Modulo di Virologia (canali 1 e 2), AA 2016/2017 Prof. Milena Grossi Corso integrato Microbiologia e Virologia Dal 11/01/2017 al 20/01/2017 Orario

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1 Modulo di Virologia (canali 1 e 2), AA 2016/2017 Prof. Milena Grossi Corso integrato Microbiologia e Virologia Dal 11/01/2017 al 20/01/2017 Orario lezioni: Tutti i giorni Lun-Mer-Ven Aula Sergi Mar-Gio Aula IV via dei Marsi 78

2 Modulo di Virologia (canali 1 e 2) Corso integrato Microbiologia e Virologia Libri di testo: G. Dehò, E. Galli Biologia dei microrganismi, Cap. 16. Casa Editrice Ambrosiana Per una visione generale E Alan J. Cann Elementi di Virologia Molecolare ed. 2006, Casa Editrice Ambrosiana Per approfondire alcuni argomenti

3 Modalità esame del Modulo di Virologia L esame è orale e sarà possibile sostenerlo nelle date di appello pubblicate su Infostud dai titolari del corso integrato Microbiologia e Virologia, prof Bianca Colonna per il canale 1 (A-H) e prof Maria Lina Bernardini per il canale 2 (I-Z). Per chi desidera la modalità scritta sono previsti 3 esoneri : 27 Gennaio 2017 e 17 Febbraio 2017 Per partecipare agli esoneri è necessario prenotarsi sul elearning2.uniroma1.it alla pagina relativa al modulo di Virologia del corso integrato Microbiologia e Virologia.

4 Programma Modulo di Virologia (canali 1 e 2) AA 2016/2017 Corso integrato Microbiologia e Virologia Caratteri generali sui virus: composizione dei virioni; struttura del virione: il capside (simmetria icosaedrica ed elicoidale), l involucro pericapsidico (envelope); Criteri di classificazione dei virus e suddivisione in classi di replicazione: lo schema di Baltimore. I genomi virali. Ciclo replicativo. Retrotrascrizione. Regolazione dell espressione e replicazione dei genomi virali a DNA. Regolazione dell espressione e replicazione dei genomi virali a RNA. Interazioni genetiche e non genetiche tra virus Modelli di infezione e Interazione virus-ospite Prevenzione e terapia delle infezioni virali. Metodi di saggio: colture di cellule animali e controllo della moltiplicazione cellulare, quantificazione delle particelle virali, misurazione delle unità infettive virali, identificazione delle componenti virali.

5 La storia della virologia Dimitri Iwanowski (1892) dimostrò che estratti di piante di tabacco ammalate potevano trasmettere la malattia ad altre piante anche dopo aver passato tali estratti attraverso filtri di ceramica abbastanza selettivi da poter trattenere anche il più piccolo batterio. Tuttavia non realizzò quanto era importante questa osservazione Martinus Beijerinick (1898) confermò ed estese i risultati di Iwanowski sul Tobacco mosaic virus e fu il primo a sviluppare il concetto di virus, a cui si riferì come contagium vivum fluidum (un agente vivente solubile)

6 La storia della virologia Freidrich Loeffler & Paul Frosch (1898) dimostrarono che un agente simile era responsabile dell afta epizootica nel bestiame Il primo virus umano identificato, nel 1901, è stato quello responsabile della febbre gialla

7 La scoperta dei batteriofagi Frederick Twort (1915) & Felix d'herelle (1917) sono stati i primi ad identificare i virus che infettano i batteri che d'herelle chiamò batteriofagi (mangiatori di batteri) Negli anni 1930s e nei decenni successivi, Salvador Luria, Max Delbruck e molti altri utilizzarono questi virus come sistemi modello per studiare molti aspetti della virologia, comprendenti la struttura dei virus, la genetica, la replicazione etc. La storia della virologia è la storia dello sviluppo di sistemi e strumenti sperimentali che potevano permettere lo studio dei virus, attraverso il quale si sono aperte intere nuove aree della biologia.

8 Proprietà generali dei virus Parassiti intracellulari obbligati Mancano di tutte, o la maggior parte delle informazioni genetiche che codificano l apparato necessario per la produzione di energia metabolica e per la sintesi proteica Le particelle virali (virioni) sono formate da acido nucleico rivestito da un involucro proteico (capside). In alcuni virus è presente una membrana pericapsidica contenente lipidi e glicoproteine (envelope) Il genoma virale consiste di DNA o RNA, ma non di entrambi. Il genoma virale guida la sintesi delle componenti virali all interno di una cellula ospite appropriata.

9 Proprietà generali dei virus Le particelle virali sono prodotte come risultato dell assemblaggio di componenti preformati; le cellule crescono grazie all aumento controllato dei loro componenti e si moltiplicano mediante il processo di divisione. I virioni non crescono e non vanno incontro a divisione

10 Dimensioni Dimensioni sub-microscopiche nm From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

11 Forme

12 Forme

13 Classificazione tassonomica Gerarchia. La famiglia ha suffisso viridae. Il genere ha suffisso virus. La specie.

14 Struttura del virione

15 Sistema classico di classificazione Natura dell acido nucleico e configurazione del genoma Simmetria del rivestimento proteico (capside) Presenza o assenza di involucro lipidico (envelope)

16 Genoma dei virus Virus a DNA: tra questi, quasi tutti i virus animali contendono DNA a doppio filamento, con l eccezione dei Parvoviridae (virus adeno-associati) e dei Circoviridae.

17 Genoma dei virus Virus a RNA: quasi tutti i virus a RNA contengono RNA a singolo filamento, con l eccezione dei Reoviridae (p.e. rotavirus) che contengono RNA a doppio filamento. I virus ad RNA sono ulteriormente suddivisi in:

18 Genoma dei virus Virus con genoma a RNA a filamento positivo: cioè genomi con la stessa polarità dell RNA messaggero. I retrovirus contengono due copie di RNA+ Virus con genoma ad RNA a filamento negativo: cioè genomi con polarità opposta a quella dell RNA messaggero. Tre membri di questa classe sono sufficientemente correlati da essere inclusi nello stesso ordine dei Mononegavirales (rhabdoviridae, paramixoviridae e filoviridae) Gli altri virus di questa classe hanno un genoma segmentato (orthomyxoviridae con 8 segmenti, arenaviridae con 2 segmenti e bunyaviridae con 3 segmenti). Queste ultime due famiglie sono uniche in quanto possiedono un genoma definito ambisenso (cioè un genoma contenente RNA a polarità sia + che -)

19 Funzioni delle proteine virioniche di rivestimento Protezione del genoma Assemblaggio di un rivestimento proteico protettivo e stabile Riconoscimento specifico e impacchettamento del genoma In molti virus, interazione con la membrana dell ospite per formare l envelope Trasporto del genoma Legame specifico con i recettori della cellula ospite Segnali specifici che inducono la liberazione del genoma all interno della cellula ospite (uncoating) Induzione della fusione dell envelope con la membrana dell ospite Interazione con componenti cellulari che permettono il trasporto del genoma al sito appropriato per la replicazione

20 Struttura del virione Capside (alcune volte denominato nucleocapside): struttura proteica protettiva che circonda il genoma virale. E costituito da subunità proteiche assemblate a formare una struttura simmetrica ripetitiva. Le principali classi di simmetria sono quella elicoidale e quella icosaedrica. Le dimensioni del capside determinano in qualche modo la quantità (quindi le dimensioni) del materiale genetico che può essere impacchettato nella particella virale.

21 Nomenclatura Subunità strutturale (protomero): le singole proteine che costituiscono il capside Unità morfologica (capsomero, simmetria icosaedrica): la struttura più piccola visibile al microscopio elettronico, formata dall interazione di più protomeri Pentoni: capsomeri formati da cinque protomeri Esoni: capsomeri formati da sei protomeri

22 Simmetria elicoidale Le dimensioni dei virioni con un capside a simmetria elicoidale sono date in termini di diametro, che dipende dalle caratteristiche dei protomeri, e di lunghezza, che dipende dalle dimensioni del genoma. La simmetria elicoidale è definita da due parametri: Ampiezza = diametro Passo dell elica (P) = distanza coperta da un intero giro di elica P=m x r m= numero di protomeri per giro d elica r= incremento assiale per subunità From Cann Principles of molecular virology (2001). Academic Press

23 Simmetria elicoidale La simmetria elicoidale è molto frequente tra i virus vegetali

24 Simmetria elicoidale I virus animali a simmetria elicoidale sono tutti provvisti di envelope Numerosi virus patogeni per l uomo sono caratterizzati da questa struttura: virus dell influenza (orthomyxovirus), i virus che causano la parotite epidemica e il morbillo (paramyxovirus), il virus della rabbia (rabdovirus) Virus della rabbia From Cann Principles of molecular virology (2001). Academic Press

25 Simmetria Icosaedrica L icosaedro è un solido con 20 facce triangolari e 12 vertici; È l unico involucro chiuso che si può ottenere con protomeri identici (il capside elicoidale è una struttura aperta); È caratterizzato da 3 assi di simmetria rotatoria: asse di simmetria 5 che passa attraverso ognuno dei dodici vertici, sono possibili 5 rotazioni di 72, ciascuna delle quali produce una configurazione identica asse di simmetria 3, che passa per il centro di ciascuna delle venti facce, sono possibili tre rotazioni di 120, ciascuna delle quali produce una configurazione identica Asse di simmetria 2, che passa per ciascuno dei trenta spigoli dell icosaedro, sono possibili 2 rotazioni di 180, ciascuna delle quali produce una configurazione identica

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27 Simmetria Icosaedrica Gli involucri più semplici sono formati da 60 protomeri, tre per faccia, ognuno posto ad uno dei vertici. L insieme dei cinque protomeri attorno a ciascun vertice dell icosaedro costituisce un capsomero (in questo caso un pentone) Solo i virioni più piccoli e più semplici hanno un capside composto da 60 protomeri, ed alcuni esempi si trovano tra i virus delle piante

28 Simmetria Icosaedrica La maggior parte degli altri virus con capside a simmetria icosaedrica hanno più di 60 protomeri Numero di triangolazione (T). Numero di triangoli inscritti per faccia. Il più piccolo numero possibile è 3, poi 4, 7, 9, 12 quindi avremo T=1 per l icosaedro base T=3 Tre triangoli inscritti per ciascuna faccia (sei emi-triangoli) T=4 Quattro triangoli inscritti per ciascuna faccia etc From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

29 Simmetria Icosaedrica Principio di semi-equivalenza: quando la stessa unità strutturale o protomero si organizza a formare sia pentoni che esoni, le diverse interazioni stabilite nel formare i due tipi di capsomeri sono da attribuire e differenze di configurazione della stessa catena polipeptidica. Poiché ciascun triangolo inscritto è formato da 3 protomeri, uno per vertice, nei capsidi icosaedrici con T>1 il numero di protomeri sarà 60xT

30 Adenovirus T=25 HSV-1 T=16

31 Struttura del virione

32 Struttura del virione Involucro pericapsidico (envelope): doppio strato lipidico che circonda il capside di molti virus animali. Deriva dalle membrane cellulari come risultato del processo di gemmazione della particella virale. L envelope contiene anche proteine, codificate dal genoma virale; spesso glicoproteine con un ruolo importante nel processo di attacco/adsorbimento e entrata del virus nella cellula ospite. La presenza dell envelope conferisce minore stabilità al virione.

33 VIRAL ENVELOPE Al doppio strato lipidico derivato dalle membrane cellulari sono associate proteine virus-specifiche quali: Glicoproteine, suddivise in base alla loro funzione in: glicoproteine esterne o di superficie, proteine transmembrana e canali di trasporto Proteine della matrice

34 From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

35 From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press

36 Simmetria Icosaedrica La maggior parte degli altri virus con capside a simmetria icosaedrica hanno più di 60 protomeri Pentone Esone From Flint et al. Principles of Virology (2000), ASM Press