovou konformaci. • Co se stane dál záleží na okolnostech – může následovat lytický nebo lyzogenní cyklus • V lytickém cyklu přinutí fág bakterii vyrábět fágové proteiny a cyklus rychle končí lyzí buňky a uvolněním mnoha fágových částic ven • V lyzogenním cylu se fágová DNA včlení na určité místo bakteriálního chromosomu • Profág = virová DNA včleněná do chromosomu hostitele • Jeden z genů profága kóduje protein, který zabraňuje transkripci dalších profágových genů • Vždy, když se E.coli sama dělí, dojde i k replikaci profága, který se tak dostává do všech dceřinných buněk

24. Lyzogenní cyklus • Termín lyzo-genní naznačuje, že fág je schopen cyklus přeměnit v lyzi. • fág λ je schopen se ze stadia profága vyštěpit a nastartovat lytický cyklus • Signálem k přerušení lyzogenního cylu a nastartování lytického může být environmentální stimul, radiace nebo přítomnost určitých chemikálií • Krom genu, který zastavuje transkripci ostatních genů profága, však mohou být přece jen přepisovány některé další geny profága, které mohou změnit fenotyp baktérie • Např. baktérie způsobující záškrt, botulismus nebo šarlatovou horečku by byly neškodné, kdyby kvůli přepisům určitých genů profága nevyráběly toxiny škodlivé člověku

25. Reprodukce bakteriofágů

26. Živočišné viry • Rezervoár = zpravidla zvíře, ve kterém viry dlouhodobě přežívají a odkud se mohou dostat na člověka • Pro viry chřipky jsou rezervoárem divoké kachny, slepice a prasata

27. Živočišné viryklasifikace – obalené viry jsou psány tučně • 1. dsDNA • Adenovirus: respirační onemocnění, tumory • Papovavirus: papilomavirus (bradavice, rakovina děložního hrdla; polyomavirus (tumory) • Herpesvirus: Herpes simplex I. a II.; plané neštovice (pásový opar); Epstein-Barrové virus (mononukleóza, Burkittův lymfom) • Poxvirus: neštovice, kravské neštovice

28. Živočišné viryklasifikace – obalené viry jsou psány tučně • 2. ssDNA • Parvovirus: B19 parvovirus

29. Živočišné viryklasifikace – obalené viry jsou psány tučně • 3. dsRNA • Reovirus: rotavirus (průjem), Colorado tick fever virus

30. Živočišné viry klasifikace – obalené viry jsou psány tučně • 4. ssRNA – tato RNA slouží jako mRNA (= tzv. (+)RNA) • Picornavirus: rhinovirus (nachlazení); poliovirus, virus hepatitidy A • Koronavirus: SARS (severe acute respiratory syndrome) • Flavivirus: virus žluté zimnice; West Nile virus; virus hepatitidy C • Togavirus: zarděnky

31. Živočišné viryklasifikace – obalené viry jsou psány tučně • 5. ssRNA – tato RNA slouží jako templát (matrice) pro výrobu mRNA (tzv. (-)RNA) • Filovirus: ebola (hemorrhagická horečka) • Ortomyxovirus: chřipka • Paramyxovirus: spalničky, příušnice • Rhabdovirus: vzteklina

32. Živočišné viryklasifikace – obalené viry jsou psány tučně • 6. ssRNA – tato RNA slouží jako templát (matrice) pro výrobu DNA • Retrovirus: HIV (human immunodeficiency virus)(AIDS); RNA tumor virus (leukémie)

33. Reprodukční cyklus živočišných virů • Záleží na typu NA a na tom, zda jsou viry obalené nebo ne • Jen velmi málo bakteriofágů mají RNA a jsou obalené • Skoro všechny živočišné RNA viry jsou obalené

34. Životní cyklus RNA virů

35. RNA viry • RNA je na rozdíl od DNA mnohem méně stabilní, díky hydroxylové skupině na C2´ • množství chyb při replikaci RNA je 10 000 x větší než při replikaci DNA • RNA genomy jsou obvykle velmi malé a mají velkou mutabilitu • zatímco se DNA viry obvykle replikují v jádře, RNA viry se obvykle replikují v cytoplasmě • výjimkou z pravidla jsou retroviry, které se replikují rovněž vjádře

36. Viral envelopes • Proteiny virálního obalu se naváží k receptorovým proteinům hostitelské buňky a tak se virus k buňce naváže • Virová mRNA se přepíše a nakonec vzniknou glykoproteiny obalu, které jsou uschovány v ER a následně transportovány do plasmatické membrány hostitelské buňky • Procesem poněkud připomínající exocytózu se pak nové viry dostanou ven z buňky • Tento proces nemusí hostitelskou buňku zabít

37. Viral envelopes • U herpesvirů (dsDNA) je obálka tvořena z jaderné membrány, neboť se tyto viry rozmnožují uvnitř jádra. K rpelikaci používají kombinaci svých a jaderných enzymů • V jádrech některých neuronů dokonce zůstávají jako jakési minichromosomy • Herpesviry zůstávají v klidu pokud je „neprobudí“ fyziologický nebo emocionální stres • Velmi rychle tak vzniká opar na rtech nebo na genitáliích • Jakmile je jednou herpesvirus přítomen, oparu se mohou objevovat v průběhu celého života daného člověka

38. Chřipka • Typy: existují celkem tři hlavní typy viry chřipky • A – škodí nejvíce lidem, ale také se vykytuje u ostatních savců a u ptáků • B a C – pouze u lidí • Subtypy: se odlišují od proteinů na povrchu viru. Jeden z těchto proteinů, hemaglutinin (H) pomáhá viru se přichytit k hostitelské buňce. Jiný, neuraminidáza (N) pomáhá novým virům se uvolnit z hostitelské buňky, po dokončení replikace

39. Chřipka • Gen pro hemaglutinin (H) podléhá častým mutacím, jeden z 100 000 nových virů má bodovou mutaci v tomto genu. Hemaglutinin však je tělem vnímán jako antigen a zejména proti němu se obrátí práce imunitníhgo systému • Typ A má celkem 13 subtypů H a 9 subtypů N. • Honkongskou chřipku v roce 1968 vyvolal virus H3N2

40. Důležitost rekombinace • Největší problém ale nepochází z mutací, nýbrž z rekombinací různých typů H a N. • Tyto nové rekombinace imunitní systém vnímá jako nový typ viru • H1N1 zabila přes 40 miliónů lidí v letech 1918-1919 • H2N2 – asijská horečka z roku 1957 zabila přes 100 000 Američanů • H3N2 – Honkongská chřipka – postiženo 50 miliónů lidí v jen v USA, z nichž 70 000 zemřelo

41. Chřipka • Není divu, že chřipka většinou přichází z Asie, kde velké množství lidí žije v těsné blízkosti s velkým množstvím kačen, slepic a prasat, které jsou rezervoárem chřipkového viru • Zejména prasata jsou napadána jak lidskými, tak ptačími typy. Jeden jedinec může být napaden různými variantami virů a v jeho těle může dojít k rekombinaci • Honkongská chřipka A(H3N2) vznikla díky rekombinaci z A(H3N8) z kachen a A(H2N2) z lidí

42. HIV • = obalené viry, obsahující dvě identické molekuly ssRNA a dvě molekuly reversní transkriptázy • Po vstupu do buňky syntetizuje virová reverzní transkriptáza virovou dsDNA, která vstupuje do chromosomu jakožto tzv. provirus • Tento provirus již nikdy více neopustí svoji pozici na chromosomu a v buňce (…na rozdíl od profága) • Buněčná RNA polymeráza přepisuje provirus do mRNA, které slouží zároveň jako skutečné mRNA a zároveň jako virový genom nových virů

43. HIV

44. AIDS • Do roku 2002 celkem 42 miliónů mrtvých

46. Evoluce virů • Viry z dobrých důvodů nemůžeme počítat mezi organismy (nemají metabolismus)… • …přesto stejný genetický kód naznačuje, že jsou nějak se světem organismů spojeny • Viry určitě nejsou předchůdci buněk, nejsou to „předbuněčné organismy“, vznikly téměř jistě až po té, co existovaly buňky, možná vznikly mnohokrát nezávisle za sebou • Možná vznikly jako fragmenty buněčné NA, která se přesouvala z jedné buňky do druhé • Tuto ideu by podporoval fakt, že viry si jsou více podobné s genomem hostitelské buňky, než s genomem jiných virů s jiným host range. • Některé virové geny jsou téměř identické s geny hostitele

47. Evoluce virů • Některé živočišné viry mají ale až překvapivě podobné sekvence s některými rostlinnými viry • Původní viry byly snad kusy nahé NA, které mohly proniknout pouze do poraněné hostitelské buňky • Evoluce kapsidových genů mohla usnadnit průnik i do zdravých buněk • Kandidáty pro prvotní viry by mohly být plasmidy nebo transpozony

48. Nemoci způsobené viry • Vztah mezi virem a nemocí kterou způsobuje je často velmi záhadný • Viry mohou uvolnit enzymy z lysosomů • Některé viry mohou přinutit hostitelskou buňku k produkci toxinů • Jindy mohou být toxické i glykoproteiny virového kapsidu • Škoda způsobená viry závisí na typu napadené tkáně • Z nachlazení se rychle vyléčíme, neboť epitel horních cest dýchacích se umí účinně opravovat

49. Nemoci způsobené viry • Naopak polioviry napadají nervové buňky, které se neumí regenerovat dělením a škoda je proto nezvratná • Mnoho příznaků jako je horečka nebo bolesti hlavy jsou způsobeny nikoli viry, ale odpovědí našeho těla na infekci

50. Nemoci způsobené viry • Virus neštovic, dětské obrny a spalniček mají velmi úzký host range – napadají jenom člověka. Proto se zdařilo již zcela vymýtit virus neštovic (přežívá jen v laboratoři). Úzký host range je kritický pro snahu WHO vymýtit daný virus • Virus neštovic naposled v populaci zaznamenán v roce 1977