Caratteristiche generali dei virus

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1 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE SCIENZE DELLA NUTRIZIONE UMANA ANNO ACCADEMICO Corso Integrato di Microbiologia Agroalimentare e Microbiologia Applicata Caratteristiche generali dei virus Dr.ssa Claudia Matteucci Dipartimento di Medicina Sperimentale e Chirurgia Cattedra di Microbiologia

2 VIROLOGIA GENERALE -Sono parassiti endocellulari obbligati sia delle cellule eucariotiche (virus propriamente detti) che delle cellule procariotiche (batteriofagi) -Sono quindi capaci di riprodursi esclusivamente all interno della cellula parassitata utilizzando i meccanismi biosintetici cellulari -Sono di piccolissime dimensioni ( nm) e visibili solo al microscopio elettronico

3 Dulbecco Ginsberg Microbiologia Ed. Zanichelli

4 VIROLOGIA GENERALE Il genoma protetto da un involucro di natura proteica (capside). Un solo tipo di acido nucleico DNA o RNA

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6 MORFOLOGIA DEI VIRIONI Virione = particella virale al di fuori della cellula VIRUS NUDI Nucleocapside = Genoma + capside Genoma = Acido nucleico (DNA o RNA) Capside = involucro proteico intorno all acido nucleico VIRUS RIVESTITI Nucleocapside + Pericapside Nucleocapside = Genoma + capside Pericapside = involucro di natura lipoproteica

7 CAPSIDE Struttura Costituito da capsomeri (subunità proteiche) Simmetria Elicoidale 1 tipo di capsomero Icosaedrica 2 tipi Funzione Protezione del genoma e proteine accessorie Portatore delle molecole di adesione Funzione antigenica

8 Capside - formato da subunità proteiche ripetute dette capsomeri che possono essere costituiti da peptidi tutti identici tra loro (virione a simmetria elicoidale) oppure diversi (virus a simmetria icosaedrica).

9 Simmetria cubica o icosaedrica i protomeri si dispongono in raggruppamenti simmetrici detti capsomeri. Disposizione spaziale dei protomeri in modo da formare un solido regolare cavo che più si avvicini alla sfericità: un icosaedro. L icosaedro è caratterizzato da 12 vertici, ( triangoli equilateri) 20 facce, 30 spigoli. 3 assi di simmetria rotazionali passanti al centro dell icosaedro. Pentoni ( 5 protomeri) vertici Esoni (6 protomeri) facce

10 CAPSIDE A STRUTTURA ICOSAEDRICA

11 Simmetria elicoidale: I protomeri non si raggruppano in complessi ma si dispongono con un andamento a spirale per formare il capside. Una specie di cilindro nella cui cavità si trova l acido nucleico. Questa simmetria ha un solo asse di simmetria rotazionale che coincide con l asse longitudinale del cilindro.

12 CAPSIDE A STRUTTURA ELICOIDALE

13 Pericapside Alcuni virioni hanno il nucleocapside rivestito da un involucro (envelope o peplo) detto pericapside di natura lipoproteica derivato dalla membrana nucleare o citoplasmatica della cellula parassitata (a seconda che il virus si replichi nel nucleo o nel citoplasma della cellula ospite).

14 Pericapside Stesse funzione del capside Portatore delle molecole di adesione del virus alla cellula ospite Funzione antigenica Deriva dalla membrana cellulare o nucleare della cellula ospite

15 NUDI RIVESTITI ICOSADRICI Genoma Capside ELICOIDALI Pericapside Genoma Capside

16 Mims et al. Microbiologia Clinica Ed. EMSI VIRUS NUDO

17 Mims et al. Microbiologia Clinica Ed. EMSI VIRUS RIVESTITO

18 PERICAPSIDE GENOMA CAPSIDE

19 GENOMA VIRALE I virus possono contenere DNA o RNA L RNA è sempre a catena singola ad eccezione del Rotaviris (Reovirus) che ha un RNA a catena doppia. Il DNA è sempre a doppia elica ad eccezione del Parvovirus L RNA può essere a polarità positiva o a polarità negativa L RNA a polarità positiva all interno della cellula può funzionare direttamente da RNA messaggero. L RNA a polarità negativa deve essere trascritto in un elica complementare che funziona da RNA messaggero: virus con questo tipo di RNA hanno l enzima RNA polimerasi RNA dipendente associata al virione

20 CLASSIFICAZIONE

21 Caratteristiche dei virus utilizzate nella classificazione: CARATTERISTICHE DEL GENOMA: Tipo di acido nucleico Lineare o circolare Polarità positiva o negativa Presenza di segmenti distinti Sequenza nucleotidica

22 VIRUS A DNA: Herpesviridae Poxviridae Papovaviridae Adenoviridae Parvoviridae Virus dell Epatite B

23 VIRUS A RNA Paramyxoviridae Arenaviridae Bunyaviridae Rhabdoviridae Orthomyxoviridae Retroviridae Caliciviridae Picornaviridae Coronaviridae Togaviridae Reoviridae Filoviridae

24 INFEZIONE VIRALE Adsorbimento = il virus si lega ad uno specifico recettore della membrana cellulare con un legame chimico-fisico Penetrazione = per fagocitosi e nei virus con pericapside per fusione delle membrane Denudamento dell involucro proteico = digestione dell involucro capsidico ad opera degli enzimi idrolitici contenuti nelle vesciche lisosomiali cellulari Replicazione del genoma virale e Traduzione dei messaggeri virali in PROTEINE VIRALI Assemblaggio delle particelle virali Liberazione delle particelle virali dalla cellula ed infezione di altre cellule

25 FASI INIZIALI DELL INFEZIONE Incontro Passivo, fase aspecifica Legame Recettori specifici sulla membrana cellulare Penetrazione Virus non rivestiti (NUDI): viropessia (Endocitosi mediata da recettori) Virus rivestiti: scapsidazione Endocitosi mediata da recettore Fusione diretta

26 ATTACCO Contatto virus cellula Recettori virali sulla cellula I recettori per il virus presenti sulla cellula possono essere proteine o carboidrati su gp o glicolipidi. Antirecettori virali sul virus RECETTORI PER I VIRUS EBV--> C3d presente sui linfociti B HAV--> alfa-2 macroglobulina HIV--> CD4 Influenza --> gp contenenti acido sialico. Morbillo --> CD46 Picornavirus: Un avallamento (canyon) sulla superficie del Rhinovirus che s inserisce sulla molecola di adesione intercellulare (ICAM-1) Rhinovirus --> ICAM-1

27 ANTIRECETTORI VIRALI PRESENTI SULLA SUPERFICIE DEI VIRUS Emoagglutinine (HA) Glicoproteine (Gp)

28 VIRUS NUDI a) adsorbimento b) endocitosi (ph neutro) c) Fagocitosi VIRUS CON ENVELOPE PENETRAZIONE Fusione del pericapside con la membrana cellulare dell ospite con il fine di liberare il nucleocapside o il genoma direttamente nel citoplasma.

29 DENUDAMENTO All interno della cellula infetta il virione perde l involucro esterno, liberando l acido nucleico e eventuali enzimi virali che porta con se. azione delle proteasi sul capside proteico. azione degli enzimi lisosomiali sulle strutture proteiche

30 SINTESI MACROMOLECOLARE L acido nucleico e le proteine strutturali della progenie virale vengono sintetizzate separatamente per poi riassemblarsi e formare nuovi virioni. vengono utilizzati enzimi cellulari alcuni virus portano nei virioni peculiari enzimi virali (RNA polimerasi, DNA polimerasi) la replicazione del virus può avvenire nel citoplasma o nel nucleo secondo il tipo di virus

31 EVENTI DELLA REPLICAZIONE VIRALE 1)Riconoscimento della cellula bersaglio 2) Adsorbimento 3) Penetrazione 4) Denudamento 5) Sintesi macromolecolari a) Sintesi degli mrna precoci e di proteine non strutturali:geni per enzimi e proteine leganti acidi nucleici. b) Replicazione del genoma c) Sintesi degli mrna tardivi e di proteine strutturali. d) Modificazioni post-traduzionali delle proteine. 6) Assemblaggio del virus 7) Gemmazione del virus con mantello 8) Rilascio del virus

32 STRATEGIE REPLICATIVE A) VIRUS A DNA iniziano la trascrizione nel nucleo della cellula ospite utilizzando la RNA polimerasi DNA dipendente della cellula ospite. I virus che replicano nel citoplasma (poxvirus) utilizzano per la trascrizione una polimerasi veicolata dal virus stesso. B) VIRUS A RNA a polarità positiva non hanno bisogno di trascrivere il proprio genoma perché il loro RNA viene tradotto direttamente dai ribosomi della cellula. I virus ad RNA a polarità negativa possiedono un genoma che non può essere tradotto e debbono quindi produrre mrna utilizzando una trascrittasi virale.

33 ASSEMBLAGGIO L assemblaggio delle copie del genoma virale con le proteine strutturali costituiscono nuove particelle virali Tutti i VIRUS A RNA si assemblano nel citoplasma delle cellule infettate I VIRUS A DNA si assemblano nel nucleo tranne i Poxvirus (citoplasma)

34 Liberazione Lisi cellulare Gemmazione

35 LIBERAZIONE Acquisizione del mantello e liberazione Herpesvirus ( foglietto interno della membrana nucleare) Togavirus (reticolo endoplasmatico) La liberazione dei virus con pericapside avviene per gemmazione dal reticolo endoplasmatico e dalle membrane del Golgi La liberazione dei virus senza pericapside avviene per lisi cellulare causata dall alterata permeabilità della membrana e dal blocco della sintesi delle macromolecole cellulari Nella maggior parte dei virus con pericapside la maturazione del virus avviene con la liberazione

36 Mims et al. Microbiologia Clinica Ed. EMSI scapsidazione

37 CICLO REPLICATIVO DI HIV

38 Effetti dell infezione virale sulla cellula ospite La moltiplicazione virale produce modifiche nella cellula ospite. Ne derivano cambiamenti della morfologia cellulare e alterazioni metaboliche, genetiche e regolatorie che possono portare alla morte cellulare o alla sua trasformazione.

39 Effetti dell infezione virale sulla cellula ospite Tipi di infezioni - Citolitiche acute il virus si replica nella matrice cellulare, la cellula si lisa liberando le nuove particelle virali (caratteristica dei virus nudi); causa la morte della cellula. - Croniche ad equilibrio intorno al genoma si forma il capside nel citoplasma cellulare, il nucleocapside si avvicina alla membrana citoplasmatica e per gemmazione si matura il virione rivestito (pericapside); effetto citopatico ridotto. - Integrate infezione trasformante, il genoma virale si integra nel genoma della cellula ospite determinandone una trasformazione permanente.

40 Infezione virale citolitica Virus nudo Virus rivestito - Infezioni più frequenti - Morte della cellula - Virus rivestiti uccidono la cellula più lentamente di quelli nudi

41 Infezione virale cronica Virus rivestito - La cellula ospite non muore - La cellula produce piccole quantità di virus per periodi di tempo lunghi senza subire danni evidenti

42 Infezione virale integrata - Genoma virale rimane nel nucleo in forma episomiale o integrata - Trasformazione neoplastica della cellula

43 Effetti dell infezione virale sulla cellula ospite EFFETTO CITOPATICO La moltiplicazione virale produce nella cellula ospite cambiamenti della morfologia e alterazioni metaboliche, genetiche e regolatorie che possono determinare la morte della cellula o la sua trasformazione

44 Alterazioni morfologiche - Degenerazione e lisi della cellula (adenovirus) - Formazioni di sincizi (fusione di più cellule) (retrovirus, herpesvirus, paramixovirus) - Formazioni di inclusioni nella cellula (ammassi di costituenti virali o di strutture cellulari alterate, citomegalovirus) - Modificazione dell espressione delle proteine di membrana (alterazione importante per il riconoscimento da parte delle cellule del sistema immunitario)

45 Alterazioni metaboliche, genetiche - Alterazione della permeabilità della membrana e dei meccanismi di trasduzione del segnale intracellulare - Inibizione della sintesi delle macromolecole cellulari (DNA, RNA e proteine) - Alterazioni cromosomiche (modifica stabile del genoma cellulare)

46 LE INFEZIONI PERSISTENTI comprendono: 1) CRONICHE (non litiche, produttive) 2) LATENTI ( sintesi limitata di macromolecole virali ma senza produzione di virus. il virus non è rilevabile negli intervalli tra successive recidive) 3) LENTE (periodo di incubazione lungo) 4) TRASFORMANTI ( immortalizzazione)

47 VIRUS ONCOGENI Alcuni virus a DNA ed alcuni Retrovirus stabiliscono infezioni persistenti che possono anche stimolare una replicazione cellulare incontrollata, causando la trasformazione o l immortalizzazione delle cellule Caratteristiche delle cellule trasformate replicazione senza senescenza alterazioni della morfologia alterazioni del metabolismo aumentato tasso di crescita cellulare aumentato trasporto di zuccheri perdita dell inibizione da contatto acquisizione della capacità di crescita in sospensione o in agar semisolido

48 QUESTI VIRUS IMMORTALIZZANO LE CELLULE: 1) Attivando o fornendo geni che stimolano la proliferazione cellulare (oncogeni) 2)Rimuovendo i relativi meccanismi di inibizione che limitano la sintesi del DNA e la crescita cellulare (geni oncosoppressori)

49 PATOGENESI DELLE INFEZIONI VIRALI PROCESSO ATTRAVERSO IL QUALE UN INFEZIONE VIRALE PROVOCA MALATTIA Comprende cinque eventi principali: a) Ingresso del virus nell ospite b) Replicazione del virus nella sede di primo impianto che può coincidere o meno con la sede di ingresso c) Diffusione locale o a distanza d) Disseminazione agli organi bersaglio e) Eliminazione del virus dall organismo

50 MECCANISMI DI PATOGE\NESI VIRALE La presenza o meno del pericapside è il principale fattore strutturale che influenza la modalità della trasmissione virale. VIRUS SENZA PERICAPSIDE: Resistono all essiccamento, all azione dei detergenti, a condizioni estreme di ph, di temperatura, all ambiente acido dello stomaco, all azione della bile nell intestino (virus trasmessi per via inalatoria, per via oro-fecale e spesso acquisiti attraverso oggetti contaminati. VIRUS CON PERICAPSIDE: Labili. Sono trasmessi 1) attraverso goccioline respiratorie, sangue, muco, saliva o sperma; 2) mediante inoculazione; 3) trapianto d organo. Questi virus sono labili in ambiente acido, ed al trattamento con detergenti, caratteristica che rende impossibile la loro trasmissione per via oro-fecale. Eccezioni sono l HBV, e i Coronavirus.

51 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE Infezione del tessuto bersaglio Il virus riesce a penetrare nell organismo attraverso discontinuità della cute o attraverso le membrane mucoepiteliali che rivestono gli orifizi del corpo (occhi, tratto respiratorio, bocca, genitali e il tratto gastro enterico) Dopo l entrata il virus si può replicare e rimanere a livello del sito primario, può diffondersi ad altri tessuti attraverso il circolo ematico ed il sistema linfatico o può disseminare attraverso i neuroni.

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54 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE VETTORI: sono gli animali che fungono da vettori per la diffusione della malattia virale ad altri animali, all uomo e ad altri ospiti SERBATOI: animali che mantengono ed amplificano la diffusione del virus nell ambiente ZOONOSI: le malattie virali che vengono condivise da animali (Rabbia) o insetti ( Arbovirus,che includono i togavirus, flaivirus, bunyavirus, reovirus) e dall uomo.

55 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE Il trasporto del virus in circolo viene detto viremia. I virus possono essere liberi nel sangue o in forma cellulo-associata all interno di linfociti e macrofagi I virus che diffondono per via viremica possono raggiungere organi diversi. Sono definiti organi bersaglio solo quelli in cui la moltiplicazione virale conferisce all infezione la sintomatologia caratteristica I virus possono raggiungere il SNC attraverso: 1) il circolo ematico 2) le meningi o il liquido cerebrospinale infettati 3) neuroni periferici e sensoriali.

56 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE Di grande importanza sono anche le vie di eliminazione del virus non solo per la diffusione del virus ma anche per le strategie di prevenzione. L eliminazione può avvenire attraverso la via respiratoria, oro-fecale, urogenitale.

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58 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE I virus causano malattia dopo Aver superato le barriere di difesa naturali dell organismo Aver eluso il controllo del sistema immunitario Aver distrutto le cellule di un tessuto importante Aver attivato una risposta immunitaria ed infiammatoria distruttiva.

59 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE La risposta immunitaria può costituire uno dei fattori maggiormente responsabili della patogenesi di una infezione virale. Il tessuto bersaglio del virus determina la natura della malattia ed i suoi sintomi, mentre vari fattori virali e dell ospite determinano la gravità della malattia. Questi fattori sono: il ceppo virale la consistenza dell inoculo le condizioni generali di salute della persona infettata. L efficacia della risposta immune della persona infettata determina la gravità e la durata della malattia.

60 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE Ogni virus ha il suo tropismo tissutale. Molti virus codificano funzioni (fattori di virulenza) che promuovono l efficienza di replicazione virale, la trasmissione virale, l accesso ed il legame del virus al tessuto bersaglio o l elusione da parte delle difese dell ospite incluse quelle del sistema immunitario. Fasi fondamentali nella malattia virale sono: 1) Acquisizione ( ingresso nell organismo) 2) Iniziazione dell infezione al sito primario 3) Periodo d incubazione

61 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE Il periodo d incubazione può essere: 1) Asintomatico 2) produrre sintomi primari aspecifici (fase prodromica) 3) fase sintomatica: causati dal danno tissutale e dagli effetti sistemici causati dal virus e forse dal sistema immunitario.

62 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE DIFESE DELL OSPITE CONTRO LE INFEZIONI VIRALI: barriere anatomiche naturali ( cute e mucose integre, muco, ciglia, acido gastrico, lacrime, bile) DIFESE IMMUNITARIE ASPECIFICHE (INNATE) febbre, IFN, macrofagi, NK che provano a delimitare e controllare la replicazione virale locale e la diffusione. DIFESE IMMUNITARIE SPECIFICHE : RISPOSTA UMORALE E CMI Th1--> CMI, IFN, CTL ( è necessaria per la lisi cellularenel caso d infezioni non citolitiche ( HAV) e delle infezioni causate da virus con mantello Th2 --> risposta anticopale ( bloccano il virus durante la viremia) Memoria immunitaria

63 MECCANISMI DI PATOGENESI VIRALE INFEZIONE INAPPARENTE O ASINTOMATICA si verifica: 1) quando il tessuto infettato non viene danneggiato; 2) quando l infezione viene controllata prima che il virus raggiunga l organo bersaglio 3) se il tessuto viene rapidamente riparato 4) se l entità del danno è al di sotto della soglia di disfunzione. Le infezioni asintomatiche rappresentano la principale fonte di contagio

64 STRATEGIE DI ADATTAMENTO DEI VIRUS Ogni virus mette in atto strategie diverse per replicare efficacemente, nonostante la presenza dei meccanismi difensivi dell ospite. Infezioni acute: da virus citolitici, ma caratterizzati da una rapida replicazione nell ospite e rapido passaggio ad altro ospite prima che sia completamente attiva la risposta adattativa che rimuove il virus (es. virus influenzale, virus del morbillo). Infezioni persistenti: virus che riescono ad eludere le risposte difensive (es. HIV, HCV) e con esse riescono a convivere. Infezione lunga con manifestazione clinica nel tempo, dopo anni di interazione virus-ospite. Anche i virus erpetici (herpesvirus) sono in grado di persistere nell ospite entrando in fase di latenza replicativa. Si riattivano quando le difese dell ospite diminuiscono.

65 ELUSIONE DELLA RISPOSTA DA PARTE DEI VIRUS. Produzione di VIROCHINE, proteine che neutralizzando l effetto delle citochine prodotte dall ospite. Effetto immunomodulatorio. (es. proteina Tat di HIV). Virus con envelope portano sulla superficie proteine presenti sulla membrana dell ospite (es. HIV, HTLV-1. virus Ebola). Proteine virali possono bloccare nella cellula infettata la risposta interferon o la cascata del segnale dei PRR (Toll like receptor) (es. NS3 di HCV interagisce con la cascata del TLR3). Mutazioni del virus durante la replicazione, necessità di produrre nuovi anticorpi per bloccarlo.

66 Antivirali I farmaci antivirali hanno come bersaglio enzimi codificati dal virus oppure strutture virali importanti per la replicazione. Virus trattabili con farmaci antivirali: Virus dell Herpes simplex Virus della Varicella zooster Cytomegalovirus HIV Virus dell influenza A Virus respiratorio sinciziale Virus dell Epatite A,B e C Papillomavirus Picornavirus

67 Antivirali Bersagli dei farmaci antivirali: In base alle fasi di replica virale i potenziali bersagli dei farmaci antivirali sono: L adsorbimento Penetrazione Scapsidazione Trascrizione Sintesi proteica Replicazione del DNA ( polimerasi) Biosintesi dei nucleosidi Recupero dei nucleotidi ( Timidina chinasi) Modificazione delle glicoproteine Assemblaggio ( proteasi)

68 Antivirali