Virusi: definicija, zgradba, razmnoževanje, bolezni in zaščita

Virusi imajo veliko genomskih struktur. Kot skupina imajo večjo strukturno genomsko raznolikost kot rastline, živali, arheje ali bakterije. Obstaja na milijone različnih vrst virusov, vendar jih je podrobno opisanih le približno 5 000. ⁴⁹

Virusi imajo gene RNK ali DNK in se imenujejo virusi RNK oziroma DNK. Velika večina virusov ima genome RNK. Rastlinski virusi imajo običajno enoverižne genome RNK, bakteriofagi pa dvoverižne genome DNK. ^96/99

Virusne populacije ne rastejo z delitvijo celic, ker nimajo celic. Namesto tega uporabljajo mehanizme in presnovo gostiteljske celice, da proizvedejo veliko svojih kopij in se sestavijo (sestavijo skupaj) v celici.

Življenjski cikel virusov se med vrstami zelo razlikuje, vendar obstaja šest osnovnih stopenj življenjskega cikla virusov:^75/91

• Pritrditev je specifična vezava virusnih kapsidnih beljakovin in specifičnih receptorjev na gostiteljevi celični površini.
• Prodor sledi pritrditvi: Virusi (posamezni delci virusa) vstopijo v gostiteljsko celico z receptorsko posredovano endocitozo ali zlitjem z membrano. To se pogosto imenuje virusni vstop.
  Okužba rastlinskih in glivičnih celic se razlikuje od okužbe živalskih celic. Rastline imajo togo celično steno iz celuloze, glive pa iz hitina. To pomeni, da lahko večina virusov v te celice vstopi le s silo. ⁷⁰ Primer: virus potuje na žuželčjem prenašalcu, ki se hrani z rastlinskimi sokovi. Poškodbe celičnih sten omogočijo virusu vstop v notranjost.
  Bakterije imajo tako kot rastline močne celične stene, skozi katere se mora virus prebiti, da okuži celico. Vendar so celične stene bakterij veliko tanjše od rastlinskih, zato imajo nekateri virusi mehanizme, s katerimi vbrizgajo svoj genom v bakterijsko celico prek celične stene, medtem ko virusna kapsida ostane zunaj. ⁷¹
• Odstranjevanje prevleke je postopek, pri katerem se odstrani virusni kapsid: Pri tem lahko pride do razgradnje z virusnimi ali gostiteljskimi encimi ali do preproste disociacije; končni rezultat je sprostitev virusne nukleinske kisline.
• Replikacija virusov vključuje razmnoževanje genoma. Za to je običajno potrebna proizvodnja virusne sporočilne RNA (mRNA) iz "zgodnjih" genov. Pri kompleksnih virusih z večjimi genomi lahko temu sledi še en ali več krogov sinteze mRNA: "pozno" izražanje genov je izražanje strukturnih ali virionskih beljakovin.
• Po strukturno posredovanem samosestavljanju virusnih delcev pogosto pride do nekaterih modifikacij proteinov. Pri virusih, kot je HIV, se ta sprememba (včasih imenovana zorenje) pojavi, ko se virus sprosti iz gostiteljske celice.
• Virusi se lahko iz gostiteljske celice sprostijo z lizo, ki uniči celico tako, da razpoči njeno membrano in celično steno. To je značilnost številnih bakterijskih in nekaterih živalskih virusov.
  Pri nekaterih virusih se virusni genom z gensko rekombinacijo
  postavi na določeno mesto v gostiteljevem kromosomu. Virusni genom je nato znan kot "provirus" ali v primeru bakteriofagov "profag". ⁶⁰
  Ob vsaki delitvi gostitelja se replicira tudi virusni genom. Virusni genom v gostitelju večinoma molči, vendar lahko provirus ali profag na neki točki povzroči nastanek aktivnega virusa, ki lahko razjeda gostiteljeve celice. ^{poglavje 15}
  Virusi z ovojnico (npr. HIV) se običajno sprostijo iz gostiteljske celice, ko virus pridobi ovojnico. Ovojnica je spremenjen del gostiteljeve plazemske membrane. ^185/7

Genetski material in replikacija

Genetski material v virusnih delcih in način replikacije tega materiala se med različnimi vrstami virusov zelo razlikujeta.

virusi RNK

Replikacija običajno poteka v citoplazmi. Viruse RNK lahko glede na način replikacije razdelimo v štiri različne skupine. Vsi virusi RNK za ustvarjanje kopij svojih genomov uporabljajo lastne encime replikaze RNK. ⁷⁹

virusi DNK

Replikacija genoma večine virusov DNK poteka v celičnem jedru. Večina virusov DNK je popolnoma odvisna od gostiteljeve celice, ki ima mehanizme za sintezo DNK in RNK ter mehanizme za obdelavo RNK. Virusi z večjimi genomi lahko večino teh mehanizmov kodirajo sami. Pri evkariontih mora virusni genom prečkati celično jedrno membrano, da lahko dostopa do teh strojev, pri bakterijah pa mora le vstopiti v celico. ⁵⁴⁷⁸

Virusi za obratno prepisovanje

Virusi z RNA genomom (retrovirusi), ki se razmnožujejo s povratno transkripcijo, uporabljajo vmesni člen DNK. Tisti z genomi DNK (pararetrovirusi) pri replikaciji genoma uporabljajo vmesni člen RNK. Občutljivi so na protivirusna zdravila, ki zavirajo encim reverzno transkriptazo. Primer prve vrste je HIV, ki je retrovirus. Primeri druge vrste so Hepadnaviridae, kamor spada virus hepatitisa B. ^88/9

Prirojeni imunski sistem

Prva obrambna linija telesa pred virusi je prirojeni imunski sistem. Ta ima celice in druge mehanizme, ki gostitelja branijo pred vsako okužbo. Celice prirojenega sistema na splošno prepoznavajo patogene in se nanje odzivajo.

Interferenca RNK je pomembna prirojena obramba pred virusi. Številni virusi imajo strategijo replikacije, ki vključuje dvoverižno RNA (dsRNA). Ko takšen virus okuži celico, sprosti svojo molekulo RNK. Nanjo se prilepi beljakovinski kompleks, imenovan dicer, in RNA razkosa na koščke. Nato se sproži biokemična pot, imenovana kompleks RISC. Ta napade virusno mRNA in celica preživi okužbo.

Rotavirusi se temu izognejo tako, da se v celici ne razkrijejo v celoti in da skozi pore v notranji kapsidi delca sproščajo novo proizvedeno mRNA. Genomska dsRNA ostane zaščitena v jedru viriona.

Proizvodnja interferona je pomemben obrambni mehanizem gostitelja. To je hormon, ki ga telo proizvaja ob prisotnosti virusov. Njegova vloga v imuniteti je kompleksna; sčasoma ustavi razmnoževanje virusov tako, da uniči okuženo celico in njene bližnje sosede.

Adaptivni imunski sistem

Vretenčarji imajo drugi, bolj specifičen imunski sistem. Imenuje se prilagodljivi imunskisistem. Ko se sreča z virusom, proizvede specifična protitelesa, ki se vežejo na virus in ga naredijo neinfektivnega. Pomembni sta dve vrsti protiteles.

Prvi, imenovan IgM, je zelo učinkovit pri nevtralizaciji virusov, vendar ga celice imunskega sistema proizvajajo le nekaj tednov. Drugi, imenovan IgG, se proizvaja neomejeno dolgo. Prisotnost IgM v krvi gostitelja se uporablja za testiranje akutne okužbe, medtem ko IgG kaže na okužbo v preteklosti. Protitelesa IgG se merijo pri testiranju imunosti.

Druga obramba vretenčarjev pred virusi je celično posredovana imunost. Vključuje imunske celice, znane kot celice T. Telesne celice nenehno prikazujejo kratke fragmente svojih beljakovin na površini celice, in če celica T tam prepozna sumljiv virusni fragment, celice T ubijalke uničijo gostiteljsko celico, za virus specifične celice T pa se razmnožijo. Celice, kot so makrofagi, so specialisti za to predstavitev antigenov.

Izogibanje imunskemu sistemu

Vse virusne okužbe ne povzročijo zaščitnega imunskega odziva. Ti trdovratni virusi se izogibajo imunskemu nadzoru s sekvestracijo (skrivanjem), blokiranjem predstavitve antigenov, odpornostjo na citokine, izogibanjem aktivnosti naravnih celic ubijalk, pobegom pred apoptozo (celično smrtjo) in antigenskim premikom (spreminjanje površinskih beljakovin). HIV se izogne imunskemu sistemu z nenehnim spreminjanjem aminokislinskega zaporedja beljakovin na površini viriona. Drugi virusi, imenovani nevrotropni virusi, se po živcih premikajo na mesta, ki jih imunski sistem ne more doseči.

Virusi ne spadajo v nobeno od šestih kraljestev. Ne izpolnjujejo vseh zahtev za uvrstitev med žive organizme, saj do trenutka okužbe niso aktivni. Vendar je to le besedna točka.

Njihova struktura in način delovanja očitno pomenita, da so se razvili iz drugih živih bitij, pri mnogih endoparazitih pa pride do izgube normalne strukture. Izvor virusov v evolucijski zgodovini življenja je nejasen: nekateri so se morda razvili iz plazmidov - koščkov DNK, ki se lahko premikajo med celicami - drugi pa so se morda razvili iz bakterij. V evoluciji so virusi pomemben način horizontalnega prenosa genov, ki povečuje genetsko raznolikost.

Nedavni projekt je z vzorčenjem več kot 200 vrst nevretenčarjev odkril skoraj 1500 novih virusov RNK. "Raziskovalna skupina ... je ekstrahirala njihovo RNA in s sekvenciranjem naslednje generacije razvozlala zaporedje osupljivih 6 bilijonov črk, prisotnih v knjižnicah RNA nevretenčarjev". Raziskava je pokazala, da so virusi spreminjali koščke svoje RNK z različnimi genetskimi mehanizmi. "Virus nevretenčarjev [kaže] izjemno genomsko prožnost, ki vključuje pogosto rekombinacijo, lateralni prenos genov med virusi in gostitelji, pridobivanje in izgubo genov ter zapletene genomske preureditve".

Skupina velikih virusov okuži amebe. Največji je pithovirus. Drugi po velikosti so Pandoravirus, nato Megavirus in nato Mimivirus. Večji so od nekaterih bakterij in so vidni pod svetlobnim mikroskopom.

Virusi se pogosto uporabljajo v celični biologiji. Genetiki pogosto uporabljajo viruse kot vektorje za vnos genov v celice, ki jih preučujejo. To je koristno, če želimo, da celica proizvaja tujo snov, ali če želimo preučiti učinek vnosa novega gena v genom. Vzhodnoevropski znanstveniki že nekaj časa uporabljajo fagoterapijo kot alternativo antibiotikom, zanimanje za ta pristop pa narašča zaradi visoke stopnje odpornosti proti antibiotikom, ki jo zdaj najdemo pri nekaterih patogenih bakterijah.