Seminář pro maturanty z biologie 2008 Viry Seminář pro maturanty z biologie 2008

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ikozahedron

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

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

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

Bakteriofágy Fág T4

Bakteriofágy Fág T4 napadající buňku E. coli

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

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?

Lytický a lyzogenní cyklus

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

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

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

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

Reprodukce bakteriofágů

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

Živočišné viry klasifikace – 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

Živočišné viry klasifikace – obalené viry jsou psány tučně 2. ssDNA Parvovirus: B19 parvovirus

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

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

Živočišné viry klasifikace – 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

Živočišné viry klasifikace – 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)

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

Životní cyklus RNA virů

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

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

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

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

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

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

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

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

HIV

AIDS Do roku 2002 celkem 42 miliónů mrtvých

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

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

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

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

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

Nemoci způsobené viry Ačkoliv vakcinace pomáhá v boji proti mnoha virům, je málo platná, pokud choroba již propukla Antibiotika jsou na viry neúčinná (antibiotika obecně blokují různé enzymy nutné pro správné fungování dané baktérie) Antivirotika jsou založeny například na podobnosti s nukleosidy a jsou začleněny do virové NA Acyclovir (proti Herpes) inhibuje virovou polymerázu která vyrábí virovou DNA Azidothymidin (AZT) blokuje reverzní transkriptázu HIV

Nemoci způsobené viry V současnosti se užívají protivirové koktejly, složené např. ze dvou napodobenin nukleosidů a jednoho proteásového inhibitoru, který blokuje enzym nutný pro seskládání virových částí

Nové viry HIV se poprvé objevil v San Francisku v roce 1981, vynořivší se odnikud Ebola virus se objevil v centrální Africe poprvé v roce 1976 – způsobuje horečky, zvracení, masivní krvácení a kolaps oběhové soustavy West Nile virus se objevil v USA v roce 1999 SARS se objevil v severní Číně v roce 2002 Od listopadu 2002 do července 2003 bylo nakaženo 8 000 lidí, z nichž 700 zemřelo Výzkum rychle odhalil, že původcem SARS je coronavirus z ssRNA genomem (třída IV.), o kterých se nečekalo, že by mohly způsobit nemoc lidem

Ebola virus Není-li ebola léčena, mortalita může vystoupit až na 50% - 90% z nakažených v létě 1995 v Zaire došlo k novému výskytu – zemřelo 245 lidí z 316 nakažených (!)

SARS původce patří mezi koronaviry fotografie z cyklu „Year 2003 in pictures“ z obalu vystupuje „korona“ tvořená z glykoproteinových částic

SARS Genom má velikost 29 751 pb

Nové viry Celkem tři procesy dávají vznik novým virovým chorobám Mutace již existujícího viru. Zejména RNA viry mutují velmi rychle díky četným chybám v práci své RNA polymerázy a absenci opravné mašinérie. Některé viry mutují natolik, že je imunitní systém již nerozpozná (viz každoroční virózy) Rozšíření viru na nový druh. Přibližně tři čtvrtiny nových lidských virových onemocnění začínají u zvířat

Nové viry Rozšíření viru na nový druh. Přibližně tři čtvrtiny nových lidských virových onemocnění začínají u zvířat. Téměř jistě chřipka z let 1918-1919, která zabila 40 miliónů lidí (!) začala u ptáků Rozšíření viru z malé izolované populace. AIDS byla zřejmě nepojmenovaná a nepovšimnutá choroba již desítky let před 1981 a rozšířila se díky globalizaci, cestování, letecké dopravě, promiskuitě, krevním transfúzím etc.

Viry a rakovina Viry přispívají nejméně k 15% rakoviny na světě

Rostlinné viry Známo na 2000 nemocí u rostlin způsobovaných viry Horizontální přenos – rostlina je nově napadena, usnadněno porušení epidermis rostliny díky větru, hmyzu či poranění Zejména hmyz může přenášet virus z jedné rostliny na druhou Vertikální přenos – rostlina zdědí infekci od rodiče (buď asexuálně, např. řízkováním, nebo sexuálně – skrze infikované semeno)

Rostlinné viry Jakmile virus vstoupí do rostliny, může pronikat skrze plasmodesmata z buňky do buňky Proteiny kódované virem zvětšují průměr plasmodesmat Rostlina má bělavé nebo hnědavé skvrny, zakrnělý růst či zkroucené listy, poškozené květy nebo kořeny

Viroidy = kruhové molekuly RNA, jen několik stovek nukleotidů (240 – 400) dlouhé Tato RNA nekóduje proteiny, ale může se replikovat v rostlinné buňce existence genomů bez kódovací kapacity může připomínat replikony z dob před vznikem proteosyntézy

Viroidy v buňce se obvykle nachází 200 – 10 000 kopií viroidové RNA RNA viroidů zřejmě nějak narušuje regulační systém rostliny – výsledkem je zakrnělý růst nebo abnormální vývoj Důležitou lekcí je vědomí, že jediná molekula je schopna vyvolat nemoc…

Priony RNA virů je přece jen nukleová kyselina, takže její schopnost vyvolat nemoc se jaksi předpokládala Priony jsou proteiny Způsobují řadu neurodegenerativních onemocnění, která jsou různě pojmenovaná u různých druhů: Scrapie u ovcí BSE u dobytka (nemoc šílených krav) Creutzfeldt-Jakobova choroba u lidí (v minulém desetiletí smrt 125 Britů)

Priony Priony pracují velmi pomalu, inkubační doba je něco kolem deseti let Priony jsou v podstatě nezničitelné, přežívají dobře dokonce v hlíně, nelze je zničit varem při normálních kuchyňských teplotách Předpokládá se, že prion je správný protein nesprávně sbalený, ale tuto schopnost je schopen předat dál správně sbaleným proteinům, kterým změní tvar na nesprávný

Priony Obecně se těmto nemocím říká TSE = transmissible spongiform encephalopathies

Priony Padlo tedy dogma, že informaci je schopna předat pouze NA. „špatný“ prion je tedy nějak schopen změnit „dobrý“ prion na špatný a oba dva konvertují další (viz hra rybičky rybičky…)

Slovníček Temperované fágy = fágy, které umí přepínat mezi lytickým a lyzogenním cyklem Virulentní fág = fág, rozmnožující se pouze lytickým cyklem Host range = skupina organismů, která je napadána daným virem Kapsid = proteinový obal viru Profág = virová DNA včleněná do chromosomu hostitele