CICLO REPLICATIVO - Sezione di Microbiologia

SCUOLA di MEDIDHE e FARMACEUTICHE
2013
REPLICAZIONE dei VIRUS
Prof. Oliviero E. Varnier
WWW.MICROBIOLOGIA.UNIGE.IT Sezione di Microbiologia – Dipartimento di Scienze Chirurgiche Diagnostiche Integrate (DISC)
CICLO REPLICATIVO
ADSORBIMENT
O
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ADSORBIMENTO
Alcuni virus richiedono, per il loro adsorbimento sulla
cellula, l’interazione con molecole secondarie definite
corecettori.
HIV utilizza alcune proteine di trans-membrana,
associate alle proteine G (proteine che usano il GDP
per controllare il loro ciclo di “segnalazione”), che
hanno come ligandi naturali le chemochine.
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ADSORBIMENTO
Gli antirecettori virali sono glicoproteine nei virus
provvisti di involucro pericapsidico o proteine del
capside nei virus nudi.
In molti virus con pericapside, gli antirecettori si
presentano come proiezioni che sporgono da questa
struttura;
i virus nudi possono presentare gli antirecettori ubicati
in rientranze che solcano la superficie del virione.
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Adsorbimento
Le interazioni che gli antirecettori virali instaurano
con i recettori presenti sulla cellula ospite sono di
tipo sterico.
La complementarietà spaziale permette la formazione
di un certo numero di legami deboli che, nel loro
insieme, portano all’adsorbimento stabile del virione
alla cellula.
Affinché ciò avvenga, è necessario un ambiente
abbastanza ricco di ioni capaci di neutralizzare le
cariche di superficie delle strutture complementari, in
modo da ridurne la repulsione elettrostatica.
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ADSORBIMENTO
L’adsorbimento è un processo indipendente dalla
temperatura e non richiede l’intervento di reazioni che
producono energia.
Per molti virus nudi questa fase rappresenta un processo
irreversibile poiché causa, nella struttura del
virione, delle alterazioni che fanno perdere al virus la
sua capacità infettante: è fondamentale che al processo
di adsorbimento segua la fase di penetrazione.
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ADSORBIMENTO
I poliovirus, in seguito all’adsorbimento, perdono una
proteina del capside diventando così suscettibili alle
ribonucleasi e proteasi cellulari.
Talvolta, se all’adsorbimento non segue la penetrazione,
i virus possono ristaccarsi integri e infettare altre
cellule.
È questo il caso di ortomixovirus e paramixovirus,
sul cui pericapside si trovano, oltre agli antirecettori,
anche varie molecole di un’altra glicoproteina dotata di
attività enzimatica capace di scindere il legame tra
virus e cellula.
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ADSORBIMENTO
Oltre al meccanismo di entrata, mediato dalla
interazione recettore-antirecettore, alcuni virus posno
entrare all’interno della cellula ospite dopo essersi
complessati con anticorpi virus-specifici presenti in
quantità “sub-neutralizzanti”.
Il virus così rivestito può essere catturato dai recettori
per le immunoglobuline presenti sulla superficie
della cellula.
Questo tipo di infezione, anticorpo-mediata, è stato
osservato per i virus West Nile, Dengue, influenza A
e HIV-1.
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ADSORBIMENTO
L’esistenza di un meccanismo alternativo di
entrata suggerisce che, in assenza di una
risposta immunitaria capace di produrre elevati
titoli di anticorpi neutralizzanti…..
….alcuni virus non richiedono la presenza di
un recettore cellulare per entrare all’interno
della cellula ospite e sono potenzialmente
capaci di allargare il proprio tropismo.
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PENETRAZIONE
Subito dopo l’adsorbimento, il virus penetra nella
cellula attraverso diversi meccanismi che richiedono
l’impiego di energia da parte della cellula.
I virus con pericapside hanno un doppio strato
fosfolipidico che circonda il nucleocapside.
L’entrata di questi virus all’interno della cellula
prevede la fusione del pericapside virale con la
membrana cellulare attraverso un processo mediato
dalle glicoproteine virali presenti sulla superficie del
virione.
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PENETRAZIONE
Diversi virusi possiedono glicoproteine fusogene
che facilitano questo processo.
Fra queste, la glicoproteina gp41 di HIV, la proteina
GP2 del virus Ebola e la proteina HA2 del virus
influenzale, la quale viene attivata dal pH acido
degli endosomi.
Il virus influenzale, a differenza della maggior parte
dei virus rivestiti, penetra mediante un processo di
endocitosi, pertanto la fusione avviene con la
membrana dell’endosoma.
L’entrata dei virus nudi all’interno della cellula ospite
avviene principalmente mediante endocitosi mediata
da recettore.
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ADSORBIMENTO
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ADSORBIMENTO
temperatura indipendente
richiede proteine d’adesione a proteine cellulari
recettori cellulari
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PENETRAZIONE DI VIRUS CON PERICAPSIDE
Herpesvirus, paramyxovirus, HIV
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PENETRAZIONE DI VIRUS CON PERICAPSIDE
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Fusione
con la
membrana
plasmatica
fusione con le
membrane
endosomiche
acidiche
Entrata via endosomi
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PENETRAZIONE DI VIRUS CON PERICAPSIDE
from Schaechter et al, Mechanisms of Microbial Disease, 3rd ed, 1998
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LA PENETRAZIONE DEL VIRUS VIA ENDOSOMI
SINONIMI:
VIROPESSI / ENDOCITOSI / PINOCITOSI
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LA PENETRAZIONE DEI VIRUS SENZA PARICAPSIDE
entrata direttamente
attraverso la membrana
plasmatica
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LA PENETRAZIONE DI VIRUS NUDI VIA ENDOSOMI
Nel caso del poliovirus, un virus nudo appartenente
alla famiglia Picornaviridae, è stato proposto un
meccanismo di penetrazione alternativo che consiste
nella traslocazione dell’RNA virale attraverso la
membrana citoplasmatica.
A seguito dell’adsorbimento del virus alla cellula
ospite, una proteina virale andrebbe a formare un
poro a livello della membrana cellulare attraverso il
quale l’RNA virale verrebbe introdotto nel citoplasma.
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LA PENETRAZIONE DI VIRUS NUDI VIA ENDOSOMI
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ADSORBIMENTO, PENETRAZIONE E SCAPSIDAZIONE
a) Adsorbimento b) Endocitosi c) Penetrazione d) scapsidazione
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MECCANISMI DI ENTRATA
Figura 33.1 Meccanismi di entrata per diverse classi di virus. I virus con pericapside
possono entrare o mediante fusione (1 e 2) oppure mediante endocitosi seguita da un
processo di fusione con la membrana endosomiale (3). I virus nudi, come i picornavirus
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(4), penetrano all’interno della cellula mediante un processo di endocitosi.
SCAPSIDAZIONE
Gli eventi che seguono l’entrata del virus e precedono
la replicazione del genoma virale costituiscono il
processo di scapsidazione, attraverso il quale il
genoma virale si separa dalle proteine che lo
rivestono.
Questo evento, nel caso del poliovirus, potrebbe
essere strettamente associato alla fase di penetrazione,
dal momento che, potrebbe essere solo
l’acido nucleico a traslocare all’interno del
citoplasma.
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SCAPSIDAZIONE
Altri virus si ritrovano all’interno della cellula ospite
come complesso nucleoproteico, e di conseguenza
richiedono una fase di disassemblaggio per liberare
il proprio genoma.
Per molti virus le proteine si disaggregano spontaneamente
o per l’intervento di proteasi cellulari; in
alcuni virus che penetrano per endocitosi, la
scapsidazione può avvenire per azione di enzimi
lisosomiali che si riversano all’interno dei vacuoli
fagocitari.
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SITI di REPLICAZIONE
Dopo la fase di scapsidazione, il genoma virale può
rimanere a livello del citoplasma o essere trasportato
nel nucleo.
La maggior parte dei virus a RNA si replicano nel
citoplasma della cellula ospite, perché la loro replicazione,
che avviene mediante l’RNA polimerasi-RNA
dipendente associata all’RNA virale, non richiede
fattori nucleari.
Al contrario, la maggior parte dei virus a DNA, i
retrovirus, gli hepadnavirus e alcuni virus a RNA,
come il virus influenzale, devono entrare nel nucleo
della cellula poiché la loro replicazione richiede l’uso
di enzimi e altri fattori che sono presenti nel nucleo
della cellula.
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SITI di REPLICAZIONE
I virus che presentano una fase nucleare devono
attraversare non solo la membrana plasmatica e/o
endosomiale, ma debbono superare anche la membrana
nucleare.
Quest’ultima è costituita da una doppia membrana
all’interno della quale si trova il complesso del poro,
che presenta più di 50 diversi tipi di nucleoporine
che regolano il trasporto di macromolecole verso
l’interno ed esterno del nucleo.
Questi meccanismi di trasporto, così come i segnali
che li regolano, sono utilizzati da molti virus per far
penetrare il proprio complesso ribonucleoproteico nel
nucleo della cellula
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SITI di REPLICAZIONE
Particelle virali con massimo 39 nm di diametro
possono essere trasportate attraverso il complesso
del poro.
Virus e capsidi di piccole dimensioni possono
teoricamente attraversare il complesso del poro
senza essere necessariamente “disassemblati” a
livello citoplasmatico.
Il parvovirus (diametro 18-24 nm) e il capside del
virus dell’epatite B (diametro 36 nm) sono, con molta
probabilità, importati intatti nel nucleo.
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ESPRESSIONE E REPLICAZIONE DEL GENOMA
Una volta che il genoma virale si è liberato del capside
e ha raggiunto la propria sede, inizia la sintesi delle
macromolecole virali.
Il risultato fi nale di questo processo è la produzione di
numerose copie di componenti strutturali e genomici
necessari per la formazione della nuova progenie.
Per raggiungere questo obiettivo i virus devono sfruttare
l’apparato biosintetico cellulare.
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SINTESI PROTEICA
La funzione che più dipende dalla cellula è la sintesi proteica,
che è effettuata integralmente dagli apparati cellulari proteinosintetici.
I virus devono presentare ai ribosomi cellulari i propri mRNA in
modo tale che questi vengano riconosciuti e subito tradotti.
La cellula impone delle limitazioni al virus, in quanto sintetizza i
propri messaggeri solo nel nucleo e solo su stampi di DNA.
I virus a DNA che sono in grado di raggiungere il nucleo possono
sfruttare gli enzimi cellulari per produrre gli mRNA;
gli altri virus presentano un genoma che può esso stesso
funzionare da messaggero oppure debbono avere i propri enzimi
capaci di sintetizzare gli mRNA.
Inoltre l’apparato biosintetico cellulare può tradurre solo mRNA
monocistronici, in quanto i ribosomi non sono in grado di
riconoscere segnali di inizio interni alla molecola di mRNA.
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SINTESI PROTEICA
La fase che più dipende dalla cellula ospite è la sintesi
proteica, che viene effettuata integralmente dagli apparati
proteinosintetici cellulari.
I virus devono presentare ai ribosomi cellulari i propri
mRNA in modo tale che questi vengano riconosciuti e
tradotti.
La cellula impone delle limitazioni al virus, in quanto
sintetizza i propri messaggeri solo nel nucleo e solo su
stampi di DNA:
i virus a DNA che sono in grado di raggiungere il nucleo
possono sfruttare gli enzimi cellulari per produrre mRNA;
gli altri virus presentano un genoma «messaggero» o
debbono avere i propri enzimi capaci di sintetizzare gli
mRNA.
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SINTESI PROTEICA
Ne consegue che i virus debbono sintetizzare:
un mRNA per ogni singola proteina, come avviene per il
virus infl uenzale,
un mRNA contenente l’informazione di diversi geni, che
viene tradotto sotto forma di precursore poliproteico
successivamente scisso da proteasi virali e/o cellulari
nelle singole proteine.
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ESPRESSIONE DEL GENOMA VIRALE
Nella cellula infetta l’espressione del genoma virale è
in competizione con una miriade di geni cellulari che
devono essere trascritti e tradotti.
Per poter superare questo ostacolo molti virus
inibiscono la sintesi delle proteine cellulari
direttamente o indirettamente.
il virus dell’influenza blocca lo splicing e
l’esportazione degli mRNA cellulari dal nucleo al
citoplasma;
altri virus, invece, producono un’enorme quantità di
messaggeri che sono favoriti nel processo di
traduzione.
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Principali strategie replicative dei virus a RNA
L’RNA virale monofilamento (ssRNA)
a polarità positiva viene immediatamente
tradotto;
l’RNA virale a polarità negativa
necessita di essere trascritto da una
RNA-polimerasi RNA dipendente.
Nei retrovirus la trascrittasi inversa
(RT) retrotrascrive l’RNA virale in una
doppia catena di DNA (dsDNA).
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REPLICAZIONE VIRALE: CLASSIFICAZIONE
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